Hosszú és kalandos nyomozással derítette ki egy magyar kutató, hogyan lett szupergyom a parlagfű

Másfél évtizedes, kudarcokkal és megtorpanásokkal tarkított tudományos nyomozás után a célegyenesbe fordultak Poczai Péter parlagfűkutatásai. A növénybiológus, aki a Pannon Egyetem keszthelyi Georgikon Mezőgazdaságtudományi Karán szerezte kutató növényorvosi alapdiplomáját, majd növénygenetikából doktorált, a növénygyűjtemények, azaz a herbáriumok mélyén talált rá a megoldásra, de az eredményhez kellett a neandervölgyiek genomja és a fotoszintézisért felelős kloroplasztisz is.

A parlagfűfélék inváziós növényeknek számítanak, és becslések szerint ezek az özönfajok Európában 3800 milliárd forintnak (12 milliárd eurónak) megfelelő gazdasági kárt okoznak évente. A mezőgazdaságban évtizedekig a totális gyomirtószerek közül a glifozát nevű gyomirtószert használták ellenük, annak ellenére, hogy a gyomkutatók előtt korábban is ismert volt: az óriás parlagfű (Ambrosia trifida) rezisztens a glifozátra. 

Ismeretlen ellenálló

A Monsanto amerikai óriáscég vegyésze által 1970-ben felfedezett glifozát jelentősen összezavarja a méhek bélflóráját és hatással van az immunrendszerre - így szerepet játszhat a méhpusztulásban. Szintén ez az a gyomirtószer, amit a Round Up Ready márkanevű szója és más genetikai módosítással előállított mezőgazdasági növények esetében már több évtizede használnak. A túlzott mértékben alkalmazott gyomirtó miatt a rezisztens gyomnövények kiszelektálódnak – ilyenek az óriás parlagfű egyes egyedei is. 

A kutatók sokáig tanácstalanok voltak, hogy mi okozhatja az óriás parlagfű rezisztenciáját a glifozáttal szemben, mert nem találtak benne más fajokhoz hasonló, úgynevezett hatáshely-rezisztenciát okozó génmutációkat. Így arra a következtetésre jutottak, hogy az óriás parlagfű glifozátrezisztenciája egyfajta nem-hatáshely rezisztencia, amit több gén okozhat, és komplex módon öröklődik.

Francia kutató és az inváziós növényFotó: Denis Bringard/Biosphoto

Érthető, hogy a kutatások az allergén ürömlevelű parlagfűre (Ambrosia artemisiifolia) koncentrálnak, a botanikailag és genetikailag legalább annyira érdekes más fajok, az óriás parlagfű vagy az évelő parlagfű (A. psilostachya) pedig kimaradnak. Ugyanakkor szinte semmit nem tudunk a Linné által Szent Ambrusról elnevezett Ambrosia nemzetségről: nem tudjuk, mikor alakultak ki a fajok, ahogy azt sem, hogy mennyi van belőlük. 

2005-ben kezdtem keresni a választ ezekre a kérdésekre, de azzal kellett szembesülnöm, hogy a rendelkezésre álló herbáriumi anyagok nagyon ritkák. Ráadásul a projekt súlyos kudarcba fulladt, mivel nem sikerült használható DNS-t kivonni a mintákból, én pedig mehettem a kocsmába sörözni. Sok évre el is felejtettem a kérdést. 

Genetikai múltfeltárás és a körömgomba

Mára elfogadott, hogy a DNS is lehet régészeti lelet. Még az 1980-as években figyeltek fel rá, hogy az egyiptomi múmiákból kinyert DNS-darabok szekvenciasorrendjét meg lehet állapítani, miután azokat baktériumokba klónozták. Szenzációs eredmények születtek: fény derült II. Rámszesz titkára vagy éppen a kihalt tasmániai erszényes farkas rokonságára. Később a polimeráz láncreakció elterjedésével megfelelő szigorú laboratóriumi körülmények között, a klónozási lépést kihagyva lehetővé vált különböző DNS-darabok felszaporítása és kimutatása. A múzeumi anyagokból kivont archaikus DNS viszont sok esetben roncsolódott és erősen degradálódott, ami megakadályozta a polimeráz láncreakción (PCR) alapuló sokszorosítását (amplifikációját). Az enzimatikus vizsgálatok és bakteriális klónozások ráadásul sokszor kacsának bizonyultak, vagy éppen szennyeződésnek, amit a laborban dolgozók vittek be a mintákba.

Erre példa az az eset, amikor korábban burgonya-DNS-darabokat klónoztunk E.coli baktériumokba. Az ellenőrzési tesztek során megállapítottuk, hogy a DNS-darab beépült a baktériumokba, azt viszont csak a későbbi laborvizsgálatok során tudtuk meg, hogy az egész pontosan micsoda. A szekvenálás eredményeit a számítógépen olvasva furcsáltuk, de csak a nemzetközi adatbázisokkal való összehasonlítás után derült ki, hogy a beépült DNS-darabnak semmi köze sincs a burgonyához, annál inkább egy humán patogén gombabetegséghez. Ezután megvilágosodtunk: a laborba a kísérlet során véletlenül betévedő és a lábán zacskót viselő kutatónak éppen gombás fertőzése volt, és az E.coliba beépült fertőző gombabetegség DNS-e valószínűleg tőle származott. A labort alaposan kitakarítva és szigorúbb előírásokat alkalmazva a kísérletet sikeresen megismételtük.

Neandervölgyi lendület a botanikában

A Svante Pääbo, a Max Planck Intézet észt származású svéd evolúcióbiológusa által az ezredforduló után végzett, a neandervölgyi ember genomjának rekonstrukcióját eredményező kutatások hatására a növényrendszertanban is lavina indult meg. Mindenki próbálkozott a herbáriumi anyagokból DNS-t kivonni, majd azt PCR segítségével felszaporítani és újraértelmezni a különböző növénycsoportok evolúcióját. Az ezen alapuló növényrendszertani közlemények feje tetejére állították a növényi törzsfejlődésről alkotott tudásunkat.

A jobb szélen Svante Pääbo, a neandervölgyi csontváza körül kutatócsoportjának tagjai 2010-benFotó: AFP

A herbáriumi anyagokból kivont DNS tanulmányozása viszont sok esetben bonyolult volt. Először is a példányokhoz nehéz volt hozzáférni, mert sok múzeumban hét pecsét alatt őrizték őket. Sokszor bonyolult és hosszadalmas engedélyezési eljárások után lehetett a préselt növényekből egy kis darabkát lecsípni. Ez olyan komikus helyzetekhez vezetett, mint amikor egy zárt szobában három ember figyelte, hogy az értékes és ritka gyűjtemény darabjából mekkora részt csípek le a kezemben tartott csipesszel. (Érdemes megjegyezni, hogy sok gyűjtő több száz évvel ezelőtt a gyűjteményeihez a gyűjtött és lepréselt példányból levél-, virág- és szárdarabkákat is elhelyezett egy kis zsebecskében. Milyen előrelátóak voltak!)

Mivel a rendelkezésre álló és laborban feldolgozható növényanyag a herbáriumok miatt erősen korlátozott, a legtöbb esetben újra és újra próbálkoztunk, hátha használható eredményt kapunk. A kitartóbbak ugyanazon faj több múzeumból származó egyedén próbálkoztak, hátha valamelyik sikerrel jár. Bizonyos növényfajokból származó használható DNS-minták mikrolitere felbecsülhetetlen érték. Egyes múzeumok például a londoni Királyi Botanikus Kert, a Kew Gardens a mai napig hatalmas összegekért árulja az anyagaikból kivont DNS-t.

A kudarc keserű söre

Az éveken át tartó mintagyűjtögetésünk siralmas kudarcba fulladt, amikor a laborban az értékes múzeumi példányokból kivont DNS koncentrációját próbáltunk megmérni. A legtöbb esetben minél több módszerrel végeztük el a méréseket, annál többféle eredményt kaptunk, és végül a PCR-ek sem működtek. Semmilyen eredményre nem jutottunk, csak egy keserű sörhöz a sarki kocsmában, ahol csalódottan próbáltuk elmagyarázni a kérdezősködő embereknek, hogy mi lombozott le ennyire bennünket. Kutatók világszerte érezték ugyanezt: nemzetközi konferenciákon panaszkodtunk egymásnak, aztán boldogan mesélhettem otthon, hogy találkoztam egy fickóval Peruból, aki ugyanazért szomorú, mint én, és voltaképp jó, hogy nem vagyok egyedül. Sovány vigasz, de legalább felszabadító érzés volt.

Rejtélyesnek tartottuk, hogy miért nem működnek a vizsgálatok. Az elkeseredést tovább rontotta, hogy kiderült: a növények számos olyan kémiai anyagot, poliszaharidokat és polifenolokat tartalmaznak, amelyek akadályozzák a DNS-vizsgálatokat.

Színtestekkel a rezisztencia nyomában

Pár éve aztán rájöttünk, hogy a herbáriumi anyagokból a fotoszintézist végző kloroplasztisz különálló DNS-állományának felszaporítása és vizsgálata eredményre vezethet. A növényi sejtekben nagy számban előforduló színtestek ugyanis a vastag növényi sejtfal által védettek és nagyobb arányban maradnak épségben.

A kloroplasztisz számítógépes rajzaFotó: Science Photo Library

A növénybiológia legújabb fejleményeivel foglalkozó Frontiers in Plant Science folyóiratban idén február 28-án megjelent cikkünkben egyfelől genomi referenciát hoztunk létre, amikor herbáriumból kinyert DNS-ből összeraktuk az óriás parlagfű kloroplasztisz genomját, amit aztán a lehetséges összes genomikai elemzésnek is alávetettünk. Meghatároztuk evolúciós rokonsági viszonyát a többi fészkesvirágzatú (Asteraceae) rokonához képest, és összehasonlító elemzésben leírtuk a kloroplaszisz genomszerkezetének változásait, összevetve azt az olyan többi rokon fajjal, mint a napraforgó vagy a kerti saláta.

Eközben adta magát az ötlet, hogy ha rendelkezésünkre áll a herbáriumi anyagból az óriás parlagfű rekonstruált kloroplasztisz genomja, akkor nézzük meg, hogy ki tudunk-e valamit deríteni a rejtélyes rezisztenciatípusról. Az eredményeinket összevetettük a korábban genomi adatbázisokba feltöltött glifozátrezisztens és szenzitív óriás parlagfüvekből gyűjtött RNS-adatokkal. Ezek a nyers adatok a rezisztens és szenzitív egyedekből származó aktivizálódó gének információját tartalmazták, ám referencia híján ezeket korábban más kutatók nem tudták értelmezni. A herbáriumi anyagból rekonstruált genom segítségével mi viszont meg tudtuk vizsgálni, mi történik a glifozátrezisztens órás parlagfű fotoszintézisért felelős kloroplasztisz genomjában. 

Kapóra jött, hogy a herbáriumi anyagokban  kis mennyiségű töredezett DNS van, ami viszont tökéletesen megfelel az új generációs szekvenálási módszerekhez. Az ultrahangos szonikátor technológiával ugyanis az ép hosszú DNS láncokat is apró darabokra tördeljük azért, hogy komplementer elemeket kapjunk. A herbáriumokban lévő DNS már eleve töredezett és kis darabokban van, ami ideális. Olyan minták is életre kelnek, amik eddig soha, és olyan anyagokat vizsgálhatunk, amelyeken a korábbi PCR módszerekkel csődöt mondtunk. 

Gyomirtóval felpörgetett evolúció

Az új módszerrel meglepő eredményre jutottunk: a glifozát hatására ugyanazok a gének aktivizálódnak a növényben, mint amikor teljesen általános stresszel szembesül, mint a szárazság vagy hő. 

Az így kialakult rezisztencia egyfajta válasz a mesterséges evolúciós nyomásra. A növények olyan rezisztenciával rendelkeznek, amely védelmet jelenthet más gyomírtó szerekkel szemben is. Még azok ellen is hatásosak lehetnek, amiket még kis se fejlesztettek. Az óriás parlagfű a gyomirtószeres kezelésekre stresszhelyzetben kiváltott génjeinek tág palettáját beveti, és sikerrel alkalmazkodik az új helyzethez. Ez maga a szemünk előtt zajló evolúció. 

Igazolni tudtuk azt a korábbi elméletet is, hogy ez a fajta nem-hatáshely rezisztencia a korábban a szántóföldeken a permetezést túlélő növényekből alakul ki. Méghozzá valószínűleg úgy, hogy az utódokban generációról generációra több olyan gén halmozódik fel, amelyek védettséget biztosítanak a glifozát ellen. Ráadásul ezek a növényi túlélésért felelős, teljesen általános gének, amelyek összeadódva túlélési előnyt biztosítanak a növénynek, vagyis sikeresek. 

Mindez evolúciós léptékben rendkívül rövid idő alatt alakult ki, kizárólag emberi hatásra. Az USA-ban most már több évtizede használnak glifozátrezisztens termesztett növényeket, amelyeknél nem jelent problémát a szántóföldön a kijuttatott hatóanyag mennyisége. A határértékek túllépése alakítja ki a szupergyomokat. 

A herbáriumok haszna 

Jelenleg az összes parlagfű faj genomikai elemzését végezzük és vélhetően még idén befejezzük azokat a vizsgálatokat, amik elvezetnek a parlagfüvek evolúciós törzsfájához. A nem-hatáshely specifikus rezisztencia mechanizmusát pontosan most se értjük, és a mi vizsgálatunk csak a fotoszintetikus sejtecske szerepét segített jobban megérteni az egész folyamatban. Viszont az egész történet azt bizonyítja, hogy sokat tanulhatunk abból, ha elkezdjük kinyitni a múlt kincsesládáit, a herbáriumokat.

A szerző növénybiológus, a Finn Természettudományi Múzeum tudományos munkatársa.

Poczai Péter egy korábbi kutatását az alábbi cikkünkben ismertettük:

Magyar kutatók titkos élete: nappal tudós, este bűvész

Kevesen gondolnák, hogy a magyar tudományos élet prominens képviselői szabadidejüket bűvésztrükkök gyakorlásával és előadásával töltik. Összeegyeztethető a megtévesztésen alapuló varázslás a tényeket szentként tisztelő tudománnyal? Gáspár Merse Előd fizikus és bűvész négy elismert magyar kutatóval beszélgetett a nagy trükkről.