Mit mutat a cirkadián óra?


A növényi cirkadián óra kutatása a szűkebb szakterülete Kozma-Bognár Lászlónak, az MTA Szegedi Biológiai Kutatóintézete tudományos főmunkatársának. Vizsgálataik az utóbbi években elsősorban az órabeállítás molekuláris mechanizmusának a feltárása irányulnak. 

A kutató az Arabidopsis-ültetvényen
(Bellányi Tímea felvételei)

A cirkadián óráról a mindenki előtt jól ismert biológiai óra jelensége jut elsőként az ember eszébe…

– És helyesen, mert a cirkadián ritmus is „napi biológiai program”, olyan, nagyjából 24 órás ciklus, ami az élőlények biokémiai, fiziológiai folyamataiban vagy viselkedésében lép fel. A „cirkadián” szó azt jelenti: „körülbelül egy napos”. A cirkadián ritmusokat az élőlény belső, saját időmérő rendszere vezérli, ezt nevezzük cirkadián órának, de fontos külső, szinkronizáló stimulusok segítenek beállítani. A legfontosabb közülük a napfény. A cirkadián ritmus az emberben is működik, mint minden más élőlényben, de főleg csak a zavarainál figyelünk fel rá, ilyen a jat-leg, amikor az ember repülőgéppel rövid idő alatt több időzónán halad át, és napokba telik, míg rendeződik az alvás-ébrenlét ritmusa. Azt a folyamatot, melynek során a cirkadián óra szinkronba kerül a külső környezettel, az óra beállítódásának nevezzük. 

Ez az óra ezek szerint a növényekben is megtalálható, és működésében meglepően hasonlít az emberben lévő órához… 

– Nem túl régen vált ismertté, hogy a cirkadián órának a „magja” az a központi rész, amely létrehozza a 24 órás oszcillációt, váltakozást, génekből és az általuk kódolt fehérjékből épül fel. Egy adott gén (óragén) kódol egy fehérjét (órafehérje), s mikor a gén kifejeződik, azaz a fehérje termelődik, akkor utána az adott fehérje áttételeken keresztül gátolja önmaga génjét. Ekkor, a fehérjeszint felfutása után következik a visszagátlás, ami a fehérjeszint csökkenéséhez vezet, s az egész kezdődik elölről – ez s negatív visszacsatolásos szabályozás működtet minden sejtmagvas élőlényben található cirkadián órát. 

Az Arabidopsis thaliana, a cirkadián órát kutatók kísérleti növénye

Hogy ez a növényekben miként jelenik meg, arra nagyon jó példákat találni. A zöld növények a napfényből szerzik a növekedéshez és fejlődéshez szükséges energiát, s ezt a fotoszintézis folyamatai teszik lehetővé számára. Az ember hajlamos azt gondolni, hogy mivel a fény és a fotoszintézis alapvetően fontos a növények számára, ha egy növényt nem teszünk ki az éjszakák és nappalok váltakozásának, hanem 24 órán keresztül megvilágítjuk, akkor 24 órán keresztül fotoszintetizál változatlan intenzitással. De ez nincs így, ha állandó fénybe helyezzük a növényt, akkor a növény éppúgy fotoszintetizál, illetve nem fotoszintetizál, mintha „rendes” körülmények között volna. Ez annak köszönhető, hogy a növényekben működő cirkadián óra nagyon szigorúan szabályozza azoknak a fehérjéknek a termelődését, amelyek a fotoszintézishez szükségesek. Ezekben a növényekben a fotoszintetikus apparátust működtető fehérjék főleg a nappal során, a napsugárzás hatására szintetizálódnak, éjszaka nem termelődnek. Ez azonban nem egyszerű fényszabályozta folyamat, ezt mutatja az előbb ábrázolt példánk, miszerint, ha állandó fénynek tesszük ki a növényt, abban a napszakban, amikor éjszakának kellene lenni, ezek a fehérjék nem, vagy csak nagyon alacsony szinten termelődnek. Az egésznek a mozgatója az óra, ami ilyen ritmikus módon szabályozza a fotoszintézishez szükséges gének kifejeződését. Hozzá kell tenni az előbbiekhez, hogy mivel az állandó fényviszonyok a valóságban nem jellemzők, az óra szerepe nem az állandó fotoszintézis megakadályozása. És ha az óra legfontosabb funkciója nem az, hogy állandó körülmények között is biztosítsa a ritmikus kifejeződést, akkor az valami más lesz, amit csak az utóbbi években sikerült „megfogni”. Arról van szó, hogy az óra amiatt, hogy képes ritmikusan szabályozni rengeteg folyamatot a növényekben, azzal bizonyos életfolyamatokat arra a napszakra időzít, amikor arra a növénynek a legnagyobb szüksége van. Ha máskor is működnének ezek az életfolyamatok, az óriási energia- és anyagpazarlást jelentene a növénynek. 

Modellnövényünk – és általában minden, a növényi cirkadián órát vizsgáló kutatócsoport modellnövénye – az Arabidopsis thaliana, a lúdfű. Egy kis keresztesvirágúról van szó, melynek a teljes genomja már évek óta ismert, és lehetőségünk van megnézni, milyen géneket szabályoz benne az óra. A növénynek van körülbelül 25 ezer génje, s ennek egyharmadát szabályozza az óra ritmikusan. A gének fehérjéket kódolnak, és a fehérje- homológia alapján nagyjából előre lehet sejteni, hogy az adott gén által kódolt fehérje „mit fog csinálni”, mi a funkciója. Ezek a genomszintű vizsgálatokból származó eredmények adták az első jeleket arra vonatkozóan, hogy milyen sok életfolyamatot szabályoz az óra. Így például megfigyelték azt, hogy a keményítő lebontásáért felelős enzimeket kódoló gének kifejeződését az óra éjszakára időzíti. Azért, mert a növény nappal, amikor fotoszintetizál, keményítőt halmoz fel – a szén-dioxid megkötésével cukrokat gyárt, a cukrokat pedig keményítő formájában tárolja, és éjszaka, amikor nincs fényből származó energiabevétel, a keményítőbontásból tud a növény energiát mobilizálni. Ennek biztosítása is az óraműködés egyik szembeötlő feladata.

Felsorolna néhány további példát is a cirkadián óra működésére?

– Léteznek olyan pigmentek, színanyagok a növényekben, amelyek képesek elnyelni a káros UV-sugarakat. Ide tartoznak az antocián néven ismert színanyagok. „UV-stresszben” látni olyan növényi egyedeket, melyek nem zöld, hanem bordó vagy pirosas színűek. Ez egyfajta stresszválasz, és az említett szín az antocián-felhalmozódás következménye, attól vörösödik a növény. Az antociánok felhalmozódnak a bőrszöveti sejtekben, és képesek elnyelni az UV-sugarakat, ezáltal pedig védeni az alatta lévő sejtrétegeket. De hogyan tudja a növény a kellő időpontra felhalmozni az elegendő men.nyiségű antociánt? Az óra azokat a géneket, amelyek szükségesek az antocián színanyagok termelődéséhez, még napkelte előtt, hajnalban bekapcsolja. Ezt olyan válaszként fogjuk fel, ami lehetővé teszi, hogy ezek a színanyagok a szükséges mértékig felhalmozódjanak, mire a Nap magasabbra hág, és az UV-sugárzás erősödik. Ugyanakkor este és éjjel, amikor nincs szükség e színanyagok termeléséhez, az óra nem engedi meg az említett gének kifejeződését.

Az Arabidopsis thaliana a káposzta rokona. És ahogyan a káposztának, a lúdfűnek is kártevője a káposztalepke hernyója. Kiderült, hogy a növényekben létezik egy mechanizmus e levélrágó károsítók ellen. A növények érzékelik, hogy megrágták őket – a sebzés maga a jel a védekezés beindítására. Ilyenkor egy speciális növényi hormon keletkezik, a jázmonsav. E hormonnak az a feladata, hogy bekapcsoljon bizonyos géneket a növényekben, melyek aztán olyan fehérjéket kódolnak, melyek különböző módon ártanak a növénykárosító élőlényeknek. E fehérjék között léteznek olyanok, amelyek toxikusak az adott rovar számára. Máskor, más növény esetében olyan fehérjék jönnek létre, melyek rossz ízűvé teszik azokat a sejteket, ahol ez a mechanizmus bekapcsolódott, így a rovar felhagy a táplálkozással. Máskor emésztést gátoló fehérjék termelődnek. Mindez viszonylag régóta ismert mechanizmus a növényekben. Visszatérve a káposztalepke hernyójához, nemrégiben mutatták ki, hogy a káposztalepke hernyójában is „ketyeg” a cirkadián óra, a táplálkozási aktivitása ritmikus: a nappal közepén táplálkozik legintenzívebben. Kiderült, hogy az Arabidopsisban – és a káposztában is – minden inger nélkül, a nap közepén megemelkedik a jázmonsav-szint, a növény mintegy „felkészül” a támadásra. S ha a támadás valóban bekövetkezik, a harapás színhelyén még inkább termelődni fog a jázmonsav, de az egész növény szintjén megfigyelhető a napi ritmusú jázmonsav-termelődés. 

A lúdfű

A lúdfűnek is kártevője a káposztalepke

Többféle kísérletet is elvégeztek a lúdfűvel és a hernyókkal. Abban az esetben, amikor együtt nevelték az Arabidopsist és a káposztalepke- hernyókat, s ugyanabban a nappal-éjszaka ritmusban éltek, meghatározták azt, hogy az adott hernyó men.nyi növényt fogyasztott el egy nap alatt az adott körülmények között. Más esetben külön-külön nevelték az Arabidopsist és a hernyókat, s ellentétes fázisra voltak beállítva. Amikor a növényeknek nappal volt, a hernyóknak éjszaka, s fordítva. Ezek után összeeresztették őket. Az ös.szeeresztés első napján, amikor a hernyó, a benne működő, beállított cirkadián óra hatására „azt gondolta”, hogy most van nappal, akkor a növény, ugyanezen mechanizmus hatására „úgy gondolta”, most éjszaka van, ezért a jázmonsav-szintjük nagyon alacsony volt. Ekkor a hernyók sokkal többet fogyasztottak a növényből, mint normál körülmények között, mert a növény védekezési mechanizmusa ki volt kapcsolva. Amikorra a növény cirkadián órája alkalmazkodott a károsítás idejéhez, akkor termelődött a legtöbb jázmonsav a növényben, amikor kellett, s a hernyók táplálkozása nyomban vis.szafogottabb lett. Ez a példa – mint az eddig említett összes példa is – azt mutatja be, hogy az óra legfontosabb funkciója tényleg az, hogy bizonyos feladatokat bizonyos napszakra időzít, míg azokban a napszakokban, amikor nincs szükség ezekre a folyamatokra, kikapcsolja őket, megtakarítva azokat az óriási energiákat a növény számára, melyeket egy-egy védekezési rendszer működtetése jelent. Tehát bizonyos folyamatok a növényben mindig a megfelelő napszakhoz vannak igazítva. Ezért fontos az a folyamat, amit a pályázat során vizsgáltunk, hogy a növényi óra (s persze minden élőlény órája) szinkronban legyen a külső környezet „órájával”. Vagyis, hogy nappal a növény is „azt gondolja”, hogy nappal van. Mert ha a belső, a szubjektív idő és a külső, valós idő „elcsúszik egymástól”, akkor olyan problémák keletkeznek, mint amilyet a hernyós kísérletben láttunk. Ilyen elcsúszások a természetben és egészséges növényekben természetesen nincsenek, mert a beállítás legfontosabb külső környezeti jele a fény. Márpedig jelen ismereteink szerint a hajnali fény az, ami az órát beállítja. Természetes körülmények között ez minden egyes nap megtörténik, biztosítva azt, hogy a belső és a külső idő közötti összhang mindig meglegyen. 

Kutatásaik során mit sikerült kideríteniük eddig a növényi óra és a környezet órájának szinkronizálódásáról? 

– Kétséget kizáróan igazoltuk például, hogy a fényjel érzékelésében milyen fotoreceptorok játszanak szerepet. E fotoreceptorokat úgy kell elképzelni, hogy ezek a növény – mintegy – szemei, olyan fehérjék, amelyek képesek a fényt érzékelni, s a fényérzékelés után jelet küldeni az óra felé. Talán legfontosabb eredményünk e fotoreceptorok azonosítása volt. 

Van egy „központi óra”, ahol az óragének és az általuk kódolt fehérjék alkotják a már említett visszacsatolásos rendszert, ami „ketyeg”. Ez határozza meg a belső, a szubjektív időt. Ez mondja meg a növénynek, hogy milyen napszak van, s nem a külső, objektív idő. Ehhez csatlakozik egy olyan rendszer, ami a külső fényjeleket továbbítja a központi órához. E fényjelek nem azért kellenek, hogy az óra ketyegjen – az óra mindig „ketyeg”. A jelek ahhoz kellenek, hogy az óra összhangba kerüljön a külső fény- sötét ciklussal. Kutatócsoportunk ennek a fényjelátviteli rendszernek a két végpontját vizsgálja. A jelátviteli rendszer kezdetén kétféle fotoreceptor játszik fontos szerepet a fényjelek érzékelésében. Az egyik a fitokróm fotoreceptor- család, mely a vörös, illetve távoli vörös fényt képes elnyelni, a másik pedig a kriptokróm fotoreceptor-család, mely a kék fény elnyelésében játszik szerepet. Mindkét családban több fotoreceptor- fehérje található, s e két család együttesen a látható fény spektrumát jól lefedi. Ezekkel a fotoreceptorokkal biztosítja a növény, hogy biztosan „észrevegye” a fényt. Kutatásaink során a fitokróm-B receptorral foglalkoztunk részletesen, s kiderítettük, hogy a fitokróm-B fehérjének melyik része szükséges ahhoz, hogy ez a fényjel eljusson az órához; valamint megmutattuk, hogy a receptor a jel továbbítását csak akkor képes elvégezni, ha előtte a sejtmagba transzportálódott.

A világon elsőként sikerült igazolnunk, hogy létezik a látható fény mellett egy másik tartománya is a spektrumnak, mely szintén jelként hasznosul az óra felé, s ez az UV-B – tehát, a látható fényhez hasonlóan, ez is beállító szignálként viselkedik. Erről eddig semmiféle információ nem állt rendelkezésre. Elmondható, hogy a magas intenzitású UV-B- sugárzás a nap közepén valóban káros a növényekre, mert fehérjéket, DNS-t tud közvetlenül károsítani. De a nagyon alacsony intenzitású UV-B egyfajta jel a növények növekedése számára is, csakúgy, mint a látható fény. S ez a fajta, alacsony intenzitású UV-B viselkedik az óra beállításának szempontjából úgy, mint a látható fény, amit morfogenikus UVB-nek is neveznek, utalva arra, hogy ez az alacsony intenzitású UV-B bizonyos folyamatokat a látható fényhez hasonlóan ki- és bekapcsol.

Az óra beállításának szempontjából mi ennek a jelentősége?

– A növények helyhez kötött életmódot folytatnak, így minden érzékelő rendszerük többszörösen túlbiztosított. Azért van többek között nagyon sok fotoreceptoruk, hogy mindenféle hosszúságú fényt „meg tudjanak fogni” – és ez ebben az esetben nem a fotoszintézis lehetőségét jelenti, hanem azt az információt, hogy fény van. Ugyanez igaz arra a fényre is, ami az óra beállításához szükséges. Ezért továbbítanak a fitokróm és a kriptokróm fotoreceptorok is jeleket az óra felé, s most már tudjuk, hogy az UV-B elnyelését végző fotoreceptor is. Mindez arra szolgál, hogy a növény abszolút biztosan meg tudja határozni a hajnal időpontját. Ahhoz kellenek a különféle fényjelek, hogy a szubjektív és az objektív idő összhangban legyen, s a különböző folyamatok valóban a megfelelő időre legyenek időzítve. 

Az Arabidopsis virága

A fitokróm-B fotoreceptor funkciójáról nyert információk és az UV-B fény beállító szerepéről nyert információ a jelátviteli útnak a kezdeti pontjáról szolgáltattak új adatokat. De – mint említettem – vizsgáltuk ennek az útnak a végét is, ahol az óramechanizmus található. Arra voltunk kíváncsiak, hogy mi történik, mi állítódik át azt követően, hogy a fényjel elindul a fotoreceptortól az óráig. Amikor a fényjel odaér az órához, olyan átállítás történik, mint amikor az ember a régi típusú, mutatós órát előre- vagy hátraállítja. S kíváncsiak voltunk arra, hogy az óramechanizmus szintjén ez mit jelent. Nagyon leegyszerűsítve azt mondhatjuk, hogy ezt az óramechanizmust több génből álló, önmagába visszatérő, egymásba kapcsolt szabályozó hurkok alkotják. Megvizsgáltuk, hogy mi történik a szabályozó hurkokat alkotó óragének kifejeződésével és a gének által kódolt fehérjék mennyiségével fényjelek hatására. Igazoltuk azt, hogy az elsődleges változás bizonyos óragének hirtelen indukcióján alapul. Tehát a fény hatására bizonyos óragéneknek az átíródása hirtelen megemelkedik. Maguk az órafehérjék erre a fajta fénypulzusra érzéketlenek voltak. Tehát a következtetésünk az volt: bizonyos óragének működése fény hatására akut módon, gyorsan, hirtelen megváltozik, s ez az alapja annak, hogy az óra átkerül egy másik fázisba. Az összhang a külső és a belső idő között azáltal alakul ki, hogy a fényjel, amit reggel kap a rendszer, bizonyos óragének a kifejeződését megváltoztatja.

Milyen gyakorlati felhasználása lehetséges a cirkadián óráról szerzett ismereteknek?

– Vannak úgynevezett rövid- és hosszúnappalos növények, attól függően, hogy milyen nappalhosszúság mellett virágoznak a leginkább. Közismert, hogy a nappalhosszúság meghatározásában a cirkadián órának alapvető szerepe van.

A lúdfű a káposztafélék családjába tartozó növény. Szántókon, ültetvényeken, utak mentén nő 

Nagyon sok cirkadiánóra-mutánssal dolgozunk. Ezek olyan növények, amelyekben az óra bizonyos módokon és bizonyos helyeken el van rontva. Egyértelmű, hogy ha „belepiszkálunk” az órába, tehát megváltoztatjuk a működését, akkor megváltozik a nappalhosszúság érzékelése is, ami a virágzás idejének megváltoztatásához vezet. Sok kutató dolgozik azon, hogy miként lehetne bizonyos haszonnövények virágzását befolyásolni, például korábbra hozni, hogy olyan földrajzi szélességeken is lehessen őket termeszteni, ahol egyébként a nappal rövid lenne a virágzás bekapcsolásához. Az ilyen kísérleteknek azonban nem kívánt „mellékhatásaik” is voltak: igaz, hogy a növény korábban virágzott, de kevesebb termést is hozott. Viszont ha nem a virágzást szabályozó faktorokba nyúlunk bele, hanem az időzítő szerkezetbe, magába az órába, megvan az esélyünk arra, hogy nem kapunk olyan, nem kívánt mellékhatásokat, mint a terméscsökkenés. Tehát ha megismernénk az órabeállítás pontos mikéntjét, akkor lehetőség nyílna haszonnövények virágzását, termésérlelését korábbra időzíteni anélkül, hogy a termés csökkenne. Egy velünk munkakapcsolatban álló angol kutatócsoport már el is kezdett kísérleteket végezni az árpával. Mi, ha valaha megkíséreljük haszonnövényeken kamatoztatni a cirkadián órával kapcsolatos ismereteinket, az első növényünk a jól ismert Arabidopsis közeli rokona, a repce lesz. 

A leendő, megváltoztatott órájú haszonnövények kapcsán még van néhány példa, amit nem említett…

– A szárazságstressz-tűrést lehetne kiemelni – ez a mai, klímaváltozásos időben fontos lehet –, ami nem azt jelenti, hogy a növénynek nem kell víz a növekedéséhez, hanem hogy hosszas, víz nélküli periódusokat is el tud viselni. Jelenleg sok haszonnövény csak rövid aszályt visel el, s mire megérkezne az eső, vagy megkezdődhetne az öntözés, addigra elpusztul. A részleges kiszáradást különböző módszerekkel éli túl a növény. Ilyen a fonnyadás, amikor a növény úgy néz ki, mintha a halálán lenne, holott csak a növény vizet von ki a levelekből és bezárja a gázcsere-nyílásokat. Molekuláris szinten sok olyan gén ismert, ami szárazságstresszkor bekapcsolódik. Az ezen gének által kódolt speciális fehérjék közvetve vagy közvetlenül képesek a vízvesztés következtében dehidrálódó fontos fehérjefaktorok szerkezetét megóvni attól, hogy végleg tönkremenjenek. Megfigyelték, hogy bár ezek a gének stressz hatására indukálódnak magas szinten, stresszmentes körülmények között is kifejeződnek – méghozzá ritmikus, az óra által szabályozott módon. Kifejeződésük maximuma kevéssel a nappal közepe utánra (a dél után) tehető, vagyis arra az időszakra, amikor a vízveszteség mértéke várhatóan a legkritikusabb egy napon belül. Ilyen módon az óra megint csak ritmikusan szabályozza e stresszgének kifejeződését, ami azt jelenti, hogy az óra megváltoztatásával ezeket a géneket időzíteni lehet. Például más napszakra is át lehet vinni kifejeződésüket. Sőt, azt is meg lehet tenni, hogy bizonyos génekre az óra hatása megszűnjön. Elképzelhető egy olyan növény létrehozása, melynek stresszgénjei folyamatosan bekapcsoltak, ami elvileg minden eddiginél jobban elviselné a szárazságot. 

A lúdfű tőlevélrózsás, 15-20 cm magasra nő

Szintén hajnalra időzíti a növény cirkadián órája a fagyás elleni védekezést. Ilyen esetben is kulcsszerepet játszanak egyes gének, melyek a hideg hatására kapcsolnak be igazán, de normál hőmérsékleten is kifejeződnek az óra által szabályozott módon. E gének működésekor olyan fehérjék termelődnek, melyeket leginkább a fagyállóhoz lehetne hasonlítani. Ezek felhalmozódnak a növényi sejtekben, és csökkentik a megfagyás esélyét. E gének hajnalban működnek leginkább, amikor a leghidegebb van, s a növénynek legnagyobb szüksége van rájuk. 

E példák már nem a science fiction világába tartoznak?

 – Egyáltalán nem azok. De ahhoz, hogy meg is valósuljanak, még jó néhány részletet meg kell ismerni a cirkadián óra működésével kapcsolatban. Elsősorban azért, mert az ilyen módosításoknak akkor van értelme, ha nem veszítjük el a vámon, amit megnyertünk a réven – lásd azt a példát, amikor a korai virágzáshoz gyenge termés kapcsolódik. S ezt csak akkor érhetjük el, ha pontosan értjük, mi az, amit változtatni kellene. 

Az interjút készítette: FARKAS CSABA


Az ismertetett kutatást az OTKA K73362 számú projektje támogatta. 


Természet Világa, 144. évfolyam, 5. szám, 2013. május
http//www.termeszetvilaga.hu/ 
http://www.chemonet.hu/TermVil/