Amikor Robert Hooke 1665-ben mikroszkópján keresztül megvizsgált egy parafadarabkát, és megalkotta a „sejt” fogalmát, valójában csak a halott sejtek sejtfalait látta. A sejtek belsejében található lágy anyag csak később válhatott a kutatás tárgyává, és ezzel együtt sok növénykutató számára a sejtfalak háttérbe is szorultak. Passzív tartályoknak tekintették őket, amelyekben a sejtekben zajló izgalmas biológiai folyamatokat rejtőznek.

„Hosszú ideig azt hitték, hogy a sejtfal ténylegesen halott” – mondja Alice Cheung, növényi molekuláris biológus és biokémikus, a Massachusettsi Egyetem kutatója. Cheung elmondása szerint csak a 20. század végén kezdték a szakértők feltárni a sejtfal élénk, folyamatosan változó szerkezetét. És a hosszú, elágazó poliszacharidokká kapcsolódó cukormolekulák komplex keveréke még ekkor is elriasztotta a biokémikusok többségét a struktúra alaposabb vizsgálatától.

De az utóbbi években a fal összetételének és felépítésének elemzésére szolgáló modern molekuláris módszerek segítségével a kutatók egyre több részletet fedeztek fel a sejtfallal kapcsolatban. Rájöttek, hogy ez is egy aktív, sőt, igen tevékeny résztvevője a sejtek növekedésének, szaporodásának és fertőzésekre adott reakcióinak. Folyamatosan fogad és küld jeleket saját alakjáról és összetételéről. Ezeket a jeleket lehallgatva, módosítva és kiegészítve a kutatók innovatív módszereken dolgoznak a mezőgazdaság fejlesztésére, új opciókat keresve a növények betegségektől való védelmére, valamint új növények és ellenálló hibridek kifejlesztésére.

– mondja Li-Jia Qu, a Pekingi Egyetem növénybiológusa. A kutató hosszú távú célja, hogy a jelzésekről szerzett ismereteket felhasználva távoli rokonságban álló növényeket keresztezzen, és így olyan izgalmas fajtákat hozzon létre, amelyekkel a mezőgazdaság új területekre terjeszkedhet.

Amikor a falak beszélni tudnak

A sejtfal a növény kapcsolódási pontja a környezetéhez, beleértve a sókat és más stresszfaktorokat vagy kórokozókat, például penészgombákat, ezért észlelnie kell a károkat és azokhoz alkalmazkodnia kell. A növekvő növény sejtfalai főként poliszacharidokból épülnek fel, beleértve a merev cellulózszálakat és a zselés pektinszálakat. Az utóbbiak rendkívül összetett molekulák, amelyek változatosan ágaznak el, és különféle „kiegészítőkkel”, például metilcsoportokkal vannak ellátva. „Olyan, mint egy hatalmas tál, amelyben sokféle tészta keveredik össze” – mondja Charles Anderson, a Penn State növénysejt-biológusa.

Bár a sejtfal védi a benne lévő tartalmat, egyes kórokozók enzimek segítségével átfúrják azt, és megfertőzik a sejteket. Ez poliszacharid-fragmentumokat hoz létre, amelyek jelzik a sejtnek, hogy valami áttörte a falat. Amikor a sejt érzékeli ezeket a darabokat, valamint a kórokozó saját sejtfalának töredékeit, aktiválja a növény immunrendszerének génjeit. Válaszul a növény egy extra poliszacharidot, úgynevezett kallózt termel, amely megerősíti a sejtfalat. Emellett védekező molekulákat is előállít, például antimikrobiális peptideket és reaktív oxigéngyököket.

Gyakorlatilag aktiválják az immunválaszt, és hagyják, hogy a növény természetes mechanizmusa küzdjön a fertőzés ellen, mondja Antonio Molina, a Madridi Műszaki Egyetem növénybiológusa. A módszer segíthet a gazdáknak elkerülni az erős gombaölő mérgek használatát, mondja. Molina két olyan céget is alapított, amelyek ezt a technikát alkalmazzák, és gombákból vagy növényekből származó kivonatokat forgalmaznak növényvédő szerekként.

A jelenleg használt ilyen anyagok ugyanakkor meglehetősen elnagyolt keverékek, amelyek növényekből vagy kórokozókból származnak, mondja Cyril Zipfel, a Zürichi Egyetem növényimmunológusa. Ő azon dolgozik, hogy megértse az immunrendszer működésének alapját képező jelátvitelt, ami lehetővé tenné a kutatók számára, hogy specifikusabb, vagy akár szintetikus kezeléseket hozzanak létre.

Molina szerint azonban vannak hátrányok is. Egyrészt a hatás csak három-négy hétig tart. A lassan növekvő növények esetében az újbóli alkalmazás költséges lehet, de Molina szerint a gazdák az oltóanyagok használatát azokra az időszakokra összpontosíthatják, amikor a fertőzés kockázata magas, például csapadékos időszak utánra, hogy megelőzzék a penészesedést. Egy másik nagy kihívás, hogy amikor a növények erőforrásaikat védekezésük erősítésére fordítják, ez anyagokat és energiát von el a növekedésből, ezért a gazdáknak körültekintően kell alkalmazniuk a kezeléseket.

A pektin erejével

A növények növekedése maga is bizonyíték arra, hogy a sejtfal statikus héjként való értelmezése nem felel meg a valóságnak. A sejtnek valóban szüksége van a sejtfalra fizikai tartályként, különben a benne lévő hatalmas víznyomás miatt szétrobbanna. De ahhoz, hogy a növényi sejtek növekedhessenek, először a sejtfalaknak kell tágulniuk, mondja Sebastian Wolf, a Tübingeni Egyetem molekuláris biológusa.

És itt jön be a képbe a pektin. A pektin egy komplex molekula, amely legalább egy tucat cukorból épül fel, amelyek több mint húszféle kötéssel kapcsolódnak össze, mondja Wolf. „Valójában annyira összetett, hogy nem is tudjuk, hogyan néz ki” – teszi hozzá. A pektin ráadásul dinamikus is, és állandóan változik. Ezen változásoktól függően lehet merev, és így támasztja a növényt, vagy lágyabb, amikor a növénynek növekednie kell. Ezért használják a pektint például a lekvárfőzéskor is: az eredetileg lágy pektinmolekulák keresztkötéseket képeznek, felszívják a vizet, és merevebb, zselés állagúvá teszik az anyagot.

A növekedő növényekben van egy kulcsfontosságú változás, amely a pektint lággyá vagy merevvé teszi: a cukrokhoz kapcsolódó metilcsoportok. Amikor a sejtfalnak több anyagra van szüksége a növekedéshez vagy a megerősítéshez, a sejt belsejében egy metilcsoporttal ellátott verzió termelődik, amelyről úgy tartják, hogy meglehetősen jól oldható, így kiválasztódik a környező sejtfalba. Amint a pektin beépül a falba, megkeményedik. Ez azért történik, mert az enzimek eltávolítják a metilcsoportokat, felfedve a cukormolekulákban lévő negatív töltésű atomokat.

Wolf a 2000-es évek elején, a Heidelbergi Egyetem posztgraduális hallgatójaként kezdett érdeklődni a metilcsoportok pektinre gyakorolt hatása iránt, és létrehozott egy mutánst a növénygenetikusok kedvenc növényéből, a lúdfűből, amely nem volt képes eltávolítani a metilcsoportokat. Arra számított, hogy ez lágyítja a sejtfalakat, de a növények a vártnál is furcsábbak lettek, például hosszú, hullámos gyökereket növesztettek. Ez azokra a mutánsokra emlékeztette a kutatót, amelyeknél a cellulózhoz kapcsolódó sejtjelzésben van a hiba, ami arra késztette, hogy elgondolkodjon azon, vajon a pektinnek is lehet-e szerepe a sejtfal szerkezetén túl a sejtek közötti kommunikációban is.

Ezt a kutatást a Versailles-i Francia Nemzeti Mezőgazdasági, Élelmiszeripari és Környezetvédelmi Kutatóintézetben folytatta, ahol felfedezett egy sejtfali jelet, amely hozzájárul a növények növekedésének szabályozásához. A Wolf által felfedezett jel akkor bocsátódik ki, ha a sejtfelszíni receptorok túl nagy mennyiségű metilcsoporttal ellátott pektint észlelnek. Úgy tűnik, hogy erre válaszul a receptorok utasítják a sejtet, hogy több metilcsoport-eltávolító enzimet termeljen, és így szilárdabbá tegye a pektint.

Amikor Anderson és kollégái a sejtfal által küldött jeleket vizsgálták, bizonyítékot találtak egy másfajta kommunikációra is, amelyet a metilmentes pektin és egy FERONIA nevű receptor kezdeményezett, amely érzékeli ezt a típusú pektint. Ugyanakkor a cellulóz is fontos itt. Mindkét sejtfal-összetevőre szükség van a puzzle-darabok „mélyedéseinek” a megerősítéséhez. Ezen megerősítések nélkül a sejt többi része kidudorodna ebbe a térbe, és ha a FERONIA nincs jelen, a mélyedések nem olyan kifejezettek, mint normális esetben lennének.

Mélyedések létrejöttének folyamata az egészséges levélsejtekben a következőképpen zajlik a kutatók szerint: a sejtfalban található metilmentes pektin jelzi, hogy elegendő pektin van a mélyedés stabilizálásához. Ez a pektin a sejt felületén található, a FERONIA-t is magában foglaló receptorkomplexhez tapad. Válaszul a sejt ugyanazon a helyen elkezd cellulózt termelni. A cellulóz és a pektin együttesen megerősítik a falat, hogy állandósítsák a mélyedést.

Wolf jelenleg is vizsgálja a sejtfal szerepét a sejtek formálásában, és egy előzetes publikációban idén már arról számolt be, hogy a növényi őssejtek is szabályozzák a sejtfal pektinjének metilcsoporttal való ellátottságát, hogy megőrizzék őssejtszerűségüket és új növényi részeket képezzenek. Úgy véli, hogy ezeket a jelátviteli útvonalakat felhasználva befolyásolni lehet a növények alakját. „Alapvetően megváltoztathatjuk a növények növekedését és megjelenését” – véli a szakértő. Például, amikor a növények kevesebb cellulózt termelnek, „zömökebbek” lesznek. De, hangsúlyozza, a kutatóknak még nagyon sokat kell feltárniuk az alapvető növekedési útvonalakról.

Hibridek

Az egymáshoz kapcsolódó sejtekben a FERONIA-receptor kulcsszerepet játszik a sejtfal jelátvitelében. A FERONIA a növényekben mindenütt megtalálható, és számos rendszerrel kölcsönhatásba lép, így nemcsak a levélsejtek alakját befolyásolja, hanem számos más rendszert is, a gyökérnövekedéstől a környezeti stresszre adott válaszokig. Mivel a FERONIA a pektinhez kötődik, hogy fenntartsa a sejtfal integritását, nélküle a sejtfal gyenge és porózus lesz. Érdekes módon a FERONIA-t nélkülöző mutánsok is túlélnek, bár elég rossz állapotban lesznek, mondja Qu: ráncos, göndör leveleket hajtanak, és a földön kúsznak, mert nincs ami egyenesen tartaná őket. „Nagyon aprók” – mondja Qu. Magokat is tudnak termelni, teszi hozzá, de nagyon keveset.

A virágos növények magtermelése akkor kezdődik, amikor a hímivarsejtet hordozó pollen a virág nőnemű bibéjének részét képező bibeszálra kerül. Ezek a hímivarsejtek nem tudnak úszni, ezért a pollen hosszú csövet növeszt (ez a germináció), amely átszúrja a bibeszál sejtfalait, és áthalad a szövetén, amíg el nem éri a petesejtet. A cső vége ezután felszakad, és két hímivarsejtet bocsát ki. Az egyik megtermékenyíti a petesejtet, és létrehozza az embriót. A másik pedig egy másik sejtet termékenyít meg, létrehozva az endospermiumot, amely táplálja és támogatja az embriót. Cheung és munkatársai igazolták, hogy a FERONIA és a kapcsolódó receptorok hogyan vesznek részt a folyamat minden lépésében.

Először a bibének meg kell határoznia, hogy a pollen a számára szükséges típusú-e. Ugyanabból a fajból kell származnia, de sok növény elkerüli az önmegtermékenyítést, és a genetikai sokféleség érdekében magától eltérő párt keres. A FERONIA és a rendszer más összetevői arra késztetik a bibét, hogy reaktív oxigénmolekulákat termeljen, amelyek megakadályozzák a nem kívánt pollenek germinációját. A kívánatos pollen felismerése egy zár-kulcs rendszerre épül, magyarázza Qu. Amikor a pollen a megfelelő kulcsot mutatja, megváltozik a FERONIA aktivitása, és leáll a reaktív oxigénmolekulák termelődése. Ugyanez a jel a pollen és a FERONIA-komplex között arra készteti a bibeszál sejtjeit, hogy vizet pumpáljanak ki, hidratálva a pollent, és segítve annak germinációját.

A FERONIA, valamint a pollencsőben és a bibeszálban található kapcsolódó receptorok irányítják a cső útját a petesejtig. A cső falait mereven tartják, de a csúcsát elég puhán ahhoz, hogy növekedjen, és megőrzik a falak integritását, amíg el nem jön az idő, hogy a cső belépjen a magba és felszakadjon. Ha ezek a receptorok nem működnek megfelelően, több pollencső halmozódik fel az egyes magvakban anélkül, hogy hímivarsejtet bocsátanának ki, ami mag helyett kusza káoszt eredményez.

Abban a reményben, hogy a növényeket másféle fajokkal való szaporodásra késztethetik, a szakértők olyan módszereket tesztelnek, amelyekkel a FERONIA jelküldését már a kezdetektől gyengítik, amikor a pollen találkozik a bibével. Például Cheung és Qiaohong Duan, Cheung laboratóriumának egykori tagja, jelenleg a Shandong Mezőgazdasági Egyetem növénybiológusa, olyan molekulákat alkalmaznak, amelyek eltávolítják a reaktív oxigéngyököket a bibéről, így a növény könnyebben szaporodhat nem kompatibilis pollennel. Qu, aki szintén együttműködik Cheunggal, szintetikus pollenkulcsokat használt, hogy idegen pollent juttasson a bibébe, és hibrid embriókat hozzon létre. Cheung, Duan és kollégáik genetikai trükköket is alkalmaznak, hogy ideiglenesen kikapcsolják a FERONIA-rendszert, és lehetővé tegyék a távoli rokon pollen bejutását a bibeszálba.

Ezek a megoldások persze nem számolják fel az összes rendszert, amely megakadályozza a nem megfelelő megtermékenyítést, de egy apró változtatás is elegendő lehet a sikerhez, mondja Cheung. Ha a csapatnak sikerül egyetlen hibrid embriót létrehoznia, az már elég a növénynemesítőknek a termesztéshez, mondja: „Akkor máris van valamink.”

A sejtfal komponenseinek, különösen a pektineknek a megváltoztatása szorosan összefügg a gyümölcsök érésével, ami szintén segíthet a kutatóknak új típusú növények kifejlesztésében. Például a paradicsom fejlődésében és érésében több mint 50, a sejtfal szerkezetével kapcsolatos gén vesz részt, mondja Graham Seymour, a Nottinghami Egyetem növénybiológusa. A konkrét sejtfal-jelátvitelről nem sokat tudunk, de Seymour szerint ezeknek a jeleknek a módosítása lehetővé teheti a biomérnökök számára a gyümölcsök módosítását:

Ez nem új ötlet, ahogy azt a Flavr Savr paradicsom története is mutatja. Ezt úgy alakították át, hogy jelentősen csökkenjen a pektint lebontó enzim termelődése, abban a reményben, hogy a gyümölcs ízletesebb lesz, de szállítás közben és a boltok polcain is tartósabbnak bizonyul, mint más paradicsomok. A fajta 1990-es években került az amerikai szupermarketek polcaira, de a paradicsomok mégis megpuhultak. Ráadásul a magasabb termelési költségek nem jártak a várt ízjavulással, így a Flavr Savr már nem kapható.

A probléma ebben az esetben az volt, hogy a pektinalapú folyamatok több ezer gént vonnak be komplex és egymást átfedő útvonalakon, mondja Daniel Cosgrove, a Penn State növénybiológusa. Tehát amikor a biomérnökök egy vagy akár több gént megváltoztatnak, előfordulhat, hogy nem érik el a céljukat, ahogy az a Flavr Savr esetében is történt. „Azt hiszem, ez még mindig meghaladja a megértési képességünket” – mondja Cosgrove.

Qu és más szakértők azonban nem riadnak vissza a terület változatos történelmétől és a komplex jelátviteli útvonalaktól. Nem elégszenek meg azzal, hogy közeli rokonságban álló növényeket, például káposztát és zsázsát vagy karfiolt keresztezzenek. Inkább az érdekli őket például, hogy egy jelenleg ehetetlen, de sós vízben jól termő hüvelyest lehet-e keresztezni olyan erőteljes termesztett fajtákkal, mint a szójabab vagy a rizs. Ha sikerrel járnak, Kína sós vizű partjait egy napon rizsföldek boríthatják, ami drasztikusan megváltoztatná a tájat és az élelmiszer-ellátást – annak köszönhetően, hogy a sejtfal mit mond a sejt többi részének, és mit válaszol erre a sejt.