Robert Hooke 1665-ben mikroszkópjával parafa szeletet vizsgálva alkotta meg a „sejt” kifejezést, ám valójában csak az elhalt sejtek falát látta. A sejtek belső, rugalmas tartalma hosszú ideig kutatás tárgya maradt, míg maguk a sejtfalak sokáig háttérbe szorultak. A növénytudósok többsége passzív tárolóként tekintett rájuk, amelyek csupán a biológiai folyamatok izgalmas belső világát tartják keretben.
A sejtfal élő struktúrává válik
A növényi sejtfal sokáig holtnak számított, mondja Alice Cheung, a Massachusettsi Egyetem Amherst növényi molekuláris biológusa és biokémikusa. Csak a 20. század végén kezdtek el tudósok ráébredni arra, hogy a sejtfal valójában egy dinamikus, folyamatosan változó rendszer. Az összetett cukormolekulákból álló poliszacharid-hálózat azonban csak a legbátrabb biokémikusokat engedte közel magához.
Az utóbbi évtizedekben a modern molekuláris módszerek segítségével egyre többet tudunk meg a sejtfal felépítéséről és működéséről. Kiderült, hogy nem csupán passzív védőréteg, hanem aktív résztvevője a sejt növekedésének, szaporodásának és fertőzések elleni védekezésének. A sejtfal folyamatosan fogad és küld jeleket alakjáról és összetételéről.
Sejtfal – az élő kommunikátor
A növényi sejtfal az elsődleges kapcsolatot jelenti a környezettel: sók, stresszhatások vagy kórokozók (például penészgombák) érintkeznek vele először. Ezért képes érzékelni a sérüléseket és alkalmazkodni hozzájuk.
A növekvő növény sejtfalai főként poliszacharidokból épülnek fel: merev cellulózszálakból és zselés állagú pektinből. A pektin rendkívül összetett molekula, amely sokféle elágazással és különféle kémiai csoportokkal díszített. Charles Anderson, a Pennsylvania Állami Egyetem növényi sejtbiológusa szerint „olyan ez, mint egy hatalmas tál különféle tészták keveréke”.
Bár a sejtfal védi a sejt belsejét, egyes kórokozók enzimekkel fúrják át azt, így fertőzik meg a sejteket. Ez poliszacharid-töredékeket szabadít fel, amelyek jelzik a sejtnek az inváziót. A sejt ezekre reagálva aktiválja immunrendszerének génjeit, és például callózt termel – egy extra poliszacharidot –, amely megerősíti a falat. Emellett antimikrobiális peptideket és reaktív oxigénfajokat is előállít.
Innovatív mezőgazdasági alkalmazások
Ezeket az immunválaszt kiváltó jeleket már ma is használják gazdálkodók: algák vagy gombák sejtfalából származó molekulákat permeteznek ki a terményekre, hogy előkészítsék őket az esetleges fertőzésekre. Antonio Molina, a Madridi Műszaki Egyetem növénytudósa szerint ez lehetőséget ad arra, hogy „a növény természetes mechanizmusait mozgósítsuk a fertőzés elleni harcban”, így csökkentve a kemikáliák használatát.
Molina két céget is alapított ezen technológia hasznosítására: gombákból vagy növényekből készült kivonatokkal segítik elő a termények védelmét.
Cyril Zipfel, a Zürichi Egyetem növényi immunológusa szerint jelenleg ezek az inoculánsok még meglehetősen durva keverékek. Kutatásai célja olyan specifikus vagy akár szintetikus kezelések kidolgozása, amelyek pontosabban irányíthatják az immunválaszt.
Hátrányok is vannak: az ilyen kezelések hatása általában csak három-négy hétig tart. Lassú növekedésű kultúráknál ez költséges lehet, ezért Molina szerint érdemes koncentráltan alkalmazni őket fertőzésveszélyes időszakokban – például esők után –, hogy megelőzzék a penész kialakulását.
Ezen túlmenően minden védekezésre fordított energia és anyagforrás elvonja azokat a növekedéstől, ezért fontos az óvatos adagolás.
Pektin – a növekedés motorja
A növekedés során jól látszik, hogy a sejtfalat nem lehet statikus burkoként elképzelni. A sejtnek szüksége van fizikai tárolóra – különben belső víznyomása miatt szétrepedne –, de ahhoz, hogy nőjön, előbb ki kell tágulnia maga falnak is.
Ebben kulcsszerepet játszik a pektin. Ez egy bonyolult molekula legalább egy tucat cukorból és több mint húszféle kötésből áll össze. Sebastian Wolf, a Tübingeni Egyetem molekuláris biológusa szerint annyira összetett, hogy még nem ismerjük pontos szerkezetét.
A pektin dinamikus anyag: gyakran módosul kémiailag. Ezeknek megfelelően lehet merev vagy rugalmas – attól függően, hogy éppen erősíteni kell-e vagy engedni kell-e a növekedést. Ezért használják például lekvárkészítéshez is: kezdetben lágy pektinmolekulák keresztezik egymást és vizet kötnek meg, így gélszerű állagot hoznak létre.
Molekuláris finomságok: metilcsoportok szerepe
A pektin egyik legfontosabb módosítása metilcsoportok hozzáadása vagy eltávolítása. Amikor nőni vagy erősödni kell a falnak, belülről metilezett pektint termelnek – ez oldhatóbb formában kerül beépítésre –, majd enzimatikusan eltávolítják róla ezeket a csoportokat.
Az így felszabadult negatív töltésekhez kalciumionok kötődnek két cukormolekula között keresztkötéseket létrehozva – ettől válik merevvé és vízmegkötővé az anyag.
Wolf doktorandusz korában készített egy Arabidopsis thaliana mutánst, amely nem tudta eltávolítani ezeket metilcsoportokat. Várakozásai ellenére nem puhultak el teljesen a falak; helyette hosszú hullámos gyökerek jelentek meg – ami arra utalt, hogy nemcsak szerkezeti szerepe van ennek az anyagnak, hanem jelzőfunkciója is lehet.
Sejtfal-jelzés és alakformálás
További kutatások során Wolf felfedezett egy jelzőrendszert, amely szabályozza a növények növekedését: amikor túl sok metilezett pektint érzékelnek receptorok a sejt felszínén, azok fokozzák az enzimek termelését, amelyek eltávolítják ezeket csoportokat – így szabályozva a fal merevségét.
Ezek az üzenetek segítenek abban is, hogy bizonyos sejtek bonyolult formákat öltsenek – például az Arabidopsis levélfelszínén található „kirakósdarab” alakú járólap-sejtek esetében (lásd „Sejtfalak illeszkedése”). Itt egy másik receptor játszik kulcsszerepet: FERONIA nevű fehérje érzékeli az alacsony metiltartalmú pektint és együttműködik más komponensekkel (például cellulózzal), hogy megerősítse azokat az indented (behúzott) részeket („nyakakat”), amelyek meghatározzák e sejtek jellegzetes alakját.
FERONIA receptor – kulcsfontosságú jelzőpont
A FERONIA receptor nemcsak levélsejtek alakját befolyásolja; megtalálható mindenütt a növényben és számos folyamatban részt vesz: gyökérnövekedéstől kezdve környezeti stresszek kezeléséig.
Ha hiányzik ez a receptor, akkor ugyan túléli magától is a növény (bár rosszul), de levelei gyűröttek lesznek és földön csúsznak-másznak gyenge érhálózatuk miatt. Ezek aprók és törékenyek; magokat ugyan képesek hozni, de nagyon kevés sikerrel.
Kitekintés: jövőbeli mezőgazdasági lehetőségek
- Növényvédelmi innovációk: A sejtfal jeleinek kihasználásával új bio-alapú védekezési módszerek fejleszthetők ki kémiai rovar- vagy gombaölők helyett.
- Növekedési szabályozás: A pektin módosításain keresztül befolyásolható lehet például egy-egy kultúrnövény alakja vagy mérete.
- Hibridizációs potenciál: Li-Jia Qu kutatásai alapján távoli rokon fajok keresztezése válhat lehetővé olyan üzenetek segítségével, amelyek megnyitják az utat új termesztési területek felé.
- CRISPR-technológia: Genomszerkesztéssel célzottan módosíthatók lesznek azok az enzimek vagy receptorok (pl. FERONIA), amelyek meghatározzák a sejtfal tulajdonságait és ezzel együtt magát a növény fejlődését.
Összegzés
A növényi sejtfal ma már nem csupán passzív védelmi rétegként értelmezhető: élő kommunikációs hálózatként működik, amely folyamatosan információt cserél mind belső sejtekkel, mind külső környezettel. Ez teszi lehetővé azt is, hogy innovatív mezőgazdasági módszerekkel javítsuk termények ellenálló képességét és alakját – új távlatokat nyitva ezzel az élelmiszertermelés fenntarthatóbbá tételében.