Érdekességek a nagyvilágból

A virágok illata …

A virágok illatának biokémiai és molekuláris genetikai alapjai

 

A parfümök illékony anyagainak részeként évszázadok óta tanulmányozzák a virágok illatának kémiai összetevőit, újabban pedig ökológiai tanulmányok foglalkoznak a virágillat növénybiológiában játszott szerepével. Azonban csak kevés vizsgálat született a virág illatkomponenseinek szintetizálásával és az e folyamatokat szabályzó enzimek és gének működésével kapcsolatban. A Kaliforniában őshonos egynyári klárcsival (Clarcia breweri)és az oroszlánszájjal (Antirrhinum majus)

                   clarkia_breweri_bloom                 m;à

végzett kutatások az egyetlenek, amelyben az illatszintézisben szerepet játszó enzimek és gének is izolálásra kerültek. Jelen közlemény összefoglalja az ide vezető utat, az eredményeket, a következtetéseket, valamint a jövőbeli vizsgálati irányokat.

A virág illata fontos a növény egészségügyi frissessége (fitness) szempontjából.

Sok növény virágillatot bocsát ki, amely a megporzó állatokat, elsősorban a rovarokat csábítja. Az illat — ha jelen van — gyakran a nagytávolságra ható „csábítás” uralkodó eleme, különösen az éjjeli lepkék által megporzott virágoknál, amelyeket éjszaka keresnek fel és poroznak meg. Az egyes növényfajoknál a virágok illata nagyfokú változatosságot mutat azok száma, egyedisége és az illékony alkotórészek arányát tekintve. Bár csak keveset tudunk a rovarok egyedi illatösszetevőkre adott válaszáról, bizonyos, hogy a rovarok képesek különbséget tenni komplex illatkeverékek között, és a virágok rovarok általi különbségtevő látogatása fontos része a növény reprodukciós sikerességének. Miután a virágillat kulcsfontosságú lehet a termékenyülés biztosításában, és mint ilyen meghatározza a gyümölcs és a mag termelődését, a helyileg található megporzó rovarokat csábító virágillat megléte vagy hiánya mezőgazdasági jelentőséggel bírhat. Az emberek által új környezetbe importált növények hátrányos helyzetbe kerülhetnek, ha megporzóikkal nem együttesen telepítik be őket. Még ha egy helyileg megtalálható rovart csábít is a betelepített virág illata, előfordulhat, hogy az fizikailag nem alkalmas a virág hatékony megporzására, másfelől meg, hogy a megfelelő fizikai felépítéssel rendelkező megporzót nem csábítja a virág illata.

A növények a természetben nem az emberek kedvéért bocsátják ki illatukat, ugyanakkor nyilvánvaló, hogy az emberek által esztétikusnak talált illatok hozzájárulnak bizonyos növények termesztésre történő kiválasztásához. Miközben az emberi ízlés nagyon változatos, a legtöbb ember a lepke-félék által megporzott virágok illatát kedveli, ezen belül is különösen az éjszakai lepkék által megporzottakét, amelyet „édes illatúként” jellemeznek. Sajnálatos módon manapság nagyon kevés növényt termesztenek az illata miatt. Sőt, sok növény a termesztési szelekció során elvesztette illatát, mert a maximális termésnyerésre, szállíthatósági tulajdonságokra, vizuális esztétikai értékekre fókuszáltak (szín, forma), az illatot pedig nem tekintették kiválasztási szempontnak.

A virágillat néhány illékony komponense a növény vegetatív működésében is fontos szerepet játszhat. Csábíthatja a növényevők ragadozóit, jelzésértékű a védekezésben szerepet játszó gének termékeként, légi úton jelezheti a szomszédos növényekben és a beteg növények egészséges részeiben a betegség elleni rezisztenciát. Növényevők elrettentésére is szolgálhat.

A virágillat összetevőinek meghatározása

A vizsgálatok ez ideig főként a virágillat kémiai összetevőire koncentráltak. Ennek során a növény többi részével is kapcsolatban levő virágot egy üvegkamrába helyezték és a kamrában levő levegő folyamatos szűrésével a kibocsátott illékony anyagokat megkötötték. Meghatározott idő után a megkötődött illékony anyagokat szerves oldószerrel kivonták, amelyet aztán elemeztek. Elkülönítették a különböző illékony frakciókat, és a komponenseket azonosították. E vizsgálatokból kiderült, hogy a virágillat szinte mindig különböző kisméretű (100-250 Dalton nagyságú) illékony molekulák keveréke, amelyben a monoterpének, szeszkviterpének, fenilpropanolok és benzénszármazékok dominálnak. Néha zsírsav származékok és számos más kémiai komponens is jelen lehet.

A virág illatkomponenseinek kibocsátási helye

A kérdésre, hogy a virág mely része bocsátja ki az egyes illat alkotórészeket, nehéz választ adni. Nem megoldott annak bizonyítása, hogy az egyes illatkomponenseket melyik virágrész bocsátja ki. Az „illatmirigyként” meghatározott anatómiai képletek megfestése szintén problémás, mert a módszer sem itt, sem a virág többi részében nem alkalmas az aktuálisan kibocsátott illatanyag kibocsátás mérésére. A legjobb eredményeket a főbb illatkomponensek elemzésével kapták a virág bizonyos részeinek eltávolítása után. Ezek a vizsgálatok azt mutatták, hogy míg a főbb illat összetevőket a virág több része is kibocsátja (nem szükségszerűen azonos mennyiségben és arányban), a specifikus illatkomponensek néha csak valamelyik alegységéből származnak. Az eredmények ez esetben is fenntartással kezelendők, mert a kísérlet a virág sérülésével jár (virágszervek eltávolítása), és így az emissziós profil megváltozását okozhatja. Sértetlen virágokon végzett összehasonlító vizsgálatok ezért elengedhetetlenek az értékeléshez.

Az illat kibocsátás időbeli és élettani változásai

Sok okból előfordulhat, hogy a növénynek élete során mind a teljes illatanyagot, mind a speciális alkotórészeket tekintve változtatni kell (és változtat is) a virág illatanyag kibocsátásán. Előnyös számára, ha akkor bocsátja ki a legtöbb illatanyagot, amikor lehetséges megporzója aktív fázisban van. Ezért azok a növények, amelyeket éjjeli-lepkék poroznak meg, rendszerint a kora esti órákban érik el maximális illatanyag kibocsátásukat. A nyilvánvaló energia-takarékosságtól függetlenül azért is előnyös számukra, mert így nem csábítják a nem specifikus megporzókat, akik csak hasztalanul szétszórnák a virágport. Azonban néhány nem specifikus látogató jót is tehet a növénynek, ha a speciális megporzó ritka vagy hiányzik.

Feltételezhetően az illatcsokor néhány speciális illatkomponense adott megporzók csábítására szolgál, és ha a virág még nem lett megtermékenyítve, a virágok egy része képes változtatni illatán az általánosabb megporzók vonzására. Ugyancsak feltételezik, hogy a virágok egy része olyan kémiai anyagokat bocsát ki, amelyek elriasztják a növény számára nem hasznos megporzókat (pl. az un. nektár tolvajokat vagy általános virágkárosítókat). Kimutatták a megporzók adaptációs válaszát a virágok változó illatanyag kibocsátására, de a rendelkezésre álló csekély ismeretanyag miatt ezt még nem lehet érdemben megítélni. Kimutattak a virágok által követett nappali, éjszakai és cirkadián ritmusú, vagy a virág élettartama alatt tapasztalható más virágillat kibocsátási programokat.

Meg kell említeni, hogy a rovarok képesek asszociatív tanulásra, és hogy a megporzó rovar és a növények érdeke nem mindig esik tökéletesen egybe, ezért némi „becsapás” is kerülhet a kapcsolatba. Néha a növények vannak fölényben, mint pl. az Ophrys genus esetén, ahol a rovart a virág meglátogatására és megporzására a virágillat feromon mimikrije csábítja (valamint felépítésbeli mimikri is), de gyakran a növények vesztenek. Általában azonban hasznos a növény számára az igazságot hirdetni magáról, amikor a látogatás díja — a nektár és a pollen — elérhető (és ez a hozzáférhetőség arányos a növény női és a hím részeinek érettségi fokával), és abbahagyni, amikor ezekkel már nem rendelkezik. Ilyenkor a rovarok megtanulhatják, hogy a kiáradó illatot összekapcsolják a díjazással és ezért folyamatosan keresik és látogatják a megfelelő illatot árasztó virágokat. Másfelől, ha a rovart egyszer becsapta az illat és eredmény nélkül látogatta meg a növényt, legközelebb nehezebben keres fel ilyen típusú virágot.

Ha a növényt sikeresen megtermékenyítették, az ezt követő illatváltozás megelőzheti a további, valószínűleg romboló hatású látogatásokat és egyúttal fokozza a még termékenyítetlen virágok felkeresését. A legtöbb elemzett esetben közvetlen a beporzás után a virág illata nagymértékben csökkent és néhány esetben meg is változott. Az illat kibocsátás megszűnése gyakran a szirmok (amelyek többnyire a virág tömeges részét adják és az illat kibocsátás fő forrásai is) és az egyéb virágrészek öregedésével, fonnyadásával függ össze.

Általában kevéssé veszik figyelembe a hőmérséklet hatását az illatanyagok kibocsátására, pedig kimutatták, hogy a hőmérséklet nagy hatással van a kibocsátott illatmennyiségre. Pl. a teljes illat kibocsátás a fehér here (Trifolium repens) esetén 58%-al több 20 oC-on, mint 10 oC-on, és a virágillat valamennyi komponensét érintette a hőmérséklet változása. Nem világos, hogy a kibocsátás egyedül a magasabb hőmérsékleten bekövetkező nagyobb fokú illékonyság következménye, vagy ebben biológiai folyamatok — így pl. fokozott szintézis — is szerepet játszanak.ű

A virágillat alkotórészeinek termelése

Mint a bevezetőben is említettük, jelen vizsgálat az egyetlen, ahol az illatért felelős enzimek és gének izolálása is megtörtént. Szerencsére megfelelő körülmények között a virágillatot képező anyagok többsége a növény vegetatív részeiben is szintetizálódhat (többnyire védekezési célból), így ennek tanulmányozásából is kaphatunk információt. Miután nem jelenthető ki, hogy a vizsgált anyagok előállítása a vegetatív szövetekben mindenkor a virágban zajlókkal azonos módon történik (azonos reakciók, azonos enzimek), és az sem egyértelmű, hogy a vegetatív szövetekben keletkezett illóanyagok jutnak el a virágokba, az innen származó tudásanyag csak segíthet a megértésben, de egy az egyben nem fogadható el.

A terpének, különösen a monoterpének és a szeszkviterpének rendszeres alkotórészei a virágillatnak. Ezek gyakran megtalálhatók a vegetatív szövetekben is, ahol többnyire védő hatásúak. A főleg vegetatív szöveteken (és a nárcisz szirommal) végzett vizsgálatokban azt találták, hogy a monoterpének elsősorban a plasztiszban keletkeznek. Az elmúlt néhány évben a monoterpének és szeszkviterpének szintetizálásáért felelős enzimeket kódoló gének azonosítására és jellemzésére került sor. Ez ideig azonban csak 1 monoterpén szintézis katalizálásában szerepet játszó gént azonosítására került sor a C. breweri virágjában, amely nagymennyiségben bocsátja ki az S-linalolt mind a sziromból, mind a bibéből és bibeszálból (az utóbbi 2 ugyancsak nagymennyiségű linalol-oxidot bocsát ki). Kimutatták, hogy a linalol egylépéses reakcióban egy azonosított és a bibéből kivont enzim segítségével keletkezett és ennek klónját izolálták is.

Továbbá kimutattak és jellemeztek 3 másik enzimet, amely a klárcsiban a virág illékony anyagait katalizálja. Ezek a vegyületek többségükben nem illékony természetű intermedier anyagcsere termékek, amelyek a sejtalkotók képzése során keletkeznek (lignin, pigment anyagok, védekezésben szerepet játszó anyagok), itt azonban illékony virágalkotóvá alakulnak. Az oroszlánszájban is azonosítottak és jellemeztek egy olyan enzimet, amely serkenti ezeket a folyamatokat.

A virág bioszintézisének szabályozása

A klárcsinál és az oroszlánszájnál a kibocsátott illatanyagok többsége a virágsziromból származik. Az ezeket előállító enzimek meghatározásával lehetővé vált, hogy a virág fejlődése során meghatározzák az enzimaktivitás eloszlását a különböző növényi részekben és változását a virág fejlődése során. Az egyes szervek teljes súlyára kalkulált legnagyobb aktivitás mindenkor a virágszirmokban fordult elő. A virág egyéb részei szintén tartalmazhatnak kimutatható szintű aktivitást és a bibe gyakorlatilag magasabb aktivitási szintet mutat (de mivel a klárcsi bibéjének tömege nagyon kicsi a virágszirmok tömegével összehasonlítva, így mégis a szirmokban található a virág enzimaktivitásának többsége).

Kimutatták, hogy a klárcsiban az illatgének egységesen és szinte kizárólagosan a szirmok és más virágrészek epidermális rétegében fejeződnek ki. Az epidermális rétegben keletkező illóanyagok pedig keletkezésük után képesek közvetlenül a légkörbe jutni.

A klárcsi, annak ellenére, hogy éjjeli-lepkék által porozott növény, mégsem mutat jelentős különbséget nappali és éjszakai illat kibocsátásában, az oroszlánszáj virága azonban, amelyet a méh-félék poroznak, kifejezett napközbeni illat kibocsátási csúcsot mutat. Mindkét virág meghatározott hosszú távú illat kibocsátási mintázatot mutat, ahol az illat kibocsátási csúcs néhány nappal a virág kinyílása után van, majd fokozatosan csökken. A klárcsi illatenzimei kétféleképp hatnak. Az egyik enzimtípus aktivitása fokozódik az érő bimbóban és a frissen kinyílt virágban, aktivitásuk mintegy 12-24 órával a maximális illatkibocsátás előtt tetőzik, majd csökken az öregedő virágban, de továbbra is viszonylag magas szinten marad (a maximum szint 40-50 %-án) annak ellenére, hogy 2 illatkomponens kiválasztása gyakorlatilag megszűnik. A második csoport enzimjeinek aktivitása nem csökken vagy csak minimálisan a virág élettartamának végéig, habár bizonyos illóanyagok kibocsátása itt is megszűnik.

Nem ismert az idős virágban képződő enzimek magas szinten maradásának oka és jelentősége. Lehetséges, hogy az ezen enzimek által katalizált folyamatok terméke a virágillat kibocsátásán túlmenően más folyamatokhoz is szükséges. Azt találták, hogy sok növényfaj virágjában az öregedéssel az illatalkotó glikozidok felgyülemlenek. Az ilyen nem illékony glikozidokat néha a bimbókban is megtalálták, ezért illat előanyagoknak tartották őket.  Az alaposabb vizsgálatok azonban kimutatták, hogy a legtöbb esetben a szóban forgó illékony anyagok kibocsátásának emelkedéséhez nem társult a glikozidok szintcsökkenése. Az öregedő virág fokozott glikozid szintézise az illat kibocsátás megszűnésének következménye is lehet. Ezideig azonban nem ismert ezeknek a glikozidoknak a virágokban betöltött szerepe.

Az illatanyagok keletkezésében szerepet játszó enzimek génjének kifejeződése a virág fejlődése alatt térben és időben is szabályozott. Egyik részük a virág kibomlását megelőzően kezd működni és a virágzáskor éri el csúcspontját, majd csökken a szintje. A gének működése 1-2 nappal az enzimszint csúcspontja előtt tetőzik. Az adatok szerint egyértelmű pozitív korreláció van a gén kifejeződése, a termelt enzimfehérje mennyisége és az enzimaktivitás között a virágzás utáni 2-3 napig. Ekkortól azonban viszonylag magas az illatképzésben szerepet játszó enzimek szintje annak ellenére, hogy sem a gén kifejeződése, sem illat kibocsátás nem tapasztalható. Ez is azt támasztja alá, hogy a klárcsi virágjában az illatanyagok közvetlenül azon szervek epidermális rétegében keletkeznek, amelyből kiszabadulnak (elsősorban a sziromból). A szerepet játszó enzimek szintjét és a következményes illóanyag kibocsátást annak helyszínén szabályozzák a gének.

A virágillat evolúciója

Érdekes megfigyelni a virág illatának változását. Sok növénynél vannak illatos fajok, amelyek közeli rokonságot mutatnak illat nélküli fajokkal. Elkerülhetetlen a következtetés, hogy a virág illatossága egy könnyen szerezhető és könnyen elveszthető tulajdonság. Ha emellett figyelembe vesszük, hogy a virágillat vegyi anyagok komplex keveréke, és gyakorlatilag nem található 2 közeli faj sem, amelynek tökéletesen azonos lenne az illata, egyértelműen megállapítható, hogy a speciális illatanyag kibocsátás a növény könnyen változó tulajdonsága. Mi az alapja ezeknek az evolúciós változásoknak?

Az illat keletkezése komplex folyamatok eredménye, így fenti kérdésre is csak komplex választ adhatunk. Azt tapasztaltuk, hogy a klárcsi közeli rokonfajában, a nem illatos  C. concinna-ban szintén megtalálható  a linalol-szintáz enzimet kódoló gén, sőt kizárólagosan a bibéből ki is fejeződik, de ez annyira kevés, hogy gyakorlatilag nincs érzékelhető illat kibocsátás. A C. concinna génjében néhány kisebb eltérés mutatható ki, de hogy ez felelős-e az eltérő illat kifejeződésért, azt még kísérletekkel kell kideríteni.

Úgy tűnik, hogy a linalolt kibocsátó és nem kibocsátó növény közti különbség nem a gén meglétében vagy hiányában van, hanem a szabályozási rendszerben. A linalol szintetizálása akár a virágban, akár a növény vegetatív részeiben széleskörűen elterjedt a növények között (a kukoricában, a szójában és valószínűleg a C. concinna stigmájában is) és gyakran a védekezési rendszer része, illetőleg számos virág illatának része. Ezért valószínű, hogy elméletileg minden növény genomja hordozza a gént, és néhány kisebb változtatással helyreállítható lenne az illattermelés.

Kissé eltérő forgatókönyv alapján a klárcsi virágok képesek methyleugenol és izomethyleugenol termelésre is. A növényvilágban széleskörűen elterjedt, a lignin termeléshez szükséges gén kismértékű módosulásával létrejött új gén csak néhány, a klárcsit is magába foglaló növénycsaládban fordul elő, és a virágillatban szerepet játszó komponenst állít elő. Ez a gén a nem illatos klárcsikban is előfordul, csak itt nem fejeződik ki.

Egy nem illatos másik klárcsi faj, a C. concinna szintén tartalmaz az illatos klárcsiban található génhez nagyon hasonlító géneket, de ezek átíródása nagyon kismértékű. Szerepük még nem ismert és ezek szívesebben kapcsolódnak eltérő tulajdonságú anyagokhoz. A rokonságot mutató mintegy 70 gén egy része azonban szerepet játszhat az illatkomponensek előállításában, ill. új illatképző enzimeket kódolhat.

A közelmúltban a klárcsikban mintegy 30 metiltranszferáz enzimet kódoló gént azonosítottak és bár a klárcsifélékben és néhány más fajban ebből kialakuló géneket találtak, ezideig nem sikerült meghatározni az általuk termelt fehérjék feladatát. Ez az enzimcsalád valószínűleg szintén tartalmaz az illat létrejöttéért felelős enzimeket.

Várható kutatási irányok

További várható vizsgálati irányok az eltérő illatanyag előállítási utak felderítése, valamint az ebben szerepet játszó enzimek és gének azonosítása. Ugyancsak kiderítésre vár az illatanyagok sejten belüli keletkezési helyének meghatározása, a bekövetkező változások szabályozási mechanizmusa és cirkadián ritmusa. Evolúciós szempontból érdekes feladat a fajok eltérő illatjellemzőinek nyomon követése, és hogy ez gén, átíródás vagy fehérje szinten szabályozott-e. Végül fontos lenne a specifikus megporzó rovarokat csábító specifikus illatkomponensek megértése. Az illatgének megismerése lehetővé tenné a feladat leegyszerűsítését, olyan transzgenikus vonalak előállítását, amelyek illatcsokra csupán egy komponensben különbözik.

A leander csábítási trükkje a megporzó rovarok becsapására

A leanderek élőhelyükön egész évben bőségesen virágzó évelő fás szárú bokrok, amelyeknek a megtermékenyüléshez külső megporzóra van szükségük. Színes virágai a megporzó állatok számára érdektelenek, mert a virág nem tartalmaz nektárt. Ráadásul a növény által termelt csekély mennyiségű virágpor jelentős része elérhetetlen a rovarok számára, így aztán a leanderek „becsapással” csábítják megporzóikat. A növény által produkált nagytömegű virág elsődlegesen a beporzó rovarok csábítására szolgál.

A leander virágai nem termelnek nektárt, látványos hermafrodita virágait 5 szabad sziromlebeny, csésze és rózsaszín korona alkotja. A termelődő virágpor összetapadó ragacsos csomókba áll, így egy sikeres megporzás sok petesejt megtermékenyítésére képes. A terméshüvely mintegy 180 db. szöszös, víztaszító magot tartalmaz, amelyből a magok gyakran az esős évszakban szabadulnak ki. Csírázásuk meglehetősen gyors, de a magoncok többsége elpusztul.

 

Megporzó rovarok csábítása

A közepes méretű, megközelítőleg 2 méter magas és széles leanderek több mint 100 virágzatot hoznak egy évben. Minden virágbuga 3-5 mellékágat hoz, amelyeken 12-40 egyedi virág helyezkedik el. A virágzás csúcsán az egyes ágvégeken egy időben akár 17 egyedi virág is nyílik. A rengeteg virág következtében a leanderek messziről feltűnnek a megporzó rovaroknak. A megporzó rovarnak olyan hosszú szívószervvel kell rendelkeznie, mint amivel a lepkék rendelkeznek. A Daphnis nerii az egyik legfontosabb leandert megporzó lepke, amelynek hernyója immunis a leander méreganyagára, így főként azzal táplálkozik. Amikor a lepke visszahúzza a nyelvét — amely ragacsos lett a porzószálak közti keskeny résekben — a leander ragacsos virágporának egy része ráragad a szívókájára. A lepke aztán továbbviszi ezt a pollent a következő virágra.

    pic62598    20140612_184435

Bár a leanderek elméletileg öntermékenyülők, a genetikai diverzitás fontossága miatt ez nem előnyös a fajok túlélése szempontjából, így a nyílt beporzású növények automatikus öntermékenyülését gyakran az ivarlevelek fizikai elhelyezkedésével, a túlságosan szűk térrel akadályozzák. A nyílt beporzású virágok magtermelése is alacsony. A Linné Társaság Botanikai Újságjában publikált tanulmány szerint 2 éves megfigyelési időszak alatt csupán 8 rovar látogatta meg a leander virágokat. A kézi megporzás segítheti a rövidtávú megporzási arányt, de ez a később megporzott petesejtek idő előtti abortálását is okozhatja.

 

Dudareva, Natalia és Pichersky, Eran: „Biochemical and Molecular Genetic Aspects of Floral Scents” (Plant Physiology, 2000. 122. 627-633.) és McLachlan, Christine, az eHow külső munkatársának írása alapján az összefoglalót készítette Varga Zsuzsanna.