TUDOMÁNY, INNOVÁCIÓ, VERSENYKÉPESSÉG

MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIA

TUDOMÁNY, INNOVÁCIÓ, VERSENYKÉPESSÉG A Miniszterelnöki Hivatal és a Magyar Tudományos Akadémia együttműködési megállapodása alapján végzett kutatások főbb eredményei (2003–2004) I. kötet Természettudományok

Budapest, 2004

MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIA

TUDOMÁNY, INNOVÁCIÓ, VERSENYKÉPESSÉG

A Miniszterelnöki Hivatal és a Magyar Tudományos Akadémia együttműködési megállapodása alapján végzett kutatások főbb eredményei (2003–2004)

I. kötet Természettudományok

Budapest, 2004

2

A Miniszterelnöki Hivatal és a Magyar Tudományos Akadémia együttműködési megállapodása alapján végzett kutatások főbb eredményei (2003–2004)

A kutatási záróbeszámolók alapján összeállították a Természettudományi Főosztály munkatársai Szegő Károly főosztályvezető Banczerowski Januszné főosztályvezető-helyettes Fekete Márton Szekeresné Czuczor Zsuzsa

© Magyar Tudományos Akadémia, Budapest, 2004 ISSN 1786-254X

Felelős kiadó: Meskó Attila Készült 300 példányban, B/5 formátumban Fotókész anyagról a nyomdai kivitelezést végezte: AMULETT ’98 Nyomdaipari és Szolgáltató Kft. Felelős vezető: Lajtai Ferenc

3

Tartalom

Előszó (MESKÓ ATTILA) ..........................................................................................5

I. ÉLETTUDOMÁNYOK AZ EGÉSZSÉGÜGY SZOLGÁLATÁBAN SZABÓ GÁBOR: Neuro-pszichiátriai genomika: a genetikailag módosított kannabinoid jelátviteli rendszer, mint szorongásmodell...................................7 DUDITS DÉNES− PUSKÁS LÁSZLÓ− HARRACH BALÁZS: Gyógyászati és diagnosztikai célú genomikai kutatások ....................................................... 22 II. A MEZŐGAZDASÁGI TERMÉKSZERKEZET JAVÍTÁSA, ÚJ TERMELÉSI MÓDOK BEVEZETÉSE BEDŐ ZOLTÁN: A növénytermesztési szerkezet javítása, a biológiai alapok fejlesztése ...................................................................................................... 42 NÉMETH TAMÁS: A fenntartható gazdálkodást megalapozó talajvédelmi beavatkozások vizsgálata .............................................................................. 58 KŐMÍVES TAMÁS: Környezetkímélő, a természet védelmét és a táj megőrzését szolgáló, valamint a vidék fenntartását célzó növényvédelmi módszerek kutatása ................................................................................................................... 77

III. NANOTECHNOLÓGIA ÉS NANOTUDOMÁNYOK

GYULAI JÓZSEF: A nanogas projekt ...................................................................... 95

4

5

ELŐSZÓ A Miniszterelnök és a Magyar Tudományos Akadémia (MTA) Elnöke 2003. május 5-én megállapodást kötött stratégiai kutatások megvalósítására, figyelembe véve az Európai Közösség 6. Kutatási, technológiafejlesztési és demonstrációs Keretprogram tematikus prioritásait. A megállapodásban rögzítették a támogatandó kutatási irányokat. Ennek megfelelően írták alá a részletes feladatokat rögzítő szerződést a Miniszterelnöki Hivatal (MEH) és az MTA képviselői. A támogatások odaítélésekor fontos szempont volt, hogy a természettudományi kutatóintézetekben azokat a témákat részesítsük előnyben, melyek gazdasági haszna rövid távon remélhető, vagy például a kutatások a népbetegségek megelőzését, a széleskörű életminőség-javulást szolgálják. Így került sor eddig nem ismert új támadáspontú gyógyszerek kutatási módszereinek vizsgálatára, amelyek stressz, szorongás, depresszió kezelésében nyújtanak célszerűbb és hatékonyabb kezelési eljárásokat. Hasonló fontosságú a géntechnika diagnosztikus felhasználása. Magyarországon különleges fontosságú a mezőgazdaság korszerűsítését előmozdító kutatások támogatása. A modern elektronika a mindennapi életben alkalmazott műszerek működésének alapja. Mind az elektronikai eszközök, mind a műszerfejlesztés egyik fő célja a miniatürizálás. Speciális szerkezetű mikrokristályok a levegő összetételének igen érzékeny érzékelői lehetnek. Jelentős hazai tapasztalat és tudás ipari felhasználását szolgálja ezen a területen a nanogáz-projekt. A társadalomtudományok területén három fő kérdéscsoportot vizsgáltak. A magyar gazdaság versenyképességének meghatározó tényezőinek elemzésekor megállapították, hogy az elmúlt másfél évtizedben Magyarország a leginkább transznacionalizált nemzetgazdaságok közé került: világviszonylatban a nyolcadik, Európában – Írország mögött – a második helyen áll. A legutóbbi években azonban sok jel szerint versenyképességünk csökkent, pedig csak ennek erősítése tudja garantálni a gyors és fenntartható fejlődést, a sikeres EU-tagságot. A tudás- és technológiatranszfer lehetőségeinek jobb kihasználása a regionális különbségek csökkentésére nagymértékben attól függ, hogy mekkora a regionális szereplők tudás generáló és hasznosító kapacitása, milyen mértékben képesek innovációvá fejleszteni a megszerzett tudást, illetve a nemzetközi piacokon exportsikereket elérni a régióban kifejlesztett új termékekkel és szolgáltatásokkal. Napjaink magyar társadalma és fejlődési irányai vizsgálatakor bebizonyosodott, hogy a rendszerváltás óta eltelt időszak a társadalmi rétegződés szempontjából három jól elkülönülő szakaszra osztható. A kilencvenes évek fordulóján a kapun

6

belüli munkanélküliség valódi munkanélküliséggé változott, a rendszerváltás mély gazdasági válsággal kapcsolódott egybe. A kilencvenes években meginduló gazdasági növekedés lényegében stabilizálta az egyenlőtlenségeket, valamint kialakulni látszik egy stabilizálódó osztályszerkezet. A munkaerőpiacnak meghatározó szerepe van a társadalmi rétegződésben. Az elvégzett munkákról összegző jelentések készültek, melyek rövidített, szerkesztett változatát jelen kiadványban adjuk közre. A beszámolók teljes szövege az MTA honlapján (www.mta.hu) A tudomány világából című rovatban olvasható. Budapest, 2004. október

7

I. ÉLETTUDOMÁNYOK AZ EGÉSZSÉGÜGY SZOLGÁLATÁBAN SZABÓ GÁBOR MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet

Neuro-pszichiátriai genomika: a genetikailag módosított kannabinoid jelátviteli rendszer, mint szorongásmodell Specifikus idegrendszeri jelátviteli rendszerek és jól körülhatárolt neuronális hálózatok célzott genetikai módszerekkel történő megváltoztatása sok új és eddig még teljesen kiaknázatlan lehetőséget nyújt a magasabbrendű idegi tevékenység strukturális, neurokémiai, molekuláris- és sejtszintű alapjainak a megértéséhez, továbbá az idegrendszert érintő súlyos betegségek okainak kiderítéséhez és új hatásos gyógyszerek kifejlesztéséhez. A MEH-MTA együttműködés keretében elkezdett stratégiai kutatásoknak az alapvető célkitűzése olyan technológiák és DNS vektorrendszerek kidolgozása, amelyek segítségével a jövőben létrehozandó transzgenikus egerek modellként szolgálhatnak neuro-pszichiátriai megbetegedések molekuláris alapjainak megismeréséhez, új terápiás lehetőségek kidolgozásához és hatékony gyógyszerek kifejlesztéséhez. A cél elérése érdekében olyan transzgenikus vektorrendszereket és módszereket kívántunk kidolgozni, amelyek segítségével az idegrendszeri betegségekben érintett gátló GABAerg idegsejtek és azoknak parvalbulmumin kalciumkötő fehérjét expresszáló csoportja, valamint a principális, serkentő glutamáterg idegsejtek genetikai célzására alkalmasak. Továbbá be kívántuk vezetni az indukálható transzgenikus technológiát is azért, hogy a genetikai módosítást időben is szabályozni tudjuk. Az ehhez szükséges vektorrendszereket szintén a GABAerg idegrendszer időben szabályozható módosítására terveztük kidolgozni. Modellként a kannabinoid szignáltranszdukciós rendszert választottuk, amely a G-fehérjékhez kapcsolt CB1 receptoron keresztül az idegrendszer legfontosabb neurotranszmitter-rendszereit modulálva (GABAerg, glutamaterg, dopaminerg, kolinerg, opioid stb) számos magasabbrendű idegi tevékenység, többek között a memória, tanulás, pszichés reakciók, érzelmek, magatartás, és a motoros rendszer agyi kontrolljának a szabályozásában vesz részt. A modellválasztást az is indokolja, hogy a rendszer érintettsége oki tényezőként szerepelhet olyan súlyos neuropszichiátriai betegségek

8

kialakulásában, amelyeknek a szelektív és hatásos gyógyszeres terápiája még nem megoldott. Ezért a kannabinoid jelátviteli rendszer több komponense: a kannabinoid transzporter és a lebontó enzimek, de mindenek előtt a CB1 receptor - új típusú gyógyszercélpontként jöhetnek szóba: 

 

különböző eredetű kognitív diszfunkciók és memóriazavarok (pl Alzheimer kór),  a motoros rendszert érintő neurodegeneratív kórképek (Parkizon kór, Huntington chorea),  magatartási rendellenességek: pszichózisok és szorongás, neuropátiás és perifériás fájdalmak, drogabúzus stb. kezelésében.

Ehhez azonban még nem ismerjük kellően a kannabinoid hatás pontos mechanizmusát, az ürülés helyét, a receptorok megoszlását és sajátosságait, a kannabinoid szabályozás alatt álló neuronális hálózatokat, neurotranszmitterrendszereket és azok kölcsönhatásait, továbbá az érintett élettani- és idegi funkciók teljes skáláját sem. Tehát a kannabinoid szignáltranszdukció struktúrális és funkcionális alapjainak megismerése elengedhetetlen a cannabionoid rendszert célzó új gyógyszerek kifejlesztésében. Ezeknek a kérdéseknek az eredményes megválaszolását nagymértékben elősegíti a genetikailag módosított kannabinoid rendszerrel rendelkező modellállatok komplex funkcionális anatómiai, elektrofiziológiai és magatartásvizsgálata. Ezek a részletesen jellemzett genetikailag módosított egerek a jövőben felhasználhatók lesznek a CB1 receptoron ható potenciális gyógyszerek fejlesztéséhez szükséges vizsgálatokra is. Ezért terveztük az endokannabinoid rendszer komplex, strukturális és funkcionális vizsgálatát és olyan vektorok elkészítését, amelyek felhasználásával a CB1 receptorok expressziója célzottan megváltoztatható A jövőben létrehozandó genetikailag módosított kannabinoid CB1 receptorrendszerrel rendelkező transzgenikus egerek alkalmasak lesznek a szorongás patomechanizmusának vizsgálatára és a CB1 receptoron ható potenciális gyógyszerek fejlesztésére is. 

Specifikus idegsejtcsoportok célzott és indukálható módosítására szolgáló transzgenikus technológiák kidolgozása

 A GABAerg idegsejtek célzott genetikai módosítására alkalmas DNS vektor elkészítése

9

A GABAerg rendszer “célzásához” kiválóan alkalmas egy olyan gén regulációs régiója, amely az egész GABAerg idegrendszerben kifejeződik. Erre a célra a GABA-szintetizáló enzim, a glutaminsav dekarboxiláz 65 kDa formáját kódoló gént választottuk, mert az minden GABAerg idegsejtben kifejeződik. Az általunk korábban klónozott egér GAD65 gén GABAerg specificitásáért felelős regulációs régióját úgy választottuk ki, hogy gén 5’-régiójának különböző hosszúságú darabjait és az autofluoreszcenciával rendelkező zöld fluoreszkáló fehérje (GFP) génjét tartalmazó transzgéneket hordozó traszgenikus egereket állítottunk elő. Az így létrehozott vonalakban, az agyi GFP expresszió vizsgálatával meghatároztuk a GAD65 gén különböző hosszúságú regulációs régióinak a specificitását. Megállapítottuk, hogy egy 5.5 kb hosszúságú 5’-regulációs régió az elő három exonnal és a köztük lévő két intronnal együtt nagyfokú GABAerg specificitást mutat. Tehát a GAD 65 gén általunk jellemzett régiója alkalmas a GABAerg rendszer célzására. konzervált régió

GAD65 BAC klón 1. ábra. Az egér GAD65 gén 5’-régiójának szerkezete és a GAD65-GFP transzgenikus konstrukció .

10

Elemzéseink azt mutatták, hogy az általunk izolált és jellemzett GAD65 génszakasz alkalmas tetszőleges transzgén GABAerg specifikus expressziójának irányítására. A GFP markert a GABAerg sejtekben expresszáló transzgenikus egérmodelleket széleskörű hazai és nemzetközi együttműködésekben használtuk, többek között agykérgi, hippocampalis, bulbaris, hypothalamikus és gerincvelői GABAerg idegsejtek és hálózatok funkcionális jellemzésére, valamit a cortikális és bulbaris fejlődés vizsgálatára. (2. ábra) Megjelent közlemények: Aungst, J.L., Heyward, P.M., Puche, A.C., Karnup, S.V., Hayar, A., Szabo G., Shipley, M.T. (2003) Center-Surround Inhibition Among Olfactory Bulb Glomeruli. Nature 426: 623-629. Brager,D.H., Luther, P.W., Erdélyi, F., Szabó, G. and Alger, B.E., (2003) Regulation of exocytosis from single visualized GABAergic boutons in hippocampal slices. J Neurosci 23: 1047510486. López-Bendito, G., Sturgess1, K., Erdélyi, F., Szabó, G., Molnár, Z. and Paulsen. O. (2004) Preferential origin and layer destination of GAD65-GFP cortical interneurons. Cerebral Cortex (in press). Beküldött közlemények: K.A. Hamilton, T. Heinbockel, M. Ennis, G. Szabó, F. Erdélyi, and A. Hayar. (2004) Functional Properties of External Plexiform Layer Interneurons in the Mouse Olfactory Bulb. J. Neurophisiol (közlésre benyújtva) De Marchis, S., Temoney, S., Erdelyi, F., Bovetti, S., Bovolin, P.1, Szabo, G., and Puche, A.C. (2004) GABAergic phenotypic differentiation of a subpopulation of sub-ventricular derived migrating progenitors. Eur J Neurosci (közlésre benyújtva)

A GABAerg idegsejtek célzásához az általunk jellemzett GAD65 regulációs kazettát úgy alakítottuk át, hogy a transzláció ne a GAD génről, hanem az irányítani kívánt gén saját transzlációs start szignálájáról (ATG) induljon el. Ezért irányított PCR-mutagenezissel eltávolítottuk a GAD65 gén első exonjában található ATG kodonját és egyben azt egy NotI klónozó hellyé alakítottuk, mögé pedig és mögé egy SV40 eredetű poli(A) addíciós szignált is beültettünk. Ez utóbbi szignál fogja a transzgén átírását terminálni. A korábban tesztelt GABAerg-specifikus transzgenikus-expressziós kazettát kiegészítettük a gén 3. exonjától a 6. exonjáig terjedő szakaszával, mivel a humán és egér GAD65 gén szekvenciájának összehasonlításakor a 4. intronban a génregulációban feltehetően szerepet játszó konzervált DNS szakaszokat azonosítottunk (1. ábra. A panel). Az elkészült GAD65-alapú transzgenikus expressziós kazetta NotI klónozó helyére bármely cDNS beültethető, amelyet a GABAerg idegsejtekben kívánunk kifejeztetni (GAD65-ATGexon1-6NotpA) (3. ábra). Ezt a GABAerg-specifikus expressiós kazettát felhasználtuk fel a tetraciklin-indukálható transzgenikus vektorrendszer kidolgozásához.

11

hippocampus

olfactory bulb

2. ábra. GFP expresszió a GAD65/gfp transzgenikus egér(#30) különböző agyi struktúráiban

 A principális glutamaterg idegsejtek célzott genetikai módosítására alkalmas DNS vektor elkészítése és tesztelés transzgenikus egérben Az agykéreg és a hippocampus principális serkentő idegsejtjei kitüntetett szerepet játszik olyan magasabb rendű idegi tevékenységek szabályozásban, mint a tanulás, memória és a környezeti hatásokhoz való adaptáció. A működésükben fontos szerepet játszó jelátviteli rendszerek megváltozott működése és az ennek következményeként kialakuló sejtpusztulás olyan idegrendszeri betegségek kialakulásában, mint a neurodegeneratív megbetegedések (pl. Alzheimer kór) és az epilepszia, játszik szerepet. Ezért működésük anatómiai, fiziológiai, sejt és génszintű alapjainak megértése elengedhetetlen ahhoz, hogy számos gyakran előforduló, súlyos egyéni, családi és társadalmi problémát jelentő

12

neuropszichiátriai betegség okait kiderítsük, melyek következményeinek enyhítésére és gyógyítására nem rendelkezünk megfelelő hatásos gyógyszerekkel. NotI célzására alkalmas GAD65-gén alapú DNS vektor 3. ábra. A GABAerg rendszer genetikai

EcoRI NcoI az idegsejteknek a genetikai BamHI célzására a kalcium kalmodulin kináz II Ezeknek BamHI EcoRI  (CamkII) gén alkalmasnak tűnik, mivel fehérje a fő komponense a SmaIez a EcoRI XhoI XhoI NcoI idegsejtek BamHI SmaI denzitásának, és az SalI principális glutamaterg posztszinaptikus XhoI SalI BamHI SmaI BamHI NcoI EcoRI irodalomban is gyakran használják transzgenikus egerekben ezeknek a sejteknek a genetikai célzására. 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Az egér CamkIIgén promotert is tartalmazó 8 kb hosszúságú 5’ konzervált régiójának glutamaterg specificitását az egfp markergén segítségével eGFP cDNS transzgenikus egérben teszteltük. Ehhez a 8,5kb hosszúságú CamkII DNS fragmentumhoz többlépéses rtTA Not klónozás során hozzákapcsoltuk I a GFP-t kódoló DNS szakaszt. A konstrukció SV40 poli(A) elkészítésekor pIRES-EGFP, valamint BlueScript II klónozó vektorokat alkalmaztuk, és a GFP/BSII fragmentumot a CamKII promóter régiót tartalmazó GAD65 vektorba klónoztuk. exonok A transzgenikus 1 23 5 6 pMM403 konstrukcióból PauI emésztéssel gén 4 állítottuk elő a CamkII/egfp A transzgenikus egereket standard ATGtranszgént. TTG mikroinjektálási módszerrel állítottuk elő. A transzgént hordozó egyedeket a gfp expresszió közvetlen kimutatásával azonosítottuk, majdGAD65 vonalakat alapítottunk. A BAC transzgén kifejeződését agyi metszeteken a gfp-t tartalmazó idegsejtek közvetlen GAD65-ATGexon1-6NotpA (12894 bps) mikroszkópos kimutatásával vizsgáltuk. Megállapítottuk, hogy a CamKII gén általunk kiválasztott régiója alkalmas a glutamaterg sejtek specifikus genetikai célzására (4. ábra).

CamKII promoter CA1

pMM403 hippocampus

egfp CA3

bGHPAS pIRES-EGFP

DG

13

cortex 4. ábra. CamKIIa/egfp transzgenikus konstrukció, gfp pozitív glutamaterg idegsejtek a hippocampus-ban és a cortex-ben

A GABAerg rendszer indukálható genetikai módosításához szükséges DNS vektor kidolgozása Transzgének indukálható expressziójára azért van szükség, mert bizonyos géntermékek embrionális korban való megjelenése fejlődési rendellenességekhez, sőt pusztuláshoz is vezethet, továbbá kompenzációs mechanizmusok is felléphetnek. Ezt elkerülendő előnyös lehet az, ha a transzgént tetszőleges időben be és ki is tudjuk kapcsolni. Ilyen esetekben a létrejött elváltozás egyértelműen a transzgén kifejeződéséhez köthető. A leggyakrabban használt időben szabályozott transzgenikus rendszer a tertaciklinnel (tet) szabályozható bakteriális operonon alapszik. A kettős transzgenikus rendszerben használt tet operátort tartalmazó mesterséges promóter (tetO/CMV) csak akkor aktív, ha egy tet függő transzaktivátor fehérje kapcsolódik hozzá. E fehérjék közül az egyik (tTa ) tet jelenlétében nem képes a promóterhez kötődni, ebben a rendszerben a tet adagolás felfüggeszti a működést (tet off rendszer). A másik transzaktivátor (rtTa) viszont csak tet jelenlétében aktiválja a promótert (tet on rendszer). Az egyik transzgenikus egérben a kifejeztetni kívánt gén az inaktív tetO/CMV promóter kontrollja alatt áll. A rendszer másik tagjában a transzaktivátor fehérje kifejeződédét egy szövetspecifikus promóter irányítja. A két transzgenikus egeret keresztezve a “génünk” csak abban a sejttípusban fejeződik ki, amelyikben a transzaktivátor is jelen van. Az pedig, hogy a rendszer tet adagolással, vagy megvonással működik, attól függ, hogy melyik típusú transzaktivátort alkalmazzuk. Az alaprendszernek az a hátránya, hogy a tetO/CMV promóter alacsony szinten a transzaktivátor nélkül is működik, továbbá sokszor olyan magas tet koncentráció szükséges a ki-be kapcsoláshoz, amit különösen nehéz elérni az agyban. Ezt a nehézséget úgy lehet kiküszöbölni, hogy a tet on rendszerben a rtTA aktivátornak egy kevesebb tet-et igénylő változatát használjuk és vele együtt egy olyan represszort is beiktatunk a rendszerbe, amelyik a tetO/CMV promóterhez kötődve azt erőteljesen gátolja, amit a tet teljes mértékben felfüggeszt.

14

Mi egy olyan opitmalizált tet on vektort készítettünk el, amelyben az rtTA2sM2 optimalizált reverz tet transzaktivátort és a tTS represszort tartalamazó kettős gént a GAD65-alapú transzgenikus vektor NotI klónozó helyére ültettük be. A tTS szintézise egy belső riboszóma kötőhelyről indul. Ez a represszor megakadályozza azt, hogy doxiciklin (tet analóg) adagolás nélkül a célgénről fehérje képződjön (4. ábra). Az jövőben elkészülő GAD65/rtTA2s-M2irestTS transzgenikus egereket úgy teszteljük, hogy azokat egy olyan riporter egérrel keresztezzük, amelyik a GFPtetO/CMV-laZ transzgént hordozza (Z/EG- ez a transzgenikus egér a rendelkezésünkre áll) (4. ábra). Azt várjuk, hogy doxiciklin adagolásra mind a GFP, mind pedig a -gal megjelenik a GABAerg sejtekben. Ezzel a riporterrendszerrel azt tesztelhetjük, hogy mennyire “szorosan” szabályozható tetel a transzgén-expresszió (4. ábra). Egyik markergént egy tetszőleges génre cserélve, ez a rendszer alkalmas arra, hogy bármely gént indukálható módon kifejeztessünk a GABAerg idegsejtekben.

5. GABAerg eGFP idegsejtek egfp

SVpA

-gal -globinpA

pC2 TRE pC1 lacZ

Z/EG transzgenikus egér tetracikli s

GAD65rtTA2 -M2 transzgenikus egér GAD65

+

represszor rtTA2s-M2 tTS

GABAerg idegsejtek

ábra. A GABAerg specifikus tetraciklinnel indukálható transzgenikus rendszer

Mesterséges bakteriális kromoszóma alapú (BAC), nagy pontosságú szövetspecifikus transzgenezis Transzgenikus egér előállítása módosított mesterséges bakteriális kromoszóma megtermékenyített petesejtbe történő injektálásával: BACparvalbumin/gfp transzgenikus egér A mesterséges gént hordozó transzgenikus egerek esetében a transzgén működésének térbeni és időbeli szabályozását a felhasznált DNS regulációs régiók határozzák meg. A hagyományos technikákkal létrehozható DNS konstrukciók mérete limitált, ezért a transzgén sok esetben nem tartalmazza az összes szabályozó elemet, ami szükséges a pontos, integrációs helytől független

15

szövetspecifikus kifejeződéséhez. Annak érdekében, hogy a transzgén expressziója pontos legyen, tartalmaznia kell a távolabbi DNS regulációs elemeket is, ami a transzgenikus konstrukció méretének növelésével biztosítható. Ez klasszikus klónozási technikákkal már nem oldható meg. A távoli elemeket úgy építhetjük be a transzgénbe, hogy több száz kb hosszúságú genomiális DNS klónt tartalmazó bakteriális mesterséges kromoszómába, in vivo rekombinációval beültetjük a kifejeztetni kívánt “idegen” gént. Az ilyen típusú BAC klón már nagyon nagy valószínűséggel tartalmazza egy adott gén minden fontos regulációs elemét. A nagyméretű (> 100 kb), egy szokásos transzgenikus konstrukció méreténél legalább egy nagyságrenddel nagyobb DNS fragmentum mikroinjektálásának beállításához egy olyan 180 kb hosszúságú módosított BAC klónt használtunk, amely a parvalbumin génbe beültetett gfp markergént tartalmazza. (A klónt Hannah Monyer bocsátotta rendelkezésünkre, University of Heidelberg.) Azért választottuk ezt a klónt, mert ezzel azt is tesztelhetjük, hogy a parvalbumin BAC valóban alkalmas-e a GABAerg idegsejtek parvalbumin-tartalmú populációjának genetikai célzására. (5. ábra) A módosított BAC klónt hordozó bakteriális kultúrából nagytisztaságú DNS-t izoláltunk, preperatív NotI restrikciós emésztéssel a módosított egér parvalbumin gént tartalmazó DNS fragmentumot kihasítottuk a vektorból és attól CL4B kromatográfiával elválasztottuk. Megtermékenyített petesejtbe való injektáláshoz közvetlenül a parvalbumin fragmentumot tartalmazó “csúcs”-frakciót használtuk. Transzgenikus egeret a csoportban rutinszerűen alkalmazott technológiával állítottuk elő. A megszületett utódokból a transzgén hordozókat a gfp expresszió izomban való direkt kimutatása alapján azonosítottuk, mivel a parvalbumin ott is expresszálódik. A 3db pozitív egyed utódaiban a transzgén agyi expresszióját közvetlenül a GFP fluoreszcencia alapján, agymetszeteken jellemeztük. A PV-GFP BAC transzgenikus egerekben a GFP markergén expressziója teljes értékben sejttípus-specifikusnak bizonyult, tehát a PV-BAC klón megfelelően módosítva alkalmas a parvalbumin-tartalmú idegsejtek genetikai módosítására. (6. ábra) 6. ábra. arvalbumin-gfp transzgenikus egér előállítása és az agyi expresszió analízise

16

17

 Az agyi kannabinoid receptorok funkcionális jellemzése A szervezetünkben található endocannabinoid rendszer élettani és kórélettani jelentőségének tisztázása az elmúlt évek egyik legforróbb kutatási területévé vált az orvosbiológiában. A 90-es évek során kiderült, hogy kétféle receptor, a CB1 cannabinoid receptor az idegrendszerben, valamint a CB2 cannabinoid receptor az immunrendszerben közvetíti a cannabinoidszármazékok élettani hatását. Ezzel párhuzamosan arra is fény derült, hogy szervezetünk több lipidszármazékot is termel, amelyek e receptorok ligandumai, ezek az ún. endocannabinoidok. Az orvostudományi kutatások napjainkban ismerik fel, hogy számos betegség etiológiájában az endocannabinoid rendszer kulcsszerepet játszik, ezért befolyásolása jelentős terápiás potenciállal rendelkezik. Korábbi eredmények A Funkcionális Anatómiai Kutatócsoport célul tűzte ki, hogy felderítse a CB1 cannabinoid receptor pontos lokalizációját és élettani jelentőségét az idegrendszerben. Feltártuk, hogy a CB1 receptor a hippocampus nevű agyterületen az idegvégződéseken található (7. ábra), ahol élettani jelentősége a gátló hatású ingerületátvivő anyag, a GABA felszabadulásának szabályozása (Katona et al., 1999). 7. ábra. A CB1 receptor lokalizációja GABAerg idegvégződéseken az emberi hippocampusban

A kísérletben a CB1 receptorok jelenlétét immunarany jelöléssel tettük láthatóvá, a vékony nyilak ezeket az ezüst-intenzifikált aranyszemcséket jelzik. A vastag nyíl egy tipikus szimmetrikus szinapszisra mutat, amely a GABAerg szinapszisok sajátossága a hippocampusban. A felfedezés világszerte új kutatásokat indított el, a kutatócsoport pedig számos további jelentős megfigyeléssel gazdagította az endocannabinoid rendszerről lévő ismereteinket. Igazoltuk, hogy a kísérleti állatokból származó megfigyelés az emberi hippokampuszban (Katona et al., 2000) és más agyterületeken, így pl. az amygdalában is érvényes (Katona et al., 2001). Feltártuk, hogy a tüdőben is idegvégződéseken fordul elő a CB1 receptor, ahol a

noradrenalin felszabadulását szabályozza, így hozzájárulva a bronchiális simaizmok kontrakciójának regulációjához (Calignano et al., 2000; Vizi et al., 2001). Elektrofiziológiai kísérletekben kimutattuk, hogy a GABAerg szinapszisokban a cannabinoidok a CB1 receptoron keresztül gátolják a neurotranszmissziót (Hájos et al., 2000). Ez az eredmény újabb kísérleti áttöréshez vezetett, amikor igazoltuk, hogy a serkentő hatású glutamaterg neurotranszmissziót egy ma még nem ismert új receptoron keresztül szintén befolyásolják a cannabinoidok (8. ábra) (Hájos et al., 2001).

8. ábra. Elektrofiziológiai bizonyíték egy új cannabinoid receptor létezésére. Az „a” ábrán egy vad típusú egérben látható, hogy a cannabinoid receptor agonista WIN csökkenti a kiváltott serkentő posztszinaptikus áramok amplitudóját. A „b” ábrán a CB1 receptort nem tartalmazó „knockout” egérben ugyanolyan hatása van a cannabinoid receptor agonistának, tehát a hatás hátterében nem a CB1, hanem egy ma még nem azonosított receptor áll.

A serkentő idegvégződéseken található, molekulárisan még nem azonosított receptorokon történt vizsgálatok közül különösen fontos terápiás jelentőséggel bírnak a farmakológiai kísérletek, amelyben feltérképeztük az egyes receptorokra szelektíven ható kémiai anyagokat (Hájos és Freund; 2002) ezzel elősegítve szelektív, csak az egyes receptortípusokon ható gyógyszerek kifejlesztését (9. ábra).

9. ábra. Az AM251 vegyület szelektív gátlószere a CB1 receptornak, de hatástalan az új cannabinoid receptorra. Az A ábrán látható, hogy a WIN kezelés hatására történő amplitudócsökkenést a serkentő posztszinaptikus áramok esetében nem képes gátolni az AM251. Ezzel ellentétben a B ábrán megfigyelhető, hogy a gátló posztszinaptikus áramok esetében az AM251 hatásos ellenszere a WIN cannabinoid receptor agonistának.

Ennek jelentőségére rámutat, hogy ezzel párhuzamosan viselkedésélettani kísérletekben kiderítettük, hogy a két receptortípus ellentétes előjellel játszik szerepet a szorongásban (Haller et al., 2002). Végül, de nem utolsósorban az endocannabinoid rendszer új molekuláris elemeinek vizsgálatában is részt vettünk egy nemzetközi kollaboráció keretei között, amelynek során sikerült felfedezni a 2-arachidonilglicerol endocannabinoid lebontó enzimét, a monoacilglicerol-lipázt (Dinh et al., 2002). A pályázat periódusban elért eredmények Az endocannabinoid rendszer morfológiai és funkcionális jellemzését újabb agyterületekre és újabb molekuláris építőelemekre terjesztettük ki, valamint fontos eredményeket értünk el az endocannabinoid rendszer elemeinek, mint potenciális gyógyszer-támadáspontoknak a pszichiátriai megbetegedésekben játszott szerepének tisztázásában. Kimutattuk, hogy a CB1 receptor előfordulása és aktiválásának következményei a GABA felszabadulására a gátló hatású idegvégződéseken a neocortexben, illetve posztnatális fejlődés során is a hippocampusban tapasztaltakhoz hasonlóan történik (Bodor et al., 2004; Morozov és Freund, 2003). Továbbá anatómiai módszerekkel felderítettük az endocannabinoidokat lebontó hidroláz és lipáz enzimek celluláris és szubcelluláris eloszlását számos előagyi területen (Gulyás et al., 2004). Az endocannabinoid szignalizáció élettani folyamatokban játszott szerepének és hatóidejének szempontjából további fontos felfedezés volt a 2-arachidonilglicerol hatásmechanizmusának feltárása a hippocampális szinaptikus transzmisszió szabályozásában, amely jelentősen módosítható az endocannabinoid

transzporterekkel. Ez az eredmény új terápiás célpontra világított rá, amely fontos targetje lehet pl. új támodáspontú szorongáscsökkentőknek. Ezen túlmenően gyógyászati szempontból különösen lényeges eredmény, hogy egy nemzetközi kollaboráció keretében felfedeztük, hogy a posztnatális fejlődés alatti epilepsziás lázgörcsök okozta tartós növekedést okoznak az endocannabinoid rendszer aktivitásában (Chen et al., 2003). Irodalom Calignano, A., Katona I., Desarnaud F., Giuffrida A., La Rana G., Mackie K., Freund T.F. and Piomelli D. (2000) Bidirectional control of airway responsiveness by endogenous cannabinoids. Nature, 408: 96-101. Hájos N., Katona I., Naiem S.S., Mackie K., Ledent C., Mody I. and Freund T.F. (2000) Cannabinoids inhibit hippocampal GABAergic transmission and network oscillations. Eur. J. Neurosci. 12: 3239-3249. Hájos N., Ledent C. and Freund T.F. (2001) Novel cannabinoid-sensitive receptor mediates inhibition of glutamatergic synaptic transmission in the hippocampus. Neuroscience, 106:1-4. Katona I., Sperlágh B., Sík A., Kőfalvi A., Vizi E.S. and Freund T.F. (1999) Presynaptically located CB1 cannabinoid receptors regulate GABA release from axon terminals of specific hippocampal interneurons. J.Neurosci., 19: 4544-4558. Katona I., Sperlágh B., Maglóczky Zs., Sántha E., Kőfalvi A., Czirjak S., Mackie K., Vizi E.S. and Freund T.F. (2000) GABAergic interneurons are the targets of cannabinoid actions in the human hippocampus. Neuroscience, 100: 797-804. Katona I., Rancz E. A., Acsády L., Ledent C., Mackie K., Hájos N. and Freund T.F. (2001) Distribution of CB1 cannabinoid receptors in the amygdala and their role in the control of GABAergic transmission. J. Neurosci., 21: 9506-9518. Vizi E. S., Katona I. and Freund T. F. (2001) Evidence for presynaptic cannabinoid CB1 receptormediated inhibition of noradrenalin release in the guinea pig lung. Eur. J. Pharmacol., 431: 237-244. Dinh T.P., Freund T.F. and Piomelli D. (2002) A role for monoglyceride lipase in 2arachidonoylglycerol inactivation. Chemistry and Physics of Lipids, 121: 149-158. Dinh T.P., Carpenter D., Leslie F.M., Freund T.F., Katona I., Sensi S.L., Kathuria S. and Piomelli D. (2002) Brain monoglyceride lipase participating in endocannabinoid inactivation. Proc. Natl. Acad. Sci. (USA), 99: 10819-10824. Haller J., Bakos N., Szirmay M., Ledent C. and Freund T.F. (2002) The effects of genetical and pharmacological blockade of the CB1 cannabinoid receptor on anxiety. Eur. J. Neurosci., 16: 1395-1398. Hájos N. and Freund T. F. (2002) Pharmacological separation of cannabinoid sensitive receptors on hippocampal inhibitory and excitatory fibres. Neuropharmacology, 43: 503-510. Hájos N. and Freund T. F. (2002) Distinct cannabinoid sensitive receptors regulate hippocampal excitation and inhibition. Chemistry and Physics of Lipids, 121: 73-82. 2003-ban megjelent közlemények Freund T.F. and Hájos N. (2003) Excitement reduces inhibition via endocannabinoids. Neuron, 38: 362-365. Chen K, Ratzliff A, Hilgenberg L, Gulyás A, Freund TF, Smith M, Dinh TP, Piomelli D, Mackie K, Soltesz I (2003) Long-term plasticity of endocannabinoid signaling induced by developmental febrile seizures. Neuron, 39, 599-611.

Freund T.F., Katona I. and Piomelli D. (2003) The role of endogenous cannabinoids in synaptic signaling. Physiol. Rev., 83: 1017-1066. Morozov Y.M. and Freund T.F. (2003) Postnatal development of CB1 cannabinoid receptor immunoreactivity in the rat hippocampus. Eur. J. Neurosci. 18:1213-1222. 2004-ben elfogadott, ill. benyújtott közlemények Gulyas AI, Cravatt BF, Bracey MH, Dinh TP, Piomelli D, Boscia F. and T.F. Freund (2004) Segregation of two endocannabinoid-hydrolyzing enzymes into pre- and postsynaptic compartments in the hippocampus, cerebellum and amygdala Eur. J. Neurosci. (elfogadva) Hájos N, Kathuria S, Dinh T, Piomelli D and Freund TF (2004) Endocannabinoid transport tightly controls 2-arachidonoyl glycerol actions in the hippocampus: effects of low temperature and the transport inhibitor AM404. Eur. J. Neurosci. (elfogadva) Bodor Á, Katona I., Mackie K, Hájos N. and Freund TF (2004) Peculiar layer and target speficity of endocannabinoid signaling in the somatosensory cortex (közlésre benyújtva).

DUDITS DÉNES*, PUSKÁS LÁSZLÓ*, HARRACH BALÁZS** *MTA Szegedi Biológiai Központ, **MTA Állatorvos-tudományi Kutatóintézet

Gyógyászati és diagnosztikai célú genomikai kutatások Az MTA Szegedi Biológiai Központ Funkcionális Genomika Laboratóriumában végzett kutatások eredménye A pályázat során több technikai megoldás kidolgozása mellett (DNS-chip fejlesztés, nyomtatási puffer optimalizálása, jelölési és hibridizálási stratégiák kidolgozása, oligonukleotid-alapú témachipek elkészítése) több olyan alapkutatási eredményt is sikerült elérnünk (áttétre és interferon érzékenységre jellemző génkifejeződések igazolásához kísérleti minták létrehozása, génexpressziós vizsgálatok), amely kiinduló pont lehet diagnosztikai DNS-chipek létrehozásához, elsősorban a melanóma klinikai minták jellemzésére. Módosítatlan oligonukleotidok nyomtatási stratégiáinak optimalizálása Sikerült előre megszintetizált módosítatlan és primer amino-csoportot tartalmazó oligonukleotidokat kémiailag aktivált tárgylemezhez rögzítenünk és olyan jelölési és hibridizálási körülményeket kialakítanunk, amelyek alkalmasak génexpressziós vizsgálatokra. A kikötés kulcslépése a szilárd hordozó és a nyomtatási puffer tesztelése és optimalizálása volt. Az általunk kidolgozott technikai megoldások így lehetővé teszik a gyors és egyedi próbatervezést, nem igényel DNS-klónokat és adott géntermék megfelelő régiójára tervezhető. Nagysűrűségű humán DNS-chip előállítása és tesztelése A pályázat egyik legfontosabb eredménye egy olyan oligonukleotid alapú humán DNS-chip elkészítése, amely több mint 18.000 génspecifikus mintát tartalmaz. Több tesztkísérlet után kiválasztottuk azt a fajta oligonukleotid könyvtárat, mely legerősebb jelet adta próbahibridizációk során. Sikerült megvásárolnunk közel 18.500 darab oligonukleotidot tartalmazó humán génspecifikus könyvtárat, mely 17.260 egyedi génre tervezett 60 nukleotid hosszúságú amino-módosított próbát tartalmaz. Az egyes oligonukleotidokat a pályázat során optimalizált pufferben oldottuk fel, majd 384-es lemezekbe mértük. A nyomtató puffert úgy optimalizáltuk, hogy megfelelően kis méretű pont keletkezzen (lehetővé váljon ez által a nagysűrűségű nyomtatás) és viszonylag nagy mintakoncentráció alakuljon ki a felületen. Így, nyomtató robot segítségével 3 grides nyomtatással sikerült olyan sűrűséget elérnünk, aminek során egyetlen mikroszkóplemezre nyomtattuk mind a 18.500 mintát.

A kapott DNS-chipeket melanómából nyert, majd fluoreszcensen jelzett, átírt RNS-sel hibridizáltuk és lézerszkenner segítségével leolvastuk. A leolvasott lemez egy részletét az 1. ábra szemlélteti. Ennek a humán DNS-chipnek a melanómák génexpressziós jellemzése mellett a további fő előnye, hogy alkalmas más humán projektekben is globális génexpressziós változások nyomonkövetésére, így további hazai és nemzetközi kutatási kooperációk kialakítására, újabb pályázatok technikai hátterének megteremtésére.

1. ábra. Oligonukleotid alapú humán DNS-chip egy részlete melanómából nyert mintával történő hibridizáció után

Jelamplifikációs mintajelölési eljárás optimalizálása génexpressziós vizsgálatokhoz Az eddigi lineáris mintasokszorozási eljárás helyett egy sokkal hatékonyabb jelölési stratégiát állítottunk be, mely jelsokszorozáson alapul, így nem torzítja a kiindulási RNS-ek mennyiségi arányát, és nem függ a mintasokszorozás egyedi eltéréseitől. A jelölés lényege, hogy két lépcsős hibridizálás során a chipre már bekötődött cDNS molekulákhoz egy 350-900 fluoreszcens festéket tartalmazó gömbszerű óriásmolekula kötődik, így egy hibridizációs eseményt 350-900 festékmolekula emissziója követ, ami az érzékenységet két nagyságrenddel megnöveli. A technika a GenisphereTM jelölési stratégiát követi egyedi módosításokkal. Ezzel a technikával már 1 g alatti teljes RNS is jelölhető, ami igen fontos kis biológiai vagy klinikai minták (pld. biopszia) esetén. A jelölési stratégiát a második ábra szemlélteti: Hibridizációs állomás használata nagysűrűségű DNS-chipek hibridizációjához Nemrégiben OM Műszerpályázat (OMFB-00619/2003) keretén belül beszerzésre került egy automata hibridizációs központ (Ventana), mely alkalmas DNS-chipek validált körülmények közötti gyors és hatékony hibridizációjára. Segítségével egyenletes próbaeloszlás érhető el a DNS-chipek felületén, ami pontosabb és reprodukálhatóbb kísérleteket tesz lehetővé. Jelen pályázat keretein belül sikerült a dendrimer-alapú jelamplifikációs jelölési stratégiát a hibridizációs állomáshoz igazítani (egy új hibridizációs puffer létrehozásával és a hibridizációs idők optimalizálásával). Melanóma-specifikus gének kiválasztása, tervezése és nyomtatása Melanóma áttétes irodalmi adatok alapján és az eddig ismert melanóma antigének figyelembevételével sikerült olyan oligonukleotid próbákat tervezni, melyek hosszúságban, olvadáspontban, GC-tartalomban egységesek és amelyek nem mutatnak kereszthomológiát más humán géntermékekkel. Ezeken a mintákon kívül az eddig ismert melanóma antigének figyelembevételével is terveztünk oligonukleotidokat. Az oligonukleotidokat megszintetizáltattuk és többszörös ismétléssel aktivált üveglemezre nyomtattuk. A válogatott klónok egy részének leírását lásd az 1. táblázatban. Ezeket az oligonukleotid-alapú kevesebb génspecifikus mintát tartalmazó chipeket a teljes humán könyvtárat tartalmazó DNS-chipek mellett olyan kísérletekben használhatók, melyek sok minta tesztelését igénylik. A specifikus ún. melanóma téma-chip fejlesztése folyamatos, vagyis a 18.000-es DNS-chipből kapott adott tulajdonságra jellemző marker szekvenciák folyamatosan beépíthetők. Az eddigi markerekből előállított próbákat szilárd hordozóhoz kötöttük, és igazoltuk a kezdeti melanóma-chip használhatóságát génexpressziós analízishez.

2. ábra. A jelamplifikációs stratégia összefoglaló ábrája

1. TÁBLÁZAT Melanóma-specifikus markerek melanóma-chip létrehozásához [áttét és általános melanóma markerek] SELECTED MARKERS melanoma adhesion molecule absent in melanoma 1-like absent in melanoma 2 B melanoma antigen chemokine (C-X-C motif) ligand 1 CD63 antigen (melanoma 1 antigen) (CD63) Melanoma associated gene (D2S448), mRNA. melanoma antigen melanoma antigen, family A, 10 melanoma antigen, family A, 11 melanoma antigen, family A, 2, copy b melanoma antigen, family A, 8 melanoma antigen, family A, 9 melanoma antigen, family B, 1 melanoma antigen, family B, 2 melanoma antigen, family B, 3 melanoma antigen, family B, 4 melanoma antigen, family C, 1 melanoma antigen, family D, 1 melanoma antigen, family D, 2 melanoma antigen, family E, 1 melanoma differentiation associated protein-5 melanoma inhibitory activity melanoma inhibitory activity protein 2 melanoma-associated antigen p97, isoform 1, precursor melanoma-associated. chondroitin sulfate proteoglycan 4 melanoma leucine zipper, extra-nuclear factor preferentially expressed antigen in melanoma similar to Absent in melanoma 1 protein similar to absent in melanoma 2 Similar to melanoma antigen, family B, 4 Similar to melanoma chondroitin sulfate proteoglycan 4 suppression of tumorigenicity 16

SELECTED MARKERS

pirin hydroxyacyl-CoA dehydrogenase/3ketoacyl-CoA endothelin receptor type B, isoform 1 retinoid X receptor, alpha integrin beta 1 isoform 1A precursor syndecan 4 (amphiglycan, ryudocan) tropomyosin 1 (alpha) AXL receptor tyrosine kinase isoform 1 EphA2 growth associated protein 43 phosphofructokinase, liver alpha-synuclein isoform NACP140 RAB2, member RAS oncogene family wingless-type MMTV integration site family, subtype 5A VCL isoform meta-VCL Integrin alpha-1 (Laminin/collagen receptor) (CD49a) interleukin 2 interleukin 8 interferon, gamma interferon (alpha, beta and omega) receptor 1 28kD interferon responsive protein ATP-dependant interferon response protein 1 interferon induced 6-16 protein isoform c interferon regulatory factor 5 isoform a similar to interferon inducible protein 1

Diagnosztikai DNS chip előzetes tesztelése és klinikai minták gyűjtése

Melanóma és humán DNS-chipek, melyek a pályázat keretein belül készültek el A pályázat keretein belül összesen három olyan DNS-chipet hoztunk létre, amelyek alkalmasak melanómák génexpressziós monitorozására: 1. Egy olyan általános humán chip, mely 18.000 oligonukleotid mintát tartalmaz. 2. Az előző pályázatból nyert adatok alapján a 3200 génspecifikus mintát tartalmazó cDNS-alapú chip eredményeit figyelembevéve egy válogatott cDNS-alapú melanóma chipet, melyet főként metasztázis vizsgálatokban kívánunk felhasználni. 3. Új oligonukleotid alapú DNS-chip, melyen irodalomban már leírt melanómaspecifikus és interferonnal kapcsolatos gének mintái találhatóak (részletes mintákat lásd előző munkaszakasz beszámolója). Ez a témachip jelenleg 73 különböző génaktivitás monitorozására képes (kontroll génekkel együtt), de a technológia, melyet a laboratóriumunkban fejlesztettünk ki alkalmas tetszőleges számú, előre megszintetizált oligonukleotid felkötésére. Sikerült több olyan klinikai mintát beszereznünk, melyekből RNS-t tisztítottunk. Ezek a minták alkalmasak lesznek az általunk kidolgozott melanóma-specifikus mintákat tartalmazó DNS-chipek jellemzésére. Áttétképződéssel kapcsolatos gének azonosítása egérmodell és humán DNS-chip segítségével Olyan kísérleti rendszer felállítását valósítottunk meg, amely melanoma áttétképződés molekuláris hátterének felderítését teszi lehetővé. Az Országos Onkológiai Intézetben kidolgozott modell során újszülött és felnőtt SCID egerekbe injektált humán melanóma sejtvonalak megtapadnak és primer daganatot hoznak létre. A felnőtt állatban nem, azonban az újszülött állatban áttétképződés figyelhető meg. Így ugyanannak a melanóma vonalnak (azonos genetikai háttér) a környezeti szövetek (és immunrendszer) hatására eltérő génexpressziós változások a különböző korú állatokban eltérő fenotípust eredményeznek. Az állatban található daganatokat az in vitro sejttenyészetekkel is összehasonlítjuk, hogy meghatározzuk azokat a géneket, amelyek in vitro és in vivo eltérő kifejeződést mutatnak. Ez a modell a pályázatban elkészített 18.000-es humán oligochippel alkalmas az áttétképződéssel kapcsolatos génexpresszióváltozások nyomonkövetésére. Három különböző sejtvonal globális génkifejeződési térképét határoztuk meg négy különböző állapotban: 1) sejtkultúra, 2) felnőtt primer daganat, 3) újszülött primer daganat és 4) újszülött áttét. A következő három különböző génexpressziós arányt határoztuk meg: A) felnőtt primer daganat vs. sejtkultúra, B) újszülött primer daganat vs. felnőtt primer daganat, C) újszülött primer daganat vs. újszülött áttét.

Az összesített eredmények a 2-4. táblázat mutatja. Látható, hogy több olyan új génmarkert sikerült azonosítanunk, mely a sejtadhézióval kapcsolatos, és amelyek eddig még nem hoztak összefüggésbe melanóma áttétekkel. Az eredmények visszaigazolása és további bioinformatikai elemzését folyamatosan végezzük. Interferonérzékenységgel kapcsolatos gének azonosítása humán DNS-chip segítségével Laboratóriumi körülmények között egy melanóma sejtvonalból az Országos Onkológia Intézet létrehozott két szelektált vonalat. Az egyik érzékeny, a másik rezisztens interferon kezelésre. Mindkét vonalat 1.000 és 10.000 egység interferonnal kezelve RNS-t preparáltunk és a jelen pályázatban létrehozott 18.000-es humán oligonukleotid DNS-chip segítségével meghatároztuk a génexpresszió változásokat. Mindegyik mintát háromszor ismételünk meg és három összehasonlítást hajtunk végre: I) érzékeny sejt vs. rezisztens sejt kezelés nélkül, II) érzékeny sejt vs. rezisztens sejt 1000 egység interferonnal kezelve, III) érzékeny sejt vs. rezisztens sejt 1000 egység interferonnal kezelve. A kísérletekből kapott eredmények értékelése folyamatban van. Tervezzük ugyanezen minták génexpressziós vizsgálatát az általunk kifejlesztett témachipeken is elvégezni.

2. TÁBLÁZAT

Felnőtt primer/sejtkultúra REPRESSED Atlag-F/K Szoras-F/K GenBank_accession Description Gene_ontology -3,04 0,84 AB040917 Homo sapiens mRNA for KIAA1484 protein, partial cds. cell adhesion [0007155] -2,67 0,90 NM_016079 Homo sapiens CGI-149 protein (LOC51652), mRNA. protein modification [0006464] -2,53 0,42 S83198 BPLP=basic proline-rich protein [human, lacrimal gland, mRNA, 947 nt]. biological_process unknown [0000004] -2,19 0,07 BE730585 601561176F1 NIH_MGC_20 Homo sapiens cDNA clone IMAGE:3830827 neurogenesis 5', mRNA[0007399] sequence. -2,15 0,38 AK001560 Homo sapiens cDNA FLJ10698 fis, clone NT2RP3000531, weakly similar virulence to POLIOVIRUS [0009406] RECEPTOR PRECURSOR. -2,12 0,79 AL833005 Homo sapiens mRNA; cDNA DKFZp666D074 (from clone DKFZp666D074). electron transport [0006118] -2,08 0,12 NM_003968 Homo sapiens ubiquitin-activating enzyme E1C (UBA3 homolog, yeast) ubiquitin (UBE1C), cycle mRNA. [0006512] -2,04 0,25 NM_004444 Homo sapiens EphB4 (EPHB4), mRNA. signal transduction [0007165] -2,03 0,18 X99660 H.sapiens SH3GLP2 pseudogene, 5' end. signal transduction [0007165] -2,01 0,69 NM_014223 Homo sapiens nuclear transcription factor Y, gamma (NFYC), mRNA.regulation of cell cycle [0000074] -1,96 0,59 NM_014670 Homo sapiens basic leucine zipper and W2 domains 1 (BZW1), mRNA. amino acid metabolism [0006520] -1,93 0,44 D28384 Human mRNA for histone H3.3, 5'UTR (sequence from the 5'cap to the biological_process start codon). unknown [0000004] -1,92 0,12 NM_018643 Homo sapiens triggering receptor expressed on myeloid cells 1 (TREM1), humoral mRNA. immune response [0006959] -1,90 0,52 NM_012111 Homo sapiens chromosome 14 open reading frame 3 (C14orf3), mRNA. protein folding [0006457] -1,89 0,72 Z15114 H.sapiens mRNA for protein kinase C gamma (partial). protein amino acid phosphorylation [0006468] -1,88 0,47 AK027102 Homo sapiens cDNA: FLJ23449 fis, clone HSI05859. apoptosis [0006915] -1,85 0,26 M12078 Human cytochrome P-450 4 mRNA, partial cds. electron transport [0006118] -1,81 0,66 BF032535 601453382F1 NIH_MGC_66 Homo sapiens cDNA clone IMAGE:3856868 development 5', mRNA[0007275] sequence. -1,80 0,58 NM_005155 Homo sapiens palmitoyl-protein thioesterase 2 (PPT2), transcript variant locomotory 1, mRNA. behavior [0007626] -1,74 0,43 NM_012405 Homo sapiens isoprenylcysteine carboxyl methyltransferase (ICMT), mRNA. protein modification [0006464] -1,70 0,44 NM_016113 Homo sapiens transient receptor potential cation channel, subfamily V, sensory member perception 2 (TRPV2), [0007600] mRNA. -1,69 0,12 AF044578 Homo sapiens putative DNA polymerase mRNA, partial cds. DNA replication [0006260] -1,66 0,17 NM_007240 Homo sapiens dual specificity phosphatase 12 (DUSP12), mRNA. protein amino acid dephosphorylation [0006470] -1,60 0,14 NM_004093 Homo sapiens ephrin-B2 (EFNB2), mRNA. development [0007275] -1,60 0,45 X01394 Human mRNA for tumor necrosis factor. inflammatory response [0006954] -1,56 0,59 AL137264 Homo sapiens mRNA; cDNA DKFZp434L1713 (from clone DKFZp434L1713); sensory organ partialdevelopment cds. [0007423] -1,54 0,22 D17289 Human HepG2 3' region MboI cDNA, clone hmd6h07m3. protein biosynthesis [0006412] -1,52 0,14 AK026237 Homo sapiens cDNA: FLJ22584 fis, clone HSI02661. peroxidase reaction [0006804] -1,51 0,02 NM_001756 Homo sapiens serine (or cysteine) proteinase inhibitor, clade A (alpha-1 acute-phase antiproteinase, response antitrypsin), [0006953] member 6 (SERPINA6), mRNA.

OVEREXRESSED 1,51 1,53 1,55 1,55 1,58 1,61 1,61 1,64 1,65 1,71 1,73 1,74 1,76 1,77 1,78 1,79 1,81 1,82 1,83 1,87 1,97 1,97 1,98 2,02 2,02 2,03 2,03 2,27 2,28 2,29 2,3 2,33 2,41 2,43 2,45 2,48 2,54 2,73 2,75

0,43 0,5 0 0,38 0,21 0,06 0,37 0,48 0,03 0,58 0,47 0,04 0,47 0,47 0,72 0,67 0,71 0,27 0,03 0,15 0,48 0,58 0,76 0,81 0,73 0,33 0,41 0,46 0,47 0,17 0,18 0,12 0,56 0,11 0,52 0,16 0,08 0,02 0,6

AF085963 Homo sapiens full length insert cDNA clone YS05E02. biological_process unknown [0000004] NM_001007 Homo sapiens ribosomal protein S4, X-linked (RPS4X), mRNA. protein biosynthesis [0006412] NM_016002 Homo sapiens CGI-49 protein (LOC51097), mRNA. lysine metabolism [0006553] AF070587 Homo sapiens clone 24741 mRNA sequence. DNA repair [0006281] AK021627 Homo sapiens cDNA FLJ11565 fis, clone HEMBA1003229. cell cycle [0007049] NM_014852 Homo sapiens KIAA0682 gene product (KIAA0682), mRNA. RNA processing [0006396] NM_002981 Homo sapiens chemokine (C-C motif) ligand 1 (CCL1), mRNA. inflammatory response [0006954] BF541372 602069377F1 NIH_MGC_58 Homo sapiens cDNA clone IMAGE:4068210 regulation 5', mRNA of translational sequence. initiation [0006446] NM_005535 Homo sapiens interleukin 12 receptor, beta 1 (IL12RB1), mRNA. antimicrobial humoral response (sensu Invertebrata) [0006960] NM_018242 Homo sapiens hypothetical protein FLJ10847 (FLJ10847), mRNA. cell cycle [0007049] NM_006936 Homo sapiens SMT3 suppressor of mif two 3 homolog 1 (yeast) (SMT3H1), proteinmRNA. sumoylation [0016925] AB027011 Homo sapiens mRNA for RNA-binding protein PIPPin, complete cds. intracellular signaling cascade [0007242] NM_006097 Homo sapiens myosin regulatory light chain 2, smooth muscle isoformactivation (MYRL2),ofmRNA. JUN kinase [0007257] AB028976 Homo sapiens mRNA for KIAA1053 protein, partial cds. signal transduction [0007165] M62403 Human insulin-like growth factor binding protein 4 (IGFBP4) mRNA, complete signal transduction cds. [0007165] AF086384 Homo sapiens full length insert cDNA clone ZD70H02. biological_process unknown [0000004] X03689 Human mRNA fragment for elongation factor TU (N-terminus). translational elongation [0006414] X62468 H.sapiens mRNA for IFN-gamma (pKC-0). immune response [0006955] AF000672 Homo sapiens ELK variant mRNA, complete cds. regulation of transcription, DNA-dependent [0006355] NM_014619 Homo sapiens glutamate receptor, ionotropic, kainate 4 (GRIK4), mRNA. glutamate signaling pathway [0007215] AK021571 Homo sapiens cDNA FLJ11509 fis, clone HEMBA1002166. protein biosynthesis [0006412] AK023214 Homo sapiens cDNA FLJ13152 fis, clone NT2RP3003385, highly similar nucleotide-excision to Mus musculusrepair SKD3[0006289] mRNA. NM_014500 Homo sapiens HIV TAT specific factor 1 (HTATSF1), mRNA. regulation of transcription from Pol II promoter [0006357] NM_001614 Homo sapiens actin, gamma 1 (ACTG1), mRNA. cytoskeleton organization and biogenesis [0007010] NM_020466 Homo sapiens hypothetical protein dJ122O8.2 (DJ122O8.2), mRNA. cell cycle [0007049] NM_014862 Homo sapiens aryl-hydrocarbon receptor nuclear translocator 2 (ARNT2), regulation mRNA. of transcription, DNA-dependent [0006355] AK024887 Homo sapiens cDNA: FLJ21234 fis, clone COL00841. cell growth and/or maintenance [0008151] NM_014675 Homo sapiens KIAA0445 gene product (KIAA0445), mRNA. development [0007275] NM_000968 Homo sapiens ribosomal protein L4 (RPL4), mRNA. protein biosynthesis [0006412] AK001296 Homo sapiens cDNA FLJ10434 fis, clone NT2RP1000481. cytoskeleton organization and biogenesis [0007010] M33197 Human glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) mRNA, glycolysis complete[0006096] cds NM_000180 Homo sapiens guanylate cyclase 2D, membrane (retina-specific) (GUCY2D), protein amino mRNA. acid phosphorylation [0006468] AF190122 Homo sapiens putative superoxide-generating NADPH oxidase Mox2 electron mRNA, complete transport cds. [0006118] AK026309 Homo sapiens cDNA: FLJ22656 fis, clone HSI07655. biological_process unknown [0000004] AB002366 Human mRNA for KIAA0368 gene, partial cds. regulation of protein biosynthesis [0006417] AF056439 Homo sapiens clone HEA5 Cri-du-chat critical region mRNA. biological_process unknown [0000004] AK023151 Homo sapiens cDNA FLJ13089 fis, clone NT2RP3002108, weakly similar cytoskeleton to DEC1 organization PROTEIN. and biogenesis [0007010] AL133598 Homo sapiens mRNA; cDNA DKFZp434H052 (from clone DKFZp434H052); snRNP complete recycling cds. [0000244] NM_016437 Homo sapiens tubulin, gamma 2 (TUBG2), mRNA. microtubule cytoskeleton organization and biogenesis [0000226]

3. TÁBLÁZAT

Újszülött primer/Felnőtt primer REPRESSED

Atlag-Z/F Szoras-Z/F GenBank_accession Description Gene_ontology -1,9 0,15 NM_001025 Homo sapiens ribosomal protein S23 (RPS23), mRNA. protein biosynthesis [0006412] -1,8 0,55 Z83805 H.sapiens mRNA for axonemal dynein heavy chain (partial, ID hdhc8).cell motility [0006928] -1,8 0,14 NM_000052 Homo sapiens ATPase, Cu++ transporting, alpha polypeptide (Menkescopper syndrome) ion transport (ATP7A), [0006825] mRNA. -1,5 0,05 AF151889 Homo sapiens CGI-131 protein mRNA, complete cds. response to oxidative stress [0006979] -1,3 0,26 NM_018219 Homo sapiens hypothetical protein FLJ10786 (FLJ10786), mRNA. biological_process unknown [0000004] -1,2 0,13 NM_014364 Homo sapiens glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, testis-specific glycolysis (GAPDS), [0006096] mRNA. -1,2 0,25 X15183 Human mRNA for 90-kDa heat-shock protein. response to heat [0009408] -1,2 0,01 NM_014520 Homo sapiens MYB binding protein (P160) 1a (MYBBP1A), mRNA. transport [0006810] -1,2 0,12 AK021416 Homo sapiens cDNA FLJ11354 fis, clone HEMBA1000129, weakly similar RNA to processing HYPOTHETICAL [0006396]HELICASE C8A4.08C IN CHROMOSOM -1,1 0,17 BE254485 601111580F1 NIH_MGC_16 Homo sapiens cDNA clone IMAGE:3352554 development 5', mRNA[0007275] sequence. -1,1 0,46 NM_003992 Homo sapiens CDC-like kinase 3 (CLK3), transcript variant phclk3, mRNA. blastoderm segmentation [0007350] -1,1 0,01 NM_005031 Homo sapiens FXYD domain containing ion transport regulator 1 (phospholemman) chloride transport (FXYD1), [0006821] transcript variant a, mRNA. -1 0,13 AY009399 Homo sapiens WNT5b precursor (WNT5b) mRNA, complete cds. embryogenesis and morphogenesis [0007345] -1 0,06 M76676 Homo sapiens leukocyte platelet-activating factor receptor mRNA, complete cell motility cds. [0006928] -1 0,1 AF228704 Homo sapiens mitochondrial glutathione reductase (GRD1) mRNA, complete responsecds; to pest/pathogen/parasite nuclear gene for mitochondrial [0009613] product. -1 0,42 AK021838 Homo sapiens cDNA FLJ11776 fis, clone HEMBA1005894. regulation of transcription, DNA-dependent [0006355] -1 0,14 AF029325 Homo sapiens laminin beta-4 chain precursor (LAMB4) mRNA, alternatively cell adhesion spliced[0007155] short variant, partial cds. -1 0,16 NM_000124 Homo sapiens excision repair cross-complementing rodent repair deficiency, regulation complementation of transcription,group DNA-dependent 6 (ERCC6),[0006355] mRNA. -1 0,28 NM_000387 Homo sapiens solute carrier family 25 (carnitine/acylcarnitine translocase), mitochondrial member transport 20 (SLC25A20), [0006839] mitochondrial protein encoded by n -0,9 0,16 NM_003446 Homo sapiens zinc finger protein 157 (HZF22) (ZNF157), mRNA. negative regulation of transcription from Pol II promoter [0000122]

OVEREXRESSED 1,01 1,02 1,07 1,09 1,09 1,16 1,17 1,18 1,18 1,26 1,32 1,33 1,4 1,42 1,42 1,47

0,2 AF286370 Homo sapiens eppin-3 (EPPIN) mRNA, complete cds, alternatively spliced. potassium transport [0006813] 0,14 NM_004877 Homo sapiens glia maturation factor, gamma (GMFG), mRNA. protein amino acid phosphorylation [0006468] 0,2 NM_001091 Homo sapiens amiloride binding protein 1 (amine oxidase (copper-containing)) metabolism (ABP1), [0008152] mRNA. 0,11 NM_004725 Homo sapiens BUB3 budding uninhibited by benzimidazoles 3 homolog mitosis (yeast) [0007067] (BUB3), mRNA. 0,02 NM_015916 Homo sapiens hypothetical protein LOC51063 (LOC51063), mRNA. metabolism [0008152] 0,12 NM_006876 Homo sapiens UDP-GlcNAc:betaGal beta-1,3-N-acetylglucosaminyltransferase oligosaccharide 6 (B3GNT6), metabolism mRNA. [0009311] 0,06 AK023708 Homo sapiens cDNA FLJ13646 fis, clone PLACE1011325. amino acid metabolism [0006520] 0,05 AK021826 Homo sapiens cDNA FLJ11764 fis, clone HEMBA1005685. biological_process unknown [0000004] 0,21 NM_012102 Homo sapiens arginine-glutamic acid dipeptide (RE) repeats (RERE), NLS-bearing mRNA. substrate-nucleus import [0006607] 0,02 NM_001733 Homo sapiens complement component 1, r subcomponent (C1R), mRNA. proteolysis and peptidolysis [0006508] 0,43 AK026043 Homo sapiens cDNA: FLJ22390 fis, clone HRC07810. electron transport [0006118] 0,27 NM_005629 Homo sapiens solute carrier family 6 (neurotransmitter transporter, creatine), neurotransmitter member 8uptake (SLC6A8), [0001504] mRNA. 0,13 NM_001023 Homo sapiens ribosomal protein S20 (RPS20), mRNA. protein biosynthesis [0006412] 0,26 NM_006416 Homo sapiens solute carrier family 35 (CMP-sialic acid transporter), member carbohydrate 1 (SLC35A1), metabolism mRNA. [0005975] 0,34 NM_014223 Homo sapiens nuclear transcription factor Y, gamma (NFYC), mRNA.regulation of cell cycle [0000074] 0,17 NM_003334 Homo sapiens ubiquitin-activating enzyme E1 (A1S9T and BN75 temperature DNA replication sensitivity [0006260] complementing) (UBE1), transcript variant 1, mR

4. TÁBLÁZAT

Újszülött áttét/Újszülött primer REPRESSED Atlag-P/Z Szoras-P/Z GenBank_accession Description Gene_ontology -2,9 0,73 L77564 Homo sapiens DGS-G mRNA, 3' end. cell cycle [0007049] -2,8 0,54 AK022712 Homo sapiens cDNA FLJ12650 fis, clone NT2RM4002054. cell growth and/or maintenance [0008151] -2,4 0,25 NM_015594 Homo sapiens DKFZP434O047 protein (DKFZP434O047), mRNA. protein deubiquitination [0016579] -2,1 0,56 AB002366 Human mRNA for KIAA0368 gene, partial cds. regulation of protein biosynthesis [0006417] -2,1 0,54 NM_014646 Homo sapiens lipin 2 (LPIN2), mRNA. development [0007275] -2,1 0,23 NM_005182 Homo sapiens carbonic anhydrase VII (CA7), mRNA. one-carbon compound metabolism [0006730] -1,9 0,23 NM_016170 Homo sapiens NCX protein (NCX), mRNA. regulation of transcription, DNA-dependent [0006355] -1,9 0,12 AL137366 Homo sapiens mRNA; cDNA DKFZp434F1626 (from clone DKFZp434F1626). biological_process unknown [0000004] -1,8 0,81 D42055 Human mRNA for KIAA0093 gene, partial cds. ubiquitin cycle [0006512] -1,8 0,8 AF172929 Homo sapiens transmembrane adapter protein KAP10 (KAP10) mRNA, protein complete complex cds.assembly [0006461] -1,8 0,1 AB039903 Homo sapiens ifp1 mRNA for interferon-responsive finger protein 1 long pathogenesis form, complete [0009405] cds. -1,7 0,25 NM_000938 Homo sapiens polymerase (RNA) II (DNA directed) polypeptide B, 140kDa transcription (POLR2B), frommRNA. Pol II promoter [0006366] -1,7 0,52 NM_004544 Homo sapiens NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 alpha subcomplex, energy 10, 42kDa pathways (NDUFA10), [0006091]mRNA. -1,7 0,63 NM_014406 Homo sapiens potassium large conductance calcium-activated channel, small subfamily molecule M,transport beta member [0006832] 3-like (KCNMB3L), mRNA. -1,5 0,04 NM_018444 Homo sapiens pyruvate dehydrogenase phosphatase (PDP), mRNA. protein amino acid dephosphorylation [0006470] -1,5 0,14 NM_015991 Homo sapiens complement component 1, q subcomponent, alpha polypeptide complement (C1QA), activation, mRNA. classical pathway [0006958] -1,5 0,2 AK022425 Homo sapiens cDNA FLJ12363 fis, clone MAMMA1002380. mitochondrion organization and biogenesis [0007005] -1,5 0,26 NM_000412 Homo sapiens histidine-rich glycoprotein (HRG), mRNA. development [0007275] -1,5 0,35 NM_013334 Homo sapiens GDP-mannose pyrophosphorylase B (GMPPB), transcript carbohydrate variant 1, mRNA. metabolism [0005975] -1,5 0,32 NM_000305 Homo sapiens paraoxonase 2 (PON2), mRNA. DNA transposition [0006313] -1,4 0,07 AB031547 Homo sapiens mRNA for retina specific protein PAL, complete cds. cell adhesion [0007155] -1,4 0,08 NM_000975 Homo sapiens ribosomal protein L11 (RPL11), mRNA. protein biosynthesis [0006412] -1,3 0,33 NM_002785 Homo sapiens pregnancy specific beta-1-glycoprotein 11 (PSG11), mRNA. pregnancy [0007565] -1,3 0,55 NM_001964 Homo sapiens early growth response 1 (EGR1), mRNA. regulation of transcription, DNA-dependent [0006355] -1,3 0,24 NM_018337 Homo sapiens endothelial zinc finger protein 2 (EZF-2), mRNA. regulation of transcription, DNA-dependent [0006355] -1,2 0,27 AL117606 Homo sapiens mRNA; cDNA DKFZp564N2163 (from clone DKFZp564N2163). transcription [0006350] -1,2 0,19 NM_001955 Homo sapiens endothelin 1 (EDN1), mRNA. signal transduction [0007165] -1,2 0,39 NM_012255 Homo sapiens 5'-3' exoribonuclease 2 (XRN2), mRNA. rRNA processing [0006364] -1,1 0,42 AK023052 Homo sapiens cDNA FLJ12990 fis, clone NT2RP3000092. cell cycle [0007049] -1,1 0,36 NM_002172 Homo sapiens interferon, alpha 14 (IFNA14), mRNA. cell-cell signaling [0007267] -1,1 0,33 NM_004203 Homo sapiens membrane-associated tyrosine- and threonine-specificregulation cdc2-inhibitory of CDK kinase activity (PKMYT1), [0000079]mRNA. -1,1 0,12 NM_014770 Homo sapiens centaurin, gamma 1 (CENTG1), mRNA. cell growth and/or maintenance [0008151] -1,1 0,42 NM_012114 Homo sapiens caspase 14, apoptosis-related cysteine protease (CASP14), epidermal mRNA. differentiation [0008544] -1,1 0,11 Z36789 H.sapiens (xs138) mRNA, 250bp. blood coagulation [0007596] -1 0,34 AK000184 Homo sapiens cDNA FLJ20177 fis, clone COL09966, highly similar toneurogenesis Y08136 H. [0007399]

OVEREXRESSED 1,01 1,01 1,04 1,05 1,06 1,1 1,12 1,13 1,14 1,15 1,16 1,21 1,21 1,23 1,24 1,26 1,3 1,37 1,38 1,49 1,52 1,97

0,38 0,29 0,3 0,37 0,2 0,3 0,04 0,41 0,21 0,24 0,47 0,08 0,08 0,01 0,3 0,2 0,28 0,18 0,07 0,4 0,3 0,09

Z70769 H.sapiens mRNA for coupling protein G(s) alpha subunit. biological_process unknown [0000004] NM_001814 Homo sapiens cathepsin C (CTSC), transcript variant 1, mRNA. proteolysis and peptidolysis [0006508] AK023008 Homo sapiens cDNA FLJ12946 fis, clone NT2RP2005254. DNA packaging [0006323] NM_001395 Homo sapiens dual specificity phosphatase 9 (DUSP9), mRNA. protein amino acid dephosphorylation [0006470] NM_002033 Homo sapiens fucosyltransferase 4 (alpha (1,3) fucosyltransferase, myeloid-specific) carbohydrate metabolism (FUT4), mRNA. [0005975] NM_000982 Homo sapiens ribosomal protein L21 (RPL21), mRNA. ribosome biogenesis [0007046] AK027232 Homo sapiens cDNA: FLJ23579 fis, clone LNG13017. regulation of transcription from Pol II promoter [0006357] AF128543 Homo sapiens DNA polymerase epsilon catalytic subunit (POLE1) gene, biological_process 5' UTR. unknown [0000004] NM_002434 Homo sapiens N-methylpurine-DNA glycosylase (MPG), mRNA. DNA dealkylation [0006307] AL110138 Homo sapiens mRNA; cDNA DKFZp564H1363 (from clone DKFZp564H1363). biological_process unknown [0000004] AB032977 Homo sapiens mRNA for KIAA1151 protein, partial cds. cytoskeleton organization and biogenesis [0007010] NM_001338 Homo sapiens coxsackie virus and adenovirus receptor (CXADR), mRNA. cell adhesion [0007155] AK022353 Homo sapiens cDNA FLJ12291 fis, clone MAMMA1001806. protein biosynthesis [0006412] AL355698 Homo sapiens EST from clone 179729, 5' end. regulation of transcription, DNA-dependent [0006355] NM_003321 Homo sapiens Tu translation elongation factor, mitochondrial (TUFM),translational mRNA. elongation [0006414] NM_020156 Homo sapiens core1 UDP-galactose:N-acetylgalactosamine-alpha-R beta development 1,3-galactosyltransferase [0007275] (C1GALT1), mRNA. AB028943 Homo sapiens mRNA for KIAA1020 protein, partial cds. regulation of transcription, DNA-dependent [0006355] NM_002583 Homo sapiens PRKC, apoptosis, WT1, regulator (PAWR), mRNA. apoptosis [0006915] D85131 Homo sapiens mRNA for Myc-associated zinc-finger protein of humanregulation islet, complete of transcription, cds. DNA-dependent [0006355] AK026273 Homo sapiens cDNA: FLJ22620 fis, clone HSI05629. protein biosynthesis [0006412] NM_002824 Homo sapiens parathymosin (PTMS), mRNA. regulation of cell cycle [0000074] NM_003769 Homo sapiens splicing factor, arginine/serine-rich 9 (SFRS9), mRNA. mRNA splice site selection [0006376]

Az MTA Állatorvos-tudományi Kutatóintézetével, mint alvállalkozó intézményben végzett kutatások eredménye Vírusgenomikai kutatások humán és állat-megbetegedések megelőzését szolgáló új típusú eljárások megteremtésére immunizálási, diagnosztikai és gyógyászati területeken.

Humán adenovírus genom-szekvenciák összehasonlító vizsgálata és újraértelmezése Előzmény: Az emberi génterápiás célra legígéretesebbnek tartott humán adenovírusok genomszintű megértését és hatékony felhasználását tetemesen akadályozza az eddig összegyűlt szekvenálási adatok helytelen bioinformatikai értelmezése és a szekvenálási hibákkal terhelt génbanki adatok. Célkitűzés: Az összes eddig szekvenált humán és állati adenovírus genomjának összehasonlító elemzésével azonosítjuk a vírusnemzetségenkénti törvényszerűségeket, ezek alapján kijavítjuk a hibákat, újraértelmezzük a korábbi adatokat. Eredmények: Ellenőriztük és újraértelmeztük az amerikai GenBank (National Center for Biotechnology Information) minden teljes adenovírus genomját. A projekt ideje alatt újabb genomok benyújtása is történt, azokkal is elvégeztük az elemzéseket. A részletes és összehasonlító jellegű vizsálatokkal azonosítottuk a vírusnemzetségenkénti törvényszerűségeket, és részben ezen felismerések alapján is kijavítottuk a hibákat, majd szinte mindegyik genomot újra benyújtottuk ún. harmadik fél által újraértelmezett szekvenciaként („third party annotation”, a GenBank új lehetősége). Első lépésben 23 adenovírus genomot javítottunk ki, ebből 6 humán adenovírus, a többi állati eredetű. Később még két humán és egy szarvasmarha-adenovírus genomot nyújtottunk be újraértelmezve. Három új csimpánz-adenovírus genomban csak kisebb hibákat találtunk, tehát teljes újrabenyújtásra nem volt szükség. Segítettünk a GenBank Referencia Szekvenciák adatbázisa Adenovírus Szekvenciák részlegének összeállításában (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/ VIRUSES/10508.html) és folyamatosan támogatjuk azt tanácsainkkal. (Itt nemzetközi szakértőként is feltüntettek.) (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/VIRUSES/viradvisors.html). Az adenovírusok összehasonlító genomértelmezését és törzsfejlődését szemlecikkben foglaltuk össze egy vezető nemzetközi virológiai lapban, valamint nemzetközi kongresszusokon ismertettük. A nyert eredmények segítették a későbbiekben felsorolt egyéb adenovírusos munkáinkat is. Majom-adenovírusok genom-szekvenálása Előzmény: Vannak, akik veszélyesnek vagy nehéznek tartják a humán adenovírusok génszállító vektorként való felhasználását ember-gyógyászati célokra. Részben ezért is fogtunk hozzá az óvilági majmokból izolált

adenovírusok tanulmányozásához. Különbözőségeik megállapítását és vektorként való felhasználhatóságukat csak teljes genom-szekvenálással látjuk biztosíthatónak. Célkitűzés: Pontosan meghatározni, hogy a majom adenovírusok milyen távol állnak az 51 ismert humán adenovírustól, kiválasztott genom-szakaszokat vizsgálva minél több óvilági majomból izolált adenovírusból, és elvégezve pontos távolsági analízisüket. Másrész teljes hosszában megszekvenálunk 1–3 óvilági majom-adenovírus genomot, hogy megismerjük genom-elrendeződését. Az idegen gének beültetésére alkalmas E3 nevű genom-szakasz bázis-sorrendjét pedig lehetőleg minél több majom-adenovírusban meghatározzuk. Eredmények: Egy elővizsgálat során PCR-rel felerősítettük számos óvilági majom-adenovírus hexon-génjének egy rövid szakaszát és kiszámítottuk hozzávetőleges törzsfejlődési távolságukat. A kapott előzetes adatok alapján választottuk ki a további vizsgálatokra különösen érdekesnek tünő három vírust. Ultrahanggal daraboltuk ezek genomját, majd az elkülönített kb. 1–3 kbp hosszúságú genom-szakaszokat véletlenszerűen klónoztuk és szekvenáltuk. A genomot az átfedő DNS-szekvenciákból számítógépes programmal raktuk össze. A 3-as szerotípusú majom-adenovírus teljes genomját sikerült összeállítani és kétségek nélkül értelmezni (3. ábra). Az egyes gének filogenetikai vizsgálata szerint ez ősibb, mint az emberi adenovírusok, ahogy logikailag vártuk is. Ugyanakkor a genom-szerveződése gyakorlatilag megegyezik a 12-es szerotípusú human adenovírus genom-szerveződésével. Mindezek alapján genetikai módosítása aránylag könnyűnek ígérkezik, mivel nagyjából tudjuk, hogy melyik gén miért felelős, és helyettesíthető-e idegen génekkel. 3. ábra. A 34.246 bp hosszúságú 3-as szerotípusú majom-adenovírus genom-szerveződése

Hasonlóan sikerült a simian adenovírus 1 (SAdV-1) teljes genomjának szekvenálása és értelmezése. Az egyedi génekre vonatkozó filogenetikai számítások kétség kívül mutatják, hogy a human adenovírus 40 (egy gyerekek enterális megbetegedését okozó és nagyon rosszul szaporítható) kórokozó közeli rokona. Jellegzetessége a két fiber-gén, ami a HAdV- 40 és 41-nek is az összes többi human adenovírustól eltérő tulajdonsága. Ugyanakkor a SAdV-1, azoktól

eltérően, nem veszítette el az E3 deletálható régió legelső génjét. Mindez arra utal, hogy a HAdV-40 és 41 valójában óvilági majom-adenovírusok, melyek őse csak később került az emberre, ott viszont az adaptálódás során egyik génje elveszett. A harmadik szekvenált minta, a simian adenovirus 15 genom viszont váratlanul sok problémát okozott. Bár itt is sikerült összeállítani egy teljes genomot, bioinformatikai elemzése során világossá vált, hogy az két (habár nagyon közeli) szerotípus keveréke. Mint kiderült, az Amerikai Típus Tenyészet Gyűjtemény (ATCC) ezen vírusa a hozzá nagyon hasonlító (vele egy vírusfajba tartozó) simian adenovirus 11-gyel szennyezett. Tehát összesen négy genom is van a kezünkben, de az utóbbi két vírustípus szekvenciáit el kell különítenünk. Ez a kérdéses szakaszok PCR-es felerősítésével végezzük, mivel rendelkezésünkre áll „tiszta” SAdV-11 DNS is. Egyébként ezek a genomok is a SAdV-1-re (és a HAdV-40-re) hasonlítanak. A bizonyíthatóan idetartozó majom-adenovírus szerotípusok nagy száma is bizonyítja, hogy e vírusok valóban majom-eredetűek és a két, emberből izolált szerotípus az nem az eredeti gazdájában van. A teljes genom-szekvenálások mellett féltucatnyi kiválasztott majomadenovírus teljes hexon-génjét és teljes E3 régióját is szekvenáltuk. A teljes hexon-gének lehetővé tették további óvilági majom-adenovírusok immár pontos elhelyezését a hexon alapú filogenetika fán. Ez némely esetben módosította a korábbi (előzetes) fajba-csoportosítási elképzeléseinket, ami csak nagyon rövid hexon-génszakaszokon alapult. E számításokkhoz kiegészítő adatokat adnak az E3 (változékony) régióra vonatkozó genom-szerveződési adatok, pl. az egyik gén nincs még jelen egy evolúció során korábban elkülönült vírusban (pl. egy óvilági majom adenovírusban), míg a csimpánzok és az ember (igazi) adenovírusaiban már jelen van. Gyakorlati szempontból viszont e régió megismerése azért fontos eredmény, mert a szekvencia ismeretében most már tudunk ebbe a deletálható régióba idegen (kifejezendő vagy szállítandó) géneket építeni. Atadenovírus genomok szekvenálása és értelmezése Előzmény: Német és ausztrál kutatók állati adenovírusok humán alkalmazásával is sikeresen kísérleteznek, méghozzá az általunk elfogadtatott új genushoz, az atadenovírusokhoz tartozó juh-adenovírussal. E vírusok közvetlen őseinek a hüllő-adenovírusokat tekintjük. Az eredeti (nélkülözhetetlen) génkészlet tanulmányozása érdekében ezért egy kígyó-adenovírus genom-szekvenálását is megkezdtük korábban. Az ebből nyert ismeretek végső soron segíthetnek biztonságosabbá tenni a humán alkalmazást. Ugyanis e vírusoknak számos, egyelőre ismeretlen szerepű génje is van, melyeket jelenleg tudományos megalapozottság nélkül távolítanak el a vektorokból. Célkitűzés: Befejezzük atadenovírusok, a 4-es szerotípusú szarvasmarhaadenovírus és az ún. Rus törzs teljes genomjának szekvencia-értelmezési munkálatait (megint csak igénybevéve az összehasonlító genomikai

megközelítést). Különös gondot fordítunk a gén-beültetésre alkalmas E4 szakasz és annak splicing mechanizmusának a megfelelő értelmezésére. Lehetőleg befejezzük a kígyó-adenovírus genom-szekvenálását is és összehasonlítjuk az előbbi vírusokkal. Eredmények: Mindkét szarvasmarha-atadenovírus teljes genom-szekvenálása és értelmezése lezárult, a BAdV-4-et be is nyújtottuk a GenBank-ba. Azóta már frissítést is eszközöltünk a genom értelmezésén, az újabb összehasonlító eredmények alapján újraértelmezve az abban feltehetően előforduló splicing eseményeket. Ezen genom-adatokat már rendszeresen használják mások. Gyakorlatilag elkészült az első hüllő-adenovírus, a gabonasikló-adenovírus teljes genom-szekvenálása és analízise. Ezek a vírusok leginkább csak a genom jobb végén elhelyezkedő (RH, azaz right-hand) gének számában és milyenségében különböznek vizsgálataink szerint. Nyilvánvaló tehát, hogy ez lehet az első hely, ahol érdemes az idegen gének beültetésénel próbálkozni. Az atadenovírusok specifikus kimutatására PCR módszert dolgoztunk ki, mely a csak bennük előforduló p32K gén felerősítésén alapul. Egy kórokozó és gyorsan változó szarvasmarha-adenovírus genomszekvenálása Előzmény: Az adenovírusok evolúciója napjainkban is zajlik, és úgy tűnik, hogy ezt sikerült „tetten érni” egy fokozottan pathogén vírus, a 10-es szerotípusú szarvasmarha adenovírus (BAdV-10) vizsgálatával. Ennek különböző hosszúságú genomjait találtuk Észak-Írországban izolált törzsekben. Célkitűzés: Genom-szekvenálással és analízissel próbáljuk megérteni a szarvasmarhához feltehetően éppen most adaptálódó BAdV-10 sajátos genomváltozását. Eredmények: Elvégeztük a leghosszabb BAdV-10 genom jobb oldali felének a DNS-szekvenálását és annak genetikai analízisét (és erről cikket jelentettünk meg). A nyert szekvenciát összehasonlítva néhány rövidebb BAdV-10 változattal, úgy véljük, hogy a változásokért az antennaszerű fiberek méretváltozása, egyes esetekben a fiber-gén végének és az azt követő E4 régió egy részének a duplikálódása a felelős. Feltehetően éppen most adaptálódik szarvasmarhához ez a vírus (ami egyes vonatkozásaiban inkább a rágcsálók adenovírusaira hasonlít), és a fiber-hossz változása része az új gazda sejtjeihez történő leghatékonyabb kapcsolódás kialakulásának. Cikkünk egyben elemzi az egyéb adenovírusok legváltozékonyabb, úgy nevezett E3 és E4 régióinak a különbözőségeit is. E munkából hamarosan Ph.D. disszertáció is készül. Mivel a BAdV-10 genom-változások elsősorban a vírus fibernek nevezett nyúlványának jelentőségére hívták fel a figyelmet, ezért együttműködésben résztvettünk olyan rekombináns vírusok előállításában és vizsgálatában is, melyek más gazdafaj adenovírusának fiberét termelték és építették be a virionba.

Eredményeink valóban arra látszanak mutatni, hogy ezek a vírus-fehérjék felelősek a megfelelő sejthez történő kapcsolódásért, ezáltal a vírus specifitásáért, mely így mesterségesen megváltoztatható. Távlatilag lehetőség nyílhat a módosított adenovírusoknak a különböző daganatsejtekhez való irányítására, ahol azokat toxikus termékekkel el lehetne pusztítani. Parvovírus genom-szekvenálása és analízise Előzmény: Az adeno-asszociált (parvo-) vírusok egyre népszerűbb humán génterápiás vektorok. Megelőzendő az emberi vírusok elleni ellenanyag okozta problémákat, olyan rekombináns vírust lehet készíteni, amelynek a kapszidja egy megfelelően távoli állati parvovírusból származna. Célkitűzés: Megszekvenáljuk, értelmezzük és közöljük egy kígyó-parvovírus teljes genomját. Filogenetikailag hasonlítjuk a humán adeno-asszociált vírusokhoz. A klónokat és a szekvenciát átadjuk humán parvovírus specialistáknak rekombinánsok előállítására. Eredmények: PCR-rel felsokszoroztuk, molekulárisan klónoztuk, megszekvenáltuk, értelmeztük és leközöltük egy kígyó- (piton) parvovírus teljes genomját (4. ábra). Filogenetikailag összehasonlítottuk a humán adeno-asszociált vírusokkal és más parvovírusokkal, és kiderült, hogy valóban az ún. dependovírusokhoz tartozik, azaz az emberi adeno-asszociált vírusokhoz, valamint a libák és barbari kacsák parvovírusához (mely előbbi, Intézetünk korábbi igazgatójáról elnevezett, Derzsy-féle betegséget okozza). A klónokat és a szekvenciát átadtuk amerikai humán parvovírus specialistáknak, akik most próbálnak gyógyászati (gén-szállító vektor) rekombinánsokat előállítani. Találtunk egy hasonló szarvasmarha-vírust is. Ennek szekvencia-analízisét is megkezdtük, és érdemes lesz majd ezt is felajánlani humán gyógyászati próbálkozások céljára. Végül óvilági majmokban is találtunk adeno-asszociált vírusokat, melyek összehasonlító célból is érdekesek lehetnek és az emberi gazdához közelebb is állnak. Baromfi-adenovírusok genetikai vizsgálata Előzmény: Az adenovírus vektorok használata vakcinázási céllal az állatokban is egyre népszerűbb gondolat. Emlős- és tyúk-adenovírusokkal világszerte ígéretes kísérletek folynak, viszont más gazdasági haszonállatok adenovírusaival el sem lehetett kezdeni ezt a fejlesztést, mert hiányoztak az alapvető molekuláris adatok. Pl. rajtunk kívül még senki nem közölt DNSszekvencia adatokat pulyka-, liba- vagy hal-adenovírusokról, pedig nagy az érdeklődés ezen gazdákban használható vektorvírusok iránt. Az adenovírusok közül talán a madár-adenovírusokról áll a legkevesebb szekvencia adat a rendelkezésünkre, különösen annak fényében, hogy számos szerotípusuk ismert.

Célkitűzés: Tyúk-, liba-, barbari kacsa (pézsmaréce) és pulyka-adenovírusok hexonjának összehasonlító vizsgálata. A laboratóriumunkban rendelkezésre álló, hazai izolálású pulyka-adenovírus genom-szekvenálásának megkezdése. Eredmények: Prototípus törzsek és állategészségügyi mintákból izolált tyúk-, liba-, barbari kacsa és pulyka-adenovírusok hexonját PCR-rel felerősítettük, szekvenáltuk, és rekonstruáltuk törzsfejlődési fájukat. A tyúk-, kacsa- és libaadenovírus típustörzsek mindegyikét sikerült így vizsgálni és filogenetikai helyét megállapítani. Vizsgáltunk hazai esetekből származó új tyúk-adenovírus törzseket illetve direkt állati mintákat is. Módszerünkkel ezeket is sikerült besorolni az ismert tyúk-adenovírus típusok valamelyikébe. A vízibaromfi-izolátumok határozottan elkülönültek a tyúk- és fácán-törzsektől. Sikerült több új pulykaadenovírus típust azonosítanunk. Ezekből kettő olyan nagy evolúciós távolságra levőnek bizonyult, hogy új vírusfajnak kell majd leírnunk. Legmeglepőbb az volt, hogy egyetlen pulyka-mintából négy teljesen különböző adenovírust is ki tudtunk mutatni. A prototípus törzsek és az állati elhullásokat okozó különböző fajokból származó adenovírusok vizsgálatát több cikkben fogjuk közölni. E sorozatból elkészült az első kézirat, a tyúk-adenovírusok összehasonlító vizsgálatáról. Megindult egy hazai pulyka-adenovírus izolátum genomjának molekuláris klónozása és szekvenálása. A későbbi rekombináns vírusok előállítására készülve, mindenek előtt a végfragmentumokat klónoztuk, és ezeket összeépítve lehet majd megpróbálni, rekombináció segítségével, az egész genomot kinyerni könnyen módosítható plazmid formájában. A szekvenált további fragmentumok az 1-es és 9-es szerotípusú csirke-adenovírusok genomjára is jellemző „általános” adenovírus-gének jelenlétét és megszokott elrendeződését látszanak megerősíteni. A változékonyabb régiók klónozása, szekvenálása és azonosítása folyik. A jól megindult munka folytatásának támogatására egy ipari cég is hajlandóságot mutat. Hal-adeno- és herpeszvírusok genom-vizsgálata Előzmény: Egy amerikai halgazdasággal több éve van informális együttműködésünk tokfélékből (Acipenseridae) származó adenovírus és herpeszvírus genetikai jellemzésének témájában. Egy fehér tokból származó adenovírus genomjának középső részét sikerült molekulárisan klónozni. Szeretnénk ennek a szekvenálását és pontos genom-analízisét elvégezni és publikálni. Kaptunk rövidorrú és fehér tokból származó, és herpeszvírusnak vélt izolátumokat is, ezekkel kapcsolatban azonban semmilyen molekuláris vizsgálatok nem történtek még korábban.

4. ábra. A humán vektornak szánt kígyó-parvovírus (serpentine adeno-associated virus, SAAV) genom-szerveződése, filogenetikája és genomvégének fordított ismétlődése. Jól látható hasonlósága a humán adeno-asszociált vírusokhoz (AAV)

Mivel a herpeszvírusok is használhatók vektorvírusként, ezért a kapott halherpeszvírus genomját fontos lenne alaposan tanulmányozni, génhelyettesítésre alkalmas genom-szakaszok azonosítása céljából.

Célkitűzés: Ezen rosszul szaporítható hal-adeno- és herpeszvírusok genomjának minél hosszabb szakaszon való szekvenálása és összehasonlító vizsgálata. Eredmények: Elvégeztük a fehér tok-adenovírus középső genom-szakasz DNS-szekvenálását és pontos genom-analízisét. A hal-adenovírus hexon és proteáz génjeinek filogenetikai elemzése alapján a vírust egy új adenovírus nemzetség (Ichtadenovirus?) első tagjának véljük. Mivel az adenovírusok négy elfogadott nemzetsége közül kettőt már mi fogadtattunk el a Nemzetközi Vírus Nevezéktani Bizottsággal (ICTV), valamint csoportunkból Benkő Mária az ICTV Adenovírus Munkacsoportjának vezetője, ezért bízunk benne, hogy sikerrel fogunk járni. Megkezdtük az amerikai együttműködő által biztosított fehér tokherpeszvírus genomjának véletlenszerű molekuláris klónozását és szekvenálását. Bár a vírus csak nagyon kis mennyiségben volt a számunkra átadott, lefagyasztott szövettenyészetben, sikerült számos szakaszt klónozni, és jó ütemben folyik ezek szekvenálása. Egyes hiányzó szakaszokat PCR segítségével kívánunk felerősíteni, a korábban megállapított szekvenciákra tervezett PCR primerekkel. A nagyobb klónok belső szakaszainak szekvenálását részben célzott szubklónozások, részben pedig oda tervezett primerek segítségével („genom-sétálással”) végeztük. Homológia alapján a fehér tok-herpeszvírus a foltos csatorna-harcsa herpeszvírusához áll a legközelebb (ami jelenleg az egyetlen teljes halherpeszvírus genom-szekvencia). A vizsgálatoknak különös jelentőséget adott közben, hogy a hazai ponty-tenyésztők erősen rettegnek a koi-herpeszvírus felbukkanásától, ami már Csehországban is megjelent. Ez akár a pontytenyészetek teljes gazdasági csődjét is okozhatja. Együttműködésben vizsgáltuk, hogy a fehér tok-herpeszvírus, mely vértes halból származik, a koi-herpeszvírus közeli rokona-e. A koi-herpeszvírus PCR mindenesetre nem erősíti fel a fehér tok herpeszvírusait, és az eddig elérhetővé tett koi-herpeszvírus szekvenciák szerint sem közeli rokonok. Mivel az általunk vizsgált vírus valószínűleg nem kórokozó, ezért kellő fejlesztés után vakcina-vektort lehetne előállítani belőle a halak koiherpeszvírus elleni immunizáláshoz. (Halban használható, vírus-alapú génkifejező vektort ugyanis még senki nem állított elő.) A hal-herpeszvírus kutatása közben felmerült, hogy vajon a hüllők herpeszvírusai milyen mértékben hasonlítanak akár a hal, akár a madarak és az emlősök herpeszvírusaira. Bekapcsolódva egy teknős-herpeszvírus genomszekvenálási projektbe, a nyert gén-szekvenciák és filogenetikai számításaink alapján is egyértelműen azt az eredményt kaptuk, hogy a hüllők herpeszvírusai a madarak és emlősök alfa-herpeszvírusaihoz tartoznak, míg a halak herpeszvírusai ezekhez szinte semmi hasonlóságot nem mutatnak. Tehát ellentétben az adenovírusoknál tapasztaltakkal, nincs hasonló genom-szerveződés se, oly

mértékben, hogy valójában nem is szabadna azonos víruscsalád tagjainak tekinteni ezeket. Halak vírusait kutatva segítséget nyújtottunk egy további halkórokozó genetikai vizsgálatához is, bizonyos nyálkaspórás paraziták genetikai alapon végzett összehasonlító tanulmányozásához. A laboratóriumunkban folyó technikákkal sikerült különböző halfajok többféle nyálkaspórás parazitájából PCR segítségével felerősíteni a 18S riboszómális RNS génjének kb. 1600 bp-nyi darabját. Ezek filogenetikai elemzésével sikerült világosabbá tenni a nyálkaspórások rokonsági viszonyait, rendszertanukat, és felderíteni a különböző halakkal való közös evolúciójukat, illetve a halakon belül is a különböző szövetekhez adaptálódott párhuzamos fejlődésüket. Sertés-circovírus genomok Előzmény: Ígéretes próbálkozás a sertésszervek emberi szervpótlásra történő potenciális felhasználása. Sajnos kiderült, hogy a sertésben még ma is vannak ismeretlen vírusok, melyek így átjuthatnak emberbe. Ilyen vírus az újonnan talált sertés-circovírus, mert ugyanakkor egyre több gazdasági kárt is okoz a hazai sertés-állományokban. Célkitűzés: Vizsgálni a Magyarországon izolált sertés-circovírusok genomját és azokkal összehasonlító vizsgálatokat végezni. Eredmények: Vizsgáltunk számos hazai eredetű sertés-circovírust, az Országos Állategészségügyi Intézetbe vizsgálatra küldött mintákból PCR-rel kimutatva a jelenlétüket. A részlegesen jellemzett sertés-circovírusokból hatnak a teljes genomját is sikerült szekvenálni a saját tervezésű PCR primerekkel (melyeket a genom különböző részeinek felerősítésére készítettünk). Törzsfejlődési számításaink alapján megállapítható, hogy a hazai járványügyi helyzet nem túl kedvező, amennyiben a hat vizsgált törzsből kettő a spanyol törzsekre, kettő a francia-angol törzsekre, kettő pedig a német törzsekre hasonlít, vagyis a más országokban (eddig) tapasztalt egységesebb törzsek helyett, nálunk látszólag a legkülönbözőbb országokból behurcolt circovírusok okoznak károkat. Kórokozó liba-reovírusok molekuláris jellemzése Előzmény: Komoly gazdasági károkat okozó betegség lépett fel hazai lúdállományokban, melynek legjellemzőbb tünete a lábizületek gyulladása és tekintélyes duzzanata volt. Ez a kislibák mozgászavarához, növekedésben való elmaradásához, sőt elhullásukhoz vezetett. Az izolált reovírussal a betegséget reprodukálni lehetett. Célkitűzés: A kórokozó liba-reovírusok molekuláris jellemzése, variabilitásuk és más madár reovírusokkal kimutatható rokonságuk vizsgálata. Eredmények: A hazai liba-reovírus-izolátumokból RT-PCR segítségével felsokszoroztuk a policisztronikus S4 genomszegmentumot, majd meghatároztuk

nukleotid sorrendjüket. A szekvencia-analízis (törzsfejlődési számítás) azt mutatja, hogy az izolátum az Orthoreovirus nemzetségen belül az Avian orthoreovirus fajba tartozik, és a barbari kacsa-reovírus közeli rokona. Közlemények (a MEH támogatásra történő hivatkozással): Döme B., Meszaros L., Varga M., Rásó E., Dobos J., Puskás LG, Fehér LZ, Lőrincz T., Ladányi A., Trikha M., Honn KV, and Timar J. (2004) Parallel expression of alfa2B3 and alphaVbeta3 integrins in human melanoma cells upregulates basic FGF expression and promotes their angiogenic phenotype. International Journal of Cancer (in press). Davison AJ, Benkő M, Harrach B (2003) Genetic content and evolution of adenoviruses. Journal of General Virology 84:2895-2908. Kovács GM, Davison AJ, Zakhartchouk AN, Harrach B (2004) Analysis of the first complete genome sequence of an Old World monkey adenovirus reveals a lineage distinct from the six human adenovirus species. Journal of General Virology. Ursu K, Harrach B, Matiz K, Benkő M (2004) DNA sequencing and analysis of the right-hand part of the genome of the unique bovine adenovirus type 10. Journal of General Virology 85:593601. Farkas SL, Zádori Z, Benkő M, Essbauer S, Harrach B, Tijssen P (2004) A parvovirus isolated from royal python (Python regius) is a member of the genus Dependovirus. Journal of General Virology 85:555-561. Papp T, Harrach B, Dán Á, Palya V, Ivanics É, Glávits R, Sági E, Révész T, Adair BM, Benkő M (2004) Phylogenetic comparison of fowl adenoviruses confirms the proposed virus species definition and supports the feasibility of sequence analysis in typing new isolates. Avian Pathology (in press). Kovács GM, LaPatra SE, D'Halluin JC, Benkő M (2003) Phylogenetic analysis of the hexon and protease genes of a fish adenovirus isolated from white sturgeon (Acipenser transmontanus) supports the proposal for a new adenovirus genus. Virus Research 98:27-34. Dán Á, Molnár T, Biksi I, Glávits R, Shaheim M, Harrach B (2003) Characterisation of Hungarian porcine circovirus 2 genomes associated with PMWS and PDNS cases. Acta Veterinaria Hungarica 51:551-562. Bányai K, Palya V, Benkő M, Bene J, Havasi V, Melegh B, Szűcs Gy (2004) The goose reovirus genome segment encoding the minor outer capsid protein, σ1/σC, is bicistronic and shares structural similarities with its counterpart in Muscovy duck reovirus. Virus Genes (in press).

II. A MEZŐGAZDASÁGI TERMÉKSZERKEZET JAVÍTÁSA, ÚJ TERMELÉSI MÓDOK BEVEZETÉSE BEDŐ ZOLTÁN MTA Mezőgazdasági Kutatóintézet

A növénytermesztési szerkezet javítása, a biológiai alapok fejlesztése Bevezetés A magyar mezőgazdaság szerkezeti átalakítása során elsődleges jelentőségű a többfunkciós mezőgazdaság megvalósítása. A növénytermesztés ebben a tekintetben az egyik leginkább érintett része az agrártermelésnek, hiszen közvetlen kapcsolatban van a természeti környezettel, funkciója, technológiai rendszerei nagymértékben kihatnak a fenntartható fejlődésre. Az előző korszakban világszerte a növénytermelés intenzív fejlődésének voltunk szemtanúi, amit zöld forradalomként ismert meg a világ. A növényi produktivitás növelésével, a nagyarányú kemizálás, gépesítés, valamint az öntözés széleskörű elterjedésével kialakult az intenzív növénytermelés. A korszerű növényfajták nemesítése és az iparszerű technológia elterjedése révén az emberiség egy történelmileg fontos problémája oldódott meg. Nagymértékben visszaszorult a világban az éhezés, és megszűnt globális méretekben az élelmiszerhiány. Az ezredforduló előtti utolsó évtizedtől kezdve elmondható, hogy földünk egyes részein a lakosság alultápláltsága főleg a még mindig meglévő rossz társadalmi, vagy gazdasági elosztási rendszereknek, valamint a fejletlen infrastruktúrának tudható be, és csak kismértékben a nem elegendő élelmiszertermelésnek. Különösen érvényes ez a megállapítás Európára. Összességében a világ mezőgazdasága megtermeli az emberiség élelmét annak ellenére is, hogy a népesség soha nem látott növekedése következett be az elmúlt fél évszázadban. A világ élelmiszertermelése azonban területileg egyenlőtlenül megy végbe. Így egyszerre van jelen az élelemhiány és felesleg a világ különböző térségeiben, egyidőben kívánják növelni és csökkenteni a vetésterületet, fejleszteni vagy visszafejleszteni a mezőgazdaságot. A sokszínűség, a különböző koncepciók a meglévő fejlettségi különbségekből, az eltérő adottságokból adódnak, és ez legtöbbször még országhatárokon belül is érvényes. A növénytermesztés a többfunkciós mezőgazdaságban

Napjainkban egyre inkább fel kell vállalni a mezőgazdaság többfunkciós jellegének kialakulásával a természeti környezet egyensúlyának fenntartásával együtt járó feladatokat, a vidékfejlesztéssel összefüggő mezőgazdasági teendőket, a lakosság egészséges táplálkozásának elősegítését. Mindhárom terület jelentős szerepet tölt be a jövő társadalmában élő emberek életminőségének alakulásában. Ebből következik, hogy a jövő többfunkciós mezőgazdaságának társadalmi jelentőségét elsősorban nem a nemzeti össztermékből való részesedése fogja meghatározni, hanem sokkal inkább az emberek mindennapi életminőségét befolyásoló szerepe. Ebben az új helyzetben már fontosabb lesz az, hogy a növénytermelés a fogyasztó egészségét megőrző vagy azt javító minőségű alapanyagot termeljen, ami fenntartható fejlődést biztosít a vidéki lakosságnak, hozzájárul a különböző tájegységek hagyományainak, arculatának megőrzéséhez, és a termelés a természet ökológiai egyensúlyát sem veszélyezteti. Több különböző koncepció és ehhez kapcsolódó technológiai rendszer alakult ki a növénytermesztés jövőbeni perspektíváiról. Alapvetően ezek az intenzív és/vagy ún. high input, valamint az extenzív és/vagy ún. low input gazdálkodás alapján csoportosíthatók, de ezen belül számtalan variáns, alcsoport található meg alkalmazkodva a regionális körülményekhez. Mindegyik koncepció a markáns szemléletbeli különbségek ellenére technológiai rendszerének kidolgozásakor arra törekszik, hogy eleget tegyen a társadalom elvárásainak az élelmiszertermelésben, és elnyerje a közvélemény bizalmát. Ehhez elengedhetetlen feltétel  a környezet védelmét szolgáló technológia alkalmazása;  a termelés fenntarthatóságának biztosítása;  az emberi egészségre ártalmas anyagoktól mentes tápláló élelmiszer termelése. A növénytermesztés fenntarthatóságának vizsgálatakor alapvetően lényeges, hogy bármely intenzív vagy extenzív technológiai rendszert, vagy azok variánsait a régiók agroökológiai feltételeihez alkalmazkodva vezessék be az ország különböző tájain. Ugyanis minden technológiai típusú rendszer eredményes lehet, hozzájárulhat a fenntarthatósághoz amennyiben  a termesztési technológia illeszkedik a többfunkciós növénytermesztés rendszerébe, megfelel a termesztési régió vagy táj agroökológiai adottságainak, valamint  a fogyasztó hajlandó elfogadni és megvásárolni az így előállított terméket. A két feltétel együttes teljesülése egyben azt is jelenti, hogy az ökológiai, a közgazdasági és a társadalmi feltételek egyaránt adottak, ami a fenntartható fejlődés tartós alapját képezi. A magyar növénytermesztés szerkezete

A magyar növénytermesztés nemzetközileg is sajátos jellemzője, hogy az ország területének viszonylag igen jelentős százalékát foglalja el. A nagy területi arány a rendszerváltás óta sem változott lényegesen. Ez a nagy területi arány indokolja a többfunkciós növénytermesztés stratégiájának kialakítását, a regionális sajátosságok előtérbe helyezését. Rövid időn belül komoly problémákkal kellene szembenéznünk amennyiben a helyi agroökológiai feltételek ismerete nélkül, sematikus technológiai rendszert alakítanánk ki az ország összes szántóterületére. Mindenképpen érdemes átgondolni a dán mezőgazdaság hazánkéhoz sok vonatkozásban hasonló növénytermesztési helyzetét és technológiai koncepcióját. Dániában a növénytermesztés az ország területének mintegy kétharmadát foglalja el, ami döntő kihatású az egész ország ökológiai egyensúlyára is. A tét nagysága következtében Dániában találhatók a multifunkciós mezőgazdaság legnagyobb mértékű szorgalmazói. Ezen belül fellelhető a teljesen vegyszerhasználat-mentes organikus gazdálkodástól kezdve az ún. low input technológián át a precíziós mezőgazdaságig minden termesztési eljárás, ami az adott régióban a leginkább garantálhatja a fenntarthatóságot. Amennyiben három évtizedre visszamenőleg megnézzük a magyar szántóföldi növénytermesztési adatokat a szántóterület mintegy 4,6 – 4,8 millió hektáros területtel stabilan azonos szinten mozog. A szerkezetváltás így eddig nem járt együtt a szántóföldi növénytermesztés területi csökkenésével. Szembeötlő ugyanakkor a gyümölcsös és a szőlő ültetvények területi csökkenése. Ezzel együtt hazánk területének mintegy kétharmada volt mezőgazdasági művelés alatt az ezredfordulón. A legfontosabb növények vetésterületi változása tükrözi a szántóföldi növénytermesztésben eddig végbement szerkezetváltozást. Nem volt egyértelmű ez a folyamat az elmúlt évtizedben. Nagy hullámzások szemtanúi lehettünk, és voltak olyan évek is, amikor jelentős nagyságú területek maradtak parlagon. Általánosan az alábbiak szerint foglalhatjuk össze a főbb növénycsoportokat (1. táblázat):  a gabonafélék vetésterülete nagy ingadozásokkal ugyan, de nem, vagy csak minimális mértékben csökkent;  az olajos növények térnyerése jelentette a legnagyobb arányú szerkezetváltozást;  a takarmánynövények területe az állattenyésztés kisebb termelési volumene miatt kisebb lett;  a fehérjenövények vetésterülete továbbra is alacsony szinten stagnál illetve csökken. A gabonafélék termesztése összességében nem változott jelentősen, de a tritikálé elterjedése jó példa arra nézve, hogy a termelők elsősorban kisebb peszticid és műtrágya igénye miatt szívesen fogadták ezt az új fajt. Annak

ellenére, hogy a takarmánynövények termesztése visszaesett a tritikálé vetésterülete a nulláról százezer hektárra növekedett. A többfunkciós növénytermesztés kialakulásával szerkezeti változások várhatók akár a művelési ágakban, akár a szántóföldi növénytermelés szerkezetében. Mindenképpen előnyös lenne a termesztett növénykultúrák számát növelnünk, ezzel mind a biológiai diverzitást, a termesztés sokoldalúságát, mind az értékesítés biztonságát javítani lehetne. Ugyanakkor a versenyképes ágazatok méretét csak abban az esetben célszerű csökkenteni, amennyiben a kisebb volumen nem jár együtt piacvesztéssel. Ez a megállapítás elsősorban a gabonafélékre érvényes. Ebben az ágazatban a sikeres minőségi fejlesztés az exportképesség javulását eredményezheti, ami indokolttá teheti a jelenlegi termelési volumen megtartását. 1. táblázat. A főbb szántóföldi növények vetésterülete Magyarországon* Növényfaj 1979-1981 Őszi búza 1187 Őszi árpa 113 Tavaszi árpa 151 Rozs 72 Zab 45 Tritikálé Kukorica 1248 Napraforgó 268 Repce 47 Lucerna 370 Vöröshere 53 Borsó 91 Szójabab 25 Cukorrépa 113 Burgonya 67 Zöldségfélék 118 *megjegyzés: KSH adatok, ezer ha-ban, éves átlag

1989-1991 1205 191 121 94 48 1091 364 59 301 20 136 40 137 45 111

1998-2000 989 151 196 49 61 102 1213 416 116 197 9 43 26 68 52 103

A növénytermesztés szerkezete és a genetikai alapok A növénytermesztés technológiai rendszerének szerves része az új növényfajták termelésbe vonása. A többfunkciós mezőgazdaság követelményei a korábbi időszakhoz képest lényegesen összetettebb feladatokat állítanak a növénynemesítés elé. A növénynemesítőknek nagyobb mértékben kell figyelembe venniük  a növénytermelés különböző technológiai rendszerét,  a feldolgozóipari követelményeket,  a növényfaj valamint a növényfajta fogyasztói fogadtatását,



a táplálkozással kapcsolatos társadalmi és kulturális szokásokat, hagyományokat. Egy-egy növényfaj jövőbeni elterjedtségének mértékét nemcsak a klimatikus körülmények határozzák meg, hanem az ökológiai, a közgazdasági és a társadalmi kritériumok is. Így a termeszthetőség fontos feltételévé válik egyrészt az agroökológiai környezettel való kölcsönhatás minősége. Ez alatt többek között azt értjük, hogy a termesztés közelében lévő természeti környezetet, vagy a termőtalaj minőségét milyen módon befolyásolják a különböző növénykultúrák. A társadalom rákényszeríti a mezőgazdászokat, hogy a természeti környezetre negatív hatással bíró növények termesztési feltételeit vizsgálják felül, vagy végső esetben iktassák ki azokat a termesztésből. Nem csak a termelési technológiákban, hanem a növényfajoknál is fontos kritérium lesz a multifunkciós jelleg. Minél több feldolgozóipari célra lehet egy növényfajt hasznosítani, annál nagyobb területen lesz gazdaságos a termesztése. Korábban egy faj széleskörű termeszthetősége érdekében a klasszikus ún. háromlábú követelmény volt:  a humán fogyasztásra,  az állati takarmányozásra, valamint  az ipari felhasználásra való alkalmasság. Elsősorban a molekuláris nemesítés, a biokémiai kutatási eredmények révén a felhasználhatóság tovább bővül, és a hagyományos feldolgozóipari minőség mellett a kutatók új minőség típusokat alakítanak ki több növényfajban. Ez azt jelenti, hogy a növényfaj egyes fajtáinak termesztési célja még inkább szétválik, ami különböző termesztési technológiák kidolgozásának igényét is magával hozza. A növénynemesítők számára korábban az elsődleges célkitűzés a termőképesség javítása és a termelők fajtával szembeni igényeinek kielégítése volt. Ez az időszak elmúlt. Már napjainkban is összetettebbé váltak a kritériumok egy-egy fajta sikeres nemesítéséhez. Csak példaként mutatom be ezzel összefüggésben az új növényfajták megítélésének összetettségét. Ma már nem csupán a termőképességet, hanem a kiválasztást jobban befolyásoló tulajdonságokat és körülményeket is figyelembe kell venni. Lényeges szempont lett a fajta megválasztásakor  a feldolgozóipar véleménye,  a kereskedelmi láncok fogadókészsége és még ennél is fontosabb  a közvélemény álláspontja, a fogyasztói bizalom. Valójában a fogyasztónak ma minden kérdésben „vétójoga” van. Ő határozza meg mind a kereskedelem, mind a feldolgozóipar véleményét elsődlegesen. Ha a fogyasztó visszautasítja például a genetikailag módosított növényekből készült élelmiszert, akkor ennek következménye eljut a termelőig, és ez döntő jelentőségű

lesz a fajta- és a technológia megválasztás során. Amíg a fogyasztót nem lehet meggyőzni a transzgénikus növényfajták előnyeiről, addig nehéz lesz Európában a genetikailag módosított növényeket széleskörűen elterjeszteni. Így hiába rendelkezik a transzgénikus növény, például a termesztésben fontos herbicid toleranciával, ha ez a fogyasztó vélemény alkotásában érdektelen vagy hátrányos következményeket vonhat maga után. A transzgénikus növények európai elterjedésének feltétele a fogyasztói elvárásoknak való megfelelés, a fogyasztók bizalmának megnyerése. Amennyiben ezt az akadályt sikerül legyőznie a molekuláris nemesítésnek, úgy a vetőmagipar kontinensünkön is elterjesztheti a genetikailag módosított növényfajták vetőmagját, és ezek hazánkban is köztermesztésbe kerülhetnek. A molekuláris genetikai és nemesítési módszerek nagyban hozzájárulhatnak a többfunkciós mezőgazdaság fejlődéséhez, annak ellenére, hogy nagy valószínűséggel először az ún. precíziós vagy intenzív növénytermesztési technológiákban fogjuk hasznosítani a transzgénikus fajtákat. A kilencvenes évek közepétől öt év alatt mintegy ötvenmillió hektárra növekedett a genetikailag módosított növények vetésterülete. E terület mintegy felét a szója foglalja el, a transzgénikus kukorica több mint 10 millió hektáron található, több mint 5 millió hektáron a gyapot és mintegy 3 millió hektáron a repce. Eddig döntő arányban a herbicid toleranciáért és az ún. Bt típusú rovarrezisztenciáért felelős géneket használták fel a termesztésben lévő transzgénikus növényfajtákban. Technológiai típusok a többfunkciós növénytermesztésben Az EU az egyes régiók támogatási rendszerében alapvetően figyelembe veszi a természeti környezet ökológiai egyensúlyának fenntartását, a környezetvédelmi követelményeket. A többfunkciós mezőgazdaságot alapozza meg az a felosztás is, ami a mezőgazdaságilag művelhető területeket környezeti érzékenységük és a potenciálisan alkalmazható mezőgazdasági technológia alapján alapvetően három csoportba sorolja:  mezőgazdasági termelésre alkalmas terület;  ökológiailag érzékeny terület, ahol a környezetvédelmi követelmények elsődlegesek a mezőgazdasági termeléssel szemben;  mezőgazdasági tevékenység alól kivont területek. A becslések alapján hazánkban az első csoportba a mezőgazdaságilag művelt terület feltehetően 60-70%-a sorolható. Mintegy 20-25%-ot tesz ki a második, és 10-15%-ot a harmadik csoport. Az első csoportba tartozó területeken elsődlegesen a versenyszférához tartozó növénytermelési technológiák fejlesztése lesz perspektivikus. Itt a gazdálkodóknak főként az intenzív jellegű technológiák alkalmazására nyílhat lehetőség, amennyiben az éghajlati feltételek megfelelő jövedelmezőséget biztosítanak a nagyobb ráfordítást igénylő technológiák

megtérülésének. Az eddig ismert technológiák mellett a fejlett országokban több helyütt bevezették a precíziós növénytermelési technológiát. A precíziós szántóföldi növénytermelés előnyeinek kiaknázására Magyarország több régiójában megvannak az adottságok. Üzemméret tekintetében elsősorban a nagyüzemi gazdálkodásban lehet jól kihasználni. A termőterület-, és a farmkoncentráció felgyorsulása a nyugat-európai országokban részben közgazdasági kényszerből adódik, részben a technológia váltás miatt figyelhető meg. A precíziós növénytermelési technológiákban nagy jelentősége lehet a transzgénikus növények felhasználásának. A tudásalapú mezőgazdasági termelés egyik nagy lehetősége a genetikailag módosított növények termesztése, hiszen hatalmas perspektívákat jelenthet nemcsak a precíziós technológiákban, hanem az extenzív, ún. low input technológiákban is, ahol a kémiai anyagok felhasználásában, pl. a peszticid kijuttatás csökkentésében, a termesztés stabilitásának fokozásában lehet meghatározó jelentősége. Mindezek a potenciális előnyök az extenzívebb technológiákban is eredményesen kamatoztathatók lennének a jövőben. Ehhez azonban még jelentős szemléletváltozásra van szükség, amihez nagyban hozzájárulhatna a környezetvédők elutasító álláspontjának megváltozása is. Egyre inkább terjedő technológiának számít az ún. organikus- vagy biogazdálkodás. Jelentősége főként Nyugat-Európában nő jelenleg, és több típusa alakult ki az elmúlt években. Nem szabadna figyelmen kívül hagyni a biogazdálkodásban előállítható termékek iránti növekvő fogyasztói igényeket. Mindenképpen szükséges, hogy az ökogazdálkodás is teret nyerjen a versenyszférában termelők között is. Ugyanis meg kell különböztetni az egyre szélesedő fogyasztói réteget kielégítő, a versenyszféra törvényszerűségei között tevékenykedő ökogazdálkodást a szociális alapon, vagy hobbi céljából végzett biotermesztéstől. Magyarország aszályra hajló éghajlata kiválóan alkalmas a versenyszférában működő ökogazdálkodásra, mivel kevesebb kémiai eredetű anyag felhasználásával van lehetőség jó minőségű biotermék termesztésére, mint Nyugat-Európában. Az ökológiailag érzékeny területek napjainkban is a növénytermesztésre kevésbé alkalmas, gyenge táperőben lévő földterületeket jelentik. A kevésbé nyereséges gazdálkodás miatt támogatásra szorulnak, amit a korszerű vidékfejlesztési rendszerbe ágyazva célszerű elvégezni. Jelentős részben nem a termesztés nyereségessége, hanem a lakosságmegtartás és a népesség foglalkoztatása a fő cél a táj jellegének, ökológiai egyensúlyának megőrzésével. A növénytermesztési technológiák megválasztásakor a környezetvédelmi előírások betartása élvez elsődlegességet. Éppen ezért ezek a területek kevésbé alkalmasak a versenyszférában működő növénytermesztésre. Esetünkben a helyi fogyasztásra történő termelés, a falusi turizmus, stb. kifejlesztése kínálhat újabb lehetőségeket.

Az alkalmazkodóképesség vizsgálata eltérő technológiai környezetben Az első kísérlet sorozatban Martonvásáron két technológiai színvonalon, intenzív és extenzív technológiai környezetben vizsgáltuk hároméves kísérletsorozatban fejlett, F6– F7 búzatörzsek termőképességét és minőségi tulajdonságait. A két technológia hatását jól reprezentálja, hogy a műtrágyázott kísérletben három év átlagában a törzsek átlagos termőképessége 5,48 t/ha, a műtrágyázatlan részben 4,47 t/ha volt, azaz 18,3%-ban maradtak el a törzsek a low input environmentben. A minőségi tulajdonságok közül a high input kísérletben az átlagos sikértartalom 36,8% volt, 4,1%-kal több a low input technológiához képest. (2. táblázat) 2. táblázat. Az F6–F7 nemesítési törzsek teljesítménye különböző termesztés technológiai környezetben (Martonvásár 2001 – 2002) Technológiai környezet Intenzív Extenzív

Termelés t/ha 4,52 4,27

Sikér tartalom % 36,8 34,8

Farinográf érték 72,5 79,1

Sikér index 75,0 80,2

Esésszám sec 396 393

A vizsgált nemesítési törzseket a továbbiakban termőképességük és minőségi tulajdonságaik alapján, a termőhelyenkénti adatokból elvégzett klaszter analízissel csoportosítottuk. A csoportba sorolást az Euklidészi négyzetes távolságon alapuló Ward módszerrel történt csoportosítás alapján közöljük. A cluster analízissel három csoportosítást végeztünk: a törzseket csoportosítottuk high input, low input valamint a két technológiai környezetben mért teljesítményük alapján. A cluster analízis eredményei azt mutatják, hogy a törzsek teljesítménye nagymértékben különbözik a high és a low input technológiai környezetben. Ugyanakkor megállapítható, hogy a két környezet adataiból végzett összesített analízis eredménye nagymértékben hasonló a low input környezetben kapott értékekhez, mivel több olyan csoport fellelhető mind az összesített cluster analízisben, mint azok, melyek a low input technológia cluster analízisében is előfordultak. Így például egy csoportot képez mind a low input, mind a két környezet átlagában a 04-02, a 07-02, a 12-02. Szintén egy csoportban található a 09-02, a 14-02, a 06-02, valamint 11-02 és a 15-02 törzs. Egyértelművé vált napjainkra, hogy az elmúlt fél évszázadban a mezőgazdaságon belül a növénytermesztés hatalmas fejlődésen ment át. Ugyanakkor egy új korszak még csak éppen, hogy elkezdődött, a valódi változások az Európai Unióba történt belépéssel gyorsulnak fel. A növénytermesztés fejlődését a többfunkciós mezőgazdaságba történő beilleszkedés sikere határozza meg. A hatékony gazdálkodás azon múlik, hogy mi

módon tud alkalmazkodni szerkezeti struktúrájával, termesztési technológiájával a fogyasztói igények kielégítésével a korábbi korszaknál bonyolultabb feladatokhoz. Minden bizonnyal nem lesz visszatérési lehetőség a korábbi évtizedek nagy termelési volumeneihez. A mennyiségi mutatók helyett a minőségi és hatékonysági paraméterek határozzák meg a magyar növénytermelés technológiai rendszereinek korszerűségét. A második kísérlet-sorozatban 2003-ban organikus termesztés technológiai környezetben, vizsgáltuk a martonvásári kiváló minőségű és nagy sikértartalmú búzafajták alkalmazkodóképességét. A két kísérletet a Tolna megyei Fornádpusztán ökogazdálkodásra hivatalosan bejegyzett területen állítottuk be. A biotermesztési feltételek között sem műtrágyát, sem kémiai növényvédőszereket vagy más kémiai eredetű anyagot nem használtunk fel. A kísérlet célja az volt, hogy megvizsgáljuk a kiváló malmi minőségű búza előállítására alkalmas genotípusokat, azok termőképességét és technológiai minőségét a hagyományos termelési módtól eltérő környezetben. Köztudott, hogy a hagyományos termesztésben felhasznált növényfajták teljesen másképpen reagálnak ökotermesztésben, ezért más fajtatípusra van szükség a két különböző technológiai környezetben. A másik fontos szempont az ökotermesztésre alkalmas fajták kiválasztásánál, hogy 2006-tól csak biovetőmagból termesztett búzát lehet értékesíteni biobúzaként, középtávon viszont várható, hogy organikus gazdálkodási feltételek között szelektált fajtát lehet a biotermesztésben használni. Magyarországon kiváló adottságokkal rendelkezünk a biobúza előállítására, és ez az előnyös adottság még javítható a kiváló malom- és sütőipari minőségű fajták termesztésével. Éppen ezért a két kísérletben már meglévő fajtákat, új búzatörzseket és kontrollként régi fajtákat vizsgáltunk. Mint a két kísérlet adataiból látható, hogy az organikus termesztésben a modern, kiváló minőségű fajták lényegesen jobb termőképességűek, mint a régi fajták, mivel a Bánkúti 1201 termett legkevesebbet, és a Bezosztaja 1 is elmaradt teljesítményben a modern fajtáktól. Ugyanakkor jó termőképessége volt organikus termesztési körülmények között az első kísérletben az Mv Ködmön, az Mv Suba és az Mv Süveges új kiváló minőségű martonvásári búzafajtának. Az eredményeink alapján e fajták mind organikus, mind hagyományos termesztési feltételek között sikeresen termeszthetők. A 2. kísérletben a legnagyobb termést egy olyan búza fajtajelölt adta, amely a hagyományos termesztési technológiában nem szerepelt sikeresen az elmúlt években, ezért nem kapott állami minősítést. Szintén kiemelkedő teljesítményt nyújtott a félintenzív típusú Martonvásári 4 fajta, amely a hetvenes években volt a hagyományos termesztésben. A minőségi tulajdonságok közül az első kísérletben a fehérjetartalom alapján az Mv Süveges, az Mv Verbunkos, valamint a 18-as törzs volt kiemelkedő. A

második kísérletben minden minőségi tulajdonságra átlagot meghaladó eredményt kaptunk az Mv Mazurka fajtával. Különösen figyelemre méltó az Mv Mazurka nagy fehérje tartalma mellett a 70%-ot meghaladó farinográf vízfelvétele, ami a sütőipar számára egy lényeges tulajdonság. Összességében megállapítható, hogy organikus termesztési körülmények között a vizsgált búza genotípusok közül 19-nek azonos vagy a Bánkúti 1201-et meghaladó volt a fehérjetartalma, 21-nek, pedig hasonló vagy jobb volt a sikér minősége a Zeleny érték alapján. A kemény endospermium szerkezetű, kiváló minőségű búza nemesítése a fenntartható növénytermesztési rendszerben a mezőgazdasági export lehetőségek figyelembe vételével A búza minőségének fogalma az utóbbi időszakban nagymértékben kiszélesedett a társadalomban végbement szemléleti változás miatt. Az Európai Unió élelmiszertermelésében a fogyasztói-, az élelmiszerbiztonsági és a környezetvédelmi igények kerültek mindenütt a középpontba, és ez meghatározza a magyar gabonatermelés minőségi szemléletét is. A gabona vertikumban szorosan ellenőrzött termékpálya alakul ki, amely a genetikai források kutatásával, a növénynemesítéssel kezdődik. Az egész élelmiszerlánc nyomon követhetőségének kiindulási pontját a pontosan definiált fajta fémzárolt vetőmagja képezi. Különösen fontossá vált a biztonság kérdése a géntechnológiai úton előállított fajták terjedésének időszakában, ugyanis az ismeretlen eredetű, minőségű és genetikai összetételű vetőmag ellentmond az élelmiszer- és környezetbiztonsági követelményeknek.

A búza minőségének kiszélesedett fogalma alapvetően három területet foglal magába:  a búza beltartalmi-, így a malom- és sütőipari, valamint más feldolgozóipari minősége, amely a fogyasztói igények, szokások és hagyományok alapján széles skálán mozog;  a búza mentessége a különböző toxinoktól, egészségre káros szennyező anyagoktól, genetikai szennyeződéstől, ami az élelmiszerbiztonságot veszélyeztetheti;  a búza termesztési környezetének minőségének megóvásáért felelős tulajdonságok, amelyek az alkalmazkodóképesség, a tápanyag hasznosítás és a biotikus, valamint az aboitikus rezisztencia tulajdonságok javításával a környezetbiztonságot szolgálják. A beltartalmi tulajdonságok közül Martonvásáron a fogyasztói igényeknek megfelelő sütőipari tulajdonságok nemesítése került előtérbe, és ez a folyamat még a nagy termőképességre törekvő nemesítést is háttérbe szorította az új szemléletből adódó követelmények miatt. Ennek tudható be, hogy a jelenleg legnagyobb területen termesztett búzafajták Magyarországon nem a legbőtermőbb fajták közül kerülnek ki, hanem azok, melyek a legnagyobb fehérjetartalmúak, jó sütőipari minőségűek, valamint a legjobb alkalmazkodóképességűek. A megváltozott termesztési technológia, elsősorban a kisebb műtrágya- és

növényvédőszer felhasználás következtében a nagyobb termés- és minőség stabilitású, a nagyobb fehérjetartalmú, valamint a jó szántóföldi betegségellenállóságú fajták termesztésének kedvez. Háttérbe szorultak az egyoldalúan nagy termésre képes, de a kedvező agronómiai feltételek híján kevésbé stabil teljesítményt adó fajták. A megváltozott minőségi követelmények, a termesztési technológia és a fajtakiválasztási kritériumok miatt a korábbi időszakhoz képest megnőtt a malomés sütőipari minőségért felelős genetikai bázis jelentősége, és emiatt felértékelődött a minőséget befolyásoló tulajdonságok meghatározásának és genetikai jellemzésének fontossága, tudatosabbá vált azoknak a nemesítési programokban történő felhasználása. Ez abban is megmutatkozik, hogy korábban, a termés centrikus termesztési időszakban a legjobb termőképességű törzsek közül választották ki a legjobb minőségű törzseket, addig most a legjobb minőségű törzsek közül szelektáljuk a legjobb termőképességűeket. A minőségi tulajdonságokra történő szelekció során a nemesítőnek mérlegelnie kell a tulajdonság poligénes jellegét, a genetikai bázis és a technológiai minőség közti összefüggéseket, az országonként változó technológiai szabványokat, amely speciális helyzetet jelent más agronómiai tulajdonsághoz viszonyítva. Ez különösen jelentős az exportra termelő országokban. Így Magyarországon is fontos kérdés, mivel a megtermelt búza mintegy harmada exportra kerül, elsősorban az Európai Unió országaiba, ahol az egységesítések ellenére is szinte országonként eltérő sütőipari technológiák és búza minőségi szabványok vannak jelenleg is. A martonvásári búzanemesítési program alapvető célkitűzése a hagyományokra épülő kutatási stratégia kialakítása, amit a korszerű nemesítési módszerekkel kívánunk fejleszteni. A hagyományos magyar búza azzal volt versenyképes a nemzetközi piacon, hogy jó malom- és sütőipari minőségű, kemény endospermium szerkezetű fajták voltak a termesztésben. Az endospermium struktúráját szabályozó elsődleges régió az 5D kromoszóma rövid karján található (McIntosh 1988). A szemkeménység az endospermiumban található keményítőszemcsék, valamint a fehérjemátrix közötti kapcsolat erősségének függvénye. Puhaszemű fajtákban gyengébb, keményszeműekben erősebb a különböző komponensek közötti kötődés. A komponensek közötti kölcsönhatás erősségét egy 15 kDa méretű fehérje, a friabilin szabályozza (Oda et al., 1992). Ez a fehérje a puhaszemű típusokban jóval nagyobb mennyiségben mutatható ki a keményítőszemcsék felületéhez kötődve, míg a keményszemű típusokban a friabilin nem, vagy csak kis mennyiségben termelődik (Hoseney 1994), ennek megfelelően a valóságban nem a keménység kódolt genetikailag, hanem a puhaság. A szelektált törzsek szemkeménysége elsősorban függ a keresztezési partnerek szemkeménységétől. Ez a tulajdonság jól öröklődik, heritabilitása Davis et al. (1961) szerint kemény x puhaszemű kombináció esetén

0,60, Pearson et al. kísérleteiben 0,72 volt. Jolly et al. (1996) kísérleteiben a puhaszemű jelleg domináns tulajdonságként öröklődött, a hasadási arány 3:1 lett a puha : keményszemű genotípusok javára. A martonvásári búzafajták szemkeménysége és minősége A martonvásári búzafajtákat az állami elismerés ideje alapján két csoportba osztottuk fel. Amíg a hetvenes években 8, a nyolcvanas években 9, addig a kilencvenes években 26 őszibúza fajtánk részesült állami minősítésben. Így jelentősen megnőtt az államilag elismert martonvásári fajták száma. A kilencvenes évek előtt elismerést kapott fajták közül néhány éven keresztül igen elterjedt martonvásári fajta volt, a Martonvásári 8 volt, amely a puhaszemű csoportba sorolható. Ugyanakkor több keményszemű martonvásári búzafajta is széles körben volt a termesztésben, mint például a Martonvásári 4, a Martonvásári 9, a Martonvásári 12, a Martonvásári 15 és a Martonvásári 16. Ez utóbbi fajták elterjedtsége általában kisebb arányú, de hosszabb idejű volt, mint a puhaszemű Martonvásári 8-é. A kilencvenes években minősített fajták közül 18 keményszemű és 8 puhaszemű. Megállapítható, hogy a korábbi időszakhoz képest nem változott lényegesen a puhaszemű és a keményszemű fajták aránya. E fajták között is többségben vannak a keményszemű fajták, mintegy 70%-át teszik ki az összes fajtának. Még jobb az arány a keményszemű búzafajták javára, ha a kilencvenes években minősített fajták termesztésben való elterjedését nézzük. A Martonvásári 23 kivételével a puhaszemű fajták nem tudtak elterjedni nagyobb területen. Ez utóbbi fajta egy olyan puhaszemű kenyérbúza típust reprezentál, amely a puhaszemű jellege ellenére jó sütőipari tulajdonságú is volt, több évben átlagosnál jobb volt a sütőipari értéke és a sikértartalma, ugyanakkor a minőségi tulajdonságainak stabilitása nem minden évjáratban volt kielégítő. A keményszemű búzafajták közül a Martonvásári 19, a Martonvásári 21, a Fatima 2, az Mv Pálma, az Mv Optima, az Mv Vilma és az Mv Magvas széleskörűen bevált a termesztésben. Külön említésre méltó a nagy sikértartalmú Mv Emma, Mv Magdaléna és az Mv Csárdás melyek nagy népszerűségnek örvendenek a jó minőségű búzát előállító termelők között. Búzafajtáink választékának növeléséhez a martonvásári búzanemesítés 2000 óta újabb 15 fajtával járult hozzá. Ez a 15 új fajta mind a kemény endospermium szerkezetű fajtákhoz sorolható, és a 15-ből 9 fajta az átlagosnál nagyobb fehérjetartalmú, jó, vagy kiváló malom- és sütőipari minőségű. E fajták közül az Mv Palotást 2000-ben minősítették és kiváló sütőipari minősége miatt igen gyorsan népszerűvé vált, így a harmadik legnépszerűbb fajta lett 2003 őszén a fémzárolt vetőmag mennyisége alapján. A 2001-ben minősített Mv Verbunkos elsősorban nagy fehérjetartalmával tűnt ki.

A 2002-ben és a 2003-ban minősített 7 legújabb nagy fehérjetartalmú martonvásári búzafajta fehérjetartalma minden esetben eléri, vagy meghaladja a 15%-ot, a nedvessikér tartalom 32,2 és 42,4% között mozog, és az A2, vagy A1 farinográf csoportba tartozik. A minőség-centrikus búzatermesztési szemléletnek, valamint a nagy fehérjetartalmú martonvásári búzafajták termesztési eredményeinek köszönhetően 2003. év őszén az Mv Magdaléna, az Mv Csárdás, az Mv Palotás és az Mv Magvas került az első négy helyre a fémzárolt vetőmag forgalom alapján Magyarországon. A martonvásári fajták részaránya jóval meghaladta az 50%-ot a vetőmagkereskedelemben, ami a minőség orientált fajtaválasztást bizonyítja a magyar búzatermesztésben. Összefoglalva megállapítható, hogy a martonvásári búzanemesítési program fajtáinak és nemesítési törzseinek vizsgálata alapján az egyes paraméterek és a szemkeménység index között közepesen erős korrelációt kaptunk a Zeleny értékkel, és a sikértartalommal, szorosabb volt az összefüggés a farinográfos vízfelvétellel. A későbbi generációkban kevésbé volt szoros az összefüggés a szemkeménység és a minőségi tulajdonságok között az F4 generáció eredményeihez képest. Ez betudható egyrészt annak, hogy a későbbi generációkban történő folyamatos szelekció során a nemesítő számos más agronómiai tulajdonságot is mérlegel a kiválogatás során, másrészt adódik a malom- és sütőipari minőség összetett jellegéből, amit egyetlen paraméterrel, a szemkeménységgel orientálni lehet a korai generációkban a nagyobb mintaszám vizsgálata esetén, de a későbbi generációkban csakis több minőségi paraméter alapján dönthető el a szelektált törzsek malom- és sütőipari értéke. A fenntartható növénytermesztési rendszerben felhasználható, extrém aszályos agroökológiai körülményeknek ellenálló búzafajta A fenntartható növénytermesztési rendszerben felhasználható kenyérbúza fajták rendszerint nem egy-egy tulajdonság rekord értékével, hanem több fontos paraméter jó szintjének harmóniájával tűnnek ki. A korábbi évek eredményei alapján a 2001-ben államilag elismert Mv Mambó fajtára úgy tekintettünk, mint amelyik az új fajták egyik legjobbja, és aminek igen széleskörű elterjedésre van esélye. Ezt a véleményünket a külföldi tapasztalatok és a 2003. évi tragikusan aszályos év eredményei megerősítették. Az Mv Mambó 1999 és 2003 között az állami fajtakísérletekben és a minősített fajták kísérletében összesen 70 kísérleti helyen szerepelt. (3. táblázat) Az öt év között találunk csapadékos, átlagos, száraz és nagyon száraz időjárású évet egyaránt, így a fajta viselkedése 2-10 t/ha intervallumban vizsgálható. A Mambó kiváló alkalmazkodó képességét mutatja, hogy a termőhelyi adottságok által determinált kísérleti átlaghoz képest 0,32 t/ha terméstöbbletet volt képes elérni ebben a széles tartományban. Az, hogy a fajta a fungicid használata nélkül

beállított kísérletekben 8-10 t/ha termésszinten is versenyképes, mutatja, hogy a rendelkezésre álló tápanyagot és vizet jól hasznosítja, ezért potenciális termőképessége magas, ugyanakkor még ilyen, a gomba kórokozók számára is optimális viszonyok között sem betegszik meg olyan mértékben, hogy az a termést csökkentené. A kiváló télállóság, erős szár és megbízható szántóföldi betegség ellenállóság nagyban hozzájárul az Mv Mambó biztonságos termesztéséhez. A fajta elterjedésének előre jelzésekor azonban fontosabbak a 3-6 t/ha átlagtermésű kísérleti helyeken mért adatok, hiszen a magyar búzatermelők többsége ilyen feltételek között dolgozik. Az alacsonyabb termésszint legtöbbször a korlátozott tápanyag ellátottságra vagy a szárazságra vezethető vissza. Ebben a termés intervallumban a Mambó még versenyképesebb. A fajta igen nagy előnye - a kiváló szárazságtűrés és hőtűrés - már az egymást követő második évben megmutatkozik. Ez teszi lehetővé, hogy a szemtelítődés más fajtákhoz képest tovább folytatódjon, és kitelt szemek fejlődjenek a nálunk jellemző aszályos időjárási feltételek között is. 2003-ban, amikor a szárazság a szárbaindulás idején kezdődött és nem volt jelentős csapadék a betakarításig, az átlagosnál melegebb átlaghőmérséklet ellenére az Mv Mambó eddigi legkimagaslóbb eredményeit érte el a kísérletekben (4. táblázat), és hasonló képet mutatott az üzemi táblákon is. Az Mv Mambó Gransol néven 2003-ban kapott állami elismerést Olaszországban. A hazánkétól eltérő klimatikus adottságok között a fajta több más tulajdonsága is próbára van téve. Amellett, hogy túl kell élnie a mediterrán nyár melegét, rezisztensnek kell lennie a rendszeresen fellépő sárgarozsdával szemben is. E tulajdonságát 2001-ben Magyarországon is megismerhettük. Olaszországban kritikus agronómiai tulajdonság a megdőlés ellenállóság. Csak olyan fajta lehet sikeres, amely esetében a gyors szárbaindulás nem jár a szövetek fellazulásával, és amelynek szármagassága és szárszilárdsága magas termésszinten sem változik jelentősen. Sok Olaszországban kipróbált féltörpe búzatörzsünk közül kevés rendelkezik ilyen tulajdonságokkal.

3. táblázat. A legnagyobb termőképességű, aszálytűrő korai búzafajta: Mv Mambó (OMMI adatok, 2003) Termésátlag Fajta t/ha % Mv Mambó 5,20 108,7 Kísérlet átlaga 4,78 100,0 SzD5% 0.23 4,8

Teljesen más klimatikus és termesztési feltételek között a fajta Franciaországban, Törökországban és Kazahsztánban is jól szerepelt. A magyar

fajták jó alkalmazkodó képességét mutatja, hogy az utóbbi országban az Mv Mambó 196 vizsgált fajta között a harmadik legmagasabb termést adta. A mai piaci feltételek között az agronómiai tulajdonságok magas szintje nem elég a sikerhez, ha a sütőipari minőség elmarad a kívánalmaktól. Legnagyobb volumenben B1 minőségű malmi búzára van szükség, amit vagy genetikailag ennél jobb minőséggel rendelkező fajtákkal, vagy pedig átlagosnál jobb minőségstabilitású, stabilan B1 minőségű fajtákkal lehet megtermelni. Az Mv Mambó nedvessikér-tartalma a kísérletekben mindig meghaladta a 30%-ot (5.táblázat). Az utolsó három évből rendelkezésre álló üzemi fajtasorokban sikértartalma 2001-ben és 2002-ben jellemzően 32-33%. 2003-ban 11 termőhelyről állnak rendelkezésre sikér adatok, ezek 28-38% között ingadoznak, átlagos értékük pedig 31,8%. Farinográffal mért minősége jellemzően B1. A termőhelyek 20-30%-án a minőség eléri az A2 kategóriát (2003-ban az A1-et), és minden évben egy termőhelyen adott ennél gyengébb minőségű termést. A 300-as értéket megközelítő magas alveográfos „W” érték szintén jó minőségére utal. Stabil esésszáma, optimális sikérterülése nagyban hozzájárul ahhoz, hogy minősége nedves és száraz évben egyaránt jó legyen. Tekintve, hogy az üzemi minőség adatok többsége tápanyaggal átlagosan vagy mérsékelten ellátott tábláról származik, szélesebb körű termesztés esetén is nagy biztonsággal számíthatunk a megfelelő minőségre. 4. táblázat. Az Mv Mambó minőségvizsgálati eredményei (OMMI, 2002) Tulajdonság Sikértartalom (%) 34,2 Sikérterülés (mm) 4,0 Fehérjetartalom (%) 14,0 Farinográf érték 63,3 (B1) Farinográf vízfelvétel (%) 62,7

Az Mv Mambó vetőmagjából az igényeket eddig még nem tudtuk maradéktalanul kielégíteni, de a szaporító területének növekedésével mind többen jutnak hozzá kipróbálásra. Összefoglalás A fenntarthatóság fogalma a kezdeti időszakban elsősorban a környezet fenntarthatóságával kapcsolódott össze az egyre súlyosabbá váló globális problémákból adódóan. A megoldás keresés során azonban előtérbe kerül a fenntartható fejlődés komplex módon történő megközelítése. Mindinkább egyértelművé válik, hogy a környezet fenntarthatósága mellett a sikeres és tartós megoldást csakis az ökonómiai és a társadalmi fenntarthatóság biztosításával együtt lehet elérni. Különösen vonatkozik ez a megállapítás a mezőgazdaságra, mivel a meglévő problémák egyedül a környezeti szempontok alapján nem oldhatók meg. Az ökológiai, a közgazdasági és a társadalmi kihívások együttes

kezelése adhatja meg a megfelelő választ a fenntartható fejlődés kérdéseire. Ez egyben azt is jelenti, hogy a mezőgazdaság feladatai átalakulnak, más, valamint több funkciót lát el, mint a korábbi időszakokban. Az új feladatok megoldása, pedig új technológiai rendszerek kidolgozását teszi szükségessé, ami a kutatás és fejlesztés felgyorsítását igényli az egész világon. A növénytermesztés fenntarthatóságának vizsgálata során tanulmányoztuk a többfunkciós mezőgazdaságban felhasználható alapvető termesztési technológiákat. Kísérleteinkben vizsgáltuk a teljesen vegyszerhasználat-mentes organikus gazdálkodástól kezdve az extenzív (low input) és az intenzív (high input) technológiáig minden termesztési eljárást, ami a különböző agroökológiai régióban a leginkább garantálhatja a sokoldalú fenntarthatóságot. Meghatároztuk a különböző technológiai környezetben jól alkalmazkodó, javító minőségű búzafajtákat. Az eddigi eredmények alapján azt a következtetést lehet levonni, hogy a magyar agroökológiai feltételek kiválóan alkalmasak a minőség-orientált termesztés fejlesztésére, és regionális adottságoktól függően az Európai Unió piacain egyre inkább felértékelődő extenzív, környezetbarát gazdálkodásból valamint organikus termesztésből származó termékek előállítására. Irodalom Barabás Z., Matuz J., Kertész Z. (1987) A búza nemesítése. In: Barabás Z. (ed.): A búzatermesztés kézikönyve. Mezőgazdasági Kiadó, Budapest. 117-222. Davis, W. H., Middleton, G. K., Herbert, T. T. (1961) Inheritance of protein, texture, and yield in wheat. Crop Sci. 1: 235-238. Hoseney, C. R. (1994) Principles of cereal science and technology. AACC, St. Paul, MN, USA Jolly-CJ, Glenn-GM, Rahman S. (1996) Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, (93) 2408-2413. McIntosh, R. A. (1988) Catalogue of gene symbols for wheat. In: Proc. of the Seventh Int. Wheat Genet. Symp. Vol. 2: 1225-1323. Oda, S, Komae, K, Yasui, T, (1992) Relation between starch granule protein and endosperm softness in Japanese wheat (Triticum aestivum L.) cultivars. Japan. J. Breed., 42: 161-165. Vida Gy, Bedő Z. (1999) Őszi aestivum- és durumbúza-genotípusok szemkeménysége és más sütőipari minőségi tulajdonságai közötti összefüggések elemzése főkomponens-analízissel. Növénytermelés 48, 33-42.

NÉMETH TAMÁS MTA Talajtani és Agrokémiai Kutatóintézet

A fenntartható gazdálkodást megalapozó talajvédelmi beavatkozások vizsgálata Bevezetés A fenntartható fejlődés (fejlesztés) egyik döntő alapelve, a természeti erőforrások hosszú távú védelmének biztosítása. Ez nem csak a nemzetközi egyezményekből (Agenda 21), tagságunkból (OECD, WTO, Európa Tanács), valamint az EU szabályozások harmonizációs feladataiból származó kötelezettség, hanem versenyképességünk növelésének egyik fontos tényezője. Szükséges az ország számára korszerű, agrár-környezetgazdálkodás megvalósítása, amely lehetővé teszi egy olyan modernizációs pálya kialakítását, ami környezetkímélő, energiatakarékos és hulladékszegény technológiák alkalmazását, az ország komparatív előnyeit és szaktudását kihasználó, magas értékű innovációs fejlesztéseken alapul. Az Európai Unió “A környezet védelmét és a táj megőrzését szolgáló mezőgazdasági termelési módok támogatásáról” szóló 2078/92 számú Tanácsi rendeletével összhangban, a Nemzeti Agrár-környezetvédelmi Program (NAP) legfontosabb célkitűzése olyan gazdálkodási gyakorlat kialakítása, amely a természeti erőforrások fenntartható használatán, a természeti értékek, a biodiverzitás megőrzésén, a táj értékeinek megóvásán és egészséges termékek előállításán alapszik.

Legfontosabb célkitűzések:  Hozzájárulás a fenntartható földhasználat, ésszerű területhasználati rendszer, illetve Magyarország agroökológiai adottságainak megfelelő kiegyensúlyozott és stabil földhasználati struktúrájának kialakításához  Környezetkímélő termelési módszerek széles körű elterjesztése, ezáltal a környezetvédelmi célkitűzések megvalósulása, természeti értékeink, a táj, a termőföld és a vízkészletek állapotának megőrzése és javítása. A mezőgazdaság tekintetében a fenntartható fejlődés koncepciója, a környezet védelmének igénye egyre inkább az érdeklődés középpontjába állítja az agrárgazdaság fejlesztését és felzárkóztatását az európai átlaghoz. A mezőgazdaság gyors és hatékony felzárkóztatásához szükséges a növénytermesztési szerkezetváltás vizsgálata, illetve a termesztést károsan befolyásoló talajdegradációs folyamatok megakadályozása, csökkentése. A termőföld nemzeti kincs. Magyarország legfontosabb – megújítható – természeti erőforrása a termőtalaj, melynek értéke a nemzeti vagyon 1/5-e, az ismert ásványi nyersanyagok értékének több mint kétszerese. Hazánk teljes

területének mintegy 2/3-án kb. 6,5 millió hektáron folyik mezőgazdasági tevékenység, az 1 főre jutó művelt terület vonatkozásában az európai élvonalba tartozunk. Helyzetünk mégsem kedvező, mivel a talajkészleteink mennyiségi csökkenése mellett talajaink minősége is folyamatosan romlik. A talaj minőségének megőrzése termékenységének fenntartása fontos feladat. A talaj minőségét termékenységét leronthatják a különböző talajhibák és degradációs folyamatok. Talajhibák és talajdegradációs folyamatok: talajhibának a talajtermékenységet csökkentő kedvezőtlen tulajdonságokat, ill. talajhasználatot korlátozó különböző anyagok előfordulását (pl. kő kavics stb.) értjük. Jelentősebb talajhiba esetén a gyökérképződés is akadályozott. A talajhibák termékenységet csökkentő mértéke függ a talajhiba fajtájától megjelenési mélységétől. Legkedvezőtlenebb, ha a jelentős mértékű talajhiba a felszíni rétegben, ill. annak közelében már előfordul. Talajhibák csoportosítása Igen jelentős termőréteg csökkentő talajhibák: A talajfelszínen, ill. közelében előforduló tömör kőzet, mészkőpad homokkő, erősen glejes réteg, cementált kavics magas sótartalom, szódalúgosság, nátrium tartalom. Jelentősebb termékenységet csökkentő talajhibák: − durva homok, szélsőségesen magas agyag tartalom, tömődött rétegek, − mélyebb rétegekben előforduló magas sótartalom, glejes rétegek, − magas mésztartalmú felhalmozódási szintek, − savanyúság, − magas talajvíz. Kisebb termékenységet korlátozó talajhibák: Magas mésztartalom, tömődöttség, kedvezőtlen talajszerkezet, magas de nem káros sótartalom, kissé savanyú kémhatás, igen magas vagy igen kicsi tápanyagellátottság stb. Talajdegradációs folyamatok Talajdegradáció: a talaj termékenységét csökkentő káros folyamatok, és a talajt érő különböző káros hatások. A leggyakoribb talajdegradációs folyamatok Magyarországon: − Savanyúsodás − Szikesedés, sófelhalmozódás − Humuszveszteségek - víz- és szélerózió− Elvizenyősödés, belvíz − Egyéb fizikai, biológiai degradációs folyamatok − Szennyeződés Savanyúsodás

Hazánk mezőgazdaságilag hasznosított területének több mint 25%-án (mintegy 2,2 millió ha-on) savanyú talajokat találunk. A savanyú kémhatású, telítetlen talajok kialakulásának alapvető oka: − a talaj folyamatos, erős kilúgozása vagy, − az eleve savanyú talajképző kőzet lehet. (Egyes talajoknál ez a két hatás együtt jelenik meg, így igen nagy mértékű lehet a talaj elsavanyodása.) A savanyú talajok csoportjába következő talajtípusok tartoznak: Legnagyobb részük az erdőtalajok főtípusába, más részük pedig a savanyú réti és a savanyú öntéstalajok csoportjába sorolható. A talajsavanyúság forrásai: − a gyökér és mikroorganizmusok légzése által termelt CO2, − élő szervezetek által kiválasztott szerves savak. A mezőgazdaságilag hasznosított területek savanyodását előidézheti vagy gyorsíthatja a savas hatású műtrágyák használata, egyes helyeken pedig az ipari és közlekedési eredetű légköri savas üledékek. Savanyúság káros hatásai: − Savanyú közegben nem következik be a humuszanyagok koagulációja − A savanyúság erősödésével, (amikor a pH <5,5) nő az oldatban a szabad mangán (Mn2+) ionok mennyisége, s ez egy meghatározott értéken túl toxikus hatású a növények számára. Az Al3+ nagy koncentrációja emellett korlátozza a foszfor, a kalcium, a magnézium és a vas felvételét is. Savanyú talajban a biológiai tevékenység is csökken. A mineralizáció vontatottabb, a nitrifikáció visszaszorul, és kismértékű ammónium-felhalmozódás figyelhető meg. Szikesedés A szikes talajok nagyságrendjüket tekintve javítás szempontjából a második helyen állnak. Területi kiterjedésük a másodlagosan elszikesedett talajokkal együtt kb. 0,6 millió hektár. E talajok kialakulása során végbemenő sófelhalmozódási folyamatok hatására a nagy koncentrációjú talajoldatból nátrium-ionok adszorbeálódnak a kolloidok felületén. A szikes talajok jellemzője: az adszorpciós komplexusban a nátrium-ionok aránya az "S" érték (Na, K, Ca, Mg) viszonyában az 5 %-ot meghaladja. A szikesedés folyamata akkor megy végbe, ha a folyadékfázisban a vízben oldható sókhoz viszonyítva a nátrium sók mennyisége megnövekszik. A szikesség kedvezőtlen hatásai: − leromlanak a talajok kémiai és fizikai tulajdonságai, − gyengék a talajkolloid szerkezeti tulajdonságai, − erőteljesen duzzadnak, víz hatására szétfolyóvá, szárazság esetén repedezve "kőkeménnyé" válnak, − nehezen művelhetők,

− − − −

vízgazdálkodásuk rendkívül kedvezőtlen, a vízáteresztő képességük rossz, erősen tömődöttek, gyakori a belvízelöntés, ebből eredően a belvízkár. A szikes talajok az említett tulajdonságok miatt rossz drénviszonyokkal rendelkeznek, éppen ezért – mivel a sók lemosódni nem tudnak – sótartalmuk jelentős. − A magas sótartalom a növényekre toxikus lehet, s a talajban megnövekedett ozmózisos nyomás folytán a vízfelvétel akadályozott. A kártétel mértéke attól is függ, hogy a növények a vízben oldható sókra mennyire érzékenyek. − a szikes talajoknál a nátrium-ionok részaránya a talaj pH-ját is erőteljesen befolyásolja. Amennyiben a pH érték 9-en felüli, úgy a szikesedést az alkáli fémek karbonátjai idézik elő (elsősorban a szóda). − A sók mérgező hatásukat nemcsak a növényekre, hanem a talaj mikroorganizmusaira is kifejtik, lassítják az élettevékenységeket, esetleg pusztulást okoznak. − Erősen lúgos kémhatás esetén a szerves kötésű nitrogén lebomlása csökken, s ezáltal romlik a talaj tápanyag-gazdálkodása. Vízerózió: a pusztító jellegű folyamatok összessége, amikor a felszínről elfolyó és lejtőn lerohanó víz, magával sodorja a talaj felső termékeny humuszos rétegét. A vízerózió hatására a humuszos réteg elvékonyodik vagy eltűnik, és ezáltal a termékenység leromlik. Magyarországon az erózióval veszélyeztetett területek nagysága kb. 2,3 millió ha. A vízerózió kialakulásában részt vevő főbb kiváltó és befolyásoló tényezők: Természeti tényezők: − sok hirtelen leeső csapadék, heves esőzés, hirtelen hóolvadás, − lejtős domborzati viszonyok (befolyásol a meredekség, hosszúság, alak, kitettség), − növényborítottság hiánya-fedetlen talajfelszín, − kedvezőtlen vízgazdálkodási tulajdonságok (gyenge víznyelő képesség gyenge vízáteresztő képesség, felszín közeli vizet kevésbé áteresztő réteg stb.), − leromlott elporosodott talajszerkezet, − kedvezőtlen, talajnedvességi állapota (száraz talajfelszín jelentős csepperózió, a talajmorzsák szétesése), − talajfelszín érdessége, − emberi tevékenység kedvezőtlen hatásai: − okszerűtlen területhasználat, − nem megfelelő művelési ág és vetésszerkezet (erdőkivágás erózióval erősen veszélyeztetett területen, kapás növények termesztése), − túl nagy vagy túl keskeny táblaméret, − nem megfelelő agrotechnika (pl. hegy völgy irányú művelés. Az erózió fokozatai: felületi, barázdás, árkos, szakadékos (vízmosásos)

Az erózió mértéke szerinti csoportosítás: − nem erodált talajok, − gyengén erodált talajok, − közepesen erodált talajok, − erősen erodált talajok, − talajképző kőzetig erodált talajok, − lehordott talaj felhalmozódási területei, Az erózió mértékének meghatározása a helyszíni felvételezéskor már eldönthető, amit az elvégzett talajvizsgálatok támasztanak alá. Az erodáltság mértékét akkor a legkönnyebb a helyszínen meghatározni, ha a területen sikerül feltárni egy ún. eredeti teljes szelvényt, ahol az erózió mértéke minimális. Sajnos nehéz találni egy adott területen egy ún. eredeti talajszelvényt, (gyakorlatban ritkán fordul elő) amihez képest az összehasonlítást el lehetne végezni. Az erózió mértékére vonatkozóan elsősorban a humuszos réteg vastagsága másodsorban a humusztartalom, valamint a többi talajtani paraméter az iránymutató (pl. savanyúság mésztartalom fizikai féleség stb.). Megjegyezzük, hogy igen nehéz megmondani egy talaj B-szintjének maradványaiból, hogy milyen volt az eredeti (ami erdő alatt volt). Mezőgazdasági művelés, forgatás következtében az eredeti szintek átrendeződtek. Gyengén erodált talajok: ahol az erózió az A-szintet vagy annak egy részét érintette. Közepesen erodált talajok: ahol az erózió az A-szintet teljesen lemosta és a Bszint felső részét is érintette. Erősen erodált talajok: ahol az erózió a B-szint legnagyobb részét lemosta, és a Bszintnek csak az alsó része maradt meg. Talajképző kőzetig erodált talajok: ahol a C-szint, azaz az alapkőzet van a felszínen, legfeljebb gyengén humuszos. Az ilyen talajok a földes kopár talajokhoz közelítenek, ill. oda is sorolhatók. A lehordott talaj felhalmozódási területei: igen változó tulajdonságú talajrétegek alkotják, a rétegek között nincs genetikai kapcsolat. A lejtő alján lévő talajok termékenysége igen különböző, gyakran a humuszos réteg igen vastag – ezek a legtermékenyebbek, – néhol az eltemetett humuszos réteg felett egy kisebb humusztartalmú talajréteg található (pl. egy erősen erodált foltról történik a lehordás). Összességében elmondható hogy az eróziós veszély ott a legnagyobb, ill. az erősen erodált területek ott alakultak ki, ahol a löszös alapkőzet közel van a talajfelszínhez, Ilyen területekre jellemző a nagyfokú talajtani heterogenitás, foltonkénti változatosság eltérő talajjellemzők (sok helyen láthatók sárgás színű, erősen erodált, humuszban szegény talajfoltok. A vízerózió káros hatásai:

Növényzetben: kipusztulás, fulladás (szedimentációs területeken), minőségromlás Vizekben: különböző szennyezések, feliszapolódás Talajban: − szervesanyag-készlet csökkenés (vékonyodik a humuszos réteg), − biológiai aktivitás csökkenés, − termőréteg-csökkenés, talajhibás szintek felszínhez közelebb való elhelyezkedése, − kémhatás és mésztartalom változás (savanyúsodás-lúgosodás), − tápanyagkészlet változás (jelentős csökkenés, ahonnan lehordódik a talaj, esetleg növekedés, ahová lehordja (pl.: völgyfenék), − peszticidek és egyéb károsító anyagok felhalmozódása a völgyfenéki, mélyebb fekvésű részeken, − a terület művelhetősége nehezebbé válik (árok, barázda, stb.). A talajlepusztulás következtében jönnek létre a humuszban szegény talajokkal jellemzett területek, ill. talajfoltok. Az előbbiekben leírtak alapján a - vízerózió következtében- leggyengébb humuszviszonyokkal a löszös alapkőzeten kialakult területek rendelkeznek. Ez különösen ott fordul elő, ahol a löszös alapkőzet közel van a talajfelszínhez (kicsi a humuszos réteg, ill. a humuszos réteg + felhalmozódási szint együttes vastagsága). Szélerózió (defláció): szél által előidézett talajpusztulás. A szélerózió elsősorban a homoktalajokon léphet fel, de emellett kiszáradt lápon és leromlott talajszerkezetű mindenféle fizikai tulajdonságú talajon jelentkezhet. Hazánkban a szélerózióval veszélyeztetett terület nagysága kb. 1,4 millió ha. A szélerózió kiváltó okok elsősorban a következők: − erős szél, különösen kora tavaszi (böjti) szelek, − állandó növénytakaró hiánya, − száraz, laza talajfelszín, − kedvezőtlen talajszerkezet. − a szélerózió mértékét fokozhatja: a szélvédő erdősávok kivágása, − erdőkivágás, gyepfeltörés, − többszintes művelési módok megszüntetése, − fellazított homoktalajok, pl. tereprendezés elvégzése után. A szélerózió károsító hatása növényben: − növénysérülés, asszimilációs felület csökkenése, − apró magvak elszállítása, − növényfulladás (különösen a vegetáció elején) amikor a növényeket betemeti az odasodródott talaj. Szélerózió hatása a talajban: − szerkezetromlás, aszályérzékenység növekedés, − jobb minőségű földek termékenység csökkenése, ha oda gyengébb minőségű talaj szállítódik,

− talajszennyezések (pl. gyomírtószert, vagy egyéb káros anyagokat a szél eltéríti), − humuszveszteség. Elvizenyősödés Túlzottan káros talajnedvességi viszonyok jelenléte, ahol a belvízképződés könnyen kialakulhat. Az elvizenyősödés okai: a.) Meteorológiai tényezők − Nagy mennyiségű évi csapadék. − Tartós csapadékos időszakok, évjáratok. − Hirtelen lezúduló, nagy intenzitású csapadék. − Hirtelen hóolvadás. b.) Folyók, patakok kiöntése az ártérre (árvizek), tartós vízborítottság, vizek lassú levonulása − Vízfolyásokból (folyó, patak, csatorna, árok) elszivárgó fakadó vizek. c.) Talajviszonyok: − Magas talajvízszint állandó vagy időszakos jelleggel. − Nagymértékű talajvíz-ingadozás. d.) Domborzati viszonyok, terület fekvése: − Dombok, hegyek alján, vízfolyások mentén kialakulhatnak káros nedvességviszonyok a hirtelen lezúduló csapadék vagy gyors hóolvadás után. − Sík területeken a mélyebb, lefolyástalan laposokban az összefolyás következtében nagyobb víztöbblet keletkezik. e.) Talajviszonyok, talajtani okok: igen gyenge víznyelő, vízvezető képesség, melynek leggyakoribb okai: − szikesség, − glejesség, − sekély termőréteg, − szélsőségesen magas agyagtartalom, − rossz szerkezet (tömődöttség), − a talajban a gyökérzónában állandó magas víztartalom. Az elvizenyösődés, káros vízbőség hatása a talajra: − láposodási folyamat elindulása, − eliszapolódás szerkezetromlás (kiszáradva repedezettség, cserepedés áll fenn), pórusok eltömődése, − pangó vizek, glejes rétegek keletkezése, − tömődöttség kialakulása, fokozódása, − levegőtlenség, redukciós folyamatok előtérbe kerülése, anaerob viszonyok kialakulása,

− tápanyag-feltáródás, felvehetőség kedvezőtlenné válása (pl. nitrátok kimosódása a talajvízbe, baktériumok nitrátok oxigénjét felhasználva NO2, ill. nitrogén szabadul fel. − biológiai talajélet kedvezőtlenné válása, lelassulása, akadályoztatása (csökken a talajhőmérséklet kevés a talajlevegő). − másodlagos szikesedés a felszíni rétegekbe jutó magas sótartalmú és nátriumtartalmú talajvizek megemelkedése miatt. − talaj művelhetősége korlátozott, a talajművelést nem lehet megfelelő időben elvégezni. Az elvizenyősödés, káros vízbőség hatása a növényekre: − Gyökérzet károsodása, − fejlődési rendellenességek, − színbeli és magasságbeli különbségek, − termésmennyiség csökkenés, − minőségromlás, − növényzet kipusztulása. Egyéb fizikai degradációk, szerkezetleromlások Szerkezetleromlás, tömődöttség kialakulása okai: − nagy intenzitású eső (természetes tényező), − helytelen agrotechnika, − nagy, nehéz gépek - taposási kár, − nem optimális időben végzett talajművelés (túl nedves, túl száraz állapot), − azonos mélységben történő szántás, eketalpréteg, − helytelen öntözésből adódó talajszerkezet-romlások cserepesedés eliszapolódás). Talajszennyezés Az ipari-technikai fejlődéssel együtt jelentősen megnőtt a levegőbe, a talajba és a felszíni vizekbe kerülő káros anyagok mennyisége, a környezet szennyeződése. Talajszennyezésen értjük a talajba különféle úton bejutó, ill. bevitt káros anyagokat, melynek következtében csökken a talajok termékenysége, használhatósága. Talajszennyezésnek minősül minden olyan káros terhelés, szerves vagy ásványi anyag, ill. technológia, mely a talaj funkcióit veszélyezteti. A talajszennyezettség okai leggyakrabban a következők: − ipari eredetű szennyezések levegőből (olaj, nehézfém, kén, nitrogén, foszforvegyületek, stb.), − ipari és kommunális szennyvizek és iszapok nem szakszerű felhasználásából adódó szennyezések,

− hulladéklerakók, égetők, szemétlerakók környezetének szennyezései. (Sajnálatos, hogy egyre több, különösen Budapest környékén a nem művelt területeken az illegális szemét és ismeretlen eredetű hulladék-elhelyezés), − közlekedésből származó, nagy forgalmú utak mentén tapasztalt, elsősorban ólom szennyeződések, − különböző olajszennyezések (pl. gázvezetéktörés, volt szovjet laktanyák helyén), − intenzív mezőgazdaság kedvezőtlen hatásai, pl. szakosított állattartó telepek környékén nitrátszennyezés, kemikáliák (növényvédőszerek, herbicidek), esetleg műtrágyák túlzott mértékű felhasználásából vagy tárolásából eredő szennyezések. − A különösen veszélyes és toxikus anyagok csoportosítása: Szervetlen szennyezőanyagok − toxikus nehézfémek ( legveszélyesebbek Pb, Cd, Ni, Hg) Szerves mikroszennyezők − peszticidek, − policiklikus aromás szénhidrogén - (PAH=Polycicle Aromatic Hydrocarbon-) vegyületek, − poliklórozott bifenilek (PCB) és egyes származékaik. Ásványolaj és ásványolaj-termékek A különböző anyagok embereket, állatokat és/vagy növényeket károsító hatása több tényezőtől függ. Ezek közül a legfontosabbak: − az ion/vegyület kémiai tulajdonságai, oldhatósága, mozgékonysága, felvehetősége, − káros hatást növelő vagy csökkentő más anyagok jelenléte, mennyisége, illetve hiánya, − a hatás tartama és a szervezetbe jutott toxikus anyag koncentrációja, − az élő szervezet állapota (kora, fejlettsége, tápláltsága), alkalmazkodóképessége, − talajtulajdonságok, talajállapot: talaj biológiai aktivitása, szervesanyagtartalma, agyagtartalma, vízzáró réteg előfordulása, mélysége, vízvezetőképessége, kémhatása, nedvességtartalma, szerkezete stb. − Az előbb felsoroltak befolyásolják a különböző szennyezések lebomlását, megkötését, mozgását, terjedését, növény általi felvehetőségét. A rövid idő alatt nagy mennyiségben felvett toxikus vegyületek akut megbetegedést idéznek elő, vagy az egyed pusztulását okozhatják. A rendszeres és tartós hatás azonban a toxikus anyag kis koncentrációja esetén is káros lehet. Az akut toxikusság mellett nagyon fontos az egyes anyagok természetes lebontással szembeni ellenálló képessége (perzisztenciája) is.

Talajszennyezés következményei: − táplálékláncba való bejutás, egészségi károsodás, − élővilág egyes fajainak pusztulása (nem tudnak alkalmazkodni a megváltozott körülményekhez), új fajok megjelenése, − termesztett növények gyengébb fejlődése, minőségromlás, − szennyezést tűrő növények elszaporodása (pl. nitrogénkedvelő gyomnövények elszaporodása), − a mikrobiológiai populációk és földigiliszták tevékenységének nemkívánatos megváltozása, − a különböző nehézfémek savanyú talajokon hamarabb okozhatnak toxicitást és haladhatják meg a megengedett határértékeket. Talajjavítási beavatkozások megvalósítása Savanyú talajok javítása Talajvizsgálat − A savanyú, talajjavításra kerülő talajokon eltérő talajfoltonként, de minimum 5 hektáronként szükséges talajmintát begyűjteni. − A homogén területen átlagmintavétel szükséges két rétegből (0-30cm és 3060cm). − Heterogén területen pontmintavételt javaslunk, mert így lehet a különböző területrészeket (savanyú szénsavas meszet nem tartalmazó, ill. lúgos meszes területrészek) elkülöníteni. − A begyűjtött mintákból el kell végezni a következő vizsgálatokat: kémhatás, kötöttségi szám KA, humusztartalom, hidrolitos aciditás, esetenként kicserélődési savanyúság, szénsavas mésztartalom. − A savanyú talajjavítás szempontjából a kémhatásnak - a vizes vagy a KCl-os pH értéknek - van jelentősége. Ha a kémhatás gyengén savanyú vagy savanyú, akkor szükséges savanyú talajjavítást végezni. − A talajok savanyúságát Ca-tartalmú vegyületekkel, anyagokkal lehet csökkenteni, ill. megszüntetni. − Savanyú talajjavításon a gyakorlatban a meszezést értjük − Savanyú talajjavítást, meszezést kell, ill. javasolt végezni, ha a talaj pH (H2O) kisebb, mint 6,8 és a hidrolitos aciditás értéke nagyobb mint 6, ill. homoktalajok esetében nagyobb mint 4 ( a termesztett növény pH igényét is figyelembe véve.) A meszezésnek a jelenlegi, ill. korábbi gyakorlat szerint három fajtája van. − Melioratív meszezés: általában nagy adagú talajtani szakvéleményben meghatározott dózisok alkalmazása. − Fenntartó meszezés: a korábban melioratív meszezett területen a meszezés hatékonyságát fenntartó, a talajsavanyúság, ill. a Ca-hiány újbóli kialakulásának kisebb adagú meszezésekkel történő megakadályozása.

− Mésztrágyázás. Célja a Ca-ellátottság javítása (különösen a meszezésre jól reagáló növények termesztésekor), kisebb mennyiségű általában 2t/ha-nál nem nagyobb mennyiségű CaCO3 talajba juttatása legtöbbször a trágyázási rendszerbe beépítve. A mésztrágyázás szükségességét a hidrolitos savanyúság vizsgálat hiányában is, a pH érték, ill. mésztartalom hiánya vagy minimális mennyisége (1% alatt) alapján meg lehet határozni. Ezt korábban mindig akkor javasolták, ha a pH (KCl) 5,6 alatti volt. (A vizes pH-nál a javasolt érték 7,2 alatt). A savanyú talaj javításához (meliorativ meszezésnél mindig) szükséges mészadag megállapítása nálunk a hidrolitos aciditás és a kötöttségi szám alapján történik. A kiszámított mennyiség tiszta 100%-os CaCO3-ot jelent, ezért a talajra kerülő javítóanyag-dózis megállapításakor figyelembe kell venni a felhasznált anyag CaCO3-tartalmát. Meszezés hatása a tápanyag-gazdálkodásra: − Megváltozik a talaj tápanyagforgalma, − intenzívebbé válik a nitrifikáció, − fokozódik a tápanyagok feltáródása, − jobb lesz a műtrágya-hasznosulás. Szikes talajok javítása A szikes talajok javításának elvi alapjai: A szikjavítás célja a kedvezőtlen fizikai és kémiai sajátságok magszüntetése, ill. a kémhatás, a vízgazdálkodási és tápanyagszolgáltató képesség kedvezőbbé tétele. Ennek alapjai: − a talajoldat káros anyagainak csökkentése, − kilúgozási lehetőségek javítása, − az eredményes szikjavítás feltétele a kiváltó és fenntartó tényezők káros hatásának mérséklése ill. kiküszöbölése (pl. sós talajvíz mélyebbre kerülése vízrendezés útján), − a szikes talajok kémiai talajjavításának lényege, hogy a talaj kolloidokon adszorbeált káros Na-ionokat a javítóanyag Ca-ionjai kicserélik. Talajjavítási szempontból a szikes talajokat három csoportba sorolhatjuk: Az egyes javítási csoportba tartozó talajok javítóanyag szükségletének meghatározása és a használatos javítóanyagok: Gyengén savanyú - semleges feltalajú szikeseknél a javítás meszezéssel vagy digózással oldható meg. A szikjavítási módszerek áttekintése:

Javítási csoportosítás l. Gyengén savanyú és semleges körüli feltalajú szikesek (pH <7,5) 2. Gyengén lúgos feltalajú, nem meszes szikesek (pH= 7,5-8,5) 3. Lúgos feltalajú ún. meszesszódás szikesek (pH >8,5)

Genetikai besorolás Sztyeppesedő réti szolonyecek (közepes és mély), szolonyeces réti talajok Mésztelen (nem karbonátos) közepes és kérges réti szolonyecek Meszes, szoloncsákos kérges és közepes réti szlonyecek: szoloncsákszolonyecek

Javítási eljárások a.) meszesedés b.) digózás

mélylazítás

a.) kombinált javítás mélylazítás b.) gipszezés a.) gipszezés b.) lignitezés c.) egyéb savanyító anyagok

(felszíni vízrendezés)

vízrendezés

(esetleg lazítás)

Humuszban szegény talajok javítása A humuszban szegény talajok közé sorolhatók a különböző homoktalajok (természetes adottságaik miatt), ill. elsősorban erózió következtében, a leromlott, kis humusztartalmú talajok. Homoktalajok javítása Magyarország felszínének jelentős részét borítják könnyű mechanikai összetételű homoktalajok. A fizikai talajféleségek területi adatainak összegezése szerint az ország teljes területére vonatkozóan a homoktalajok összes területe 1 millió 455 ezer ha, az ország területének 16%-a. Magyarországon a legnagyobb területi kiterjedésben 3 térségben fordulnak elő homoktalajok: Duna-Tisza közi hátság kb. 550 ezer ha Nyírség kb. 380 ezer ha Belső Somogy kb. 220 ezer ha A Magyarországon előforduló homoktalajok jelentős része a futóhomok, a humuszos homok, kovárványos és rozsdabarna erdőtalaj genetikai talajtípusba tartozik. Az előbb felsorolt 4 genetikai talajtípuson kívül homok fizikai féleség előfordul az öntés talajoknál, amelyek folyóvizek (mai vagy ősfolyók) öntésein, hordalékain keletkeznek. A homoktalajok kis termékenységűek, melynek okai alapvetően a következők: − kis agyag és szervetlen kolloid tartalom, − kevés humusztartalom, kis szervesanyagtartalom,

− kis pufferkapacítás (a talajt érő stresszhatásokkal szembeni fokozott érzékenység), − túlzottan nagy vízáteresztő képesség, vízvezető képesség, kis víztartó képesség, kis felvehető víztartalom, − aszályérzékenység, − gyenge, poros szerkezet, illetve szerkezetnélküliség, − fokozott szélerózió (defláció) és vízerózió érzékenység, − kis természetes tápanyagkészlet, − kilúgzási, tápanyag kimosódási veszély, − savanyúsodás. A homoktalajok termékenységét elsősorban két tulajdonság befolyásolja, amely a kedvezőtlen vízgazdálkodási tulajdonságokkal van összefüggésben. E két tulajdonság a humuszviszonyok és a mechanikai összetétel. A humuszviszonyokon a humusztartalmat, a humuszos réteg vastagságát, másodsorban a humusz minőségét értjük. A homoktalajokat humusztartalmuk szerint a következőképpen csoportosíthatjuk: 0-0,5% közötti humusztartalom igen gyenge 0,5-1% közötti humusztartalom gyenge 1-1,5% közötti humusztartalom közepes 1,5% feletti humusztartalom jó A homoktalajok a szervesanyag-készlet szerint a Talajtani és Agrokémiai Kutató Intézet által szerkesztett termőhelyi adottságokat feltüntető térképen a 0-50 t/ha és az 50-100 t/ha szervesanyag-készletű csoportokba tartoznak. A homoktalajok termékenységét befolyásoló másik fő tulajdonság a mechanikai összetétel. A mechanikai összetételen az elemi szemcsék méret szerinti megoszlását értjük. A 0,02 mm-nél finomabb szemcseméretű frakciókat leiszapolható résznek nevezzük, amely gyors és megfelelő eljárás a homoktalajok megkülönböztetésére is. A homoktalajok minőségének jellemzésére használható fel pl. a durva és finom homok %-os aránya, vagy a leiszapolható rész %-os mennyisége, vagy mindkettő együttes használata. A leiszapolható rész %-ra vonatkozóan a homoktalajok osztályozására használható a következő kategóriabeosztás: a. 0-10 durva homok, igen gyenge termékenység b. 10-15 gyenge termékenység c. 15-25 közepes termékenység A homoktalajok döntő része a TAKI által kidolgozott vízgazdálkodási kategóriák közül az 1-be tartozik: igen nagy víznyelésű és vízvezető képességű, gyenge vízraktározó képességű, igen gyengén víztartó talajok. A jobb termékenységű homokos talajok már a 2-es vízgazdálkodási kategóriába tartoznak "Nagy víznyelésű és vízvezető képességű", közepes vízraktározó képességű, gyengén víztartó talajok.

A homoktalajok közül a leggyengébb minőséggel a legalacsonyabb humusztartamú legvékonyabb humuszos rétegű, legkevesebb leiszapolható résszel rendelkező talajok rendelkeznek. A homoktalajok termékenységét az előbb felsoroltakon kívül még számos tényező befolyásolja, ilyen lehet pl. a kémhatás és a szénsavas mésztartalom. A savanyú homoktalajokon a savasság tompításához mésztartalmú anyagok felhasználása indokolt. Talajmintavétel a homoktalajok javítása esetén: eltérő talajfoltonként, de minimum 5 ha-onként a művelt rétegből és az alatta lévő rétegből fúrt átlagminta megvétele 60 cm-ig. Laboratóriumi vizsgálatok − Leiszapolható rész, vagy kötöttségi szám KA − Humusztartalom − Kémhatás − Szénsavas karbonát-tartalom − Szakmailag indokolt esetben hidrolitos aciditás A homoktalajok javítása akkor indokolt, ha a szántóföldi növénykultúrákkal hasznosított területen a 0-30 cm-es talajréteg, állókultúrák telepítésénél a 0-60 cmes talajréteg átlagában az összes humusztartalom kisebb 1%-nál. A homoktalajok termékenységének megőrzését szolgálja a különböző szervesanyagok talajba juttatása, bedolgozása, melynek következtében javulnak a talajok víz- és tápanyaggazdálkodási tulajdonságai. A gyakorlatban mindenféle szervesanyag-utánpótlás kedvező a homoktalaj termékenységének javítása szempontjából. A szervesanyag-készlet növelésének módszerei: − Tarló és gyökérmaradványok bemunkálása, tarlóégetés tilalma. − Talajba bedolgozott zöldtrágyanövények alkalmazása (pl. savanyú talajon csillagfürt, meszes talajon somkoró − Rendszeres istállótrágya-felhasználás, mely fontos tápanyagforrás is, és javítja a víz- és tápanyag-felvehetőségi viszonyokat, a talaj szerkezetét, a biológiai talajéletet. − Különböző magas szervesanyag-tartalmú komposztok felhasználása. − Az eddig felsorolt eljárások nem tekinthetők kimondottan talajjavítási eljárásnak. A homoktalaj-javításra felhasznált anyagok alkalmazásával csökkenthető a szélerózió is. Ezenkívül a talajok termékenységének megőrzését és további romlásának megakadályozását szolgálják a defláció elleni védelem különböző eljárásai: − mezővédő (szélvédő) erdősávok létesítése, − racionális földhasználat, vetésszerkezet és sűrű növénytakaró biztosítása, − a felszín stabilizálása, − talajok nedvesen tartása, öntözése,

− zöldtrágyázás, és helyes talajművelés. Humuszban szegény nem homoktalajok javítása: Ebbe a csoportba azok a talajok tartoznak, amelyeknél az alacsony humusztartalom a természetes eredetű talajleromlás következtében alakult ki, de azoknak mértékét a nem átgondolt helytelen emberi beavatkozás tovább fokozta. Ide tartozik elsősorban az erózió. A humuszban szegény, eróziós és erózióval veszélyeztetett területeken a humuszviszonyok további romlását az eróziós károsodás mérséklésével, korlátozásával lehet csökkenteni. Ilyen korlátozások a következők: Biológiai módszerek: − Állandó fedettséget biztosító növények termesztése, ill. talajvédő vetésforgó kialakítása (pillangósok, füveshere), − Szalagos vetés, − Erdősítés ill. legelő kialakítása az erózióval erősen veszélyeztetett területeken, ill. meredek tagolt területeken. Talajművelési módszerek: − Talajra érkező víz mélyebb rétegekbe való beszivárgásának elősegítése pl. mélylazítás lejtő irányára merőlegesen. − Lehetőség szerint lejtő irányára merőleges tábla kialakítása. − Lejtő irányára merőleges ún. szintvonalas talajművelés, növényi sorirány vetés barázda kialakítás(pl. vízszintes szőlő bakhátak és töltögetés). − Váltvaforgató eke alkalmazása. Műszaki és egyéb módszerek: − Vízelvezető árkok (övárok) vízfelfogó barázdák létesítése. − Teraszírozás, teraszok kialakítása (elsősorban szőlő és gyümölcs ültetvényeknél). − Táblák, táblarészek sáncolt cserje vagy erdősávokkal való lehatárolása. − Talajjavítási módszerek − Savanyú területeken kémiai talajjavítás. − Mélylazítás (tömődöttség megszüntetésére, a víz beszivárgásának javítására). A talaj erodálhatóságának csökkentése mellett a gyengébb, humuszban szegény területeken szükséges a különböző szervesanyag-tartalmú anyagok felhasználása. Ezek közül a legfontosabb a rendszeres szervestrágyázás, különösen az erősen erodált, humuszban szegény talajfoltokon, a humusz készlet növelése, szerkezetjavítás, a terület homogenizálása miatt. Humusz-viszonyok javítását szolgáló anyagok, eljárások: − istállótrágyák, − komposztok, − földkeverékek,

− szalmatakarás, mulcsozás, − a mélyebb területrészeken található réti talajok humuszos szintje (vizsgálata szükséges), − máshonnan származó humuszanyagok (vizsgálata szükséges), − egyéb anyagok. A levegőtlen körülmények közé került talajok javítása Elvizenyősödött (belvízveszélyeztetett) területek javításának lehetőségei: Ezeken a területeken a megelőzést, ill. a megfelelő talajhasznosítást kell előtérbe helyezni. Ez azt jelenti, hogy pl. lejtős területeken meg kell akadályozni, hogy a lejtőről nagy mennyiségű víz összegyűljön a mély fekvésű lapos területeken. Ide tartoznak az erózió elleni védekezés különböző módszerei, melyeket korábban részletesen ismertettünk. Ugyancsak a megelőzéshez tartozik az árvízvédelem korszerűsítése. A káros vízbőséget szabályozni lehet a talajvíz megfelelő szabályozásával, csökkentésével. A vízrendezést nagyon körültekintően kell végezni, hogy ne következzen be olyan eset, amikor egy kis terület vízrendezése következtében nagyobb területen süllyed a korábbi optimális talajvízszint. Az elvizenyősödött területeken olyan növényeket kell termeszteni, melyek bírják, elviselik az időszakos vízborítást, ill. levegőtlenséget. Előtérbe kell helyezni a gyepesítést. A belvíz-veszélyeztetett területen nagyon oda kell figyelni a talajművelés időpontjára. Az elvizenyősödött területek szántóföldi hasznosítása esetén, szóba jöhet a vízrendezés (drénezés vízelvezető csatornák kialakítása) is. Megjegyezzük, hogy az utóbbi időben nagyon elhanyagolták a vízelvezető művek (csatornák, árkok, stb.) fenntartási munkáit, melyekre a jövőben oda kell figyelni. A káros vízbőségű területeken a tömődöttség mérséklése és a vízvezetés javítása érdekében mélylazítást kell végezni. A mélylazítás idejének megválasztásánál legfontosabb szempont, hogy a talaj műveléskori nedvességtartalma a tervezett lazítási mélységig minél alacsonyabb legyen (általában a természetes vagy minimális vízkapacitás 50-60 % körüli érték, illetve annál alacsonyabb nedvességtartalom). A mélylazítás a talaj kedvezőbb állapotára, azaz a vízáteresztésre és porozitására gyakorol kedvező hatást. Az elvizenyősödött területek javítását szolgálja a savanyú talajok meszezése, illetve szervestrágyázás elvégzése, valamint savanyú talajokon a meszezés. A szennyezett talajok javítása Alapelvek A talajszennyezés mértéke, a szennyezett terület minősítése, a veszélyeztetettség megítélése csak a megfelelő analitikai vizsgálatok alapján történhet. A szennyező anyagnak, magának a hulladéknak elemzése károsanyagtartalomra a legtöbb esetben nem teszi lehetővé a talajszennyezés, illetve veszélyeztetettség megítélését. A szennyezők ugyanis a talajban átalakulnak,

szétterjednek, kölcsönhatásba lépnek a talajalkotókkal. A talajvizsgálatok célja, megítélni a talaj szennyezettségi állapotát, valamint azt a veszélyt, mely a szennyezőkből származhat (talajvízbe, növénybe jutás, stb.). A nehézfémek esetében a szennyezettségi állapot becslésére egyelőre az összes tartalom szolgál. Élettani, ökológiai és veszélyeztetési szempontból az oldhatóbb frakciók ismerete is fontos lenne (pl. káros anyagok megkötődhetnek átalakulnak stb.). A vizsgálati módszereket szabványosítani szükséges, hogy a vizsgálatokat szigorúan azonos körülmények között végezzék, és az eredmények összevethetők legyenek. A szennyezett területek vizsgálata és minősítésük összetett feladat. A talajmintavétel alapelvei A mintavétel célja kettős. Nemcsak számszerű paramétereket nyújt a talajtulajdonságok és a terület szennyezettségének jellemzésére, hanem azok változékonyságának (variabilitásának) megítélését is szolgálja. Tekintettel a szennyezett talajok sokféleségére, nehezen képzelhető el egyetlen mintavételi eljárásról, hogy minden igényt kielégítsen. A sűrűbb mintavétel és analízis ugyan költségesebb, de módot nyújt a talaj heterogenitásának megismerésére, elkülöníthetők a szennyezettebb foltok és megalapozhatók a differenciáltabb beavatkozások. A szennyezett talajt különböző típusú változékonyság jellemzi, melyek a szennyezés eredetére, múltjára vezethetők vissza. A helyszíni és laboratóriumi vizsgálatok alapján történik meg a szennyezett terület minősítése, az elvégzett vizsgálatok értékelése, a nem szennyezett, ill. különböző mértékben szennyezett területek elhatárolása. Ez alapozza meg újabb kiegészítő talajvizsgálatok és a különböző növényanalízisek elvégzését. Megemlítjük, hogy a különböző szennyezésekre vonatkozóan különböző határértékek vannak. Amennyiben a szennyezés az adott határértéket meghaladja, határozzák meg a szennyezés felszámolásának, csökkentésének módszereit valamint az ellenőrző vizsgálatokat. A szennyezések elleni védekezés fontosabb elvei: − A talajszennyezés megelőzése − Szennyezőanyag kibocsátásának csökkentése − Különböző talajszennyezések megszüntetése − Környezetkímélő mezőgazdaság − Racionális környezetkímélő növénytáplálási rendszer − Racionális környezetkímélő növényvédőszer-használat − Szakszerű műtrágya és növényvédőszer-tárolás, raktározás − Potenciálisan szennyező anyagok (szennyvíz, szennyvíziszap, komposztok) felhasználása, szigorú technológia betartás és folyamatos ellenőrzés mellett − Megfigyelő monitoring rendszerek kialakítása − Szennyezett talajok helyreállítása − területet nem kezelik, de kivonják a használatból

− lokalizálják a szennyezett területeket − talajcsere (szennyezett talajt kitermelik és lerakják, a keletkezett munkagödröt feltöltik) − szennyezett területek kármentesítése in situ = eredeti ex situ = nem eredeti in situ: olyan technológia, amikor a szennyeződött talajt a tisztítás során nem termelik ki. ex situ: a tisztítást nem a földtani közeg természetes helyzetében végzik, hanem kitermelik. A kitermelt szennyezett talajt a munkaterületről nem szállítják el (ex situ; on site). A kitermelt szennyezett talajt egy távolabbi tisztító területre szállítják, majd a kezelt talajt visszaszállítják az eredeti helyére (ex situ; off site). A kutatás folytatásának lehetőségei A régió jelenét értékelő helyzetelemzés segítségével vizsgálhatók a mezőgazdasági termelés fejlődésének sajátosságai, feltárhatók az egyes tájegységek adottságaiban rejlő különbségek. Egy adott tájegységhez, térséghez (település, kistérség, megye, régió) alkalmazkodó agrár-környezeti stratégia kialakítása, az agrártermelés, a táj, valamint a környezet védelmének összehangolásával, a vidék termelési és szociális helyzetének figyelembe vételével történő fejlesztési programok megvalósítása, azaz egy multifunkciós mezőgazdaság adott térségre optimális funkcióinak meghatározása megfelelő szakmai támogatást igényel. Fontos egy modellértékű fejlesztés, amely a térségi szintű agrár-környezeti tervezéshez, irányításhoz és ellenőrzéshez nyújt segítséget és megvalósulásával az EU elveknek és szabványoknak megfelelően szolgálja az agrárkörnyezetgazdálkodást és a termesztést. A kutatás elsődleges célkitűzése az adott térségek (kistérség, település stb.) klimatikus és talajtani sajátosságaihoz igazodó földhasználati struktúra kialakítása a talajvédelemi előírásoknak megfelelve. Ajánlások készítése a szántóként nyilvántartott, de jelenleg parlagon álló területek racionális használatára, valamint a vetésváltásra. A természeti adottságokhoz igazodó földhasználat kialakításához nagyléptékű talajtani térinformatikai alapú információs rendszerek kiépítésére van szükség. Ezen rendszerek megvalósításához a tematikus térképi és leíró adatok mellett nélkülözhetetlenek a digitális földmérési alaptérképi adatok. Az integrált térinformatikai rendszer és a hozzá kapcsolódó szakértői rendszer összekapcsolásával, hatékony és megalapozott döntéseket lehet hozni. Egy korszerű agrár-környezetgazdálkodási program eredményes és hatékony végrehajtásának feltétele a talajt érő káros környezeti hatásokra végbemenő talajdegradációs folyamatok objektív felmérése és állapotváltozásának folyamatos detektálása. A talajdegradációs folyamatok országos figyeléséhez, egységes

értékeléséhez és a bekövetkező állapotváltozások követéséhez jelentős segítséget nyújthat a térbeli információs rendszerek adatainak és szolgáltatásainak alkalmazása. A pontosabb állapotfelmérés, a főbb talajdegradációs típusok lehatárolása, regionális térképezésére felhasznált adatbázisok és integrált térinformatikai rendszerek felépítése, ezek elemzési folyamata, valamint az ország területére elkészített talajdegradációs térképek módot adnak a főbb talajdegradációs típusok felmérésére, regionális térképezésére; a talajdegradációs folyamatok következményeinek többszempontú értékelésére; okainak elemzésére; s mindezek alapján azok időbeni felismerésére, megelőzésére, csökkentésére, kiküszöbölésére.

KŐMÍVES TAMÁS MTA Növényvédelmi Kutatóintézet

Környezetkímélő, a természet védelmét és a táj megőrzését szolgáló, valamint a vidék fenntartását célzó növényvédelmi módszerek kutatása Bevezetés A Magyarország Európai Uniós-csatlakozásával kapcsolatos joganyagok közül stratégiai fontosságú a környezetkímélő, a természet védelmét és a táj megőrzését szolgáló, valamint a vidék fenntartását célzó mezőgazdasági termelési módszerek támogatásáról szóló 2078/92. sz. EU agrár-környezetvédelmi rendelet átvétele és alkalmazása, amely az EU tagság feltétele és minden EU tagállam számára kötelező. Ennek megfelelően mezőgazdaságunk fejlesztésének stratégiai alapelve a változatos élővilágú környezetből egészséges, különleges minőségű és biztonságos élelmiszer előállítása. Mindez környezetkímélő gazdálkodást feltételez, új lehetőséget ad nemcsak a természeti értékek, a biológiai sokféleség fenntartására, a környezetterhelés csökkentésére, illetve elkerülésére, hanem elősegíti a vidéki térségek komplex fejlesztését, szociális és foglalkoztatási biztonságát is. A fentieket figyelembe véve határoztuk meg kutatási programunk fő célkitűzéseit, amely az alapkutatást, az alkalmazott kutatást és a technológiafejlesztést egységbe foglalva olyan környezetkímélő növényvédelmi eljárások alapjainak kutatását, módszereinek kidolgozását és széleskörű elterjesztését jelenti, amelyek segítségével megőrizhető, illetve javítható a biodiverzitás, a termőföld és a környezet állapota, nő a piacképes, kedvező áron értékesíthető termékek mennyisége, javul a mezőgazdaság exportlehetősége, bővül a gazdálkodók szakmai, termelés-környezeti ismerete és az egyes régiók foglalkoztatási és jövedelemszerzési lehetősége. Pályázatunk programját napjaink gabonatermesztésének legfontosabb növényvédelmi kihívásaihoz igazítottuk. Így kiemelt szerepet kaptak benne a régiónkban legjelentősebbnek tartott gomba- és vírusbetegségek, valamint a rovarkártevők. A környezetkímélő integrált védekezési módszerek közül az előrejelzési módszerekre, ill. a rezisztencia kutatásra helyeztünk hangsúlyt. Rovartani és virológiai vizsgálatok Az egyedileg viszonylag kis méretű, de a növényállományokban gyakran igen nagy egyedsűrűségben előforduló levéltetvek és kabócák a gabona-kultúrák legjelentősebb kártevői közé tartoznak. Kártételük részben közvetlen: a gyorsan felszaporodó rovarok szúró-szívó szájszervükkel szívogatva értékes tápanyagokat

vonnak el a növényektől, ezáltal mennyiségi és minőségi termésveszteséget okoznak. Mindkét csoportra jellemző ugyanakkor, hogy jelenlétük igen súlyos közvetett kárral is jár, mivel táplálkozásuk során számos növényi kórokozót juttathatnak a növénybe. A kizárólagosan, illetve elsődlegesen levéltetvek vagy kabócák által terjedő növénybetegségek gazdasági jelentősége az utóbbi időben egyre nyilvánvalóbbá vált. A gabonalevéltetvek által terjesztett, korábban csak Észak- Európában károsító árpa sárga törpülés vírus (BYDV) olyan mértékben szaporodott fel hazánkban, hogy több korai vetésű őszi árpa állományt kellett kiszántani az elmúlt években. Noha a csíkos gabonakabóca (Psammotettix alienus) által terjesztett búza törpülés vírust (WDV) hazánkból csak 1989-ben mutatták ki (Bisztray et al. 1989) általános elterjedtségéről számos adattal rendelkezünk (pl: Mesterházy et al. 2002), és valószínűsíthető, hogy részben a korábban a BYDV-nak tulajdonított kártételért is ez a vírus felelős. Projektünk első részében a négy legjelentősebb hazai gabona-levéltetű faj populáció változását követtük nyomon izolált és izolálatlan körülmények között a kalászhányás kezdetétől a búza éréséig. A projekt második része a búza törpülés vírus hazai epidemiológiáját meghatározó tényezőket vizsgálja. Gabona levéltetvek egyedszámváltozásának vizsgálata Az izolált növényeken a Rhopalosiphum padi ért el a legnagyobb egyedszámot, ezt követte a Sitobion avenae, Diuraphis noxia és a Metolplohium dirhodum (1. ábra). A természetesen előforduló levéltetvek között a R. padi volt a domináns. A faj az izolátorok 92%-ában előfordult annak ellenére, hogy az izolátoroknak csak 25%-ába juttattuk mesterségesen be. Ezt követte a S. avenae, amely az izolátorok 52%-ában volt jelen. A M. dirhodum az izolátorok 41%-ából, míg a D. noxia 37%-ából került elő. Ezzel szemben az izolálatlan növényeken az orosz búza levéltetű (D. noxia) fordult elő leggyakrabban. A faj egyedsűrűsége az izolálatlan növényeken S. avenae és R. padi egyedsűrűségét tízszeresen, az M. dirhodum-ét húszszorosan múlta felül. Az izolálatlan növényeken leggyakrabban a S. avenae fordult elő: a növények 49%-án volt megtalálható. Ezt követte a R. padi 40%-kal, majd a D. noxia 39%-kal. A M. dirhodum az izolálatlan növényeknek mindössze 29%-án volt megtalálható. A predátorok közül a hétpettyes katicabogár (Coccinella septempunctata) volt a leggyakoribb. A begyűjtött predátoroknak 96%-a az izolátorokból került elő. A mintavételi időpont, az izolációs szint (izolált, nem izolált) és a mesterséges levéltetű fertőzés figyelembe vételével végzett kovariancia elemzés alapján a C. septempunctata egyedszáma és a R. padi egyedszáma között volt szignifikáns összefüggés. A parazitoidok közül az Aphidius ervi közel 80%-át tette ki a begyűjtött növényekre tapadt múmiákból kiröpült parazitoidoknak. Szignifikáns összefüggést kaptunk a nem izolált növényeken az Aphidius ervi és S. avenae

egyedszáma között. A különböző mintavételi időpontokban begyűjtött növényeken talált átlagos levéltetűszámot mutató 1. és 2. ábrák szemléltetik izolált és szabadon hagyott növényeken. A Chi2 próba szignifikáns különbséget igazolt valamennyi levéltetű faj vonatkozásában az izolált és nem izolált növények között. Az izolátorokban jelentkező nagy levéltetű egyedszám részben a mesterséges fertőzésnek, másrészt az elvándorlás megakadályozásának köszönhető. A levéltetvek erős felszaporodása következett be az izolátorokban annak ellenére, hogy az izolátorokból került ki a természetes ellenségek túlnyomó többsége is. Ez arra utal, hogy a levéltetvek szaporodási rátája sokkal nagyobb, mint a predátoroké és parazitoidoké. A R. padi és C. septempunctata között jelentkező szignifikáns összefüggés arra utal, hogy a hétpettyes katicabogárnak a gabonalevéltetvek közül a legfontosabb prédaállata a R. padi. Az izolátorokban az A. ervi és S. avenae között jelentkező szignifikáns különbség azt igazolja, hogy az A. ervi lekedveltebb gazdaállata a S. avenae. Ezt irodalmi adatok is alátámasztják (cf. Stary, 1973, Abo Kaf, 1991). Az izolálatlan növényeken az őshonos gabona levéltetvek egyedszáma nem haladta meg a kártételi küszöb értéket. Az orosz búza levéltetű egyedszáma azonban 10-20-szor volt nagyobb, mint az őshonos levéltetveké. Ebből azt a következtetést lehet levonni, hogy a hazai faunában jelenlevő hasznos élő szervezetek hatékonyan korlátozzák az őshonos gabona levéltetvek felszaporodását, a hazánkban nemrégiben megjelent orosz búza levéltetű (Basky és Eastop, 1991) populációkkal szemben azonban a hazai faunában előforduló természetes ellenségek nem eléggé hatékonyak. A D. noxia a besodrott levelek védelmében él és ezért nem férnek hozzá a természetes ellenségek (Aalsbersberg, 1988, Reed, 1991). Búza kabócaegyüttesének és a búza törpülés vírus epidemiológiájának vizsgálata A tavaszi-nyár eleji fűhálózásokat a Laodelphax striatellus sarkantyús kabóca és a Psammotettix alienus mezei kabóca dominanciája jellemezte. A két faj a fogott kabócák közel kétharmadát, a késői mintákban még nagyobb részét tette ki. Boncolásos ivarszerv vizsgálat alapján a Psammotettix genuszba tartozó hímek 97%-a volt P. alineus (P. confinis fordult még elő). A szokatlanul enyhe novemberi időjárás hatására a kabócák a jelentés készítéséig (decemberig) igen nagy számban voltak jelen a táblákon. A sárgalapos csapdák fogási eredményeinek kiértékelése még nem történhetett meg. A novemberi rovarszívós mintában a korábbi domináns L. striatellus nem volt jelen meghatározó egyedszámban, ugyanakkor a továbbra is nagyszámú P. alienus mellett a domináns szerepet a gabonakártevőként ritkán említett, egyébként erősen polifág Empoasca solani vette át. Mind a Martonvásáron, mind az Adyligeten gyűjtött kabócákkal sikerült a WDV vírust tenyészedényes búzanövényekre vinni. Vizsgálatainkban

leghamarabb a fertőzést követő 12. napon tudtuk ELISA módszerrel kimutatni a vírus jelenlétét a növényben, a biztonságos kimutatáshoz üvegházi hőmérsékleten 20 kabóca/10 búzanövény mellett 3 hétre volt szükség. Kísérleteinkben 10 szál búzára jutó 10-15 kabóca biztos átvitelt eredményezett, 5-nél kevesebb kabóca esetén az átvitel többször sikertelen volt. A hímek, a nőstények és a lárvák egyaránt képesek voltak a vírus átvitelére. 4-5 cm-es szögcsíra korban fertőzött búzán a tünetek egy hónapon belül látványosan jelentkeztek, 8-10 cm-es korban fertőzve a tünetek kevésbé voltak kifejezettek, de a vírus a növényekben azonos idő alatt felszaporodott. A vírusfertőzés zabra és búzára egyaránt átvihető volt, árpán beállított kísérleteink folyamatban vannak (ez azért is jelentős, mert a WDV-nek egy árpát fertőző és egy árpát nem fertőző típusát különítik el). A korai vetésidő ellenére a martonvásári vetésidő kísérletben a 60 mintából egyben sem tudtuk a vírus jelenlétét kimutatni. A hét árvakelésből származó növény közül egyben tapasztaltunk magas víruskoncentrációt. Eredmények értékelése Eredményeink arra utalnak, hogy a kabócák nagy része károsodás nélkül átvészelte a hidegebb októberi időszakot, illetve az egy-két napos hóborítást, és így képes volt kihasználni az enyhe novembert az őszi gabonák benépesítésére. Noha a vizsgált búza-állományban szerológiai módszerekkel a WDV vírust a növényekből ősz végén nem tudtuk kimutatni, nem zárható ki, hogy a fertőzés jelen van a növényekben, ugyanakkor a külső hőmérsékleten lassabban zajló felszaporodás, illetve az izolátoros kísérletekben alkalmazottnál kisebb vektornyomás (kevesebb inokulum bejutása) következtében alacsony a víruskoncentráció. A tavaszi vizsgálatok során dőlhet csak el, hogy a hideg októbert követő rendkívül enyhe november ténylegesen mennyiben kedvezett a WDV vírusok elterjedésének. Több éves kutatás lenne szükséges annak felmérésére, hogy milyen mértékben fertőződnek már az ősz folyamán a gabonatáblák, illetve hogy érdemes-e a svédországi minta alapján az őszi fertőzés csökkentése érdekében a vetési idő későbbre tolódását lehetővé tévő termesztéstechnológiai fejlesztéseket kidolgozni (lásd: Lindblad és Waern 2002). Irodalom Abo Kaf, N. (1991) Parasitic Hymenoptera associated with cereal aphids in fields of wheat and barley in the region of Lublin, Poland. In: Polgár, L., Chambers, R. J., Dixon, A. F. G., Hodek, I., (Eds.) Behaviour and impact of Aphidophaga 17-21. SPB Academic Publishing bv, The Hague, The Netherlands. Aalbersberg, Y., K. (1988) Natural enemies and their impact on Diuraphis noxia (Mordvilko) (Hemiptera: Aphididae) populations. Bull. Ent. Res. 78: 111-120. Basky, Z., Eastop, V.F. (1991) Diuraphis noxia in Hungary. Newsletter barley Yellow Dwarf, 4. P. 34. Bisztray, G., Gaborjanyi, R., Vacke, J. (1989) Isolation and characterisation of wheat dwarf virus found for the first time in Hungary. Z. Pflanzenkr. Pflanzen. 96: 449–454.

Lindblad M., Waern P. (2002) Correlation of wheat dwarf incidence to winter wheat cultivation practices. Agriculture, Ecosystems and Environment 92: 115–122 Mesterhazy A, Gaborjanyi R, Papp M, Peter F. (2002) Multiple virus infection of wheat in South Hungary. Cereal research communications 30 (3-4) 329-334 Reed, D. K., Webster, J. A., Jones, B. G., & Burd, J. D. (1991) Tritrophic Relationships of Russiann Wheat Aphid (Homoptera: Aphididae), a Hymenopterous Parasitoid (Diaretiella rapae McIntosh), and Resistant and Susceptible Small Grains. Biological Control 1: 35-41. Starý, P. (1973) A review of the Aphidius – species (Hymenoptera, Aphidiidae) of Europe. Annotationen Zoologicae et Botanicae 20. 3 No 84. 85 pp.

D. noxia

S. avenae

360

550

Július 2

Július 9

Július 2

Július 9

R. padi

Június 25

Június 11

Július 9

Június 25

Július 2

-50 Június 18

0 Június 11

150 Június 18

350

120

M. dirhodum

Június 25

Június 18

Június 11

Július 9

Július 2

Június 25

350 250 150 50 -50 Június 18

1400 1000 600 200 -200 Június 11

Levéltetűszám az izolált növényeken

240

Mintavételi idõpont

1. ábra. A különböző levéltetű fajok átlagos egyedszáma az izolált növényeken

R. padi

8,5

6,5

4,5 2

2,5 0

Július 9

4

Július 9

M. dirhodum

Július 2

6

Július 2

-2 Június 25

0

Júnus 25

2

Június 18

40

Június 18

80

Június 11

Július 9

Július 2

Június 25

Június 18

Június 11

120

Június 11

Július 9

Július 2

Június 25

Június 18

Június 11

Levéltetűszám a szabadon hagyott növényeken

D. noxia 14 S. a venae

10 6

Mintavételi idõpont

2. ábra. A különböző levéltetű fajok átlagos egyedszáma a szabadon hagyott növényeken

Mikológiai vizsgálatok Gabonalisztharmat elleni környezetbarát, az ökológiai és a low-input termesztési feltételek között alkalmazható növényvédelmi módszerek kidolgozása Az Európai Unió országaiban az elmúlt években a legnagyobb mennyiségű növényvédőszer-felhasználást a termesztett növények, és ezeken belül kiemelten a gabonafélék lisztharmat-fertőzéseinek leküzdése igényelte (Hewitt, 1998). A gabonafélék, és ezek közül elsősorban a búza és az árpa lisztharmat-betegségei elleni védekezés tehát még a hatékony növényvédő vegyszerek birtokában is az egyik legkomolyabb kihívást jelenti a modern növényvédelem számára. Élelmezés-egészségügyi és környezetvédelmi szempontok alapján egyaránt kívánatos lenne a gabonafélék lisztharmat-fertőzései ellen évről-évre felhasznált fungicid-mennyiség jelentős csökkentése, olyan növényvédelmi módszerek kidolgozása, amelyek az ökológiai és a low-input gabonatermesztés feltételei között is hatékony védelmet nyújtanak e növénybetegségekkel szemben. Ennek egyik módja a betegséggel szemben ellenálló fajták nemesítése, azonban az eddig előállított, lisztharmat-fertőzésekkel szemben különböző mértékben ellenálló gabonafajták egy része, az alacsonyabb terméseredmények, vagy más tényezők következtében, nem népszerű a gazdák körében. A fajtaválasztás során tehát inkább a lisztharmattal szemben fogékony genotípusok részesülnek előnyben, ugyanakkor megoldásra vár a lisztharmat-fertőzések ellen felhasznált növényvédő vegyszer-mennyiség csökkentésének igénye. Munkánk során éppen ezért olyan alternatív módszereket kerestünk, amelyek környezetbarát megoldásokat kínálnak a gabonafélék lisztharmat-fertőzései elleni védekezésre, a betegséggel szemben fogékony, ugyanakkor magas terméshozamú fajták termesztése esetén is. Kétféle lehetőséget tanulmányoztunk: egyrészt különböző, általunk előállított olajos készítmények hatékonyságát vizsgáltuk, másrészt a lisztharmatgombák természetes ellenségeinek, az Ampelomyces hiperparazita gombák néhány általunk szelektált törzsének felhasználhatóságát teszteltük gabonalisztharmat ellen. Mindkét esetben környezetbarát, az emberi egészségre teljesen ártalmatlan, ugyanakkor a lisztharmat-fertőzések visszaszorítására alkalmas módszert próbáltunk ki, melyek alkalmazása jórészt saját eddigi, e téren végzett, több éves kutatásainkra épült. Különböző olajos készítmények hatékonysága a gabonalisztharmat elleni védekezésben A különböző olajoknak a növények felületét fertőző kórokozó gombákkal, többek között lisztharmatgombákkal, valamint szívókártevőkkel szembeni hatása régóta ismert (pl. Martin & Salmon, 1930; Bélanger & Benyagoub, 1997), gabonalisztharmattal szembeni hatékonyságukat azonban mindeddig nem vizsgálták behatóan. Kísérleteink során a következő öt, növényi, ill. ásványi eredetű olaj hatékonyságát teszteltük gabonalisztharmattal szemben: napraforgó-

olaj, repceolaj, fekete kömény-olaj, olivaolaj és paraffin-olaj. Ezek 0,5%-os, 1%os, 2%-os és 5%-os koncentrációjú vizes emulzióját használtuk a kísérletekben. A vizes emulziók előállítása az Intézetünkben, az MTA Növényvédelmi Kutatóintézetében kidolgozott módszer alapján történt. Az optimális koncentráció megállapítása érdekében a növényeket egy alkalommal kezeltük, a mesterséges lisztharmat-fertőzését követő 4., 6., ill. 8. napon. A kontroll növényeket vízzel permeteztük. Az eredmények kiértékelését a fertőzést követő 7., ill. 10. napon végeztük el. A későbbi vizsgálatok során megállapítottuk, hogy az előkísérletek során szelektált emulziónak a tenyészidő során 2-3 alkalommal történő alkalmazása a high-input termesztési módok körülményei között használt fungicidek hatékonyságával nagyjából megegyező mértékben gátolta a gabonalisztharmat fellépését és terjedését. Eredményeink alapján Intézetünkben kidolgoztuk az olajos készítmény formulázásának és alkalmazástechnológiájának részleteit, amelyet nem csupán a gabonalisztharmat, hanem egyes zöldség- és gyümölcsfélék, valamint bizonyos gyógynövények lisztharmat-fertőzései elleni környezetbarát növényvédelmi eljárásként is szeretnénk a közeljövőben hasznosítani. Termékünk hatóanyaga az emberi fogyasztás céljaira előállított napraforgó-olaj, amelynek alkalmazása természetesen nem vethet fel humán egészségügyi aggodalmakat, de környezetvédelmi szempontból is teljesen ártalmatlan. A termék egyéb összetevői szintén környezetbarát anyagok, így felhasználása teljes mértékben beilleszthető az ökológiai és a low-input gazdálkodás feltételrendszerébe. Alkalmazása szükségtelenné teszi a gabona- és egyéb lisztharmatbetegségek elleni vegyszeres védekezést, és ennek eredményeképpen kutatásaink eredményei jelentős mértékben hozzájárulhatnak a környezet peszticid-terhelésének csökkentéséhez. Hiperparazita gombák felhasználása a gabonalisztharmat elleni védekezésben Az Ampelomyces hiperparazita gombák a lisztharmatgombák jól ismert, világszerte elterjedt természetes ellenségei, amelyek a lisztharmat-hifák belsejében, intracellulárisan élősködnek (Kiss, 1998). Ugyanakkor mesterségesen is tenyészthetők, és ez a felismerés lehetőséget teremtett a termesztett növények lisztharmat-fertőzései elleni gyakorlati felhasználásukra (Sundheim & Tronsmo, 1988). Saját és nemzetközi kutatások bebizonyították, hogy a mesterségesen felszaporított hiperparazitákból előállított készítmények alkalmasak lehetnek erre a célra a gyakorlati növényvédelem körülményei között is, ugyanakkor alkalmazásuk, a növényvédő vegyszerekkel ellentétben, nem vet fel semmiféle humán egészségügyi vagy környezetvédelmi aggályokat. Egy Ampelomycestörzset 1995-ben AQ10 Biofungicide néven már kereskedelmi forgalomba hoztak az Egyesült Államokban, majd több európai országban is, elsősorban a szőlőlisztharmat elleni környezetbarát növényvédelmi eljárás részeként, mivel

alkalmazása nagy mennyiségű lisztharmat-ellenes vegyszer felhasználását helyettesíti (Paulitz & Bélanger, 2001). Intézetünkben egy évtizede foglalkozunk e hiperparaziták tanulmányozásával, és gyakorlati felhasználásával (Kiss, 1997a; Kiss & Nakasone 1998; Kiss, 2003). Ennek során egyebek mellett a világon elsőként mutattuk ki természetes előfordulásukat gabonalisztharmatban (Kiss, 1997b). A jelen munka keretében megvizsgáltuk a gabonalisztharmat elleni alkalmazhatóságuk lehetőségeit, összehasonlítva az előző évek kísérletei során általunk a különböző haszonnövények lisztharmat-fertőzései ellen gyakorlati felhasználás érdekében szelektált, részben hazánkban izolált törzsek, valamint a már kereskedelmi forgalomba hozott amerikai törzs (AQ10, 1. ábra) hatékonyságát. A hiperparazitákat kipermetezhető, vizes spóra-szuszpenzió formájában juttattuk ki a lisztharmattal fertőzött növényekre (2-3. ábra), különböző kísérleti körülmények között, és a kezelést, vagy többszöri kezeléseket követően a leveleken található friss lisztharmat-telepek száma alapján értékeltük az egyes törzsek alkalmazhatóságát gabonalisztharmat ellen. Azt találtuk, hogy a G1-es hazai, általunk izolált törzs képes a leghatékonyabban pusztítani a gabonalisztharmatot, mivel még a betegséggel szemben igen fogékony fajták esetében is felvette a versenyt a high-input termesztés feltételei között alkalmazott fungicidek (pl. Fundazol 50 WP) hatékonyságával (4., 5. ábrák). Lisztharmatellenes növényvédő vegyszerek helyett történő alkalmazhatósága azonban további vizsgálatokat igényel. Következtetések, javaslatok A gabonalisztharmat elleni, high-input növényvédelmi technológiát követelő fungicid-használat alternatívájaként olajos készítmények, valamint hiperparazita gombatörzsek felhasználhatóságát vizsgáltuk annak érdekében, hogy olyan környezetbarát lehetőségeket kínáljunk e kórokozók elleni védekezésre, amelyek felhasználhatók az egyre terjedő ökológiai és a low-input gazdálkodás keretei között. Mind az olajos, mind pedig a hiperparazita törzsekből általunk előállított készítmények (emulziók, ill. spóra-szuszpenziók) között sikerült olyan megoldásokat találni, amelyek megfelelnek ezeknek a követelményeknek. Saját fejlesztésű olajos készítményünk közel áll ahhoz, hogy termékként értékesítve forgalomba hozható legyen, és az általunk szelektált hiperparazita törzs is ígéretes lehetőséget jelent a gabonalisztharmat elleni védekezésre az ökológiai és a lowinput termesztés feltételei között. Eredményeink egy része remélhetőleg publikálható lesz rangos nemzetközi folyóiratokban is.

1. ábra 2. ábra 1. ábra. Az Egyesült Államokban forgalmazott, Ampelomyces hiperparazitákat tartalmazó AQ10 Biofungicide nevű termék. 2. ábra. Az általunk használt hiperparazita-készítmény mikroszkópos képe. 3. ábra. A kipermetezett hiperparaziták behatolása a lisztharmat-konídiumokba.

3. ábra

4. ábra 5. ábra 4. ábra. A G1 jelzésű Ampelomyces hiperparazita izolátummal és lisztharmat-ellenes fungicddel (Fundazollal) kezelt, előzőleg lisztharmattal fertőzött növények összehasonlítása a kontroll növényekkel. 5. ábra. Három hiperparazita izolátummal (G1, AQ10 és 263) valamint Fundazol fungiciddel kezelt lisztharmatos levelek összehasonlítása a kontrollal (K).

Irodalom Bélanger, R.R. & Benyagoub, M. (1997) Challenges and prospects for integrated control of powdery mildews in the greenhouse. Canadian Journal of Plant Pathology 19: 310-314. Hewitt, H.G. (1998) Fungicides in Crop Protection. CABI Publishing, Wallingford, UK. Kiss, L. (1997a) Genetic diversity in Ampelomyces isolates, hyperparasites of powdery mildew fungi, inferred from RFLP analysis of the rDNA ITS region. Mycological Research 101: 1073-1080. Kiss, L. (1997b) Graminicolous powdery mildew fungi as new natural hosts of Ampelomyces mycoparasites. Canadian Journal of Botany 75: 680-683. Kiss, L. (1998) Natural occurrence of Ampelomyces intracellular mycoparasites in mycelia of powdery mildew fungi. New Phytologist 140: 709-714. Kiss, L. (2003) A review of fungal antagonists of powdery mildews and their potential as biocontrol agents. Pest Management Science 59: 475-483. Kiss, L. & Nakasone, K.K. (1998) Ribosomal DNA internal transcribed spacer sequences do not support the species status of Ampelomyces quisqualis, a hyperparasite of powdery mildew fungi. Current Genetics 33: 362-367. Martin, H. & Salmon, E.S. (1930) Vegetable oils as fungicides. Nature 126: 58. Paulitz, T.C. & Bélanger, R.R. (2001) Biological control in greenhouse systems. Annual Review of Phytopathology 39: 103-133. Sundheim, L. & Tronsmo, A. (1988) Hyperparasites in biological control, in Biocontrol of Plant Diseases (MUKERJI, K.G. & GARG, K.L., Eds). CRC Press, Boca Raton, USA, vol. I., pp. 53-69.

Kórtani és rezisztencia vizsgálatok A búza rozsdagomba betegségeinek és a búzafajták levélrozsdagombával szembeni ellenállóságának vizsgálata a különböző búzatermesztési rendszerek (ökológia, low input, high input) speciális igényének kielégítése érdekében A hazai búzatermesztést 1960-1980 -as évek között kimagasló dinamikus növekedés jellemezte, amely elsősorban az indusztriális inputokra épült. Ebben az időszakban a termésátlagok a 80-as évek végére megháromszorozódtak. Ez a termés mennyiségi növekedés lehetővé tette a biztonságos hazai ellátás mellett az export jelentős bővülését is. A búzatermesztés színvonalának látványos javulásával járó sok kedvező hatása mellett több negatív jelentőségű folyamat is jelentkezett (környezet szennyeződése, élelmiszer minőségének romlása stb.) .

A búzatermesztés jövőbeli fejlesztésében a fenntarthatóság, környezetvédelem és a minőség követelménye együttesen kell hogy jelentkezzen. A jövőben csak azok a termelők számíthatnak tartós piacra, akik a környezetvédelmi követelményeknek megfelelő mezőgazdasági technológiákat használják, megóvják a talajokat, az élővizet a káros szennyeződésektől, és egészséges, szermaradványoktól és toxinoktól mentes, jó beltartalmi értékű élelmiszert állítanak elő. Az elvárások teljesíthetősége érdekében különböző termesztési technológia rendszerek vannak kialakulóban. Ilyen például az organikus gazdálkodás. Az organikus mezőgazdaság döntő szerepet fog játszani az élelmiszer-minőség javításában a jövő Európájában. Minőségi élelmiszer iránti igény fokozódása együtt jár az organikus termékek piaci növekedésével. Az EU adatok szerint az organikus gazdálkodásra szánt termőterületek nagysága folyamatosan nő, míg 1993-ban 0,7 millió hektárt jegyeztek, 1998-ban már 2,7 millió hektár volt. A Biokontroll Hungária Kht. adatai szerint Magyarországon is dinamikus fejlődés tapasztalható ezen a téren. 1995-ben az öko - terület nagysága 8 232 ha volt, míg 2002-ben 103 672 ha (a mezőgazdasági terület 1,7%-a) . Az ellenőrzött területből legmagasabb a gyepek részesedése, amelyet a gabonafélék követnek, de jelentős az olajos növények aránya is. Úgy tűnik, hogy az organikus gazdálkodás számára megfelelőek a magyar körülmények, és kedvezők a magyar gazdasági változások. A különböző gazdálkodási módok (termesztési technológia rendszerek) bevezetéséhez szükséges olyan fajtaválaszték, amely különböző termesztési rendszerek speciális igényét ki tudja elégíteni. Ilyen speciális igény lehet például a termesztendő fajták kórokozókkal szembeni ellenállósága, hiszen a búza betakarítható termésének mennyiségét és minőségét illetően a kórokozók szerepe jelentős lehet. A búza kórokozói közül a lisztharmat, a rozsdafajok, a Fusarium fajok és újabban a Septoria és Helmintosporium fajok okozhatnak gondot Magyarországon. A kórokozók által okozott gazdasági kár csökkentése a gazda-parazita kapcsolat mindkét oldalának figyelembevételével történhet: − csökkenthetjük a kórokozó támadóképességét például fungicidekkel, − növelhetjük a növény ellenállóképességét. Napjainkban a búza kórokozóinak elpusztítására a növényvédőszerek széles skálája áll rendelkezésünkre. Alkalmazásuk jelenleg tulajdonképpen esetenként nélkülözhetetlen a velük kapcsolatban ismert számos hátrány ellenére (a védettség nem tartós, különböző kórokozók ellen gyakran más szerrel és eltérő időpontokban kell védekezni, védekezés hatástalan, ha nem megfelelő időben végzik el, potenciális veszélyt jelent az emberre és környezetre egyaránt, egy hatóanyag sokszori használata ellenálló kórokozók elszaporodásának veszélyét hordozza magában).

A növényvédőszerek használatával kapcsolatban tapasztalható hátrány miatt az egész világon az érdeklődés a növényi ellenállóságban rejlő lehetőségek kiaknázása felé irányul. Hiszen ha a növényünk a betegségekkel szemben ellenálló, nem kell gondot fordítanunk a növény védelmére, költséget és fáradtságot takarítunk meg és óvjuk a környezetet is. A kórokozókkal szemben ellenálló fajták előállításának és azok termesztésbe történő bevezetésének feltétele, hogy 1. ismerjük a kórokozó előfordulását, virulenciáját (rasszait, patotípusait) abban bekövetkezett változásokat, 2. a rezisztenciagének védelemben betölthető szerepét a kórokozók hazai populációival szemben, 3. valamint a búzagenotípusok/fajták kórokozókkal szembeni viselkedését. Búza rozsdagomba betegségeinek jelentősége Magyarországon és a termesztett hazai búzafajták rozsdagombákkal szembeni ellenállósága A búzán előforduló rozsdagombák (levél- szár- és sárgarozsda) kártétele régóta ismert Magyarországon. A század első felében a rozsdagombák közül a szárrozsda okozott komoly gondot a hazai búzatermesztésben, napjainkban viszont a három rozsdafaj közül a levélrozsda jelentősége nőtt meg. A levélrozsda előfordulásával ugyanis minden évben számolni kell, míg a szárrozsda járványa, sőt előfordulása is az utóbbi években elmaradt. A sárgarozsda hazánkban ritkán fordul elő az alacsonyabb hőmérséklet iránti igénye miatt (Manninger, 2000, Manninger 2002). A búza levélrozsdájának virulenciája (rozsdaminták gyűjtése, rasszok/ patotípusok) 2003-ban éppúgy, mint a korábbi években az ország búzatermesztő körzeteinek búzatábláiról, nemesítő intézetek és az OMMI fajtakísérleti állomások kísérleti terén talált búzafajtákról szerettünk volna rozsdákkal fertőzött búzaleveleket gyűjteni. Ebben az évben azonban a megszokott gyűjtési helyek közül csupán öt helyen (Debrecen, Boly-Pécs, Budapest, Röjtökmuzsaj, Szeged) sikerült ezt megtennünk. A rozsdamintákból monospórás izolátumokat készítettünk a rozsdapopulációk rasszainak / patotípusainak azonosításához (a levélrozsda-populációban előforduló rasszok meghatározása Johnston és Mains által összeállított fajtasoron, a patotípusok azonosítása 15 Thacher alapú közel-izogén vonalak egyhetes növényein végzett vizsgálatok útján történt). Ez évben a levélrozsda-populációban a korábbi évekhez hasonlóan a 12, 61 és 77 rasszok fordultak elő jelentősebb részarányban. A populáció rasszösszetételében nem tapasztaltunk lényeges változást, rasszoknak a populáción belüli szerepe viszont megváltozott. 2003 -ban a rozsdapopulációban előforduló 12-es rassz részaránya közel 80%-ra növekedett elsősorban a 61 és 77

rassz rovására. A patotípusokat elsősorban az Lr15, Lr21 és Lr23 rezisztenciagéneket hordozó izogén vonalakon tapasztalt virulencia-különbségek alapján tudtuk elkülöníteni. A 12-es rasszon belül 43722 jelzésű patotípus fordult elő a legnagyobb gyakorisággal, amely az Lr2c, Lr3, Lr11, Lr15, Lr17, Lr21 és Lr26 rezisztenciagéneket hordozó közel-izogén vonalakon virulens. Valamennyi izolátum virulensnek bizonyult a hazai fajtákban előforduló Lr3 és Lr26 rezisztenciagénekre. A levélrozsda-populációban előforduló patotipusok jelentős részarányára volt jellemző, hogy virulensek voltak e kétféle rezisztenciagénre is. A hazai búzalevélrozsda-populációkkal szemben hatékony rezisztenciagének azonosítása A hatékony rezisztenciagének kiderítése érdekében a hazai levélrozsdapopulációból származó izolátumokat 41 különböző levélrozsda rezisztenciagént hordozó, közel-izogén vonalakon vizsgáltuk. A rezisztenciagének felnőttkori hatékonyságára vonatkozó vizsgálatokat Röjtökmuzsajon, a fiatalkori viselkedésükre vonatkozókat az MTA Növényvédelmi Kutatóintézete üvegházában végeztük. A fiatalkori és felnőttkori vizsgálati eredmények szerint a különböző rezisztenciagének hatékonysága a hazai levélrozsda - populációval szemben eltérő volt. A vizsgált 41 levélrozsda rezisztenciagént a védelemben betölthető szerepük, illetve jelentőségük alapján négy csoportba soroltuk (1. táblázat). Az Lr9, Lr19, Lr24, Lr25, Lr28, Lr29, Lr38 és LrW rezisztenciagének valamennyi izolátummal szemben hatékonyaknak bizonyultak, és felnőtt korban a hazai levélrozsda-populációval szemben teljes védelmet tudtak biztosítani. Az ismert felnőttkori rezisztenciagének közül az Lr12, Lr22, Lr35 és Lr37 hatékonyaknak bizonyultak a hazai levélrozsda-populációval szemben is, ugyanakkor az is kiderült, hogy az Lr13 és Lr34 rezisztenciagének hatékonyságát a rozsdapopulációban jelenlevő új virulens patotípusok „letörték”, így a védelmi képességüket ezek a gének elvesztették. Az Lr13 és Lr34 rezisztenciagének számos hazai és külföldi fajtákba kerültek beépítésre (Bartos et al., 2000, Goyeau and Park, 1997, Hartleb et al., 1997, Winzeler et al., 2000), amelyeket azután sikeresen termesztettek éveken keresztül rozsdafertőzéstől mentesen, ma már azonban ezek a fajták is fogékonyak az említett virulens patotípusok felszaporodása miatt (2. táblázat). Következtetések, javaslatok Összegezve a búza levélrozsdájával kapcsolatos vizsgálatok eredményeit, megállapíthattuk, hogy a hazai levélrozsda-populációval szemben számos hatékony levélrozsda-rezisztenciagén tud védelmet biztosítani. A lehetőségek hazai fajtákat illetően nincsenek kiaknázva. A kiderített hatékony rezisztenciagének fajtákba történő bevitelével a kórokozóval szemben ellenálló új fajták előállítása megvalósítható.

A fiatalkori és szántóföldi vizsgálatok során kiderült, hogy a jelenlegi hazai fajtaválasztékban vannak a búza levélrozsdájával szemben fogékony, mérsékelten fogékony, mérsékelten ellenálló és ellenálló fajták. Napjainkban a búza vetésterületének körülbelül 10-15%-án folyik rezisztens fajták termesztése. A korábbi évekhez képest e tény jelentős előrehaladásnak számít, mivel a korábbi években a nagy vetésterülettel rendelkező fajták általában fogékonyak voltak a levélrozsdával szemben. A rezisztens fajták esetében az ellenállóság kétféle megnyilvánulását (HR, ADP) igazoltuk, amiből következik, hogy az ellenálló fajták rezisztenciáját nem egyforma rezisztenciagén biztosítja. Ez azért jó, mert minél többféle rezisztenciagénnel szemben kell felvenni a kórokozónak a versenyt, annál nehezebb lesz számára a rezisztenciagének hatékonyságát „letörni”, és így fajták hosszabb ideig meg tudják őrizni ellenállóképességüket. Cél, hogy a következő években a rezisztens fajták száma és vetésterülete − a fogékony fajtákat fokozatosan kiszorítva − tovább emelkedjék. A búzatermesztés jövőbeni fejlesztési feltételének teljesítése miatt erre a növekedésre számítani lehet. A kórokozókkal szemben ellenálló fajtákkal lehet igazán az emberi egészségre ártalmas anyagoktól mentes tápláló élelmiszer termelését biztosítani. 1. táblázat. Rezisztenciagének hatékonysága a hazai búzalevélrozsda - populációval szemben Röjtökmuzsaj, 2003

Levélrozsda-rezisztenciagén (Lr) Hatékony Felnőtt korban

Részben hatékony Hatástalan Fiatal és Felnőtt korban Lr1

Lr2b, Lr2c

Lr12

Lr9

Lr22

Lr19

Lr2a

Lr3, Lr3bg

Lr35

Lr24

Lr20

Lr3ka

Lr37

Lr25

Lr23

Lr10, Lr11

Lr15

Lr28

Lr32

Lr13

Lr17

Lr29

Lr14a, Lr14b

Lr18

Lr38/K

Lr16, Lr26

Lr21

LrW

Lr30, Lr33

Lr44 Lr44/tT.sp.

Lr34 Lr38TMR

LrB, LrB/C

2. táblázat. Levélrozsda-rezisztenciagének hatékonyságának változása hazai búzalevélrozsdapopulációval szemben Lr gén

Év 1997

2003 Reakció típus

Lr12 Lr13 Lr22 Lr34 Lr35 Lr37

R R R R R R

R MS-S R MS-S R R

A jelenlegi fajtaválasztékból a most fellendülőben lévő ökológiai és extenzív/low input gazdálkodás számára a levélrozsdával szemben rezisztens fajták ajánlhatók, de szerepük a környezetkímélő, integrált növénytermesztéssel gazdálkodó üzemekben is fontos lehet. Gondot csupán az okoz, hogy a vizsgálati eredményeink az ellenálló fajták többségénél a vertikális rezisztenciaforma előfordulását igazolták. A vertikális rezisztenciát biztosító rezisztenciagén hatékonyságát viszont egy-egy új rassz / patotípus gyorsan „letörheti”, és az ellenálló fajták fogékonnyá válhatnak. Azonban a hazai levélrozsda-populációval szemben hatékony rezisztenciagének kiderítésével van lehetőség az új fajták előállítása esetében a nem rasszspecifikus típusú rezisztencia megvalósítására. Ilyen típusú rezisztencia előállítása több munkát igényel, viszont nagy valószínűséggel hosszú ideig tud védelmet biztosítani a kórokozóval szemben. Irodalom Bartos, P. E. Hanzalová A. Blazková, V. (2000) Leaf rust Resistance of Winter Wheat Cultivars registered in the Czech Republic. Acta Phytopathologica et Entomologica Hungarica 35(1-4), pp. 149-151. Goyeau, H. and Park, R. F. (1997) Pustulation of resistance gene to whea leaf rust at the seedling stage in bread wheat cultivars grown in France. Proceedings of Approaches to Improving Disease Resistance to Meet Future Needs: Airborne Pathogens of Wheat and Barley, Praha Czech Republic.pp.117-121. Hartleb H., Heitefuss R., Hoppe H-H . (1997). Resistance of Crop Plants against fungi. Gustav Fisher, Jena, Stuttgart, Lübeck, Ulm. 238-253.

Manninger, K. (2000) Virulence survey of wheat Leaf Rust in Hungary: Races/Pathotypes in 1999. Acta Phytopathologica et Entomologica Hungarica 35(1-4), pp. 421-428 . Manninger, K. (2002) Effective Resistance Genes as Sources of Resistance against Hungarian wheat rusts Czech Journal of Genetics and Plant Breeding, 38, 153-154. Manninger, K. (2002) Occurrence and Virulence of Wheat Yellow rust in Hungary during 19992001. Plant Science, 38, 408-410. Manninger Sándorné (2002) A búza sárgarozsdájának járványa Magyarországon 2001-ben Növényvédelem, 38,621-626. Michael Winzeler, Ákos Mesterházy, Robert F. Park, Pavel Bartos, Mária Csősz, Henriette Goyeau, Mariana Ittu, Elwyn Jones, Franziska Löschenberger, Klára Manninger, Marina Pasquini, Klaus Richter, Diego Rubiales, Gabriele Schachermayr, Anna Strzembicka, Maxime Trottet, Otto Unger, Gyula Vida, Ursula Walther (2000) Reistance of European winter wheat germplasm to leaf rust, Agronomie 20, 783-792. McIntosh RA., Wellings CR., Park RF. (1995): Wheat rusts: an atlas of resistance genes. CSIRO, Australia – Kluwer Academic Publishers, Dordrecht/Boston/London. pp. 200. Park, R. F. and Felsenstein, F. G. (1998) Physiological specialization and pythotye distrubution of Puccinia receondita in western Europe, 1995. Plant Pathol., 47, 157-164. Vida, G., Manninger K., Szunics L., Szunics Lu., Gál M. (2000): Selected results of wheat leaf rust resistance research, 50th Anniversary of the Agricultural Research Institute of the Hungarian Academy of Sciences, Scientific Meeting (June 2-3, 1999), Martonvásár, pp.163-169.

III. NANOTECHNOLÓGIA ÉS NANOTUDOMÁNYOK GYULAI JÓZSEF MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutató Intézet

A nanogas projekt Összefoglalás  Kimutattuk, hogy a többfalú szén nanocsövek alkalmasak gázérzékelő detektorok kifejlesztésére. Az eredmények arra engednek következtetni, hogy néhány megfelelően funkcionalizált szén nanocső-érzékelő egyidejű használatával lehetőség nyílik ismeretlen gázkeverékek gyors azonosítására.  Fizikai vizsgálatnak (szerkezet, infravörös és Raman spektroszkópia, ionsugaras analízis – részben SZFKI és RMKI kooperációban) vetettük alá a nanocsöveinket a megfelelő funkció kialakítása céljából.  Megkezdtük az eszköz megvalósítási kísérleteit a szenzorlaboratórium professzionális, laborszintű gyártósorával, amely már az ISO-kompatibilitást is biztosítja.  A kísérletek első fázisában elektromos ellenállásméréssel detektáltuk a gázoknak a nanocsőre (annak elektromos ellenállására) gyakorolt hatását.  Előkísérleteket végeztünk az optikai detektálásra vonatkozóan, itt párhuzamosan folytak az MFA vékonyréteg technikájával, ionimplantációval és fotólitográfiával készített hullámvezető és Mach-Zender interferometriás, illetőleg az SZBK partnernél a lézeres polimerizációval készített, szintén Mach-Zender interferometriás detektálás kutatása – egyelőre modellanyagokon.  Előkísérletként (a folytatás körüli aggályok miatt előre hozva), szintén modellszénanyagon megvalósítottuk a felületi akusztikus szűrő, SAW-elvű detektálást, és ennek kapcsán  elkészítettük a majdani eszköznek már miniatűr, elektronikus modelljét is (a működést bemutató demonstrációs film a CD-n mellékelve). Bevezetés Az első két mérföldkőhöz kapcsolódó eredményekről készített beszámoló a három évesre tervezett kutatás-fejlesztés első éve munkájának eredményeit foglalja össze.

A szenzorkutatás-fejlesztési munka sajátja, hogy azt csak a cél megfogalmazott volta esetén lehet ténylegesen beindítani, az általános munka elsősorban készségalakítás, készségfenntartás céljait szolgálhatja. A munka jelen fázisába, részfeladatok vállalásával, több kutatóintézet (SZFKI, RMKI, SZBK) kapcsolódott be – alvállalkozóként. A jelenlegi olcsó, reprodukálható és megbízható szilárdtest alapú gázérzékelők legfontosabb korlátja az alacsony szelektivitás, a gyenge reprodukálhatóság, a nem-linearitás, az interferenciára való hajlam, a kalibrációs nehézségek és az alacsony időbeli stabilitás. Ez a legfőbb motiváció, hogy komoly kutatás folyik az anyagtudomány területén alternatív lehetőségek kifejlesztésére (katalitikus hatások, tudatos adalékolás, többrétegű szerkezetek, nano- és egyéb új érzékelő rétegek) és új érzékelő mérési stratégiák (mono sensor array-ek, hibrid szerkezetek, sztatikus és dinamikus mérések, adatfeldolgozás...). A gázok érzékelésének egyik fontos problémája, hogy például az illékony szerves anyagok esetében, amelyek igen sokszor gyúlékony, mérgező vagy az egészségre káros vegyületek, sokszor komoly irreverzibilis hatásokkal, különösen szigorú határértékeket szabnak meg, (pl. metilalkohol esetén az ipari higiénia előírásai 200 ppm értéket írnak elő!), így ezek mérését csak igen speciális, nagyon érzékeny eszközökkel lehet kimutatni, amelyeket kívánatos minden számbajövő helyen alkalmazni. A hagyományos, ilyen érzékenységű kémiai mérések (gázkromatográfia, tömegspektrometria, FTIR analízis) hátránya, hogy bár igen érzékenyek és pontosak, de költségesek és igen kevéssé „mobilok”. A cél tehát ezekkel a hátrányokkal nem rendelkező olyan szelektív („elektronikus orr”) eszköz kifejlesztése, amely optimális esetben autonóm, és esetleg rendelkezik távközlési lehetőségekkel. Szakmai bevezető Szén nanocsövek A szén nanocsöveket 1991-ben fedezte fel Iijima [i] kisnyomású He légkörben létrehozott egyenáramú elektromos ívben előállított fullerén „koromban”. A szén nanocsövek szerkezeti modellje elegáns egyszerűségében (1. ábra és 2. ábra): a grafén sík feltekerésével – úgy, hogy a feltekerés nyomán a szén-szén kötések hálója tökéletesen záródjon – egy hengerfelületet nyerünk. Az egyfalú szén nanocső elektronszerkezetét a grafén sík feltekerésének módja határozza meg. Két esetet különböztetünk meg az elektronállapotok eloszlása szerint: a) fémes szén nanocsőről beszélünk, ha a Fermi energia környezetében minden energián a nanocső állapotsűrűsége különbözik nullától, vagy b) félvezető szén nanocsőről beszélünk akkor, ha a Fermi energia környezetében található egy tiltott sáv, amelyben a nanocső állapotsűrűsége nulla. A 3. ábrán Dresselhaus nyomán [ii] bemutatjuk az egyfalú szén nanocsövek feltekerési térképét.

a1 a

C C-

a2



C

1. ábra. A grafén sík nanocsővé tekerését meghatározó feltekerési vektor C, a1 és a2 a grafén sík két egységvektora, aC-C a szén-szén kötés.

„karosszék”

„cikk-cakk”

királis

2. ábra. Egyenes szén nanocsövek szerkezeti modellje. Az ábrán látható a három jellegzetes nanocső család: a karosszék csövek esetében egyik szén-szén kötés merőleges a cső tengelyére, a cikk-cakk csövek esetében egyik szén-szén kötés párhuzamos a cső tengelyével, míg a királis csövek esetében a cső tengelye és a hozzá legközelebb eső szén-szén kötés 0 és 30o közötti szöget zár be.

3. ábra. A grafén sík feltekerésével nyerhető szén nanocsövek elektronszerkezeti tulajdonságait bemutató térkép. A zárójelben megadott számok a feltekerési vektor, C, egységvektorainak szorzói.

A többfalú szén nanocsövek elektronszerkezetének kérdése jóval bonyolultabb, mint az egyfalú csöveké, ugyanis a koncentrikus rétegek elektronszerkezete véletlenszerűen váltakozhat (fémes vagy félvezető). A jelen kutatás keretei között a legkülső réteg – amely kölcsönhatásba kerül a környező gáztérrel, a funkciós csoportokkal, valamint a kivezető elektródákkal – hozzájárulása az elektromos transzporthoz meghatározónak tekinthető, így első közelítésben a többfalú szén nanocsöveket úgy fogjuk tekinteni, mint nagy átmérőjű egyfalú csöveket. Szén nanocsövek előállítása – rövid áttekintés Rendkívüli elektromos és mechanikai tulajdonságaiknak köszönhetően [iii,iv] a szén nanocsövek iránt egyre nő az érdeklődés. Gyakorlati alkalmazásukhoz nagy mennyiségű és az alkalmazásnak megfelelő minőségű nanocsőre van szükség, lehetőleg alacsony előállítási költségek mellett. Röviden felsoroljuk a legfontosabb előállítási módszereket.  Alacsony nyomású nemesgázban létrehozott elektromos ív  Nanocsövek előállítása a szén lézeres elpárologtatásával  Szénhidrogének katalitikus bontása (CVD)  Nanocsövek növesztése víz alatti elektromos ívben Szénhidrogének katalitikus bontása (CVD Az MFA-ban, kooperációs partnerekkel, ez volt a leggyakrabban alkalmazott előállítási mód.

Nanocsövek növesztése víz alatti elektromos ívben Az MFA-ban tökéletesítés alatt álló növesztési módszer, amely ioncserélt vizet alkalmaz védőközegként a szénplazma környezetében. A módszer előnye a klasszikus ívfényes eljárással szemben, hogy olcsón és folyamatosan üzemeltethető, ugyanakkor jól grafitizált szén nanocsöveket eredményez, akárcsak a klasszikus ívfényes eljárás [v]. Az alkalmazott növesztési módszertől függetlenül, rendszerint szükséges a keletkezett termék tisztítása [vi] fizikai-kémiai módszerekre alapozva. Ezeknek a folyamatoknak a során előfordulhat, vagy szándékosan előidézhető, hogy kémiai csoportok, ún. funkciós csoportok kötődjenek hozzá a szén nanocsövön meglévő, vagy a funkcionalizálás során szándékosan létrehozott hibahelyekhez [vii]. Ezek a funkciós csoportok képesek befolyásolni azt, hogyan viselkedik a szén nanocső különböző közegekben és más nanocsövekkel szemben. Szén nanocsövek alkalmazása gázok/gőzök érzékelésére – rövid áttekintés Az egyfalú, félvezető szén nanocsövek vezetőképességét megváltoztathatják egyes, a környező légtérből fiziszorbeált, vagy kemiszorbeált molekulák, mint például NO2, vagy NH3 [viii]. Ez megteremti a szén nanocsövek gázszenzorokként való alkalmazásának a lehetőségét. A szenzoros alkalmazások szempontjából az a kívánatos, ha a szenzor egyformán gyorsan reagál a környezet megváltozására, legyen az a detektálni kívánt gáz/gőz megjelenése, vagy eltűnése. A Kong és munkatársai [8] által egyedülálló, egyfalú, félvezető szén nanocsöveken végzett kísérletek azt mutatták, hogy a kiváló érzékenység dacára, a szenzorok még 200 ° C kifűtés esetén is óra nagyságrendű idő alatt érték el újra a kezdeti állapotot. Egyfalú szén nanocső kötegekből álló „szőnyeget” (mat) sikeresen alkalmaztak termoelektromotoros erő mérése segítségével többféle gáz detektálására vákuumban: He, H2, N2, O2, stb. [ix]. A gyakorlati alkalmazhatóság szempontjából jelentős hátrány a vákuumos munkakörnyezet, valamint az UHV körülmények közötti kifűtés szükségessége, nem beszélve az óra nagyságrendű idő alatt beálló egyensúlyról. Nemrégiben, elméleti számítások [x] megmutatták, hogy szerves molekulák, mint például a benzol adszorpciója jelentősen megváltoztathatja az egyfalú szén nanocsövek vezetőképességét. A hatás mértékét befolyásolja a benzol molekula orientációja a szén nanocsövet alkotó sp2 hálón. Újszerű érzékelési elvet fogalmaztak meg Ajayan és munkatársai [xi], amely a szén nanocső elektronemitterek alkalmazásával a klasszikus ionizációs gázdetektorok munkafeszültségét csökkenti a néhányszor száz voltos tartományba. A nanocsöveken a környezeti hatásokra létrejövő fizikai, kémiai változások optimális detektálása jelenti tehát a mi kutatásainknak is a következő, semmivel kevésbé fontos elemét. A nanocsöveknek ui. a mechanikai, elektromos, stb. tulajdonságai is megváltoznak a pl. ligandokon történő változások következtében.

Ennek megfelelően, több módszer alkalmazásában gondolkodtunk. A legkézenfekvőbb tehát  az elektromos ellenállás mérése, de az  optikai tulajdonságok megváltozásának mérése, a nanocsövekkel befedett  piezoelektromos tulajdonságú lapkán az akusztikus hullámok terjedésnek mérése, valamint a  dielektromos tulajdonságok változásának mérése egyaránt alkalmazható, ill. vezethet a legérzékenyebb, vagy a feladathoz/költségekhez leginkább illeszkedő megoldáshoz. Kísérleti eredmények Szén nanocső minták Az alapkísérletek céljára hat többfalú szén nanocső családot választottunk ki, amelyek eltérnek előállításuk, vagy az előállítást követő kezelések tekintetében. A kiválasztott nanocső családok főbb jellemzőit az 1. táblázat adja meg: 1. táblázat. A kísérletekben felhasznált szén nanocső minták főbb jellemzői Minta megnevezése SZ1

Előállítási módszer CVD

SZ2

CVD

Katalizátor hordozó kioldása HCl kezeléssel ---

SZ3

CVD

H2SO4/KMnO4

SZFD3

CVD

Katalizátor hordozó kioldása HCl kezeléssel

Z1

elektromos ív He atmoszférában elektromos ív víz alatt elektromos ív víz alatt

---

Háromlépéses kémiai kezelés [xii] 1. H2SO4:HNO3 2. SOCl2 3. C3H10N2 (diaminopropán) ---

---

---

---

---

---

---

2IV2 2IV5

Kémiai tisztítás

Funkcionalizálás/ utókezelés módszere

Megjegyzés

---

---

őrlés golyós malomban levegőn ---

kiinduló anyag SZ1 kiinduló anyag SZ2 a csövek teljes felülete funkciós csoportokkal borított ---

Nanométeres objektumok kezelése és telepítése Makroszkopikus szinten a szén nanocsövek, az egyfalúak és a többfalúak is, fekete, vattaszerű anyagként viselkednek, kivételt képeznek azok az esetek, amikor a fizikai kémiai hatások (tisztítás, funkcionalizálás, stb.), esetleg a jelenlévő amorf szén hatására a nanocsövek „göröngyökké” állnak össze. Akár a szerkezeti, vagy összetételi vizsgálatokról, akár a gázdetektor érzékelő felületére való telepítésről legyen szó, megoldandó feladat az ex-situ növesztett nanométeres

objektumok manipulálása és megfelelő koncentrációban és elrendezésben való célzott eljuttatása a kívánt helyre. A leggyakrabban alkalmazott és egyben legegyszerűbb módszer az, ha valamilyen illékony szerves oldószerben (alkohol, toluol, aceton, stb.) megfelelő koncentrációjú szuszpenziót hozunk létre a szén nanocsövekből. A szuszpenzió célba juttatása után az illékony oldószer elpárolog, a szén nanocsövek pedig lerakódnak a kiválasztott felületre. A jelen kutatás későbbi szakaszában tervezünk kísérleteket a nanocsövek in situ növesztésére is, azonban tekintettel ennek a feladatnak a nagyfokú komplexitására, amint az leírásra került a benyújtott pályázati anyagban is, célszerűbbnek látszott a megfelelő szenzoros elvek feltérképezése ex situ növesztett szén nanocsövek felhasználásával. A szuszpenzión alapuló célba juttatás szempontjából kritikus tényező a szuszpenziók viselkedése az ultrahangozás befejezése után. Ugyanakkor az azonos mennyiségű szilárd kiinduló anyagot tartalmazó és azonos körülmények között előállított szuszpenziók eltérő viselkedése annak jele, hogy a nanocső minták között szerkezeti, vagy kémiai eltérések vannak. A fenti okok miatt a vizsgálatok első csoportja szuszpenziók viselkedésére koncentrált. Szén nanocső szuszpenziók előállítása és ülepedésük tanulmányozása. Az ultrahangozással előállított szuszpenziók viselkedésének nyomon követésére és összehasonlítására fényképezés segítségével rögzítettük az ülepedési folyamat időbeni lefolyását. Minden esetben 1 mg nanocsövet szuszpendáltattunk 20 ml benzolban, a keletkező szuszpenziót 1 órán át ultrahangoztuk (ez a 750 W-s ultrahangos rázó esetén az effektív rázási időt jelenti) majd ülepedni hagytuk. A 4. ábra három különböző, de egy csoportból, a CVD minták közül kiválasztott minta időbeni evolúcióját bemutató felvételeket hasonlít össze. Megállapítható, hogy a CVD módszerrel előállított szuszpenzió lényegesen sötétebb, mint az ívkisüléssel előállított.

4. ábra. CVD szén nanocsövek 185 perces ülepítése ultrahangos kezelést követően. Megfigyelhető hogy ez esetben a szén nanocsövek hossza határozza meg az ülepedés folyamatát. Bal: növesztett állapotban (10 m hossz); Közép: golyós malomban végzett törés után (1 m hossz); Jobb: a golyós malomban tört nanocsövek kémiai tisztítást követően (1m hossz).

Szén nanocső minták szerkezeti jellemzése TEM segítségével

Példaként bemutatjuk az Sz1 mintáról készült egy-egy jellemző kisebb és nagyobb nagyítású TEM felvételt a 5. és 6. ábrán. A minta kb. 90-95% szén nanocsövet tartalmaz, valamint kis mennyiségben katalizátor hordozó Al2O3 szemcséket és grafittal borított fém részecskéket. A nanocsövek többfalúak, tipikus külső átmérőjük 5-30 nm, belső átmérőjük 3-5 nm. Hosszuk nehezen becsülhető, általában több, esetleg több tíz m. Nem túl gyakran, megfigyelhető a csövek ún. „bambusz-szerű” hibája: a középső csatornát teljesen lezáró néhány rétegnyi közbülső grafitfal. A csövek nagy részének zártak a végei. 5. ábra. Kis nagyítású TEM kép az Sz1 mintáról. Látható, hogy főként nanocsövekből áll, de emellett kis mennyiségben katalizátor hordozó Al2O3 részecskéket és grafittal borított fém szemcséket is tartalmaz.

6. ábra. Nagyobb nagyítású TEM kép az Sz1 mintáról. Megfigyelhető a csövek közepén húzódó csatorna, valamint néhol a csövek ún. „bambusz-szerű” hibája: a csatornát lezáró közbülső grafitréteg.

Szén nanocső minták pásztázó alagútmikroszkópos jellemzése A szén nanocsövek funkcionalizálása egy viszonylag új területe a szén nanocső kutatásnak. Az ismert volt korábban is, hogy az oxidáción alapuló kémiai tisztítási lépések nyomán a szén nanocső végein található lógó kötésekre könnyedén rákapcsolódhatnak kovalens kötéseken keresztül -C]–[C-OX jellegű funkciós csoportok [iv, xiii], a –C]-[C- csoport a nanocső és a funkciós csoportot összekapcsoló kötést jelöli, X lehet –O, -OH, stb.. Fizikai és kémiai módszerek alkalmazásával lehetséges a funkciós csoportok szándékos felvitele a szén nanocsőre, mint például golyós malomban végzett őrléssel [vii], vagy több lépcsős kémiai reakciókkal [xii]. A funkcionalizálás várhatóan rendkívüli módon kiterjeszti azoknak az anyagoknak a körét, amelyek kimutathatók szén nanocső alapú gázérzékelőkkel. Amennyiben a funkcionalizálást célzó kezelések után a további cél a funkcionalizált szén nanocső gázdetektorban való alkalmazása egy fontos kérdés az, hogy milyen a funkciós csoportok elrendeződése a szén nanocső külső falán. Ezen kérdés vizsgálatára egyetlen módszer, a pásztázó alagútmikroszkópos (STM) nagyfelbontású leképezés alkalmas. Az 7. ábrán bemutatott STM felvételek a szigetszerű és a folytonos funkcionalizálás közötti különbséget illusztrálják. Optikai spektroszkópiai vizsgálatok (SzFKI) Mintaelőkészítés A szén nanocsövek vizsgálatára a legkézenfekvőbb módszer a transzmissziós optikai spektroszkópia. A fekete por formájában előállított mintákat azonban alkalmassá kell tenni a transzmisszió mérésére. A nanocsövek hordozón történő mérésére alapuló módszert továbbfejlesztettük egy folyamatos ultrahangos rázóba helyezett porlasztóedény segítségével (8. ábra). Az alkalmazott hordozók szilícium-, üveg-, illetve kvarclapkák voltak, ezzel a teljes optikai tartományt le tudtuk fedni az infravöröstől az ultraibolyáig. A porlasztást alkoholos szuszpenzióból végeztük, mivel az oldószer tökéletes elpárolgása így jobban biztosított. További fejlődést jelentett az SZFKI hozzájárulása az infravörös mérésekkel. Egy olyan berendezést jelent ez, amelynek teljes térfogata néhány mbar nyomásra leszívható. Így kiszűrjük az atmoszférikus víz-, illetve széndioxid-sávokat a spektrumokból, azaz a mért rezgési elnyelések csak a nanocsövekre, illetve az azokra adszorbeált reagensekre jellemzőek. A mérési eredményekből megállapítható, hogy az OH-rezgések a nanocsövekre is jellemzőek maradnak, még a külső vízpára eltávolítása után is, a széndioxid sávok azonban kizárólag a légkörből származnak.

(a)

(b)

7. ábra. Funkcionalizált szén nanocsövek. (a) részlegesen funkcionalizált szén nanocsőről készült STM felvétel, jól megfigyelhető a funkciós csoportok „szigetszerű” elhelyezkedése; (b) folytonosan funkcionalizált szén nanocsőről (SZF3D) készült STM felvétel, jól megfigyelhető a folyamatos borítottság.

8. ábra. Nanocső minták porlasztásos előállítása céljából összeállított berendezés.

A vákuumban történő mérés további előnye, hogy a nyomokban megmaradó oldószert is eltünteti (9. ábra). Ez a metodikai fejlesztés lehetővé teszi a funkcionalizált nanocsövek oldalcsoportjainak nagypontosságú meghatározását. Infravörös spektroszkópia Tiszta nanocsövek rezgési átmenetei az infravörösben nem, vagy csak nagyon gyengén észlelhetők,xiv de az oldalcsoportok azonosítására a módszer jól használható.xv Első kísérleteink (10. ábra) azt mutatják, hogy a különböző reagensekkel golyósmalomban tört nanocső mintákban egyértelműen olyan rezgési átmenetek észlelhetők, amelyek nem rendelhetők sem a nanocsövekhez, sem a tiszta reagensekhez, sem az oldószerekhez vagy más szennyezőkhöz. Ennek alapján feltételezzük, hogy az őrlés során kémiai reakció vagy legalábbis kemoszorpció játszódik le.

Absorbance

air, MCT detector vacuum, DTGS detector

Z1

0.9

9. ábra. Ívkisüléssel készült, kémiailag nem kezelt nanocső minta (Z1) infravörös spektruma levegőn, illetve vákuumban. A 2900 cm-1-nél látható, vákuumban eltűnő dublett oldószer-abszorpcióra utal.

0.8

0.7

0.6 1000

2000

3000

4000

-1

Frequency (cm )

Szf3d

Absorption

COCl2 tört

SHCH3 tört

1000

1500

2000

2500

3000

-1

Frequency (cm )

10. ábra. Különböző módon funkcionalizált nanocsövek rezgési átmenetei (az egyes spektrumokon alapvonal-korrekciót végeztünk, majd eltoltuk őket a függőleges tengely mentén).

Összefoglalva, az optikai módszerek közül az infravörös spektroszkópiát találtuk a kémiai funkcionalizálás kimutatására leginkább alkalmas módszernek. Kidolgoztunk egy megbízható mérési eljárást, így a továbbiakban nagy mennyiségű minta rutin vizsgálatát tudjuk elvégezni. A feladat a rezgési spektrumok különböző modellvegyületekkel való összehasonlítása és ennek alapján a reakciótermékek azonosítása.

Raman-spektroszkópia A Raman-spektrumok nanocsövekben a fent részletezett rezgési analízisre azért nem használhatók, mert a nanocső mintában mindig van olyan összetevő, ami a gerjesztő lézerrel rezonanciába kerülve, igen erős Raman-vonalakat eredményez. Ehhez képest az oldalcsoportok Raman-szórása általában elhanyagolható. A kémiai funkcionalizálást a csövek ún. D-vonalának (1300 cm-1) erősödése jelzi; ennek intenzitása az sp3 hibridállapotú szénatomok számának növekedésével növekszik. sz1 szf3d

D

G

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Raman shift

11. ábra. CVD módszerrel készült, nyers (sz1) és funkcionalizált (szf3d) nanocső minta Raman-spektruma, 785 nm gerjesztő lézerrel. A D/G intenzitásarány növekedése a szén-szén kettős kötések számának csökkenésére utal.

A Raman-spektrumok felvételét Renishaw 1000MB típusú Ramanmikroszkóppal végeztük, ugyanazokon a szilíciumlapkára felvitt vékonyrétegeken, mint amiken az infravörös méréseket. A 11. ábrán egy nem funkcionalizált és egy funkcionalizált (Szf3d) nanocső minta spektrumát mutatjuk be. A rétegek minőségét jelzi, hogy a szilícium 520 cm-1-nél jelentkező intenzív vonala nem látszik a felvételeken. A funkcionalizálás láthatóan a D-vonal relatív növekedését okozza az 1600 cm-1 körül jelentkező G-vonalhoz képest. A spektroszkópiai módszerek közül fentiek alapján a funkcionalizálás hatásának kimutatására leginkább az infravörös és Raman-spektroszkópia alkalmas. Ugyanezekkel a módszerekkel lehet a már elkészült szenzorokon is az adszorbeált gázokat kimutatni, akár in situ ellenállásméréssel is. Hordozó lapkák nanocső alapú szenzorhoz A nanoszemcsés fém-oxid félvezető rétegek, ill. a szén nanocsövek gázérzékelő anyagként való alkalmazását a gázok kemoszorpciójának, ill. a gázok adszorpciójának hatására történő vezetőképesség változástól várjuk.

Ennek megfelelően az érzékelő eszköz egy olyan chip, amelynek a felszínére valamilyen technikával felvihető a vizsgálni kívánt nanoméretű komponensekből álló szerkezet, és a chip felszínén kialakított elektródokkal jó elektromos kontaktust lehet létrehozni a nanoréteg ellenállásának mérésére. A gázok ad- és kemoszorpciós folyamatainak szabályozása elsősorban a szerkezet hőmérsékletének változtatásával lehetséges, tehát a chipet egyelőre ismeretlen hőmérsékleten kell tartani (100-600-800?oC). Magasabb hőmérsékleteknél a deszorpció dominanciája, azaz az érzékelő réteg regenerálása várható. A szén nanocső szuszpenziót megfelelően kialakított és elektromos érintkezésekkel, valamint a későbbi, érzékenyítési kísérletek során szükséges fűtőszállal ellátott hordozó lapkákra vittük fel. A kísérletekben két fajta, eltérő technológiával kialakított és ennek megfelelően eltérő maximális munkahőmérséklettel jellemezhető hordozó lapkát alkalmaztunk. Si alapú, fésű elektródás lapka A rendelkezésünkre álló vékonyréteg és mikrotechnológiai megmunkálásokkal fűthető diszkrét chipek és integrálható mikrofűtőtestek egyaránt előállíthatók, így a réteg fűtése a hordozón megoldható, ha a fűtőelem termikus szigetelését biztosítjuk. Mivel a vizsgálandó rétegek gázérzékelési tulajdonságainak hőmérsékletfüggéséről, az üzemletetési körülményekről és a leválasztási (esetleg rétegnövesztési) technikák módjáról csak sejtéseink vannak, ezért az ideális hordozó chip(ek) geometriai felépítését csak több előkísérlet után tudjuk meghatározni. Az egyes érzékelő rétegekre meghatározandó paraméterek:  működési hőmérséklet  ellenállás mérésére szolgáló elektródok geometriai felépítése  (elektródok távolsága, száma, elektróda vastagsága)  az elektródák anyaga  az érzékelő réteg leválasztási technikája, az esetleges érzékenyítési módszerek kidolgozása, ill. mindezen lépéseknek a chip előállítási technológiai sorrendjébe való illesztése. Az első kísérletekhez egy olyan diszkrét chipet terveztünk és állítottunk elő (13. ábra), amely a viszonylag nagy mechanikai tűrőképessége és mérete miatt könnyen kezelhető és használható a nem kidolgozott technológiájú rétegleválasztásokban is (pl. szén nanocső, vagy nanoszemcsés fém-oxid szuszpenzió csepegtetése és beszárítása, stb.). A chip mérete 4x4 mm2, közepén két egymásba csúsztatott fésű alakú elektródát tartalmaz (145 elektródapár), melyek között a távolság 10m. Az elektródák által fedett területre (3x3mm2) a szuszpenzió cseppek is könnyen felvihetők. Az érzékelő réteg fűtését az elektródákon kívül, a chip szélén körbefutó fűtőtest biztosítja. Az elektródákat és a fűtőszálat ugyanabból a vékonyrétegből állítjuk elő. Az első kísérletben aranyat használtunk, de a továbbiakban Pt, Ni, vagy akár átmenetifém-szilicidek is

számításba vehetők. Az elérhető hőmérséklet elsősorban a chip szerelési módszerétől függ, de befolyásolja a vékonyréteg fűtőelektróda vastagsága is: a tervezés alapján az elérhető hőmérséklet 100-200C. A termikus szigetelés két változata lehetséges: az egyszerűbb megoldásban a chipet a hordozótól jó hőszigetelő képességű kerámialappal választjuk el, amellyel csak kis felületen érintkezik (14.a. ábra). A technikailag nehezebben kivitelezhető, de a jobb hőszigetelést biztosító megoldásban az elektromos kontaktusok huzalkötései tartják a chipet, így az felfüggesztve lebeg a hordozó állványon. A megfelelő szerelési technika kidolgozását megkezdtük, az előkísérletek bíztatóak (14.b. ábra). A továbbiakban az intézetben kifejlesztett és több alkalmazásban már bizonyítottan működő integrált mikrofűtőtesteket az adott célnak megfelelően fogjuk módosítani. Az előkísérletek alapján meghatározott változatot(okat) előállítjuk, hogy magasabb hőmérsékleteken, a nanoszerkezetű érzékelő rétegeknek jobban megfelelő geometriájú hordozónk legyen. Ez természetesen együtt jár a sérülékeny szerkezetnek megfelelő rétegleválasztási technikák kiválasztásával is. 13. ábra. Nanorészecskékből álló gázérzékelő réteg vezetőképességének vizsgálatára készített teszt chip felépítése. A chip negyedét mutató fénymikroszkópos képen a két fésűelektróda és az elektródákat körbevevő fűtőszál látható. Az Au elektródák közötti távolság 10m.

14. ábra. A tesztchip hőszigetelési módjai. Kerámia távtartóval (bal oldali kép) és felfüggesztés az elektromos vezetékekkel (jobb oldali kép)

15. ábra. Kerámia hordozón kialakított fűthető kontaktusok.

Al2O3 alapú lineáris elektródás lapka Az előző megoldásnál jóval egyszerűbb szerkezetű és mechanikailag kevésbé érzékeny mintatartó is kipróbálásra került. Ezekkel a kerámia alapú 8,56,5 mm2 méretű lapokkal magasabb hőmérsékletig melegíthetjük a mintát. Az egyik oldalon egyetlen párhuzamos arany elektród-pár helyezkedik el, a másik oldalon egy 7-9  ellenállású fűthető duplaspirálban elrendezett Pt fűtőszál (15. ábra). A fűtőszál ellenállása lineárisan nő a hőmérséklettel. Ezt mérésekkel ellenőriztük, 500C-ig melegítve a lapot. Így a fűtés energia felvételéből jól számítható a hőmérséklet, külön hőmérőre nincs szükség a kísérletek elvégzéséhez. A nanocsövek jól irányítottan, szerves oldószerben való ultrahangozás után kerülnek a felületre. A 16. ábrán az SZ1-es mintával készült érzékelő látható.

16. ábra. Kerámia hordozós szenzor a nanocsövek felhordása után.

Érzékelési kísérletek elektromos ellenállás mérésével Mérőberendezés vázlata Tekintettel arra, hogy a kutatás célja a szén nanocsövek aktív szenzorelemként való alkalmazása, elsődleges fontosságú volt annak minél korábbi eldöntése, hogy az alkalmazott nanocsövek, valamint a szuszpenzió készítési és nanocső felhordási eljárás nyomán keletkező nanocső-elektróda rendszer milyen érzékelési jellemzőkkel bír. Ennek vizsgálatára egy egyszerű kísérleti berendezést építettünk, amelynek alkalmas arra, hogy illékony anyagok, az eddigi kísérletek során szerves oldószerek gőzét és levegő keverékét átáramoltassa a mérőcellán, amelyben a nanocső alapú érzékelő található. Tekintettel arra, hogy a kifejleszteni tervezett érzékelők legvalószínűbb munkaközege a levegő, igyekeztünk olyan tesztfeltételeket alkalmazni, amelyek a lehetőségek szerint minél inkább közelítik a valós munkakörülményeket, amelyeknek a detektorok eleget kell tegyenek. A csapok zárásával/nyitásával impulzus üzemű működés is megvalósítható, ami lehetővé tette a tranziensek becslését is. Mérési eredmények Az előkísérletek többségét a Si lapka felületén kialakított fésű kontaktusos hordozón végeztük. A különböző szén nanocső szuszpenziók eltérő módón viselkedtek a SiO2/Au felületen, ezt szemlélteti a 17. ábra.

17. ábra. Kétféle nanocső szuszpenzióból hordozóra vitt anyag: SZ1 (bal) és SZF3D (jobb). Jól megfigyelhető, hogy a funkcionalizálatlan nanocsövek folytonos réteget alkotva, míg a funkcionalizált csövek bokros elrendezésben tapadnak meg a felületen.

Várható, hogy a hordozó felületének eltérő lefedése is szerepet játszhat az érzékelők viselkedésében.

Laboratóriumi kísérletek eredményei A kísérleteket szobahőmérsékleten végeztük, úgy, hogy az atmoszféraváltásoktól eltekintve a mérőcellában található gázkeverék nem volt áramlásban. Az elektromos ellenállás értékeket a szenzorra csatolt számítógép folyamatosan rögzítette egy, AD konverteren keresztül. A mérőcellába felváltva gőz/levegő keveréket illetve tiszta levegőt jutattunk, amire a szenzor lépcsőszerű ellenállás-változással reagál. A magasabb ellenállás minden esetben a gőz jelenlétére utal. A szenzorok kiemelendő tulajdonsága, hogy az atmoszféraváltásokra jó időállandóval (10 – 15 s) válaszolnak, anélkül, hogy kifűtés lenne szükséges. A detektorok ellenállása a szén nanocsövek elhelyezkedésétől is függ, ezért a különböző érzékelők esetén, a levegőn mért ellenállás értékek jelentősen eltérhetnek egymástól, viszont az ellenállások minden esetben a könnyen mérhető  - k tartományba esnek. Az érzékenységek összehasonlításának megkönnyítése érdekében a levegőn mért ellenállás értékeket minden esetben 1-re normáltuk. Mivel az érzékelők viselkedésében a legjelentősebb eltérést a kémiailag kezelt és kezeletlen szén nanocsövek esetén kaptunk. Példaképpen az SZF3D minta érzékenysége benzol, aceton, etilalkohol és toluol gőzök jelenlétére. Mind a négy esetekben jelentős ellenállás változást idézett elő a vizsgált gáz jelenléte. Az aceton erősen kötődik a nanocső felületéhez, ezért az első mérés után tiszta levegő jelenlétében is magasabb a nanocsövek ellenállása, mint a kezdeti állapotban. Etilalkohol jelenlétében, feltehetően kemoszorpció hatására, a nanocsövek tiszta levegőnek megfelelő ellenállása folyamatosan csökken (18. ábra). Út az érzékelő előállításának „professzionálása” felé A szenzorlaborban megvalósított első kísérletek A munka költségeinek optimálása is megkövetelte, hogy egyes kísérleteket „egyszerű” laboratóriumi feltételek mellett végezzünk el – „előkísérletként” – mielőtt a professzionális szenzorlaboratóriumunkba „beengedjük” a témát. Ott ui. már jelentős, további feltételeket kell teljesíteni: az ISO-szabvány szerint kell minden műveletet elrendezni, végezni, ami már jelentős tapasztalat meglétét igényli. A munka folytatása idején kerülne sor ennek teljes körű kivitelezésére. Így, a fentiekben bemutatott gázérzékelési méréseket is – amennyiben a téma finanszírozása ezt lehetővé teszi – az ISO-szabvány szerint is kvantifikálni fogjuk. Erre a munka jelen fázisában és a jelentés időpontjának váratlan előrehozása miatt nem volt lehetőség.

Relatív ellenállás változás

1.04 Szf3d 1.03

Benzol Aceton Alkohol Toluol

1.02 1.01 1 0.99 0.98 0

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Idõ (s)

18. ábra. Az SZF3D minta ellenállásának változása benzol, aceton, etilalkohol és toluol gőzök jelenlétében.

Technológiai vizsgálatok a szén nanocső vezetőképességének változásán alapuló gázérzékelők kifejlesztésére A gyakorlatban használható gázérzékelőkkel szemben támasztott alapkövetelmények (reprodukálható válaszjel és visszaállás, hosszú idejű stabilitás, kis drift, megfelelő jel/zaj arány) mellett meghatározó szempont az érzékelők szelektivitása, kis teljesítmény felvétele és az eszköz gazdaságos, azonos minőséget biztosító gyárthatósága is. Az alapvető szerkezeti és érzékenység vizsgálatok mellett kísérletsorozatot végeztünk, amelyben ezeknek a követelményeknek megfelelő szerkezeti és technológiai problémákat, ill. azok lehetséges megoldási módjait vizsgáltuk. Gyártástechnológiai szempontból legsúlyosabb probléma a nanocsőszerkezet/köteg megbízható felvitele a hordozó eszközre.

Jelen pillanatban csak olyan szerves oldószeres nanocső szuszpenziót tudunk készíteni, amelyből egyenletes, a nanoméretű alkotóknak megfelelő vastagságú réteg nem, ill. nagyon korlátozott mértékben alakítható ki. A rendelkezésünkre álló technológiák elsősorban nagy felületű, mechanikailag robosztus kivitelű hordozókon alkalmazhatóak. Ugyanakkor a szuszpenzió stabilitása, a szuszpendáltatott nanocsövek egyenetlen eloszlása és a rendszer gélesedésre való hajlama miatt a kialakított réteg sem vastagságában, sem sűrűségében nem felel meg a reprodukálható gyártás alapvető követelményeinek. A jelentésben bemutatott SEM és a kisebb nagyítású TEM felvételek mindegyike jól érzékelteti az inhomogén rétegszerkezetet, amelyet még látványosabban mutatnak az optikai mikroszkóppal készített felvételek (19 és 21. ábra). A nagy inhomogenitás és az ezzel járó rossz reprodukció miatt nem is várható, hogy két érzékelő alap-, és válaszjele azonos legyen ugyanabban a környezetben. Ugyanakkor a vékony, szubmikronos réteg felvitelére tett próbálkozásaink nem jártak megfelelő eredménnyel, melyet jól mutat a 19. ábra. További probléma, hogy a nanoszerkezetű anyagokkal való érzékelésnek magától értetődően szubmikronos, ill. mikroméretű eszközökkel van értelme. Így egyszerre növelhető az eszköz érzékenysége, működési sebessége, ugyanakkor jelentős mértékben csökkenthető az energia fogyasztása is. Az MFA-ban korábban kifejlesztett mikrofűtőtest maradéktalanul megfelel ezeknek a céloknak, de a jó termikus szigetelés a szerkezet robosztusságát erősen csökkenti. A mikromechanikai megmunkálással kialakított 50-100m oldalhosszal jellemezhető felületű felfüggesztett fűtőtesten a leválasztandó érzékelő réteg vezetőképességének mérésére tetszőleges geometriájú elektródarendszer alakítható ki. A 20. ábrán látható fésű alakú arany elektródák távolsága 6m. A 70m mély üreg felett felfüggesztett mechanikailag sérülékeny mikrofűtőtesten a centrifugálásos technika ("spin-on") nem alkalmazható. Bonyolítja a helyzetet, hogy az érzékelő rétegre kizárólag a mikrofűtőtest felületén van szükség. Ez csak utólagos ábrakészítéssel, vagy eleve laterálisan szelektív rétegleválasztással alakítható ki. A háromdimenziós mikroszerkezet megmunkálási technológiájához a szelektív leválasztási technikák sokkal jobban illeszthetők, így a kifejlesztendő eszköz előállításához ilyen módszert(eket) kell kifejlesztenünk. A szén nanocsövek esetében az egyszerűbb csepegtetéses módszerek ("micro-dispensing", "dip and drop") helyett a szelektív, lokális rétegnövesztés lehet a megoldás. A szén nanocső réteg csepegtetéssel történő leválasztásának nehézségeit kiválóan érzékeltetik a 21. 1-a-c ábra képei. Az a optikai mikroszkópos képen sűrűbb szuszpenzióból csepegtetett, kontrollálhatatlanul összeállt, néhány 1030m-es átmérővel jellemezhető nanocső csomó látható, ami:

19. ábra. Erősen higított szuszpenzióból felvitt nanocső réteg egy diszkrét érzékelő chip felületén. A szén nanocsövek kontrollálatlan „csomósodása” reprodukálhatatlanul inhomogén réteget eredményez.(A jobb termikus szigetelés miatt a chip kerámiaszigeteken áll.)

20. ábra. Szén nanocső érzékelésben alkalmazandó mikroszerkezet. A fűtőtest mérete 100 x 100m2 , a felületén kialakított Au elektródák távolsága itt 10m. A tesztchipen 4 érzékelő elem található, így különböző módon érzékenyített szén nanocsövek és/vagy különböző hőmérsékleten működtetett érzékelők párhuzamos működtetésével lehetőség nyílik a szelektivitás növelésére is.

 

véletlenszerűen kialakult pontokon érintkezik a mérőelektródokkal, tehát nehezen értelmezhető ellenállás értékeket mutat, rossz hőkontaktusban áll a mikrofűtőtesttel, így működési és regenerációs (kifűtési) hőmérséklete sem szabályozható megfelelő pontossággal.

Tehát a módszer nagy sorozatban gyártható eszköz előállítására nem alkalmas. Hígabb szuszpenziókból csepegtetett nanocső "rétegek" jellegzetes képét mutatja a 21. b és a c elektronmikroszkópos felvétel. Megállapítható, hogy:  egyenletes rétegről nem beszélhetünk,  a csomók helyett inkább hártyák alakulnak ki, amelyben a nanocsövek rendezetlenül helyezkednek el,  a 10m-es elektródatávolság túl nagy a nanocsövek átlagos hosszához és elrendeződéséhez. Tehát a jobb tulajdonságú szuszpenziók előállítása mellett célszerű kisebb elektródatávolságot használnunk. A nanocsövek szerkezetéből és méretéből adódik, hogy érdemes minél kevesebb – akár egy darab – elem vezetőképességét vizsgálni. Ehhez célszerűen megválasztott elektródatávolságra és a nano méreteknek megfelelő leválasztási, ill. ábrakialakítási technikák kidolgozása szükséges. A méretek kialakításában kritikus pont az ellenállásmérő elektródák távolsága, ezért megvizsgáltuk, az MFA mikrotechnológiai eszközparkjával előállítható minimális elektródatávolság méretét. Az elektródák anyaga 60-100 nm vastag Ti. A legjobb felbontóképességet biztosító vákuumkontakt litográfiánkat ("G-line" 405nm, és 500nm vastag lakkréteg) az ún. lift-off eljárással kombinálva, 200-300 nm rést állítottunk elő. A teljes felületen a tervezhetően előállítható réstávolság 0,8±0,2m, amennyiben a 22. és a 23. d. ábráján látható egymással szemben álló sarkokat alakítunk ki. A lekerekedett sarkokra írható ív sugara 0,4 m. Párhuzamos vonalak esetén az elérhető résszélesség - a vonalhosszúságtól függően - 1,5-2,0 m. Ugyanakkor a minta egy-egy kisebb területén akár 0,22 mes rések is előállíthatók, így – kísérleti jelleggel – már viszonylag rövid nanocsövek vizsgálatára is lehetőségünk nyílik (22. ábra). A mikroelektródos és a csepegtetéses technika egymáshoz nem illeszthető módszer. Ezt jól demonstrálja a számtalan próbálkozás egyik legsikerültebbjéről pásztázó elektronmikroszkóppal készített képsorozat (23 a-d. ábra.). Az a. ábrán a35 m-nek tervezett távolságú (ami a valóságban a hordozó különböző területein a rövidzártól 0,5m-ig változik), egymással szembenéző elektródák közé cseppentett nanocső szuszpenzió beszárítása után maradt tömb látszik. A különböző nagyítású képekből egyértelműen kiderül, hogy a rétegleválasztási módszer ennél a mérettartománynál használhatatlan. Megjegyezzük, hogy a c képen kinagyított tartomány szerkezete valószínűleg megfelelő lenne – feltéve, hogy a két elektróda hegye között hozzuk létre és más területeken nem alakul ki párhuzamos rövidzár.

a

b

c

21. ábra. a./ Sűrű szuszpenzióból az Au elektródokat tartalmazó mikrofűtőtestre csepegtetett, és csomóba állt nanocsövek optikai mikroszkópos képe. b./ és c./ 10-szeres hígítású szuszpenzióból csepegtetett nanocsövek a mikrofűtőtesten.(SEM kép)

22. ábra. Tesztábra részlete az elérhető minimális elektródatávolság vizsgálatához. Az elektródák anyaga Ti, vastagságuk 90nm. A sarkok lekerekedési sugara 0,4m.(SEM kép.)

Az elektródákat szigetelő anyaggal borítva és csak az egymással szembenéző csúcsok közötti területet szabadon hagyva jól definiált területre korlátozható a leválasztott réteg vizsgált tartománya. Ezt a technikát is kialakítottuk, egyelőre csak fotoreziszt lakkréteggel védve meg az elektródokat (24. ábra.). Mivel a szuszpenzióhoz leggyakrabban használt szerves oldószerek a fotólakkot oldják, vizes szuszpenzió felvitelével próbálkoztunk. A kis méretek és a hidrofób felületek miatt a vizes szuszpenzió az elektródák felületére nem jutott el, így ott nanocsövek sem tapadtak meg. Ezért más védőréteg és oldószer kombinációkat kell kipróbálnunk. Meg kell említeni, hogy előkísérleteket végeztünk – az RMKI molekulasugaras epitaxiás berendezésén – más elektródarendszerek alkalmazására – így, elsősorban szilicidekkel. Ezen anyagok alkalmasságának kikísérletezéséhez feltétlenül szükséges lenne a kutatások folytatása. Fontos azt is kiemelni, hogy a jelen munkákat folyamatosan kísérte – ugyancsak a KFKI RMKI közreműködésével – az ionsugaras analitika, amely sok analitikai kérdésre tud választ adni.

a

a

b

c

d

23. a-d. ábra. 90nm vastag, 0,22um távolságú Ti elektródokra csepegtetett 10-szeres hígítású szén nanocső szuszpenzió a beszáradás után. Alakja a rosszul tapadó gömbszerű halmaztól (d kép), az alkalmasnak tűnő hálószerű szerkezetig (c kép) terjed. Megjegyzendő, hogy a 90nm-es elektróda vastagságot az egyes nanocsövek jól áthidalják. (c. kép).

24. ábra. 0, 35 m távolságú Ti elektródok csatorna (bal oldal) és négyzet alakú (jobb oldal) fotólakkal védve. AFM felvételek.

Következtetések: 1. A szén nanocsövek csepegtetéses technikával csak nagy felületű, robusztus hordozóra vihetők fel megbízható módon, de a szuszpenziók stabilitási problémái miatt az így kapott "rétegek" paraméterei a gyártásban megkövetelt pontossággal nem reprodukálhatóak. 2. A mikrofűtőtesteken méret- és mechanikai problémák miatt a csepegtetéses módszer nem alkalmazható. 3. Célszerű olyan szerkezeteket kialakítani, amelyen irányítottan, in situ növeszthetők szén nanocsövek, ill. akár egy-egy nanocső. Ehhez elsősorban egy szelektív rétegleválasztási technika kidolgozása szükséges. Az MFA mikrofűtőtestjének és a nanocsövek CVD technikájával történő előállításának kombinációja ígéretes megoldásnak tűnik, de ehhez a kísérleti feltételek jelentős fejlesztése szükséges. 4. Legvonzóbb cél a néhány száz nm-es távolságban kialakított elektródok között irányítottan növesztett nanocső szerkezet. Ehhez az előző pontban említett CVD technológia kidolgozásán túl a szén nanocsövek irányított növesztésének lehetőségeit is ki kell dolgozni. Az MFA-ban a további munkákat az előbb felsorolt irányokban kívánjuk folytatni - amennyiben ehhez a kellő anyagi támogatást megkapjuk.

A detektálási elvek optimálása A kutatás első éveinek fő feladata – az anyag-előállítás, minősítés és a technológia rögzítése mellett – megvizsgálni, milyen elvű detektálás a legalkalmasabb a jelen cél szempontjából. Azaz, a végleges eszközben, amelyet kisméretű, terepi,” stand alone” kivitelű berendezésnek tervezünk, a nanocsöveknek a környezet hatására bekövetkező változásait mihez kapcsoljuk. Az eddig bemutatott kísérletekben a nanocsövek elektromos ellenállásának közvetlen mérését használtuk – mint legközvetlenebb lehetőséget. Ennek a módszernek azonban – az egyszerűsége mellett – korlátozott az érzékenysége. A munkatervünk ennek megfelelően tartalmazta még két detektálási elv célkutatásait:  az MFA által kifejlesztett és telekommunikációs célokra kis sorozatban gyártott ún. felületi akusztikus hullámszűrő (SAW) eszköz alkalmazását erre a célra; ez az eszköz ui. rendkívül érzékeny a ráhelyezett anyag tulajdonságainak változására azáltal, hogy az elhangolja az akusztikus hullámokat,  optikai elvű detektálás, amely szintén érzékeny a vezetőképesség, ill. a dielektromos állandó változásainak rendkívül pontos detektálására. A feladat elvállalásakor is terveztük az optikai elvű detektálást, egyrészt az MFA saját tapasztalataira egy, a törésmutatót rendkívül érzékenyen detektáló felületi hullámvezető ilyen célú alkalmazásában, másrészt az SzBK Biofizikai Intézet kiemelkedő ismereteire, amely éppen ezen a területen tud rendkívül hasznosan hozzájárulni a végcél eléréséhez. Ebben a témában hosszú évek óta folyik együttműködés is az MFA és az SzBK között. Felületi akusztikus hullámszűrő (SAW) eszköz alkalmazása Bevezetés Ebben a programban ilyen tulajdonságokkal rendelkező érzékelők fejlesztését irányoztunk elő, amely a rendelkezésünkre álló, és a korábbi kutatásaink kapcsán elért eredmények alapján a nano-szerkezetek tulajdonságait egyesíti fejlett optikai, mikrogépészeti (MEM -Micro Electro-Mechanical), köztük az akusztikus felületi hullámokat hasznosító rezonátor struktúrák (SAW - Surface Acoustic Wave) ismereteinkkel. Bár ez utóbbit nem szokás a MEM körébe sorolni, a szó szoros értelmében a csatolt mechanikus és elektromágneses hullámok, amelyben valamilyen értelemben meghatározó a „mechanikus” terjedés talán a legelső tömeges MEM eszköz. SAW rezonátorok SAW rezonátorok kereskedelmi forgalomban is kaphatóak hermetikusan zárhatótokban, hiszen szinte kizárólagos alkalmazásaik a nagyfrekvenciás (10MHz-1GHz) hírközlés, jelformálás területére esik. Mivel a szenzorfejlesztés területén mind a geometria, mind az érzékelő réteg kutatása során igen

nagyszámú, gyakran különböző elrendezésű rezonátor elemre van szükség, Intézeten belül, a SAW szűrők fejlesztési tapasztalatai alapján saját kísérleti rezonátorokat készítettünk. A továbbiakban ennek a fejlesztésnek az első eredményeit mutatjuk be. Mivel a szerkezetek saját fejlesztésűek, az alkalmazás tapasztalatok, a szenzor-követelmények alapján várhatóan a végleges érzékelőkben ezektől eltérő elemek kerülhetnek. A SAW rezonátorok egy- vagy két kimenetűek (Port), az előkísérletek és az alkalmazandó érzékelő réteg lehető „legdirektebb” mérése miatt mi a kutatásnak ebben a fázisában egy-portú rezonátorokat készítettünk. Ugyancsak a kutatást segíti, hogy a véglegesnek szánt kvarc hordozó mellett (aminek előnyös kémiai és termikus tulajdonságai vannak) LiNbO3 alapú eszközöket is készítettünk. Ennek az anyagnak órási előnye, hogy az elektromechanikus átalakítási tulajdonságai két nagyságrenddel meghaladják a kvarc megfelelő tulajdonságát (ezért is a LiNbO3 a SAW alkalmazásokban olyan szerepet játszik, mint a Si az elektronikában). Egy SAW eszköz sematikus működése a 25. ábrán látható:

25. ábra

Itt az átlapoló újjak (Interdigitális átalakítók - IDT) az elektromos csatlakozáson érkező elektromos jelet a minta felületén haladó csatolt elektromágneses-mechanikus hullámmá alakítják (Transmitter IDT), ez piezoelektromos anyag felületén lényegében a mechanikus („hang”) hullám sebességével halad, amit a hullám útjába tett második átalakító (Receiver IDT) ismét elektromos jellé alakít. A szerkezet nagy előnye, és ez az elterjedésének magyarázata is, hogy az egyéb elektronikus jelfeldolgozással tökéletesen kompatibilis, és a hang kis terjedési sebessége miatt, mikroszkopikus méretekkel

igen összetett jelformálás végezhető, amit hagyományos analóg eszközökkel el sem lehet képzelni. Érzékelő SAW rezonátor készítése A megfelelő technológia kidolgozására nem a véglegesnek szánt nanocsöveket, hanem nano-méretű (30-50 nm-es) grafitport használtunk, amely többé-kevésbé rendelkezík a grafit nanocsövek kémiai tulajdonságaival, könnyen elérhető, ezért a

26. ábra. Saját, strukturált lítiumniobát szelet

SAW rezonátorhoz kényelmesen felhasználható. A nanocsövek alkalmazását egy későbbi időpontra terveztük. Az 26. ábrán a rezonátorokat tartalmazó szelet (3” LiNbO3 hordozó), az azokon litográfiai úton kialakított rezonátor struktúrák láthatóak; ezeket a szeleteket az IC technológiában szokásos módon daraboljuk, majd az alkalmas szelettartó tokba műanyag ragasztóval rögzítjük és a kivezetéseket is standard IC „bondoló” berendezéssel szereljük. Ilyen „nyitotttokozott” rezonátor morzsák (chipek) láthatók a következő fényképeken. A grafit port tustinta-szerűen cseppentjük a szelet tetejére, amit szokásos módon felpörgetve vékony réteggé formálunk, és beszárítunk. Ennek a fedett rétegnek a képét is megmutatjuk. Hogy a kivezetéseket és a rezonátor bármely részét a rétegtől megszabadítsuk, jelenleg egyszerű parányi méretű „lemosást” alkalmazunk; később ezt szitanyomással, vagy a szokásos litográfiával és a végleges réteg fizikai-kémiai tulajdonságával kompatibilis technológiai lépéssel szeretnénk megoldani. A következő pásztázó elektronmikroszkópos képen sűrítve látható e rezonátor felület egy kis része. Itt a szubmikronos alumínium elektróda egyik kivezetésének a széle, azon és a kristály felületen a megkötött nanopor vékony réteg (ez az „eltávolítás”-nak a kép méreteihez képest makroszkopikus jellege miatt a réteg nem egyenes határvonalát és a megmaradt kis por maradványokat is mutatja) látható. A mérőrendszerben (27. ábra) egy réteg-nélküli referencia és egy réteget is tartalmazó mérő rezonátor található. Mindkettőhöz oszcillátort készítettünk; az

oszcillátorok jelt kevertük, és egy alulvágó szűrővel csak a különbségfrekvenciát vizsgáltuk.

27. ábra. A megvalósított, kísérleti mérőrendszer és az érzékelő egység. A méretek az alattuk lévő milliméterpapír segítségével megítélhetők.

A jelenlegi fázisban nem specifikus gázokat, hanem a levegő páratartalmát néztük meg. Ezek eltérő abszorpciója miatt a kristály felületén illetőleg a lényegében grafit rétegben a különbség frekvencia láthatóan megváltozik (lásd. a mellékelt mozgófilmet), ennek részletes vizsgálatát nem végeztük el; ebben a fázisban a célunk a deszkamodell elkészítése, és annak a vizsgálata volt, hogy a fenti elrendezés alkalmas-e abszorpciós, detektálási kísérletek elvégzésére. Optikai érzékelés előkészületei Az optikai mérési elveknek a jelen feladatara való alkalmazását az MFA és az SzBK Biofizikai Intézete évek óta koordináltan végzi. Az MTA SZBK Biofizikai Intézet hozzájárulása az optikai törésmutató-változással együtt járó reakciók kimutatása: ha az érzékelést megvalósító adszorpció együtt jár az optikai törésmutató megváltozásával, akkor ez optikai úton nagy érzékenységgel kimutatható. A szóba jöhető módszerek: 1. Rácsos csatolású sík optikai hullámvezető (OWLS) 2. Surface plasmon resonance (SPR) 3. Mach-Zender interferométer. Érzékelés integrált optikai hullámvezető segítségével Az optikai elven működő gázérzékelők kifejlesztését az integrált optikai hullámvezető szerkezetekből kiindulva kívánjuk folytatni. Az integrált optikai hullámvezető szerkezetek szenzorként történő alkalmazhatósága a határfelületeken történő teljes visszaverődés jelenségén alapul. Az 28. ábra geometriai optikai közelítésben szemlélteti egy hullámvezető szerkezetben a vezetett elektromágneses hullám sugármenetét.

Fed őközeg

nc

c 

df

nf

Hullámvezet ő réteg s

Hordozó

ns

D

28!Szintaktikai hiba, ÁBRA . ábra. Sugármenet vékonyréteg-hullámvezetőben

Effektív törésmutató mérésének módszerei Az integrált optikai hullámvezető szerkezetekben vezetett módusok effektív törésmutatójának mérésére, valamint az effektív törésmutató változásának nyomon követésére több nagyérzékenységű módszer ismeretes. E módszerek közül a rács-csatolóval végzett módus spektroszkópia valamint az integrált optikai interferometria módszerei adják a legpontosabb eredményeket. Rács-csatolóval végzett módus spektroszkópia Hullámvezetőkben a vezetett módusok indítása többféle módon is lehetséges. Indíthatunk módusokat a hullámvezető élének különleges kialakításával (tapered coupler), prizmás csatoló, továbbá optikai rács használatával. Integrált optikai alkalmazásokban a rács csatoló alkalmazása a legmegfelelőbb módszer. A hullámvezető szerkezetben a hullámvezető réteg határfelületének közelében diffrakciós rácsot alakítunk ki. Adott TEm és TMm módusok akkor indíthatók, ha a rácson diffraktált fény iránya megfelelő szögértékek alatt beeső és megfelelően polarizált fényre megegyezik az adott rendű vezetett módusoknál a hullámvezető rétegben fellépő TEm , TM m teljes visszaverődési szögek értékeivel. A rácscsatoló segítségével a vezetett módusok a rácsra beeső fény i beesési szögének megfelelő beállításával indíthatóak.

Változtatva a Θ beesési szög értékét meghatározhatóak azok a TE , m  TM m beesési szögek, melyeknél a hullámvezető szerkezetben vezetett módusok indulnak. A csatolórács periódushosszának ( Λ ) és a beeső fény hullámhosszának ( λ )ismeretében 1. rendű diffraktált nyalábok becsatolása esetén az effektív törésmutatók a (12.) és (13.) formulák alapján számíthatóak.



neff  sinΘ  TEm TEm 

(1)

 sinΘ

(2)

neff

TM m

TM m



 

Kellő pontosságú (0,001 fok felbontású és visszaállású) forgatóasztal alkalmazásával a módszer 10-6 értékű törésmutató változás kimutatására alkalmas. Ez az érték a fedőközegben a határfelületen a c behatolási mélységgel jellemzett tartományban például adszorpcióval leváló anyagok esetén ng/cm2 felbontású érzékelés megvalósítását jelenti. Időben változó folyamatok monitorozásakor megfelelő időközönként módus-spektrumot veszünk fel. A módus-spektrumok kvantitatív kiértékelésével követhetjük valós időben nyomon a vizsgált folyamatot. A mérési módszer előnyös tulajdonsága, hogy egymódusú hullámvezetők esetén, ahol a vezetett módusok könnyen azonosíthatóak, a hullámvezető síkjához képest 45˚-os síkban lineárisan polarizált fénnyel mérve a módus-spektrumot mindkét módus (TE0 és TM0 ) indítását detektálhatjuk. Ez a tény azt jelenti, hogy a hullámvezető szerkezet kiinduló struktúrájának ismeretében a kialakuló additív optikai réteg tulajdonságának meghatározásához egy mérésből származó két független mérési adattal rendelkezünk. Ezekből az adatokból az additív optikai réteg mindkét jellemzője (vastagság és törésmutató) meghatározható. Ez a fizikai alapja annak, hogy a mérési módszer kvantitatív kiértékelésre is lehetőséget nyújt. Integrált optikai interferometria A fénysugarak találkozásakor fellépő optikai jelenség nem írható le a geometriai optika segítségével, ugyanis a leíráshoz figyelembe kell vennünk a fény hullámtermészetét. Ha egy fénynyalábot megfelelő eszközzel két részre osztunk, majd újra egyesítjük a sugarakat, a szuperpozíció eredményeként az egyesített nyaláb intenzitása pontról pontra változik. Az intenzitás maximuma meghaladja az egyes sugarak intenzitásának összegét, míg a minimum nulla is lehet. A fénynyaláb kettéosztásának két alapvető módja van: a hullámfront-osztás és az amplitúdó-osztás. Az első például kettős réssel, a második félig áteresztő tükörrel valósítható meg. A klasszikus Mach–Zender interferométerben amplitúdó-osztás történik. A bejövő nyalábot egy féligáteresztő tükör osztja ketté, majd a két sugarat tükrökkel terelve újra egyesítjük egy másik féligáteresztő tükör segítségével (29. ábra).

Tükör

Féligáteresztő tükör

Tükör Féligáteresztő tükör 29. ábra. A Mach–Zender interferométer

A klasszikus Mach–Zender interferométerben az interferáló nyalábokat a beérkező sugár amplitúdójának osztásával állítják elő. Az integrált optikai elemként történő megvalósításnál ez nehezen megoldható. A hullámfront osztását és egyesítését a hullámvezető struktúrából kialakított „Y” alakú villákkal érhetjük el. A hullámvezető interferométer megfelelő helyeire 1 mm széles sávban be- és kicsatoló rácsot alakítottunk ki. A becsatoló rács segítségével indíthatunk vezetett módust az interferométerben, a nyalábosztó villa előtti szakaszon. A becsatoló rácsot célszerű a nyalábosztó elágazás közelébe helyezni a hullámvezetési veszteségek csökkentése érdekében. Mivel a szórt fényből és a nemkívánatos reflexiókból származó háttérfény az interferencia-jelenség mérésekor a jel szintjéhez képest nagyon erős zajként jelentkezik, kicsatoló rácsot is alkalmaznunk kell. A kicsatoló rácson ugyanis csak a hullámvezetőben terjedő fény diffraktálódik, méghozzá a hullámvezetővel meghatározott szöget bezáró irányban. Ily módon a méréskor a háttérfény zavaró hatása szinte teljes egészében kiküszöbölhető. A kicsatoló ráccsal szemben fontos követelmény, hogy a rács hatásfoka minél nagyobb legyen, a jelszint növelése érdekében A rács helyének meghatározásakor az volt a döntő, hogy a rácsra a már kialakult interferenciakép érkezzen. Ezért a kicsatoló rácsot a nyalábokat egyesítő villa csúcsától távolabb alakítottuk ki. Az integrált optikai Mach-Zender interferométerrel történő méréskor a becsatolórácsot megfelelő szög alatt megvilágítva vezetett módust indítunk a hullámvezető szerkezetben, és a kicsatoló rács felett mérjük a kilépő fény intenzitását. Abban az esetben, ha a mérőágban és a referenciaágban terjedő módus effektív törésmutatója között eltérés alakul ki, akkor ez az ágak találkozásánál a nyalábok között fázis különbséget eredményez, mely a

detektálható intenzitás értékének megváltozását okozza. Mint láttuk, az interferencia intenzitásának maximális változásához értékű fáziskülönbség kialakulása szükséges. Ez akkor jön létre, ha a mérőágban és a referenciaágban megtett optikai utak különbsége éppen /2. Az interferométerben 5 mm geometriai méretű karhosszakat biztosítva hullámhossz esetén ~ 6·10-5 értékű törésmutató változás az interferenciakép intenzitásának maximumról minimumra való csökkenését eredményezi. Ha a detektáló elektronika e két érték közötti különbség 1/100 részének érzékelését lehetővé teszi, az interferométerrel a törésmutató változás mérésének felbontása jobb, mint 10-6 értékű lehet. Előzmények, előkísérletek: Lézeres polimerizációval készített Mach-Zender interferométer (SzBK BFI) A végleges megoldás kikísérletezésére párhuzamosan két eljárással foglalkozunk – az MFA és az SzBK technológiai lehetőségeihez illesztetten. Először a lézeres polimerizációval elért, majd a hullámvezető alkalmazásával elért előkísérletek eredményeit mutatjuk be. Fontos komponense a Biofizikai Intézet hozzájárulásának, hogy jelenleg intenzív fejlesztés folyik az optoelektronikai eszközök fotopolimerizációs úton történő előállításában. Ezzel a módszerrel gyorsan lehet szinte tetszőlegesen bonyolult struktúrákat létrehozni. Kompakt, praktikus szenzorok kifejlesztésének ígéretes útja ez. Kifejlesztettek egy olyan módszert, amellyel üveg hordozó felületén egymódusú optikai fényvezetőt tudnak előállítani, tetszőleges rajzolattal. Az unikális, lézeres polimerizációs eljárásukkal a fényre keményedő és a keményedés után átlátszó polimerből készítik a hullámvezetőt, amelyre a kb. 5m oldalhosszúságú négyzet keresztmetszetű vezetők bizonyultak alkalmasnak. A fény be- és kicsatolását egymódusú optikai szállal megoldották: a be- és kicsatolás hatásfoka kb. 60%, ez szenzorikai alkalmazásokra megfelelő (ez volt az SzBK a témavezető által koordinált Nanotechnológia című, idén záródó NKFP projektben). Ezzel az eljárással Mach-Zender interferométert is építettek: a 30-31. ábra ilyen elkészült eszközt mutatnak. 30. ábra. Üveg hordozóra lézeres fotopolimerizációval készített MachZender interferométer képe. Az eszköz teljes hossza 5 mm.

31. ábra. A kompakt interferométer. A képen látható eszköz tartalmazza a be- és kicsatoló optikai szálakat is.

Az interferométer egyik ágára visszük fel a vizsgálandó anyagot: ennek a törésmutató változása módosítja az újra találkozó fények interferenciáját. Ez a következő időszakban kerül sorra. Összefoglalás A projekt, a késedelmesen biztosított lehetőségeknek, ill. az eredeti terveknek közös mezsgyéjén haladt. Amennyiben az eredeti feladat megoldásához az eszközök folyamatosan rendelkezésre fognak állni, a tőlünk független okok miatti elmaradást pótolhatónak ítéljük és joggal ígérhető, hogy az időszak végére elkészül a kisméretű, flexibilis, terepi mérésekre is alkalmas szénnanocsőérzékelőt alkalmazó monitoring eszköz prototípusa. Ennek jogvédelme is előkészületben van. A jelentés írásával egy időben vettünk részt a legnagyobb európai anyagtudományi-nanotudományi konferencián és megállapíthattuk, hogy a terveinkben szereplő megoldás, azaz egyetlen nanocsőnek elektromos kontaktusok közé való iktatása és a változások elektromos úton való mérése, nemzetközileg is versenyképes változat. Az eddigi kipróbált detektálási módokhoz ez is csatlakozik. A lényegében metodikai döntéshez csak a következő időszak kutatásai vezethetnek el. Az eddigiekben részletezett eredmények alapján ma is állítható, hogy a többfalú szén nanocsövek alkalmasak gázérzékelő detektorok kifejlesztésére, jó válaszidővel rendelkeznek és az eddigi kísérletek alapján elvárható bizonyos mértékű szelektivitás. További, technikai tanulságok.

A nanocsövek kezelésére és felhordására kidolgozott, ultrahangos kezeléssel létrehozott szerves oldószeres szuszpenziók alkalmazásán alapuló eljárás megfelelő arra, hogy kívánt mennyiségű szén nanocsövet lehessen felvinni a kiválasztott hordozóra, valamint alkalmas az IR mérésekhez szükséges minták készítésére is. A különböző szén nanocsövek eltérő ülepedési viselkedése jelzés arra nézve, hogy a szenzor felületét is más elrendeződésben borítják majd be a nanocsövek. A TEM valamint STM mérések megmutatták, hogy az egy családból származó szén nanocsövek (például CVD nanocsövek) tulajdonságai további processzálási lépések segítségével széles skálán megváltoztathatók. A további munka során meg kívánjuk vizsgálni, ezek a változások hogyan tükröződnek az érzékelésben. További lehetőségek rejlenek a szelektivitás növelésre és az egyes gázok „ujjlenyomatának” azonosítására (fingerprinting) szobahőmérséklettől eltérő hőmérsékleten való üzemeltetésben, valamint az azonos szuszpenziókból készült detektorcsoportok alkalmazásában. A következő évekre vonatkozó terveink: Az érzékelő méretét jelentősen csökkenti az egyetlen nanocső ellenállásának mérésére alkalmas, mikrolitográfiával előállított Ti érintkezők használata. Az érintkezőt speciálisan szén nanocsövek ellenállásának a mérésére fejlesztettük. A kontaktusok távolsága 200 nm tartományba esik, ami lehetővé teszi, hogy egyetlen nanocső mindkét kontaktussal érintkezzen. A Ti használata pedig kontaktpotenciál nélküli érintkezést biztosít. A nanocsövek elhelyezése ultrahangos kezeléssel létrehozott szerves oldószeres szuszpenziók alkalmazásán alapul. A kívánt mennyiségű szén nanocső felvitele után SEM vagy AFM segítségével ellenőrizni tudjuk a nanocsövek elhelyezkedését a kontaktusokat tartalmazó Si lapkán, majd nanolitográfia üzemmódban a kontaktusokra helyezhető a méréshez kiválasztott nanocső. A nanocső elhelyezése után a 9 ábrán látható módon maszkot helyezünk az érzékelőt tartalmazó Si chipre. A maszk rögzíti a nanocsövet és megvédi az érintkezőket a szennyeződésektől, miközben a rajta található 3 m széles rés lehetővé teszi a vizsgált gáz és a nanocső érintkezését. Ezzel az eljárással biztosítható az érzékelő hosszú távon is megbízható működése, de nem korlátozzuk a gáz szabad áramlását a nanocső környezetében. A jövőben folytatni fogjuk a nanocsövek pontos, megbízható és gyors elhelyezésével kapcsolatos kísérleteket. A rendelkezésünkre álló mikrolitográfiás módszerek, valamint AFM és SEM berendezések segítségével jó esélyünk van arra, hogy a gázérzékelők mellett egyéb szén nanocsöveket tartalmazó nanoelektronikai eszközöket is elő tudjunk állítani.

A detektálás megoldására vonatkozóan továbbra is párhuzamos megoldásokkal kísérletezünk. Lehetséges ui., hogy eltérő feladatokra eltérő detektálási módszerek bizonyulnak optimálisnak. A – megkésett finanszírozás miatt – lényegében féléves időszak alatt nagy intenzitással folyt munka révén elért eredményeket mi magunk biztatónak érezzük és nagyon reméljük, hogy a bírálók is folytatandónak ítélik a tevékenységet. Irodalom S. Iijima, Nature (London) 354, 56 (1991). M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. C. Eklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press, San Diego, 1996, pp. 259 M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Ph. Avouris (Eds.): Carbon Nanotubes, Synthesis, Structure, Properties, and Applications, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2001, L. P. Biró, C. A. Bernardo, G. G. Tibbets and Ph. Lambin (Eds.), Carbon Filaments and Nanotubes: Common Origins, Differing Applications? Kluwer Scientific Publisher, Dordrecht, 2001 L. P. Biró, Z. E. Horváth, L. Szalmás, K. Kertész, F. Wéber, G. Juhász, G. Radnóczi, J. Gyulai, Chem. Phys. Lett., 372 (2003) 399. Z. Kónya, Catalytic production, purification, characterization and application of single- and multiwall carbon nanotubes, in: L. P. Biró, C. A. Bernardo, G. G. Tibbets and Ph. Lambin (Eds.), Carbon Filaments and Nanotubes: Common Origins, Differing Applications? Kluwer Scientific Publisher, Dordrecht, 2001, pp.85. Z. Kónya, I. Vesselenyi, K. Niesz, A. Demortier, A. Fonseca, J. Delhalle , Z. Mekhalif,J. B.Nagy, A. A. Koós, Z. Osváth, A. Kocsonya, L. P. Biró and I. Kiricsi, Chem. Phys. Lett. 360 (2002) 429-435 J. Kong, N. R. Franklin, C. Zhou, M. G. Chapline, S. Peng, K. Cho, H. Dai, Science 287 (2000) 622 C. K. W. Adu, G. U. Sumanasekera, B. K. Pradhan, H. E. Romero, P. C. Ecklund, Chem Phys. Lett. 337 (2001) 31. A. Pecchia, M. Gheorghe, A. Di Carlo, P. Lugli, Synth. Metals 138 (2003) 89 A- Modi, N. Koratkar, E. Lass, B. Wei, P. M. Ajayan, Nature 424 (2003) 171. I. Kiricsi, Z. Kónya, K. Niesz, A. A. Koós, L. P. Biró, Proceeding of SPIE vol. 5118 (2003) 280287 Z. Kónya, L. P. Biró, K. Hernádi, J. B. Nagy, I. Kiricsi: Szén nanocsövek előállítása, tulajdonságai és alkalmazasi lehetőségei (Production, properties and applications of carnon nanotubes), A Kémia Újabb Eredményei, 90. kötet, Akadémiai Kiadó, Budapest, 2001. U. Kuhlmann, H. Jantoljak, N. Pfaender, P. Bernier, C. Journet, C. Thomsen: Chem. Phys. Lett. 294, 237 (1998). Z. Kónya, I. Vesselenyi, K. Niesz, A. Demortier, A. Fonseca, J. Delhalle , Z. Mekhalif,J. B.Nagy, A. A. Koós, Z. Osváth, A. Kocsonya, L. P. Biró and I. Kiricsi, Chem. Phys. Lett. 360, 429 (2002).

i ii

iii

iv

v

vi

vii viii ix

x xi xii

xiii

xiv xv

S. Iijima, Nature (London) 354, 56 (1991) M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. C. Eklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press, San Diego, 1996, pp. 259. M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Ph. Avouris (Eds.): Carbon Nanotubes, Synthesis, Structure, Properties, and Applications, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2001. L. P. Biró, C. A. Bernardo, G. G. Tibbets and Ph. Lambin (Eds.), Carbon Filaments and Nanotubes: Common Origins, Differing Applications? Kluwer Scientific Publisher, Dordrecht, 2001. L. P. Biró, Z. E. Horváth, L. Szalmás, K. Kertész, F. Wéber, G. Juhász, G. Radnóczi, J. Gyulai, Chem. Phys. Lett., 372 (2003) 399. Z. Kónya, Catalytic production, purification, characterization and application of single- and multi-wall carbon nanotubes, in: L. P. Biró, C. A. Bernardo, G. G. Tibbets and Ph. Lambin (Eds.), Carbon Filaments and Nanotubes: Common Origins, Differing Applications? Kluwer Scientific Publisher, Dordrecht, 2001, pp.85. Z. Kónya, I. Vesselenyi, K. Niesz, A. Demortier, A. Fonseca, J. Delhalle , Z. Mekhalif,J. B.Nagy, A. A. Koós, Z. Osváth, A. Kocsonya, L. P. Biró and I. Kiricsi, Chem. Phys. Lett. 360 (2002) 429-435. J. Kong, N. R. Franklin, C. Zhou, M. G. Chapline, S. Peng, K. Cho, H. Dai, Science 287 (2000) 622. C. K. W. Adu, G. U. Sumanasekera, B. K. Pradhan, H. E. Romero, P. C. Ecklund, Chem Phys. Lett. 337 (2001) 31. A. Pecchia, M. Gheorghe, A. Di Carlo, P. Lugli, Synth. Metals 138 (2003) 89. A- Modi, N. Koratkar, E. Lass, B. Wei, P. M. Ajayan, Nature 424 (2003) 171. I. Kiricsi, Z. Kónya, K. Niesz, A. A. Koós, L. P. Biró, Proceeding of SPIE vol. 5118 (2003) 280-287. Z. Kónya, L. P. Biró, K. Hernádi, J. B. Nagy, I. Kiricsi: Szén nanocsövek előállítása, tulajdonságai és alkalmazasi lehetőségei (Production, properties and applications of carnon nanotubes), A Kémia Újabb Eredményei, 90. kötet, Akadémiai Kiadó, Budapest, 2001. U. Kuhlmann, H. Jantoljak, N. Pfaender, P. Bernier, C. Journet, C. Thomsen: Chem. Phys. Lett. 294, 237 (1998). Z. Kónya, I. Vesselenyi, K. Niesz, A. Demortier, A. Fonseca, J. Delhalle , Z. Mekhalif,J. B.Nagy, A. A. Koós, Z. Osváth, A. Kocsonya, L. P. Biró and I. Kiricsi, Chem. Phys. Lett. 360, 429 (2002).