 |
Identification of the Rcg1 crown gall resistance gene in grapevine
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
115403 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Putnoky, Péter |
| Title in Hungarian |
Az Rcg1 gyökérgolyva rezisztencia gén azonosítása szőlőben |
| Title in English |
Identification of the Rcg1 crown gall resistance gene in grapevine |
| Keywords in Hungarian |
genetikai térképezés, agrobaktérium rezisztencia, gén izolálás, szőlő |
| Keywords in English |
genetic mapping, agrobacterium resistance, gene cloning, grapevine |
| Discipline |
| Horticulture (Council of Complex Environmental Sciences) | 40 % | | Molecular genetics, reverse genetics and RNAi (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Plant genetics | | Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Molecular markers and recognition |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Insitute of Biology (University of Pécs) |
| Participants |
Fekete, Csaba
Galambos, Anikó
Kuczmog, Anett
Nagy, Dávid
Szegedi, Ernő
|
| Starting date |
2016-02-01 |
| Closing date |
2021-04-30 |
| Funding (in million HUF) |
39.992 |
| FTE (full time equivalent) |
11.13 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A legtöbb agrobaktérium hatékony növényi patogén. A fertőzés során egy DNS-szakaszt juttatnak a növényi genomba, ami folyamatos hormon túltermelést, végül egy tumor (gyökérgolyva) kialakulását eredményezi. Ezzel a tünettel az agrobaktériumok komoly károkat okozhatnak fás szárú ültetvényekben, szőlőn, almafákon vagy csonthéjas gyümölcsfákon. Vegyszeres védekezés e patogének ellen nem lehetséges, ezért szükség lenne gyökérgolyva rezisztens fajták létrehozására.
Az európai szőlőfajták (Vitis vinifera) mind fogékonyak a betegségre, de néhány vad szőlőfajban, mint a V. amurensis, kialakult rezisztencia. Ezt a természetes rezisztenciát bekeresztezték V. vinifera fajtákba és bizonyították, hogy domináns, egygénes, mendeli módon öröklődik. Az elmúlt években kimutattuk, hogy a rezisztenciagén (Rcg1) a 15. kromoszóma 7,87 és 9,31 Mb közötti szakaszán helyezkedik el. A tervezett munkában folytatjuk a rezisztenciához kapcsolt DNS-markerek keresését, és elkészítjük a régió nagy felbontású genetikai térképét, ami lehetővé teszi az Rcg1 gén izolálását. Homozigóta rezisztens növények DNS-e segítségével BAC könyvtárat készítünk illetve megpróbáljuk a gén direkt klónozását is, PCR segítségével. Meghatározzuk a régió szekvenciáját, és megvizsgáljuk a feltételezett rezisztenciagén és a rezisztencia kapcsoltságát. A feltételezett rezisztenciagéneket felhasználva transzgenikus petúnia és arabidopsis vonalakat hozunk létre, és ezeken agrobaktérium fertőzési kísérletekben vizsgáljuk, hogy a kérdéses gén jelenléte biztosít-e rezisztenciát a növényeknek. Ezen felül fiziológiai kísérleteket végzünk rezisztens és fogékony növények felhasználásával a rezisztencia hatásmódjának felderítésére.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A Vitis amurensis szőlőfajból származó Rcg1 lokusz széles spektrumú gyökérgolyva rezisztenciát biztosít szőlőben (V. vinifera). Domináns, egygénes és mendeli módon öröklődik. Feltételezzük, hogy funkciónyeréses mutáció okozza a rezisztenciát, de az is lehet, hogy egy ismeretlen gén került be V. amurensis-ből a V. vinifera genomba. Már lokalizáltuk a gént a 15. kromoszómán, a Pinot Noir szekvencia szerinti 7,87 és 9,31 Mb között. A tervezett munkában a pontos térképezéshez új DNS-markereket azonosítunk 100 kilobázisonként, és a génizolálás elősegítésére homozigóta rezisztens és fogékony növényeket hozunk létre. Amennyiben a rezisztencia egy funkciónyeréses mutációnak köszönhető, melynek környezete nem tér el jelentősen a Pinot Noir szekvenciától, feltehetően azonosítani tudjuk a rezisztenca lokuszt PCR reakciók és szekvenálás segítségével. Ha a régió szekvenciája jelentősen különbözik a publikált szekvenciától, a gén azonosítására olyan BAC géntárat használunk, melyet homozigóta rezisztens növények segítségével készítünk. A gén azonosítása után cDNS és genomikus szekvenciákkal transzgenikus petúnia és arabidopsis vonalakat hozunk létre és ezeken vizsgáljuk, hogy az azonosított gén/allél segítségével kialakítható-e rezisztencia ezekben a növényekben. A tervezett kutatások révén alaposabban megismerhetjük az agrobaktérium fertőzés molekuláris mechanizmusát, mivel elemezzük az izolált rezisztenciagén szekvenciáját és funkcióját, valamint fiziológiai kísérleteket végzünk a rezisztens és fogékony növények felhasználásával. Vizsgáljuk továbbá, hogy a rezisztencia kialakulását a T-DNS bejuttatásában, integrációjában, vagy a génexpresszióban található gátlás okozza-e.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az agrobaktériumok komoly károkat okozhatnak fás szárú ültetvényekben, szőlőn, almafákon vagy csonthéjas gyümölcsfákon. Vegyszeres védekezés e patogének ellen nem lehetséges, ezért a mezőgazdaságban igény van gyökérgolyva rezisztens fajták létrehozására. A javasolt munka mind elméleti, mind gyakorlati jelentőséggel bír. Általa jobban megismerhetjük az agrobaktérium fertőzés alapvető molekuláris mechanizmusait és azt a folyamatot, amely gátolja a gyökérgolyva kialakuását, széles spektrumú rezisztenciát biztosítva. Másrészt a munka során számos olyan DNS-markert azonosítunk, amelyek szorosan kapcsoltak a szőlő gyökérgolyva rezisztenciájával. Ezek a molekuláris markerek nagyban megkönnyítik a tradicionális nemesítési programok számára a gyökérgolyva rezisztens fajták kinemesítését a marker segítette szelekció (marker assisted selection) segítségével.
Azt várjuk, hogy sikerül azt a gént vagy egy génnek azt az allélját azonosítanunk, amely felelős a gyökérgyolyva rezisztencia kialakulásáért. Ez a gén jól hasznosítható, ha be akarjuk juttatni a gyökérgolyva rezisztenciát szőlőbe vagy más mezőgazdaságilag fontos növénybe (alma, csonthéjasok) biotechnológiai módszerekkel. Ha a megismert gén megtalálható ezekben a növényekben, és a rezisztencia kialakulásáért egy funkciónyeréses mutáció felelős, akkor egy faj azonos gén módosításával lehetséges volna a rezisztencia kialakítása ezekben a fajokban is.
Amikor a munka során a rezisztenciagén szekvenciáját és funkcióját elemezzük és vizsgáljuk, hogy a rezisztencia kialakulását a T-DNS bejuttatásában, integrációjában, vagy a génexpresszióban található gátlás okozza-e, akkor az általános növényi molekuláris biológiai ismereteinket is gyarapítjuk. A javasolt munka nemzetközi érdeklődésre számíthat és rangos nemzetközi lapokban megjelentethető publikációkat eredményezhet.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A legtöbb agrobaktérium hatékony patogén, amely sok növény fertőzésére képes. Ekkor egy bakteriális DNS-szakasz jut be a növénybe, ami hormonok (auxin, citokinin) túltermelését eredményezi. Ez szabályozatlan sejtosztódáshoz és végül tumoros képletek (gyökérgolyva) kialakulásához vezet. E tünetekkel az agrobaktériumok komoly károkat okozhatnak fás szárú ültetvényeken, szőlőben, almafákon vagy csonthéjas gyümölcsfákon. Vegyszeres védekezés a betegség ellen nem ismert, ezért sok évvel ezelőtt megkezdődött olyan gének keresése, amelyek gyökérgolyva rezisztenciát eredményeznek.
Az Európában művelt szőlőfajták (Vitis vinifera) mind fogékonyak a betegségre, de néhány vad szőlőfajban, mint a V. amurensis, kialakult rezisztencia. Ezt a természetes rezisztenciát már bekeresztezték néhány V. vinifera fajtába és bizonyították, hogy domináns és egy génes módon öröklődik. Az elmúlt években azonosítottunk olyan DNS-markereket, amelyek ehhez a rezisztenciagénhez (Rcg1) közel találhatók, és ezzel bizonyítottuk, hogy a gén a 15. kromoszómán helyezkedik el. A javasolt munka célja, hogy azonosítsuk a rezisztenciagént és megismerjük DNS szekvenciáját. A tervezett kutatásoknak elméleti és gyakorlati jelentősége is van. Egyrészt alaposabban megismerhetjük az agrobaktérium fertőzés molekuláris mechanizmusát és azt, hogy miként tud egy gén/mutáció jelenléte széles spektrumú gyökérgolyva rezisztenciát eredményezni. Másrészt olyan DNS-markereket azonosítunk, amelyek szorosan kapcsoltak a szőlő gyökérgolyva rezisztenciájával. Ezek a molekuláris markerek nagyban megkönnyítik a tradicionális nemesítési programok számára a rezisztens fajták kinemesítését a marker segítette szelekció segítségével.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Most agrobacteria are efficient plant pathogens. During infection, a bacterial DNA segment is transferred into the genome of some plant cells that directs an unregulated production of plant hormones. This leads to abnormal cell proliferation and the development of crown gall or hairy root. By these symptoms agrobacteria may cause serious damage in plantations of woody plants such as grapevines, apple tree and stone fruits. Chemical control is not applicable against these bacteria therefore there is an increasing need for crown gall resistant cultivars in agriculture.
Cultivated European grapevines (Vitis vinifera) are susceptible to this disease but some wild Vitis species, including V. amurensis, have resistant genotypes. This natural resistance was introgressed to V. vinifera where it was inherited as a single and dominant Mendelian trait. We have shown recently that this resistance gene (Rcg1) is located on chromosome 15 between 7,87 Mb and 9,31 Mb. In the proposed work we continue the marker search and establish a detailed genetic map for the map based cloning of the Rcg1 locus. DNA from homozygous resistant plants will be used for BAC library preparation or for the direct isolation of the locus by PCR. DNA sequence of the region will be determined and the linkage of the candidate gene(s) to the resistance will be examined. We establish transgenic petunia and arabidopsis plants using the candidate gene to test its role on crown gall resistance. Moreover, we carry out physiological experiments using resistant and susceptible plants and explants to understand the mechanism of the resistance.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The Rcg1 locus originated from Vitis amurensis confers broad spectrum of crown gall resistance in grapevine (V. vinifera). It is inherited as a single and dominant Mendelian trait. We suppose that a gain-of-function type mutation is responsible for the resistant phenotype however, it is also possible, that an extra gene recombined from V. amurensis into the V. vinifera genome. We have localized the Rcg1 locus on chromosome 15 between 7,87 Mb and 9,31 Mb, according to the Pinot Noir genomic sequence. We identify additional DNA markers in every 100 kb for the fine mapping of the locus. To promote the gene isolation we establish homozygous resistant and susceptible progeny. If the Rcg1 locus carries a gain-of-function mutation and the DNA sequence of the region is very similar to that of the Pinot Nior we can probably identify the resistance locus by direct long PCR and sequencing. When the sequence around the resistance locus substantially differs from the known genomic sequence we use a BAC library prepared from homozygous resistant progeny to identify the gene. After the gene is localized we create transgenic petunia and arabidopsis plants by cDNA and genomic constructs and test whether the presence of the identified gene results in crown gall resistance not only in grapevine but in other plants as well. Moreover, we will learn more about the basic molecular mechanism of the agrobacterium infection when we analyse the sequence and function of the resistance gene and we carry out physiological experiments. We can answer whether a defect in T-DNA delivery or integration or expression is the reason of the resistance.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Agrobacteria may cause serious damage in plantations of woody plants such as grapevines, apple tree and stone fruits. Chemical control is not applicable against these bacteria therefore there is an increasing need for crown gall resistant cultivars in agriculture. The proposed work has both theoretical and practical importance. We learn more about the basic molecular mechanism of the agrobacterium infection process and about the mechanism of a broad spectrum of resistance that blocks crown gall development. On the other hand we develop several DNA markers that are tightly coupled to the crown gall resistance locus of grapevine. C
We expect to identify one gene or an allele of this gene that is responsible for the crown gall resistance. This gene may be useful for introducing crown gall resistance into grapevine and other agronomically important plants (apple, stone fruits) by biotechnological methods. If this gene is a natural part of these plant genomes and a mutant allele (a gain-of-function mutation) is responsible for the resistant phenotype than the resistance can be established by the modification of species specific genes.
In the course of our work when we analyze the sequence and function of the resistance gene and answer whether a defect in T-DNA delivery or integration or expression is the reason of the resistance we broaden our basic scientific knowledge in plant molecular biology. The proposed work will result in publications in prestigious scientific journals.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Most agrobacteria are efficient pathogens able to infect many plant species. During infection, a bacterial DNA segment is transferred into the genome of plant cells that directs an unregulated production of plant hormones (auxin, cytokinin). Overproduction of these hormones promotes abnormal cell proliferation and results in the development of a tumor (crown gall). By these symptoms agrobacteria may cause serious damage in plantations of woody plants such as grapevines, apple tree and stone fruits. Chemicals are not applicable to prevent or overcome this disease therefore there is an increasing need for crown gall resistant cultivars in agriculture.
Cultivated European grapevines (Vitis vinifera) are susceptible to this disease but some wild Vitis species, including V. amurensis have resistant genotypes. This natural resistance was introgressed to V. vinifera where it was inherited as a single and dominant gene. In the last few years we have identified DNA markers coupled to this resistance gene and showed that it is located on chromosome 15. In the proposed work we aim to isolate and sequence this resistance gene. The work has both theoretical and practical importance. We learn more about the basic molecular mechanism of the agrobacterium infection process and about the mechanism of a broad spectrum of resistance that blocks crown gall development. On the other hand we develop several DNA markers that are tightly coupled to the crown gall resistance gene. These molecular markers will help traditional breeding programs to establish crown gall resistant grapevine cultivars by marker assisted selection.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
