 |
Improvement of spelt wheat lines with low fermentable carbohydrate content (FODMAP) using modern and classic research methods
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
119835 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Pauk, János |
| Title in Hungarian |
Alacsony fermentálható szénhidrát tartalmú (FODMAP) tönkölybúza vonalak fejlesztése modern és klasszikus kutatási módszerekkel |
| Title in English |
Improvement of spelt wheat lines with low fermentable carbohydrate content (FODMAP) using modern and classic research methods |
| Keywords in Hungarian |
fodmap, haploid, tönkölybúza |
| Keywords in English |
fodmap, haploid, spelt wheat |
| Discipline |
| Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences) | 40 % | | Plant breeding (Council of Complex Environmental Sciences) | 30 % | | Plant breeding (Council of Complex Environmental Sciences) | 30 % |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Cereal Research Non-Profit Limited Company |
| Participants |
Békés, Ferenc
Bóna, Lajos
Lantos, Csaba
Pauk, Jánosné
|
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2021-04-30 |
| Funding (in million HUF) |
47.844 |
| FTE (full time equivalent) |
4.97 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
IBS (irritábilis bélszindróma), igen elterjedt gasztrointesztinális tünetegyüttes, mely komoly anyagi és életminőségbeli terheket ró a betegségben szenvedőkre. Új terápiás megoldás lehet számukra az alacsony FODMAP tartalmú diéta, melyben a rövid szénláncú cukrokat, az ún. fermentábilis oligo-, di-monoszacharidok és poliolok bevitelét kell elkerülni.
A projekt fő célkitűzése az analitikai és biotechnológiai megközelítések és módszerek integrálása az alap és alkalmazott gabona kutatásba. Különböző (1) gabona fajok (tönkölybúza, búza, cirok, quinoa) és genotípusok tesztelését végezzük el FODMAP tartalomra. Vizsgálataink fókuszában főleg tönkölybúza genotípusok állnak. Másodrészt, (2) alacsony FODMAP tartalmú tönkölybúza törzsek fejlesztése a célunk, mely az arra érzékeny emberek számára fogyasztható diétás termék alapanyagául szolgálhat. Végül (3) vizsgálni szeretnénk a FODMAP tartalom változását a genotípus×környezet interakció tükrében, különös tekintettel a szárazság hatására, üvegházi kísérletekben.
A rövid láncú szénhidrátok azonosítását és mennyiségi mérését HPLC-MS módszerrel végezzük el, a fruktán tartalmat enzim próbával határozzuk meg. Keresztezéseket végzünk alacsony FODMAP tartalmú, ausztrál származású, és hazai tönkölybúza törzsekkel. DH (doubled haploid) növényeket állítunk elő a keresztezések F1 és F2 generációiból, melyek közül az alacsony FODMAP tartalmú genotípusokra szelektálunk, a jó kenyérsütési paraméterek (mikroteszt) megtartása mellett. Üvegházi komplex stressz diagnosztikai rendszerben vizsgáljuk a FODMAP tartalom változását szárazság stressz hatására, és a legjobb genotípusokat szántóföldi kis parcellás kísérletben szaporítjuk tovább.
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.
1. Habár az alacsony FODMAP tartalmú diéta fokozatosan ismert és alkalmazott terápia az IBS–ben szenvedő betegek gyógyításában; Európában még nem ismert olyan gabona, mely alacsony FODMAP tartalommal és jó kenyérsütési paraméterekkel rendelkezne. Így, a betegek számára a gluténmentes diéta az egyetlen megoldás, mely költséges és szűk lehetőséget kínál a táplálkozásban. Mivel a FODMAP tartalom mérésével még nem foglalkoztak Európában, szükséges információkat kapnunk a különböző gabonafajok és genotípusok FODMAP tartalmáról, genetikai diverzitásáról, melyek elérhetőek a saját génbankunkban beleértve a köztermesztésben lévő fajtákat is.
2. Ausztrál kutatóknak köszönhető az alacsony FODMAP tartalmú és jó kenyérsütési paraméterekkel rendelkező tönkölybúza azonosítása. Munkájuk nyomán előnemesítési kutatási programot kezdünk el tönkölybúza genotípusokkal (lásd támogató levél). A haploid indukciós módszerek nyújtják a leggyorsabb lehetőséget homozigóta vonalak előállítására, melyek a nemesítés folyamatába integrálhatóak. Tönkölybúza esetében a haploid indukciós módszerek publikáltsága rendkívül szerény. Jelen projektben az in vitro portok- és mikrospóra tenyésztés módszerének hatékonyságát tönkölybúza genotípusokra határozzuk meg. Előnemesítési kutatási programunkban a legfőbb szelekciós kritérium az alacsony FODMAP tartalom.
3. Kérdésként merül fel a környezeti tényezők, stresszek (szárazság) hatása a FODMAP tartalomra, mivel e kutatási terület is kevésbé ismert a szakirodalomban. A kísérletek előrejelzik a szárazság stressz és FODMAP tartalom változás összefüggéseit a mi éghajlati körülményeink között. Szárazságtűrő genotípusokat lehet kiválasztani a mért adatok alapján.
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!
Tervezett projektünk eredményei új perspektívát adnak a gabonafélék (tönkölybúza, közönséges búza, cirok, quinoa stb.) kutatásában és gyakorlati megoldást kínálnak egy nagyon fontos egészségügyi problémára (IBS). Genetikai anyagaink FODMAP tartalmának ismerete a genetikában rejlő lehetőségekről nyújt információkat kutatóknak, nemesítőknek és egyéb felhasználóknak, és így az IBS terápiában új, hiánypótló utak nyílhatnak meg a genetika oldaláról.
A projekt végére, alacsony FODMAP tartalmú tönkölybúza törzseink születnek, jó sütőipari minőséggel, amelyek eredményesen használhatók lesznek a FODMAP diétában. Ezek a tönkölybúza vonalak és genotípusok alapanyagául szolgálhatnak kenyér, valamint egyéb pékáruk készítéséhez, és hozzájárulnak az IBS-ben szenvedők terápiás kezeléséhez. Munkánkkal egyidejűleg olyan FODMAP kutatás indulhat meg Magyarországon, ami nemcsak a tönkölybúzára (spelt) fókuszál, hanem más gabonafélékre is (közönséges búza, cirok, quinoa stb.).
A kialakított homozigóta diploid (DH) előállítási módszerek – portok- és mikrospóratenyésztés – jó megoldási lehetőséget adnak tönkölybúzában, hogy gyorsítsuk a nemesítési folyamatot. A szárazságtűrő vizsgálatok információt fognak nyújtani arról, hogy a rövid-szénláncú cukrok mennyiségi értéke hogyan alakul abiotikus stressz hatására (Magyarországon a szárazság a legfőbb abiotikus stressz). Az üvegházban berendezett komplex stresszdiagnosztikai kísérletekből becsülni tudjuk a klimatikus körülmények várható hatását a FODMAP tartalomra.
Európában nem ismerünk olyan kutatást, amely a gabonafélék FODMAP problémakörével foglalkozik. Ez a projekt lesz az első Európában, melyben nemesítési kutatások indulnak el alacsony FODMAP tartalmú tönkölybúza és egyéb gabonafélék létrehozására. Ezen a területen az elsők az ausztrál Monash Egyetem (Melbourne) kutatói voltak. A mi kutatásainkat, szíves támogatásukkal végezzük (támogató levél csatolva). Az ő eredményeiket szeretnénk meghonosítani és tovább fejleszteni saját genetikai forrásaink felhasználásával és az itthoni klimatikus körülményeink között.
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.
Az irritábilis bél szindróma (IBS) egy belgyógyászati betegség, mely komoly terheket ró a betegre. Nagy részük gluténmentes diétát alkalmazva jelentős javulást tapasztal, holott problémájukat nem a glutén okozza. Ausztráliai kutatók azt találták, hogy alacsony FODMAP diéta alkalmazásával az IBS tünetei enyhíthetők vagy megszüntethetők. A FODMAP egy mozaikszó; olyan rövid szénláncú cukorvegyületeket jelöl, melyeket a bélrendszerben mikrobák fermentálnak. Nevezetesen a FODMAP a Fermentábilis-Oligo-, Di-, Monoszaharidok és (And) Poliol vegyületeket jelenti. A FODMAP diétában számos zöldségfélék, gyümölcsök és gabonafélék – mint pl. búza, rozs – bevitelét kerülni kell. Ugyanakkor a tönkölybúza alkalmas alapanyag lehet, de csak Ausztráliában kapható alacsony FODMAP tartalmú tönkölyliszt.
Európában nincsenek publikált adatok a gabonafélék FODMAP tartalmára vonatkozóan. Munkánkkal megoldást kívánunk nyújtani e diétára. A projekt fő célja, hogy létrehozzunk alacsony FODMAP tartalmú tönkölybúza genotípusokat, melyekből az egészségügyi előnyök megtartása mellett sütőipari termékek készíthetők. Ahhoz, hogy elérjük céljainkat, különböző fajú és fajtájú gabonafélék (tönköly, étk. búza, cirok, quinoa, stb.) FODMAP tartalmát vizsgáljuk meg. Nemesítési megközelítésünk lényege, hogy alacsony FODMAP tartalmú tönkölyt szelektálunk. Az új genotípusok előállításának meggyorsítása céljából biotechnológiai (ún. DH vonal) módszert fejlesztünk és mikro-sütőipari tesztek kerülnek kivitelezésre. Genetikai és környezeti hatás vizsgálatot is végzünk, hogy megismerjük a szénhidrát tartalmának változását abiotikus stressz hatására. A legjobb törzsek szaporításra kerülnek a projekt után.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
IBS (irritable bowel syndrome) is a common gastrointestinal syndrome imposing severe financial burden on patients and deteriorating their quality of life. A new therapeutic solution could be the low FODMAP diet, in which the intake of short-chain carbohydrates, such as fermentable oligo-, di- monosaccharide and polyols should be avoided.
The main goal of the project is the integration of analytical and biotechnological approaches and methods into the basic and applied research. Extensive screening (1) will be carried out on different cereal germplasms and genotypes of cereal species, such as spelt, common wheat, sorghum, quinoa etc. for FODMAP content, focusing on spelt genotypes to determine the FODMAP’s genetic diversity. Our goal (2) is to develop spelt genotypes with low FODMAP content suitable for use in products with health benefits. We will examine (3) the effect of the genetic x environmental (concentrating on drought) interaction on the level of FODMAP in greenhouse experiments.
We use enzymatic assays and HPLC-MS test to identify and measure FODMAP content. Low FODMAP spelt genotypes will be crossed with elite spelt cultivars used in production. Doubled haploid plantlets will be produced from F1 and F2 spelt populations with low FODMAP content and from elite genotype crossings. Bread making quality is also a selection criterion in DH lines using small- and micro-scale dough testing methodology. Finally, genetic and environmental (drought stress) effects will be investigated on FODMAP levels in spelt DH lines in a complex stress diagnostic system in green-house. As a result, the best DH lines will be propagated in small plot trials on field (pre-breeding).
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.
1. Though the low-FODMAP diet is being applied increasingly to patients with IBS by health professionals as a first-line therapy, here in Europe there are no available cereals with low FODMAP content for bread making. As the only solution, patients keep gluten-free diet, which is rather expensive and offers only a narrow choice in nutrition. Since FODMAP content has not been measured in Europe yet, we need to get information about the FODMAP content and the genetic diversity of the different cereal species and genotypes available in our gene bank including as well as those that are already in production in Hungary.
2. Due to researches in Australia, where the spelt genotype was identified as a possible bread making cereal in low FODMAP diet, we start a pre-breeding research work focusing on spelt (we have had a supporting letter from Australian research. group, see the attachment). Haploid induction methods are the quickest way to produce homozygous lines (DHs) in breeding but in case of spelt wheat published data related to these methods are rather limited. In this project, efficiency of in vitro anther- and isolated microspore culture will be determined for spelt wheat genotypes. This pre-breeding procedure will focus all along on low FODMAP content as it gives the basis of our genetic selection.
3. It is also a question how the environmental factors (especially drought stress) affect FODMAP content, since published data of this research are limited. These experiments can predict the relationship between the FODMAP content and drought under our climatic conditions. Drought tolerant genotypes can be selected based on these data.
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.
The results of our aimed project give new perspectives in cereal research (spelt, common wheat, sorghum, quinoa etc.) and offer a practical solution for a very important medical problem (IBS). Screening the FODMAP content of our genetic materials will give information to researchers, breeders and other users revealing the possibilities of plant genetics and through it new ways opening in the therapy of IBS.
By the end of this project, we will have spelt lines with low FODMAP content and with good baking quality that are suitable for FODMAP diet. These spelt lines and genotypes can be then well used as raw material to make bread or other baking products, which will provide therapeutic possibility for IBS patients. Based on this work we can start FODMAP research programs in Hungary, focusing not only on spelt but also on other cereals (wheat, sorghum, quinoa etc.), too.
Developing the method of DH lines in case of spelt wheat is a solution for spelt researchers to quicken their breeding process applying in vitro anther- and microspore cultures. Drought stress (the most important abiotic stress in Hungary) will give information about the change of short-chain carbohydrate content in cereals. Through the greenhouse installed complex stress diagnostic experiments, we can predict the impact of environmental factors on FODMAP content under our climatic conditions.
In Europe, there are no other researchers who work focusing on FODMAP-cereal problems. We will be the first ones who start a breeding research program to develop low FODMAP spelt and/or other cereals. The pioneers in this area are the Australian research groups at Monash University, Melbourne. Our work will be done with their support (supporting letter is attached). We appreciate highly their collaboration. We can build upon their results but we need to adopt and improve further all their work for our genetic resources and environmental circumstances.
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.
IBS (Irritable Bowel Syndrome) is a gastrointestinal disorder imposing considerable financial burden on patients and deteriorating their quality of life. The majority of people feel better on „gluten-free” diet though their problems are not related to gluten at all. Australian researchers found that keeping low FODMAP diet would improve or eliminate the symptoms of IBS. FODMAP is an acronym for short-chain carbohydrates (sugars) that are fermented by microbes in the gut system. Namely, FODMAP means Fermentable Oligo-, Di-, Monosaccharide And Polyols. In a FODMAP diet a number of vegetables, fruits and cereals such as wheat or rye should be avoided. At the same time spelt wheat could be suitable for this diet, but only Australian patients have access to the flour from low FODMAP cereal.
In Europe we have had no published data about the FODMAP content of cereals yet. We are going to start to give solution for this diet. The main goal of the project is to develop spelt genotypes with low FODMAP content suitable for use in baking products with health benefits. To reach our goal extensive screening for FODMAP content will be carried out on different genotypes of cereal species such as spelt, common wheat, sorghum, quinoa etc. Breeding approach will be started by selecting spelt with low FODMAP content. To quicken the breeding of new spelt genotypes, biotechnological method (DH lines) will be developed and micro-baking test will be carried out. Also genetic and environmental effects will be investigated on the fermentable carbohydrate content in spelt wheat samples in the greenhouse. As a result the best spelt lines will be propagated in the field after the project term.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| F. Békés, K. Acs, Gy. Gell, Cs. Lantos, A-M. Kovács, Zs. Birinyi and J. Pauk.: Towards breeding less allergenic spelt -wheat with low fodmap content - a review, Acta Alimentaria, 2017 | | Lantos C, Békés F, Bóna L, Pauk J: Androgenezis indukciója tönkölybúza portok- és izolált mikrospóra tenyészetben, XXIII Növénynemesítési Tudományos Nap, 2017 | | F. Békés, K. Acs, Gy. Gell, Cs. Lantos, A-M. Kovács, Zs. Birinyi and J. Pauk.: Towards breeding less allergenic spelt -wheat with low fodmap content - a review, Acta Alimentaria, 2017 | | Lantos Csaba, Jancsó Mihály, Ács Katalin, Bóna Lajos, Purgel Szandra, Békés Ferenc, Pauk János: Application of androgenesis in cereal breeding, 4th conference of cereal biotechnology, 2017 | | Lantos Csaba ,Jancsó Mihály, Purgel Szandra, Falusi JÁnos, Cseuz László, Bóna Lajos, Békés Ferenc, Pauk JÁnos: Doubled haploid növény előállítási módszerek fejlesztése és alkalmazása a növénynemesítésben, XXIV. NNTN, 2018 | | Lantos Csaba, Bóna Lajos, Nagy Éva, Békés Ferenc, Pauk János: Induction of in vitro androgenesis in anther and isolated microspore culture of different spelt wheat (Triticum spelta L.) genotypes, Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 2018 | | Pauk János, Ács Katalin, Lantos Csaba, Békés Ferenc: Breeding less allergenic spelt wheat with low FODMAP content, Innovations in Food Science and Human Nutrition Conference, Rome, 2018 | | Lantos Csaba ,Jancsó Mihály, Purgel Szandra, Falusi János, Cseuz László, Bóna Lajos, Békés Ferenc, Pauk János: Doubled haploid növény előállítási módszerek fejlesztése és alkalmazása a növénynemesítésben, XXIV. NNTN, 2018 | | Lantos Csaba, Bóna Lajos, Nagy Éva, Békés Ferenc, Pauk János: Induction of in vitro androgenesis in anther and isolated microspore culture of different spelt wheat (Triticum spelta L.) genotypes, Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 2018 | | Lantos C., Purgel S., Ács K., Langó B., Bóna L., Békés F., Pauk J.: Induced androgenesis in anther and isolated microspore culture of spelt wheat (Triticum spelta L.)., 3rd International Conference on “Plant Cells & Tissue in Vitro”. Vienna, Austria,, 2019 | | Lantos C., Purgel S., Mihály R., Ács K., Kanbar O., Cseuz L., Bóna L., Kiss E., Békés F., Pauk J.: In vitro androgenezis alkalmazása gabonafajok nemesítésben., Növénynemesítési Tudományos Nap, Budapest, MTA, 2019.03.06-07. pp. 372-375., 2019 | | Pauk J., Lantos C., Nagy É., Cseuz L., Mihály R., Bóna L., Somogyi Gy., Matuz J., Heszky L.: Növénynemesítés nem csak tradicionális módszerekkel., Növénynemesítési Tudományos Nap, Budapest, MTA, 2019.03.06-07. pp. 154-157., 2019 | | Ács K, Békés F, Lantos C, Pauk J: Évjárathatás és öröklődési viszonyok vizsgálata fruktán tartalomra hazai tönkölyfajta populációban., XXV. Növénynemesítési Tudományos Nap, Budapest, MTA, 2019.03.06-07. pp. 58-62., 2019 | | Purgel S, Mihály R., Pauk J, Lantos C, Ács E, Langó B, Bóna L: GK Fehér, az első szegedi nemesítésű tönkölybúza., XXV. Növénynemesítési Tudományos Nap, Budapest, MTA, 2019.03.06-07. pp. 54-57., 2019 | | Csaba Lantos, Szandra Purgel, Katalin Ács, Bernadett Langó, Lajos Bóna, Krisztina Boda, Ferenc Békés, János Pauk: Utilization of in Vitro Anther Culture in Spelt Wheat Breeding, Plants, 2019 | | Csaba Lantos, Szandra Purgel, Katalin Ács, Bernadett Langó, Lajos Bóna, Krisztina Boda, Ferenc Békés, János Pauk: Utilization of in Vitro Anther Culture in Spelt Wheat Breeding, Plants, 2019 | | Lantos C., Pauk J: Factors influencing the efficiency of wheat anther culture., ACTA BIOLOGICA CRACOVIENSIA SERIES BOTANICA, 2020 | | Osama Zuhair Kanbar, Csaba Lantos, Erzsébet Kiss, János Pauk: Androgenic responses of wheat (Triticum aestivum L.) combinations in in vitro anther culture., GENETIKA-BELGRADE 52: pp. 337-350., 2020 | | Chege P, Palágyi A, Lantos C, Kiss E, Pauk J: Doubled Haploid Production using an Improved Anther Culture Protocol for Sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench]., PHYTON-INTERNATIONAL JOURNAL OF EXPERIMENTAL BOTANY, 2021 | | Lantos C and Pauk J: : In vitro anther culture for doubled haploid plant production in spelt wheat, in „Doubled Haploid Technology – Methods and Protocols”,, Springer Nature. In Press., 2021 | | Lantos C, Békés F, Cseuz L, Bóna L, Purgel S, Ács K, Langó B, Jancsó M, Székely Á, Mihály R, Jakab T, Pauk J: In vitro androgenezis alkalmazása a GK növénynemesítési programjaiban., XXVI. Növénynemesítési Tudományos Napok, Szeged, 2020.03.04-05. p. 47, 2020 | | Pauk J, Lantos C, Cseuz L, Papp M, Óvári J, Beke B, Pugris T: ’GK Déva’ dihaploid módszer segítségével előállított új őszi búza fajta., XXVI. Növénynemesítési Tudományos Napok, Szeged, 2020.03.04-05. p. 102, 2020 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
