A szaporodásbiológiával összefüggésbe hozható gének vizsgálata az ürömlevelű parlagfűben (Ambrosia artemisiifolia)
Angol cím
Investigation of reproduction related genes in the common ragweed (Ambrosia artemisiifolia)
magyar kulcsszavak
parlagfű, hím és nővirág valamint pollen specifikus gének, génizolálás, transzformálás
angol kulcsszavak
ragweed, male and female as well pollen specific genes, gene isolation, transformation
megadott besorolás
Növényi biotechnológia (Komplex Környezettudományi Kollégium)
100 %
zsűri
Növénytermesztés, állattenyésztés
Kutatóhely
Növénytudományi és Biotechnológiai Tanszék (Pannon Egyetem)
résztvevők
Horváth Edit Kolics Balázs Petrovicsné Mátyás Kinga Klára Szaszkóné dr. Decsi Kincső Virág Eszter Andrea
projekt kezdete
2012-03-01
projekt vége
2016-02-29
aktuális összeg (MFt)
37.290
FTE (kutatóév egyenérték)
7.10
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
- A tervezett kutatás összefoglalása A program fő célkitűzései: 1, A virágzást szabályozó gének izolálása az egylaki, kétszikű, pollen allergén parlagfű (Ambrosia artemisiifolia) növényből. A csak a hím illetve csak a nő virágokban kifejeződő géneket, forward és reverz szubtraktív hibridizáció alakalmazásával részlegesen izoláljuk, szekvenáljuk és homológiakereséssel azonosítjuk. Egy külön kísérletben szintén szubtraktív hibridizációval virágzásért felelős géneket izolálunk részlegesen, mely eljárásnál levél cDNS-t használunk driverként.
2, A részlegesen izolált gének teljes cDNS szekvenciájának izolálása, szekvenálása és jellemzése. Itt, a cDNS izolálást más növényekben megtalálható portok és pollenspecifikus génekkel magas homológiát mutató szekvenciákkal kezdjük. Ezek után izoláljuk azokat az egyedi szekvenciákat, melyek új információkkal szolgálhat a reproduktív szervek genetikai hátteréről. A cDNS-ek izolálásához cDNS klóntárat hozunk létre.
3, Az izolált gének funkcionális elemzése A gének antiszensz konstrukciójával ugyanazon genotípust transzformáljuk, melyből a géneket izoláltuk. A transzformált növényeket regeneráljuk majd morfológiai elemzést és gén kifejeződés vizsgálatot végzünk. A genetikai módosításhoz a szükséges engedélyek előkészítése folyamatban van.
- Mi a kutatás alapkérdése? A vizsgálat fő célkitűzése az A. artemisiifolia szaporodását befolyásoló genetikai háttér tisztázása, a virágzásban szerepet játszó gének izolálásán és jellemzésén keresztül. Noha a virágzati genom (floral genome) jól jellemzett az Arabidopsisban, kevés ismerettel rendelkezünk erről az egylaki növények esetében. Az egylaki növényeken külön hím- és nőivarú virágzat található ugyanazon a növényen és sok közülük – mint például a parlagfű, nyírfa, mogyoró, stb. – erősen allergén pollent termelnek. A jelen projektben azon Ambrosia gének meghatározását tervezzük, melyek a hím- és nőivarú virágzat identitásának kialakulásában illetve a pollenfejlődésben meghatározó szerepet játszanak. Bár néhány pollenallergiát okozó gént izoláltak már parlagfűből, nincs információ arra vonatkozóan, hogy mely gének kontrollálják a virág- illetve a pollenfejlődést. E gének azonosítása további betekintést enged a virágzás genetikájába. Gyakorlatias megközelítésben úgy is fogalmazhatunk: arra keressünk választ, hogy mely gének inaktiválásával gátolható meg e fajban a reprodukció? E gének pontos működési mechanizmusának megértése magában hordozza új védekezési technológiák kifejlesztésének lehetőségét ezen ártalmas növény, illetve az általa okozott allergia probléma ellen.
- Mi a kutatás jelentősége? Az ürömlevelű parlagfű a legelterjedtebb inváziós gyom a Kárpát-medencében. A globális felmelegedéssel együtt a világ számos területén gyors ütemben terjed. A fertőzött területek lakosságának mintegy 20 % -a szenved a növény pollenje által kiváltott allergiában és ez az arány növekvő tendenciát mutat. A parlagfű terjedésének megállítására ez idáig alkalmazott technológiák, eljárások nem bizonyultak elégségesnek. Úgy gondoljuk, hogy új védekezési eljárások kifejlesztéséhez szükséges a faj molekuláris genetikai jellemzőinek jobb megismerése. E célból nemrégen egy parlagfű kutatási programot indítottunk, melyben: populációgenetikai vizsgálatokat, herbicid rezisztenciák molekuláris alapjainak vizsgálatát, kloroplasztisz genom szekvenálást végeztünk/végzünk. Egy a jelen projekttel párhuzamos programban izolálni és inaktiválni kívánjuk az Ambrosia artemisiifolia pollenallergén génjeit, valamint e gének módosításával az új típusú allergiás gyógyszerekben használt módosított allergént, ún. allergoidot tervezünk termeltetni a növénnyel. A jelen kutatási programban a reprodunkcióban szerepet játszó géneket tervezünk izolálni az ürömlevelű parlagfűből. E projekt a fent említettekkel együtt megfelelő tudományos alapot biztosíthatnak a parlagfű terjedésének, pollen termelésének megállítására irányuló technológiák kifejlesztéséhez. Úgy gondoljuk, hogy projektünk jó például szolgálhat más inváziós növények valamint pollen allergiát okozó növényekkel kapcsolatos kutatási programok beindításához.
–A kutatás összefoglalója, célkitőzései laikusok számára Az ürömlevelű parlagfű (Ambrosia artemisiifolia L.) a legelterjedtebb gyomnövényünk és a legveszélyesebb, pollenallergiát kiváltó növény is egyben. Hazai és nemzetközi erőfeszítések ellenére ez az inváziós növény gyors ütemben terjed. Az alkalmazott védekezési eljárások nem mutatkoznak elégségesnek a faj terjedésének megállítására, az általa okozott problémák csökkentésére. Mindazonáltal, molekuláris biológiai ismereteink bővülése új védekezési eljárások kidolgozásának tudományos alapjait jelentheti. A jelen kutatási programban a parlagfű szaporodásbiológiájában meghatározó szerepet játszó gének izolálását tűztük ki célul. Azon géneket keressük, melyek a hím-, illetve a nővirágok kifejlődésében valamint a pollenfejlődésben játszanak szerepet. Az izolált gének működését azok inaktiválásán keresztül vizsgáljuk. A tudományos vizsgálatok céljára létrehozott genetikailag módosított modell növények regenerálását és nevelését a biztonsági előírások betartása mellett, izolált körülmények között végezzük el. A vizsgálatokhoz a szükséges engedélyekkel rendelkezünk. E projektben tervezett vizsgálataink a parlagfüvön végzett más párhuzamos vizsgálatainkkal, így a 1) populációgenetikai vizsgálatokkal, 2) gyomirtó rezisztenciát okozó mutációk detektálására fejlesztett eljárásokkal, valamint 3) a pollenallergén helyett új típusú gyógyszerekben alkalmazott, ún. allergoidot termelő modellnövények létrehozásával együtt megteremtik a parlagfű elleni új védekezési eljárások kifejlesztésének tudományos alapjait. Feltételezzük, hogy az általunk alkalmazott megközelítés példaértékű lehet más inváziós,- illetve pollenallergén növények kutatásában, illetve a kontrollálásukra irányuló technológiák kidolgozásában.
angol összefoglaló
Summary of proposed research The main objectives of this project are: 1) The isolation of flowering regulating genes from the monoecious highly allergenic dicotyledonous weed Ambrosia artemisiifolia. Genes expressed only in male as well only in female flowers will be partially isolated by forward and reverse subtractive hybridization, and then sequenced and characterized. In a separate experiment floral genes will also be partially isolated by subtractive hybridization, where leaf cDNA will be used as driver. 2) Complete cDNA sequence of the partially isolated genes will be isolated, sequenced and characterized. Here, attention will be paid to sequences which show high homology with anther and pollenspecific genes of other plants, as well to unique sequences, for which the isolated cDNA will reveal novel information about the genetic background of reproductive organs. For the isolation of cDNA-s cDNA libraries will be constructed. 3) Functional analysis of the isolated genes. The same genotype from which the genes have been isolated will be transformed by antisense constructions of these genes. Transformed plants will be regenerated and morphological as well gene expression analyses will be performed. Application for permission of genetic modofications is prepared.
– What is your research question? The main purpose of this study is to clarify the molecular genetic bases of reproduction in A. artemisiifolia by the isolation and characterization of floral genes. While the floral genome is well characterized in Arabidopsis, few is known about the molecular genetic bases of monoecious plants. These have separate male and female flowers on the same plant and many of them, like, ragweed, birch, hazelnut, etc. produce highly allergenic pollen. The driving force of this project is to determine Ambrosia genes which control male- as well female flower identity and which are involved in pollen development. Although, some pollenallergy genes have been isolated from ragweed, there is no information about genes controlling the development of flowers and pollens. The identification of such genes will give further insight into flowering genetics. From a practical point of view here we are focusing to answer the question: inactivation of which genes would block reproduction in this species? Understanding the exact functional mechanism of those genes implies the possibility of the development of new protection technologies against this noxious plant and the allergy problem it is causing.
– What is the significance of your research? The common ragweed is a very aggressive invasive species, and it is the most widespread weed in the Carpathian-basin. With the global warming it is rapidly spreading in parts of the world. This species is the main cause of pollen allergy, in which around 20% of the population in the ragweed infected areas are suffering, and this number is steadily increasing. The protection technologies used to date seem to be insufficient to stop the spread of this species. We believe that to the development of new protection technologies a detailed understanding of molecular genetic nature of this species is required. To this end, recently we started a research program on ragweed, analyzing: population genetics, the molecular bases of herbicide resistances, we sequenced the chloroplast genome, and in a parallel program with the present project our purpose is the isolation and inactivation of Ambrosia pollen allergy genes and the modification of those allergy genes to so called allergoids, which are the effective components of new antiallergy medicines. In the present project reproduction related genes of A. artemisiifolia will be isolated and characterized. With this research program together with those mentioned above, our purpose is to create the scientific bases for further projects where new strategies can be developed to stop the spread of ragweed or of the pollen of it. It is also expected that our program will generate a model approach to develop technologies against invasive plant species as well against pollen allergy causing species.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A jelen kutatási programban a szaporodásbiológiával összefüggésbe hozható gének azonosítását, izolálását, illetve funkcionális vizsgálatát végeztük el az ürömlevelű parlagfűben. Összesen 54 különböző virágzás gént/géncsaládot és 296 allélt azonosítottunk. Izoláltuk az eddig nukleotid szinten nem ismert Amb a 3 pollen allergén kódoló szekvenciáját, és az összes ismert parlagfű pollen allergén géncsalád számos új tagját, valamint több, a fekete üröm ismert allergénjeivel nagyfokú hasonlóságot mutató allergént. A hím-, illetve a nővirág fejlődésének hét, illetve kilenc stádiumában gyűjtött mintán összesen nyolc virágzásgén és a legfőbb pollen allergén, az Amb a 1 kifejeződését vizsgáltuk.
A fentiek mellett izoláltuk a parlagfű, mint a legelterjedtebb gyomnövényünk összesen hét gyomirtószer célgénjét. E gének kódoló szekvenciájának ismerete hozzájárulhat a gyomirtószer rezisztencia korai detektálásához, és a megfelelő védekezési eljárás megválasztásához.
Izoláltuk továbbá az ürömlevelű parlagfű összes kloroplasztisz génjét, és rekonstruáltuk a kloroplasztisz genomot. A kloroplasztiszban számos, a növény számára létfontosságú gén, például a fotoszintézisben meghatározó gének működnek.
A jelen kutatás eredményei hozzájárulnak e váltivarú, egylaki, inváziós növény virágzásbiológiájának jobb megértéséhez, és az ellene, illetve a pollenje által kiváltott allergia elleni védekezési eljárások hosszabb távon történő fejlesztéséhez.
kutatási eredmények (angolul)
In the present study we performed the identification, isolation and functional analysis of reproduction related genes of the common ragweed. In total 54 different floral genes/gene families have been identified which represented 296 alleles. We isolated the coding sequence of te Amb a 3 pollen allergen for which up-to-now just a partial protein sequence was known. Further, numerous allergen alleles of known common ragweed allergen gene families have been identified, and also genes homologous with known Artemisia vulgaris allergens. Expression analysis of eight floral genes and of the major allergen Amb a 1 has been performed using seven and nine different developmental stages of the male and female flower, resp.
Moreover, in total seven different herbicide target genes of ragweed have been isolated, which is important, since the common ragweed is the most widespread weed in Hungary. The knowledge of these coding sequence can be utilized in the early detection/identification of herbicide resistance, hence the appropriate weed control management can be chosen.
We also isolated all genes of the chloroplast genome, and reconstructed the ragweed chloroplast DNA. In the chloroplast numerous important genes, like photosynthesis genes are localized.
Results of the present project contribute to the understanding of flowering biology of this monoecious invasive species, which has separate male and female flowers, and may contribute to the development of protection technologies of it.
Taller, J, KK Mátyás, E Nagy, E Farkas, B Kolics: Towards the isolation of floral and reproduction related genes of the common ragweed (Ambrosia artemisiifolia L.)., 3rd International Ragweed Conference, 03-04. April 2014, Rho, Italy, 2014
Kinga Klára Mátyás, Balázs Kolics, Adrienn Csép, Erzsébet Nagy, János Taller: Isolation and preliminary analysis of the variability of the ALS (Acetolactate synthase) gene from common ragweed (Ambrosia artemisiifolia L.)., 20th Youth Scientific Forum, 23-24. May 2014, University of Pannonia, Georgikon Faculty, Keszthely, Hungary, 2014
Eszter Virág, Endre Barta, Kincső Decsi, Eszter Farkas, Erzsébet Nagy, Kinga Klára Mátyás, Balázs Kolics, Barbara Kutasy, János Taller: De novo reconstruction of reproductive organ transcriptome of the common ragweed (Ambrosia artemisiifolia L.)., Frontiers in Plant Science (under review), 2016
János Taller, Kincső Decsi, Eszter Farkas, Erzsébet Nagy, Kinga Klára Mátyás, Balázs Kolics, Barbara Kutasy, Eszter Virág: Whole genomic transcriptome based identification of Amb a 3-like pollen allergen in common ragweed (Ambrosia artemisiifolia)., Journal of Botanical Sciences (under review), 2016
János Taller, Barbara Kutasy, Erzsébet Nagy, Kinga Klára Mátyás, Kincső Decsi, Eszter Farkas, Balázs Kolics, Eszter Virág: Whole genomic transcriptome based identification of herbicide target genes in the common ragweed (Ambrosia artemisiifolia L.)., Weed Science (under review), 2016
Nagy Erzsébet - Kutasy Barbara - Mátyás Kinga Klára - Decsi Kincső - Kolics Balázs - Virág Eszter - Taller János: A transzkriptomika hasznosítása a gyomkutatásban. Esettanulmány a legelterjedtebb gyomnövénnyel, az ürömlevelű parlagfűvel (Ambrosia artemisiifolia L.)., Magyar Gyomkutatás és Technológia (benyújtva), 2016
