 |
Konzorcium, fő p.: Baktériumos hervadással szemben ellenálló burgonya előállítása fogékonysági gének mutációjával
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
132829 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Balázs Ervin |
| magyar cím |
Konzorcium, fő p.: Baktériumos hervadással szemben ellenálló burgonya előállítása fogékonysági gének mutációjával |
| Angol cím |
Consortional main: Exploring disease susceptibility genes to produce bacterium wilt-resistant potato (RESPOTA) |
| magyar kulcsszavak |
genomszerkesztés, CRISPR-Cas, Ralstonia solanacearum, betegség ellenálóság |
| angol kulcsszavak |
genome editing, CRISPR-Cas, Ralstonia solanacearum, disease resistance |
| megadott besorolás |
| Növényi biotechnológia (Komplex Környezettudományi Kollégium) | 80 % | | Növénykórtan, molekuláris növénykórtan (Komplex Környezettudományi Kollégium) | 10 % | | Növénynemesítés (Komplex Környezettudományi Kollégium) | 10 % |
|
| zsűri |
Növénytermesztés, állattenyésztés |
| Kutatóhely |
HUN-REN ATK Mezőgazdasági Intézet (HUN-REN Agrártudományi Kutatóközpont) |
| résztvevők |
Bozsó Zoltán
Éva Csaba
Gamarra Reinoso Liesel
Sági László
Szatmári Ágnes
Zainab Quddoos
|
| projekt kezdete |
2019-12-01 |
| projekt vége |
2023-11-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
32.041 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
11.88 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Célunk a burgonyának a Ralstonia solanaceraum baktériumos fertőzésre adott védekezési reakcióinak molekuláris szintű jellemzése, valamint az ellenállóság növelése a burgonya saját fogékonysági vagy S-génjeinek célzott mutagenezise révén.
A kutatás három pilléren nyugszik. Egyrészt előkísérleteinkben Ralstonia-val szemben már hatékonynak bizonyult S-gének rezisztencia mechanizmusát teszteljük. Másrészt modellnövényekben leírt fogékonysági gének (CLV, CRN és DMR6) burgonya ortológjait azonosítjuk és célzottan, pontosan mutáljuk, végül az így kapott vonalak rezisztenciáját és annak összetevőit értékeljük többek között átfogó transzkriptom elemzéssel.
Mindhárom megközelítés újszerűnek tekinthető a konkrét gazda-patogén kölcsönhatás viszonylatában, amelynek gazdasági súlya egyúttal a téma nemzetközi jelentőségét is fémjelzi. A kutatási konzorciumot alkotó partnerek szakértelme optimálisan kiegészíti egymásét a burgonya molekuláris biológiája, biotechnológiája és kórtana terén. A kutatásból legalább egy PhD értekezés születése várható, és a munkát a hazai burgonyanemesítés is figyelemmel kíséri.
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 projekt során a Ralstonia solanacearum baktérium evolúciós léptékkel nézve is komoly sikerének okaiba kívánunk betekinteni. Ez a kórokozó 54 botanikai családba tartozó 450 növényfajt képes fertőzni, hervadást és rothadást előidézve bennük, és a nemesítés – komoly erőfeszítések ellenére – mégis csak néhány mérsékelten rezisztens vagy toleráns fajtát tudott előállítani. Hipotézisünk szerint a baktérium erős virulenciáját a növényen belüli terjedésének sajátos módja adja. Ismert, hogy a gyökéren keresztül lép a talajból a növénybe, az azonban alig ismert, hogy miként kolonizálja a gazdanövényt?
Úgy véljük, hogy a kérdésre az egyik lehetséges magyarázat ott keresendő, hogy a baktérium számos növényi, ún. fogékonysági gén működését kihasználja a fertőzés és a növényen belüli szaporodása elősegítése céljából. Valóban, előkísérleteinkben megállapítottuk, hogy egy fogékonysági gén csendesítése a burgonyát ellenállóvá teszi a baktériummal szemben.
Előzetes eredményeinket olyan kísérletekkel kívánjuk megerősíteni és kiterjeszteni, amelyek során feltárjuk a bakteriális fertőzés és a fogékonysági gének kapcsolatát, valamint lehetséges fogékonysági géneket kikapcsolva igazoljuk azok szerepét a patogenezisben. Az eredmények remélhetőleg választ adnak az egyes géneknek a rezisztencianemesítésben történő hasznosíthatóságára, illetve feltárják a burgonya és a Ralstonia baktérium közti kölcsönhatás új részleteit.
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!
A Ralstonia solanacearum baktérium több fontos termesztett növényünket (pl. sárgadinnye, dohány, paradicsom, burgonya) is sikerrel fertőzi. Egész Európában, így Magyarországon is, karantén kórokozónak számít, ezért a fertőzött burgonya gumót meg kell semmisíteni. A baktérium széleskörű elterjedtsége nagyban hozzájárult a hazai vetőgumó-előállítás megszűnéséhez. Mivel hatékony vegyszeres védekezés nem ismert a patogén ellen, így a burgonyát elsősorban genetikai rezisztencia kialakításával lehet megvédeni. A bevonható természetes rezisztenciaforrások köre (pl. vad Solanum fajok) azonban korlátozott, és ez a megközelítés eddig nem hozott áttörést.
A genomszerkesztés mint irányított mutagenezis alkalmas új eszköz lehet a probléma kezelésére. Ehhez a baktérium által a fertőzés céljaira a burgonyában kihasznált ún. fogékonysági gének kiütését javasoljuk, aminek révén a gazdanövény rezisztenssé vagy toleránssá tehető a bakteriális fertőzéssel szemben. A kutatás során számos ilyen fogékonysági gént azonosítunk, és remélhetőleg újakat is felfedezünk, majd ezeket kiiktatva, ellenőrizzük a módosított növények betegség rezisztenciáját. Megközelítésünk előnye abból fakad, hogy összefogja az országban fellelhető tapasztalatot a burgonya biotechnológia és kórtana terén, különös tekintettel a bakteriális kórokozókra.
A Ralstonia baktériumra rezisztens vagy toleráns és idegen géntől mentes burgonya előállításának, valamint az idevezető alapkutatás társadalmi hasznosíthatósága és hasznossága aligha kérdőjelezhető meg. A rezisztencia hazai fajtákban történő kifejlesztése új lökést adhat a jelentős mértékben importfüggő burgonyaszektornak, és hozzájárulhat az ágazatban dolgozó gazdák és családjaik életminőségének javításához.
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.
Kutatásunk középpontjában a burgonya barna rothadás betegsége áll. Ez az 1990-es évek végén bekerült trópusi eredetű bakteriális kór ma már széles körben elterjedt az országban, és nagyban hozzájárult a hazai vetőburgonya-előállítás megszűnéséhez. Komoly károkat okoz azonban az élelmiszerburgonya termelésben is, mivel nincs ellene hatékony vegyszeres védekezés. A megoldás ezért a kórokozónak genetikailag ellenálló nemesített fajták előállítása lehet. Előzetes eredményeinken alapuló elgondolásunk szerint az ellenálló képesség kialakítható oly módon, hogy elrontjuk, kiiktatjuk a burgonya azon génjeit, amelyek felhasználhatók és szükségesek ahhoz, hogy a kórokozó bejuthasson a növénybe, majd ott elszaporodjon. Ezeknek az ún. fogékonysági géneknek az azonosításával, majd az azokban előállított mutációkat hordozó növények mesterséges fertőzésével kívánjuk megállapítani, hogy ilyen módon eljuthatunk-e a kívánt ellenállóságig vagy tűrőképességig? A cél érdekében számos feltételezhető fogékonysági gént tesztelünk, és továbbiakat is megkísérlünk felfedezni, amihez a legújabb, genomszerkesztésen alapuló és célzott mutációkat eredményező módszereket is bevetjük. Természetesen arra is hangsúlyt fektetünk, hogy az előállított mutációk olyan minimálisak, pontszerűek legyenek, hogy az elérendő rezisztencián felül ne jelentsenek hátrányt, pl. terméscsökkenést, a burgonya növény számára.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Our aim is to characterise defence responses of potato to bacterial infection by Ralstonia solanacearum (Rs) at the molecular level and to test whether its resistance can be improved by knock-outs of host susceptibility genes via precision mutagenesis.
The approach is three-pronged. First, resistance mechanisms are tested of S-genes that were found effective against Rs in preliminary experiments. In the second part, potato orthologues of susceptibility genes (CLV, CRN and DMR6) from model plants are identified and knocked out by targeted mutagenesis in order to test the resistance of the obtained lines to Rs and finally identify the components of this resistance by – among others – deep transcriptom analysis.
All three approaches can be considered novel in the context of the actual host-pathogen interaction; the economic weight of this challenge also indicates its international importance. The expertise of the partners in the research consortium is complementary in the fields of potato molecular biology, biotechnology, and pathology. A PhD thesis is expected to derive from this research, which is closely followed by the domestic potato sector.
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.
We would like to gain insight into the reasons for the remarkable success of the Ralstonia solanacearum (Rs) bacterium. This pathogen infects 450 plant species in 54 botanical families causing wilt and rot in them; despite considerable efforts only a handful of tolerant or moderately resistant cultivars were introduced so far. We think that the strong virulence of Rs may be associated with its particular mode of in planta invasion. It is known to enter plants via the roots, however, it is hardly known how does it colonise the host?
We hypothesise that one potential explanation may be related to the bacterium’s ability to make use of the expression of so-called susceptibility genes in host plants in order to facilitate the infection and its intra-vascular multiplication. Indeed, our preliminary experiments revealed that silencing a susceptibilty gene makes potato resistant to Ralstonia.
We wish to strengthen and extend this observation with further experiments, including the first RNA-seq analysis of Rs-infected potato. By knocking-out more potential susceptibility genes their role in Rs pathogenesis will also be tested. The obtained results will presumably clarify the potential use of these genes in resistance breeding and provide new details over the interaction between potato and the Rs bacterium.
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 Ralstonia solanacearum (Rs) bacterium infects several crop plants like melon, tobacco, tomato and potato. It is a quarantine pathogen in Europe, therefore infected tubers have to be destroyed. The widespread distribution of the bacterium in Hungary played a significant role in the disappearance of domestic seed potato production. Since no effective bactericide treatment is available, the primary option left to protect potato is genetically enhanced resistance. However, the scope of resistance sources (e.g. wild Solanum species) is limited, and this approach has not yet delivered a breakthrough.
Genome editing as directed mutagenesis may represent a suitable new tool to cope with this challenge. We propose here the knockout of susceptibility genes in potato, which are exploited by Rs for infection, in order to render the host resistant or tolerant to this pathogen. We intend to identify several susceptibility genes in our experiments, and expect to discover new candidates as well. After knocking these genes out, the obtained plants will be tested for disease resistance. A comparative advantage of our approach is that it combines the country’s best expertise in the fields of potato biotechnology and pathology, with special emphasis on bacterial pathogens.
The social usefulness and utility of Rs-resistant or -tolerant and transgene-free potato and of research underlying this product can hardly be questioned. The development of Rs-resistance in domestic cultivars may give a new push to the potato sector that is significantly import-dependent at present. Such an innovation would also contribute to the improved living standard of potato farmers and their families.
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.
Our research is focused on potato brown rot disease in Hungary. This bacterial infection of tropical origin entered the country in the late 1990s and became so widespread that it has contributed considerably to the disappearance of domestic seed potato production. However, it also causes serious damage to food potato production due to the lack of effective chemical control. The solution would therefore be the breeding of improved varieties that are genetically resistant to the pathogen. Based on our preliminary results, in our view the resistance can be provided by destroying or modifying potato genes that are exploited by the pathogen and are necessary for its entrance and subsequent proliferation within the plants. Artificial infection of plants carrying point mutations in these so-called susceptibility genes should determine whether the desired resistance or tolerance can be achieved this way. To this end, numerous potential susceptibility genes will be tested. We also attempt to discover novel genes exploited by the bacterium by applying the latest genome editing and precision mutagenesis techniques. Obviously, emphasis will also be placed on generating minimal and punctual mutations resulting in increased resistance without causing disadvantages like yield penalty.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
