Biotikus stresszrezisztencia vizsgálata génexpressziós megközelítéssel burgonyában.  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
109063
típus PD
Vezető kutató Cernák István
magyar cím Biotikus stresszrezisztencia vizsgálata génexpressziós megközelítéssel burgonyában.
Angol cím Investigation of biotic stress resistance by gene expression methods in potato.
magyar kulcsszavak burgonya, biotikus stresszrezisztencia, transzkriptóm analízis, burgonyavész, burgonya Y vírus, génexpresszió
angol kulcsszavak potato, biotic stress resistance, tarnscriptom analysis, late blight, potato virus Y, gene expression
megadott besorolás
Növénynemesítés (Komplex Környezettudományi Kollégium)100 %
zsűri Növénytermesztés, állattenyésztés
Kutatóhely Agrártudományi Kutatóközpont Burgonyakutatási Központ (Pannon Egyetem)
projekt kezdete 2014-01-01
projekt vége 2016-12-31
aktuális összeg (MFt) 9.000
FTE (kutatóév egyenérték) 3.00
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A burgonyatermesztésben a legnagyobb károkat, a burgonyavész (fitoftóra) és a burgonya Y vírus (PVY) okozzák. Mivel a hagyományos növényvédelmi módszerekkel szemben számos környezetvédelmi, ökonómiai probléma merül fel, a modern védekezés alapja a rezisztens fajták előállítása és használata. A kórokozókkal szemben összetett rezisztenciát hordozó új fajták előállítása azonban komplex nemesítői feladat. A sikerhez a hagyományos nemesítési módszereket célszerű a modern molekuláris genetikai eljárásokkal kombinálni. Ehhez elengedhetetlen a növényben végbemenő rezisztenciához kapcsolt életfolyamatok genetikai hátterének megismerése.
A jelen kutatási programban teljes transzkriptóm (TC) analízissel kívánjuk a rezisztencia folyamatokban részt vevő géneket azonosítani, különös tekintettel a keszthelyi nemesítési alapanyagokban jelen lévő PVY extrém rezisztenciát biztosító Rysto és a fitoftóra rezisztenciáért felelős R5 génekre. Munkánk során vizsgáljuk a PVY és fitoftóra fertőzésre bekövetkező expressziós változásokat az intézetünkben nemesített White Lady burgonya fajtában, kontroll, nem fertőzött növényhez viszonyítva. Az expressziós változást mutató szekvenciákat bioinformatikai módszerekkel elemezzük (homológia keresés, a rezisztencia génekre jellemző NBS, LRR motívumok azonosítása), így kiválasztva a rezisztencia válasz szempontjából releváns génjelölteket. A génjelölteket cDNS klóntárból izoláljuk, és tranziensen expresszáltatjuk dohányban, illetve burgonyában, vizsgálva a gén valós funkcióját. Reményeink szerint sikerül izolálnunk a Rysto és R5 rezisztencia géneket, valamint azonosítani tudunk egyéb, a fertőzésekre adott válaszreakcióban szerepet játszó géneket is.

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 keszthelyi Burgonyakutatási Központban több mint ötven éve folyó a világon egyedülálló rezisztencia nemesítés program eredményeként, mára számos komplex rezisztenciával rendelkező burgonya fajtát állítottak elő. Ezek közül is az egyik legkiválóbb fajta a White Lady (WL) amely egyéb rezisztencia tulajdonságai mellett, extrém rezisztenciával rendelkezik a burgonya Y vírussal szemben, és rezisztenciát mutat a fitoftóra számos izolátumával szemben is. Ezen kiváló genetikai tulajdonságai alapján a fajta anyai partnerként, a keszthelyi nemesítési programban kulcsszerepet játszik. Jelen kutatási programban jellemezni kívánjuk a PVY és fitoftóra fertőzés hatására a rezisztens burgonyafajtában bekövetkező molekuláris genetikai, génexpressziós változásokat. További célunk, hogy izoláljuk és funkcionálisan elemezzük a rezisztencia válaszban szerepet játszó géneket, különös tekintettel a keszthelyi nemesítési alapanyagokban jelen lévő Rysto és R5 rezisztencia génekre. A kutatás alapkérdése tehát: megismerni a rezisztenciáért felelős ismert és még ismeretlen gének kifejeződésének változását az említett kórokozók fertőzésének hatására a burgonyában. Célunk megismerni milyen szerepet játszanak ezek a gének a rezisztencia válasz kialakulásában, és milyen élettani folyamatokat szabályoznak annak érdekében, hogy meggátolják a kórokozók terjedését.

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 jelen kutatási program eredményeként reményeink szerint új információkat kapunk a burgonya PVY és fitoftóra fertőzésekre adott válaszának genetikai hátteréről. Képet kapunk arról, hogy a növény-patogén kapcsolat során milyen gének lépnek működésbe, melyek eredménye a rezisztencia kialakulása. Noha az itt felvázolt kutatási program alapkutatás jellegű, a kapott eredményeket közvetlenül is alkalmazhatjuk az keszthelyi Burgonyakutatási Központban folyó hagyományos rezisztencia nemesítési programban. A rezisztencia gének meghatározásával azok nyomon követése hatékonyabbá tehető a nemesítés folyamata során, rövidítve ezzel a fajta előállításra fordított időt. Ennek hatására fenntartható, sőt növelhető a hazai burgonyanemesítés nemzetközi versenyképessége. A rezisztens fajták használata ugyanakkor csökkenti a növényvédőszer-felhasználást, és a környezeti terhelést, javítja az élelmiszerbiztonságot, s így hozzájár a fenntartható fejlődéshez. Az adott tulajdonságokat meghatározó gének ismerete lehetőséget ad olyan innovatív DNS alapú diagnosztai eljárások kidolgozására, amelyek egyszerre akár több tulajdonság egyidejű szelekcióját (akár multiplex PCR eljárásokkal) is lehetővé teszik. A gének izolálásával lehetővé válik egyrészt, az alapkutatási jelentőséggel bíró rezisztencia mechanizmusok tanulmányozása, másrészt – genetikai módosítással – a kórokozókkal szemben rezisztens fajták gyors és célzott előállítása. Mindemellett a gének izolálása nagyszerű tudományos teljesítmény is lehet, hiszen máig, noha több nemzetközi kutatócsoport is dolgozik rajta, nem sikerült sem a PVY-al szemben extrém rezisztenciát biztosító Rysto gént, sem pedig a fitoftóra rezisztenciát szabályozó R5 gént izolálni.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A burgonyatermesztésben a legnagyobb gazdasági kárt a burgonyavész (fitoftóra) és a burgonya Y vírus okozza. A burgonyavész elleni kémiai növényvédelemmel szemben számos környezetvédelmi aggály és ökonómiai probléma merül fel. A vírusok kártételével szemben valóban hatékony agrotechnikai módszerekkel pedig nem rendelkezünk. Ezért a korszerű védekezés alapja kétségkívül a betegségeknek ellenálló, rezisztens fajták előállítása és használata. A kórokozókkal szemben összetett rezisztenciát hordozó új fajták kinemesítése azonban rendkívül összetett, hosszú időt igénylő feladat. A sikerhez a hagyományos nemesítési módszereket célszerű a modern molekuláris genetikai eljárásokkal kombinálva együttesen alkalmazni. Ehhez elengedhetetlen a növényben végbemenő rezisztenciához kapcsolt életfolyamatok genetikai hátterének megismerése.
A fertőzés hatására számos változás következik be a növény életfolyamataiban, és az azokat szabályozó gének működésében. Egyes gének működésbe lépnek, mások elhallgatnak, vagy megváltozik az aktivitásuk. E komplex változások molekuláris mechanizmusának megismerése nemcsak tudományos, hanem gazdasági szempontból is fontos. Jelen kutatási programban egy újszerű technikát az ún. transzkriptóm analízist alkalmazva a fertőzések hatására a gének működésében bekövetkező változásokat szeretnénk azonosítani, jellemezni. Munkánkban felhasználjuk a legújabb bioinformatikai ismereteket, elemzési módszereket, s reményeink szerint ezzel a megközelítéssel sikerül azonosítanunk és izolálnunk a keszthelyi nemesítési programban kiemelt fontos szerepet játszó Y vírus és fitoftóra rezisztencia géneket, valamint más a rezisztens válaszreakcióban szerepet játszó géneket is.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Most damages in the potato production are caused by potato virus Y (PVY) and late blight (Phytophthora infestans (Mont.) de Bary). Nowadays there are number of economic and environmental protection arguments against traditional, chemical plant protection. The base of modern plant protection is the breeding and utilisation of new resistant varieties to biotic and abiotic stresses. However to develop new resistant cultivars an intensive, time-consuming breeding process is needed. For the success conventional breeding methods should be combined with molecular genetic techniques. For integration them it is essential to know the genetic basis of resistance to biotic stress.
The aims of the present research are to study the genetic mechanism of resistance response of potato to PVY and late blight infections by ‘total’ transcriptom analysis. Our major aim is to understand the function of genes involved in resistance mechanisms, and to isolate genes Rysto and R5 causing extreme resistance to PVY and resistance to late blight in potato varieties of Keszthely. In this research project we would like to investigate the expression changes under PVY and late blight infection in the potato variety White Lady. The sequences showing expression changes will be analysed with bioinformatic methods to identify the candidate genes playing important role in the resistance mechanism. The candidate genes will be isolated from a cDNA library, and their function will be investigated by transient expression also in tobacco and potato. The outcome of the successful project would be the isolated resistance genes of R5 and Rysto, and identification of other genes involved in the resistance response.

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 Potato Research Centre at Keszthely runs a unique resistance breeding program for more than fifty years. As a result of this work, currently eleven varieties with complex resistance have been developed. From these varieties White Lady (WL) is one of the most important because of its high tolerance against various races of late blight and its extreme resistance against PVY. Because of its genetic characteristics it plays an important role in the resistance breeding program of the Centre. In the present project our aim is to characterize the gene expression changes in resistant potato cultivar WL triggered by PVY and late blight infection. Our additional goals are to isolate and to functionally analyze genes involved in the resistance response regarding resistance genes Rysto and R5 which are present in the Keszthely breeding material. The main research question is: which of the genes’ expression changes during the resistance reaction after the infection by PVY and late blight in WL? Our goal is to recognize and to explain the role of different genes in resistance response of potato in order to prevent the damage caused by these pathogens.

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.

In this research program, we hope that new information will be obtained about the genetic background of late blight and PVY resistance in potato. We hope that we will be able identify which genes are triggered, leading to the manifestation of resistance, in the plant-pathogen relationship. Although this research program belongs to basic research, the obtained results can be used directly in the traditional resistance breeding program running at Potato Research Centre, Keszthely. With the determination of resistance genes the efficiency of the breeding process can be improved and the time to develop a new cultivar can be decreased. We hope that the international competitiveness of the Hungarian potato breeding programme can be increased by our obtained results. By using of resistant varieties, the amount of used pesticide can be reduced contributing to sustainable development. The identification of different genes playing role in resistance mechanisms allows us to develop innovative DNA-based diagnostics methods to select single or multiple traits at the same time (multiplex PCR techniques). The isolation of genes allows us to study the resistance mechanisms, that has importance for basic research and on the other hand – with genetic modification – the production of new resistant varieties can be quicker and targeted. However, the isolation of targeted genes can also have a great importance, since neither Rysto providing extreme resistance to PVY nor R5 gene regulating late blight resistance has not been isolated so far.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Most significant damages in the potato production are caused by potato virus Y (PVY) and late blight (Phytophthora infestans (Mont.) de Bary). Nowadays there are number of economic and environmental arguments against traditional chemical plant protection practices preventing the damage of late blight, while there are no reliable agrotechnical methods against PVY infection. For this reason, the basis of modern plant protection is the development and use of new varieties bearing complex resistance. However the breeding of new resistant cultivars is a difficult, expensive and very much time-consuming process. For the success, conventional breeding methods should be combined with molecular genetic techniques. For this reason the understanding of resistance-related physiological processes and the recognition of their genetic mechanisms in the plants is essential.
Number of changes occurs in the physiological processes of plants, and the expressions of some of the genes regulating those are changed due to the effect of infection by the pathogen. Some genes will be turned on, while others off or their activity will be increased or decreased. The aim of the present research is to study the resistance response of potato to PVY and late blight infections with the novel and versatile technique called ‘total’ transcriptom (TC) analysis. To reach our aims state-of-art bioinformatic and novel molecular genetic methods will be used. We hope that by this approach we will be able to identify and isolate genes particularly playing important role in potato virus Y and late blight resistance as well as other genes involved in resistance response.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A burgonyatermesztésben a legnagyobb károkat, a burgonyavész (fitoftóra) és a burgonya Y vírus (PVY) okozzák. A modern védekezés alapja a rezisztens fajták előállítása és használata, amely azonban egy komplex nemesítői feladat, így a sikerhez a hagyományos nemesítési módszereket célszerű modern molekuláris genetikai eljárásokkal kombinálni. Ehhez elengedhetetlen a növényben végbemenő rezisztenciához kapcsolt életfolyamatok genetikai hátterének megismerése. Ezért a jelen kutatási programban az volt a célunk, hogy teljes transzkriptóm (TC) analízissel azonosítsuk a rezisztencia folyamatokban részt vevő géneket, különös tekintettel a keszthelyi nemesítési alapanyagokban jelen lévő PVY extrém rezisztenciát biztosító Rysto és a fitoftóra rezisztenciáért felelős R5 génekre. Munkánk során vizsgáltuk a PVY és fitoftóra fertőzésre bekövetkező expressziós változásokat a White Lady burgonya fajtában, kontroll, nem fertőzött növényhez viszonyítva. Az expressziós változást mutató szekvenciákat bioinformatikai módszerekkel elemeztük, így kiválasztva a rezisztencia válasz szempontjából releváns génjelölteket. A meghatározott szekvenciákra primereket terveztünk, majd vizsgáltuk azok kapcsoltságát a rezisztencia génekkel. A génnel szorosan kapcsolt markerek szelekciós alkalmazhatóságát is vizsgáltuk különböző keresztezési kombinációkba. Mindezek mellett qPCR-el meghatároztunk a fioftóra elleni rassz specifikus rezisztenciába szerepet játszó géneket is.
kutatási eredmények (angolul)
Most damages in the potato production are caused by potato virus Y (PVY) and late blight. The base of modern plant protection is the breeding and utilisation of new resistant varieties. However to develop new resistant cultivars a time-consuming breeding process is needed. For the success conventional breeding methods should be combined with molecular genetic techniques. For integration them it is essential to know the genetic basis of resistance to biotic stress. The aims of this research are to study the genetic mechanism of resistance response of potato to PVY and late blight infections by ‘total’ transcriptom analysis. Our major aim is to investigate of genes involved in resistance mechanisms particularly genes Rysto and R5 causing extreme resistance to PVY and resistance to late blight in potato varieties of Keszthely. In this research project expression changes under PVY and late blight infection in the potato variety White Lady were investigated. The sequences showing expression changes were analysed with bioinformatic methods to identify the candidate genes playing important role in the resistance mechanism. Primers were design to amplify these sequences and their linkage was determined with the resistance gene. Applicability of linked markers for selection also was investigated in different cross combination. Additionally some genes playing role in the race specific late blight resistance were determined using qPCR.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109063
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Zsolt Polgár, Hajianfar Ramin, István Wolf, András Takács, István Cernák, János Taller: Complexity of late blight resistance in potato and its potential in cultivar improvement, Acta Phytopathologica et Entomologica Hungarica 49 (2) 141-162 DOI: 10.1556/APHYT.49.2014.2.2, 2014
Ramin Hajianfar, János Taller, Zsolt Polgár, István Wolf, István Cernák, Rahim Ahmadvand, Ahmad Mosapour Gorji: Expressional analysis of phytophthora infestans induced resistance response genes in potato, EAPR Conference, Brussels, 2014 DOI: 10.13140/2.1.4119.5520, 2014
R. Hajianfar, B. Kolics, I. Cernák, I. Wolf, Zs. Polgár, J. Taller: Expression of biotic stress response genes to Phytophthora infestans inoculation in White lady, a potato cultivar with race-specific resistance to late blight., Physiological and Molecular Plant Pathology 93:22--28, 2016
Cernák I., Baráth Sz., Kollarics M., Wolf I., Taller J., Polgár Zs.: Development of multiplex PCR methods for simultaneous selection of some resistance genes in potato., Pannon Plant Biotechnology Association Conference "Integration fundamental research into the practical agriculture Progress and Perspectives", 2015
Cernák I, Hajianfar R, Trognitz F, Toronitz B, Prakash C, Bánfalvi Zs, Taller J, Polgár Zs: Solanum stoloniferum eredetű burgonya Y vírus extrém rezisztenci gén (Rysto) in silico analízise új generációs szekvenálási adatok felhasználásával, XX. Növénynemesítési Tudományos Nap, "Növénynemesítés a megújuló mezőgazdaságban", 2014
Cernák István, Baráth Szilveszter, Polgár Zsolt, Wolf István, Kollaricsné Horváth Margit, Taller János: A burgonya biotikus stress-rezisztenciakutatásának legújabb eredményei., XXII. Növénynemesítési Tudományos Napok, Budapest, Összefoglalók, 2016




vissza »