Növényi stresszbiológia (Komplex Környezettudományi Kollégium)
20 %
zsűri
Növénytermesztés, állattenyésztés
Kutatóhely
Genetika és Biotechnológia Intézet (MATE) (Magyar Agrár- és Élettudományi Egyetem)
résztvevők
Cernák István Kolics-Horváth Éva Nagy Erzsébet Polgár Zsolt Solti Izabella
projekt kezdete
2020-08-01
projekt vége
2023-02-28
aktuális összeg (MFt)
2.912
FTE (kutatóév egyenérték)
1.35
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A jelen kutatási program célja következő generációs szekvenálási eljárással (NGS - next generation sequencing) létrehozott adatbázisokból PVY, PVX, PVS vírusrezisztencia, és fitoftóra rezisztencia gének azonosítása saját burgonya génbankunkban és iráni burgonya genotípusokban, majd a nemesítésben hasznosítható markerek fejlesztése. A projekt további célja, a kevesebb vízfelhasználás mellett gazdasági szempontból elfogadható termésmennyiség és minőség biztosításában szerepet játszó gének azonosítása, és a fő génekre, lókuszokra markerek fejlesztése a burgonyában. E tulajdonságot szárazságtűrésként értelmezzük a projektben. A markerfejlesztés, markerezési technológiafejlesztés során ún. target enrichment megközelítést alkalmazunk, mely lehetővé teszi, hogy aztán nagyszámú (akár több ezer) markert ugyanabban a szekvenálási (NGS) reakcióban detektáljunk. A vizsgálatokhoz a szükséges technológia (SmartChip, NextSeq) rendelkezésre áll.
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 burgonyatermesztés sikerességét számos kórokozó, kártevő és környezeti tényező befolyásolja, - mind a termésmennyiség, mind a minőség vonatkozásában. A kórokozókkal szemben vad burgonyafajokban különféle rezisztenciagének állnak rendelkezésre, melyek értékes forrásul szolgálnak ellenálló fajták nemesítéséhez. A legfontosabb élelmiszernövények közül egységnyi területről a burgonya adja a legnagyobb termésmennyiséget, azonban ez jelentős vízfelhasználással jár. A viszonylag szárazságtűrő genotípusok genomikai profiljának megismerése elősegítheti a vízhasznosításban meghatározó gének és genomi régiók beazonosítását. A vizsgált rezisztenciatulajdonságokkal, ill. vízhasznosító képességgel kapcsolatba hozható gének/lókuszok alapján fejlesztett nagyszámú marker egyetlen NGS szekvenálási reakcióval vizsgálható a nemesítési program során, ezért indokoltnak tartjuk az ez irányú feltáró kutatásokat és technológiafejlesztéseket. Megismerjük a burgonya egyes biotikus és abiotikus tényezőkkel szembeni stresszválaszában meghatározó géneket, genetikai folyamatokat, mely ismereteket a nemesítésben hasznosítható új, hatékony technológiává kívánunk fejleszteni.
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! Rezisztenciagének azonosítása, markerezése, illetve a növény által adott válasz transzkriptomikai megismerése bővítik a kórokozó-növény interakcióval kapcsolatos ismereteinket, melyek aztán közvetlenül hasznosíthatóak a burgonyanemesítésben. A jelen programban extrém rezisztenciagéneket vizsgálunk a PVY és PVX virussal szemben, valamint egy hiperszenzitív rezisztenciagént PVS vírusra. A fitoftóra extrém rezisztencia genetikai hátterét különböző vad burgonyafajokban vizsgáljuk. Az extrém rezisztencia során, noha a megfertőzött növény tünetmentes marad, és a kórokozó sem mutatható ki belőle, korábbi vizsgálataink azt mutatják, hogy széleskörű génexpressziós változások mehetnek végbe a genomban. Ezért fontos információkat várunk az egyes fertőzések hatására bekövetkező genomikai folyamatok megismerésétől, illetve az ugyanazon kórokozóra különböző, potenciális rezisztenciaforrásként számon tartott vad fajokban végbemenő stresszválasz megismerésétől. Ugyanígy, a növény eltérő fejlődési állapotaiban alkalmazott szárazságstressz termésmennyiségre és minőségre gyakorolt hatása genetikai hátterének vizsgálata fontos, és akár a nemesítés gyakorlatában is hasznosítható információkat várunk. A marker-alapú szelekciót jelenleg jellemzően csak egy vagy néhány génre alkalmazzák a különböző nemesítési programokban. A jelen projektben egy olyan eljárás kifejlesztését tervezzük, mellyel egyetlen NGS reakcióban akár gének/lókuszok ezreit is vizsgálni tudjuk, mely új perspektívákat nyithat meg burgonyanemesítésünk számára.
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 burgonya a harmadik legfontosabb élelmiszernövény a világban. Egységnyi területen a burgonya produkálja a legnagyobb termésmennyiséget a fontosabb élelmiszernövények közül. Ugyanakkor számos kórokozó, kártevő és környezeti tényező veszélyezteti a termésbiztonságot és minőséget. A termesztett burgonya széles rokoni körrel bír, mely vad fajokban gyakorlatilag minden jelentősebb kórokozóval szemben valamilyen szintű rezisztencia áll rendelkezésre. A projekt egyik célja e rezisztens növényekben a rezisztenciagének azonosítása, és ún. markerek fejlesztése, melyek segítségével a rezisztenciagének az utódpopulációkban egyszerűen és gyorsan kimutathatók. A projekt másik célja a szárazságtűrés genetikai hátterének megismerése és a szárazságtűrésben meghatározó génekre történő markerek fejlesztése. A projekt további célja a feltárt ismeretek alapján egy olyan marker-detektálási technológia kifejlesztése, mellyel a jelenleg általában alkalmazott egy vagy néhány markerrel szemben egyetlen reakcióban akár markerek ezreit is ki tudjuk mutatni. E technológia új dimenziókat nyitna meg burgonyanemesítésünk számára. A projektet a magyar és az iráni partnernél rendelkezésre álló lehetőségekre alapozzuk, a kutatásokat közösen hajtjuk végre, és az eredményeket kölcsönösen hasznosítjuk.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Purpose of the present project is the identification of PVY, PVX, PVS virus resistance genes and late blight resistance genes in our potato genebank and in genotypes of the Iranian partner. To this, a database will be created by next generation sequencing (NGS). To these traits molecular markers will be developed for utilization in potato resistance breeding. Further goal of the project is to identify genes which contribute to water use efficiency, in that sense that even at decreased water volume the yield quantity and quality will remain at economically acceptable level. This characteristic is termed here as drought tolerance. From the above markers by target enrichment a markering technology will be developed that allows the identification of large number (even thousands) of genes in a single NGS reaction.
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 success of potato production is influence by pathogens, pests and environmental factors. In wild potato species there are many different resistance genes which are valuable resources of breeding of resistant potato cultivars. From among the most important food plants potato is producing the highest yield per unit area, although this requires significant amount of water. Understandig the genomic profile of genotypes with good water use efficiency would facilitate the identification of genes and genomic regions which play a role in drought tolerance. The large number of markers developed from the sequences of the genes and loci of the analyzed resistances, as well as water use efficiency can be sequenced in a single NGS reaction during the breeding program, hence such kind of research and technology development is justified. In the presen project biotic and abiotic stress response processes in potato will be explored, control genes will be identified and a new, effective technology for selection of large number of markers will be developed.
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 identification and markering of resistance genes, as well as understanding by transcriptomic approach the stress response will contribute to our understanding on plant-pathogen interaction and can be directly utilized in potato breeding. In the present program extreme resistance genes to PVY and PVX viruses and a hypesensitive resistance gene to the PVS virus will be analyzed, as well as extreme resistance Phytophthora infestans in different wild potato species. In extrem resistance the infected plant remains symptomless, although are preliminary analyses indicate that genome wide changes may occur in gene expression. Hence, important information are expected from the understanding of stress responses to infections with the different pathogens, and from understanding resistance responses to the same pathogen in different resistant wild potato species. Similarly, understanding the effect of drought stress in different develmental stages of the plant in correlation wilth yield quatity and quality will serve information that can be utilized in potato breeding. Marker-assisted selection recently is generally applied for one or a few genes. In the present project a technology will be developed that allows the analysis of even thousands of markers in a single NGS reaction. This technology will facilitate the breeding of potato cultivars with complex resistances.
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. Potato is the third most important food crop in the world. From among the most important food plants potato is producing the highest yield per unit area. But yield safety and quality is endangered by different pathogens, pests and environmental factors. Different level resistances against pathogens are available in many wild potato species. One goal of the present project is to identify important resistance genes and to develop so called molecular markers for them, which could be used as simple and effective tools during the breeding processes. Another goal of the project is to explore the gentic background of drought tolerance in potato, and to develop markers for those genes and loci which play a role in water use efficiency. Further goal of the project is the development of a detection technology of large number of markers. The presently used technology use generally one or a few markers, although with a next generation sequencing based approach a technology for the detection of even thousands of molecular markers in a single reaction is possible. This technology, what we plan to develop in the present project will facilitate the breeding of resistant potato cultivars. The project will be realized in co-operation of the Hungarian and Iranian researchers and the results will be utilized mutually.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A burgonya a harmadik legfontosabb élelmiszernövény a világon, mely a trópusoktól egészen a sarkköri területekig termeszthető. Ugyanakkor, a burgonyatermesztés intenzív kémiai védekezést igényel. A burgonya számos kórokozójával szemben a leghatékonyabb és legolcsóbb védekezés a rezisztens fajták előállítása és termesztése. Gumóhozó vad burgonyafajokban számos gént írtak le, melyek keresztezéses úton beépíthetők a termesztett burgonyába. A jelen kutatási programban célunk a burgonya rezisztencianemesítés hatékonyságát jelentősen javító eszközök kifejlesztése, valamint ez idáig még nem izolált gének azonosítása volt. E célból elkészítettük a keszthelyi nemesítésű White Lady burgonyafajta haploid kromoszóma-felbontású teljes genomi szekvenciáját. E fajta egyrészt már izolált, illetve másrészt még nem izolált rezisztenciagéneket tartalmaz. Még nem izolált Solanum tuberosum subs. andigena és S. hougasii eredetű, a PVY vírussal szembeni extrém rezisztenciát biztosító gének izolálásának elősegítéséhez transzkriptom adatbázisokat hoztunk létre, valamint microarray technológiával hasadó populációkat jellemeztünk. Ugyanezen technológiákkal részben a White Lady genomban, valamint hasadó populációkon a burgonya másik veszélyes kórokozójával, a fitoftórával szembeni rezisztenciagéneket kerestünk. Emellett, transzkriptomikai eszközökkel vizsgáltuk a burgonya szárazság toleranciájának genetikai hátterét.
kutatási eredmények (angolul)
The potato is the world's third most important food crop, which can be grown from the tropics to the Arctic regions. At the same time, potato cultivation requires intensive chemical protection. The most effective and cheapest defence against the many pathogens of potatoes is the production and cultivation of resistant varieties. A number of genes have been described in tuber-bearing wild potato species, which can be introgressed into cultivated potatoes by crossing. In the present program, our goal was to identify genes that have not yet been isolated to improve the efficiency of potato resistance breeding and develop research tools for resistance breeding. For this purpose, we prepared the haplotype-resolved whole genome sequence of the White Lady potato variety bred in Keszthely. This variety contains both already-isolated and yet-to-be-isolated resistance genes. By transcriptomics and microarray analysis on genotypes and segregating populations not yet isolated PVY extreme resistance genes, originating from Solanum tuberosum subs. andigena, as well as from S. hougasii have been analyzed. Using the same technologies, we analyzed the genetic background of resistance against Phytophthora infestans, the other most dangerous pathogen of potatoes, partly in the White Lady genome and in segregating populations. Besides these, we investigated the genetic background of potato drought tolerance using transcriptomic tools.
Zein Alabidin Zaher Aldin: Analysis of resistance genes in the genome sequences of the potato cultivar White Lady, MATE digitális könyvtár, 2021
Zein Alabidin Zaher Aldin: Analysis of resistance genes in the genome sequences of the potato cultivar White Lady, MATE digitális könyvtár, MSc diploma dolgozat, 2021
Taller János, Frank Krisztián, Nagy Erzsébet, Mátyás Kinga, Solti Izabella, Wolf István, Polgár Zsolt: A White Lady burgonyafajta genom szekvenálása és az eredmények hasznosíthatósága a nemesítésben, XXVIII. Növénynemesítési Tudományos Napok konferencia összefoglalók 61. oldal ISBN 978-963-269-987-5, 2022
Frank Krisztián, Nagy Erzsébet, Mátyás Kinga, Solti Izabella, Gálik Bence, Wolf István, Polgár Zsolt, Taller János: A White Lady burgonyafajta kromoszóma-alapú genomszekvencia összeállítása, XXIX. Növénynemesítési Tudományos Napok konferencia összefoglalók, 2023
Siraj El-Masri: Genetic analysis of PVY resistance in potato, MATE, digitális könyvtár, MSc diploma dolgozat, 2023
