Projekti / Programi
Vpliv socialnega in genetskega prepoznavanja sorodnikov na interakcije bakterij B. subtilis
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.06.04 |
Biotehnika |
Biotehnologija |
Mikrobna biotehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T490 |
Tehnološke vede |
Biotehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.08 |
Tehniške in tehnološke vede |
Okoljska biotehnologija |
sorodstvena diskriminacija, rojenje, Bacillus subtilis, Ralstonia solanacearum, biozaščita rastlin
Raziskovalci (18)
Organizacije (2)
Povzetek
Znanstvena izhodišča: Nedavno smo objavili raziskavo, v kateri smo odkrili sposobnost sorodstvenega prepoznavanja bakterije Bacillus subtlis med rojenjem, kjer smo med naravnimi izolati prvič pokazali obstoj sorodstvenih (kin) skupin. Roji visokosorodnih sevov (kin sevov) se med rojenjem združijo, medtem ko se med roji manj sorodnih (non-kin) sevov na stični točki pojavi vidna mejna linija. Združitev rojev smo opazili samo med najbolj sorodnimi sevi. Podobno so kin sevi na površini korenin tvorili mešane biofilme, medtem ko je ob inokulaciji korenine z mešanico non-kin sevov v biofilmu prevladal samo en sev, kar kaže na antagonistično razmerje med non-kin sevi. Opis problema: Predlagani projekt se bo osredotočil na proučevanje ekološke in evolucijske vloge sorodstvene diskriminacije talne bakterije B. subtilis. Ta mikroorganizem je industrijsko in kmetijsko zelo pomemben, saj je v uporabi kot biognojilo za spodbujanje donosa pridelkov in bio zaščito kmetijskih rastlin pred patogeni. Nove smernice za razvoj biognojil vodijo v razvoj mešanic različnih bakterijskih sevov. Ni znano, ali bo antagonistično obnašanje med non-kin sevi B. subtilis na koreninah vplivalo na zdravje rastlin, ali bo to vedenje zaščitilo rastlino pred patogeni? Cilji raziskave: Namen projekta je ugotoviti odnos med sorodstveno diskriminacijo in teritorialnostjo, horizontalnim genskim prenosom in funkcijami ekosistema – to je bio kontrolno aktivnostjo B. subtilis. Določili bomo vzpodbujevalne lastnosti sevov B. subtilis na rast rastlin in njihovo bio kontrolno aktivnost. Sestavili bomo mešanice kin in non-kin sevov, ki jih bomo testirali na rastlinah za njihov biokontrolni potencial. Izvedli bomo primerjalno genomiko sevov B. subtilis s poudarkom na tem, kako porazdelitev antagonističnih lokusov sovpada s filogenetsko razdaljo, sorodstvenimi skupinami in ferotipi. Izvirnost rezultatov: Glede na to, da antagonistične interakcije med non-kin sevi B. subtilis vključujejo izločanje protimikrobnih spojin, pričakujemo, da ta interakcija ščiti rastlino pred vdorom patogenov zaradi prisotnosti protimikrobnih snovi. Mehanizem zaščitniškega delovanja bakterije B. subtilis je lahko tudi tekmovanje z ostalimi bakterijami za kolonizacijo površine korenin. Ta vprašanja še niso bila raziskovana v povezavi s sorodstveno diskriminacijo in so zato nova. Rezultati dajejo poleg boljšega razumevanja temeljnih zakonitosti sorodstvene diskriminacije tudi biotehnološki potencial za razvoj bakterijskih pripravkov za pospeševanje rasti in zaščito rastlin. Metode: Projektni skupini so na razpolago sevi dveh okoljskih zbirk B.subtilis, in sicer talni in rizosferni izolati. Pripravili bomo številne fluorescentno označene seve, s pomočjo katerih bomo opazovali nastanek biofilma, rojenje in kolonizacijo korenin s fluorescenčno mikroskopijo. Izvedli bomo bioinformacijsko nalizo genomov in ovrednotili metodo MLST. Analizirali bomo izražanje ključnih genov, ki sodelujejo v rastlinski obrambi, ki izhajajo iz interakcije z različnimi kombinacijami Bacillus sevov. Potencial in relevantnost rezultatov: Le nekaj mikrobnih vrst je sposobnih sorodstvene diskriminacije in naša skupina je bila prva na svetu, ki je omenjen fenomen odkrila pri bakteriji B. subtilis. Predlagani projekt predstavlja izviren pristop, znanje, ki ga bomo pridobili, pa bo omogočalo 1) razvoj novih metod za spremljanje sorodstvene diskriminacije s fluorescenčnim mikročitalcem, fluorescenčnim stereomikroskopom in uporabo fluorescenčno označenih sevov; 2) globlje razumevanje mehanizmov, ki so odgovorni za kin in non-kin izmenjavo DNK in vpliv tega pojava na ekologijo, socialnost in evolucijo te vrste; 3) izboljšanje razumevanja medvrstnih interakcij v kontekstu spodbujanja rasti rastlin in/ali biokontrolne aktivnosti. Ker bodo rezultati izvirni in zanimivi za širšo znanstveno skupnost, bomo objavili svoje raziskave v najuglednejših znanstvenih revijah.
Pomen za razvoj znanosti
Projekt je zasnovan na izjemnem in nedavnem odkritju sorodstvene diskriminacije in večletnih raziskavah ekologije socialnih odnosov bakterije Bacillus subtilis, ki je že desetletja odličen modelni organizem za bazične raziskave biofilmov, horizontalnega prenosa genov, rojenja, sporulacije in je tako širše zanimiv. Nadalje je talna in na rastlino vezana bakterija B. subtilis koristna za zdravje rastlin. Predlagana raziskava je vezana na interakcije B. subtilis z rastlino in z rastlinskim patogenom Ralstonia solanacearum. Projekt povezuje ekološke in molekularne pristope, kar je inovativno in obljublja številna nova in pomembna odkritja. Projekt temelji na petih zanimivih znanstvenih hipotezah, ki naslavljajo evolucijski pomen sorodstvene diskriminacije, vpliv le-te na horizontalni prenos genov in na teritorialnost bakterij. Hipoteze so splošno zanimive, a še niso bile preverjane v kontekstu sorodstvene diskriminacije bakterij. Na primer, v literature ne obstajajo dokazi o tem, da sorodstvena diskriminacija ščiti evolucijsko stabilnost kooperativnih lastnosti in ta projekt vključuje preverjanje ravno te izjemno zanimive in pomembne hipoteze. Raziskave s področja socialnosti bakterij so že prinesle izjemne objave v revijah s faktorjem vpliva nad 9 (PNAS, Current Biology) in ker predlagani projekt temelji na teh izkušanjah, a tudi prinaša povsem nova vprašanja vezana na socialnost, genomiko, evolucijo bakterij in zaščito rastlin, verjamemo, da bo tudi ta projekt prinesel nova znanja in objave v najbolj prestižnih revijah ter vabljena predavanja na tujih univerzah/kongresih. V tem projektu smo šli še korak dlje kot do sedaj in poleg bakterij kot modelnih organizmov vključili tudi kmetijsko pomembne rastline (paradižnik, tobak, krompir) pri čemer smo zagotovili kvalitetno izvedbo z vključitvijo partnerske organizacije NIB. Prof Ravnikar in prof. Grudnova (ki je tudi Zoisova nagrajenka) sta mednarodno priznani strokovnjakinji na področju varstva rastlin z dopolnjujočimi ekspertzami. Prof. Ravnikarjeva je tudi vodja izjemno uspešnega Oddelka za biotehnologijo in sistemsko biologijo rastlin, članica številnih znanstvenih združenj in mednarodnih komisij in ima izjemne izkušnje v sodelovanju z industrijo in tujimi inštitucijami. Na strani BF pa sodelujejo prof. Mandič-Mulec - mednarodno priznana strokovnjakinja na področju socialnih interakcij in ekologije bakterije Bacillus in mlajši nadajeni eksperti s področja mikrobiologije. Združevanje dveh izjemno uspešnih skupin (na BF in NIB) daje predlaganemu projektu novo dimenzijo in bo zagotovo povečalo tako znanstveni kot aplikativni pomen predlaganih raziskav za znanost in stroko na področju mikrobiologije in varstva rastlin. Projekt bo dal številne skupne publikacije (vsaj 5) v revijah z visokim faktorjem vpliva, kar bo dvignilo mednarodno prepoznavnost vključenih raziskovalnih skupin in bo pomembna vzpodbuda za kariero mlade, nadarjene znanstvenice in predlagane vodje projekta dr. P. Štefanič.
Pomen za razvoj Slovenije
Zdrava hrana v zdravem okolju je ena ključnih prioritet inovativne strategije in pametne specializacije Republike Slovenije in tudi prioritet v EU. Predlagani projekt naslavlja temeljna vprašanja in ponuja rešitve za zaščito rastlin in pospeševanje njihove rasti s sonaravnimi prijemi. Danes ne moremo mimo dejstva, da je zdravje rastlin in okolja tesno povezano z mikroorganizmi. A v zadnjih desetletjih so okolje in kmetijske obdelovalne površine kot osnovno sredstvo za primarno proizvodnjo obremenjene z intenzivno uporabo kemikalij v obliki kemične zaščite rastlin in industrijskih gnojil, s tem pa se niža kakovost obdelovalnih površin ter siromaši bakterijska mikroflora, ki je za tla bistvenega pomena. V veliki meri se je zmanjšala količina mikroorganizmov, ki ščitijo zdravje in pospešujejo rast rastlin. Predlagani projekt, naslavlja interakcije bakterij, ki živijo na rastlini in v tleh ter ščitijo rastlino pred škodljivci. V projektu bomo znanja o interakcijah teh bakterij iz rodu Bacillus uporabili za razvoj inovativnih mešanic bakterij oz. bio-inokulantov nove genracije, ki bodo ključni za vzpostavitev višje stopnje ekološkega kmetijstva. Menimo, da bodo znanja in pripravki dobrih bakterij, ki jih bomo razvijali v okviru projekta, dolgoročno pomembno prispevali k zmanjšanju uporabe gnojil in kemičnih pesticidov v kmetijstvu in da imajo takšne raziskave tudi pomemben tržni potencial in zato neposreden družbeni pomen. Z razvojem bioloških pripravkov iz bakterij se ukvarjajo številna podjetja – nrp. Bayer Crop Science, AgroGreen, Novozyme, Arysta, Life Science, DuPont, Makhteshim Agan in drugi. Tržni delež bakterijskih pripravkov za varstvo rastlin je še vedno ~ 2% celokupne tržne vrednosti industrije kemičnih pesticidov. Ocena vrednosti bio pripravkov je bila leta 2006 ocenjena na $109 miljonov. Predvidevajo, da bo vrednost kmetijskih inokulantov, ki bazirajo na bakterijah vredna 437 miljonov USD leta 2020. Še vedno pa je veliko prostora/možnosti za vzpostavitev novih “Start up” podjetij, ki bi se usmerila v razvoj/pripravo/prodajo bakterijskih pripravkov za zdravje in rast rastlin in s tem tudi za potencialno komercialno uporabnost odkritij predlaganega projekta. Izpostavili bi, da so predlagane raziskave usmerjene tudi v iskanje rešitev za zatiranje nevarne bakterije Ralstonia solanacearum, ki je velik problem v kmetijstvu, saj okužuje 250 različnih rastlinskih vrst in 50 rastlinskih družin. R. solanacearum je med najbolj uničujočimi rastlinskimi patogeni, ki uniči tudi med 95 - 99% pridelka krompirja in /ali paradižnika. Letno škodo ocenjujejo na $950 miljonov. Bakterijo R. solanacearum uvrščamo tudi med biološka orožja, ki imajo potencial za uporabo v kmetijstvu. Razvoj bakterijskih inokulantov, ki zatirajo to nevarno bakterijio. je pomemben raziskovalni cilj s širokim neposrednim pomenom za družbo. Pripravki iz bakterije Bacillus pa so komercialno še posebej zanimivi, saj imajo kot spore dolgo življensko dobo na policah trgovin.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
