Projekti / Programi
Potencial jadranskega smilja (Helichrysum italicum L.): celovito profiliranje genoma in transkriptoma za odkrivanje genov v biosintezi rastlinskih naravnih produktov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.03.01 |
Biotehnika |
Rastlinska produkcija in predelava |
Kmetijske rastline |
| Koda |
Veda |
Področje |
| B225 |
Biomedicinske vede |
Rastlinska genetika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 4.01 |
Kmetijske vede in veterina |
Kmetijstvo, gozdarstvo in ribištvo |
smilj (Helichrysum italicum); morfologija; NGS tehnologija; transkriptom; mikrosateliti; profiliranje DNA; populacijska struktura
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
32571 |
dr. Alenka Baruca Arbeiter |
Rastlinska produkcija in predelava |
Vodja |
2019 - 2022 |
127 |
Organizacije (1)
Povzetek
Smilj Helichrysum italicum (Roth) G. Don izvira iz Sredozemlja in vsebuje številne fito-spojine, pomembne za zdravje ljudi. Odkritje različnih kemotipov smilja je prispevalo k njegovi priljubljenosti. Poleg uporabe v ljudski tradicionalni medicini je rastlina zanimiva tudi za farmacevtsko, dišavno, kozmetično in živilsko industrijo. Karakteristike kserofita in njegova odlična prilagoditev stresnim okoljskim razmeram v Sredozemlju so prispevali k širjenju pridelave smilja v Jadranski regiji, vključno s Slovensko Istro. Kljub naraščajočemu pomenu v sredozemskem kmetijstvu, pa celostne raziskave smilja in njegovih potencialov bistveno zaostajajo za drugimi aromatičnimi rastlinami.
Visoko ekonomsko vrednost H. italicum gre pripisati raznovrstnim rastlinskim izvlečkom in eteričnemu olju, pripravljenih iz različnih delov te rastline, ki se kemično razlikujejo glede na ekstrakcijske parametre, izvor rastlinskega materiala, razvojno stopnjo, taksonomijo rastline in okoljske dejavnike. Različne fito-spojine ali njihove kombinacije sprožajo dokumentirane blagodejne zdravstvene učinke.
Kljub izjemnemu pomenu sekundarnih metabolitov v življenju človeka in visokemu gospodarskemu pomenu H. italicum, je za H. italicum na voljo zelo malo genomskih in transkriptomskih podatkov. Študije genetske diferenciacije, s poudarkom na delitvi podvrst in ločevanju med naravno rastočimi in gojenimi ekotipi, so izjemno skromne, čeprav je fenotip, skupaj s kemotipom in njegovimi terapevtskimi karakteristikami, tesno povezan z genotipom. In dejstvo, da za vrste Helichrysum ni na voljo kodominantnih, visoko informativnih molekulskih markerjev in le 105 nukleotidnih zaporedij v podatkovni bazi NCBI, potrjuje, da so raziskave smilja v izjemno začetni fazi. Posledično ni na razpolago informacij o genih, ki se vključujejo v biosintezo sekundarnih metabolitov in v odgovore na okoljske dejavnike. Zaradi tega sta nujna identifikacija genov, ki so odgovorni za sintezo najdragocenejših, biološko pomembnih molekul, ter razvoj z njimi povezanih molekulskih markerjev, in sicer s poglobljenimi raziskavami transkriptomskih in genomskih podatkov.
Glavni cilj projekta je določiti in karakterizirati najobetavnejše genotipe H. italicum na območju severnega Jadrana. Ta namen bo dosežen preko naslednjih specifičnih ciljev: 1) morfološko vrednotenje in agronomsko vrednotenje različnih populacij jadranskega H. italicum, ki so zbrane v kolekcijskem nasadu Purissima (vzpostavljenem maja 2018 v Slovenski Istri, Ankaran, SVN); 2) sekvenciranje celotnega transkriptoma H. italicum s tehnologijo naslednje generacije sekvenciranja (NGS), analiza transkriptoma (mRNA), anotacija in identifikacija glavnih genov, vključenih v biosintezo sekundarnih metabolitov; 3) razvoj genomskih (iz DNA-seq) in genskih (iz mRNA-seq) mikrosatelitskih markerjev za genotipizacijo, za zanesljivo identifikacijo taksonov, za razlikovanje različnih vrst in podvrst Helichrysum in za druge študije raznolikosti; 4) vrednotenje genetske raznolikosti rastline v Jadranski regiji za določitev strategije ohranjanja.
Podoktorski projekt se bo izvajal v štirih delovnih sklopih (DS), naslovljenih: Vrednotenje genskih virov smilja v kolekcijskem nasadu (DS1), Sekvenciranje celotnega transkriptoma H. italicum in funkcijska anotacija (DS2), Razvoj mikrosatelitov in validacija markerjev (DS3) ter Aplikacija SSR za genotipizacijo in populacijske študije (DS4). Projekt bo zagotovil ključne, edinstvene in široko uporabne informacije o H. italicum in bo združil pristope raziskovalnih področij kmetijstva, botanike, taksonomije rastlin in genetike (genomike in transkriptomike). Uvod v podrobno analizo transkriptoma ter razvoj novih genskih in genomskih molekulskih markerjev predstavljajo nove pristope pri H. italicum, ki bodo prispevali k razvoju znanstvenih ved žlahtnjenja rastlin, funkcijske genomike in biokemije.
Pomen za razvoj znanosti
Aromatična rastlina smilj (Helichrysum italicum) vsebuje različne farmakološko aktivne metabolite z znanimi biološkimi učinki na zdravje ljudi. Slaba zastopanost nukleotidnih zaporedij smilja v podatkovni bazi NCBI potrjuje, da so raziskave te rastline v zelo začetni fazi. Sodobni pristopi za proučevanje ne-modelnih rastlin, kot so tudi aromatične rastline, temeljijo na poglobljenih študijah transkriptoma in profiliranju transkriptov za gene, vključene v metabolne poti sekundarnih metabolitov. Projekt je tako osredotočen na poglobljeno analizo transkriptoma, na identifikacijo tarčnih genov za biomolekule in na razvoj visoko informativnih molekulskih markerjev. Transkriptom smilja se bo pridobilo s pomočjo tehnologije NGS, nato pa se ga bo de novo združilo, anotiralo in določilo metabolne poti za sintezo biomolekul. Združevanje genomike, transkriptomike in metabolomike predstavlja integriran, nov raziskovalni pristop na področju „omik aromatičnih rastlin“, ki bo bistveno prispeval k oblikovanju raziskovalnih platform modelnih aromatičnih rastlin in k sintezni biologiji aromatičnih rastlin.
Uvedba sekvenciranja s platformo NGS in podrobna analiza transkriptoma predstavljajo v projektu nove pristope, ki še niso bili uporabljeni za Helichrysum in le pri nekaj aromatičnih rastlinah se je uporabilo tovrsten pristop. Uporabnost rezultatov projekta je izjemno visoka za raziskovalno skupnost; vsa zaporedja, ki bodo v projektu pridobljena iz zaporedij DNA-seq in mRNA-seq, bodo predložena v svetovno podatkovno bazo NCBI. To bo še dodatno prispevalo k identifikaciji in razvoju številnih genomskih in genskih molekulskih markerjev, kar bo omogočilo razvoj znanstvenih ved, kot so funkcijska genomika, primerjalna genetika, taksonomija in filogenija ter bioinformatika.
V okviru projekta se bo razvilo nov set visoko informativnih genomskih in genskih mikrosatelitskih markerjev. Objava novih mikrosatelitskih markerjev bo pomembno prispevala k filogenetskim, ekološkim in populacijskim genetskim študijam. Vsa omenjena znanstvena področja so izjemno pomembna za revizijo taksonomske klasifikacije Helichrysum sp., za določitev raznolikosti jadranskih populacij in za določitev strategije ohranjanja dragocenih naravnih genskih virov smilja.
Ker je H. italicum relativno nova rastlina v kmetijski pridelavi, bodo razviti markerji uporabljeni tudi za vzpostavitev zanesljivega identifikacijskega sistema za ločevanje naravno rastočih in gojenih rastlin H. italicum, kar je zelo pomembno za zagotavljanje sledljivosti in avtentičnosti sadilnega materiala v drevesnicah ter za kontrolo pretoka genetskega materiala med državami. Genomske in transkriptomske raziskave bodo v okviru raziskovalnega programa ‘Varstvena biologija: od molekul do ekosistema’ nadgrajene s popolno kemijsko karakterizacijo jadranskega smilja, informacije o bioloških molekulah v rastlinskih izvlečkih pa bodo povečale industrijsko vrednost rastline.
Pomen za razvoj Slovenije
The aromatic plant of immortelle possesses various pharmacologically active metabolites with documented biological effect on human health. Poor representation of immortelle nucleotide sequences at NCBI database, confirm very initial phase of research of this plant. Modern approaches for investigation of non-model, aromatic plants are based on in-depth transcriptome studies and profiling of transcripts for determination of genes, responsible for synthesis of secondary metabolites. The project thus focuses on in-depth transcriptome analysis, identification of target genes for biomolecules, and development of high informative molecular markers. The immortelle transcriptome will be obtained through the NGS technology, de novo assembled, annotated, and pathways for synthesis of biomolecules will be determined. Merging genomics, transcriptomics and metabolomics represents an integrated, novel research approach in the field of ‘herbal omics’, and will significantly contribute to model herb research platforms and herbal synthetic biology.
The introduction of sequencing with NGS platform and detailed transcriptome analysis in the project represent new approaches, which have not been used for Helicrysum yet, and only a few herbal plants have been subjected to this approach. The applicability of the project results is extremely high for the research community; all sequences from DNA-seq and mRNA-seq generated, will be deposited to a world sequence database NCBI. This will further contribute to the identification and development of numerous genome and gene-based molecular markers, enabling development of scientific fields such as functional genomics, comparative genetics, taxonomy and phylogeny fields, and bioinformatics.
In the project, a development of new, high informative sets of genomic and genic microsatellite markers will be done. Their publication will remarkably contribute to the phylogenetic, ecological and population genetic studies. All mentioned scientific fields are of great interest, in order to revise the Helichrysum sp. taxonomic classification, to determine diversity of Adriatic populations, and to define conservation strategy of valuable immortelle native genetic resources.
Furthermore, since the H. italicum is relatively a newcomer in agriculture practice, developed markers will be used for establishment of a reliable identification system for discrimination of wild and cultivated H. italicum plants, which is of great importance to ensure the traceability and authentication of planting material in nurseries and to control genetic material flow between countries. Additionally, in the framework of the Research programme ‘Conservation biology: from molecules to ecosystem’, genomic and transcriptomic detailed analyses will be upgraded with complete chemical characterization of Adriatic immortelle, and information on biomolecules in plant extracts will add to the industrial value of the plant.
