Projekti / Programi
Transkriptomika patogene glive v simbiozi s smrekovim lubadarjem
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.06.04 |
Biotehnika |
Biotehnologija |
Mikrobna biotehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| B230 |
Biomedicinske vede |
Mikrobiologija, bakteriologija, virologija, mikologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.06 |
Naravoslovne vede |
Biologija |
podnebne spremembe, Ophiostoma, glive modrivke, Ips typographus, osmerozobi smrekov lubadar, Picea abies, smreka, citokromi P450, PKS, NRPS
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
23473 |
dr. Ljerka Lah |
Biotehnologija |
Vodja |
2010 - 2012 |
60 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
21.023 |
Povzetek
Transkriptomika patogene glive v simbiozi s smrekovim lubadarjem
Ozadje: Verjetnost škodljivih izjemnih namnožitev podlubnikov v iglastih gozdovih se povečuje kot posledica klimatskih sprememb. Kljub dejstvu, da je evropska vrsta podlubnikov, osmerozobi smrekov lubadar, Ips typographus, sestavni del gozdnih ekosistemov, lahko povzroča veliko gospodarsko škodo. Izbruhi podlubikov vključujejo interakcije med tremi glavnimi biološkimi komponentami: gostiteljem smreko (Picea abies), lubadarjem, in glivami, ki jih lubadar prenaša. Lubadar I. typographus je vektor za glive modrivke (npr. Ophiostoma bicolor), ki uničujejo drevesa in zmanjšujejo vrednost lesa. Glive namreč oslabijo in razstrupljajo obrambne spojine smreke (terpenoidi, fenolne spojine) in tako omogočijo kolonizacijo hrošču in glivam. Patogene glive vsebujejo različne mehanizme odpornosti za premagovanje obrambe gostitelja. Med njimi so virulenčni dejavniki, specifični za gostitelja in vključujejo encime, ki sodelujejo pri biosintezi toksinov in razstrupljanju ksenobiotikov, ter (sekrecijske) proteine.
Problem: Geni povezani s patogenostjo glive so virulečni dejavniki, ki pomembno opredeljujejo interakcije med gostiteljem in patogenom preko usklajenega delovanja, ki jih omogoča skupna regulacija izražanja. Ključne družine encimov ki so vključeni v biosintezo sekundarni metabolitov so citokromi P450, poliketidne sintaze in sintaze ne-ribosomalnih peptidov. Ti geni so pogosto razporejeni v genske gruče, ki jih nadzorujejo kombinacije večih transkripcijskih faktorjev. Citokromi P450 tudi razstrupljajo ksenobiotike, medtem ko transporterji poskrbijo za njihovo odstranjevanje. Ni še natančno znano, kateri geni so prisotni pri izražanju patogenih profilov gliv modrivk, katerih zaporedje genomov še ni določeno, in kako so ti geni regulirani.
Cilji: S sistematičnim osredotočenjem na profile izražanja genov (transkriptome) v patogenosti, bomo identificirali gene povezane s patogenostjo, določili presnovne poti, v katerih delujejo ter ugotovili nadzorne transkripcijske faktorje pri glivah modrivkah. Cilji raziskave so:
1. Določiti gene, ki sodelujejo pri okužbi smreke z določitvijo zaporedja transkriptoma in uporabo primerjalne genomike.
2. S filogenetsko analizo razkriti evolucijske odnose med izbranim geni iz glive O. bicolor in geni iz sorodni vrst.
3. Vzpostaviti preliminarno funkcijsko karakterizacijo izbranih genov/proteinov glive O.bicolor.
Metode: Pri pripravi knjižnic cDNA micelija bomo uporabili standardne molekularno-biološke tehnike. Transkriptome, pridobljene s tehnologijo določanja zaporedja naslednje generacije (Rochev 454 GS FLX Titanium), bomo analizirani s primerjalno genomiko. Tako bomo identificirali gene pomembne v patogenosti glive O. bicolor. Filogenetske analize ugotovljenih genov bomo uporabili za razjasnitev evolucijskih odnosov med ortologi sorodnih patogenih in/ali saprofitnih gliv. Preliminarne funkcijske študije bodo vključevale izbor genov in izbor metod, primernih za njihovo karakterizacijo (raziskave delecijskih mutant / interferenca RNA oz. heterologno izražanje gena in nadaljnja biokemijska karakterizacija).
Pomen: Vplivi podnebnih sprememb na gozdne ekosisteme bodo mnogovrstni – izzvali bodo abiotske in biotske motnje (pogostost izbruhov patogenov). Zlasti v Evropi obstaja veliko pomanjkanje celovitih genomskih študij komponent v sistemu podlubnikov. S predlagano bomo raziskavo deloma vzpostavili močno genomsko ozadje, ki bo prispevalo k poglobljenemu razumevanju dinamike med gostiteljem in patogenom. To bo omogočilo razvoj genomsko-podprtih modelov napovedovanja povečanega okoljskega tveganja. Slednji bodo zagotovili trajnostno gospodarjenje s komercialnimi gozdovi, in ohranitev naravnih ekosistemov in biološke raznovrstnosti gozdov.
Pomen za razvoj znanosti
V Evropi, kjer so izbruhi podlubnikov, tudi kot posledica spreminjajočega podnebja, vedno pogostejši je občutno pomanjkanje genomskih resursov za komponenete simbioze podlubnik-drevo-patogena gliva. Glavni namen projekta, ki je bil tudi dosežen, je bil osnovanje genomskih in transkriptomskih virov za dve vrsti fitopatogenih gliv, Ceratocystis polonica in Ophiostoma bicolor, ki sta v simbiozi z evropsko vrsto podlubnika, s smrekovim lubadarjem (Ips typogrpahus). Ti viri služijo kot trdno izhodišče za nadaljne evolucijske in laboratorijske študije. V predlaganih raziskavah smo odkrili in filogenetsko določili, ter pričeli tudi s funkcionalno karaketrizacijo ključnih genov v procesu patogenosti gliv modrivk (predvsem citokromov P450), ki so povezane z podlubniki.
Delno zasnovo in podporo projektu so nudile raziskave severno-ameriske vrste asociativne glive podlubnika Grosmannia clavigera, ki so jih izvajali v sklopu bolj obširnega projekta o genomiki simbiontov sistema podlubnika Dendroctonus ponderosa (www.thetriaproject.ca) in v katere je bila vključena tudi vodja projekta. Nove metodologije določanja zaporedja genoma in transkriptoma, bioinformatsko analizo večjih količin podatkov (sestavljanje genoma in anotacija) ter znanje o biologiji severno-ameriške simbioze je uspešno prenesla na raziskave evropskih vrst gliv. Odkritja s tega podrocja smo obravnavali z dveh vidikov. V prvi vrsti smo lahko s primerjalno genomiko bližnje sorodnih patogenih ali saprofitskih gliv odkrili vrstno-specifične s patogenostjo povezane gene. Nadaljnje raziskave bodo usmerjene v določanje njihove vloge v organizmu. Lahko pa so ti geni predmet raziskav v biotehnologiji (npr. geni vključeni sintezo sekundarnih metabolitov) ali farmakologiji (npr. geni, udeleženi v detoksifikaciji, kot tarče za nova protiglivna sredstva). Drugi vidik raziskav pa je vpogled v splošne mehanizme v odnosih med gostitelji in patogeni, ki ga lahko razširimo tudi na druge simbioze.
Mikrobni simbionti v sistemu podlubnikov predstavljajo notranjo kontrolo, ki nadzoruje prehod čez vrsto pragov na različnih nivojih. Če so pragovi preseženi, lahko pride do izbruha podlubnikov. Raziskave genomskega ozadja sistema podlubnikov predstavljajo osnovni nivo študij dinamike sistema na endemski stopnji ali stopnji izbruha. Te raziskave je treba upoštevati in vplesti tudi v raziskave na višjih nivojih, kot so okoljske študije ali pri izdelavi genomsko-podprtih orodij za napovedovanje okoljskih tveganj.
Pomen za razvoj Slovenije
Učinki podnebnih sprememb na gozdove in gozdarstvo v Evropi bodo mnogovrstni in kompleksni. Te spremembe bodo nadalje učinkovale na družbeno blagostanje preko ekonomije in mednarodne konkurence. Višje temperature, naraščanje atmosferske koncentracije CO2, spremembe v količini padavinah, poplave, trajanje in pogostosti suš lahko vplivajo na ekosisteme posredno prek abiotskih motenj, kot so spremembe v pojavnosti požarov, spremembe v pogostosti in intenzivnosti neurij, in biotskih motenj, kot npr. pogostost in posledice izbruhov patogenov in bolezni. Vse spremembe v okolju bodo močno vplivale na gozdni ekosistem. Zgoraj so navedeni uvodni stavki poročila Evropski komisiji v novembru, 2008 (European Commission Directorate-General for Agriculture and Rural Development: Impacts of Climate Change on European Forests and Options for Adaptation (Lindner et al., 2008).)
Trenutni ukrepi za nižanje gospodarske škode, ki jo povzroča lubadar Ips typographus in drugi podlubniki nadzorujejo aktivnosti hrošča s poseki in gospodarskimi sečnjami okuženih sestojev. S temi ukrepi želijo odstraniti mesta razmnoževanja, kot so oslabljena drevesa, vetrolomi, in les v katerem lubadarji prezimujejo. V uporabi so gozdarske tehnike, katerih cilj je povečanje stabilnosti in vitalnosti gozdnih sestojev. Populacije hroščev nadzorujejo tudi z uporabo feromonskih pasti. Nekateri od navedenih ukrepov pa imajo negativne učinke na gozdne ekosisteme (sečnja in odstranitev okuženih dreves upočasni obnavljanje ekosistema). Prav tako je težko vzpostaviti enotne ukrepe v različnih bioklimatskih zonacijah in različnih tipih gozdnih ekosistemov.
Zlasti v Evropi obstaja veliko pomanjkanje celovitih genomskih študij komponent v sistemu podlubnikov. Obsežni genomski podatki o podlubnikih, z njimi povezanih glivah in gostiteljskih drevesih iglavcev bodo prispevali k poglobljenemu razumevanju dinamike odnosov med gostitelji in patogeni. To bo omogočilo razvoj izboljšanjih, z genomiko-podprtih modelov napovedi okoljskega tveganja ter trajnostni razvoj in upravljanje gospodarskih gozdov ter ohranjanje nekomercialnih gozdnih ekosistemov in biotske raznovrstnosti.
Predstavljeni projekt je popolnoma usklajen z nacionalnim raziskovalnim in razvojnim programom. Znanosti o življenju in zdravju sta prednostni področji z obetom ekonomskih koristi z najvišjimi dodanimi vrednostmi, kakor je tudi ugotovljeno v slovenski Resoluciji o nacionalnem in razvojnem programu (ReNRRP). Vlaganje v raziskave v genomiki in biotehnologiji za zdravje je prva prioriteta javnega poziva in predlagani projekt jo v popolnosti izpolnjuje.
V predlaganem projektu smo vzpostavili trdno sodelovanje z uglednimi mednarodnimi raziskovalnimi skupinami. Naši sodelavci z University of British Columbia v Vancouvru ter University of Guelph (Ontario) v Kanadi, so vodilni v raziskavah genomike zdravja gozdov. Rezultate naših raziskav nameravamo združiti tudi v prihodnosti, in s tem dodati globino razumevanju genomskega ozadja sistema podlubnikov na različnih celinah, kot tudi okrepiti naše sodelovanje.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
