Projekti / Programi
Odziv navadnega fižola (Phaseolus vulgaris L.) na vodni stres: analiza proteoma in kvantitativno kartiranje lokusov
| 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 |
| 4.04 |
Kmetijske vede in veterina |
Kmetijska biotehnologija |
Navadni fižol, Phaseolus vulgaris L., odpornost na sušo, proteomska analiza, molekulski markerji, genska karta, odpornost na bolezni, serinske proteaze, QTL mapiranje, genska ekspresija, žlahtnjenje
Raziskovalci (14)
Organizacije (2)
Povzetek
V Evropi, vključno s Slovenijo, se zaradi globalnih klimatskih sprememb pojavljajo obdobja suše, ki imajo velik vpliv tudi na kmetijstvo. Navadni fižol (Phaseolus vulgaris L.) je s prehranskega vidika zelo pomembna stročnica, pri kateri suša povzroča pomembno zmanjšanje rasti in pridelka. Zaradi pomanjkanja vode vsako leto v svetovnem merilu propade več kot polovica pridelka fižola. Rastline so bolj ali manj uspešno razvile različne mehanizme prilagajanja na sušo, ki se izražajo na molekularni ravni s spremenjenim izražanjem genov in z vsebnostjo funkcionalnih proteinov, skupaj z odzivi na morfološki in fiziološki ravni. Določanje razlik med bolj ali manj tolerantnimi sortami fižola omogoča odkritje markerjev za selekcijo podprto z markerji v žlahtnjenju fižola na odpornost na sušo. Več raziskav, vključno z našimi, je izpostavilo, da suša povzroča velike spremembe v izražanju genov in nivoju proteinov, vendar mehanizmi odziva pri fižolu še vedno niso dovolj dobro raziskani zaradi genetske kompleksnosti in pomanjkanja dovolj izrazitih razlik fenotipskih odzivov. Zaporedje genoma fižola še ni določeno, prav tako ni znanih raziskav proteoma, povezanih s sušo.
Namen predlagane raziskave je pridobitev podrobnejšega vpogleda v molekularno in morfo-fiziološko prilagoditev navadnega fižola na sušo. V raziskavi bomo uporabili družino križanja na sušo tolerantne sorte Tiber in netolerantne sorte Starozagorski čern, ki vključuje 80 F8 rekombinantnih inbridiranih linij, vzgojenih v našem laboratoriju. Proučili jih bomo na genomski in proteomski ravni skupaj z opazovanjem fenotipskih lastnosti.
Najpomembnejši cilji predlagane raziskave odziva fižola na sušni stres na nivoju proteinov so i) ugotoviti razlike med rastlinami, podvrženimi suši in normalno zalivanimi rastlinami; ii) določiti razlike med starševskimi linijami, izpostavljenimi sušnemu stresu; iii) identificirati proteine, ki se diferencialno izrazijo ob pomanjkanju vode; iv) analizirati spremembe na nivoju glikoproteinov; in v) identificirati in karakterizirati vključene proteolitične encime. Genetski pristop bo osredotočen na: i) identifikacijo izraženih sekvenc, ki kodirajo gene odgovorne za sušni stres v sorti, tolerantni na stres; ii) namnožitev in določitev polimorfnih molekulskih markerjev (SSR - Simple Sequence Repeats, EST-SSR Expressed Sequence Tags - SSR) in drugih genom podobnih sekvenc, ki se izražajo v suši pri starševskih linijah; iii) izolacija in razvoj RGA (Resistant Gene Analog) markerjev, povezanih s sušnim stresom; iv) testiranje segregacije markerjev v F8 generaciji (80 RILov) in identifikacija skupin povezanih lokusov, in v) izdelava genske karte navadnega fižola.
Pričakovani rezultati genomskih in proteomskih analiz bodo doprinesli k temeljnemu razumevanju odpornosti na sušo ne le pri fižolu, ampak tudi pri drugih rastlinah. To bo omogočilo pridelavo fižola v raznolikih, spreminjajočih se pogojih okolja.
Pomen za razvoj znanosti
Razumevanje odziva na zunanje dražljaje na celičnem nivoju je pomembno za obstoj rastlin, posebej v primeru stresa povezanega s sušo. Mehanizmi odziva na sušo pri navadnem fižolu še niso dovolj raziskani. Razlogi za počasen napredek ležijo v genetski kompleksnosti povezani s kompleksnim mehanizmom tolerance na vodni stres. V sklopu raziskovalnega projekta smo zasnovali obsežno, večplastno študijo, kjer smo proučili odziv fižola na sušni stres na morfološki, fiziološki, biokemijski in genetski ravni pri tolerantni in občutljivi sorti Tiber in Starozagorski čern. Pri sortah smo opredelili številne morfološke in fiziološke parametre, na katere je imela suša velik vpliv, za nekatere pa smo med sortama potrdili tudi diferencialni odziv. V analizi proteoma smo pri sortah identificirali številne proteine, ki se odzivajo v sušnem stresu in so povezani s procesi fotosinteze, energijskega metabolizma, stresa, sinteze, proteolize in zvijanja proteinov. Povezave med identificiranimi proteini, ki smo jih ponazorili z bioinformacijsko analizo, omogočajo kompleksnejši vpogled v biološke poti in molekulske funkcije, na katere vpliva sušni stres. Ugotovili smo, da je v odziv navadnega fižola na sušni stres vpleteno več proteaz, podrobneje smo okarakterizirali eno serinsko endopeptidazo in pet aminopeptidaz. Le-te so aktivne v listih obeh sort, na nivoje njihove aktivnosti vpliva pomanjkanje vode, vzorec odziva pa je različen. Za potrebe izdelave genetske karte smo iz potomstva križanja Tiber x Starozagorski čern vzgojili 82 rekombinantnih inbridiranih linij generacije F8, pri katerih smo ocenili morfološke in fiziološke parametre. Pri starševskih sortah smo odkrili 134 polimorfnih DNA markerjev, ki smo jih na genetski karti razvrstili v 11 skupin. Razporeditev markerjev smo skupaj z morfološkimi znaki analizirali s programom Cartographer in pridobili genetsko karto kvantitativnih lastnosti (QTL) navadnega fižola. Najmočnejšo povezanost smo zasledili v vezanih skupinah 1 in 9 med markerji in QTL za število dni do cvetenja ter maso enega semena. Identificirane genetske in proteomske spremembe, kot posledica delovanja sušnega stresa, bodo podlaga za nadaljnje študije, povezane s sušo pri metuljnicah in drugih rastlinskih vrstah. Tovrstna integracija rezultatov prispeva k temeljnemu razumevanju odziva rastlin na abiotski stres, ki je po naravi fiziološko kompleksen, vendar pri navadnem fižolu manj proučevan kot biotska odpornost. Informativni molekulski markerji, identificirani v QTL analizi, bodo omogočili z markerji podprto selekcijo (MAS) in bodo na ta način pomembno prispevali k učinkovitosti žlahtniteljskih programov povezanih s sušnim stresom.
Pomen za razvoj Slovenije
V Strategiji razvoja slovenskega kmetijstva in drugih razvojnih dokumentih je opredeljena usmeritev v stabilno pridelavo kakovostne in čim cenejše hrane ter zagotavljanje prehranske varnosti Slovenije. Okolju prijazni načini pridelave se odražajo v ohranjanju rodovitnosti tal, varovanju okolja, ohranjanju biotske raznovrstnosti in tradicionalne podeželske krajine. Pridelava fižola v Sloveniji je med zelenjadnicami na drugem mestu s 661 ha v primerjavi s pridelavo zelja (838 ha). Suša ima na splošno ekstremno negativen vpliv na kmetijstvo ter posredno na družbo (neobdelana tla, zaraščanje, ...). Kakovosten sortiment, ki mora biti prilagojen na lokalne razmere, hkrati pa mora tudi ustrezati okusu domačega potrošnika, predstavlja osnovo za konkurenčno in trajnostno pridelovanje katerekoli kmetijske rastline. Ker so potrebe po novih, izboljšanih sortah kmetijskih rastlin stalno prisotne, je potrebno sprotno prilagajanje sortimenta. Genomsko kartiranje kompleksnih lastnosti bo prineslo žlahtnjiteljem fižola nove strategije pri njihovem delu. Inkorporacija genomske informacije bo pripomogla k boljšem razumevanju interakcij med okoljem in genotipom ter ponudila platformo za študij ekonomsko pomembnih lastnosti. Genetsko izboljšanje kvalitativnih in kvantitativnih lastnosti kmetijskih rastlin je kontinuiran in trajen proces. Le trajni in dolgoročni žlahtniteljski programi omogočajo vzgojo novih sort kmetijskih rastlin, ki se bodo bolje prilagajale na spremembe v okolju (npr. pogoste suše), bodo odporne na bolezni in škodljivce ter s tem zmanjšale potrebo po uporabi fitofarmacevtskih pripravkov in bodo pridelovalcem zagotavljale kakovosten in visok pridelek. Naši rezultati prispevajo k aktivnemu vključevanju Slovenije v mednarodno delitev dela na raziskovalnem področju, predvsem na področju rasti rastlin in kmetijstva. Na področju raziskav sušnega stresa smo vzpostavili sodelovanje z nekaterimi tujimi institucijami (npr. projekti mednarodnega bilateralnega znanstvenega sodelovanja z Norveško, Bolgarijo in Srbijo, projekt z Norveško v okviru Slovenskega štipendijskega sklada). To je pomembno ne samo za doseganje mednarodno primerljive kakovosti našega dela in dostop do sodobnih tehnik in aparatur, temveč tudi za predstavitev dejavnosti slovenskih znanstvenikov preko objav in znanstvenih srečanj skupaj z znanstveniki iz drugih držav. Izolirane sekvence genov in markerjev kot tudi proteinske sekvence vlagamo v javno dostopne podatkovne baze, kjer so na voljo za nadaljnjo karakterizacijo v različnih genomskih študijah povsod po svetu. Vse rezultate projekta objavljamo v znanstvenih člankih in predstavili na različnih znanstvenih srečanjih. Raziskave v okviru projekta in njegovi rezultati so pomemben dejavnik pri vzgoji in stimulaciji mladih kadrov, usmerjenih v temeljne in aplikativne raziskave. Le-ti, kakor tudi tisti raziskovalci in strokovnjaki, ki so že vključeni v žlahtnjenje rastlin v Sloveniji, imajo koristi od našega sodelovanja v mednarodno pomembnih raziskavah na področju rastlinske biologije (fiziologija odziva na sušni stres, proteomske in genetske analize) in kmetijstva (žlahtnjenje, vzgoja odpornih sort). Na področju raziskav sušnega stresa se na Kmetijskem inštitutu Slovenije izobražuje mlada raziskovalka. Rezultati projekta bodo prav tako neposredno uporabni pri upravljanju genskih bank rodu Phaseolus.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
