Projekti / Programi
Biotehnologija in sistemska biologija rastlin
01. januar 2015
- 31. december 2021
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.06.00 |
Biotehnika |
Biotehnologija |
|
| 1.03.00 |
Naravoslovje |
Biologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T490 |
Tehnološke vede |
Biotehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 4.04 |
Kmetijske vede in veterina |
Kmetijska biotehnologija |
sistemska biologija rastlin, stres, mikrobni rastlinski povzročitelji bolezni, epidemiologija, biološka variabilnost, biotehnološke in biološke metode varstva rastlin, gensko spremenjene rastline, tehnološka platforma, kvantitativno določanje nukleinskih kislin, bioinformatika, metrologija
Raziskovalci (50)
Organizacije (1)
Povzetek
Predlagani raziskovalni program podpira odličnost v znanosti in poučevanju na vseh ravneh univerzitetnega izobraževanja s področij biotehnologije in varne hrane. Je tudi tesno povezan s strokovnim delom za slovenske vladne organizacije in različna podjetja, ki so povezana s kmetijstvom, okoljem, varno hrano ter z biotehnološko in farmacevtsko industrijo.
V programu bomo nadaljevali z raziskovanjem odgovorov rastlin na stres z orodji sistemske biologije, s katerimi se ustvarja velikanska količina podatkov o bioloških sistemih. Da bi integrirali vse te podatke o dinamičnih interakcijah med geni, molekulami RNA, proteini in metaboliti v večnivojski model, so nujni novi pristopi in orodja za analizo in interpretacijo podatkov. Ker so pri naših raziskavah glavni stresorji mikroorganizmi, so nujne raziskave njihove biologije. Na osnovi pridobljenega znanja bomo nadaljevali z razvijanjem novih trajnostnih strategij za varstvo rastlin in z razvijanjem metod za zagotavljanje varne hrane in vode.
Glavni cilji predlagane raziskovalnega programa bodo tako:
(1) pridobivanje novega znanja za razumevanje rastlinskih odgovorov na stres (predvsem biotski) s pristopi sistemske biologije;
(2) povečevanje znanja o biologiji mikrobov, da bi bolje razumeli njihovo diverziteto, patogenost in epidemiologijo ter njihovo vlogo v rastlinskih gostiteljih; ter na osnovi pridobljenih rezultatov razvijati učinkovite in trajnostne metode za biotehnološki in biološki nadzor mikrobov;
(3) razvijati nove strategije za zaščito rastlin, za varno hrano in vodo;
(4) nadgraditi tehnološko platformo, ki podpira raziskave sistemske biologije in razvijati novo meroslovno naravnano tehnološko podporo ter učinkovitejše identifikacijske in detekcijske metode za mikrobe in gensko spremenjene organizme, ki bi bile lahko uporabljene tudi na področjih farmacije, zdravja ljudi in varovanja okolja.
Za dosego teh ciljev bomo uporabili nove pristope in metodologije, ki jih ponujjao metagenomske študije, sekvenciranja nove generacije (NGS), kvalitativne analize nukleinskih kislin, pomnoževanje nukleinskih kislin pri isti temperaturi (LAMP), digitalni PCR, slikovno obdelavo živih celic in bioinformatske ter biostatistične pristope.
Raziskovalni program je v preteklosti že dosegel odlične rezultate zaradi interdisciplinarnosti programske skupine, ki je pokrivala različna področja od molekulske biologije, biologije, mikrobiologije, biokemije, biotehnologije, matematike, biostatistike in računske znanosti. Prav tako je že bilo vzpostavljeno trdno mednarodno sodelovanje z raziskovalci v EU in Sloveniji. Člani programske skupine sodelujejo tudi v več evropskih projektih. Raziskovalni program predstavlja majhen, a pomemben del raziskovalne podpore Oddelku za biotehnologijo in sistemsko biologijo. Ta je v zadnjih 10 letih podvojil svoj proračun in število zaposlenih od 20 na 43 prav zaradi hitro rastočih področij biotehnologije varne hrane, kot njegovih glavnih usmeritev.
Pomen za razvoj znanosti
Mehanizmov gostiteljskih odgovorov na različne povzročitelje bolezni še vedno ne razumemo dobro. Na primer naše pomanjkljivo znanje o fitoplazmah je povezano z dejstvom, da jih ne znamo gojiti na gojiščih v razmerah in vitro, medtem ko spreminjajoč genim virusa stalno vpliva na interakcijo s tarčnimi ceicami. Cilji predlaganega programa so tako izboljšati naše znanje o interakcijah med različnimi gostitelji in njihovimi patogeni. Poseben poudarek bo na analizi multitrofičnih raziskav, vključno z metagenomskimi, da bi tako bolje razumeli zapleteno mrežo interakcij v ekosistemu. Originalnost raziskav bo v zapletenih raziskovalnih pristopih in uvajanju različnih časovnih in prostorskih ravni. V njih bomo kombinirali več neinvazivnih tehnik za sledenje izbranim komponentam rastlinske obrambe s standardnimi omskimi tehnikami, ki jih bomo prilagodili za analize majhnih tkivnih sekcij. V naši študiji se bomo osredotočili na gene, proteine in končne metabolne produkte, ki jih bomo vključili v dinamične modele. Rezultati programa bodo imeli velik vpliv na nova znanja o biologiji gostitelja in patogena. Predlagane hipoteze, ki jih bomo postavili z modeliranjem bomo ovrednotili z reverzno genetiko s pomočjo transgenih rastlin. Nekateri geni, za katere bomo odkrili, da so vključeni v patogenovo okuževanje in ozdravljenje rastlin, bi lahko bili uporabni označevalci za zgodnje odkrivanje bolezni, označevalci odpornost in ozdravljenje ter možne tarče biološkega nadzora bolezni. Rezultati raziskovanja bodo tako imeli velik pomen pri pripravi novih strategij in orodij za varstvo rastlin ter pri zagotavljanju varne hrane in vode. Odkritje genskih determinant in znanje o raznolikosti nam bosta pomagala pri razvoju novih orodij v molekularni diagnostiki. Cilje bomo dosegli s pristopi genomike, transkriptomike, proteomike, metabolomike in z uporabo naprednih orodij bioinformatike in biostatistike. Člani programske skupine so visoko specializirani za genomske študije z uporabo mikročipov, qPCR, digitalnega PCR, tehnologije izotermalne amplifikacije in sekvenciranja nove generacije, kot tudi mikroskopih tehnik. Za omenjene tehnike razvijajo tudi nova orodja in aplikacije z inovativnimi pristopi. Novi pristopi, ki bodo vključevali sekveniranje nove generacije in koncentriranje virusov iz okoljskih vod bodo omogočili nove podatke o epidemiologiji in populacijah virusov, ki so pomembni za zdravje rastlin in ljudi.
V času programa bomo nadaljevali naša ustaljena sodelovanja s slovenskimi in tujimi partnerskimi laboratoriji, sodelovanja v evropskih in drugih mednarodnih projektih in z mobilnostjo raziskovalcev. Z razvojem in validacijo metod za detekcijo patogenov in GSO smo vodilni partnerji v evropski mreži laboratorijev GSO, s sedežem v Joint Research Center v Ispri, Italija) in v strokovnih telesih Evropske organizacije za varstvo rastlin (EPPO). Z razvijanjem novih strategij za identifikacijo novih GSO, vključno z nedovoljenimi in cis-genimi rastlinami, bomo povečali naše znanje in razvijali nova orodja s potencialno uporabnostjo tudi na drugih področjih. Metode, ki omogočajo absolutno kvantifikacijo odpirajo nove možnosti za bolj natančno in enostavnejšo pripravo referenčnih materialov. Naše vključevanje v evropske platforme za sistemsko biologijo in bioinformatiko (ELIXIR in ISBE) bo omogočile izmenjavo znanja in virov na področju sistemske biologije.
Metrološki aspekti raziskav bodo omogočili zanesljivo kvantifikacijo in kvalifikacijo nukleinskih kislin, še posebno na področju mednarodne harmonizacije določanje GSO in humanih mikrobov.
Glavna prednost, ki premika meje znanja predlaganega programa je povezovanje različnih disciplin (mikrobne in rastlinske biologije, molekularne biologije, bioinformatike, biostatistike, računalništva) pri reševanju bioloških vprašanja. V raziskavah bomo uporabili različne metode in tehnike, ki so na voljo v laboratorijih našega oddelka in v partnerskih laboratorijih v Sloveniji ter v tujini. Veliko opremo v
Pomen za razvoj Slovenije
Glede na geografski položaj Slovenije in trenutne gospodarske trende bomo v predlaganem programu proučevali škodljive rastlinske patogene, ki so že prisotni v Sloveniji ali njihov pojav pričakujemo v bližnji prihodnosti. Razumevanje biologije patogenovih mehanizmov razvoja bolezni je predpogoj za razvoj ustreznih strategij za nadzor patogenov in ocene tveganja za tehnologije, ki jih vnašamo v kmetijsko prakso. Naša skrb je tako tržna kot okoljska. Želimo razvijati učinkovite in trajnostne biotehnološke in biološke metode nadzora in nove strategije za varni hrano in vodo, brez ekstenzivne uporabe insekticidov in sočasno z varovanjem biološke raznovrstnosti v Sloveniji.
S strani Ministrstva za kmetijstvo in okolje smo pooblaščeni kot nacionalni referenčni laboratorij za določanje GSO v hrani, krmi in semenih in s strani Slovenske akreditacije, Reg No. LP-28 (standard ISO/IEC 17025:2005) akreditirani za detekcijo GSO in mikroorganizmov – rastlinskih patogenov. Na ravni CEN in ISO smo vključeni v razvoj standardov za detekcijo dovoljenih in nedovoljenih GSO ter mikroorganizmov. Naše znanje o genskih spremembah rastlin je že pomagalo pri implementaciji slovenske in evropske zakonodaje o varni hrani, varovanju rastlin in okolja ter GSO.
Od leta 2009, ko je Meroslovni inštitut Slovenije naš oddelek imenoval za Nacionalni etalon za količino snovi v hrani rastlinskega izvora na področju varne hrane, smo pooblaščeni za merjenje in štetje molekul.
Nudimo tudi strokovno podporo in diagnostiko Upravi za varno hrano, veterinarstvo in varstvo rastlin pri Ministrstvu za kmetijstvo in okolje. Zanjo diagnosticiramo več karantenskih mikroorganizmov, kot so bakterija Erwinia amylovora, povzročiteljica hruševega ožiga, fitoplazemske povzročiteljice bolezni koščičarjev, vinske trte in drugih rastlin ter za povzročiteljev prihajajočih bolezni kot so Xylella fastidiosa, Pseudomonas syringae actinidiae, Potato spindle tuber viroid in drugi. Do sedaj smo diagnosticirali več kot 20 rastlinskih mikrobnih povzročiteljev bolezni, večina ima karantenski status v Sloveniji in Evropi, nekateri med njimi so bili med prvimi najdbami v Evropi.
Tesno in potekajoče sodelovanje z raziskovalnimi skupina na državni in svetovni ravni, ki je implementirano v skupnih projektih in publikacijah nam omogoča dostop do mednarodnega znanja kot tudi za promocijo Slovenije v mednarodni znanstveni javnosti. Naša vključenost v platformi EU za sistemsko biologijo in bioinformatiko (ISBE in ELIXIR) je priložnost za slovenski dostop do raziskav in računalniške infrastrukture.
Naše raziskave in znanje so zelo pomembni za industrijo. Tesno sodelujemo s številnimi podjetji v kmetijstvu, biotehnologiji in farmaciji. Znanje o sistemski biologiji in bioinformatiki nam že omogoča več letno pogodbeno sodelovanje s farmacevtsko firmo Lek d.d. Sandoz. Z visoko tehnološkim biotehnolološkim podjetjem BiaSeparations smo razvili nove biotehnološke aplikacije za koncentriranje in čiščenje virusov, ki so že odprle nova področja detekcije in odstranjevanja patogenov iz vod. Skupaj z našim odcepljenim podjetjem Biositemika organiziramo laboratorijske mednarodne delavnice o molekularni biologiji (qPCR), in razvijamo avtomatizirano programsko opremo za delo v molekularni biologiji. S podjetjem Omega smo postavili platformo za sekvenciranje nove generacije.
Naše tehnološke platform za študij humanih in rastlinskih patogenov so uporabne tudi na področjih farmacije, zdravja ljudi in okolja. Primer takih aplikacij je evropski meroslovni projekt INFECT-MET, v katerem vodimo največji delovni paket in v katerem razvijamo nove diagnostične metode za humane patogene. V tem projektu sodelujemo tud s slovensko Univerzitetno kliniko za pljučne bolezni in alergijo Golnik.
Šest raziskovalcev na program je aktivno vključenih v dodiplomske in podiplomske študije na Univerzi v Ljubljani, Univerzi v Novi Gorici in na Mednarodni podiplomski šoli Jožef Stefan, kjer so mentorji številnim magistrskim in do
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
