Burgonyavész-rezisztens gének azonosítása

Kik vettek részt a projekt létrehozásában?

A projekt létrehozásában kizárólag a projektgazda Dr. Cernák István vett részt.

Mióta és milyen tudományos tevékenységet folytat a projektgazda?

Dr. Cernák István tudományos tevékenysége egyetemi hallgatóként 2000. évben kezdődött. Kutatásai a kezdeti időszakban elsősorban a fenotípusosan hasonló burgonya genotípusok molekuláris genetikai vizsgálatára valamint a hazai nemesítésű burgonya fajtákra jellemző molekuláris markerek azonosítására, fajtaazonosításra terjedt ki. Munkájával a 2003. évi XXVI. Országos Tudományos Diákköri Konferencián, Kaposváron elnyerte a Helianthus Közalapítvány különdíját.

2002-től doktorandusz hallgatóként a Solanum stoloniferum vad burgonya fajból származó burgonya Y vírus extrém rezisztencia gén molekuláris genetikai vizsgálatával foglalkozott.

Kutatásainak fő irányvonalát  azóta is a burgonya biotikus és abiotikus stresszekre adott válaszának molekuláris genetikai vizsgálata adja. Fő feladatai közé tartozik egy, a teljes burgonya genomot lefedő kapcsoltsági térképe szerkesztése a tetraploid burgonyában, valamint – ezen térképre alapozva - a vírusokkal, baktériumokkal és gombákkal szemben rezisztenciát biztosító gének térképezése és izolálása a burgonya genomból. Ezekkel párhuzamosan a különböző abiotikus stresszekkel szemben ellenállóságot biztosító gének és lókuszok (QTL) térképezése is a kutatási területei közé tartozik.

Munkája során foglalkozik új molekuláris technikák, diagnosztikai rendszerek és bioinformatikai szoftverek fejlesztésével is.

A burgonya rezisztencia válaszának molekuláris megismerését célzó kutatások mellett, bekapcsolódott egyéb kutatási programokba, mint a ’fajtavédelem és fajtaazonosítás molekuláris markerekkel szőlőben’, és a ’DNS alapú diagnosztikai rendszerek fejlesztése herbicid rezisztenciát okozó pont mutációk kimutatáshoz gyomokban, és a növényvédőszer rezisztencia monitorozása’.

Jelenleg milyen szakmai együttműködésekkel rendelkeznek hazai és nemzetközi vonatkozásban (kutatási tevékenység, vállalkozói megbízás)?

Dr. Cernák István szoros szakmai kapcsolat ápol, nem szerződéses alapon a MTA Agrártudományi Kutatóközpont Mezőgazdasági Intézetével. A közös munka célja a teljes tetraploid burgonya genomot lefedő kapcsoltsági térkép megszerkesztése. A Mezőgazdasági Biotechnológiai Kutatóközponttal évek óta tartó szoros együttműködés keretében jelenleg a Solanum stoloniferum eredetű PVY extrém rezisztencia gén izolálásán dolgoznak. Nemzetközi szintén szoros szakmai együttműködést ápol a wisconsini egyetem, Növénykórtani Intézetével (University of Wisconsin, Madison, Department of Plant Pathology), amely együttműködés célja a burgonyavésszel szembeni rezisztencia molekuláris hátterének megismerése.  

Milyen nemzetközi pályázatokban vettetek részt (FP7, CIP stb.)?

Dr. Cernák István nemzetközi posztdoktori ösztöndíjaktól eltekintve nem vett részt nemzetközi kutatási pályázatokban.

A projekt célja

A burgonyatermesztésben a legnagyobb károkat, a burgonyavész (fitoftóra) és a burgonya Y vírus (PVY) okozzák. Mivel a hagyományos növényvédelemi módszerekkel szemben számos környezetvédelmi, ökonómiai probléma merül fel, a modern védekezés alapja a rezisztens fajták előállítása és használata. A kórokozókkal szemben összetett rezisztenciát hordozó új fajták előállítása azonban komplex nemesítői feladat. A sikerhez a hagyományos nemesítési módszereket célszerű a modern molekuláris genetikai eljárásokkal kombinálni. Ehhez elengedhetetlen a növényben végbemenő rezisztenciához kapcsolt életfolyamatok genetikai hátterének megismerése.

A  jelen pályázatban célul tűztük ki a burgonyavésszel és a PVY-al szemben rezisztenciát biztosító gének azonosítását/izolálását a burgonya genomból, valamint célunk még a növény által a fertőzésekre mint biotikus stresszekre adott válasz mechanizmusok molekuláris genetikai hátterének feltárását. Ezeknek nem csak tudományos, de gazdasági jelentőségük is van.

A jelen pályázat céljai tehát a következőek:

• a fitoftóra és PVY fertőzés hatására végbemenő génexpressziós változások részletes megismerése és jellemzése transzkriptóm analízis segítségével,
• a védekezési folyamatban jelentős expressziós változást mutató, illetve meghatározó szerepet játszó gének azonosítása, cDNS formában történő izolálása és jellemzése,
• az izolált génjelöltek Agroinfiltrációval történő tranziens expressziójának vizsgálata és ez alapján a fitoftóra valamint PVY rezisztenciával összefüggésbe hozható funkciójuk definiálása,
• az izolált génjelöltek jelenlétének vizsgálata más, PVY és fitoftóra rezisztens, illetve fogékony burgonyafajtákban,
• az izolált génjelöltek lokalizálása a burgonya genomban, azaz térképi helyük meghatározása.

A projekt megvalósításának szakmai tartalma

A jelen kutatási programban teljes transzkriptóm (TC) analízissel kívánjuk a rezisztencia folyamatokban részt vevő géneket azonosítani, különös tekintettel a keszthelyi nemesítési alapanyagokban jelen lévő PVY extrém rezisztenciát biztosító Rysto és a fitoftóra rezisztenciáért felelős R5 génekre. Munkánk során vizsgáljuk a PVY és fitoftóra fertőzésre bekövetkező expressziós változásokat az intézetünkben nemesített White Lady burgonya fajtában, kontroll, nem fertőzött növényhez viszonyítva. Az expressziós változást mutató szekvenciákat bioinformatikai módszerekkel elemezzük (homológia keresés, a rezisztencia génekre jellemző NBS, LRR motívumok azonosítása), így kiválasztva a rezisztencia válasz szempontjából releváns génjelölteket. A génjelölteket cDNS klóntárból izoláljuk, és tranziensen expresszáltatjuk dohányban, illetve burgonyában, vizsgálva a gén valós funkcióját. Reményeink szerint sikerül izolálnunk a Rysto és R5 rezisztencia géneket, valamint azonosítani tudunk egyéb, a fertőzésekre adott válaszreakcióban szerepet játszó géneket is.

A fejlesztés során milyen prototípus/ termék/ technológia/ szolgáltatás jön létre?

A jelen kutatási program eredményeként izolált rezisztencia gének szekvenciájának megismerésével, lehetségessé válik olyan innovatív DNS alapú szelekciós rendszerek (MAS – marker assisted selection) kidolgozása, amellyel a burgonyanemesítés folyamata felgyorsítható, hatékonysága növelhető. Az eljárás használatával, nem lesz szükség a karantén kórokozókkal szembeni rezisztencia külföldi laboratóriumokban való, drága vizsgálatára. A markerekkel azonosítani tudjuk a rezisztenciagéneket legkedvezőbb allél-kombinációban hordozó vonalakat, ami hozzásegít új multi-rezisztens fajták létrehozásához. Reményeink szerint a térképezési munkával sikerül létrehoznunk az első referenciaként is használható tetraploid szintű kapcsoltsági térképet a burgonyában. E térkép használatával a nemesítés hatékonysága tovább növelhető, hiszen bármilyen tulajdonságot a térképre illesztve a kapcsolt markerek segítségével lehetővé vélik azok marker alapú szelekciója.

A létrejövő termék/technológia milyen műszaki –tudományos újdonsággal bír?

A jelen kutatási programban felvázolt génexpresszió felöli megközelítéssel reményeink szerint sikerül azonosítanunk és izolálnunk a keszthelyi nemesítési anyagokra jellemező Rysto és R5 géneket. Ezen gének izolálása önmagában jelentős tudományos teljesítmény lenne, hiszen máig, noha több nemzetközi kutatócsoport is dolgozik rajta, nem sikerült ezeket a rezisztencia géneket izolálni. Az izolált gének funkcionális elemzésével tisztázhatjuk ezen gének szerepét a burgonya fitoftóra, illetve PVY fertőzés hatására adott válaszreakcióiban.

Mindezek mellett, az itt felvázolt módszerek lehetőséget adnak, a burgonya biotikus stressz válaszában fontos szerepet betöltő egyéb gének azonítására is.

Noha az itt felvázolt kutatási program alapkutatás jellegű, a kapott eredményeket közvetlenül is alkalmazhatjuk az keszthelyi Burgonyakutatási Központban folyó hagyományos rezisztencia nemesítési programban. A rezisztencia gének meghatározásával azokra specifikus primerek tervezhetőek, így egyszerű molekuláris genetikai eljárásokkal a gének, allélok öröklése könnyen nyomon követhetővé válik, rövidítve ezzel a fajta előállításra fordított időt. Továbbá olyan innovatív DNS alapú diagnosztai eljárások kidolgozására is lehetőséget ad, amelyek egyszerre akár több tulajdonság szimultán szelekcióját (multiplex PCR eljárások) is lehetővé teszik. A gének izolálásával tehát lehetővé válik egyrészt, az alapkutatási jelentőséggel bíró rezisztencia mechanizmusok tanulmányozása, másrészt – genetikai módosítással és a célgének közvetlen nyomon követésével – a kórokozókkal szemben rezisztens fajták gyors és célzott előállítása.

A létrejövő termék/technológia hasznosítása és üzleti modellje?

A jelen projekt alapkutatás jellege miatt a keletkező eredmények közvetlen üzleti felhasználása nem releváns.

Miért lesz hasznos a társadalom számára?

A jelen kutatási programban felvázolt génexpresszió felöli megközelítéssel kapott eredmények ugyan alapkutatás jellegűek, azonban azokat közvetlenül is alkalmazhatjuk a hagyományos rezisztencia nemesítési programokban. A rezisztencia gének meghatározásával, és az ezeken alapuló egyszerű molekuláris genetikai eljárások alkalmazásával a gének, allélok öröklése könnyen nyomon követhetővé válik, ezáltal rövidítve - a komplex biotikus rezisztenciával valamint a felhasználás szempontjából kedvező tulajdonságokkal rendelkező - új fajták előállításra fordított időt. Ezen fajták termesztésbe vonása pedig a továbbiakban lehetővé teszi a termés minőségének és mennyiségének további javítását növényvédőszeres kezelések minimalizálása mellett, csökkentve a környezet terhelését és javítva az élelmiszerbiztonságot, amely hozzásegít minket, a hosszútávon fenntartható fejlődéshez biztosításához.