Projekti / Programi
Vrednotenje genotipov fižola (Phaseolus vulgaris L.) s pomočjo kandidatnih genov za odpornost proti suši
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.03.00 |
Biotehnika |
Rastlinska produkcija in predelava |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B225 |
Biomedicinske vede |
Rastlinska genetika |
Ph. vulgaris, suša, serinske proteaze, geni za odpornost, evalvacija, molekularni markerji, genske mape
Raziskovalci (15)
Organizacije (2)
Povzetek
Navadni fižol (Phaseolus vulgaris L.) je v svetovnem, kot v slovenskem merilu ena od najpomembnejših stročnic. Nedavno oblikovanje mednarodnega konzorcija za izboljšanje pridelka, kvalitete ter odpornosti proti različnim boleznim in stresom dodatno nakazuje pomen navadnega fižola. Fižol človeku zagotavlja pomemben vir proteinov, vitaminov in mineralov. Visoka vsebnost proteinov, vključno z esencialnimi aminokislinami, v evropskem prostoru predstavlja velik potencial kot nadomestek mesu. Navadni fižol je torej pomembna sestavina kvalitetne in zdrave prehrane, kar nas zavezuje k njegovemu ohranjanju kot tudi zviševanju pridelka in izboljšanju kvalitete. Evropska kmetijska proizvodnja, vključno s slovensko, je danes podvržena nestabilnim klimatskim razmeram s pogostimi pojavi suše in poplav. Različne vrste biotskega in abiotskega stresa postajajo s tem vedno večji problem tudi v pridelavi navadnega fižola ne glede na pridelovalni sistem. Tudi pri stročnicah pomembno prispeva k zmanjšanju pridelka. Ustvarjanje kultivarjev bodisi s klasičnimi žlahtniteljskimi pristopi bodisi z genetskim inženiringom, ki bi bili hkrati tudi kmetijsko-ekonomsko sprejemljivi, je torej neizogibno. Do kakršnih koli učinkov pa je nemogoče priti brez poprejšnjega vrednotenja in poznavanja mehanizmov odzivnosti različnih kultivarjev in Phaseolus vrst z različno genetsko zasnovo na stres. Diferencialno izražanje genov je med njimi eden izmed ključnih mehanizmov odpornosti na sušo. Ena izmed pomembnejših posledic sprememb v izražanju genov je lahko tudi proteolitska aktivnost povezana z razgradnjo proteinov, ki predstavlja esencialen mehanizem v adaptaciji rastlin na okoljske razmere. Proteaze s svojim delovanjem vplivajo na vsebnost proteinov v razmerah, ki zahtevajo spremenjen metabolni status ali odstranitev poškodovanih proteinov vendar povzročajo tudi nekontrolirano proteolizo. Da bi bolje razumeli njihov vpliv, je potrebno nadaljevati z našimi raziskavami ter tako podrobneje opredeliti njihovo delovanje v sušnih razmerah, s končnim ciljem pridobitve njihove celotne podobe na strukturni (na ravni genov) in funkcijski (mRNA, proteini) ravni. S prepoznavanjem potenciala DNK markerjev v žlahtnjenju se je pričela njihova aplikacija. Cilj predlaganega projekta je zato identifikacija genov, povezanih z odpornostjo na sušo ter priprava populacije za kartiranje, ki predstavlja ključni korak v izdelavi vezane karte (linkage map). Starševske linije bomo izbirali med slovenskimi genotipi navadnega fižola, ki se nahajajo v genski banki pri Kmetijskem inštitutu Slovenije. Genotipe, ki so prilagojeni slovenskemu eko-geografskemu prostoru, bomo iskali na osnovi različnega odziva na sušni stres in razlik v ostalih kmetijsko pomembnih lastnostih z uporabo morfometričnega, biokemičnega in molekularnega pristopa.
Pomen za razvoj znanosti
Za rastline je izredno pomemben ustrezen odziv na zunanje dražljaje na celičnem nivoju, zlasti v primeru stresa zaradi neugodnih pogojev okolja. Rastline so zato razvile fiziološke in biokemične mehanizme, ki jim omogočajo preživetje in ki jih, kljub temeljitem proučevanju, še zlepa ne bomo popolnoma razumeli. Rezultati našega projekta so doprinos razumevanju odziva pomembne poljščine, navadnega fižola (Phaseolus vulgaris), na sušo, ki je glavni omejitveni faktor v rastlinski pridelavi.
Čeprav je bila osnova predlaganega projekta vzgoja linij odpornih na sušo, ki bodo nadalje vključene v proces selekcije, so bazične raziskave na področju diferencialnega izražanja genov in aktivnosti proteolitičnih encimov, kot je bila naša, nujne za razumevanje elementov in mehanizmov odpornosti rastlin. Pri nekaterih modelnih rastlinah so že ugotovili, da se pod vplivom suše spreminja izražanje velikega števila genov. Rezultati tega projekta pa so med prvimi objavljenimi za navadni fižol. Dočim smo pokazali, da vsaj šest identificiranih transkriptov, različno akumuliranih pod vplivom suše pri fižolu, ustreza tistim, katerih izražanje se spremeni v suši pri Arabidopsis thaliana, za pet od genov, ki smo jih identificirali, dosedaj ni bilo objavljeno, da na njih vpliva pomanjkanje vode. Pomembno je tudi, da nobeden od genov, ki smo jih identificirali v fižolovih listih, ne ustreza tistim, za katere so objavili, da se njihovo izražanje spreminja pod vplivom suše v fižolovih koreninah. Čeprav je dobro znano, da imajo proteaze pomembno vlogo v življenju, obrambnih mehanizmih in staranju rastlin, se relativno malo ve o njihovi vpletenosti v odziv na sušo. Rezultati projekta, ki so pokazali, da je vpleteno več serinskih endo- in aminopeptidaz, pomenijo nov korak v razumevanju pomembnega procesa regulacije razgradnje proteinov v suši. Zlasti je zanimiva fenilalaninska aminopeptidaza iz fižolovih listov, ki sodi med redke do sedaj opisane serinske aminopeptidaze in med redke rastlinske fenilalaninske aminopeptidaze. Podali smo osnove za nadaljne raziskave strukture identificiranih proteolitičnih encimov, genov ki jih kodirajo in njihove vloge v odzivu na sušo.
Rezultati projekta so odprli pot za primerjavo genske ekspresije in delovanja proteolitičnih encimov v fižolovih vrstah in sortah različnih občutljivosti, kar bo omogočilo podrobno razumevanje posameznih celičnih mehanizmov pri izražanju genov za odpornost. Obstaja tudi možnost izboljšanja odpornosti rastlin s transformacijo z geni, ki so naravno prisotni v rastlinah. Da bi zasnovali učinkovite sisteme za spremembe rastline na nivoju genov in da bi predvideli posledice, je bistvenega pomena čim temeljitejše poznavanje metaboličnih procesov in njihove kontrole, kjer tudi lahko vidimo doprinos projekta. Poleg tega smo izbrali in razvili populacije za mapiranje, kar je osnova ter najpomembnejši del za bodoča genska in QTL mapiranja. Prvi znanstveni rezultati so že objavljeni v uglednih revijah, drugi pa so v pripravi za objavo.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt in njegovi rezultati se uklapljajo v Strategijo razvoja slovenskega kmetijstva in druge razvojne dokumente, v katerih je opredeljena usmeritev v stabilno pridelavo kakovostne in čim cenejše hrane ter zagotavljanje prehranske varnosti Slovenije. Okolju prijazni načini pridelave, ki se odražajo v ohranjanju rodovitnosti tal, varovanju okolja, ohranjanju biotske raznovrstnosti in tradicionalne podeželske krajine, so opredeljeni v Nacionalnem programu varstva okolja. 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. Izbor navadnega fižola je bil nameren, ker smo se zavedali pomena njegove hranilne in gospodarske vrednosti.
Po drugi strani je raziskava odziva te stročnice na sušo, zlasti na biokemičnem in molekularno biološkem nivoju, pomembna za Slovenijo, ker so tudi tu zadnje čase vse pogostejša sušna obdobja. Razvoj novih rastlinskih sort, ki bi zagotavljale ustrezne donose v rastlinski proizvodnji v sušnih razmerah pri nas, je za slovenske žlahtnjitelje velik izziv, kajti voda je eden od glavnih omejitvenih faktorjev v kmetijstvu, njeno pomanjkanje pa lahko znatno zmanjša pridelek posevka.
S tem projektom uvajamo v Slovenijo uporabo genetskih kart z genetskimi markerji, ki označujejo lokuse za kvalitativne in kvantitativne lastnosti (QTL) povezane s sušo pri fižolu. Take karte so se po svetu pokazale kot velik napredek v žlahtnjiteljskih procesih. Tovrstni genetski markerji so osnova za izvajanje 'selekcije s pomočjo markerjev' (anlg. marker assisted selection, MAS). Metoda MAS je bila v žlahtnjiteljske procese vpeljana predvsem zaradi možnosti: 1) sledenja zaželenih alelov v zaporednih generacijah, kar omogoča kopičenje različnih agronomsko pomembnih alelov, 2) identifikacije in selekcije primernih genotipov v segregirajočih populacijah ter 3) razbijanja povezav med zaželenimi aleli in nezaželenimi lokusi.
QTL analiza ponuja neomejene možnosti identifikacije kromosomskih regij, ki so odgovorne za fiziološke, morfološke in razvojne spremembe med rastjo rastlin ob nezadostni oskrbi z vodo. V sklopu našega projekta smo pripravili linije, ki so podlaga za QTL analize in izdelavo genetske karte navadnega fižola. Le-ta bo služila odkrivanju QTL, povezanih z višino pridelka ali pa izražanjem lastnosti rastlin, odgovornih za raven tolerance na sušo. Uporaba markerjev, povezanih s QTL v MAS bo osnova za kopičenje QTL v sortah navadnega fižola. Takšna strategija nam bo omogočila razvoj novih sort z visokim potencialom donosnosti in stabilnosti pridelka tudi v sušnejših rastnih pogojih.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
