témavezető: Kereszt Attila
helyszín (magyar oldal): MTA SZBK Biokémiai Intézet, Szimbiózis és Funkcionális Genomikai Egység, Növénygenomika Csoport helyszín rövidítés: SzBK
A kutatási téma leírása:
PROJEKT ÖSSZEFOGLALÓ
A pillangósvirágú növények és a rhizobium baktériumok között kialakuló szimbiózist általában mutualizmusnak, azaz kölcsönösen előnyös kapcsolatnak tekintjük, azonban egyre több a bizonyíték arra, hogy a szimbitikus partnerek folyamatosan olyan mechanizmusokat alakítanak ki, melyek segítségével maximalizálni tudják a partnerségből származó hasznukat. Erre jó példa a Medicago truncatula - Sinorhizobium meliloti szimbiózis, ahol a növény a partnere által elözönlött sejtjeiben kis peptidek tömegét termeli a célból, hogy a baktériumok egy terminális differenciálódáson menjenek keresztül, melynek eredményeképp hatékonyabban kötik a légköri nitrogént. Másrészt a baktériumok olyan kiegészítő funkciókra tesznek szert, melyek segítségével "csalhatnak", azaz a növényektől kapott forrásokat nem nitrogén-fixálásra használják fel és/vagy a szimbiotikus szervben nem differenciálódott sejtek nagyobb populációját hozhatják létre, amely aztán a kölcsönhatás megszűntekor kikerül a környezetbe. Legtöbbször ezek a gének szignifikánsan nem gátolják a nitrogénkötést, de szimbiotikus inkompatibilitáshoz vezetnek azokban az esetekben, amikor a partner egy bizonyos gént vagy gén variánst hordoz. A projekt keretében szimbiotikus inkompatibilitást okozó bakteriális és növényi géneket azonosítunk.
HÁTTÉR
A több mint 18000 fajt tartalmazó pillangósvirágúak (Fabaceae) a virágos növények harmadik legnépesebb családja és a világ növénytermesztésének ~27%-át ide tartozó fajokból nyerik. Gazdasági és ökológiai jelentőségükat annak köszönhetik, hogy képesek mutualista kacsolatot kialakítani összefoglaló néven rhizobiumoknak nevezett α- és β-Proteobaktériumokkal. Ez a kapcsolat redukált nitrogénnel látja el a gazdanövényt, míg a baktérium számára szénforrást valamint a szaporodáshoz megfelelő környezetet biztosít. Ez a kapcsolat a rhizoszférában kezdődik, ahol egy molekuláris párbeszédet követően a baktériumok a gyökérszőrökhöz tapadnak, majd egy infekciós fonalnak nevezett csőszerű struktúrán keresztül bejutnak a növény belsejébe. Ezzel párhuzamosan a kéregben a sejtosztódás újraindulásával egy primordium jön létre, melynek működése révén kialakul egy új szerv, a gyökérgümő. Amikor a folyamatosan növekvő infekciós fonalak elérik a gümő primordiumot a baktériumok egy növényi eredetetű membránba burkolva bekerülnek a gümősejtek citoplazmájába, és szimbioszómának nevezett organellum-szerű struktúrák alakulnak ki. A szimbioszómában a baktériumok átalakulnak a légköri nitrogén ammóniává történő átalakítását katalizáló enzim komplexet termelő bakteroidokká. Amikor egyébként más partnerekkel hatékony szimbiózis kialakítására képes partnerek nitrogénkötésre képtelen kapcsolatot alakítanak ki, akkor szimbiotikus inkompatibilitásról beszélünk. Ezen "gene-for-gene" kölcsönhatások felderítése és megértése rávilágíthat a szimbiózis keretében folyó "fegyverkezési versenyre", melynek célja, hogy a partnerek a legtöbb hasznot realizálják a kapcsolatból.
JELENLEG FOLYÓ KUTATÁSOK
A szimbiotikus kapcsolatokban megnyilvánuló "gene-for-gene" kölcsönhatások tanulmányozására a Medicago truncatula -Sinorhizobium meliloti modell rendszert használjuk. A Földközi-tenger vidékéről gyűjtött nagyszámú M. truncatula ökotípus szimbiotikus hatékonyságát teszteltük steril körülmények között a világ számos pontjáról származó baktérium törzzsel és ily módon inkompatibilis interakciókat azonosítottunk. A vizsgálatok során konstitutív illetve szimbiózis-specifikus promóterekkel fúzionált riporter géneket hordozó baktériumokkal fertőzzük a növényeket, majd a létrejött gümőket mikroszkópia segítségével vizsgáljuk és megállapítjuk, hogy a gümőfejlődés mely szakaszában feneklett meg a folyamat. A bakteriális és növényi génexpresszió genomszintű vizsgálatát elvégezzük mind kompatibilis, mind inkompatibilis kapcsolatokban, majd összehasonlításukkal meghatározzuk mely gének kifejeződése nem változott megfelelően. Ez az összehasonlító elemzés feltárhatja, hogy milyen biológiai útvonalakat befolyásol az inkompatibilitás és jelezheti a tulajdonságért felelős gének funkcióját. Végül izoláljuk és jellemezzük a géneket, melyek felelőssé tehetők a partnerség nem megfelelő működésért.
SPECIFIKUS CÉLOK
A kompatibilis és inkompatibilis kölcsönhatások jellemzése és összehasonlítása fény-, konfokális- és elektronmikroszkópia segítségével konstitutív illetve szimbiózis-specifikus promóterekkel fúzionált riporter géneket hordozó baktériumok felhasználásával.
A szimbiotikus partnerek genomszintű génexpressziós profiljának meghatározása RNS szekvenálás segítségével. A kompatibilis és inkompatibilis kölcsönhatásokban meghatározott profilok összehasonlítása.
Az inkompatibilitásért felelő bakteriális gén izolálása teljes genom mutagenezis és/vagy komplementációs kísérletek segítségével.
A hatékony szimbiózis kialakulását megakadályozó növényi gén azonosítása térképezésen alapuló gén klónozás segítségével.
MEGTANULANDÓ/ALAKALMAZANDÓ MÓDSZEREK
• molekuláris biológia technikák (pl. kontrukciók létrehozása gének kifejeztetésére S. meliloti sejtekben és M. truncatula növényekben)
• rhizobiumok genetikai módosítása
• növényi transzformáció
• genetikai térképezés
• gén expressziós analízis (RNA-Seq, qRT-PCR)
• fény- and konfokális mikroszkópia (gümő- és bakteroid-fejlődés monitorozása növényekben)
JAVASOLT IRODALOM
Kereszt A et al.: Bacteroid development in legume nodules: evolution of mutual benefit or of sacrificial victims? Mol Plant-Microbe Int 24:1300-1309 (2011).
Kondorosi E et al.: A paradigm for endosymbiotic life: cell differentiation of rhizobium bacteria provoked by host plant factors. Ann Rev Microbiol 67: 611-628 (2013)
Tirichine L et al.: Mtsym6, a Gene Conditioning Sinorhizobium Strain-Specific Nitrogen Fixation in Medicago truncatula. Plant Physiol 123: 845–851 (2000).
Crook MB et al.: Rhizobial plasmids that cause impaired symbiotic nitrogen fixation and enhanced host invasion. Mol Plant Microbe Interact 25: 1026-1033 (2012).
előírt nyelvtudás: angol felvehető hallgatók száma: 1
Jelentkezési határidő: 2016-09-30
2024. IV. 17. ODT ülés Az ODT következő ülésére 2024. június 14-én, pénteken 10.00 órakor kerül sor a Semmelweis Egyetem Szenátusi termében (Bp. Üllői út 26. I. emelet).
Bejelentkezés
