DivGene - o projekcie
Nazwa programu: Badania naukowe finansowane ze środków Norweskiego Mechanizmu Finansowego na lata 2014 – 2021
Tytuł projektu: Analiza zmienności genów kluczowych w interakcji ziemniaka i Phytophthora infestans
Tytuł w języku angielskim: Diversity analyses of key genes involved in interaction between potato and Phytophthora infestans
Wysokość finansowania: 6 388 875,00 PLN
Nr umowy: UMO-2019/34/H/NZ9/00559
Operator Programu: Narodowe Centrum Nauki
Konkurs: Grieg-1 https://www.ncn.gov.pl/eeanorwaygrants/calls/grieg
Akronim: DivGene
Okres realizacji: 36 miesięcy, 11.09.2020-10.09.2023
Kierownik projektu: prof. Jadwiga Śliwka, IHAR-PIB
Partner projektu: prof. May Bente Brurberg, NIBIO
Partnerzy:
- Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin – Państwowy Instytut Badawczy (IHAR-PIB), Polska
- Norsk institutt for bioøkonomi (NIBIO), Norwegia
Wspólnie działamy na rzecz Europy zielonej, konkurencyjnej i sprzyjającej integracji społecznej
Norway Grants: www.norwaygrants.org
Głównym celem projektu DivGene jest rozszerzenie wiedzy na temat chorób roślin i czynników wpływających na odporność lub podatność roślin na choroby. Badania dotyczą ziemniaka, który jest czwartą najważniejszą rośliną uprawną na świecie oraz jego najważniejszej pod względem ekonomicznym choroby, zarazy ziemniaka. Jest to choroba, która atakuje ziemniaki i pomidory wszędzie tam, gdzie są uprawiane i która w sprzyjających warunkach, przy wysokiej wilgotności i umiarkowanych temperaturach może powodować straty plonu sięgające 100%. Brakuje odmian odpornych na zarazę ziemniaka, których uprawa pozwoliłaby zminimalizować ochronę chemiczną. Jedną z przyczyn tego braku, jest szybka ewolucja patogenu wywołującego zarazę ziemniaka. Jest to organizm grzybopodobny, który w ślad za ziemniakiem, z Ameryki rozprzestrzenił się na całym świecie. Jego duże zdolności adaptacyjne oznaczają, że po wprowadzeniu do uprawy nowej odpornej odmiany ziemniaka, szybko pojawiają się i zaczynają szerzyć szczepy patogenu zdolne do przełamania odporności i skutecznego infekowania nowej odmiany.
W ostatnich czasach poznano sekwencje DNA ok. 20 genów głównych odporności na zarazę ziemniaka, zaś ok. 60 takich genów zidentyfikowano i zmapowano u ziemniaka i jego dzikich krewnych. Nie wiemy jednak, które ze znanych genów odporności są obecne w uprawianych odmianach, zwłaszcza, że odporność wielu z nich została przełamana. Pierwszym celem szczegółowym projektu DivGene jest zdiagnozowanie obecności kilku wybranych genów odporności na zarazę ziemniaka i analiza ich zróżnicowania w odmianach ziemniaka uprawianych w Polsce i Norwegii. Produkty genów odporności działają jak włączniki alarmowe, które rozpoznają białka patogenu i włączają reakcje obronne rośliny, prowadzące do odporności. W zaledwie 10 przypadkach wiemy, jakie białka zarazy ziemniaka są rozpoznawane przez białka odporności ziemniaka. Wszystkie one należą do rodziny efektorów o charakterystycznym motywie RxLR. Drugim celem szczegółowym projektu jest analiza zmienności genów kodujących efektory zarazy ziemniaka w populacjach patogenu z Polski i Norwegii. Te dwa cele zostaną zrealizowane przy zastosowaniu wysokowydajnego sekwencjonowania nowej generacji i techniki pozwalającej na wybiórcze sekwencjonowanie interesujących genów (AmpSeq). Takie podejście pozwoli nam na uzyskanie danych o zróżnicowaniu genów kluczowych dla interakcji ziemniak – zaraza ziemniaka w nieosiągalnej dotąd skali populacyjnej. Natomiast dzięki współpracy polsko-norweskiej w ramach projektu, uzyskamy dane z dwóch różnych środowisk, które pozwolą nam lepiej zweryfikować hipotezę badawczą mówiącą, że to zróżnicowanie genów odporności rośliny i genów kodujących efektory patogenu kształtuje ko-ewolucję układu roślina-patogen.
Kolejne dwa cele projektu DivGene to fenotypowa weryfikacja wyników analizy zróżnicowania genów 1) ziemniaka i 2) patogenu uzyskanych metodą AmpSeq. W testach fitopatologicznych, używając roślin różniących się posiadanymi genami odporności oraz izolatów patogenu o zdefiniowanych właściwościach chorobotwórczych, potwierdzimy zarówno wirulencję badanych izolatów patogenu posiadających różne warianty efektorów, jak i odporność odmian ziemniaka z różnymi wariantami genów odporności. Zmierzymy także ekspresję badanych genów podczas rozwoju choroby, by potwierdzić ich faktyczny udział w interakcji.
Spodziewane efekty projektu to nowa wiedza na temat interakcji roślina-patogen i najważniejszych genów w nią zaangażowanych na przykładzie modelowego układu ziemniak-zaraza ziemniaka. Wiedza ta przyczyni się do odpowiedzi na pytania: dlaczego odporność roślin nie jest trwała, czy trwałość odporności warunkowanej przez poszczególne geny może być różna, co kształtuje populacje patogenu i dlaczego niektóre szczepy zaczynają w nich dominować w Polsce i Norwegii. Lepsze zrozumienie interakcji roślin i patogenów może w przyszłości zostać wykorzystane w praktycznej hodowli i usprawnianiu metod zwalczania chorób roślin, co przyczyni się do zmniejszenia stosowania pestycydów i negatywnego wpływu upraw na środowisko naturalne.
Scientific research financed by Norway Grants
Project title: Diversity analyses of key genes involved in interaction between potato and Phytophthora infestans
Funding: 6 388 875,00 PLN
Grant: UMO-2019/34/H/NZ9/00559
Program Operator: National Science Centre
Call: Grieg-1 https://www.ncn.gov.pl/eeanorwaygrants/calls/grieg
Acronym: DivGene
Duration: 36 months, 11.09.2020-10.09.2023
Principal investigator: prof. Jadwiga Śliwka
Project partner: prof. May Bente Brurberg
Partners:
- Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin – Państwowy Instytut Badawczy (IHAR-PIB), Poland
- Norsk institutt for bioøkonomi (NIBIO), Norway
Working together for agreen, competitive and inclusive Europe
Norway Grants: www.norwaygrants.org
The main objective of the DivGene project is to widen our knowledge on plant diseases and the factors influencing resistance or susceptibility to pathogens. The research object is potato, the fourth most important cultivated plant in the world, and its economically the most important disease, potato late blight. This is a disease, which attacks potatoes and tomatoes wherever they are grown and which in suitable conditions, at high humidity and moderate temperature, can cause yield losses up to 100%. There is a lack of potato cultivars resistant to late blight that could minimize chemical protection of the plantations. One of the reasons for this lack is the fast evolution of the pathogen causing late blight. It is a fungus-like organism which spread all over the world from America following the potato. Its strong adaptation potential means that soon after the introduction of a new resistant potato variety, new pathogen strains appear and spread, able to overcome the resistance and successfully infect the new cultivar.
Recently, DNA sequences of ca. 20 major resistance genes against potato late blight have been elucidated and ca. 60 of such genes have been identified and mapped in potato and its wild relatives. However, we do not know which of the known resistance genes are present in the currently grown cultivars, especially that the resistance of many of them has been overcome. The first specific objective of the DevGene project is diagnosing of the presence of several late blight resistance genes and analysis of their diversity in potato cultivars grown in Poland and Norway. The products of resistance genes work as alarm switches that recognize pathogen’s proteins and start defense reactions that result in resistance. In only 10 cases we know, which late blight proteins are recognized by the potato resistance proteins. They all belong to the family of effectors with a characteristic RxLR motive. A second project objective is diversity analysis of the genes encoding late blight effectors in the populations of the pathogen in Poland and Norway. These two goals will be achieved with use of high throughput next generation sequencing method and a technique allowing for selective sequencing of the genes of interest (AmpSeq). This approach will allow us to obtain data on diversity of the genes crucial for the interaction between potato and late blight in a population scale that was so far not possible. A significant advantage of the Polish-Norwegian cooperation within the project will be that we will obtain data from two different environments, which will be used for stronger verification of the hypothesis that the diversity of plant resistance genes and the genes encoding pathogen’s effectors shape the co-evolution of the plant-microbe pathosystem.
Phenotypic validations of the results of the 1) potato and 2) pathogen gene diversity analyses, based on the AmpSeq method, are next two objectives of the DivGene project. In phytopathological tests, using plants differing by their resistance gene contents and pathogen isolates with defined abilities to cause disease, we will confirm both the virulence of the investigated pathogen isolates with different effector variants, and the resistance of potato cultivars with different variants of the resistance genes. We will measure also the expression of the studied genes during the disease development to confirm their actual involvement in the interaction.
The expected effect of the project is new knowledge on plant-pathogen interactions and the most important genes involved in it, illustrated by the model example of the potato-late blight pathosystem. The knowledge will help us to answer the questions: why the plant resistance is not durable, whether the durability of resistance conferred by different genes can also be different, what shapes the late blight pathogen populations and why some strains started to dominate them in Poland and Norway. Better understanding of the interactions between plants and pathogens can in future be exploited in practical plant breeding and in improvement of the disease control methods, which will help to reduce pesticide usage and the negative impact of the agriculture on the natural environment.