Növényi Stressz, Lipid és Fenomika Csoport

Kutatási témák

1, Fotoszintetikus elektrontranszport folyamatok vizsgálata és in silico modellezése

2, A szinglet oxigén szerepe a fotoszintetikus apparátus fénykárosításában

3, Cianobakteriális bioszenzorok

4, Korall szimbiózis

5, Növény- és algafenomika, mikrofluidika

6, Élővizek mikrobiális közösségeinek metagenomikai vizsgálata

Műszerpark

KORÁBBI CSOPORTTAGOK

Kiemelt publikációk

Kutatási témák

1, Fotoszintetikus elektrontranszport folyamatok vizsgálata és in silico modellezése

A földi élet alapjául szolgáló fényenergia átalakító folyamatok a növények, algák és cianobaktériumok tilakoid membránjaiba ágyazódott pigment-protein komplexek közvetítésével mennek végbe. Ezek a víz protonokra, elektronokra és oxigénre történő elbontását bontását végző második fotokémiai rendszer (PSII), a tilakoidon kívül végbemenő folyamatokhoz szükséges redukáló erőt (NADPH) biztosító első fotokémiai rendszer (PSI), valamint a PSII és PSI közötti elektrontranszportot közvetítő citokróm b₆f (cytb₆f) komplex. További fontos komponens az ATP szintáz (ATP-ase), amely a tilakoid két oldala között kialakuló proton H⁺ gradiens felhasználásával állítja elő a CO₂ megkötéshez és egyéb sejtfolyamatokhoz szükséges ATP-t. A széles időskálán ( 10^-9 – 10¹ s) lejátszódó fényindukált elektrontranszport folyamatok vizsgálata jelentős mértékben egyszerűsíthető egy in silico modellrendszer kidolgozásával. Munkánk célja a tilakoid membránban található, valamint azokkal kapcsolatban álló elektrontranszport komponensek közötti teljes kapcsolati hálózat számítógépes modellezése és a modell használata virtuális kísérletek elvégzésére, amelyek egyrészt lehetővé teszik a műszerekkel nem, vagy csak nehezen elérhető komponensek kinetikai változásainak a teljes időskálán történő megismerését, továbbá  célzott műszeres kísérletek optimális előkészítését.

A fotoszintetikus elektrontranszport komponensek hálózata a cianobakteriális tilakoid membránban

Vizsgálataink egyik fontos területe az alternatív elektrontranszport folyamatok jellemzése különös tekintettel a ciklikus elektrontranszporta, amelynek során a PSI akceptor oldaláról jutnak vissza elektronok a tilakoid membrán belsejében található plasztokinon (PQ) molekulákhoz. A folyamat jól követhető az általunk korábban felfedezett, fényimpulzus által indukált klorofill fluoreszcencia hullám jelenség segítségével. Kimutattuk, hogy a jelenség mikroalgák széles körében (cianobaktériumok, zöldalgák, szimbiotikus ostoros algák) megfigyelhető és alkalmas a ciklikus elektrontranszport mechanizmusainak és az azokban résztvevő komponensek azonosítására.

2, A szinglet oxigén szerepe a fotoszintetikus apparátus fénykárosításában

Annak ellenére, hogy a fény a fotoszintézis elsődleges hajtóereje a fény károsítja is fotoszintetikus apparátus komponenseit. Ez a fénygátlásnak nevezett jelenség elsősorban a PSII működését gátolja, amiben fontos szerepet játszik a szinglet oxigén (¹O₂). Munkánk egyik célja a PSII fénygátlási mechanizmusának tisztázása, különös tekintettel a ¹O₂ szerepére.  Korábban kidolgoztunk egy módszert a ¹O₂ képződési sebesség intakt mikroalga sejtekben történő meghatározására, ami lehetővé tette a ¹O₂ fénykárosításban betöltött szerepének vizsgálatát. Legújabb eredményeink szerint a károsító hatások mellett a ¹O₂ fontos szerepet játszik a fénygátlást kivédő mechanizmusok beindítását indukáló jelátviteli folyamatokban is.

Szinglet oxigén detektálás His-oxidáció által indukált oxigén felvétel révén mikroalga sejtekben

3, Cianobakteriális bioszenzorok

A környezetben az élő szervezeteket károsító anyagok széles skálája található meg, pl. különböző nehézfémek, amelyeknek gyors, hatékony és biológiai hatásaik szempontjából releváns kimutatása fontos prioritás. A Synechocystis 6803 modell cianobaktérium számos olyan gént tartalmaz, amelyek a sejtek nehézfém háztartásában specifikus szerepet játszó fehérjéket kódolnak. Korábban kidolgoztunk egy módszert, ami a nehézfém-indukálható Synechocystis gének promóter régióinak és a bakteriális luciferázt kódoló lux gén fúziójának felhasználásával lehetővé teszi nehézfémek (pl. Co²⁺, Ni⁺, Zn²⁺) jelenlétére biolumineszcencia kibocsátással reagáló bioriporter Synechocystis törzsek létrehozását, amelyek kalibrálás után bioszenzorként használhatók. Legújabb eredményeink szerint a nehézfém ionokat a sejtekből kipumpáló transzportereket kódoló gének inaktiválásával a bioriporter törzsek érzékenysége jelentősen megnövelhető, ami lehetővé teszi az egészségügyi határértéket elérő szennyeződések kimutatását is.

Egy általunk nemrégiben azonosított ¹O₂-indukálható promóter segítségével létrehoztunk egy szinglet oxigén bioriporter Synechocystis törzset is, amely alkalmas a sejtek belsejében történő ¹O₂ képződés követésére.

Lumineszcens Synechocystis bioriporter konstrukció

4, Korall szimbiózis

A páncélos ostorosokhoz tartozó alga, Symbiodiniaceae, kulcsszerepet játszik a korallok életfolyamataiban. A korallokban a csalánozókhoz tartozó virágállatok (Anthozoa) és a fotoszintetikus alga, Symbiodiniaceae igen finoman szabályozott kölcsönhatásban állnak, amely azonban kritikusan veszélyeztetett állapotba került a globális klímaváltozás káros hatásai miatt. Csoportunkban vizsgáljuk a Symbiodiniaceae algák fotoszintetikus folyamatait különböző környezeti stresszhatások (hő, fény, tápanyagtartalom megváltozása) során. Továbbá vizsgáljuk a szimbiotikus algák alternatív elektrontranszport folyamataiban szerepet játszó egyes komponensek működését.

A nagy korallzátony és a korallokkal szimbiózisban élő algák (Symbiodiniaceae) (saját fotók)

5, Növény- és algafenomika, mikrofluidika

A növénytudományok gyorsan fejlődő területe a fenomika, ami különböző távérzékelési és képalkotási módszerek alkalmazásával lehető teszi kontrollált körülmények között nevelt növények fejlődésének és fiziológiai állapotának pontos követését. Csoportunkban fejlesztünk és működtetünk növényfenomikai platformokat különböző gazdasági növények (búza, paradicsom, burgonya, kukorica, stb.) stressztoleranciájának vizsgálatára. Fontos terület a költséghatékony megoldások alkalmazása a mindenki számára hozzáférhető „affordable” fenotipizáló rendszerek létrehozására.

 Növényfenomikai platform

 A fenomikai módszerek fejlesztését és alkalmazását kiterjesztjük egysejtű mikroalgák vizsgálatára is fotoszintetikus aktivitásmérés és hiperspektrális képalkotás kombinációjával.

Az algafenomika kiemelt fontosságú területe a mikrofluidikai rendszerek kombinálása klorofill fluoreszcencia képalkotással, ami lehetővé teszi a fotoszintetikus aktivitás és morfológiai tulajdonságok egysejt szinten történő megfigyelését és monitorozását.

Mikrofluidikai csapdába befogott Symbiodinium sejt morfológiai változása a sejtfal leemésztése (protoplasztálás) során.

6, Élővizek mikrobiális közösségeinek metagenomikai vizsgálata

A természetes környezetünkben található mikrobák egymással szoros kapcsolatban élnek. Egymással kölcsönhatásban alakítják környezetüket és folytatnak összetett anyagcserét. A környezeti hatások, a rendelkezésre álló fény, tápanyag és egyéb paraméterek alapvető hatással vannak a mikroba közösségek összetételének kialakulására. Így egyes mikrobiális minták összetételének metagenomikai tanulmányozásával, a jelenlévő taxonok illetve gének azonosításával, következtethetünk a környezet állapotára, annak változásaira, szennyeződésekre, stb.

Ezen megközelítés alapján az utóbbi években összehasonlító metagenomikai vizsgálatokkal követtük a levelek felületén élő baktérium közösségek hatását a mezőgazdasági termelésben, antibiotikum rezisztencia markerek megjelenését urbánus hatásoknak kitett természetes élővizekben, valamint a klímaváltozás hatását felszíni vizek mikroba közösségeire.

Két vizsgált folyó leggyakoribb mikrobiális eukariota rendjei

Műszerpark

Oxigén polarográfia: Folyamatos és fény-impulzus által indukált oxigénfejlődés mérésekre.

DUAL-PAM mérőrendszer: Klorofill fluoreszcencia, NADPH fluoreszcencia és P700 abszorpció változások párhuzamos mérésére.

Photon Systems Instruments 3500 mérőrendszer: Fényimpulzus és folyamatos fény által indukált  változó klorofill fluoreszcencia kinetikai mérésekre.

Klorofill fluoreszcencia képalkotó mérőrendszerek: Mikroszkópos mérettől 15*15 cm-es méretig

Mikrofluidikai rendszer: Mikroalgák morfológiájának és fotoszintetikus aktivitásának egysejt szintű monitorozására.

Termolumineszcencia: Fotoszintetikus aktivitás mérésekre, a második fotokémiai rendszer (PSII) működésének vizsgálatára.

Növényfenomikai platformok: (i) Teljesen automatikus (PSI) rendszer 100-400 közepes méretű növényre. (ii) Saját építésű félautomata rendszer, max. 200 közepes méretű növényre. (iii) Saját építésű alacsony költségű, Internet of Things (IoT) rendszer 16 kisméretű növényekre.

Membrane Inlet Mass Spectrometer (MIMS, PSI MS-GAS 100): Alacsony molekulatömegű (<100) illékony anyagok detektálása

Mikroalga nevelés: Fotobioreaktorok, nevelő inkubátorok

Korábbi csoporttagok

Zsuzsanna Deák (PhD thesis 1993, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/5542/1/1993_deak_zsuzsanna.pdf)

Cornelia Spetea (PhD thesis 1996, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/4583/1/1996_cornelia_spetea.pdf)

Zoltán Máté (PhD thesis 2000, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/4307/1/2000_mate_zoltan.pdf)

Cosmin Sicora (PhD thesis 2003, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/149/1/2003_cosmin_ionel_sicora.pdf)

Otilia Silvia Cheregi (PhD thesis 2008, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/1143/1/Thesis_on_CD.pdf)

Loredana Peca (PhD thesis 2009, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/7487/1/2009_peca_loredana.pdf)

Krisztián Cser (PhD studies, 2005-2009)

Leyla Abasova (PhD thesis 2011, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/1282/1/Dissertation.pdf)

Éva Kiss (PhD thesis 2012, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/1664/1/Kiss_%C3%89va_disszert%C3%A1ci%C3%B3.pdf)

Csaba István Nagy (PhD thesis 2014, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/2415/1/NCsabaPhD2014.pdf)

István Zoltán Vass (PhD thesis 2014, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/2238/1/Vass_disszert%C3%A1ci%C3%B3.pdf)

Ateeq ur Rehman (PhD thesis 2016, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/2987/2/PhD%20Thesis_Ateeq%20ur%20Rehman.pdf)

Kenny Paul (PhD thesis 2016, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/2970/9/Kenny%20Paul-disszertacio.pdf)

Sandeesha Kodru (PhD thesis 2021, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/11072/1/PhD%20THESIS%20SANDEESHA%202021116_final.pdf)

Faiza Bashir (PhD thesis 2021, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/11071/2/thesis%20booklet%20Faiza%20Bashir.pdf)

Gábor Patyi (PhD thesis 2022, https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/11413/1/PG_PhD_diszertacio.pdf)

Kiemelt publikációk

Aslam SM, Vass I, Szabo M (2023) Characterization of the Flash-Induced Fluorescence Wave Phenomenon in the Coral Endosymbiont Algae, Symbiodiniaceae. International Journal of Molecular Sciences 24 (10). doi:10.3390/ijms24108712

Bashir F, Kovacs S, Abraham A, Nagy K, Ayaydin F, Valkony-Kelemen I, Ferenc G, Galajda P, Toth SZ, Sass L, Kos PB, Vass I, Szabo M (2022) Viable protoplast formation of the coral endosymbiont alga Symbiodinium spp. in a microfluidics platform. Lab on a Chip 22 (16):2986-2999. doi:10.1039/d2lc00130f

Patil PP, Vass I, Szabo M (2022) Characterization of the Wave Phenomenon in Flash-Induced Fluorescence Relaxation and Its Application to Study Cyclic Electron Pathways in Microalgae. International Journal of Molecular Sciences 23 (9). doi:10.3390/ijms23094927

Kondic-Spika A, Mikic S, Mirosavljevic M, Trkulja D, Jeromela AM, Rajkovic D, Radanovic A, Cvejic S, Glogovac S, Dodig D, Bozinovic S, Satovic Z, Lazarevic B, Simic D, Novoselovic D, Vass I, Pauk J, Miladinovic D (2022) Crop breeding for a changing climate in the Pannonian region: towards integration of modern phenotyping tools. Journal of Experimental Botany 73 (15):5089-5110. doi:10.1093/jxb/erac181

Bashir F, Rehman AU, Szabo M, Vass I (2021) Singlet oxygen damages the function of Photosystem II in isolated thylakoids and in the green alga Chlorella sorokiniana. Photosynthesis Research 149 (1-2):93-105. doi:10.1007/s11120-021-00841-3

Patyi G, Hodi B, Solymosi D, Vass I, Kos PB (2021) Increased sensitivity of heavy metal bioreporters in transporter deficient Synechocystis PCC6803 mutants. Plos One 16 (12). doi:10.1371/journal.pone.0261135

Rehman AU, Bashir F, Ayaydin F, Kota Z, Pali T, Vass I (2021) Proline is a quencher of singlet oxygen and superoxide both in in vitro systems and isolated thylakoids. Physiologia Plantarum 172 (1):7-18. doi:10.1111/ppl.13265

Kodru S, Rehman AU, Vass I (2020) Chloramphenicol enhances Photosystem II photodamage in intact cells of the cyanobacteriumSynechocystisPCC 6803. Photosynthesis Research 145 (3):227-235. doi:10.1007/s11120-020-00784-1

Patil PP, Vass I, Kodru S, Szabo M (2020) A multi-parametric screening platform for photosynthetic trait characterization of microalgae and cyanobacteria under inorganic carbon limitation. Plos One 15 (7). doi:10.1371/journal.pone.0236188