Szimbiózis és Növénygenomika Csoport

Kutatás

Az éghajlatváltozás, a környezetszennyezés, az energiaválság, az élelmezésbiztonság és a világjárványok napjaink legnagyobb társadalmi kihívásai közé tartoznak. Korunk egyik legnagyobb megoldandó feladata, hogy hogyan lehet az emberiség élelmiszer igényét környezetbarát módon kielégíteni. A nitrogénműtrágyák használata megsokszorozta a mezőgazdasági termelékenységet, ami az emberi népesség robbanásszerű növekedéséhez vezetett. Azonban a nitrogéntartalmú műtrágyák túlzott használata súlyosan szennyezi a környezetet, és nagymértékben hozzájárul az üvegházhatású gázok növekedéséhez a légkörben. A műtrágyákkal szemben, a biológiai nitrogénmegkötésnek semmilyen kedvezőtlen hatása nincs a környezetre, és jelentősen képes hozzájárulni a fenntartható mezőgazdasági termeléshez, valamint a növények, az állatok és az emberek egészségéhez. A biológiai nitrogénmegkötés leghatékonyabb formája a pillangósvirágú növények és a rhizobium baktériumok között kialakuló szimbiózis során valósul meg.

A pillangósvirágú növények alkotják a virágos növények harmadik legnépesebb csoportját. A Medicago truncatula és a többi pillangósvirágú növény nitrogénkötő szimbiotikus kapcsolatot képes kialakítani talajlakó rhizobium baktériumokkal, ami a biológia nitrogénkötés leghatékonyabb módja.

A szimbiotikus nitrogénkötés helye a két szimbiotikus partner együttműködésének eredményeként a gazdanövény gyökerén kialakuló szerv, a gyökérgümő. A bakteriális partner a gyökérgümő sejtjeiben végzi a légköri nitrogén redukcióját, és teszi elérhetővé a nitrogént kötött formában a gazdanövény számára. A szimbiotikus kapcsolat kialakulása két partner közötti többszörös jelcsere révén indul el. A baktérium által termelt nodulációs faktor (Nod faktor) számos elektrofiziológiai, morfológiai és génexpressziós változást képes elindítani a növény gyökér sejtjeiben. A partner rhizobiumok gyökérszőrökön történő megtapadása a plazma membrán betűrődésével egy infekciós fonal kialakulását eredményezi, amelyeken keresztül a baktériumok a gyökér mélyebb rétegeibe jutnak. Ezzel egy időben a gyökér belső kéreg sejtjeinek egy része újra osztódásnak indul létrehozva a gümőkezdeményt. Amint az infekciós fonalak elérik a növekvő gümőkezdemény sejtjeit, ott egy endocitózis jellegű folyamat révén a gümő sejtjeibe kerülnek. A növényi plazmamembránnal körülhatárolt baktériumok alkotják szimbioszómákat, melyekben a baktériumok morfológiai és anyagcsere változását (differenciálódását) követően a nitrogénkötés zajlik. A M. truncatula és annak közeli rokonainak gümőiben a rhizobiumok differenciálódása egy irreverzibilis folyamat, melyet a gazdanövény által termelt gümő specifikus ciszteinben gazdag (NCR) peptidek irányítanak.

Csoportunk kutatási témája a szimbiotikus nitrogénkötő kapcsolat molekuláris szintű vizsgálata és a kölcsönhatás molekuláris hátterének felderítése. Kutatásaink egyik célja a M. truncatula és a rhizobium partnere közötti kölcsönhatás kialakulásához szükséges szimbiotikus gének azonosítása, a szimbiotikus folyamatban résztvevő fehérjék kölcsönhatásának vizsgálata és az együttélést szabályozó mechanizmusok felderítése modern molekuláris biológiai módszerek felhasználásával. A talaj mikrobiomban több száz olyan rhizóbium törzs van, amely rendelkezik az adott területen fejlődő vagy termesztett pillangósvirágú növénnyel kialakítandó együttműködéshez szükséges eszköztárral. Így, a növényeknek az elengedhetetlen eszköztáron felül rendelkezniük azzal a képességgel, hogy a számukra legkedvezőbb partnert tudják kiválasztani. Kutatásaink másik kérdése, hogy mely növényi fehérjék felelősek a partner kiválasztásáért és mely bakteriális gének tesznek egy rhizóbiumot „vonzóvá” vagy „elfogadhatatlanná” a növény számára. Az NCR peptidek vizsgálatának célja a peptidek működésének és szerepének megértése, és annak megismerése, hogyan fejtik ki hatásukat a bakteriális partnerben. A nagyszámú NCR géncsalád kationos tagjai egyéb baktériumokkal és gombákkal szemben figyelemreméltó antimikrobiális hatással is bírnak. Kutatásaink során szeretnénk megérteni ezeknek az NCR peptideknek az antibakteriális hatásmechanizmusát, valamint vizsgáljuk az NCR peptidek orvosi alkalmazhatóságát is.