Génspecifikus Mutagenezis és Növényi Produkció Kutatócsoport

Kutatás

A célzott génszerkesztés terén elért közelmúltbeli fejlődés új területet nyitott a növényi funkciók molekuláris biológiájának felfedezésében és a növénynemesítés támogatásában. A mezőgazdaság fenntarthatósága és a klímaváltozás hatásainak mérséklése egyre inkább kikényszerítik a növények tulajdonságainak javítására kifejlesztett legújabb módszerek bevezetését és alkalmazását.

1.     A kukorica szárazságtűrő válaszában szerepet játszó gének funkcionális jellemzése génspecifikus mutagenezissel

A meghatározott kukoricagén kikapcsolása olyan megváltozott anyagcserét eredményezhet, ami fokozott alkalmazkodást biztosíthat a korlátozott vízellátáshoz.

Egyik megközelítésünk szerint a megcélzott gén rövid fragmentumát úgy szintetizáljuk meg, hogy kódolja a kívánt tulajdonságot biztosító mutációkat, ezeket a molekulákat bejuttatjuk a kukorica protoplasztjaiba (Ref1), kalluszok, hajtás merisztémák (Ref2) vagy embriók sejtjeibe, ahol a javító fehérjék segítségével a kívánt változás megtörténik. Ma még ez a folyamat alacsony hatékonyságú, ezért kutatásunk egyik célja annak javítása.

A másik megközelítésünk a CRISPR/Cas9 rendszeren alapuló, precíz, hatékony, gén beépülést nem igénylő módszer kifejlesztése nehezen nemesíthető kukorica genotípusok számára.

Kutatásunk célja olyan genetikai anyag előállítása, amely fokozott szárazságtűrő képességgel rendelkezik, és mivel nem hordoz idegen géneket, ezért felhasználható a Kiskun Kutatóközpont Kft. nemesítési programjában. Ezek a kutatási témák az ˝Agrár-biotechnológia és precíziós nemesítés az élelmiszerbiztonságért˝ Nemzeti Laboratórium keretein belül valósulnak meg (RRF-2.3.1-21-2022-00007) (https://www.agri-biotech.hu/hu/kutatasi-teruletek/).

A transzformált és potenciálisan precíz mutációkat hordozó kukoricanövények regenerációja (A) és növekedése (B, C).

2. Az energiafűz zöld és fás biomassza hozamának genetikai és fejlődésbiológiai szabályozása

Az energiafűz (Salix viminalis) növények kulcsszerepet játszhatnak az éghajlatváltozási folyamatok mérséklésében azáltal, hogy gyenge minőségű és szikes talajok hasznosításával biogáztermelés nyersanyagaként (Ref3) kerülnek felhasználásra A sikeres alkalmazás feltétele a kívánt funkciók mögött meghúzódó genetikai és fejlődésbiológiai folyamatok ismerete, egyúttal azok hatékonyságának javítása.

Korábban igazoltuk, hogy a fűznövények kromoszómakészletének megkétszerezése és a tetraploid növények előállítása növeli a fotoszintézis hatékonyságát, a CO₂-felvételt, a fás szárban a kéreg és a faréteg vastagságát (Ref4), valamint beszámoltunk a tetraploid genotípusok nagyobb sótoleranciájáról ( Ref5).

A heterózis hatás kihasználása érdekében ígéretes tetraploid genotípusaink diploidokkal való keresztezésével triploid fűz nemesítő anyagokat hoztunk létre és jellemeztük azok jobb sótűrő képességét (Ref6), valamint a megnövekedett biomassza és biogáz hozamát. (Ref7) (2020-1.1.2-PIACI-KFI-2020-00117).

Triploid füzeket nagyobb növekedés, biomassza és metán termelés jellemzi a diploid és tetraploid szülőkhöz képest.

A triploid hibridek jobb sóstressz adaptációja talaj 1,5 és 2 g kg^-1 NaCl-tartalmával.

3. Kémiailag módosított DNS és RNS oligonukleotidok szintézise

DNS és RNS szintetizátor

A gének csendesítésétől a szerkesztésükig, a gyógyászattól a növénynemesítésig alapvető jelentőségűek a kémiailag előállított DNS és RNS molekulák. Az SZTE Orvosi Vegytani Intézet Nukleinsav Laboratóriumával szorosan együttműködve hazánkban egyedülálló csapatként biztosítunk a legkülönfélébb kutatási témákhoz optimális szerkezetű DNS és RNS oligonukleotidokat. (Ref8-10)

Szolgáltatásként a natív DNS és RNS oligonukleotidok szintézise mellett, kémiai módosítások beépítését is vállaljuk, mint amilyenek a foszforotioát kötések, fluoreszcens jelölések, LNA módosítások, 2´-OMe, 2´-MOE-nukleotidok.

Válogatott közlemények:

1. Tiricz, H et al, (2018): Relaxed chromatin induced by histone deacetylase inhibitors improves the oligonucleotide-directed gene editing in plant cells. J Plant Res.  131(1):179-189. (https://doi.org/10.1007/s10265-017-0975-8)
2. di, F., Nagy, B., Ferenc, G. et al. In planta test system for targeted cellular mutagenesis by injection of oligonucleotides to apical meristem of maize seedlings. Acta Physiol Plant 43, 79 (2021). https://doi.org/10.1007/s11738-021-03252-y
3. Kakuk B et al. (2021): Methane production from green and woody biomass using short rotation willow genotypes for bioenergy generation, Bioresource Technology, Volume 333, 125223, (https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125223).
4. Dudits D et al (2016): Response of Organ Structure and Physiology to Autotetraploidization in Early Development of Energy Willow Salix viminalis L. Plant Physiology170: 1504–1523 (https://doi.org/10.1104/pp.15.01679)
5. Cseri A. et al (2020): Increased adaptation of an energy willow cultivar to soil salinity by duplication of its genome size. Biomass and Bioenergy  140, 105655. (https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2020.105655)
6. Zombori Z et al. (2023): Expression of triploid heterosis in the biomass productivity of energy willow plants under salinity stress. Biomass and Bioenergy 174, 106852 , 10 p.
7. Dudits D et al (2022): Triploid Hybrid Vigor in Above-Ground Growth and Methane Fermentation Efficiency of Energy Willow. Frontiers in Plant Science 13, 770284 , 14 p.
8. Kupihár Z et al. (2023) Improved Metal-Free Approach for the Synthesis of Protected Thiol Containing Thymidine Nucleoside Phosphoramidite and Its Application for the Synthesis of Ligatable Oligonucleotide Conjugates, Pharmaceutics 15 : 1 p. 248
9. Szeltner, Z. et al. (2023) Probing telomeric-like G4 structures with full or partial 2′-deoxy-5-hydroxyuridine substitutions, Biochimie https://doi.org/10.1016/j.biochi.2023.01.009
10. Nyerges A. et al, 2018: Directed evolution of multiple genomic loci allows the prediction of antibiotic resistance. Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America 115 : 25 pp. E5726-E5735. , 10 p.