Raziskave medceličnih komunikacij v večceličnih skupnostih različnih izolatov bakterije iz rodu Bacillus

Interakcije rastlina-mikrob in mikrob-mikrob v rizosferi so pokazatelj zdravja rastlin, produktivnosti in rodovitnosti tal. Bakterije, ki spodbujajo rast rastlin (plant growth-promoting bacteria = PGPB), so bakterije, ki lahko izboljšajo rast rastlin in ščitijo rastlino z različnimi mehanizmi pred boleznimi in abiotskim stresom. Ti bakterijski inokulanti, iz rodu Bacillus, so bili dokazani kot učinkovite in okolju prijazne alternative za kemične pesticide in gnojila,  lahko prispevajo h povečani kmetijski učinkovitosti z zmanjšanjem proizvodnih stroškov in onesnaževanja okolja s prekomerno uporabo kemičnih gnojil, Vendar kljub številnim prednostim in dobrim lastnostim PGPB niso konsistentno učunkoviti in zato potrebujemo nove, inovativne pristope, da izboljšamo te okolju prijazne tehnologije.  Za izboljšanje inokulantov potrebujemo novo razumevanje bakterijskih socialnih interakcij. Bakterije dojemamo kot »socialne«, saj večinoma živijo v večceličnih skupnostih (biofilmih), kjer nenehno vstopajo v tekmovanje za vire (hrano in prostor) in tudi v kooperativne (sinergijske) interakcije, ki povečujejo produktivnost skupine. Domnevamo, da imajo socialne interakcije  ključen vpliv na raznolikost, prostorsko organizacijo in ekološke funkcije bakterijskih skupnosti. Cilj projekta je osvetliti »socialne interakcije« (zaznavanje kvoruma in sorodstveno diskriminacijo) bakterij, ki so ključ k izboljšanju PGPB. Povezovanje bakterijskih socialnih interakcij ter njihovega vpliva na zdravje rastlin, je inovativno saj predstavlja še neraziskano temeljno področje, pomembno za razvoj bolj učinkovitih bakterijskih biopesticidov in biognojil. Moč in inovativnost projekta je, da združuje raziskave ekološko in kmetijsko pomembne bakterije (B. subtilis in sorodne vrste) in kmetijskih rastlin (na primer krompir, paradižnik) z najmodernejšimi metodološkimi pristopi (transkriptomika, konfokalna mikroskopija) in s skrbno zasnovanimi ter s hipotezami podprtimi eksperimenti in matematičnim modeliranjem. Predvidevamo, da bodo predlagane strategije, skozi sodelovanje treh priznanih raziskovalnih skupin iz treh inštitucij; UL-BF, NIB, UM, prineslo nova in fascinantna  odkritja o QS in KD, pomembna za razvoj PGPR tehnologij. Inovativnost, temeljni značaj ter pomen predlaganih raziskav zagotavljajo, da bodo rezultati objavljivi v zelo uglednih revijah in potencialno tudi iztočnica za prijavo paentov.

Projekt je temeljnega pomena, saj bo povečal naše razumevanje mehanizmov medceličnega signaliziranja, sorodstvene diskriminacije ter njihovega vpliva sestavo, stabilnost in funkcijo večcelične skupnosti v bifilmu. Poleg tega projekt naslavlja vpliv signaliziranja bakterij in drugih socialnih interakcij na  na rastlino. Pristop je izviren, eksperimenti pa zasnovani na podlagi ekološke  in evolucijske teorije. Raziskava je pomembnata za širše razumevanje mehanizmov socilanih interakcij in kako te nadzorujejo pomembne ekološke funkcije in lastnosti PGPR. Hipoteze, ki jih projekt naslavlja so izvirne in bin naslavljajo signalizirabje s peptidi, ki je dosti slabše razsikano kot to velja za signaliziranje po gramu negativnih bakterijah, ki uporabljajo acil-homoserin laktone. V projektu bodo uporabljene najnaprednejše metode molekularne in sistemske biologije, ki bodo poleg konfokalne mikrskopije, sofisticirano pripravljenih sevov ter modeliranja omogočili, da dosežemo stopnjo "beyond state of the art". V okviru projekta bomo prvič v Sloveniji razvili model za interakcije Bacillus: kmetijsko pomembna rastlina.  Uporaba B. subtilis - ključnega, tržno pomembnega, okolju prijaznega (GRAS), biokontrolnega sredstva - zagotavlja dodatno pomembnost zaradi njegovega delovanja proti rastlinskim patogenom in spodbujanja rasti gospodarsko pomembnih poljščin. Globalno povečanje števila prebivalstva in podnebne spremembe predstavljajo izziv za svetovno proizvodnjo poljščin in nujno potrebujemo inovativne rešitve za boj proti abiotskemu stresu, patogenom in škodljivcem. PGPR predstavlja eno ključnih rešitev tega problema. Slovenija ima omejena kmetijska zemljišča in zato še bolj nujno potrebuje okolju prijazne tehnologije za proizvodnjo visoko kakovostnih živil in ohranjanje produktivnosti teh zemljišč. Projekt bo okrepil sodelovanje med tremi komplementarnimi raziskovalnimi skupinami, obstječa mednarodna sodelovanja, in odprl vrata za  nove mednarodne projekte ter potencialno srednjeročno za patentiarnje in komercializacijo znanj.

The project is of fundamental importance as it will increase our understanding of cell-cell signalling mechanisms, kin discrimination and the impact and responses of genetically diverse bioinoculant communities. The approach is novel and hypothesis-driven and experiments will be designed based on ecological  and evolutionary theory. The research has relevance to the wide range of signal-based and other interactive processes occurring in soil or on plant roots. The use of B. subtilis, a key, commercially important, environmentally friendly (GRAS), biocontrol agent provides additional relevance, because of its action against plant pathogens and growth promotion of economically important crops. Hypotheses that will be tested in this project are highly relevant for understanding of social evolution, understanding of fundamental biological principles of social interactions, mechanism of bacterial communications and  plant response to microbial interactions. The state of the art comprises advanced methods in confocal microscopy, transcriptomic analyses and genetic engineering of bacterial strains together with   mathematical modeling of social networks and will further advance these methodologies. Global population increases and climate change pose a challenge to worldwide crop production and we are in urgent need of innovative solutions to combat abiotic stress, pathogens, and pests and PGPR represents a key solution to solve these challenges. Furthermore, Slovenia has limited agricultural lands and eco-friendly technologies and PGPR represent solution to preserve the productivity of our agricultural soils. The project will strengthen collaborations between three highly complementary Slovenian research groups in addition to international collaborations. Due to multidisciplinary approach the proposed scientific hypotheses will lead to important discoveries and high impact publications in the best journals, potentially also additional EU/international projects, in the medium-term, and in the long run  provide opportunities for patenting and commercial exploitation.