Biologijos (N 010) mokslo kryptis

Augalų ligų sukėlėjai (patogenai) yra vieni svarbiausių mikrobiomo komponentų, darančių didelį poveikį augaluose-šeimininkuose vykstantiems tiek ekologiniams, tiek evoliuciniams procesams. Taip pat, fitopatogeniniai mikroorganizmai (bakterijos, grybai) sukelia žymius ekonominius nuostolius daugelyje pasaulio šalių – augalų ligos lemia vidutiniškai iki 30 % pasaulinio pasėlių derliaus, tad kasmet padaromi milijardiniai nuostoliai. Todėl ypač didelis dėmesys pradėtas skirti patogeninių mikroorganizmų sąveikai su pažeidžiamais augalais. Pastarųjų metų tyrimai pasaulyje, tame tarpe ir Europoje, dabar daugiausia nukreipiami siekiant išsiaiškinti, kokie konkrečiai virulentiškumo faktoriai daro poveikį augalų sveikatai. Geresnis patogeninių mikroorganizmų turimų savybių žinojimas, populiacijos struktūros ir dinamikos supratimas gali paskatinti efektyvesnių kontrolės priemonių ir pažangesnių bei specifinių diagnostikos protokolų kūrimą.

Augalų ligas sukeliantys patogenai pastaraisiais metais Lietuvoje tiriami fragmentiškai, tyrimų atliekama per mažai. Tačiau jie yra svarbūs epidemiologine prasme – tyrimai suteiktų naujos informacijos apie sukėlėjų paplitimą Lietuvoje, o plačiau žvelgiant – ir Europoje. Geresnis patogeninių mikroorganizmų populiacijų struktūros ir dinamikos supratimas galėtų paskatinti efektyvesnių kontrolės priemonių ir pažangesnių bei specifinių diagnostikos protokolų kūrimą. Numatomo darbo tyrimų tikslas – naudojant molekulinės biologijos metodus identifikuoti ir genetiškai apibūdinti ligų sukėlėją(-us) augaluose-šeimininkuose, įvertinti jų virulentiškumo faktorius.

Šis darbas prisidėtų įgyvendinant 2022–2026 m. Gamtos tyrimų centro mokslinių tyrimų ir eksperimentinės plėtros programą „Kenksmingų medžiagų, patogenų ir nepalankių veiksnių sklaida besikeičiančioje aplinkoje rizikos vertinimo ir aplinkos kokybės gerinimo kontekste (TARŠA)“.

Pastaraisiais dešimtmečiais vienas iš didžiausią grėsmę miškų ekosistemoms keliančių veiksnių – ypač spartus invazinių organizmų (patogenų, vabzdžių ir kt.) plitimas. Jį skatina klimato kaita ir intensyvi tarptautinė prekyba, tokiu būdu invazinės rūšys patenka į naujas teritorijas ir sukelia didžiulius ekonominius ir ekologinius nuostolius. Pripažįstama, kad vienas tokių invazinių patogenų – tai guobų (Ulmus L.) marą (angl. Dutch Elm Disease, santrump. DED) sukeliantys Ophiostoma (Ascomycota) grybiniai mikroorganizmai. Per pastaruosius 100 metų ši liga sunaikino milijonus guobų medžių visame pasaulyje. Yra skelbiama, kad guobų maro sukėlėjai greitai evoliucionuoja: tyrimais įrodyta, kad tarp O. novo-ulmi porūšių turimų genų vyksta hibridizacija. Todėl tikima, kad patogenai turi didelį potencialą sudaryti vis agresyvesnius hibridus, kurie išstums mažiau agresyvius, kaip kad nutiko su O. ulmi rūšimi – kai kuriose šalyse šis patogenas nebeaptinkamas arba aptinkamas labai retai, pavieniais atvejais.
Pagal naujausius tyrimus atliktus Lietuvoje – kol kas nustatyta tik viena O. novo-ulmi rūšis, t. y. O. novo-ulmi ssp. novo-ulmi porūšis ir dviejų porūšių hibridas O. novo-ulmi ssp. novo-ulmi x ssp. americana. Tačiau vis dar lieka neaišku, kokiu būdu jie yra susiformavę, kaip ir iš kur plinta (O. novo-ulmi ssp. americana taip ir nebuvo aptikta). Taip pat paskelbti tyrimai apie mikobiotos skirtumus lyginant sveikus ir DED pažeistuose medžiuose aptinkamus, tačiau buvo pasiremta tik pasireiškusiais požymiais, kurie buvo priskirti DED, tačiau nevertinta koks porūšis ir (ar) hibridas yra paplitęs ir ar tai irgi galėjo turėti įtakos mikobiotos skirtumams pažeistuose augaluose. Todėl reikalingi detalesni, platesnio masto tyrimai – doktorantūros tyrimų metu tikimasi palyginti šalyje aptinkamų patogenų turimas savybes. Darbų metu būtų kaupiamos žinios apie ligos epidemiologiją, biologines ir ekologines guobų maro sukėlėjo (ar sukėlėjų) savybes. Molekulinių tyrimų pagalba būtų tiriamos patogenų populiacijų savybės, tokiu būdu būtų gauta daugiau informacijos apie populiacijų struktūrą, hibridų formavimosi galimybes ir kitos savybės, taip pat būtų sukaupta daugiau informacijos apie patogeno plitimo biologiją ir galimus plitimo kelius.

Sarcocystis genties atstovai – tai gausi, daugiau kaip 200 rūšių turinti, cistas sudarančių kokcidijų sistematinė grupė plačiai paplitusi įvairiose žinduolių, paukščių ir roplių rūšyse. Tarpinių šeimininkų raumenyse ir CNS formuojamos sarkocistos, o galutinių šeimininkų žarnyne – oocistos/sporocistos. Kai kurios Sarcocystis rūšys yra patogeninės žmogui, naminiams bei laukiniams gyvūnams. Patogeniškumas įprastai pasireiškia tarpiniuose šeimininkuose. Daugelyje gyvūnų rūšių nėra žinoma Sarcocystis rūšinė sudėtis, infekcijos paplitimo mastas, galutiniai šeimininkai, poveikis ir specifiškumas tarpiniam šeimininkui.

Dr. Petras Prakas yra pasauliniu mastu žinomas Sarcocystis parazitų tyrimų specialistas, šia tematika paklebęs 45  publikacijas (Clarivative Analytics mokslinės informacijos instituto duomenų bazėje „ISI Web of Science“), kartu su bendraautoriais aprašęs 15 naujas mokslui Sarcocystis rūšis. Įgyvendinant tyrimus bendradarbiaujama su Ispanijos, Latvijos, Vokietijos, JAV, Italijos, Suomijos, Danijos, Šveicarijos, Argentinos, Brazilijos, Čekijos mokslininkais.

Sarcocystis rūšys aprašomos tarpiniuose šeimininkuose derinant morfologinius ir molekulinės analizės metodus. Dažniausiai po gyvūno žūties, Sarcocystis parazitai tiriami analizuojant tarpinių šeimininkų raumenis. Tuo tarpu šių parazitų identifikavimo metodai kraujyje, galutinių šeimininkų žarnynuose, aplinkoje randamose išmatose nėra pakankamai išvystyti. Tokie tyrimai taikant DNR analizės metodus padėtų nustatyti infekciją ankstyvoje fazėje ir įvertinti įvairių plėšrūnų vaidmenį platinant Sarcocystis parazitus. Maisto saugos ir bioįvairovės tyrimų kontekste svarbu pabrėžti Sarcocystis spp. diagnostikos metodikų vystymo reikalingumą.

Naudojant branduolio, mitochondirijų ir apikoplastų DNR žymenis numatoma išsamiai genetiškai charakterizuoti Sarcocystis rūšis: S. glareoli ir S. microti (anksčiau priskirtas Frenkelia genčiai), sudarančias cistas smulkiųjų žinduolių smegenyse. Raumenyse sudarančios Sarcocystis rūšys bus identifikuojamos taikant sugrupuotų mėginių virškinimo ir DNR analinės metodus. Taikant elektroninės mikroskopijos ir molekulinius metodus tikimasi aprašyti naujas mokslui Sarcocystis rūšis. Taip pat bus siekiama palyginti analizuojamų parazitų rūšinę sudėtį smulkiuosiuose graužikuose sugautuose sinantropinėje aplinkoje Lietuvoje ir Ispanijoje bei sukurti efektyvią metodiką parazitų identifikacijai iš kraujo mėginių.

Sarcocystis genties atstovai – tai gausi, daugiau kaip 200 rūšių turinti, cistas sudarančių kokcidijų sistematinė grupė plačiai paplitusi įvairiose žinduolių, paukščių ir roplių rūšyse. Tarpinių šeimininkų raumenyse ir CNS formuojamos sarkocistos, o galutinių šeimininkų žarnyne – oocistos/sporocistos. Kai kurios Sarcocystis rūšys yra patogeninės žmogui, naminiams bei laukiniams gyvūnams. Patogeniškumas įprastai pasireiškia tarpiniuose šeimininkuose. Daugelyje gyvūnų rūšių nėra žinoma Sarcocystis rūšinė sudėtis, infekcijos paplitimo mastas, galutiniai šeimininkai, poveikis ir specifiškumas tarpiniam šeimininkui.

Dr. Petras Prakas yra pasauliniu mastu žinomas Sarcocystis parazitų tyrimų specialistas, šia tematika paklebęs 45  publikacijas (Clarivative Analytics mokslinės informacijos instituto duomenų bazėje „ISI Web of Science“), kartu su bendraautoriais aprašęs 15 naujas mokslui Sarcocystis rūšis. Įgyvendinant tyrimus bendradarbiaujama su Ispanijos, Latvijos, Vokietijos, JAV, Italijos, Suomijos, Danijos, Šveicarijos, Argentinos, Brazilijos, Čekijos mokslininkais.

Sarcocystis rūšys aprašomos tarpiniuose šeimininkuose derinant morfologinius ir molekulinės analizės metodus. Dažniausiai po gyvūno žūties, Sarcocystis parazitai tiriami analizuojant tarpinių šeimininkų raumenis. Tuo tarpu šių parazitų identifikavimo metodai kraujyje, galutinių šeimininkų žarnynuose, aplinkoje randamose išmatose nėra pakankamai išvystyti. Tokie tyrimai taikant DNR analizės metodus padėtų nustatyti infekciją ankstyvoje fazėje ir įvertinti įvairių plėšrūnų vaidmenį platinant Sarcocystis parazitus. Maisto saugos ir bioįvairovės tyrimų kontekste svarbu pabrėžti Sarcocystis spp. diagnostikos metodikų vystymo reikalingumą.

Ieškant Sarcocystis spp. parazitų numatoma tirti usūrinių šunų, lapių, vilkų, lūšių, šunų ir kačių ekskrementų ir žarnynų mėginius. Kadangi galutinių šeimininkų produkuojamos oocistos ir sporocistos morfologiškai nėra atskiriamos, identifikuojant Sarcocystis rūšis bus naudojami DNR tyrimo metodai: lizdinis PGR, daugybinis PGR, rūšiai specifinis PGR, kiekybinis PGR, sekoskaita ir gautų DNR sekų analizė. Bus siekiama palyginti Sarcocystis rūšių įvairovę ir užsikrėtimo dažnį skirtinguose plėšrūnuose, gamtinėje ir miesto aplinkoje bei skirtinguose Europos regionuose.

Apis mellifera yra ekonomiškai ir ekologiškai svarbūs vabzdžiai, gamtinėje aplinkoje užtikrinantys biologinę įvairovę bei prisidedantys prie žmonių gerovės. Bitės yra ir modeliniai organizmai atvirose gamtinėse sistemose gyvenančių vabzdžių mikrobiotų tyrimuose. Bičių darbininkių žarnyno mikrobiota yra pakankamai gerai ištirta, tačiau skirtingo vystymosi stadijų bitėse (tame tarpe tranuose) paplitusių mikroorganizmų bendrijos, svarbios tiek atskirų bičių, tiek viso avilio sveikatingumui, yra menkai tyrinėtos. Esant nepalankioms išorinės aplinkos sąlygoms, pasikeitus su bitėmis susijusių mikroorganizmų bendrijų sudėčiai stebimas bičių ligas sukeliančių patogeninių mikroorganizmų ir virusų skaičiaus didėjimas. Apsaugai nuo patogenų taikoma antibakterinė ir antigrybinė terapija, kuri sukelia bičių mikrobiotų sudėties pokyčius bei sąlygoja daugybinio atsparumo antibiotikams plitimą. Todėl yra tikslinga bičių ligų prevencijai panaudoti biokontrolės savybėmis pasižyminčius natūralios mikrobiotos komponentus. Pastarųjų mikroorganizmų paieška ir jų potencialo įvertinimas yra aktualus pasauliniu mąstu tiek bičių sveikatingumo didinimo kontekste, tiek ir vystant biokontrolės įrankius. Nuolatos gausėjant žmonių populiacijai, pasaulyje jaučiamas maisto stygius, todėl didėja ir vabzdžių panaudojimo maisto pramonėje mąstai. Pastaruoju metu dėl palankios maistinių medžiagų sudėties kaip alternatyviu maisto šaltiniu susidomėta bičių tranų lervomis. Tokiame kontekste išlieka ypač aktualus jų mikrobiologinės taršos ir saugaus vartojimo klausimas, vertinant maistinės vertės ir rizikos santykį vartotojui.

Klimato kaitos sąlygojamų veiksnių poveikis Žemės organizmų funkcionavimui ir ekosistemų būklei yra šiuo metu globaliai aktuali tema. Manoma, kad klimato kaita sukelia dažnesnius ekstremalius reiškinius, įskaitant gausius kritulius, stiprų vėją, karščio bangas ir sausras, galinčius sutrikdyti augalų augimą ir padaryti augalus pažeidžiamesnius. Klimato kaitos tyrimai rodo, kad daugelis augalų ateityje patirs didesnį stresą ir bus mažiau produktyvūs. Prognuozuojama, kad karštais auginimo sezonais žemės ūkio augalų derlius gali sumažėti keliomis dešimtimis procentų. Todėl augalų reakcijos į besikeičiančias sąlygas ištyrimas svarbus ne tik fundamentine, bet ir praktine prasme.

Tyrimais yra parodyta, kad aukštesnė nei įprasta temperatūra lemia fiziologinius ir morfologinius augalo pokyčius. Ji paspartina augalų gyvenimo ciklą, augalai subręsta greičiau, todėl kinta fotosintezės intensyvumas ir mažėja derlius. Klimato kaitos poveikyje keičiantis augalų konkurencinėms sąlygoms iškyla būtinybė stiprinti žemės ūkio augalų gyvybines galias. Trūksta informacijos, kaip stresinės sąlygos paveiks augalų fiziologines reakcijas ir kokios draugiškos aplinkai priemonės gali būti naudingos žalingam poveikiui reproduktyvių organų formavimuisi sumažinti.

Tyrimai bus vykdomi natūraliomis lauko sąlygomis ir modelinėmis sąlygomis laboratorijoje. Žemės ūkio augalų produktyvumą nulemiančių procesų valdymo priemonių paieškai bus naudojami biostimuliatoriai. Modelinių klimato kaitos sąlygų ir biostimuliatorių poveikis ekonomiškai naudingų augalų funkcionavimui ir produktyvumui bus vertinamas taikant fiziologinius-biocheminius ir morfometrinius metodus. Prognozuojamų klimato sąlygų modeliavimas leis tirti galimą poveikį išteklių tvarumui bei atlikti priemonių jo apsaugai paiešką.

Numatomas doktoranto dalyvavimas tarptautiniuose mokslo renginiuose, kursuose, mokymuose. Darbo rezultatai bus viešinami tarptautinėse mokslinėse konferencijose ir publikuojami mokslo žurnaluose referuojamuose Clarivate Analytics Web of Science (CA WoS).

Dumbliai ir melsvabakterės pasižymi didele bioaktyvių junginių įvairove ir turi platų biotechnologinį pritaikomumą farmacijos, maisto, kosmetikos pramonėje, biokuro gamyboje ir kt. Didėjant poreikiui natūralių, ekologiškų ir saugių biokomponentų resursų, didelis dėmesys skiriamas dumblių ir melsvabakterių metabolitų tyrimams, tikslinius metabolitus sintetinančių rūšių, izoliatų paieškai ir atrankai. Dauguma bioaktyvių junginių yra išskiriami iš dumblių grynų kultūrų arba iš dirbtinėse sistemose auginamų rūšių biomasės. Tačiau specifinių metabolitų biosintezė laboratorinėmis sąlygomis yra sudėtinga, o dideli dumblių biomasės kultivavimo kaštai dirbtinėse sistemose yra viena pagrindinių kliūčių bioproduktų gamybai. Pigesnė ekologiška žaliava galėtų būtų iš vandens telkinių surinkta dumblių perteklinė biomasė, kurią sąlygoja intensyvūs eutrofikacijos procesai, o dumblių santalkos kelia problemas rekreacijai ir kitiems ekonomikos sektoriams.

Doktorantūros studijų tikslas – įvertinti gamtinės dumblių ir melsvabakterių biomasės, kaip atsinaujinančio tvaraus gamtinio resurso, biotechnologinį potencialą. Bus vykdomi gamtinės dumblių ir melsvabakterių biomasės struktūros tyrimai, biomasėje sukauptų maistinių medžiagų ir vertingų biokomponentų (pigmentų, lipidų, fenolinių junginių, cianotoksinų ir kt.) analizė, tiriamas dumblių ir melsvabakterių ekstraktų biologinis aktyvumas.

Gauti rezultatai suteiktų vertingos informacijos apie vandens organizmų metabolinį aktyvumą, biotechnologinį potencialą. Svariai prisidėtų prie tvaraus šalies atsinaujinančių bioresursų panaudojimo ir atvertų naujas galimybes kuriant bei plečiant rinką naujai ekologiškais produktais.

Siekiant paspartinti augalų augimą ir padidinti jų konkurenciją su piktžolėmis, tiek visame pasaulyje tiek ir Lietuvoje naudojami herbicidai. Piktžolių konkurencija yra vienas iš svarbiausių biotinių streso veiksnių, lemiančių pasėlių produkcijos sumažėjimą. Yra nustatyta, kad herbicidai sukelia abiotinį stresą augalams. Įvairaus stiprumo abiotiniai ir biotiniai veiksniai turi įtakos augalų vystymuisi, augimui ir galiausiai jų produktyvumui. Pasėlių konkurencija su nepageidaujamomis augalų rūšimis lemia mažesnį derlingumą, nepaisant to herbicidai yra laikomi pagrindine efektyvia nepageidaujamų augalų – piktžolių naikinimo priemone šiuolaikinėje augalininkystėje, padedanti apsaugoti pasėlių derlių, ekonominį pelną ir mažinanti augalų tarpusavio konkurenciją. Herbicidų bendras sunaudojimo mastas nemažėja visame pasaulyje, įskaitant ir Lietuvą. Taigi, norint išvengti perteklinio herbicidų naudojimo, itin svarbu išanalizuoti  biologiškai aktyvių, ekologiškų preparatų naudojimo galimybes, siekiant paspartinti augalų augimą, eliminuoti nepageidaujamą herbicidų poveikį augalams, ir galiausiai, sumažinti herbicidų naudojimą žemės ūkyje. Šiam tikslui įgyvendinti gali pasitarnauti augalų probiotiniai preparatai, tačiau jų naudojimo potencialas dar nėra iki galo ištirtas. Būtina išsiaiškinti jų įtraukimo galimybes į augalų auginimo augalų auginimo biotechnologinius paketus, vykdant Europos žalio kurso strategiją, įtraukiant naujas technologijas vystant tvaraus ūkininkavimo politiką. Norint išsiaiškinti probiotinių preparatų potencialą, eliminuojant herbicidų sukeltą žalą augalams, bus atliekama biometrinių ir biocheminių (streso lygio markerių, fermentinės ir nefermentinės apsaugos sistemos ir hormoninės sistemos) parametrų analizė.