Signal transduction of heavy metal-induced root morphological responses in Brassicaceae: from model to crop  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
100504
Type PD
Principal investigator Ördögné Kolbert, Zsuzsanna
Title in Hungarian A nehézfém-indukált gyökérmorfológiai válaszok jelátvitele keresztesvirágúakban (Brassicaceae): a modelltől a haszonnövényig
Title in English Signal transduction of heavy metal-induced root morphological responses in Brassicaceae: from model to crop
Keywords in Hungarian nehézfém, reaktív nitrogénformák, gyökérmorfológia
Keywords in English heavy metal, reactive nitrogen species, root morphology
Discipline
Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences)70 %
Ortelius classification: Plant growth
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Panel Plant and animal breeding
Department or equivalent Department of Plant Biology (University of Szeged)
Starting date 2012-01-01
Closing date 2014-12-31
Funding (in million HUF) 8.046
FTE (full time equivalent) 2.10
state closed project
Summary in Hungarian
A növények bámulatos adaptációs képességének egy példája a környezeti stressz hatására kialakuló fejlődési változások (stressz-indukált morfogenetikai válaszok, SIMV) megjelenése. A napjainkban aktuális problémaként jelentkező nehézfém (NF) terhelés által okozott SIMV tünetei a főgyökér növekedés gátlása, a gyökérszőrök csúcshoz közelebbi megjelenése, és új oldalgyökerek képződése. Jelen projekt keretében megvizsgáljuk a reaktív nitrogénformák (RNF), mint multifunkcionális jelátvivők keletkezését, direkt szerepét, és a reaktív oxigénformákkal (ROS) való kölcsönhatását a NF-indukált SIMV kialakulásában. Kísérleteink során esszenciális (Cu, Se) és nem esszenciális (Cr, Pb) nehézfémekkel kezelt Brassica juncea és Brassica napus gyökerében összehasonlítjuk a SIMV mértékét, a RNF képződését, kimutatjuk az S-nitroziláció és tirozin nitráció mértékét. A ROS képződését, az antioxidáns védekezőrendszer elemeit és az esetlegesen kialakuló oxidatív stressz hatásait is tanulmányozzuk. Modellként vad típusú és mutáns (nitrogén-monoxid hiányos és -túltermelő nia1nia2noa1-2 és nox1) Arabidopsis növényeket is felhasználunk a kísérleteinkhez. Emellett DR5::GUS, PIN::GFP, ARR5::GUS és ACS::GUS/GFP lúdfű riporter vonalak segítségével vizsgáljuk a jelmolekulák szerepét az auxin, citokinin és etilén eloszlás szabályozásában. Tanulmányozni kívánjuk továbbá a RNF sejtciklus-szabályozó gének kifejeződésére gyakorolt hatását. A projekt eredményei mintegy 80%-ban alapkutatás jellegűek, azonban a fennmaradó 20%-nyi alkalmazott kutatási eredmény a fitoremediációs eljárások tökéletesítése során lesz felhasználható.
Summary
An example of marvelous adaptation ability of plants is the developmental changes (stress-induced morphogenetic responses, SIMR) due to environmental stresses. Symptoms of SIMV caused by heavy metal (HM) exposure being a current problem are inhibition of primary root elongation, appearance of root hairs close to the tip and formation of new laterals. In the frame of the present project we will investigate the generation and direct role of the novel, multifunctional plant signals, reactive nitrogen species (RNS) and its interaction with reactive oxygen species (ROS) during HM-induced SIMR. During our experiments the degree of SIMR, formation of RNS, the level of S-nitrosylation and tyrosine nitration will be compared in roots of Brassica juncea and Brassica napus treated with essential (Cu, Se) or non-essential (Cr, Pb) HMs. We will examine the generation of ROS, antioxidant activity and the effects of possibly evolving oxidative stress. As a model wild type and mutant (nitric oxide-deficient and- overproducing nia1nia2noa1-2 and nox1) Arabidopsis will be used during the experiments. Moreover, with the help of DR5::GUS, PIN::GFP, ARR5::GUS and ACS::GUS/GFP Arabidopsis reporter lines the role of signal molecules in regulation of auxin, cytokinin and ethylene distribution during HM-induced SIMR will be examined. Furthermore, the effects of RNS on cell cycle gene expression will be investigated. The results of this project can be classified as basic research for at least 80% and the rest 20% can be directly utilized for applied plant science like phytoremediation.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A növények bámulatos adaptációs képességének egy példája a környezeti stressz, mint pl. nehézfémek (NF) többlete hatására kialakuló fejlődési változások (stressz-indukált morfogenetikai válaszok, SIMV) megjelenése. A munka során megállapítottam, hogy a gyökérzet SIMV fenotípusának megjelenése nem faj-, és elemfüggő, de függ a stressz erősségétől és a kitettség időtartamától. Általában alacsony koncentrációjú és hosszabb időtartamú kitettség esetén jelenik meg, és a SIMV-et mutató gyökérzet megemelkedett nitrogén-monoxid (NO) tartalommal rendelkezik. A NO és a hormonok (auxin és citokinin) között kölcsönösen antagonista jellegű kapcsolat meglétét bizonyítottam a NF-kezelt növényekben. Bizonyítást nyert továbbá, hogy a NO a reaktív oxigénformák (ROS) szintjét szabályozva járul hozzá a réz tolerancia kialakulásához. Habár a NO fokozza a lúdfű réz és szelén tűrését, a Brassica fajokban a cink-indukált nitro-oxidatív stressz kialakulásához járul hozzá. A további eredmények arra mutatnak rá, hogy a Brassica fajok különböző cink érzékenységgel bírnak, és hogy a cink toleranciát az oxidatív stressz mértéke inkább meghatározza, mint a nitrozatív stresszé. Összefoglalva elmondható, hogy a pályázati munka során sikeresen meghatároztam a NO részvételét, valamint hormonokkal és ROS-kal való interakcióit a nehézfém-indukált növekedési válaszok kialakulásában.
Results in English
An example of marvellous adaptation ability of plants is the developmental changes (stress-induced morphogenetic responses, SIMR) due to environmental stresses such as heavy metal (HM) excess. During this study it was found that the appearance of the SIMR phenotype is independent of the plant species and the type of metal, but it strongly depends on the degree and the duration of exposure. In general, long-term mild stress results in SIMR and the „SIMR-root” contains high nitric oxide (NO) levels. Mutually antagonistic interplay of NO with hormones (auxin and cytokinin) in HM-stressed plants was evidenced. Nitric oxide was found to regulate the level of reactive oxygen species (ROS) resulting in improved copper tolerance. Although NO positively regulates copper and selenium endurance in Arabidopsis, it contributes to the zinc-induced nitro-oxidative stress in Brassica as well. Further results confirmed different zinc sensitivity of the Brassica species and that zinc tolerance is determined rather by the level of oxidative than by the nitrosative processes. Taken together, the involvement of NO in heavy metal-induced growth responses as stress acclimation processes was successfully determined and its interactions with hormones and ROS were revealed during the project.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=100504
Decision
Yes





 

List of publications

  
Nóra Lehotai, Gábor Feigl, Ágnes Koós, Andrea Pető, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: Relationship between cytokinin and nitric oxide in selenium treated Arabidopsis plants, Biomedica 2013 Congress, Kutatások az SZTE Biológus Tanszékein, 13th December 2013, Szeged, Hungary, Abstract Book pp. 51, 2013
Zsuzsanna Kolbert, Nóra Lehotai, Andrea Pető, Gábor Feigl, Devanand Kumar, László Erdei: Selenium-Induced Growth Responses and Their Hormonal Background, International Conference Plant Growth, Nutrition & Environment Interactions, 18-21 February 2012, Wien, Austria, Abstract Book pp 59, 2012
Nóra Lehotai, Andrea Pető, Gábor Feigl, Devanand Kumar, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: Study of selenite-induced hormonal and signalling mechanisms during root growth of Arabidopsis thaliana L. by light and fluorescence microscopy, 7th Scandinavian Plant Physiology Society PhD Student Conference, 12-15 September 2012, Laulasmaa, Estonia, Abstract Book pp. 54, 2012
Gábor Feigl, Devanand Kumar, Andrea Pető, Nóra Lehotai, Ágnes Szepesi, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: Studying the effect of copper in Brassica juncea and Brassica napus root tips: metabolism of reactive oxygen and nitrogen species and morphological adaptation., 7th Scandinavian Plant Physiology Society PhD Student Conference, 12-15 September, Laulasmaa, Estonia, Abstract Book pp. 51, 2012
Gábor Feigl, Devanand Kumar, Andrea Pető, Nóra Lehotai, Attila Ördög, Árpád Molnár, Zsuzsanna Kolbert, László Erdei: The effect of zinc on the microelement homeostasis and the metabolism of reactive signal molecules in Brassica juncea and Brassica napus, Third Annual Workshop of COST Action FA 0905 – Mineral improved crop production for healthy food and feed, 23-26 October, Lisbon, Portugal, Abstract Book, 2012
Nóra Lehotai, Andrea Pető, Gábor Feigl, Devanand Kumar, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: Early responses in root meristem of Pisum sativum and Arabidopsis thaliana induced by copper and selenium, Second Annual Conference and MC Meeting COST Action FA 0905, Mineral Improved Crop Production for Healthy Food and Feed. 23-26 November 2012, Venice, Italy, Abstract Book, 2012
Nóra Lehotai, Andrea Pető, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: The effect of selenium (Se) on development and nitric oxide levels in Arabidopsis thaliana seedlings, Acta Biologica Szegediensis 55(1):105-107, 2012
Zsuzsanna Kolbert, Andrea Pető, Nóra Lehotai, Gábor Feigl, Attila Ördög, László Erdei: In vivo and in vitro studies on fluorophore-specificity, Acta Biologica Szegediensis 56(1):37-41, 2012
Zsuzsanna Kolbert, Andrea Pető, Nóra Lehotai, Gábor Feigl, László Erdei: Long-term copper (Cu2+) exposure impacts on auxin, nitric oxide (NO) metabolism and morphology of Arabidopsis thaliana L., Plant Growth Regulation 68:151-159, 2012
Nóra Lehotai, Zsuzsanna Kolbert, Andrea Pető, Gábor Feigl, Attila Ördög, Devanand Kumar, Irma Tari, László Erdei: Selenite-induced hormonal and signalling mechanisms during root growth of Arabidopsis thaliana L., Journal of Experimental Botany 63 (15):5677-5687, 2012
Zsuzsanna Kolbert, Andrea Pető, Nóra Lehotai, Gábor Feigl, Nóra Tugyi, Attila Ördög, László Erdei: Relationship between nitric oxide (NO) and reactive oxygen species (ROS) in copper-exposed Arabidopsis roots., SEB Annual Main Meeting, 3-6 July 2013, Valencia, Spain. Abstract Book pp. 189., 2013
Zsuzsanna Kolbert, Nóra Lehotai, Andrea Pető, Gábor Feigl, Nóra Tugyi, László Erdei: Cytokinin overproducing ipt-161 Arabidopsis shows altered NO generation and insensitivity to selenite., 11th International Conference on Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Plants, 17-19 July 2013, Warsaw, Poland. Abstract Book pp. 238, 2013
Gábor Feigl, Devanand Kumar, Nóra Lehotai, Nóra Tugyi, Árpád Molnár, Attila Ördög, Ágnes Szepesi, Katalin Gémes, Gábor Laskay, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: PHYSIOLOGICAL AND MORPHOLOGICAL RESPONSES OF THE ROOT SYSTEM OF INDIAN MUSTARD (BRASSICA JUNCEA L. CZERN.) AND RAPESEED (BRASSICA NAPUS L.) TO COPPER STRESS, Ecotoxicology and Environmental Safety 94:179-189, 2013
Andrea Pető, Nóra Lehotai, Gábor Feigl, Nóra Tugyi, Attila Ördög, Katalin Gémes, Irma Tari, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: NITRIC OXIDE CONTRIBUTES TO COPPER TOLERANCE BY INFLUENCING ROS METABOLISM IN ARABIDOPSIS, Plant Cell Reports 32:1913-1923, 2013
Nóra Lehotai, Gábor Feigl, Ágnes Koós, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: Cytokinin-nitric oxide interaction: an antagonistic relationship in selenite-exposed Arabidopsis., Society for Experimental Biology Annual Main Meeting, 1-3 July 2014, Manchester, United Kingdom, 2014
Gábor Feigl, Nóra Lehotai, Árpád Molnár, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: Zinc excess affects root architecture and reactive oxygen- and nitrogen species metabolism in Brassica juncea and Brassica napus., Society for Experimental Biology Annual Main Meeting, 1-3 July 2014, Manchester, United Kingdom, Abstract Book, 2014
Gábor Feigl, Nóra Lehotai, Árpád Molnár, Marta Rodríguez-Ruiz, José M. Palma, Fransico J. Corpas, László Erdei L, Zsuzsanna Kolbert: Zinc induced a nitro-oxidative stress in roots of Brassica species., 5th Plant NO Club Meeting, 24-25 July 2014, Munich, Germany, 2014
Zsuzsanna Kolbert, Andrea Pető, Nóra Lehotai, Gábor Feigl, László Erdei: Growth responses induced by microelement excess: the role of reactive nitrogen species., Socieatas Biologiae Plantarum Hungarica, 11th Congress, 27-29 Aug, Szeged, Hungary, Abstract Book pp 20, 2014
Gábor Feigl, Nóra Lehotai, Árpád Molnár, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: Detection of protein tyrosine nitration in zinc-treated Brassica plants., Socieatas Biologiae Plantarum Hungarica, 11th Congress, 27-29. Aug, 2014, Szeged, Hungary, Abstract Book pp 40, 2014
Nóra Lehotai, Gábor Feigl, Ágnes Koós, Andrea Pető, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: The role of nitric oxide under selenium tolerance., Socieatas Biologiae Plantarum Hungarica, 11th Congress, 27-29 Aug, 2014, Szeged, Hungary, Abstract Book pp 46, 2014
Árpád Molnár, Gábor Feigl, Nóra Lehotai, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: Microscopic study of zinc localization in Brassica roots., Socieatas Biologiae Plantarum Hungarica, 11th Congress, 27-29 Aug 2014, Szeged, Hungary, Abstract Book pp 51, 2014
Zsuzsanna Kolbert, Andrea Pető, Nóra Lehotai, Gábor Feigl, Attila Ördög, László Erdei: In vivo and in vitro studies on fluorophore-specificity, Acta Biologica Szegediensis, 2012
Zsuzsanna Kolbert, Andrea Pető, Nóra Lehotai, Gábor Feigl, László Erdei: Long-term copper (Cu2+) exposure impacts on auxin, nitric oxide (NO) metabolism and morphology of Arabidopsis thaliana L., Plant Growth Regulation, 2012
Nóra Lehotai, Zsuzsanna Kolbert, Andrea Pető, Gábor Feigl, Attila Ördög, Devanand Kumar, Irma Tari, László Erdei: Selenite-induced hormonal and signalling mechanisms during root growth of Arabidopsis thaliana L., Journal of Experimental Botany, 2012
Gábor Feigl, Devanand Kumar, Nóra Lehotai, Nóra Tugyi, Árpád Molnár, Attila Ördög, Ágnes Szepesi, Katalin Gémes, Gábor Laskay, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: PHYSIOLOGICAL AND MORPHOLOGICAL RESPONSES OF THE ROOT SYSTEM OF INDIAN MUSTARD (BRASSICA JUNCEA L. CZERN.) AND RAPESEED (BRASSICA NAPUS L.) TO COPPER STRESS, Ecotoxicology and Environmental Safety, 2013
Andrea Pető, Nóra Lehotai, Gábor Feigl, Nóra Tugyi, Attila Ördög, Katalin Gémes, Irma Tari, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: NITRIC OXIDE CONTRIBUTES TO COPPER TOLERANCE BY INFLUENCING ROS METABOLISM IN ARABIDOPSIS, Plant Cell Reports, 2013
Nóra Lehotai, Gábor Feigl, Ágnes Koós, Andrea Pető, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert.: : RELATIONSHIP BETWEEN CYTOKININ AND NITRIC OXIDE IN SELENIUM-TREATED ARABIDOPSIS PLANTS., MTMT, 2013
Gábor Feigl, Devanand Kumar, Nóra Lehotai, Andrea Pető, Árpád Molnár, Éva Rácz, Attila Ördög, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert, Gábor Laskay: Comparing the effects of excess copper in the leaves of Brassica juncea (L. Czern) and Brassica napus (L.) seedlings: growth inhibition, oxidative stress and photosynthetic damage., Acta Biologica Hungarica, 2015
Zsuzsanna Kolbert, Nóra Lehotai, Andrea Pető, Gábor Feigl, Nóra, Tugyi, László Erdei: CYTOKININ OVERPRODUCING IPT-161 ARABIDOPSIS SHOWS ALTERED NO GENERATION AND INSENSITIVITY TO SELENITE, MTMT, 2013
Gábor Feigl, Nóra Lehotai, Árpád Molnár, Attila Ördög, Marta Rodríguez-Ruiz, José M. Palma, Francisco J. Corpas, László Erdei, Zsuzsanna Kolbert: Zinc induces distinct changes in the metabolism of reactive oxygen and nitrogen species (ROS and RNS) in the roots of two Brassica species with different sensitivity to zinc stress., Annals of Botany DOI: 10.1093/aob/mcu246, 2014
Tugyi Nóra, Pető Andrea, Lehotai Nóra, Feigl Gábor, Erdei László, Kolbert Zsuzsanna: A nitrogén-monoxid és a prolin kapcsolatának vizsgálata Arabidopsis thaliana L. növényekben réz stressz alatt., A biológia jövője, a jövő biológusai, avagy szemelvények a magyarországi felsőoktatási intézményekben végzett tudományos munka eredményeiből, JATEPress, 91-101 o., 2014
Megyeriné Pető Andrea: A nitrogén-monoxid (NO) szerepe, reaktív oxigénformákkal (ROF) és auxinnal való kapcsolata réz stressz során, http://doktori.bibl.u-szeged.hu/2290/, 2014
Lehotai Nóra: Szelén-indukált stresszválaszok vizsgálata Arabidopsis thaliana L. és Pisum sativum L. növényekben, a biofortifikáció lehetősége, http://doktori.bibl.u-szeged.hu/2325/, 2014



Back »