plant development, environmental stress, MAP kinase, meristem, signal transduction
Discipline
Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences)
50 %
Signal transduction (Council of Medical and Biological Sciences)
30 %
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Panel
Plant and animal breeding
Department or equivalent
Department of Plant Cell Biology (Centre for Agricultural Research)
Participants
Dőry, Magdolna
Starting date
2012-02-01
Closing date
2016-01-31
Funding (in million HUF)
29.653
FTE (full time equivalent)
5.80
state
closed project
Summary in Hungarian
Az állati egyedfejlődési folyamatoktól eltérően a helyhez kötött növényekben az új szervek megjelenése és növekedése rugalmasan reagál a környezeti hatásokra. E folyamatos adaptáció kulcsa a környezeti hatásokat érzékelő, és a növekedést szabályozó jelátviteli molekuláris mechanizmusok összehangolt működése. A mitogén-aktivált protein (MAP) kinázok valamennyi eukariótában konzervált jelátviteli molekulák, amelyek szubsztrátfehérjéikkel való dinamikus kölcsönhatásaik révén központi szerepet játszanak a környezeti ingerek sejten belüli továbbításában. A MAP kinázok jelentősége a növények stresszválaszaiban is jól ismert, azonban egyre több új eredmény mutatja, hogy a növényi fejlődési folyamatok szabályozásában is részt vesznek. Ezt támasztják alá saját eredményeink is, amelyekkel a merisztéma szabályozásában betöltött funkciójukat mutattuk ki, illetve bioinformatikai megközelítéssel számos ismert merisztéma szabályozó faktort azonsítottunk potenciális MAP kináz szubsztrátként. Célunk e merisztéma faktorok tesztelése egy újfajta, hatékony biokémiai megközelítéssel. A kináz-szubsztrát kapcsolatok biológiai jelentőségét funkcionális genetikai módszerekkel vizsgáljuk. Az eredményeket matematikusokkal együttműködve integráljuk rendszerbiológiai modellezéshez. Az így kialakított interdiszciplináris programmal felváltva tesztelhető hipotéziseket, illetve kísérleti eredményeket generálhatunk, amelyek folyamatosan képesek egymást előrevinni. A modellnövényben elért eredményeket a fogadóintézet gabonakutatási hátterére építve, átvisszük gazdasági növényekre.
Summary
Unlike in animal development organogenesis and organ development in sessile plants flexibly respond to changing environmental conditions. Key to this is the cross-talk between environmental and developmental signalling mechanisms. Mitogen-activated protein (MAP) kinase cascades are well-conserved signalling molecules in all eukaryotes, which play central role in intracellular transduction by dynamically interacting with their substrates. The significant role of MAP kinases in plant stress responses is well-known, however emerging data reveal their functions in regulating plant developmental processes as well. Accordingly, we have demonstrated their role in regulating meristem activity and identified well-known meristem-regulatory factors as potential MAP kinase substrates by a bioinformatics approach. During this research programme we will test putative substrates with meristem-regulatory functions by a novel, efficient biochemical approach. The biological significance of kinase-substrate interactions will be studied by functional genetics. Laboratory results will be integrated into systems biology modelling in collaboration with mathematicians. Such an interdisciplinary programme enables the alternating generation of testable hypotheses and biological information, which can continuously improve each other. Results obtained by using the model plant will be transferred to crop plants, building on the strong cereal research background of the host institute.
Final report
Results in Hungarian
Habár a növényfejlődés környezeti plaszticitása egy fontos agronómiai tulajdonság, az ezeket a folyamatokat szabályozó molekuláris mechanizmusokra vonatkozó ismereteink minimálisak. A mitogén-aktivált protein kináz (MAPK) kaszkádok valamennyi eukariótában jól konzervált jelátviteli útvonalak. Központi szerepük a növényi stressz válaszokban jól ismert, míg a legújabb eredmények növényfejlődési folyamatokban betöltött szerepüket tárták fel. A növényi jelátviteli hálózatok megértésének komoly akadályává vált a protein kinázok szubsztrátjaira vonatkozó ismereteink hiányossága. A lemaradás részben a kísérleti metodológia korlátaival magyarázható. Ezért kifejlesztettünk egy gyors, rugalmas, in vivo módszert, specifikus kináz-szubsztrát foszforilációs kölcsönhatások vizsgálatára. A módszer az aktivált kinázokkal együtt vagy azok nélkül tranziensen kifejeztetett szubsztrát jelöltek eltérő foszfoizoforma disztribúcióinak kimutatásán alapul. A módszer alkalmazásával megállapítottuk, hogy több, a növényfejlődést szabályozó mestergént környezeti jelek által aktivált MAPK-ok foszforilálnak. Így sikerült a környezeti jelátviteli és a fejlődésszabályozó folyamatok közötti molekuláris kommunikációt igazolni. Mindemellett felállítottunk egy evolúciós modellt a virágos növények rendkívül komplex MAPK hálózatainak kialakulására. Eredményeink felhívják a figyelmet a növényi MAPK jelátvitel központi szerepére és komplexitására, valamint a kinázkutatási eszköztár bővítésének fontosságára.
Results in English
Although environmental plasticity of plant development is an important agricultural trait, our knowledge of the underlying regulatory mechanisms is scarce. Mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascades are well-conserved signalling pathways in all eukaryotes. The significant role of MAP kinases in plant stress responses is well-known, however emerging data also reveal their functions in regulating plant developmental processes. One serious bottleneck in understanding signalling networks in plants is the lack of knowledge of protein kinase substrates. This lag is partly due to experimental limitations. Therefore we undertook to develop a rapid and flexible, in vivo method to study specific kinase-substrate phosphorylation interactions. The method is based on the detection of differential phosphoisoform distributions of candidate substrates transiently expressed with or without co-expression of activated kinases. Using this method we demonstrated that various master regulators of plant development are phosphorylated by environmentally activated MAPKs. These results reveal molecular-level communication between environmental signalling and developmental regulation. In parallel we also established an evolutionary model for the emergence of the extremely complex MAPK networks in flowering plants. Our results highlight the central role and complexity of MAPK signalling in plants and the importance of expanding the experimental toolkit for kinase research.
Dőry M, Doleschall Z, Ambrus H, Dóczi R: Mitogén-aktivált proteinkináz szubsztrátok azonosítása Arabidopsis protoplaszt tranziens expressziós rendszerben, Fiatal Biotechnológusok Országos Konferenciája "FIBOK 2014": Program és összefoglalók. 100 p. ISBN:978-963-315-167-9, 2014
