Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences)
50 %
Crop protection (Council of Complex Environmental Sciences)
25 %
Ortelius classification: Crop protection
Genomics, comparative genomics, functional genomics (Council of Medical and Biological Sciences)
25 %
Panel
Complex agricultural sciences
Department or equivalent
Plant Protection Institute (Centre for Agricultural Research)
Participants
Bacsó, Renáta Barna, Balázs Bozsó, Zoltán Dankó, Tamás Fodor, József Kolozsváriné Nagy, Judit Ott, Péter G. Schwarczinger, Ildikó Tóth, Evelin
Starting date
2012-09-01
Closing date
2017-08-31
Funding (in million HUF)
44.000
FTE (full time equivalent)
17.66
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Felfedező kutatásink célja, hogy több (molekuláris növénybiológiai kísérletekben modellként használt) növény-kórokozó kölcsönhatásban a kórokozó által kiváltott növényi sejthalál növényi faktorait vizsgálja. A kísérletek egy része új sejthalálszabályozó faktorok leírására irányul, a munka más elemei már ismert faktorok működésének jellemzését tűzik ki célul.
Vizsgálatainkban egyrészt eddig nem jellemzett növényi proteázok sejthalálban játszott szerepét tárnánk fel Arabidopsis-Alternaria brassicicola (növény-gomba) kölcsönhatásban. Ezek a fehérjék bioinformatikai elemzések nyomán kerültek a látóterünkbe, a kérdéses génekre nézve homozigóta, T-DNS inszerciós mutáns genotípusok vannak a kezünkben és az elővizsgálatokban adott eredményeik rendkívül bíztatóak.
A kísérletek második csoportjában a növényi sejtmembránban található NADPH-oxidáz enzimek és az általuk kórokozók támadásakor generált intercelluláris oxidatív robbanás sejthalálban betöltött szerepét tanulmányoznánk Arabidopsis-Alternaria és Nicotiana benthamiana-Cercospora nicotianae növény-gomba kapcsolatokban. Ezekben a vizsgálatokban szintén részben T-DNS mutáns Arabidopsis vonalakkal dolgoznánk (Pogány et al. 2009), illetve dohány rattle vírus géncsendesítő konstrukciókkal gátolnánk dohány NADPH-oxidáz gének mRNS-ének felhalmozódását. Ebben a résztémában komoly súlyt képviselne egy redoxproteomikai vizsgálatsorozat is.
A munka utolsó részében kloroplasztisz eredetű reaktív oxigén fajták és a sejthalál kapcsolatát vizsgálnánk ismét géncsendesítő konstrukciók segítségével N. benthamiana növényekben. Ezen a területen szintén rendelkezünk értékes kórtani és sejttani elő kísérleti eredményekkel.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kutatás alapját az a nagyszámú kísérleti bizonyítékkal alátámasztott megfigyelés szolgáltatja, hogy a kórokozó mikrobák által előidézett növényi programozott sejthalál kialakulása jelentős részben növényi molekuláris faktorok serkentő és gátló kölcsönhatásainak a következménye. Ilyen növényi faktorok mások mellett az LSD1, Bax inhibitor-1 és ATG fehérjék, bizonyos proteolitikus enzimek, illetve a reaktív oxigén és nitrogén fajták.
Kiinduló hipotéziseink a következők: 1) A növényi sejtmembránban található NADPH-oxidázok a sejtközötti tér fehérjéinek oxidatív poszttranszlációs módosításain keresztül fejtik ki sejthalál-szabályzó működésüket
2) A sejthalál szabályozásában a már ismert metakaszpázok és szubtilázok mellett egyéb proteolitikus faktorok (ubiquitináló komplex fehérjekomponensek, eddig nem jellemzett szubtilázok) is fontos szerepet játszanak
3) A kloroplasztiszokban képződő reaktív oxigén fajtáknak alapvető jelentősége van a kórokozók által kiváltott növényi sejthalálban
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A kutatás eredményei új összefüggésekre világítanak rá a beteg növényi sejt működését illetően. A feltárt jelentős növényi sejthalál faktorok nukleinsav és aminosav sorrendjének ismerete új ortológ szekvenciák azonosítását teszi lehetővé gazdasági növényekben. A munka további eredménye lehet az, hogy hozzájárul a kórokozó rezisztencia és a növényi sejthalál pontosabb elkülönítéséhez és ez által a kórfolyamatok megértésére és a betegség ellenállóságra irányuló kutatások előrehaladásához. A fehérjék redox állapotán alapuló szabályozó folyamatok vizsgálata úttörő témának számít az élettudományi kutatások területén, ezért az itt elért eredmények jelentősége különösen kiugró. A munka nem elhanyagolható része egy növénybiológiai szempontból kiemelkedő fontossággal bíró modell növény (N. benthamiana) eddig nem jellemzett gomba kórokozójával (Cercospora nicotianae) való kapcsolatának részletes leírása. Ez a gomba-növény kölcsönhatás a jövőben hasznos kísérleti modellé válhat, különösen poszttranszkripciós géncsendesítés vizsgálatok esetében.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A pályázat által támogatott kutatómunka betegségtünetek kifejlődésének a folyamatát vizsgálná növényi sejtekben, mert a növények más élőlényekhez hasonlóan ki vannak téve kórokozók (vírusok, baktériumok és gombák) fertőzéseinek. Fontos megjegyeznünk, hogy kórokozók támadása gyakran megöli a növény leveleiben található sejtek egy részét. A sejtek pusztulása azonban nem kizárólag a kórokozók károsító hatásának tulajdonítható, hanem a növényi sejtek maguk is rendelkeznek olyan tulajdonságokkal, amik képessé teszik őket önmaguk megölésére abban az esetben, ha érzékelik egy számukra veszélyt hordozó kórokozó jelenlétét. A jelenséget programozott sejthalálnak nevezzük. A tervezett kutatásunk célja az, hogy olyan kémiai vegyületek szerepét vizsgáljuk, amik növényi sejtben felelősek kórokozók által előidézett sejthalál kialakulásáért. Egy része ezeknek a vegyületeknek egyszerű szerkezetű, ilyen például a hidrogén-peroxid, mások azonban rendkívül összetett kémiai katalizátor molekulák, vagyis enzimek. A kísérletek eredményei növénynemesítő kutatókkal együtt működve segítik betegségekkel szemben ellenállóbb, egészségesebb növények előállítását. A munka további társadalmi haszna, hogy a pályázati támogatás tanulási és tapasztalatszerzési lehetőséget teremt mesterképzésben és PhD (doktori) képzésben részt vevő fiatal biológusok, biológus mérnökök, agrár- és kertészmérnökök számára, akik jártasságot szerezhetnek magas színvonalú alkalmazott molekuláris biológiai technikák felhasználásában és elsajátíthatnak olyan készségeket, amik alkalmassá teszik őket növénybiológiai kutatások önálló és sikeres folytatására.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The objective of our research is to study plant cell-derived molecular factors in various model plant-microbe interactions that regulate pathogen-induced cell death in the plant. Our goals are on one hand to discover new cell death factors and on the other hand the description of the function of known cell death regulators. First, we aim to reveal the involvement of some previously uncharacterised proteolytic factors in cell death in Arabidopsis-Alternaria pathosystem. These potential cell death regulator factors have been chosen by bioinformatics analysis of large transcriptome datasets. We possess homozygous Arabidopsis T-DNA insertion lines that do not express the particular genes. Preliminary pathological tests on these genotypes have provided very promising results. In a second set of experiments we aim to describe roles of membrane-localised NADPH oxidases in cell death using Arabidosis-Alternaria and Nicotiana benthamiana-Cercospora nicotianae plant-microbe interactions. In these investigations Arabidopsis T-DNA insertion lines as well as a TRV gene silencing system in N. benthamiana would be exploited to avoid NADPH oxidase mRNA accumulation. A high-performance redox proteomics analysis would also be a substantial component of this topic. In the last section of the work functional connections between chloroplastic ROS and cell death would be examined using gene silencing technology in N. benthamiana. We have already gathered valuable pathological and cytological results with this system as well.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Foundation of our research is provided by the experimentally proven principle that the overwhelming majority of pathogenic microbe-plant interactions that lead to the death of host cells are actually causing programmed-type cell death where host-derived factors have high importance in the execution (or suppression) of cell death. Some major host-derived cell death factors are LSD1, Bax inhibitor-1, ATG proteins, proteolytic enzymes and reactive oxygen and nitrogen species.
Primary hypotheses of our work are the following: 1) Plant cell membrane-localised NADPH oxidases accomplish their role in the regulation of cell death through posttranslational oxidative modifications of extracellular plant proteins 2) Besides the already characterised Arabidopsis metacaspase and subtilase cell death proteins there might be some unknown, relevant proteolytic cell death factors in the subtilase family and ubiquitination system that should be also discovered 3) Reactive oxygen species produced in chloroplasts have great significance in pathogen-induced cell death
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Results of the research will highlight new, unknown molecular mechanisms that shape the response of host cells to plant pathogens. DNA sequences of the discovered cell death factors will enable us to identify orthologs in crop plant species. There can be further benefits of the work through its contribution to the dissection of plant pathogen resistance and cell death which would help us to understand pathogenesis better and to study microbial disease resistance more efficiently. Redox regulation of protein activity is an emerging field in life science research and thus, any contribution in this area would be received with great enthusiasm in the plant biologist community. One significant component of the proposal is the characterisation of a novel plant-fungus interaction between Nicotiana benthamiana and Cercospora nicotianae. N. benthamiana is an important model in plant biology for studying gene functions and a compatible interaction with a necrotrophic fungal pathogen is needed.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The aim of our research is to examine the development of disease symptoms in plant cells since plants are subjects of (viral, bacterial or fungal) pathogen attacks just like other organisms. It is noteworthy that exposure to pathogens often kills cells in a leaf. Death of a cell, however, cannot be fully attributed to the damage caused by the pathogen because plant cells also possess various molecular factors that enable them to execute cellular suicide programs when they are exposed to harmful pathogenic microbes. This phenomenon is called programmed cell death. The specific objective of our research is to investigate roles of such chemical compounds that are present in plant cells and are responsible for pathogen-induced cell death. Some of these compounds have simple structures such as hydrogen peroxide. Others on the other hand have very complex structures like enzymes, the biochemical catalyst molecules of cells. In collaboration with plant breeder scientists results of the experiments will help to generate crop plants that are healthier and are more resistant to diseases. An additional benefit of the research for the public is that it will provide a stimulating and encouraging environment for Master's and PhD students where they can acquire skills in using sophisticated molecular biological techniques that will enable them in the future to succeed as independent, creative plant scientists.
Final report
Results in Hungarian
A Nicotiana benthamiana a növényi funkcionális genomika egyik legfontosabb modell szervezete. Kísérleteink segítségével leírtuk a N. benthamiana és egy konídiumos gomba kórokozó, a Cercospora nicotianae kölcsönhatását. Ez az új növény-kórokozó kölcsönhatás értékes eszköz a molekuláris növénykórtan tudományterületének szolgálatában.
Kimutattuk két Arabidopsis thaliana sejtfal peroxidázról (PRX33, PRX34), hogy a nekrotróf Alternaria brassicicola kórokozó gomba fertőzése során hozzájárulnak a sejtközötti állományban bekövetkező oxidatív robbanáshoz, és elősegítik a gomba által kiváltott kórfolyamatot. Megjelöltük továbbá a PRX33 és PRX34 peroxidázok néhány valószínűsíthető molekuláris szintű kölcsönható partnerét.
Megállapítottuk, hogy az eddig nem vizsgált Arabidopsis szubtilizin-szerű szerin-proteáz (szubtiláz) ATSBT3.8 fehérje a növény mikrobákkal szembeni védekezésének fontos összetevője. Befolyásolja növényi hormonok (különösen az auxin és a jázmonsav) működését.
Vírus-indukált gén csendesítés módszerével gátoltuk a fitoén-deszaturáz működését N. benthamiana-ban, ezáltal klorofill-hiányos szöveteket állítottunk elő. Ezeknek a gátolt fotoszintézisű növényi mintáknak a segítségével igazoltuk a kloroplasztiszokban képződő reaktív oxigén származékok redox anyagcserére gyakorolt alapvető hatását, és a fertőzött növényekben fellépő sejthalál folyamatokban játszott meghatározó szerepét.
Results in English
We described Cercospora nicotianae as a novel anamorphic ascomycete fungal pathogen of Nicotiana benthamiana, an important model plant in functional plant genomics. N. benthamiana is not only stunningly more susceptible to C. nicotianae than the conventional host of the fungus (N. tabacum) but the two organisms together provide a useful new pathosystem for studying molecular aspects of plant diseases and plant immunity.
Apoplastic class III peroxidases of Arabidopsis thaliana PRX33 and PRX34 have been presented as important sources of a pathogen-induced extracellular oxidative burst. They served susceptibility when plants were challenged by the necrotrophic fungal pathogen Alternaria brassicicola. Some potential new components of the PRX33 and PRX34 signaling networks were also revealed.
Immune functions of a previously uncharacterized Arabidopsis subtilisin-like serine protease (subtilase), ATSBT3.8 were presented. Plants with impaired ATSBT3.8 activity exhibited altered host responses to a variety of fungal and bacterial pathogens and they showed perturbed jasmonate and auxin signaling.
By eliminating cellular phytoene desaturase (PDS) mRNA through virus-induced gene silencing, chlorophyll-deficient plant tissues were created. Using this plant material, some crucial roles in pathogen-induced cell death and cellular redox homeostasis could have been assigned to chloroplast-derived reactive oxygen species.
József Fodor, Evelin Kámán-Tóth, Tamás Dankó, Ildikó Schwarczinger, Zoltán Bozsó, Miklós Pogány: Description of the Nicotiana benthamiana−Cercospora nicotianae Pathosystem, PHYTOPATHOLOGY 108: (1) 149-155, 2018
Kámán-Tóth E, Pogány M, Dankó T, Szatmári Á, Bozsó Z: A simplified and efficient Agrobacterium tumefaciens electroporation method., 3 BIOTECH 8: Paper 148. 6 p., 2018
I Schwarczinger, J Kolozsváriné Nagy, A Künstler, L Szabó, K Geider, L Király, M Pogány: Characterization of Myoviridae and Podoviridae family bacteriophages of Erwinia amylovora from Hungary-potential of application in biological control of fire blight, EUR J PLANT PATHOL 149: (3) 639-652, 2017
Horváth J, Haltrich A, Molnár J (szerk.): Az Arabidopsis AT4g10540 szubtiláz befolyásolja a növény kórokozókkal szembeni válaszát., Budapest: Magyar Növényvédelmi Társaság, 91 p. 63. Növényvédelmi Tudományos Napok, 2017
Nagy VA, Pogány M, Bozsó Z, Tóth E: Fehérjelebontó faktorok szerepének vizsgálata A. thaliana kórokozókkal szembeni rezisztenciaválaszában., II. ATK Tudományos Nap. Martonvásár 2013. november 8., 2013
