 |
Transforming Arabidopsis research into targeted rapeseed breeding for improved growth and yield
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
105816 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Magyar, Zoltán |
| Title in Hungarian |
Arabidopsis kutatási eredmények hasznosítása a repce nemesítésben |
| Title in English |
Transforming Arabidopsis research into targeted rapeseed breeding for improved growth and yield |
| Keywords in Hungarian |
Arabidopsis, repce nemesítés, növekedés, terméshozam, magolaj tartalom, E2F-RB szabályozási hálózat |
| Keywords in English |
Rapeseed breeding, Arabidopsis, E2F-RBR transcriptional switch, growth, yield, seed oil content |
| Discipline |
| Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences) | 60 % | | Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences) | 40 % | | Ortelius classification: Plant growth |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Cséplő, Ágnes
Gombos, Zoltán
Pauk, János
Pettkó-Szandtner, Aladár
|
| Starting date |
2013-01-01 |
| Closing date |
2016-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
42.298 |
| FTE (full time equivalent) |
6.23 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az Arabidopsis a növényi alapkutatások molekuláris modellje, amely kiválóan alkalmas a növekedés mértékét befolyásoló gének, illetve génhálózatok felderítésére. Az Arabidopsis közeli rokonai a gazdasági szempontból fontos Brassica fajok, köztük az olajrepce (Brassica napus), amely potenciálisan lehetővé teszi az Arabidopsis eredmények repcenemesítési programba történő átvitelét. Felfedeztük, hogy az Arabidopsis egyik E2F-rokon génje, az E2FB fontos szerepet játszik a növényi szervek növekedésében, valamint meghatározó szerepet játszik a magban, a tartaléktápanyagok kialakításában is. Ezen tulajdonságai alapján az E2FB olyan szabályozó molekula, amely növényekben pozitívan képes szabályozni a növekedés mértékét. Arabidopsis-vonalakat hoztunk létre, amelyekbe az E2FB egy extra genomikus kópiáját transzformáltuk be. Így továbbra is a saját szabályozó régiója által irányítottan, a rá jellemző szövetekben fejeződött ki. Találtunk olyan vonalakat, ahol az E2FB kifejeződése csak kis mértékben növekedett, de a növény növekedése és terméshozama jelentősen megnőtt. Miután az E2FB megfelelője megtalálható más virágos növényekben is, feltételezzük, hogy az E2FB hasonló mértékű expressziós változása hasonló pozitív változásokat eredményez. Ennek az elméletnek az igazolására hasonló kísérleteket tervezünk az olajrepcében azzal a céllal, hogy fokozzuk a repce növekedését, terméshozamát és a magok olajtartalmát. Tervezzük továbbá az E2FB célgénjeinek és kölcsönható partnereinek az azonosítását is. Ennek révén ugyanis további fontos szabályozó géneket tudunk izolálni.
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 növényi alapkutatások kulcskérdése, hogyan lehet az Arabidopsis eredményeket a gazdaságilag hasznos növények javára felhasználni? Ismert, hogy a növények növekedése a hajtás- és gyökércsúcsban található merisztéma működésétől függ. A merisztématikusan aktív sejtek osztódás révén új sejteket hoznak létre; a sejtosztódásba történő be- illetve kilépés molekuláris szabályozásában ugyanakkor egy evolúciósan konzerválódott mechanizmus, az E2F-RB vesz részt. Felfedeztük, hogy az Arabidopsis egyik E2F-rokon transzkripciós faktora, az E2FB képes az osztódás mértékét fokozni, amikor növényi sejtekben túltermeltettük. Következő lépésként az E2FB kifejeződését úgy befolyásoltuk, hogy a gén genomikus kópiáját transzformáltuk vissza, amely így a rá jellemző kifejeződést megőrizte, de különbözött az expresszió mértékében. A transzformáns vonalak növekedése az E2FB kifejeződésétől függő módon változott. További kutatásaink révén azt is felfedeztük, hogy az E2FB a mag fejlődése során is fontos szerepet játszik, de nem a sejtosztódások szabályozásában, hanem a tartaléktápanyagok felhalmozásában. Mindezek alapján az E2FB a növekedés egyik kulcsszabályozója. Feltételezzük, hogy ez nemcsak az Arabidopsisra érvényes, hanem más növényfajokra is. Ezt az elméletet hasonló kísérletek kivitelezésével repcében szeretnénk igazolni. Arra a kérdésre, hogyan képes az E2FB ezekre a változtatásokra, a célgének valamint a kölcsönható fehérjék azonosítása révén keressük a választ. Ezek az ismeretek további lehetőséget nyújtanak a repce nemesítési proramhoz.
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!
Az E2FB növekedést stimuláló hatása két egymástól független szabályozási mechanizmus által regulálódik; egyfelől a sejtosztódás mértékét képes növényi szervekben befolyásolni, másfelől a magfejlődés során, a sejtciklustól független módon, a tartaléktápanyagok felhalmozásában szerepet játszó géneket szabályozhat (WRI1 és LEC2). Felfedeztük, hogy az E2FB kifejeződése pozitívan képes befolyásolni mind a növekedés mértékét, mind pedig a maghozamot. Hasonló pozitív hatás a repce növekedésére és terméshozamára egyértelműen nagyobb jelentőséggel bírna. Az E2FB célgének és kölcsönható fehérjék meghatározása az E2FB körüli szabályozási hálózatot derítené fel. Ennek jelentősége nemcsak abban rejlik, hogy megmutatná azt a molekuláris mechanizmust, ahogyan az E2FB működik, hanem a repcenemesítési program részére, a természetes fajokban célirányos térképezéssel, olyan változatokat (alléleket) tudna azonosítani, amelyek pozitív hatással vannak a növekedésre és a terméshozamra. Ennek a megközelítésnek az a jelentősége, hogy jobbító, termésfokozó hatását nem genetikai módosítás révén éri el.
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.
Kutatásaink középpontjába olyan gének kerültek, amelyek a növekedés két alapvető folyamatát, a sejtosztódást és a sejtmegnyúlást szabályozzák. Lényegében ennek a két fő folyamatnak az egyensúlya határozza meg a növények, illetve szerveik növekedésének a mértékét. A jelenleg fennálló modell alapján az egyensúly molekuláris szabályozásában egy, az evolúció során konzerválódott mechanizmus játszik kulcsszerepet, amelyet a benne résztvevő szabályozó elemekről E2F-RB-nek neveztek el. Kimutattuk, hogy az Arabidopsis (lúdfű) egyik E2F transzkripciós faktora, az E2FB fontos szerepet játszik az osztódásokba történő be-, illetve kilépésekben. Létrehoztunk olyan transzformáns vonalakat, amelyekbe az E2FB egy újabb kópiáját vittük be. Ezekben a transzformáns növényekben az E2FB a rá jellemző módon fejeződőtt ki, de különböző mértékben. A növények növekedése az E2FB kifejeződésétől függő módon változott meg; kismértékű emelkedése jelentősen fokozta a növények növekedését és a terméshozamot. Miután az E2FB gén más növényfajokban is megtalálható, ezért feltételezzük, hogy ez nemcsak a lúdfűre érvényes, hanem más növényfajokra is. Ezt az elméletet hasonló kísérletek kivitelezésével repcében szeretnénk igazolni. Arra a kérdésre, hogyan képes az E2FB ezekre a változtatásokra, a célgének valamint a kölcsönható fehérjék azonosítása révén keressük a választ.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Arabidopsis is a powerful experimental model to find genes and regulatory networks controlling biomass production. Agronomically important Brassica species (eg Brassica napus) are closely related to Arabidopsis providing a good chance that results are directly transferable to Brassica breeding programs for crop improvment. We have established that an E2F-related transcription factor, E2FB as a critical dose dependent regulator of both vegetative and seed growth, and additionally it positively influences the accumulation of seed reserves. This makes E2FB a pivotal candidate target gene for crop improvement to attain increased yield. In Arabidopsis, we have achieved growth and yield benefit by obtaining lines with extra genomic copy of the E2FB gene that only moderately increased the E2FB level, but retained its developmental regulation. E2FB is a conserved master regulator, suggesting that our findings are transferable to a broad range of crops. As a first proof of concept we aim to perform the translational research on rapeseed to improve growth, yield and seed oil content. Additionally we propose to establish the growth regulatory network of E2FB-RBR1 interacting proteins and target genes. This will expand the repertoire of genes that can be targeted in breeding programs for yield.
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.
Our main question is: how we could translate Arabidopsis knowledge related to growth and development into crop plants to improve yield? Growth relies on the production of cells, which in plants is restricted to meristems. Both entering and leaving cell proliferation is controlled by an evolutionary conserved transcriptional regulatory switch, the E2F-RB pathway. Our published work shows that overexpression of E2FB, an E2F transcription factor in Arabidopsis, dramatically increase the proliferation rate of cells. In our recent work, we could influence plant growth and seed production by modulating E2FB expression level within its own expression domain, indicating that E2FB is a key growth regulator. Moreover we have discovered that E2FB could regulate the accumulation of storage reserves during seed development. This makes E2FB a pivotal gene for crop improvement to attain increased yield. We aim to prove this concept in the related Brassica species by using the same strategy we have employed in Arabidopsis to increase E2FB expression level in rapeseed within its own expression domain. To establish how E2FB can boost biomass and yield we will determine the target genes and interacting proteins. The compendium of these genes will provide further material for targeted rapeseed breeding programs.
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.
The E2FB transcription factor can boost biomass production and yield by two independent mechanisms; regulate the rate of cell proliferation during organ development and control seed development, deposition of seed reserves through cell cycle-independent targets, including WRI1 and LEC2. We provide compelling evidence in Arabidopsis that modulating E2FB level can increase growth and yield. Establishing that E2FB and its downstream targets WRI1 and LEC2 can do the same in rapeseed would have a large potential to increase yield. Identification of further E2FB direct targets and the interacting partners will establish the entire regulatory network around E2FB. Since genes act through an interconnected network, this knowledge will be immensely important not only for uncovering the biological mechanism of E2FB function, but also for targeted rapeseed breeding programs, that can utilize all these genes for identification of growth and yield promoting alleles, e.g. by targeted association mapping strategies. Therefore it provides an alternative way independent of GMO technology for crop improvement.
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.
In the following decades, the world market for plant-derived products is expected to expand exponentially. Not only do we rely on plants to feed the growing world population, but plants will also play a pivotal role in providing a significant part of our increasing energy demands. Although of no direct economic significance, the model plant Arabidopsis can be used to find genes and regulatory networks controlling biomass production, which, in turn, can be applied for further growth improvement in other species including crop plants. Brassica and Arabidopsis are closely related, and thus has the highest potential for knowledge transfer. Crops in this family contribute to approximately 10% of the world’s vegetable and approximately 12% of the worldwide edible oil supplies. We have discovered in Arabidopsis that growth, yield and seed oil content was improved by introducing an extra genomic copy of a transcription factor called E2FB. Thus E2FB can be a promising breeding target for crop improvement. As a proof of concept we will repeat the same experiments in Brassica that we have done in Arabidopsis. Identifying the direct targets and the interacting partners of E2FB within this proposed work will establish the entire regulatory network around E2FB. Once this work will establish the role and dose dependent function of these genes in rapeseed, we will be able to develop targetted breading programs to screen for polymorphisms in natural allelles in rapeseed genetic resources to provide these beneficial traits. Therefore our proposal is not linked to GMO technology as the only route for crop improvement.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
