Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences)
40 %
Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences)
40 %
Crop protection (Council of Complex Environmental Sciences)
20 %
Ortelius classification: Crop protection
Panel
Complex agricultural sciences
Department or equivalent
Plant Protection Institute (Centre for Agricultural Research)
Starting date
2014-02-01
Closing date
2017-08-31
Funding (in million HUF)
15.000
FTE (full time equivalent)
2.68
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A szalicilsav (SA) központi szerepet tölt be a növény jelátviteli folyamataiban kórokozó fertőzéskor. A glutation (GSH) fontos növényi nem fehérje tiol vegyület, hatása mind antioxidánsként, mind a növényi jelátvitel részeként ismert. A GSH és SA közvetítette betegségrezisztencia kapcsolata azonban kevéssé ismert. A GSH termelés genetikai gátlása Arabidopsis thaliana-ban alacsonyabb SA-szinthez vezet, és az SA-függő patogenezissel kapcsolatos (PR) gének kifejeződése csökken. Más kutatások szerint GSH-túltermelő transzgenikus dohányban megnő a SA-tartalom, fokozódik a PR-gének kifejeződése és ezzel együtt a növények fokozottan rezisztensek egy bakteriumra (Pseudomonas syringae pv. tabaci-val), míg nekrotróf gombakórokozókra nem. Jelenleg azonban nem ismert a GSH pontos szerepe az SA-közvetítette rezisztenciában más biotróf kórokozók fertőzésekor. Pályázatom fő célja a GSH szerepének tanulmányozása az SA-közvetítette növényi betegségrezisztenciában biotróf kórokozókkal, pl. dohány lisztharmattal és különböző vírusokkal szemben. A GSH szint csökkentését egy SA-túltermelő dohányban (Nicotiana edwardsonii var. Columbia), ill. a GSH-szint növelését SA-hiányos dohányban (pl. N. tabacum cv. Xanthi nahG) kémiai kezelésekkel, ill. GSH alultermelő /túltermelő növényekkel történő keresztezéssel kívánom elérni. A kezelt növényekben vizsgálni fogom a vírusokkal (pl. TMV, ObPV, TNV), ill. dohány lisztharmattal (Golovinomyces orontii) szembeni rezisztencia megváltozását, valamint egyes védekezési gének kifejeződésének változásait qRT-PCR-rel. Ezen vizsgálatok tisztázhatják a GSH szerepét az SA-közvetítette, vírus- és lisztharmat-fertőzés ellen ható növényi rezisztenciában.
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. Szakirodalmi adatok alapján a glutation fontos szerepet játszhat a szalicilsav közvetítette betegségrezisztenciában biotróf bakteriális kórokozókkal szemben. Pályázatom fő célja annak tisztázása, hogy a glutation milyen szerepet játszik a szalicilsav által közvetített növényi betegségrezisztenciában más biotróf kórokozókkal (obligát parazitákkal), pl. dohány lisztharmattal vagy különböző növényi vírusokkal szemben? A pályázat keretében a következő kérdéseket kívánom tisztázni: 1/ A glutation (GSH) szint csökkentése milyen hatással van a szalicilsav által meghatározott vírus- és lisztharmat rezisztenciára? A GSH bioszintézis gátlása egy szalicilsav túltermelő, fokozott betegségrezisztenciát mutató növényben (Nicotiana edwardsonii var. Columbia) kémiai kezeléssel (BSO), ill. GSH alultermelő növénnyel történő keresztezéssel. 2/ A magas GSH szint képes-e legalább részben helyreállítani a szalicilsav által meghatározott vírus és lisztharmat rezisztenciát? A glutation szint mesterséges növelése szalicilsav felhalmozásra képtelen csökkent rezisztenciát mutató növényekben (pl. Nicotiana tabacum cv.Xanthi nahG) kémiai kezeléssel (OTC), ill. GSH túltermelő növénnyel történő keresztezéssel.
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 pályázat során elvégzendő kísérletekből származó adatok alapján a glutation szerepének vizsgálata a szalicilsav által közvetített növényi betegségrezisztenciában értékes információkat szolgáltathat e komplex rezisztenciaforma jobb megértéséhez. Hosszabb távon a pályázati munka eredményei felhasználhatók lesznek a növénynemesítési gyakorlatban is, elsősorban biotróf kórokozókkal (vírus, ill. lisztharmatok) szemben rezisztens haszonnövények előállításában.
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. Az ún. biotróf (élő növényi szövetet kedvelő) kórokozók, mint pl. a lisztharmatgombák vagy a vírusok jelentős károkat okoznak a növénytermesztésben. A növényekben az evolúció során kifejlődött egy védelmi rendszer ezen biotróf kórokozókkal szemben. Ezt a védekezési módot főként egy növényi hormon, a szalicilsav irányítja, és hatásmódja meglehetősen jól ismert a növényi kórélettannal foglalkozó szakemberek számára. Az utóbbi évek kutatásai azonban felvetették azt a lehetőséget, hogy a szalicilsav által vezérelt védekezési mód megfelelő működéséhez a növénynek glutationra van szüksége. A glutation kulcsfontosságú vegyület a növények számára, számtalan hatása ismert, mint pl. a méregtelenítés, káros anyagok semlegesítése, de fontos szerepet játszik a kórokozók elleni védekezési reakciókban is. Mindazonáltal az a tény, hogy a glutation szükséges a szalicilsav által kiváltott védekezési reakciókban kevéssé kutatott terület, de az utóbbi években kiderült, hogy glutation hiányában a növény kevesebb szalicilsavat képez, mint normális glutation ellátottság esetén. Ezzel szemben, ha a növényben magas a glutation tartalom, több szalicilsav képződik, és ennek hatására fokozódik a növények védelmi rendszerének aktivitása baktériumos fertőzésekkel szemben. Pályázatom célja a glutation szerepének vizsgálata a szalicilsav által kiváltott védekezésben különböző növényi vírusos és gombás fertőzések során. A pályázat keretében végzendő kutatásaim a növény egy nagyon fontos védekezési rendszerének jobb megismeréséhez járulhatnak hozzá. Ezáltal a kapott eredményeket hosszabb távon a gyakorlatban – betegség rezisztens növényfajták előállításában – is fel lehet felhasználni.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Salicylic acid (SA) plays a central role in signaling for disease resistance of plants to invading pathogens. Glutathione (GSH), is the most important non-protein thiol compound in plants that plays a pivotal role both as an antioxidant and a plant defense signaling compound. So far only a few studies address the role of GSH in SA-mediated plant disease resistance. It has been demonstrated that genetic inhibition of GSH accumulation in Arabidopsis thaliana leads to lower SA levels and a reduced expression of SA-dependent pathogenesis-related (PR) genes. On the other hand, transgenic tobacco with high GSH levels produce more SA, display enhanced expression of PR genes and resistance to the bacterium Pseudomonas syringae pv. tabaci, but not to necrotrophic fungal pathogens. However, currently it is not known how GSH influences SA-related plant defense and resistance responses to biotrophic pathogens. The main goal of this proposal is to investigate the role of GSH in SA-mediated plant resistance to biotrophic pathogens, i.e. powdery mildews and viruses. GSH levels will be inhibited in an SA overproducer tobacco (Nicotiana edwardsonii var. Columbia), while GSH levels will be enhanced in SA-deficient transgenic tobacco (e.g. N. tabacum cv. Xanthi nahG) by both biochemical means and crossing with GSH-deficient/overproducer plants. Changes in resistance to viruses (e.g. TMV, ObPV, TNV) and tobacco powdery mildew (Golovinomyces orontii) will be monitored along with changes in expression of candidate defense genes (qRT-PCR). These studies should clarify the role of GSH in SA-mediated resistance to plant diseases caused by viruses and tobacco powdery mildew.
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. According to literature data, glutathione plays a pivotal role in salicylic acid (SA) mediated plant disease resistance to biotrophic bacterial pathogens. The main goal of this proposal is to investigate the role of glutathione (GSH) in SA-mediated plant resistance to other biotrophic pathogens (obligate parasites), i.e. tobacco powdery mildews and different plant viruses. 1/ How does the inhibition of GSH levels influences SA-mediated plant resistance to powdery mildews and viruses? Inhibition of GSH biosynthesis in an SA-overproducer tobacco (Nicotiana edwardsonii var. Columbia) that displays enhanced disease resistance by chemical treatments (BSO) and crossing with GSH-deficient tobacco plants. 2/ Do high levels of GSH are capable of at least a partial restoration of SA-mediated plant resistance viruses and powdery mildews? Artificial elevation of glutathione levels in salicylic acid deficient tobacco (e.g. Nicotiana tabacum cv. Xanthi nahG) with impaired pathogen resistance by chemical treatments (OTC) and crossing with GSH overproducer plants.
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. Based on data generated by experiments of this project investigations on the role of glutathione in salicylic acid-mediated plant disease resistance should provide valuable knowledge for the better understanding of complex interactions between salicylic acid and glutathione in the development of plant defense against microbial pathogens. In the future, results generated by this project could be applied in plant breeding practices during generation of crop plants resistant to biotrophic pathogens (viruses and powdery mildews).
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 so-called biotrophic pathogens (i.e. pathogens that prefer living plant tissues) like powdery mildews and viruses cause significant economic losses in crop production. During evolution, plants have developed a defense system against these biotrophic pathogens. This defense system is regulated primarily by a plant hormone, salicylic acid, and its effect is well known among researchers. According to recent research results, the plant defense system governed by salicylic acid may require glutathione for its normal function. Glutathione is a compound of primary importance for plants with diverse beneficial effects like detoxification and neutralization of harmful pollutants, pesticides, etc. Furthermore, glutathione plays a pivotal role in plant defense against pathogens. The fact that glutathione is required for plant defense governed by salicylic acid is not entirely clarified. However, it is known that without the presence of glutathione, plants produce less then normal amounts of salicylic acid. On the other hand, plants with high glutathione levels produce high amounts of salicylic acid which enhances their salicylic acid-mediated defense against bacterial infections. The main goal of this proposal is to investigate the role of glutathione in salicylic acid-mediated plant defense in response to different viral and fungal pathogens. Research planned to be carried out with the help of this proposal should contribute to the better understanding of this very important plant defense system. The obtained results could provide useful information for plant breeders in the development of pathogen-resistant crop varieties to be used in farming practices.
Final report
Results in Hungarian
A glutation (GSH) hatását vizsgáltuk a szalicilsav (SA) indukált rezisztenciában biotróf kórokozók ellen. Ismert, hogy a SA és GSH fontos szerepet töltenek be a növények jelátviteli folyamataiban. Előzetes kutatások szerint SA-hiányos növények fokozottan fogékonyak biotróf patogének fertőzésére. Ismert továbbá a SA és GSH együttes hatása növényi védekezési folyamatokban baktériumos fertőzések esetén. Nem tisztázott viszont, hogy a SA függő védekezést hogyan befolyásolja a GSH biotróf kórokozók fertőzésekor.
Eredményeink szerint SA-hiányos dohányban (Nicotiana tabacum cv. Xanthi nahG) a GSH tartalom növelése részlegesen helyreállította a növény sérült rezisztenciáját biotróf korokozókkal (dohány mozaik vírus; TMV, dohány nekrózis vírus; TNV, Euoidium longipes lisztharmatgomba) szemben. A GSH-nak a SA indukált rezisztenciában játszott szerepének tisztázásához SA hiányos dohánynövényeket (nahG) kereszteztünk GSH túltermelő dohányokkal (N. tabacum cv. Burley CEMK-9, TRI-2) és a keresztezésből származó F1 utódgenerációban értékeltük a rezisztencia változását. Egy másik módszert is használtunk a GSH tartalom megnövelésére, különböző koncentrációjú GSH és OTC (egy glutation előanyag) oldatot injektáltunk a növényekbe a fertőzés előtt.
Kimutattuk, hogy a biotróf patogénekkel szemben fokozottan fogékony, SA hiányos dohánynövény részlegesen gátolja a vírusreplikációt/ lisztharmatgomba szaporodást, ha nagy koncentrációjú GSH található a fertőzött növényben.
Results in English
In this project we have investigated the role of glutathione (GSH) in salicylic acid (SA) mediated plant resistance to biotrophic pathogens. Salicylic acid and glutathione play crucial roles in signaling during defense reactions to biotrophic pathogens. Previous research has shown that SA-deficient plants have increased susceptibility to biotrophic pathogens. Recent publications report that SA and GSH may interplay in plant defense reactions during bacterial infections. However, currently it is not known how GSH influences SA-related plant resistance responses to biotrophic pathogens?
Our results showed that increasing GSH contents in an SA-deficient tobacco (Nicotiana tabacum cv. Xanthi nahG) could restore the injured resistance to different biotrophic pathogens. To investigate the role of GSH in SA mediated resistance we crossed SA deficient tobacco (nahG) with GSH overproducer tobacco lines (N. tabacum cv. Burley CEMK-9, TRI-2) and used F1 plants to evaluate possible changes in disease resistance. As an alternative method we artificially infiltrated the SA deficient plants with GSH and OTC (a glutathione precursor) in different concentrations and timing prior to virus inoculation and fungal infection.
We have shown that tobacco plants containing low SA levels and displaying increased susceptibility to biotrophic pathogens may partially inhibit virus replication and fungal reproduction if high levels of GSH are present.
Réka Albert, András Künstler, Ferenc Lantos, Attila L Ádám, Lóránt Király: Graft-transmissible resistance of cherry pepper (Capsicum annuum var. cerasiforme) to powdery mildew (Leveillula taurica) is associated with elevated superoxide accumulation, NADPH oxidase activity and pathogenesis-related gene expression, ACTA PHYSIOL PLANT 39: , 2017
Bacsó R, Künstler A, Király L: Tobacco necrosis virus replication and spread in Arabidopsis thaliana ecotype Columbia: a potential system for studying plant defense reactions to symptomless virus infections, ACTA PHYSIOL PLANT 38: (6) , 2016
Hernández JA, Gullner G, Clemente-Moreno MJ, Künstler A, Juhász C, Díaz-Vivancos P, Király L: Oxidative stress and antioxidative responses in plant-virus interactions, PHYSIOL MOL PLANT P 94: 134-148, 2016
Künstler A, Bacsó R, Gullner G, Hafez YM, Király L: Staying alive - is cell death dispensable for plant disease resistance during the hypersensitive response?, PHYSIOL MOL PLANT P 93: 75-84, 2016
Pogány M, Harrach B, Bozsó Z, Künstler A, Janda T, von Rad U, Vida Gy, Veisz O: Cold hardening protects cereals from oxidative stress and necrotrophic fungal pathogenesis, OPEN LIFE SCI 11: 78-85, 2016
Künstler A. Kátai Gy. Albert R. Király L.: Differential roles of glutathione in salicylic acid-mediated resistance of tobacco to Tobacco mosaic virus (TMV) and Tobacco necrosis virus (TNV), Plant Biology Europe EPSO/FESPB Congress Prague ID:533, 2016
Király L. Künstler A. Nádai T.: Enhanced susceptibility to systemic virus infections in a superoxide (paraquat) tolerant tobacco with elevated antioxidant capacity, Plant Biology Europe EPSO/FESPB Congress Prague ID:534, 2016
Király L. Nádai T. Künstler A.: Tüneti rezisztencia és fokozott fogékonyság szisztemikus vírusfertőzésekre egy szuperoxid (paraquat) toleráns, nagy antioxidáns kapacitású dohányban, Növényvédelmi Tudományos Napok Budapest 85., 2016
Künstler A. Füzék K. Király L.: Hőkezeléssel indukált fokozott fogékonyság árpában egy nekrotróf gombával (Pyrenophora teres) szemben, Növényvédelmi Tudományos Napok Budapest 86., 2016
Künstler A. Füzék K. Márfi-Bacsó R. Király L.: Enhanced heat-induced susceptibility of barley to Bipolaris sorokiniana is marked by increased levels of superoxide and hydrogen peroxide and elevated PR-1b expression, Abstract 132 XVI. International Congress on Molecular Plant-Microbe Interactions, Rhodes, Greece., 2014
Király L. Nádai T. Künstler A.: Elevated antioxidant capacity and programmed cell death inhibition in a superoxide tolerant tobacco is associated with enhanced susceptibility to systemic virus infection, Abstract, CS-20.3. XVI. International Congress on Molecular Plant-Microbe Interactions, Rhodes, Greece., 2014
Viczián O; Künstler A; Hafez Y.M; Király L: Catalase may play different roles in influencing resistance in virus-induced hypersensitive necrosis, Acta Phytopathologica et Enthomologica Hungarica 49: 189-200, 2014
Künstler A. Füzék K. Király L.: Hőkezeléssel indukált fokozott fogékonyság árpában egy hemibiotróf gombával (Bipolaris sorokiniana) szemben, Abstract #51 60. Növényvédelmi Tudományos Napok Budapest, 2014
Király L. Nádai T. Künstler A.: Egy szuperoxid (paraquat) toleráns, nagy antioxidáns kapacitású dohány fokozott fogékonysága szisztemikus vírusfertőzéssel szemben, Abstract #103 60. Növényvédelmi Tudományos Napok Budapest, 2014
Szalay A. Hasebe T. Horváth D. Király L. Künstler A. Szakál Zs. Lantos F: The effect of arsenic (As) contamination on domestic vegetables, pp. 141-143 in Review on Agriculture and Rural Development, 2014
Künstler A. Bacsó R. Hafez YM. Király L.: Reactive oxygen species and plant disease resistance, In: DK Gupta, JM Palma, FJ Corpas (eds.) Reactive Oxygen Species and Oxidative Damage in Plants Under Stress. Springer International Publishing, pp. 269-303., 2015
Lantos Ferenc, Csüllög Kitti, Albert Réka, Künstler András, Király Lóránt: A kalciumhiány és a szuperoxid (O2-) termelődésének összefüggése paprikabogyó-szövetekben, KERTGAZDASÁG: A KERTÉSZETI ÉS ÉLELMISZERIPARI EGYETEM A MAGYAR KERTÉSZETI TANÁCS ÉS A MAGYAR KERTÉSZETI TUDOMÁNYOS TÁRSASÁG SZAKFOLYÓIRATA 47:(3) pp. 25-28. (2015), 2015
Albert Réka. Künstler András. Ádám Attila. Lantos Ferenc. Király Lóránt.: A cseresznyepaprikáról étkezési paprikára oltással átvihető lisztharmat rezisztencia biokémiai markerei, Abstract #58 61. Növényvédelmi Tudományos Napok Budapest,, 2015
Künstler András. Kátay György. Albert Réka. Király Lóránt.: A glutation szerepe a szalicilsav által aktivált, biotróf kórokozókkal szembeni rezisztenciában, Abstract #92 61. Növényvédelmi Tudományos Napok Budapest, 2015
Lóránt Király. András Künstler. Ferenc Lantos. Attila Ádám. József Fodor. Réka Albert.: Enhanced superoxide accumulation and NADPH oxidase activity predict powdery mildew resistance graft-transmissible from cherry pepper to sweet pepper, Abstract #107 in 12th International Conference on Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Plants: from model systems to field Verona Italy, 2015
András Künstler. György Kátai. Réka Albert. Lóránt Király.: Role of glutathione in salicylic acid mediated plant disease resistance to tobacco mosaic virus (TMV), Abstract #108 in 12th International Conference on Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Plants: from model systems to field Verona Italy, 2015
