 |
Effect of drought and heat stress on pollen-pistil interaction, fertilisation and kernel development in wheat
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
108644 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Jäger, Katalin |
| Title in Hungarian |
A szárazság és hőstressz hatása a búza pollen-bibe kölcsönhatására, megtermékenyülésére és szemfejlődésére |
| Title in English |
Effect of drought and heat stress on pollen-pistil interaction, fertilisation and kernel development in wheat |
| Keywords in Hungarian |
fertilitás, programozott sejthalál, reaktív oxigén származékok, stressz, szövettan, transzkriptóm analízis, ultrastruktúra |
| Keywords in English |
fertility, histology, programmed cell death, reactice oxigen species, transcriptome analysis, ultrastructure |
| Discipline |
| Plant reproduction biology (Council of Complex Environmental Sciences) | 80 % | | Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences) | 10 % | | General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % | | Ortelius classification: Molecular biology |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research) |
| Participants |
Barnabás, Beáta
Birinyi, Zsófia
Eitel, Gabriella
Fábián, Attila László
Gell, Gyöngyvér Mónika
Makai, Szabolcs
Papp, István
Sáfrán, Eszter
Sági, László
|
| Starting date |
2014-02-01 |
| Closing date |
2019-01-31 |
| Funding (in million HUF) |
27.676 |
| FTE (full time equivalent) |
8.73 |
| 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 pályázat célja a búza megtermékenyítése előtt és alatt fellépő együttes hő- és szárazságstressz hatásának komplex vizsgálata, különös tekintettel a morfológiai és molekuláris folyamatokra. A jelenséget olyan integrált megközelítéssel kívánjuk tanulmányozni, amely citológiai, szövettani, élettani vizsgálatokat, transzkriptom szekvenálást és proteomikai elemzést foglal magába. A hiánypótló mikroszkópos vizsgálatok hozzájárulnak a kombinált hő- és szárazságstressz ivarszervekre gyakorolt hatásának meghatározásához és összehasonlító alapot nyújtanak a transzkriptomikai és proteomikai vizsgálatokhoz. Mindezeken túl, mivel a kontroll körülmények között fejlődő búza termőben expresszálódó gének sem ismertek, ezért vizsgálatai eredményeink várhatóan újszerűek lesznek. Azt várjuk, hogy vizsgálatainkban a búza bibe transzkriptom és proteom új szereplői jelennek meg a hő- és száraszságstressz hatására. Ilyen módon tehát újonnan előforduló bibe-specifikus géneket és fehérjéket kívánunk azonosítani standard és stressz körülmények között, valamint a stresszválasz lehetséges szabályozóit.
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 klímaváltozás hatására a búza generatív fejlődése során egyre nagyobb gyakorisággal és intenzitással fellépő extrém forró és száraz időszakok hatására veszélybe került az őszi búza termésbiztonsága. A szakirodalmi adatok és saját eredményeink alapján feltételezzük, hogy a virágzást megelőző és az alatt fennálló együttes hő- és szárazságstressz jelentősen megváltoztatja a búza szaporítószerveinek morfológiáját, transzkriptom és proteom mintázatát. A kísérletek során a következő kérdések kerülnek megválaszolásra: hatással van-e a stressz a pollensejtek életképességére, keményítő felhalmozására és morfológiájára? Ha csökken a keményítő mennyisége, az befolyásolja-e a pollentömlők csírázását erélyét és a pollentömlők növekedését? Befolyásolja-e a pollensejtek rehidratációs képességét és az exine és az intine ultrastruktúráját? Megváltozik-e a bibepapilla sejtek reaktív oxigénforma termelése és a pollensejtek nitrogén monoxid tartalma a stressz hatására és annak milyen hatása van a pollen in vivo csírázására és a pollentömlő növekedésére? Megnöveli-e a bibepapilla sejtek apoptózisát? Megváltozik-e a bibecsatorna és a termő szöveteinek struktúrája? Hatással van-e a stressz a petesejtek megtermékenyülésére és a szemtermések fejlődésére? Csökken-e a növénymagasság, a fertilitás, a termés és a harvest index? Hogyan változik-e a bibe transzkriptom és proteom mintázata? A módosult transzkriptom és proteom mintázat követi-e a morfológiai változásokat?
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 komplex mikroszkópos vizsgálat hiánypótló volta miatt hozzájárul a kombinált hő és szárazságstressz szaporítószervekre gyakorolt hatásának felderítéséhez és kiindulási, illetve összehasonlítási alapot teremt a transzkriptomikai és proteomikai vizsgálatokhoz. Annak ellenére, hogy óriási mennyiségű transzkriptom adat vált az utóbbi időben elérhetővé a hím gametofitonból, a hasonló részletes rálátás a termő esetében csupán néhány modell növényfajra korlátozódik (Arabidopsis, rizs, sáfrány és dohány). Éppen ezért a jelen pályázat keretében a búza bibe stressz-indukálta transzkriptom változását vizsgáljuk. Ezen kívül a kontroll, kezeletlen növények vizsgálata első ízben fog alapállapotként mélyebb betekintést engedni a búza termőben átíródó génkészletbe és annak működésébe. Azt várjuk, hogy vizsgálatainkban a búza bibe transzkriptom és proteom új szereplői jelennek meg a hő- és szárazságstressz hatására. Mivel ilyen jellegű munkát búzáról ezidáig nem közöltek, eredményeink várhatóan újszerűek lesznek.
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 globális klímaváltozás hatására Magyarországon is egyre gyakoribbá válnak az előre nem jelezhető rendkívül forró és aszályos időszakok a búza virágzása idején és azt közvetlenül megelőzően is. Kutatásunk célja, hogy megvizsgáljuk, milyen hatással vannak ezek a negatív időjárási körülmények a búza magkötésére és a búzaszem kialakulására. Mikroszkópos vizsgálatokkal meghatározzuk az együttes hő- és szárazságstressz hatására a bibe és a termő szöveteiben bekövetkezett változásokat. Vizsgáljuk a stresszelt pollen életképességét, a pollentömlő növekedési sebességét, a bibe szöveteinek elhalását és a stresszkörülmények között megporzott szemtermések fejlődésében bekövetkezett változást. Molekuláris biológiai módszerekkel meghatározzuk, hogy milyen gének működésében okozott változást a forró és száraz időszak és hogy milyen fehérjék termelését csökkentette le, illetve növelte meg. Ezek a vizsgálatok hozzájárulnak a stressz hatására bekövetkezett termésveszteség hátterének alapos megismeréséhez.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main objective of the application is a complex characterization of the effect of simultaneous drought and heat stress prior to and during fertilisation in wheat, with emphasis on changes in the morphology and molecular events. The whole phenomenon will be studied by an integrated approach comprising cytology, histology, physiology, transcriptome sequencing and proteome analysis. This complex, gap-filling microscopic study will contribute to revealing the effect of combined heat and drought stress on generative organs and also provides starting basis, a reference point to transcriptomic and proteomic investigations. In addition, an analysis of control, untreated plants as a baseline will – for the first time – also allow a deeper insight into the repertoire and expression rate of transcribed genes in the wheat pistil. This way we aim at identifying new stigma-associated transcripts and proteins, their abundance under normal and stress conditions as well as putative regulators/effectors of the stress response.
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.
Due to climate change and as a consequence of more frequent and intense extremely hot and dry periods during generative development of wheat, yield stability has become ever more threatened in winter wheat. Published and our own data have led us to assume that simultaneous drought-and-heat stress prior to and during flowering significantly affects the morphology of wheat reproductive organs as well as their transcriptomic and proteomic patterns. Therefore, the following questions will be addressed in our experiments: does stress affect the morphology, viability and starch accumulation of pollen grains? If starch content is decreased does it affect the rate of germination and growth of pollen tubes? Does it also influence rehydration ability of the pollen and the structure of exine and intine layers? Will the production of reactive oxygen species in stigma papillae as well as nitric oxide content in pollen change in response to stress; how does this affect pollen germination in vivo and growth of pollen tube? Does it elevate apoptosis in stigma papillae cells? Will the tissue structure of the pistil and stigma be affected? Does stress have an effect on fertilisation and early seed development? Will it decrease plant height, fertility, yield and harvest index? Are modified transcriptomic and proteomic patterns in correlation with morphological changes?
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.
This complex, gap-filling microscopic study will contribute to revealing the effect of combined heat and drought stress on generative organs and also provides starting basis, a reference point to transcriptomic and proteomic investigations. While a massive amount of transcriptome data has recently become available from the plant male gametophyte, a detailed similar view on the pistil, has only been restricted to a few model plants such as Arabidopsis, rice, saffron and tobacco. In the present proposal we therefore opt for the female side of wheat gametophytes and plan to look at stress-induced transcriptome modifications in the stigma. In addition, an analysis of control, untreated plants as a baseline will – for the first time – also allow a deeper insight into the repertoire and expression rate of transcribed genes in the wheat pistil. We believe that the stigma proteome of wheat under our investigations will reveal new members of cellular activity in response to drought and heat stress. As this type of investigation has never been reported before, we are confident that our data will be new and relevant. This way we aim at identifying new stigma associated transcripts and proteins, their abundance under normal and stress conditions as well as putative regulators/effectors of the stress response.
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.
As a consequence of global climate change, even in Hungary, extremely hot and dry unpredictable weather periods are more and more frequent even prior to and during fertilisation of wheat. The aim of our research is to study the effect of these negative weather conditions on the seed set and seed development in wheat. Microscopic observations will be carried out to determine the structural changes in the stigmas and pistils affected by the combination of drought and heat. The effect of stress on pollen viability, on the intensity of pollen tube growth, stigma senescence and the development of grains pollinated under heat and drought conditions will also be studied. Molecular biology methods will be used to identify the genes which show altered function after a hot and dry weather period. Proteins, the amount of which is reduced or increased will be identified too. Result will contribute to the better understanding of the processes leading to yield reduction.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Eitel G., Fábián A., Jäger K.: Simultaneous drought and heat stress alters gametophyte development, pollen-pistil interaction and fertilisation in wheat., Book of Abstracts, Multinational Congress on Microscopy: MCM-2015, Eger, Magyarország, 2015.08.23-2015.08.28. pp. 310-311., 2015 | | Eitel G., Fábián A., Jäger K.: Effect of simultaneous drought and heat stress on gametophyte development, pollen-pistil interaction and fertilisation in wheat., Abstract Book, The 26th Even-Ari Memorial Conference, Jacob Blaustein Institute for Desert Research, Sede Boqer, Israel, 26-27 April 2015, 2015 | | Deák C., Jäger K., Nagy VA., Oszlányi R., Barnabás B., Papp I.: C-repeat binding factor and dehydrin genes are induced co-ordinately in drought tolerance response of wheat cultivars, Journal of Agricultural Science 9:2, 2017 | | Eitel G., Fábián A., Jäger K.: A kombinált szárazság és hőstressz megváltoztatja a búza pollen-bibe kölcsönhatását és a megtermékenyülést, Veisz Ottó, Polgár Zsolt (szerk.) XXII. Növénynemesítési Tudományos Nap. Budapest , Magyarország , 2016. 03. 10. Budapest, p: 78. (ISBN:978-963-396-085-1), 2016 | | Jäger K., Sáfrán E., Fábián A., Deák C., Papp I., Barnabás B.: Effect of simultaneous heat-and-drought stress in wheat., Cereal Research Communications 45:(S1) pp. 63-64. (2017) 4th Conference of Cereal Biotechnology and Breeding (CBB4). Budapest, Magyarország: 2017.11.06 -2017.11.09., 2017 | | Deák C., Jäger K., Nagy VA., Oszlányi R., Barnabás B., Papp I.: A C-ismétlődő szekvenciához kötődő faktor és a dehidrin gének koordinált indukciója a búzák szárazság tolerancia válasza során., In: Veisz Ottó (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók, Budapest, Magyarország, 2017.03.07 Budapest: Magyar Tudományos Akadémia, 2017. p. 95. (ISBN, 2017 | | Fábián A., Sáfrán E., Eitel G., Jäger K.: A kombinált szárazság- és hőstressz hatása a bibepapillák reaktív oxigéngyöktartalmára őszi búzában., In: Veisz Ottó (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók, Budapest, Magyarország, 2017.03.07 Budapest: Magyar Tudományos Akadémia, 2017. p. 96., 2017 | | Jäger K., Fábián A., Eitel G., Gell G., Makai S., Sáfrán E., Barnabás B.: Az aszály és hőstressz hatása az őszi búza ivaros folyamataira., In: Veisz Ottó (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók, Budapest, Magyarország, 2017.03.07 Budapest: Magyar Tudományos Akadémia, 2017. pp. 55., 2017 | | Deák C., Jäger K., Nagy VA., Oszlányi R., Barnabás B., Papp I.: C-repeat binding factor and dehydrin genes are induced co-ordinately in drought tolerance response of wheat cultivars, Journal of Agricultural Science 9:2, 2017 | | Fábián A., Sáfrán E., Eitel G., Jäger K.: A kombinált szárazság- és hőstressz hatása a bibepapillák reaktív oxigéngyök tartalmára őszi búzában., In: Veisz Ottó (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók, Budapest, Magyarország, 2017.03.07 Budapest: Magyar Tudományos Akadémia, 2017. p. 96., 2017 | | Sáfrán E., Fábián A., Krárné Péntek B., Barnabás B., Jäger K.: A szimultán hő- és szárazságstressz hatása a búza fotoszintézisére., In: Karsai I., Polgár Z. (szerk.) XXIV. Növénynemesítési Tudományos Nap: Összefoglalók, Budapest, Magyarország, Magyar Tudományos Akadémia, (2018) p. 121, 2018 | | Deák C., Sáfrán E., Krárné Péntek B., Fábián A., Jäger K.: A búza II. fotokémiai rendszerének antennafehérjéit kódoló gének kifejeződése együttes hő- és szárazságstressz hatására., In: Karsai I., Polgár Z. (szerk.) XXIV. Növénynemesítési Tudományos Nap: Összefoglalók, Budapest, Magyarország, Magyar Tudományos Akadémia, (2018) p. 77, 2018 | | Fábián A., Sáfrán E., Krárné Péntek B., Barnabás B., Jäger K.: Az őszi búza bibe transzkriptom változásai kombinált szárazság- és hőstressz hatására., In: Karsai I., Polgár Z. (szerk.) XXIV. Növénynemesítési Tudományos Nap: Összefoglalók, Budapest, Magyarország, Magyar Tudományos Akadémia, (2018) p. 80, 2018 | | Fábián A., Sáfrán E., Szabó-Eitel G., Barnabás B., Jäger K.: Stigma functionality and fertility are reduced by heat and drought co-stress in wheat, Frontiers in Plant Science doi: 10.3389/fpls.2019.00244, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
