 |
Chromatin-regulated transcriptional reprogramming in somatic plant cells during the acquisition of totipotency
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
108802 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Fehér, Attila |
| Title in Hungarian |
A kromatin-mediált génszabályozás szerepe növényi testi sejtek totipotensé válásában |
| Title in English |
Chromatin-regulated transcriptional reprogramming in somatic plant cells during the acquisition of totipotency |
| Keywords in Hungarian |
szomatikus embryogenezis, kromatin átrendeződés, hiszton módosulás, epigenetika, totipotencia, génexpresszió, egyedfejlődés, Arabidopsis, növény |
| Keywords in English |
somatic embryogenesis, chromatin remodelling, histon modification, totipotency, epigenetics, gene expression, developmental transition, Arabidopsis, plant |
| Discipline |
| Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences) | 70 % | | Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences) | 30 % |
|
| Panel |
Cellular and Developmental Biology |
| Department or equivalent |
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Ayaydin, Ferhan
Gombos, Zoltán
Kereszt, Attila
Leitgeb, Balázs
Ménesi, Dalma
Pichererné Dr. Gémes, Katalin
Valkai, Ildikó
|
| Starting date |
2014-01-01 |
| Closing date |
2018-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
43.494 |
| FTE (full time equivalent) |
8.50 |
| 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 kutatások célja azoknak a molekuláris mechanizmusoknak a feltárása, amelyek lehetővé teszik, hogy a növények differenciálódott testi sejtjei újra „totipotenssé” váljanak és a szomatikus embriógenezis (SE) útjára lépve belőlük teljes növények fejlődjenek. A projekt keretében optimalizálunk egy olyan sejt illetve szövettenyésztési rendszert, amely a modell növény Arabidopsis thaliana esetében is lehetővé teszi a folyamat kezdeti lépéseinek a vizsgálatát akár nagy áteresztő képességű molekuláris technikák alkalmazásával is. Ennek a felhasználásával azonosítani kívánjuk azokat a genomi régiókat melyek részt vesznek a szomatikus-embriogén fejlődési átmenetben, azaz inaktívak a testi sejtekben és aktívak a totipotens embriogén sejtekben. Feltételezzük, hogy a sejtek átprogramozódásában elsődleges szerepe van a kromatin átszerveződésének, ezért kutatásaink során a kromatin szerkezetét és ezzel összefüggésben a transzkripciós mintázatot, a kromatin állapotát jelző markereket és a növényi merisztémák/őssejtek fenntartásában szerepet játszó kulcs géneket fogjuk vizsgálni. Kutatásunk középpontjába a sejteknek azt az átmeneti „totipotens” állapotát helyezzük, melyet a növényi őssejtekre jellemző homeotikus gének (pl. WUS) expressziója jelez, mielőtt az embriogenezist közvetlenül szabályozó transzkripciós faktorok (pl. LEC1) még megnyilvánulnának. A projekt során azt is megvizsgáljuk, hogy a kromatin szerveződése milyen mértékben járul hozzá az egyes szövetek/genotípusok embriogén képességében megnyilvánuló különbségekhez. Kísérletet teszünk továbbá a kromatin szerkezet manipulálásával a SE képesség fokozására olyan esetekben, ahol ez a képesség nem nyilvánul meg vagy nem hatékony.
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 növények regenerációs képessége rendkívüli: számos esetben a teljes növény egyetlen testi sejtből felnevelhető. Az ún. szomatikus embriógenezis során a differenciált testi sejt fejlődésbiológiai értelemben totipotenssé válik és embrióvá, majd növénnyé fejlődik. Annak ellenére, hogy ezt a jelenséget a gyakorlatban már sikeresen használják számos növényfaj esetében vegetatív szaporításra, a folyamat biológiai háttere még alig ismert. 2005-ben a Science magazin speciális kiadása felsorolta a tudomány 125 legfontosabbnak vélt megválaszolatlan kérdését. Ezek között szerepelt a „Hogyan lesz egy növény egyedi testi sejtjéből újra teljes növény?” kérdés is, jelezve a probléma általános tudományos jelentőségét. Ezt tovább fokozta az utóbbi években az a felismerés, hogy a növényi és állati „őssejtek” számos alapvető jellemzőben hasonlítanak egymásra. Ehhez az összehasonlításhoz is további adatokat kívánunk szolgáltatni.
Napjainkra elterjedté vált az a hipotézis, hogy a növények nagyfokú regenerációs képessége az epigenetikai információ kialakításában és fenntartásában szerepet játszó specifikus mechanizmusokon alapul. Kísérleteink célja ennek a hipotézisnek a megvizsgálása epigenetikus markerek és folyamatok tanulmányozásával a szomatikus embriogenezishez kapcsolódóan.
Míg a szomatikus embriogenezis jelenségét számos növény esetében sikeresen használják vegetatív szaporításra, más fajok/fajták esetében erre nincs lehetőség, mert az alkalmazott kezelésekre nem, vagy nem hatékonyan reagálnak. A projektben választ keresünk ennek a különbségnek a lehetséges epigenetikai hátterére és megkíséreljük a folyamat hatékonyságának növelését a kromatinszerkezet manipulálásával.
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 Arabidopsis thaliana a növényi fejlődésbiológiai kutatások legelterjedtebben használt modell növénye, és így nagy mennyiségben állnak rendelkezésre a kutatása számára különféle mutáns, transzgenikus vonalak, markerek, génkonstrukciók, ellenanyagok és specifikus információk. Ezeknek a kihasználására a szomatikus embriogenezis kutatásában azonban eddig csak korlátozottan volt lehetőség, mert nem áll rendelkezésre egy igazán hatékony és rutinszerűen használható sejt- és szövettenyésztési kísérleti rendszer. Márton László és kollégái által a múlt század 90-es éveinek elején leírt módszerére alapozva meg kívánunk teremteni egy ilyen rendszert. Ennek a felhasználásával szándékaink szerint sikeresen adhatunk választ azokra az eddig megválaszolatlan kérdésekre, hogy hogyan teszi lehetővé a kromatin és a génexpressziós mintázat átrendeződése az embriófejlődési program elindulását egy differenciált növényi sejtben és hogyan válhat egy testi sejt újra totipotenssé? Ez egy régóta és széles körben kutatott kérdés, amire a modern epigenetikai megközelítés adhat adekvát választ.
A tervezett kutatások ezen túl adatokat szolgáltatnak a növényi és állati őssejtek létrejöttében és fenntartásában meglevő különbségek és hasonlóságok feltárásához is.
Ezen túlmenően a kutatások eredménye gyakorlati alkalmazási lehetőségekhez is elvezethet. Míg a szomatikus embriógenezis jelenségét széles körben használják egyes növények vegetatív felszaporítására, addig más nagy gazdasági jelentőséggel bíró fajok esetében erre nincs lehetőség, mert differenciálódott sejtjeik nem vagy gyengén reagálnak a kezelésekre. A szomatikus embriógenezis lehetővé teszi a kiváló tulajdonságokkal bíró nemesítési alapanyagok, fajták, hibridek gyors vegetatív felszaporítását, fenntartását. Ennek során változatlanul megőrződik a hibridek, fajták, vonalak genetikai állománya, mert kiiktatódik az ivaros keresztezéssel összefüggő genetikai rekombináció. Továbbá, a genetikai módosításon alapuló modern növényi biotechnológiai megközelítések alapja szintén a növények in vitro regenerálása és felszaporítása. A kutatások kiszélesíthetik azoknak a növényeknek (fajoknak, genotípusoknak) a körét, melyek az alanyai lehetnek ezeknek a fejlesztéseknek.
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 egyik legérdekesebb példája a növények rendkívüli regenerációs képességének az úgynevezett „szomatikus embriogenezis”. Ezzel a névvel illetjük azt a folyamatot, melynek során a növény testi („szomatikus”) sejtjeiből embriók fejlődnek. Ezek az embriók nagyon hasonlóak a virágokban a megtermékenyített petesejtből fejlődő ún. „ivaros” embriókhoz és ugyanúgy teljes növénnyé fejlődnek, mint azok. Ennek a csak a növényekre jellemző, és a természetben is előforduló, jelenségnek a biológiai háttere még csak kevéssé ismert. Ennek a megismerésére teszünk kísérletet a DNS és hozzá kapcsolódó fehérjék (az ún. kromatin) szerveződésének a vizsgálatával a folyamat során. A szomatikus embriogenezis révén a növény mintegy „klónozza” magát, hiszen a testi sejtekből képződő utódok, az ivaros kereszteződés és a genetikai átrendeződések megkerülésével, az anyával genetikailag teljesen megegyeznek. A módszer előnye, hogy a kiváló tulajdonságú egyedek a felszaporítás során megőrzik ezeket a tulajdonságaikat, míg a hagyományos ivaros szaporítás során mindig fellépnek genetikai változások. Ezt a jelenséget laboratóriumi körülmények között is elő lehet idézni és ma már a gyakorlatban is rutinszerűen használják számos növény ún. vegetatív szaporítására. Azonban sok gazdasági szempontból jelentős növényfaj illetve fajta, esetében a módszer nem vagy nem hatékonyan működik. Ezért egy modell növényfaj esetében új, modern módszerek alkalmazásával fel kívánjuk tárni azokat a folyamatokat, melyek felelősek lehetnek ezekért a különbségekért. Speciális kezeléseket alkalmazva megkíséreljük a folyamat hatékonyságának növelését és a növényfajok szélesebb körére való kiterjesztését is.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The goal of the current research project is to understand the mechanism that controls the initiation of the process of somatic embryogenesis (SE) in differentiated plant cells. We plan to establish and use an efficient embryogenic tissue/cell culture system of the model plant Arabidopsis thaliana in order to identify and follow the dynamics of specific genomic regions associated with this developmental transition: silenced in vegetative but active in totipotent embryogenic cells. To achieve this goal, we will focus on the investigation of markers and regulators of chromatin organization. We aim to define and investigate the transitory “totipotent” state of induced cells when they already express pluripotency transcription factors but still not express those associated with embryo development. Our studies may also serve to enhance competence for somatic embryogenesis in recalcitrant genotypes/explants through the manipulation of overall chromatin organisation in target cells using various chromatin-related drugs.
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.
Plant cells possess remarkable developmental plasticity. One of the most intriguing examples of this plasticity is somatic embryogenesis (SE) during which differentiated plant cells regain totipotency and develop into embryos. Despite the fact that SE is widely used for in vitro plant propagation, the biological background of this plant-specific phenomenon is hardly known. In 2005, a special issue of the Science magazine listed among the 125 most important scientific questions the one: “How does a single somatic cell become a whole plant?”. The answer for this question is important not only to understand the mechanisms behind the remarkable regeneration capability of plants. The similarities between plant and animal stem cells are more and more evident. Therefore the knowledge accumulating about somatic plant cells regaining totipotency might be integrated into a generalized model on the nature of eukaryotic stem cells.
It is hypothesized that specific mechanisms in the establishment and maintenance of epigenetic information in plants are related to the ability of somatic plant cells to dedifferentiate and regenerate the entire plant. Our experiments aim to investigate this hypothesis studying epigenetic markers and processes during the somatic-to-embryogenic transition of Arabidopsis cells when they transiently regain totipotency.
Furthermore, while SE is widely used in certain species for vegetative propagation, many important species or genotypes are recalcitrant towards the induction of embryo formation. We aim to find clues to explain this difference and to potentially extend the use of SE to those explants/genotypes where it is currently not possible.
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.
Arabidopsis is the most widely used model plant of plant developmental biology with accumulated useful information, lines, and markers. However, this species was until know not readily amenable for studying somatic embryogenesis (SE) due to the absence of an efficient and routine SE system. Based on some old, almost forgotten results, we can establish a really efficient SE system for Arabidopsis. This system can be used to answer the main question of SE initiation unanswered until now: how the chromatin and the gene expression pattern of a somatic cell is reorganized to allow the initiation of a new embryogenic program?
This knowledge will also serve to compare the mechanisms governing the formation and maintenance of animal and plant stem cells.
Additionally, the research has potential practical applications. While SE is widely used in certain species for vegetative propagation, many important species or genotypes are notoriously recalcitrant towards the induction of embryo formation. Elaboration of efficient SE for a wide range of plant genotypes would provide the advantage to preserve and quickly and efficiently propagate (“clone”) superior germplasms (e.g. with hybrid genomes) with economic importance avoiding genetic recombination associated with sexual propagation. Furthermore, in vitro plant regeneration is the prerequisite for the genetic modification of plants therefore the range of genotypes amenable for gene technology could be widened if we could extend SE to presently recalcitrant genotypes.
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.
One of the most interesting examples of the remarkable regeneration capability of plants is the so-called “somatic embryogenesis”. During this process single somatic plant cells develop into embryos resembling of those formed after the fertilization of egg cells during sexual reproduction. The “somatic embryos” can develop into whole plants similarly to the zygotic ones but these plants will be the genetic “clones” of the mother plant as somatic embryogenesis is devoid of genetic recombination associated with sexual reproduction. This phenomenon can be observed in the nature in viviparous plants like certain Kalanchoe species but can also be artificially induced in a wide range of species under laboratory conditions. This latter possibility is widely used for high throughput propagation of individual plants with superior characteristics (micropropagation) especially in horticulture. Despite this fact the biological background of this plant-specific developmental process is hardly known.
In this project we aim to investigate this phenomenon in details with emphasis on the acquisition of egg cell-like characters by the differentiated somatic plant cells. We also aim to reveal the reason why certain species/genotypes/tissues are capable for somatic embryo formation and others not. Answering this question will allow us to widen the range of economically important species/cultivars that could be successfully propagated in this way preserving their genetic and phenotypic uniformity underlying their high productivity. Attempts will also be made to improve the competence for somatic embryogenesis in these recalcitrant species/cultivars by specific treatments.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
