Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences)
75 %
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)
15 %
Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences)
10 %
Panel
Complex agricultural sciences
Department or equivalent
Agricultural Biotechnology Institute (ABC) (National Agricultural Research and Innovation Centre)
Starting date
2013-09-01
Closing date
2016-08-31
Funding (in million HUF)
15.360
FTE (full time equivalent)
2.70
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Jelen PD2 pályázat célja a posztdoktori alkalmazásom személyi költségeinek fedezése a tavaly megnyert 104334 számú PD1 pályázatomhoz kapcsolódóan, ezért témájuk azonos. A pillangósvirágú növények képesek endoszimbiotikus kapcsolat kialakítására nitrogénkötő talajbaktériumokkal. A kölcsönhatás során kifejlődik a gyökérgümő, amelyben a légköri nitrogén a növények számára hasznosítható ammóniává alakítása zajlik. A gümő sejtjeiben a baktériumok megtelepednek és szimbiotikus formájukká alakulnak át. A szimbiotikus kölcsönhatás vizsgálatának egyik izgalmas kérdése, hogyan kerüli el a baktérium a növény védekező rendszerét. A kérdésre biokémiai és genetikai megközelítés alkalmazásával szeretnénk választ kapni. Vizsgálataink középpontjában az újonnan felfedezett EPR gén áll, melynek működése elengedhetetlen a baktériumok normális inváziójához. Azonosítottunk egy mutáns Medicago truncatula növényt (epr), mely nitrogénkötésre képtelen gümőket fejleszt és erőteljes patogén válaszreakciót mutat. A pályázat célja az EPR gén azonosítása és jellemzése. Fény-, fluoroszcens- és elektronmikroszkópos vizsgálatokkal tervezzük megállapítani, hogy a szimbiotikus kölcsönhatás során mikor indukálódik a patogén válasz a mutáns növényben. Új generációs szekvenálással transzkripcionális különbségeket tervezzük azonosítani a vad típusú és epr mutáns növények gümőiben, illetve az epr mutánsban elakadt szimbiotikus kölcsönhatás során kiváltott patogén válaszreakciók során. Az EPR gén klónozása és funkcionális jellemzése elősegíti azoknak a folyamatoknak a megismerését, amelyek lehetővé teszik az endoszimbionta baktériumok gazdasejtbe jutását a növényi patogén válaszok kiváltása nélkül.
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. Vizsgálataink középpontjában az újonnan felfedezett EPR gén áll, melynek működése elengedhetetlen feltétele a gümő sejtek baktériumok általi inváziójának. Csoportunk izolált egy mutáns Medicago truncatula növényt (epr), mely nitrogénkötésre képtelen gümőket fejleszt, és eközben a gyökérgümőben erőteljes patogén válaszreakció jeleit azonosítottuk. A mutáns részletes jellemzését, a gén izolálását és funkcionális vizsgálatát követően választ kaphatunk arra, hogy az EPR gén terméke fontos szerepet játszik-e a növény kórokozókra adott általános válaszreakciójában (I), vagy szimbiózis specifikusan vesz részt az immunválasz elnyomásában (II), ami ahhoz szükséges, hogy a rhizobium baktériumok sikeresen bejussanak a növény gümősejtjeibe és ott működőképes bakteroiddá alakuljanak. A mutáns fenotípus megjelenésére magyarázat lehet az is, hogy a növényi védekező rendszer aktiválódása nem közvetlenül az EPR gén termékével van összefüggésben (III), hanem a baktérium gümőn belüli differenciálódása szenved hibát és váltja ki az immunreakciót. Reményeink szerint az EPR gén klónozása és részletes molekuláris biológiai jellemzése segít eldönteni, hogy a fenti három teória közül melyik támasztható alá. Ezek alapján az epr mutáns kivételes lehetőséget nyújt számunkra, hogy a gén izolálását és funkcionális vizsgálatát követően bővebb ismeretekkel rendelkezzünk a patogén és szimbiotikus kölcsönhatások kapcsolatáról és hozzásegít a szimbiotikus nitrogénkötés kialakulásának alaposabb megismeréséhez.
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 növények csak kötött formában tudják hasznosítani a fejlődésükhöz elengedhetetlen nitrogént, ezért a kötött nitrogén ellátás alapvető fontosságú feladat a modern mezőgazdaságban. A pillangósvirágú növények és a talajlakó rhizobium baktériumok között létrejövő endoszimbiózis a biológiai nitrogénkötés leghatékonyabb formája, amely nagymértékben hozzájárul az ökoszisztéma nitrogén utánpótlásához. Ez az együttélés mindkét fél számára előnyös: a növény szerves anyagokkal, a baktérium pedig kötött nitrogénnel látja el partnerét. A növénytermesztésben már rég óta ismert a pillangósvirágú növények pozitív hatása, így ki is aknázzák a szimbiotikus nitrogénkötés kapacitását a műtrágyázás csökkentése és a termesztés környezetbaráttá tétele érdekében. A pillangósvirágú növények és a talajlakó rhizobium baktériumok által létrehozott, nitrogénkötésre képes gümő kialakulását szerte a világon széles körben kutatják. Ennek köszönhetően a folyamat korai lépéseit, a kapcsolat kialakításában résztvevő kommunikációs szignálút elemeit már elég jól ismerjük. Azonban kevés információ áll rendelkezésre a késői lépésekről, a nitrogénkötésre képes szimbiotikus gümő kialakulásáról és működéséről. Ezen folyamatok felderítése szempontjából egyik igen izgalmas kérdés, hogy hogyan tud különbséget tenni a növény a hasznos és a patogén baktériumok között, azaz miként juthatnak be a rhizobiumok a növény sejtjeibe anélkül, hogy beindulna a patogén válaszreakció. Ez idáig elkülönítve vizsgálták a szimbiotikus és a patogén baktériumok kölcsönhatását növényekkel. Ebben a pályázatban egy olyan mutánst (epr) kívánunk jellemezni, mely nitrogénkötésre képtelen gümőket fejleszt és eközben a gyökérgümőben erőteljes patogén válaszreakciót mutat. Az EPR gén megismerése mindenképpen áttörést jelent a szimbiózis vizsgálatában függetlenül attól, hogy a megfigyelt immunreakció közvetlen okozója, vagy pedig következménye a szimbiotikus folyamat meghibásodásának. Pályázatunkban pontosan ezt szeretnénk tisztázni, és reményeink szerint az EPR gén funkciójának kiderítése bepillantást nyújt azokba a molekuláris mechanizmusokba, amelyek szerepet játszanak a hasznos és a betolakodó baktériumokra adott növényi válaszok kialakulásában.
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. Jelen PD2 pályázat célja a posztdoktori alkalmazásom személyi költségeinek fedezése a tavaly megnyert 104334 számú PD1 pályázatomhoz kapcsolódóan, ezért témájuk azonos. A növények a fejlődésükhöz alapvető fontosságú nitrogént csak kötött formában képesek felvenni. A légkörben korlátlanul rendelkezésre álló nitrogén gázt azonban csak bizonyos mikrobák képesek átalakítani és kötött formában más szervezetek számára elérhetővé tenni. A pillangósvirágú növények és a talajlakó rhizobium baktériumok között létrejövő endoszimbiózis a biológiai nitrogénkötés leghatékonyabb formája, ami a mezőgazdaság és az egész ökoszisztéma szempontjából óriási jelentőséggel bír. A csoportunk által vizsgálat endoszimbiotikus kapcsolatban a nitrogénkötés és a szimbiotikus partnerek közötti tápanyagcsere színhelye a gyökéren fejlődő szimbiotikus gümő. A kapcsolat létrejöttéhez elengedhetetlen, hogy a növény a baktériumokat partnerként, és ne betolakodóként kezelje. Feltételezések szerint a rhizobiumok képesek a növényi védekező rendszert befolyásolni és a kölcsönhatás során ideiglenesen elnyomni a növény patogén válaszreakcióit. Korábbi munkáink során azonosítottunk egy a szimbiotikus gümő fejlődésében és működésében hibás mutánst, ahol a gümőkben erőteljes növényi védekező reakciókra utaló jeleket figyeltünk meg. Az azonosított válaszreakciók a gazda-patogén kölcsönhatásra jellemzőek, amiből arra következtettünk, hogy a szimbiotikus partnert betolakodóként érzékeli a mutáns növény és ezért nem alakul ki hatékony nitrogénkötés. Pályázatunk célja a hibát szenvedett gén azonosítása és jellemzése, melynek segítségével egy új elemet tárhatunk fel a növény-mikroba kölcsönhatás során.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. This PD2 proposal is related to OTKA PD1 no.104334 granted last year. The aim of the present proposal is to finance my postdoctoral employment and therefore its subject overlaps with the previous one. Legumes form endosymbiotic association with nitrogen fixing bacteria which provides ammonium to the host plant. The symbiotic nitrogen fixation takes places in the root nodules, wherein the rhizobia invade and colonize the nodules cells. One of the most exciting questions of symbiotic interaction between rhizobia and legumes is how the beneficial bacteria avoid the induction of the plant defense reactions. In order to reveal the key factors involved in the suppression of the plant defense system during the symbiotic interaction, genetic and biochemical approaches will be used. The project will focus on a novel plant gene, EPR, which is essential for rhizobial invasion of the nodule cells. The recently isolated Medicago truncatula epr mutant is deficient in nitrogen fixation and the mutant nodules show extreme pathogen responses. The main goal of the proposed project is the identification and functional analysis of the EPR gene. Microscopic analysis will be carried out to determine at what stage of the symbiotic interaction the pathogenic responses are induced in the mutant plant. In order to reveal overlaps between pathogenic responses elicited by a root pathogen and impaired symbiotic interaction, the transcriptional changes will be analyzed in epr nodules. Cloning and functional analysis of EPR gene will help us to better understand the developmental processes that allow appropriate invasion and differentiation of intracellular symbionts without evoking plant defenses.
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. The project will focus on a novel plant gene, EPR, which is essential for rhizobial invasion of the nodule cells. The analysis of the Medicago truncatula epr mutant will allow us to better understand how the beneficial bacteria avoid the induction of the plant defense reactions. epr is deficient in nitrogen fixation nevertheless the nodules of these plants show extreme pathogen response reaction. Couple of explanations could be possible why the plant immune system is activated in the epr mutant following inoculation with its symbiotic partner: (I) the EPR gene is involved in the general plant defense system and the mutation causes improper activity of the gene product. (II) Other possibility is that EPR functions in the suppression of defense responses essential for successful rhizobial invasion of the legume root and the defect in the function of EPR results in the failure of recognition of the beneficial partner. (III) It is also a likely, that the induction of the defense reactions is an indirect consequence, for instance, because of improper development of the symbiotic bacteria. If this is the case, the EPR gene is essential for bacteroid differentiation. We suppose that the cloning and the functional analysis of the EPR gene will answer these questions. This study will contribute to better understand how legumes control the invading rhizobia and to reveal the modulation of the plant immune system by the bacteria during the nitrogen fixing symbiotic interaction.
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. Combined nitrogen is essential for plant growth and the supplement of crop plants with the required amount of nitrogen is the one of the most important priorities in modern agriculture. The endosymbiotic interaction between legumes and soil living rhizobia contributes significant amount of combined nitrogen to the ecosystem. During the interaction plants provide carbon sources for the bacteria and rhizobia supply the host plant with fixed nitrogen in exchange. The capacity of this symbiotic interaction has been utilizing by farmers for a long time past to reduce the input of nitrogen fertilizers and maintain and develop more environmentally-friendly and sustainable agriculture systems. Extensive research studies are in progress throughout the world to elucidate the development of the symbiotic interaction between rhizobia and leguminous plants. Early studies mainly focused on the early steps of plant-bacteria communication, and as a result of these studies the key components of Nod factor signaling pathway has been revealed for today. However, relatively little attention has been paid on mutants which have defects in the later stages of the symbiotic process. One of the most exciting questions that remained to resolve is how the host plant discriminates between beneficial and pathogen bacteria and accommodates rhizobia within the plant cells without activating its immune system. To date, the study of plant responses to symbiotic and pathogenic bacteria has been mainly separated. The main originality of our project is the application of a novel Medicago truncatula mutant (epr), which is deficient in nitrogen fixation and show extreme pathogen responses at the same time. Irrespective of the fact that the induced pathogenic responses are the primary cause of the failure to form the symbiotic interaction or the outcome of the impaired symbiotic associations, the identification of the EPR gene will be a major breakthrough in the field of symbiotic nitrogen fixation. Revealing the function of EPR may provide insights into the molecular mechanism that evolved in beneficial and pathogenic plant-microbe associations and will facilitate the understanding of both types of interactions in an integrated way.
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. This PD2 proposal is related to OTKA PD1 no.104334 granted last year. The aim of the present proposal is to finance my postdoctoral employment and therefore its subject overlaps with the previous one. Nitrogen is essential for plant growth and development but plants can utilize nitrogen only in combined form, Certain microorganisms are able to convert atmospheric nitrogen into ammonia which is accessible for the plants. The most effective way of the biological nitrogen fixation is the endosymbiotic interaction between legume plants and soil living bacteria called rhizobia. This association has a great importance for the agriculture and the whole ecosystem. In the legume-rhizobia interaction root nodules are developed on the host plant, wherein the nitrogen fixation takes place. The bacteria colonize the nodules and develop into their symbiotic form. In order to establish functional nitrogen fixing symbiotic interaction, the recognition of the rhizobia by the host plant as beneficial microbes and not as pathogenic invaders is essential. Our group has recently isolated a mutant legume plant which is deficient in nitrogen fixation and simultaneously shows extreme pathogen responses in the nodules. The detected defense reaction is characteristic for the activation of the plant immune system indicating that the endosymbiotic bacteria are recognized as harmful invaders. The activated immune responses block the bacterial colonization of the nodules and hence effective nitrogen fixation can not be established. The aim of our project is the isolation and functional analysis of the mutant gene which will contribute to better understand how legumes control the invading rhizobia.
Final report
Results in Hungarian
A pillangósvirágú növények és a talajlakó rhizobium baktériumok között létrejövő endoszimbiózis a biológiai nitrogénkötés leghatékonyabb formája. A légköri nitrogén redukcióját a növény gyökerén képződő gyökérgümőben élő rhizobiumok végzik. A jelen kutatás témája egy olyan Medicago truncatula szimbiotikus mutáns növény vizsgálata, amely nem képes a nitrogén megkötésére. A mutáns növény gyökerén olyan gümők fejlődnek, amelyekben a növényi védekezési válaszreakciók indukálódnak (epr - enhanced pathogen response -mutáns). Munkánk során azonosítottuk a fenotípusért felelős EPR gént, ami egy ismeretlen funkcióval rendelkező fehérjét kódol. Az epr-t más ineffektív Medicago szimbiotikus mutánsokkal összekeresztezve megállapítottuk az EPR gén funkcionális elhelyezkedését néhány a gümő kialakításában ismert szerepet játszó szimbiotikus génhez viszonyítva. Fény- és elektronmikroszkópos kísérletekkel, majd gén expressziós vizsgálatokkal bizonyítottuk, hogy az epr mutánsban a növényi védekezési reakciók, - amelyek a vad típusú növényben gátlódnak a gümő inváziója során -, valóban aktívak maradnak, melynek következtében a rhizobium fertőzést követő 14 napra kolonizált sejtek már nem találhatóak a gümőben. Ezek alapján feltételezzük, hogy az EPR fehérje elsődleges szerepe a rhizobium fertőzést követően aktiválódó immunválasz elnyomása, ami a gümősejtek baktériumok általi kolonizációjához, és így a hatékony nitrogénkötést végző gyökérgümő kialakulásához szükséges.
Results in English
The symbiotic interaction established between legumes and soil bacteria termed rhizobia is the most efficient way of nitrogen fixation. This symbiotic interaction results in the formation of the root nodule wherein the reduction of the atmospheric nitrogen gas takes place. In this project we carried out the characterization of the ineffective epr (enhanced pathogen response) symbiotic mutant of Medicago truncatula that displays the hallmarks of defence responses in the mutant nodules. We identified the impaired gene by map-based cloning and carried out detailed microscopic and gene expression studies of the epr mutant that proved the activation of defence responses in the epr mutant resulting in nodule cells devoid of symbiotic rhizobia at 14 days post inoculation. Analyzing the epistatic interaction between epr and other symbiotic alleles defined the position of EPR in the hierarchy of the genes involved in the nitrogen fixing symbiosis. Based on the achieved result we presume that EPR functions in the suppression of the defence response activated upon the bacterial colonization of nodule cells and thus EPR is essential for effective symbiotic nitrogen fixation in M. truncatula.
Beatrix Horváth, Ágota Domonkos, Attila Kereszt, Attila Szucs, Edit Ábrahám, Ferhan Ayaydin, Károly Bóka,Yuhui Chen, Rujin Chen, Jeremy D. Murray, Michael K. Udvardi, Éva Kondorosi, and Péter Kaló: Loss of the nodule-specific cysteine rich peptide, NCR169, abolishes symbiotic nitrogen fixation in the Medicago truncatula dnf7 mutant, PNAS, 2015
Beatrix Horvath, Agota Domonkos, Ferhan Ayaydin, Peter Kalo: Identification of Medicago truncatula Genes Required for Rhizobial Invasion and Bacteroid Differentiation, In: Frans J de Bruijn (szerk.) (szerk.) Biological Nitrogen Fixation, Volume 2. Hoboken: John Wiley and Sons, Inc., 2015. pp. 623-636., 2015
Events of the project
2014-01-02 14:38:21
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ), Új kutatóhely: Mezőgazdasági Biotechnológiai Kutatóintézet (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ).
