Linkage between organ development and cell division in roots of Brachypodium dystachion, the new model of cereals  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
109719
Type K
Principal investigator Györgyey, János
Title in Hungarian A gabonafélék új modellnövénye, a szálkaperje gyökerében zajló szervfejlődési és sejtosztódási folyamatok kapcsolata
Title in English Linkage between organ development and cell division in roots of Brachypodium dystachion, the new model of cereals
Keywords in Hungarian gabonafélék, szálkaperje, gyökérfejlődés, sejtciklus, transzkripciós faktorok, szervhatár
Keywords in English cereals, Brachypodium, root development, cell cycle, trancription factors, organ boundary,
Discipline
Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences)50 %
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)35 %
Agrochemistry (Council of Complex Environmental Sciences)15 %
Panel Plant and animal breeding
Department or equivalent Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants Aleksza, Dávid
Fehér, Attila
Ferenc, Györgyi
Gallé, Ágnes Anna
Gombos, Magdolna
Kozma-Bognár, László
Mainé dr. Csiszár, Jolán
Szécsényi, Mária
Vass, István Zoltán
Zombori, Zoltán
Starting date 2013-09-01
Closing date 2018-04-30
Funding (in million HUF) 40.434
FTE (full time equivalent) 13.40
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 közelmúltban a szálkaperje (Brachypodium distachyon L.) a fűfélék széleskörben elfogadott modellnövényévé vált, melyek a legfontosabb egyszikű gazdasági növényeink élelmezésügyi szempontból. Korábbi kutatásaink során laboratóriumunkban felállítottunk egy kísérleti rendszert, hogy a szálkaperje szárazság-adaptációját elemezzük, és elkezdtük a LOB domain transzkripciós faktorok gyökérfejlődésben játszott szerepének a vizsgálatát. Eredményeink előrevetítik, hogy ezek az „oldalszervhatár”-okat meghatározó transzkripciós faktorok közvetlen kölcsönhatásban állhatnak a sejtciklust szabályozó ciklinekkel.

Ezért ebben a pályázatban célunk a szálkaperje sejtciklusban szerepet játszó géncsaládjainak (CDK, ciklin, E2F/DP, retinoblastoma) felderítése. A szervhatárok szabályozása és a sejtciklus regulációja közti kölcsönhatásokat LOB-domain mutáns szálkaperje vonalak (T-DNA jelzett vagy TILLING vonalak) segítségével vizsgáljuk. A mutációk fenotípusra gyakorolt hatásait, valamint ezen mutáns vonalak sejtciklust szabályozó, és LOB-domain transzkripciós faktor génjeinek expressziós mintázatát is meghatározzuk. Riporter gént hordozó vonalak segítségével követhetjük a sejtciklus aktivációját és leállását sejtszinten is. A kis RNS fajták alapos tanulmányozása során fény derült a miRNS alapú géncsendesítés folyamatára, amely mindenütt jelen van az eukariótákban, és döntő szerepet játszik a génexpresszió szabályozásában. Ezen pályázat keretein belül szeretnénk megtalálni a sejtciklusban kulcsszerepet játszó géneket szabályozó miRNS-eket is.

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.
Az alapkérdés a következő: hogyan lehetnek hatással az oldalszerv-határok meghatározásában szerepet játszó transzkripciós faktorok a merisztematikus sejtek mitotikus aktivitására. A munkahipotézisünk szerint a LOB domain transzkripciós faktorok közvetlenül kölcsönhatásba léphetnek a ciklin/cdk komplex-szel. Ezért LOB-domain transzkripciós faktor mutánsokat használunk arra, hogy a sejtciklus gének kifejeződésére gyakorolt hatásukat felfedjük. Fehérje-fehérje kölcsönhatásokat és a LOB fehérjék a ciklin/cdk komplex általi foszforilációját egyaránt vizsgálni fogjuk. A szálkaperje genomika fejlődésének köszönhetően azonosítottak már feltételezett miRNS géneket. Erre építve feltesszük azt a kérdést is: mely miRNS gének játszhatnak szerepet a sejtciklus szabályozó gének transzkripciós szintű szabályozásában, a gyökérben?

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 kutatásaink várható eredményei nagymértékben hozzájárulhatnak a növényi fejlődésbiológiai ismereteinkhez. A rohamosan fejlődő Arabidopsis fejlődésbiológia ellenére még sok kérdés nem válaszolható meg ennek a modellnövénynek a vizsgálatával, mégpedig kétszikű volta miatt. Azonban jól ismert, csoportunk eddigi eredményeinek is köszönhetően, hogy alapvető különbségek vannak az egyszikűek és kétszikűek sejtciklus szabályozása között. Ez a tény szükségessé teszi egy egyszikű modellnövény használatát és az eredmények összehasonlítását a lúdfű vizsgálata során szerzettekével.
A sejtciklus szabályozás és szervek osztódó szövetének kialakulása között megfelelő kapcsolat különösen fontos a növényi szervek pontos és arányos fejlődéséhez, ami a jelenkori kutatás fókuszában áll. Víz-, vagy tápanyaghiány esetén gazdasági növényeink túlélése nagyban függ a gyökérzetük hatékonyságától, fejlettségétől, ezért a gyökérfejlődés folyamatainak megértése gyakorlati szempontokból is fontos. Modellnövényünk, a szálkaperje, közeli rokona a búzának, árpának és a rozsnak, ami lehetővé teszi azt, hogy az ezen a kisméretű, gyorsnövésű egyszerű fűfélén szerzett ismereteinket a fenti gazdasági növényeinken a gyakorlatban is felhasználhassuk.

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.
Már a XX. század közepén meg kellett tanulnunk, hogy a növényi sejtek függetlenebbek az állati sejteknél, és a növényi sejtek fenntartják a totipotenciát, a képességet arra, hogy visszaváltozzanak élettanilag differenciált állapotukból osztódó sejtté, ami a funkcionális megfelelője a nemrégiben felfedezett emberi és állati őssejteknek. A növényi sejtekben ez a változás a sejtciklus reaktiválása útján megy végbe. Ezen pályázatban a szálkaperjének (Brachypodium distachyon L.), a fűfélék, köztük a fontos gabonanövényeink modellnövényének előnyeit kihasználva szeretnénk megtudni, hogyan alakul a válasz az “osztódni vagy differenciálódni” kérdésre a növényi sejtekben. Vizsgálatunk tárgyául gyökérfejlődés folyamatát választottuk, mert az erős és hatékony gyökérzet kulcsfontosságú szerepet játszik gazdasági növényeink túlélésében szélsőséges környezetei körülmények között.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Brachypodium distachyon became recently a widely accepted model species for grass species that are probably the most important monocotyledonous plants in terms of food-feed supply of the world. In a previous study, we established an experimental system of Brachypodium in our laboratory to study drought adaptation of this model plant and began investigating the role of LOB-domain transcription factors in root development. Our results indicate that these “lateral organ boundary” determining transcription factors can interact directly with cyclin component of the cell cycle machinery.
Therefore, in this proposal, we aim to reveal the cell cycle gene families (CDK, cyclin, E2F/DP, retinoblastoma) of Brachypodium. The cross-talk of organ boundary control and cell cycle regulation will be studied using LOB-domain mutant lines (T-DNA tagged or TILLING lines). Phenotypic characterization of the mutations as well as expression analysis of the cell cycle regulatory genes and LOB-domain transcription factor genes in these mutants will be carried out. Reporter gene carrying lines will be generated allowing us to follow activation and cease of the cell cycle down to single cell level. Intensive studies of small RNA species resulted in the discovery of miRNA based gene silencing which is ubiquitous among eukaryotes and plays pivotal role in regulation of gene expression. Here, we initiate a project to find those miRNA genes as well which may play role in the regulation of master genes of the cell cycle.

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 basic question is how lateral organ boundary determining transcription factors can have effect on the mitotic activity of the meristematic cells. According to our working hypothesis LOB domain transcription factors may interact directly with cyclin/cdk complex. Therefore LOB-domain transcription factor gene mutants will be utilized to reveal their effect on the expression of cell cycle genes. Protein interactions as well as phosphorilation of LOB proteins by the cyclin/cdk complex will be investigated. Thanks to the advance of genomics on Brachypodium, putative miRNA genes are already annotated. We also address the question which miRNA genes may be involved in the transcript level regulation of these cell cycle regulatory genes in roots?

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 expected results may contribute substantially to our knowledge on the field of plant developmental biology. Despite of the strong progression of Arabidopsis developmental biology, many questions can not be answered on that excellent model plant because of represents dicotyledonous plants only. However it is well known, thanks to the previous results of our group as well, that there are substantial differences between the cell cycle regulation of monocots and dicots. This fact necessitates the use of monocot model as well and compare the results with the ones obtained in Arabidopsis.
Proper cross talk between cell cycle regulation and organ meristeme formation is of special importance for the correct and proportional formation of plant organs including root formation and development which is in the scope of the current research. Survival of our crop plants under water limitation or nutrient limitation depends very much on the development of strong and efficient root system of these plants. Therefore understanding the mechanisms of root development is also important for practical aspects as well. Our model plant Brachypodium is a close relative of wheat, barley and rye which allows us to convert our knowledge obtained on this small, fast growing, and simple grass to practical use on these crops of high agronomical importance.

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 early as in the middle of the XX century we had to learn that plant cells are more autonomous than animal cells and plant cells maintain totipotency, a capability to return from differentiated physiological state to meristem cell state which is the functional equivalent of the recently discovered stem cells of animals and human. This transition takes place in plant cells via reactivation of their cell cycle. In this proposal we take the advantage of Brachypodium distachyon, a model plant for grass species including important crop plants as well, to understand how this question of “to divide or to differentiate” is regulated in plant cells. Root development was chosen as the developmental process to study because a strong and efficient root system is also extremely important for the survival of our crop plants under stressful environmental conditions.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Munkánk során egy olyan, gének működését szabályozó géncsalád, az ún. oldalszervhatár transzkripciós faktorok géncsaládjának alapvető jellemzését végeztük el, mely alapvető szerepet tölt be a növények szervfejlődésének szabályozásában, az osztódó régiók és a differenciálódott szövetek elhatárolásában. Kutatásainkat szálkaperjén végeztük, mely a fontos gabonaféléink közvetlen, ám sokkal egyszerűbb rokonaként az elmúlt másfél évtizedben a világ második legfontosabb modellnövényévé vált a lúdfű után. Míg az utóbbi a kétszikűek modellnövénye, a szálkaperje az egyszikűeké, azon belül is a pázsitfűféléké.
Results in English
In the course of our work, we have carried out a basic characterization of a gene family that regulates the expression of other genes, the so-called LOB-domain (lateral organ boundary) transcription factor family, which plays a vital role in regulating organ development in plants, separating dividing regions and differentiated tissues. Our research has been carried out on purple false-brome, which is a direct but very simple relative of our important cereals. It has become the world's second most important model plant in the past one and a half decades after Arabidopsis. While the latter one is the model of dicotyledonous plants, the purple false-brome is the model of monocotyledonous ones, especially for the grasses.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109719
Decision
Yes





 

List of publications

  
Gombos M, Zombori Z, Horváth G, Szécsényi M, Sándor Gy, Györgyey J: A LOB-domain transzkripciós faktorok szervfejlődési folyamatokban betöltött szerepének vizsgálata szál, E18 előadás; A Magyar Növénybiológiai Társaság XII. Kongresszusa 2017. augusztus 30. – szeptember 1., 2017
Gallé Á, Takács K, Csiszár J, Faragó N, Puskás L, Györgyey J: Brachypodium distachyon gyökérzetének a kialakulásához kapcsolható mikroRNS-ek mennyiségi változásai oldalgy, P-08 poszter; A Magyar Növénybiológiai Társaság XII. Kongresszusa 2017. augusztus 30. – szeptember 1., 2017
Gombos M, Zombori Z, Szecsenyi M, Sandor G, Kovacs H, Gyorgyey J: Characterization of the LBD gene family in Brachypodium: a phylogenetic and transcriptional study., PLANT CELL REPORTS 36: (1) pp. 61-79., 2017
Ágnes Gallé,, Dániel Benyó,, Jolán Csiszár, János Györgyey: Genome-wide identification of glutathione transferase superfamily in model organism Brachypodium distachyon, Functional Plant Biology, accepted, 2019
Kalapos B, Dobrev P, Nagy T, Vítámvás P, Györgyey J, Kocsy G, Marincs F, Galiba G: Transcript and hormone analyses reveal the involvement of ABA-signalling, hormone crosstalk and genotype-specific biological processes in cold‐shock response in wheat, PLANT SCIENCE 253: pp. 86-97., 2016
Szecsenyi M, Cserhati M, Zvara A, Dudits D, Gyorgyey J: Monitoring of Transcriptional Responses in Roots of Six Wheat Cultivars during Mild Drought Stress, CEREAL RES COMMUN 41: (4) 527-538, 2013
Gombos Magdolna: A szálkaperje (Brachypodium distachyon) LOB-domain transzkripciós faktorok géncsaládjának jellemzése, és két fehérjéjének kölcsönhatás-vizsgálata, http://doktori.bibl.u-szeged.hu/4062/, 2018
Szabados L, Györgyey J: Molecular background of stress tolerance: lessons from plant systems, In: Vágvölgyi, Cs; Siklós, L (szerk.) Selected Topics from Contemporary Experimental Biology, Volume 2, MTA Szegedi Biológiai Központ (2015) pp. 209-224., 2015
Gombos, M., Zombori, Z., Szécsényi, M., Sándor, G., Györgyey, J.: THE GENES OF AN ORGAN DEVELOPMENT REGULATING TRANSCRIPTION FACTOR FAMILY IN BRACHYPODIUM DISTACHYON., ADVANCES IN PLANT BREEDING & BIOTECHNOLOGY TECHNIQUES, 16. page 16; Pannonian Plant Biotechnology Association Conference for PhD Students in Plant Biology 2014, Mosonmagy, 2014
Gombos, M., Zombori, Z., Szécsényi, M., Sándor, G., Györgyey, J.: THE GENES OF AN ORGAN DEVELOPMENT REGULATING TRANSCRIPTION FACTOR FAMILY IN BRACHYPODIUM DISTACHYON., HAS-BRC – Sraub-Days, 2014, Szeged, 2014
Gombos, M., Zombori, Z., Szécsényi, M., Sándor, G., Györgyey, J.: MORPHOLOGICAL, MOLECULAR AND GENETIC APPROACHES FOR STUDYING ORGAN DEVELOPMENT OF BRACHYPODIUM DISTACHYON, 11TH Congress of the Hungarian Society of Plant Biology, 2014, Szeged, 2014
Zoltán Zombori, Mária Szécsényi, Magdolna Gombos, János Györgyey: Improved Agrobacterium-mediated transformation method in Brachypodium distachyon for the characterization of LOB-domain transcription factors, Plant Biology Europe FESPB/EPSO Congress 2014, Dublin, Ireland, 2014, 2014
Zoltán Zombori, Mária Szécsényi, Magdolna Gombos, János Györgyey: Agrobacterium-mediated transformation method improvement, and charcterization of LOB-domain transcription factors in Brachypodium distachyon, XI. Congress of the Hungarian Society for Plant Biology, 27-29th Aug 2014, Szeged, Hungary, 2014
Szécsényi, M., Zombori, Z., Gombos, M., Sándor, G., Györgyey, J.: Root architecture of Brachypodium – morphological, molecular and genetic approaches., „Plants for future” Conference, 30 September–2 October 2013, Cluj-Napoca, Romania, 2013
János Györgyey, Zoltán Zombori, Magdolna Gombos, Mária Szécsényi: Root architecture during drought adaptation and the LOB-domain transcriptional factor family in Brachypodium distachyon, Plant Biology Europe FESPB/EPSO Congress 2014, Dublin, Ireland, 2014
Z. Zombori, M. Szécsényi, M. Gombos, Gy. Sándor, J. Györgyey: The use of Brachypodium distachyon as a cereal model to study functions of genes involved in organ development, "Integration fundamental research into the practical agriculture" Pannonian Plant Biotechnology Workshop, 8 - 10 June, 2015, Ljubljana, Slovenia, 2015
J. Györgyey Z. Zombori, M. Gombos, M. Szécsényi: Use of Brachypodium distachyon, the model plant of temperate cereals to study root architecture during drought adaptation, "The 26th Even-Ari Memorial Conference" Israeli-Hungarian scientific workshop on sustainable agriculture, 26-27 April, 2015, Sede Boqer, Israel, 2015
Gombos M., Zombori Z., Szécsényi M., Sándor Gy., Györgyey J.: LOB-ogó lelkesedéssel a sejtosztódás és differenciálódás folyamatainak megértéséért., Magyar Növénybiológiai Társaság Fiatal Növénybiológusok Előadásai, Pécs, 2015, 2015
Magdolna Gombos, Zoltán Zombori, Gábor Horváth, Györgyi Sándor, János Györgyey: Genes of LOB-domain transcription factor family in Brachypodium distachyon, EMBO Conference, Signaling in plant development, 20-24. 09. 2015, 2015
János Györgyey, Zoltán Zombori Magdolna Gombos, Mária Szécsényi: Root architecture during drought adaptaion in Brachypodium distachyon, EMBO Conference, Signaling in plant development, 20-24. 09. 2015, 2015
Gombos M, Zombori Z, Szecsenyi M, Sandor G, Kovacs H, Gyorgyey J: Characterization of the LBD gene family in Brachypodium: a phylogenetic and transcriptional study., PLANT CELL REP 36: (1) 61-79, 2017
Magdolna Gombos, Zoltán Zombori, Gábor Horváth, Mária Szécsényi, Györgyi Sándor, Hajnalka Kovács, János Györgyey: LBD gene family members exhibit highly diverse spatial transcriptional profiles in Brachypodium distachyon, Euro Plant Biology FESPB-EPSO joint Congress, Prague, poster presentation, 2016
János Györgyey, Magdolna Gombos, Gábor V. Horváth, László Facskó, Györgyi Sándor, Mária Szécsényi, Zoltán Zombori: LOB-domain transcriptional factors are not only key components of plant root development but may link cell division and differentiation in Brachypodium distachyon, Euro Plant Biology FESPB-EPSO joint Congress, Prague, 2016, oral presentation, 2016
Aleksza D, Horváth GV, Sándor G, Szabados L.: Proline accumulation is regulated by transcription factors associated with phosphate starvation., Plant Physiol. 175: 555-567, 2017
Gombos M, Zombori Z, Szecsenyi M, Sandor G, Kovacs H, Gyorgyey J: Characterization of the LBD gene family in Brachypodium: a phylogenetic and transcriptional study., PLANT CELL REP 36: (1) 61-79, 2017




 

Events of the project

  
2019-04-16 14:54:22
Résztvevők változása
2018-07-18 14:16:42
Résztvevők változása
2014-08-21 13:23:20
Résztvevők változása



Back »