 |
Terminal differentiation of nitrogen-fixing bacteria in symbiosis
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
110979 |
| Type |
NN |
| Principal investigator |
Kereszt, Attila |
| Title in Hungarian |
Nitrogénkötő baktériumok terminális differenciálódása szimbiózisban |
| Title in English |
Terminal differentiation of nitrogen-fixing bacteria in symbiosis |
| Keywords in Hungarian |
szimbiózis, sejt differenciálódás, antimkrobiális peptidek, transzkriptóm analízis, baktérium genetika |
| Keywords in English |
symbiosis, cell differentiation, antimicrobial peptides, transcriptome analysis, bacterium genetics |
| Discipline |
| Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences) | 70 % | | Genomics, comparative genomics, functional genomics (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Complex agricultural sciences |
| Department or equivalent |
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Ábrahám, Edit
Körmöczi, Péter
Petróné Dr. Kovács, Etelka
Szűcs, Attila
|
| Starting date |
2014-04-01 |
| Closing date |
2017-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
33.000 |
| FTE (full time equivalent) |
4.65 |
| 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 pillangósvirágú növények rhizobiumokkal kialakított nitrogénkötő szimbiózisa hatalmas ökológiai és mezőgazdasági jelentőséggel bír. Ezek a növények biztosítják a bioszféra kötött nitrogén utánpótlásának egy nagy részét, fontos pionír fajok, s termesztésük során nem vagy csak nagyon kismértékben igényelnek nitrogén műtrágyákat.
Ezen endoszimbiózis kialakulása során egy új növényi szerv, a rhizobiumokat tartalmazó gyökérgümő jön létre. A nitrogénkötés sikere attól függ, hogy a gazdasejt és az azt benépesítő több ezer endoszimbionta baktérium megfelelő kapcsolatot tud-e kialakítani. Ismereteink arról, hogy egy eukarióta sejt miképp tud ekkora baktérium-populációt fenntartani, illetve a baktériumok miképp képesek krónikus módon a növényi sejtekben fennmaradni, messze mögötte marad a gümőfejlődés kezdetéről, a gümő organogeneziséről összegyűjtött tudásunknak.
Sok pillangósvirágú növényben a bakteroidoknak nevezett mikroszimbionta fejlődése morfológiai átalakulással jár, ami a növény irányítása alatt áll, ami egy olyan tulajdonság, ami az evolúciójuk során legalább 5 alkalommal fejlődött ki. Medicago-ban az NCR peptidek ennek a folyamatnak a fő szabályozói. Azt, hogy ezen effektorok a közeli rokon fajokban mennyire konzerváltak, illetve milyen mechanizmusok irányítják a sejtdifferenciálódást más, esetleg eltérő morfológiát indukáló pillangósokban, még nem ismert. Hasonlóképp, a bakteroid differenciálódásban résztvevő bakteriális faktorok sem ismertek. A tervezett projektben ezen növényi és bakteriális effektorok feltárását végezzük el.
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 fertőzött gümősejt több szinten is szorosan ellenőrzése alatt tartja a nitrogénkötő endoszimbionta baktériumokat. A gazdasejtek olyan faktorokat termelnek, melyek a baktériumok differenciálódását és különböző morfotípusok kialakulását indukálják. Medicago-ban az antibakteriális NCR peptideket azonosítottuk, mint az E-morfotípust indukáló faktorokat. Az összes többi szimbiotikus rendszerben a bakteroid differenciációt irányító növényi faktorok, valamint a bakteriális effektorok jelenleg ismeretlenek.
M. truncatula-ban közel 600 gén kódolja a peptideket. Nem tudjuk, hogy a peptidek ezen tömege egyetlen funkcióért felelős, vagy több ponton is szerepet játszik a bakteroidok differenciálódásában. Hogy bepillantást nyerjünk a géncsalád evolúciójába, megvizsgáljuk, hogy mennyire kiterjedt az NCR család más Galegoid fajokban, s megpróbálunk esetlegesen konzervált funkciókat jelző konzervált szekvenciájú peptideket azonosítani.
Nem tarjuk elképzelhetetlennek, hogy más rendszerekben, pl. az Aeschynomene gümőkben az E-és S-morphotípusok kialakulását szintén antimikrobiális peptidek irányítják. Nagy volumenű transzkriptóm analízis segítségével felderítjük ezen molekulák teljes arzenálját Aeschynomene fajokban és a funkcionálisan jellemezzük az azonosított jelölteket.
Ezzel párhuzamosan a különféle morfotípusok transzkriptome profilját összehasonlítjuk és a differenciálódásban szerepet játszó bakteriális funkciókat azonosítjuk.
A BacA fehérje szükséges az intracelluláris rhizobiumok morfológiai átalakulásához és túléléséhez az NCR-ekkel töltött szimbioszómákban. A projekt keretében a fehérjét funkcionálisan analizáljuk.
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 projekt eredményei révén megismerhetünk olyan bakteriális és gazda funkciókat, melyek lehetővé teszik a baktériumok intracelluláris létét. Evolúciós szempontból A jelen megközelítés, amikor távoli szimbiotikus rendszereket vizsgálunk, segíthet megkülönböztetni az antimikrobiális peptidek általános feladatait és a szimbiotikus nitrogénkötés evolúciója során kialakult funkciókat. Eredményeink révén lehetőségünk nyílhat a szimbiotikus nitrogénkötés hatékonyságának növelésére olyan pillangósokban, melyek nem optimális bakteroid morfotípus fejlődést indukálnak.
A projektből szélesebbkörű következtetéseket is levonhatunk. Valószínűsíthető, hogy felfedezéseink használhatóak lesznek más szimbiotikus rendszerekben is, mint amilyen a gerinctelen állatok együttélése intracelluláris baktériumokkal (pl. a Wolbachia baktérium, ami az izeltlábúak és a fonalférgek szaporodásbiológiáját befolyásolja, vagy a növényi nedveket szívó rovarok tápanyagot szolgáltató obligát endoszimbiontái). Ezen endoszimbionta-horodozó lények közül számos vagy vektora (moszkitók, levéltetvek) vagy oozója (levéltetvek, fonálférgek) pusztító fertőző betegségeknek, s az általuk okozott betegségek elleni küzdelem egyik iránya a szimbiotikus baktériumokra fókuszál. A gerinctelenek és az általunk vizsgált pillangósok által létrehozott szimbiózisok egyik feltűnő hasonlósága, hogy mindkét rendszerben nagy intracelluláris baktérium populáció foglalja el a gazdasejtek sejtállományát, s az endoszimbionta baktériumok morfológiai átalakuláson mennek keresztül, miáltal gömb vagy megnyúlt sejtek jönnek létre. Ily módon az általunk elért eredmények lényegesek lesznek ezen távoli biológiai rendszerek megértésében is.
Fontos azt is megjegyezni, hogy a szimbioszómák organellum-szerű struktúrák, bár azoktól sok dologban különböznek (pl. csak bizonyos gadasejtekben találhatóak, nem öröklődnek, nem történt genomredukció, nem történt géntranszfer a gazdagenomba). Mindazonáltal a bakteroidok megközelítik az organellum állapotot, így bepillantást nyerhetünk az organellumok és fejlődésük természetébe, az endoszimbonták organellummá válásának evolúciós folyamatába.
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 pillangósvirágú növények esszenciális elemei a fenntartható mezőgazdasági rendszereknek, mert egy baktériumokkal létrehozott szimbiózis segítségével képesek nitrogénellátásukat biztosítani a levegőből. Egyes pillangósvirágúak morfológiai átalakulásra kényszerítik bakteriális partnerüket valószínűleg a célból, hogy a rendelkezésre álló forrásokat hatékonyabban használják fel. Az átalakulást okozó hatóanyagokat (gümőspecifikus peptidek egy nagy családja) csak egyetlen rendszerben, a Sinorhizobium-Medicago (lucerna) szimbiózisban ismerjük. A tervezett munka során feltárjuk, hogy a peptideket meghatározó géncsalád milyen nagyságú a lucerna közeli rokonaiban, illetve felderítjük, hogy a függetlenül kialakult hasonló rendszerekben milyen molekulák felelősek a baktériumok átalakulásáért. Emellett meghatározzuk, hogy mi a funkciója annak az egyetlen bakteriális fehérjének, melyről eddig egyedüliként sikerült kimutatni, hogy szerepet játszik a baktérium fejlődésében.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Nitrogen fixing root symbioses of legume plants with soil bacteria collectively called rhizobia have a tremendous ecological and agronomic impact. These plants constitute a major input of combined nitrogen in the biosphere, they are key pioneering plants in ecological successions and legume crops require no or little nitrogen fertilizer for growth.
These endosymbioses require the development of nodules, root organs formed by the host plant to house the nitrogen-fixing bacteria. The ability of legumes to acquire sufficient nitrogen solely from the symbiosis relies on the intimate contact between thousands of intracellular (endosymbiotic) rhizobia and their host cells in the root nodules. The understanding how a eukaryotic cell can maintain such a large bacterial population or how bacteria can chronically resist in a plant cell is lagging far behind the progress that has been made on nodule organogenesis.
In many legumes, their formation of endosymbiotic rhizobia, called bacteroids, is accompanied with a morphological transformation which is imposed by the host plant, a trait evolved at least five times during legume evolution. In Medicago, NCR peptides have been shown to control bacteroid differentiation. However, the evolutionary conservation of these effectors even within the Galegoid clade and mechanisms that control bacteroid differentiation in legumes with other bacteroid morphotypes are unknown. Similarly, most of the bacterial effectors contributing to this bacteroid differentiation are unknown. The proposed project intends to identify and characterize these plant and bacterial effectors.
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 infected nodule cells exert a strict control at different levels over the nitrogen-fixing endosymbiotic bacteria. Host cell produced factors induce bacterial differentiation which leads to the formation of different morphotype bacteroids. In Medicago, antimicrobial NCR peptides have been identified as host factors inducing E-morphotype bacteroids. For all other symbiotic systems, the molecular mechanisms underlying bacterial differentiation and the bacterial effectors involved in the process remain unknown at present.
In M. truncatula close to 600 plant genes code for the peptides. We do not know whether this plethora of peptides serves a single function or has multiple roles during the differentiation of the bacterods. To get a first insight into the evolution of the gene family, we will investigate how big the gene family in other Galegoid legumes is and try to determine whether conserved peptides indicative of conserved functions exist.
It seems not unlikely that antimicrobial peptides are involved also in the development of E- and S- morphotypes in other systems such as the Aeschynomene nodules. A large-scale transcriptome analysis will be employed to explore the complete repertoire of such molecules in Aeschynomene and candidates will be functionally characterized.
In parallel, the transcriptome of the different bacteroid morphotypes will be compared and bacterial functions involved in the differentiation process will be identified.
The BacA protein is required for the morphological differentiation and the survival of intracellular rhizobia in the NCR-loaded symbiosomes. In the frame of the project, the functional analysis of the protein will be carried out.
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 results of this project will provide insights on bacterial and host functions important for the housing of intracellular bacteria. From an evolutionary perspective, the present approach targeting markedly distant symbiotic systems should help discern the generic functions of antimicrobial peptides from those selected during the evolution of symbiotic nitrogen fixation. Together, these results will pave the way towards medium-term strategies for improving symbiotic performance in legumes with non-optimal bacteroid morphotype.
This project may also have implications in a broader context. It is very likely that our findings will be transposable to other symbiotic systems such as the interactions of invertebrate groups with intracellular bacteria (for example, Wolbachia, commonly found in and manipulating the reproductive biology of arthropods and nematodes; the nutrient-providing obligate endosymbionts of plant sap feeding insects housed in specific insect organs called bacteriomes). Many of these endosymbiont-harboring invertebrates are either the vectors (mosquitoes, aphids) or the causative agents (filarial nematodes, aphids) of devastating infectious diseases. New approaches for fighting these diseases focus on the symbiotic bacteria. A striking similarity of these invertebrate-insect symbioses with the legume symbiosis is the presence in infected host cells of large intracellular bacterial populations occupying almost entirely the cellular space of the host cell. In addition these endosymbionts undergo, like in legumes, morphological changes such as formation of spheres or elongated cells. Our effort in understanding how hosts control endosymbionts will thus also be relevant to these more distant biological systems.
Furthermore, it is worth to mention that the symbiosomes are organelle-like structures, though with a lot of differences (restricted to specific host cells, horizontally acquired, no genome reduction, no transfer of genes to the host genome). Nevertheless, clearly the bacteroids approach the status of organelles and this proposal promises to yield fundamental insights into the nature of organelles and organellogenesis, the evolutionary conversion process of endosymbionts to organelles.
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.
Legume plants are essential components of the sustainable agricultural systems because they can obtain nitrogen from the air with the help of symbiotic bacteria. Some of them impose morphological differentiation on the bacterial partner most probably to achive more effective use of resources. The nature of the effector molecules causing this differentiatio (a large family of nodule-specific peptides) is known only in one system, in the Sinorhizobium-Medicago truncatula symbiosis. In the proposed work, we intend to investigate how large this gene family is in close relatives of Medicago and try to identify the plant effectors in other systems that evolved independently. In addition, we will study the function of the only bacterial protein known to be involved in the morphological differentiation.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
