 |
Molecular bases of the light-quality and temperature dependent regulation of freezing tolerance in cereals and in deciduous woody species
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
111879 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Galiba, Gábor |
| Title in Hungarian |
Gabona és lombhullató fás növények fagyállóságának fény és hőmérséklettől függő molekuláris szintű szabályozása |
| Title in English |
Molecular bases of the light-quality and temperature dependent regulation of freezing tolerance in cereals and in deciduous woody species |
| Keywords in Hungarian |
fagyállóság, fényreguláció, fitokrómok, dormancia, búza, árpa, lombhullató fás növények |
| Keywords in English |
freezing tolerance, light regulaton, phytochromes, dormancy, wheat, barley, deciduous woody species |
| Discipline |
| Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences) | 75 % | | Forestry (Council of Complex Environmental Sciences) | 15 % | | Plant breeding (Council of Complex Environmental Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Agriculture, Environment, Ecology, Earth Sciences committee chairs |
| Department or equivalent |
Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research) |
| Participants |
Ádám, Éva
Ahres, Mohamed
Boldizsár, Ákos
Gierczik, Krisztián György
Halász, Júlia
Harnos, Noémi
Kalapos, Balázs
Monostori, István
Novák, Aliz
Soltész, Alexandra
Tóth, Balázs
Vágújfalvi, Attila
|
| Starting date |
2015-01-01 |
| Closing date |
2018-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
39.455 |
| FTE (full time equivalent) |
12.97 |
| 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 növények fagyállóságának mértéke genetikailag meghatározott, azonban kialakulása egy hosszú adaptációs folyamat eredménye, melyet külső tényezők így a megvilágítás és a hőmérséklet befolyásolnak. A CBF transzkripciós faktor család az egyik meghatározó molekuláris genetikai tényezője a fagytűrésnek. A búza és árpa fagyállóságát befolyásoló FR2 lókuszban számos CBF gén található, amelyek egyedi szerepe és szabályozása nem ismert. Arabidopsis esetében azt találták, hogy nem csak a megvilágítás hossza és intenzitása, de a megvilágító fény spektruma is befolyásolja fagytűrést és a CBF gének expresszióját. Igazolták a fitokrómok szerepét is ebben a regulációs folyamatban. Célunk felderíteni azt, hogy gabonafélék esetében befolyásolható-e a fagyállóság mértéke és a CBF-gének transzkripciója a megvilágító fény spektrumának módosításával. Továbbá, fitokróm C mutáns búza vonalak bevonásával meg szeretnénk ismerni a fagyállóságot befolyásoló fény-szignáltranszdukció részleteit is. Mivel a CBF gének gátolják a növekedést és a virágprimordium kialakulását a gibberellin szint gátlásán keresztül, ezért feltételezik, hogy szerepet játszanak a fás növények nyugalmi állapotának és fagytűrésének kialakításában is. Kanadai együttműködő partnerek olyan som és nyár ökotípusokat bocsátanak rendelkezésünkre, melyek segítségével igazolhatjuk ezt a hipotézist. Ha kiderül, hogy a nyugalmi állapot pozitív korrelációban van a CBF mRNS mennyiségével, akkor elképzelhetővé válik a nyugalmi állapot és ezzel összefüggésben levő fagytűrés mesterséges szabályozása a CBF-regulonon keresztül. Ily módon, lehetővé válhat a fagyérzékeny gyümölcsfáink virágzási idejének módosítása és a fagykár mérséklése.
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 gabonafélék maximális fagytűrésüket egy hidegedzési folyamat után érik el, mely során alapvető szerpű a megfelelő erősségű megvilágítás is. Vizsgálataink első részében arra keressük a választ, hogy a fehér fény melyik spektrális komponense felelős a fagytűrés kialakításáért gabonafélékben. Szeretnénk továbbá megtudni, hogy a fény spektrumának módosításával megváltoztatható-e a növények fagytűrése. A fagyasztási kísérletek mellett a fagytűrésben kulcsszerepet játszó CBF gének működését is tanulmányozzuk különböző hullámhosszúságú monokromatikus ill., módosított spektrumú fehér fénnyel történt megvilágítás után. Mindezt azért tartjuk szükségesnek, mert feltételezésünk szerint a CBF transzkripciós faktorok működését nemcsak a hőmérséklet, hanem a fény is befolyásolja. Ezekben a kísérletekben arra keressük a választ, hogy melyik fény által szabályozott jelátviteli út a felelős a CBF gének aktiválásáért és a fagytűrés kialakulásáért.
Vizsgálataink második felében a CBF transzkripciós faktorok és a gyümölcsfák nyugalmi állapota (dormancia) kapcsolatát szeretnénk igazolni. Eddig még nem vizsgált feltételezésünk szerint a CBF gének emelkedett expressziója szerepet játszik a gyümölcsfák nyugalmi állapotának fenntartásában. Kísérleteinkben eltérő dormanciájú som és nyár ökotípusok CBF génjeink expressziós szintjét határozzuk meg és vizsgáljuk, hogy a CBF gének szintje mutat-e összefüggést a dormanciával.
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 környezeti hatásokkal szembeni ellenállóképesség molekuláris szintű mechanizmusainak megértése általánosságban is nagyon fontos a mezőgazdaságilag nagy jelentőséggel bíró gabonafélék esetében. Ebben a konkrét esetben érdekes gyakorlati hasznosíthatóság is felmerül. Amennyiben beigazolódik, hogy a fény spektrumának módosításával képesek vagyunk valamelyest megnövelni a növények fagytűrését az egyre olcsóbbá váló LED technológia segítségével a közeli jövőben kiegészítő világítást alkalmazva a megvilágítási spektrum módosítható, így a növények fényfüggő stresszválaszai modulálhatók lennének. Az így szerzett tudás alapul szolgálhat más haszonnövények optimális termesztési fényspektrumának a beállítására is.
A gyümölcstermő fák esetében visszatérő probléma a virágzás után bekövetkező fagyok okozta kár. Ha beigazolódik, hogy a CBF géneknek szerepe van a nyugalmi állapot fenntartásában, akkor a nemesítés folyamán előtérbe kerülhetnek olyan genotípusok, melyek természetesen magas CBF szinttel rendelkeznek, sőt ezeknek a géneknek a szabályozásával magunk is késleltethetjük a gyümölcsfák virágzását kedvezőtlen időjárási előrejelzés esetén jelentős fagykárt megelőzve.
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 mérsékelt égövi fás szárú növények ősszel a rövidülő nappalok és az egyre hűvösebb időjárás hatására fokozatosan nyugalmi állapotba kerülnek, lehullatják lombjukat és így átvészelik a fagyos telet. Tavasszal a fokozatosan melegedő időjárás és az egyre hosszabbodó nappalok hatására megszűnik a nyugalmi állapotuk, virágba borulnak, és újra kezdik az életciklusokat. Az őszi gabonák nyugalmi állapot nélkül alkalmazkodnak az egyre zordabb időjáráshoz. Fagytűrésük az ősz folyamán fokozatosan nő, télre elérik a maximumot, ami segít károsodás nélkül az áttelelésben. A kutatások bizonyították, hogy a CBF-transzkripciós faktorok szabályozzák az edződési folyamatot. Az is kiderült, hogy a CBF gének a hideg mellett a fényre is reagálnak. Alkonyatkor a napfény spektruma megváltozik és csökken a vörös/távoli vörös fény aránya. A növények fotó-receptorokkal érzékelik a spektrum változását, és mivel ezt a változást ősszel fagyos éjszaka követi erre fagytűrésük növelésével reagálhatnak. A lúdfű modellnövény esetében kiderítették, hogy ha a fehér fényt távoli vörös fénnyel kiegészítik, akkor bekapcsolnak a CBF gének. Gabonafélék esetében nem ismert ez a jelenség. Célunk tehát a fény hatását vizsgálni gabonanövények esetén és felderíteni az alkalmazkodás molekuláris hátterét. Mivel a CBF gének gátolják a növekedést és a virágok kialakulását feltételezhető, hogy fás növények esetében befolyásolják a nyugalmi állapotot. Nemzetközi együttműködés keretében megvizsgáljuk, hogy igaz-e ez a feltételezés. Ha igaz, akkor a CBF-gének szabályozásával befolyásolhatjuk a nyugalmi állapot hosszát. Így tavasszal a gyümölcsfák virágzásának idejét, elkerülhetővé válik a tavaszi fagykár.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The frost tolerance of plants is the result of a genetically determined long acclimation process which can be altered by environmental factors like the ambient temperature and light. The CBF transcription factor family is the most studied molecular determinant of freezing tolerance. There are several CBF genes located at the FR2 frost tolerance locus of wheat and barley but their individual role and regulation have not been determined yet. In case of Arabidopsis it is known that not only the duration and intensity but also the spectrum of the incident light affects the frost tolerance and the transcript level of CBF genes. Our goal is to elucidate whether the spectrum of the incident light affect the frost tolerance and CBF transcription, as well. Moreover we would like to reveal the details of the light signal transduction pathway using wheat phytochrome C mutants. It is well established that CBF genes inhibit plant growth and delay the initiation of flower primordium through the induction of gibberellin’s catabolism. Consequently, in the deciduous woody plants they might also play role in the development of cold induced dormancy and freezing tolerance. We intend to prove this hypothesis using special dogwood and poplar ecotypes provided by our Canadian collaborators. If we verify the positive correlation between the cold induced dormancy and the level of CBF transcripts it might open the door the regulation of dormancy state by manipulating the CBF regulon. This way we might be able to modify the flowering time of our frost sensitive fruit trees to prevent the freezing induced damage.
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.
It is known that in cereals the maximum level of frost tolerance is reached by cold hardening and during this process the light has crucial role. In the first part of the project we would like to identify which spectral component of the white light is responsible for frost tolerance. Moreover, we would like to know whether the frost tolerance can be modifying by the modulation of light spectra. Beside of the freezing test the expression level of the frost tolerance master genes, the CBFs will be determined in different monochromatic lights or in modulated white lights. It is particularly interesting, since our hypothesis is that the level of CBF genes is regulated by the light and the cold simultaneously. In these experiments we would like to identify the light regulated signal pathway is responsible for the activation of CBF genes and for the increased frost tolerance.
In the second part of the project we would like to prove the role of the CBF transcription factors in the dormancy of the deciduous woody plants. Our still unproven hypothesis is that the increased expression of the CBF genes might play a role in the maintenance of the dormant state of certain fruit trees. In these experiments the expression level of CBF genes will be determined in special ecotypes of dogwood and poplar plants with different dormancy and the possible connection of the CBF level and dormant state will be investigated.
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.
Generally, understanding the molecular basis of the resistance against different environmental factors is very important in the cereals due to their agronomical importance. In this particular case, the practical utilization might have reality. If we are able to prove that the frost tolerance of plants can be slightly increased by the simple modulation of the light spectra, in the future the light dependent stress responses of different plants could be adjusted by supplementing light exposure using advanced LED technology in economical reasonable manner. This knowledge might serve as basis to determine the optimal light spectra for glass house cultivation of other crops.
The frost damage caused by subzero temperatures following fruit tree blossom is permanent problem in the agriculture. If we can prove that CBF genes have role in the maintenance of dormant state, the breeders might select genotypes with naturally high CBF level. Moreover, we can manipulate the duration of the dormancy by the regulation of CBF expression consequently we can adjust the timing of fruit tree blooming. It might help to prevent the damage caused by early spring frost spells.
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 result of shortening days and decreasing temperature in fall the deciduous woody plants enter into dormant state and lose their leaves which helps in overwintering. Due to the lengthening days and the gradually increasing temperature in spring the dormancy will cease and they will start a new life cycle by blooming. The winter cereals cold acclimate without entering to dormant state. Their frost tolerance increases gradually in fall reaching maximum hardiness in winter. It is known that the CBF genes regulate the process of cold acclimation. Apart from the cold temperature the light also affects the CBF transcript levels. During twilight period at sun set the spectrum of the light alters and the ratio of red/far red light decreases. The plants are able to sense this alteration by light sensors and they might respond by increased frost tolerance in fall when frosty nights predictable. It was discovered in the model plant Arabidopsis that the transcript level of CBF genes increased if the white light was supplemented by additional far red light. In cereals this adaptation mechanism has not been described, yet. Our main goal is to study the effect of light quality on cold acclimation and to reveal its molecular background. The CBF genes dampen the growth of the plants more over inhibit the development of flowers. Consequently they might also affect the dormancy of deciduous woody plants. We would like to verify this hypothesis. If it is true we can manipulate the duration of the dormancy by the regulation of CBF expression consequently we can adjust the timing of fruit tree blooming. It might help to prevent the damage caused by early spring frost spells.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Aliz Novák, Ákos Boldizsár, Éva Ádám, László Kozma-Bognár, Imre Majláth, Monica Båga, Balázs Tóth, Ravindra Chibbar, and Gábor Galiba: Light-quality and temperature-dependent CBF14 gene expression modulates freezing tolerance in cereals, Journal of Experimental Botany doi:10.1093/jxb/erv526, 2015 | | Novák, A., Boldizsár, Á., Ádám, É., Kozma-Bognár, L., Majláth, I., Båga, M., Tóth, B., Chibbar, R., Galiba, G.: Light-quality and temperature-dependent CBF14 gene expression modulates freezing tolerance in cereals, Journal of Experimental Botany doi:10.1093/jxb/erv526, 2016 | | Novák, A., Boldizsár, Á., Gierczik, K., Vágújfalvi, A., Ádám, É., Kozma-Bognár, L., Galiba, G.: Light and Temperature Signalling at the Level of CBF14 Gene Expression in Wheat and Barley, Plant Molecular Biology Reporter, 2017 | | Gierczik, K., Novák, A., Ahres, M., Székely, A., Soltész, A., Boldizsár, Á., Gulyás, Z., Kalapos, B., Monostori, I., Kozma-Bognár, L., Galiba, G., Vágújfalvi, A.: Circadian and Light Regulated Expression of CBFs and their Upstream Signalling Genes in Barley, International Journal of Molecular Sciences, 2017 | | Kalapos, B., Novák, A., Dobrev, P., Vítámvás, P., Marincs, F., Galiba, G., Vanková, R.: Effect of the Winter Wheat Cheyenne 5A Substituted Chromosome on Dynamics of Abscisic Acid and Cytokinins in Freezing-Sensitive Chinese Spring Genetic Background, Frontiers in Plant Science, 2017 | | 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, 2016 | | Soltész, A., Harwood, W., Kalapos, B., Vágújfalvi, A., Galiba, G.: Key Molecular and Metabolic Processes Used for Genetic Engineering to Improve Freezing Tolerance in Cereals, Biotechnology of Major Cereals, 2016 | | Monostori, I., Heilmann, M., Kocsy, G., Rakszegi, M., Ahres, M., Altenbach, S.B., Szalai, G., Pál, M., Toldi, D., Simon-Sarkadi, L., Harnos, N., Galiba, G., Darko, É.: LED Lighting – Modification of Growth, Metabolism, Yield and Flour Composition in Wheat by Spectral Quality and Intensity., Frontiers in Plant Science, 2018 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
