 |
Induction of symptomless plant disease resistance by reactive oxygen species
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
111995 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Király, Lóránt |
| Title in Hungarian |
Tünetmentes növényi betegségrezisztencia indukálása reaktív oxigénfajtákkal |
| Title in English |
Induction of symptomless plant disease resistance by reactive oxygen species |
| Keywords in Hungarian |
tünetmentes rezisztencia, reaktív oxigénfajták, antioxidánsok, vírusfertőzés, paprika lisztharmat |
| Keywords in English |
Symptomless resistance, reactive oxygen species, antioxidants, virus infection, pepper powdery mildew |
| Discipline |
| Crop protection (Council of Complex Environmental Sciences) | 40 % | | Ortelius classification: Crop protection | | Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences) | 30 % | | Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences) | 30 % |
|
| Panel |
Complex agricultural sciences |
| Department or equivalent |
Plant Protection Institute (Centre for Agricultural Research) |
| Participants |
Albert, Réka
Bacsó, Renáta
Fodor, József
Gullner, Gábor
Juhász, Csilla
Künstler, András
Viczián, Orsolya
|
| Starting date |
2015-02-01 |
| Closing date |
2019-06-30 |
| Funding (in million HUF) |
36.466 |
| FTE (full time equivalent) |
7.62 |
| 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 növényi betegség ellenállóság során a reaktív oxigénfajták (ROF) kis koncentrációban a rezisztencia jelátvivői, míg nagy mennyiségben a gazdanövényt és a kórokozót is károsíthatják. Korábbi kutatásaink szerint a tünetmentes ún. nemgazda rezisztencia fő jellemzője a ROF gyors és korai felhalmozódása. Jelen pályázat keretében tisztázni kívánjuk, hogy a ROF felhalmozódás önmagában képes-e a hatékony - tünetmentes - növényi betegség ellenállóság kialakítására? Dohány modellnövényben vizsgáljuk a burgonya X vírus (PVX) ellen ható, tünetmentes (extrém) rezisztenciát meghatározó Rx1 gén ROF (szuperoxid és hidrogén-peroxid) termelésre gyakorolt hatását. Ha a ROF felhalmozódás valóban az extrém rezisztencia meghatározó tényezője, a gazdanövény antioxidáns kapacitásának fokozása (keresztezéssel, antioxidánsok infiltrálásával, ill. antioxidáns gének tranziens expressziójával) csökkenti vagy megszünteti a PVX-szel szembeni rezisztenciát, míg a fogékony dohány kezelése ROF-generáló ágensekkel képes legalább részleges PVX rezisztenciát kiváltani.
Előzetes kísérleteink szerint egy lisztharmat tüneteknek ellenálló hazai cseresznyepaprika fajta (cv. Szentesi) leveleiben fokozott szuperoxid felhalmozódás detektálható. Mind a rezisztencia, mind a szuperoxid felhalmozódás kertészeti oltással átvihető egy fogékony étkezési paprika fajtára (cv. Totál). Tisztázandó, hogy a szuperoxid-felhalmozódás tényleges szerepet játszik-e a lisztharmat rezisztenciában, ill. más (vírus) kórokozókkal szembeni védekezésben? Ezek a kutatások hozzájárulhatnak a gazdaságilag is jelentős tünetmentes növényi betegség rezisztencia mechanizmusának megértéséhez.
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.
Saját korábbi kutatásaink szerint a tünetmentes, ún. nemgazda rezisztencia (= rezisztencia a más gazdanövényre specializálódott kórokozóval szemben) fő jellemzője a ROF (elsősorban a szuperoxid) gyors és korai felhalmozódása. Hasonló tünetmentes rezisztenciát idéztünk elő dohány mozaik vírussal (TMV) szemben is, ha a fogékony dohány növényeket ROF-generáló ágensekkel kezeltük a fertőzés utáni korai időpontban. Előkísérleteink szerint egy lisztharmat tüneteknek ellenálló hazai cseresznyepaprika fajta (cv. Szentesi) leveleiben szintén fokozott szuperoxid felhalmozódás detektálható.
A pályázat keretében tisztázandó, hogy a ROF felhalmozódás önmagában képes-e a gyors és hatékony - tünetmentes - növényi betegség ellenállóság kialakítására? A kérdés megválaszolásához kétféle kísérleti megközelítést tervezünk:
1/ A korai ROF felhalmozódás szerepe a vírusok elleni tünetmentes, ún. extrém rezisztenciában. A burgonya X vírus (PVX) elleni extrém rezisztenciát meghatározó Rx1 gént kifejező dohányban csökkenhet a vírus rezisztencia, amennyiben a gazdanövény antioxidáns kapacitását mesterségesen fokozzuk. Ebben az esetben feltételezhető az is, hogy a PVX-re fogékony dohány kezelése ROF-generáló ágensekkel képes legalább részleges PVX rezisztenciát kiváltani.
2/ Feltételezhető, hogy a fokozott szuperoxid felhalmozódást mutató cseresznyepaprika lisztharmat ellenállósága csökkenhet, ha a növény antioxidáns kapacitását növeljük. Ugyanakkor a ROF-generáló ágensekkel történő kezelés fogékony paprikában legalább részleges lisztharmat rezisztenciát válthat ki. A szuperoxid termelő cseresznyepaprika más (vírus) kórokozókkal szembeni rezisztenciáját is vizsgáljuk.
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 pályázat keretében elvégzendő kutatások tisztázhatják a gazdasági szempontból is jelentős tünetmentes növényi betegség rezisztencia egyik alapvető mechanizmusát, amelyben szerepet játszhat a ROF (pl. szuperoxid és hidrogén-peroxid) kórokozó behatoláshoz köthető gyors felhalmozódása. Új perspektívát jelenthet a termesztett növények ROF-túltermelésre történő szelekciója, az ilyen növények potenciálisan tünetmentes rezisztenciát mutathatnak akár többféle kórokozóval szemben is. A szuperoxid-felhalmozó cseresznyepaprika (cv. Szentesi) lisztharmatos tünetekkel szembeni rezisztenciája gyakorlati szempontból szintén fontos lehet, mivel az üvegházi paprikatermesztésben (a lisztharmat-betegség döntően itt jelent veszélyt) csökkentheti a nagymértékű és költséges növényvédőszer felhasználást, ill. az azzal járó környezetszennyezést.
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 növények képesek ugyan sikeresen védekezni az őket támadó kórokozók fertőzésével szemben, de ezt legtöbbször valamilyen nyilvánvaló mellékhatással is jár, pl. a megtámadott növényi szövetek elhalásával, lassabb növekedéssel, stb. A betegségek elleni védekezés akkor hatékony, ha gyors lefolyású, a kórokozót hamar hatástalanítja és így a növényi szervezet erőforrásait minél kevésbé köti le. Ilyenkor a gazdanövény tünetmentesen képes az adott kórokozó fertőzésének ellenállni. A növénynemesítés, ill. a mezőgazdasági gyakorlat számára ezért fontos lehet az olyan termesztett növényfajták előállítása, amelyek egy vagy több kórokozóval szemben tünetmentesen képesek védekezni.
A növényi betegség ellenállóság folyamatában fontos szerepet játszanak az ún. a reaktív oxigénfajták (ROF), amelyek minden élő szervezetben megtalálhatók. Növényekben ezek az anyagok kis mennyiségben többek között a fertőzések elleni védekezés irányítói, míg ha nagy mennyiségben és hosszú ideig termelődnek, a kórokozót és a gazdanövényt egyaránt károsíthatják.
A pályázat segítségével azt szeretnénk tisztázni, hogy a reaktív oxigénfajták gyors, koncentrált, a kórokozó behatoláshoz köthető felhalmozódása önmagában képes-e a hatékony - tünetmentes - növényi betegség ellenállóság kialakítására? Kísérleteinkben ezért azt vizsgáljuk, hogy
1/a ROF-vegyületek felhalmozódásának mesterséges visszaszorítása csökkenti-e a növények tünetmentes betegség-ellenállóságát
2/ növények ROF-vegyületekkel történő kezelése képes-e a tünetmentes betegség ellenállóság kialakítására?
Ezek a kutatások tisztázhatják a gazdasági szempontból is jelentős tünetmentes növényi betegség rezisztencia egyik alapvető mechanizmusát.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Reactive oxygen species (ROS) have a dual function during plant disease resistance. In low concentrations, ROS transduce resistance signals, while in high amounts they may damage both the host plant and the pathogen. According to our previous research, a main characteristic of symptomless non-host resistance is the rapid, early accumulation of ROS. In this project, we will clarify if ROS accumulation per se is capable to elicit effective, symptomless plant disease resistance. Tobacco plants will be used as a model to investigate the effect of the Rx gene determining symptomless (extreme) resistance to Potato virus X (PVX) on the production of ROS (superoxide, hydrogen peroxide). If ROS accumulation is indeed a key factor of extreme resistance, enhancing antioxidant capacity of the host (by crosses, infiltration of antioxidants, transient expression of antioxidant genes) should reduce or eliminate resistance to PVX. On the other hand, treatment of susceptible tobacco with ROS-generating agents will likely induce at least a partial resistance to PVX.
Our preliminary experiments show that enhanced accumulation of superoxide occurs in leaves of Hungarian cherry pepper (cv. Szentesi) resistant to powdery mildew symptoms. Both superoxide accumulation and resistance can be transmitted to a susceptible sweet pepper cultivar (´Totál´) by grafting. It should be clarified whether superoxide accumulation indeed plays a pivotal role in resistance to powdery mildew and other (virus) pathogens? This research will contribute to a better understanding of the mechanism of economically important symptomless plant disease resistance responses.
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.
According to our previous research, the main characteristic of symptomless non-host resistance (i.e. resistance to pathogens adapted to other host plants) is the rapid, early accumulation of ROS, primarily superoxide. We could elicit a similar, symptomless resistance to Tobacco mosaic virus (TMV), if susceptible plants were treated with ROS-generating agents early after inoculation. Our preliminary experiments demonstrate that enhanced accumulation of superoxide also occurs in leaves of Hungarian cherry pepper (cv. Szentesi) resistant to powdery mildew.
In the present project we will investigate whether ROS accumulation per se is capable to elicit rapid, effective, symptomless plant disease resistance responses. Two experimental approaches will be applied:
1/ Role of early ROS accumulation in the symptomless, so-called extreme resistance to viruses. In tobacco that express the Rx gene determining extreme resistance to Potato virus X (PVX) virus resistance could be reduced if antioxidant capacity of the host is artificially enhanced. In this case it is also likely that treatment of PVX-susceptible tobacco with ROS-generating agents will induce at least a partial resistance to the virus.
2/ It is anticipated that powdery mildew resistance of cherry pepper displaying enhanced superoxide accumulation will be reduced if antioxidant capacity of the host is enhanced. However, treatment of susceptible pepper with ROS-generating agents should confer at least a partial resistance to powdery mildew. We will also investigate resistance of superoxide-accumulating cherry pepper to other (virus) pathogens.
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.
Research planned in the framework of this proposal may clarify a basic mechanism of economically important symptomless plant disease resistance, where the rapid accumulation of ROS (e.g. superoxide and hydrogen peroxide) associated with pathogen ingress may play a role. A new perspective in this regard could be the selection of crop plants for ROS-overproduction, since such plants may potentially display symptomless resistance to one or more pathogens. Resistance of superoxide-accumulating cherry pepper (cv. Szentesi) to powdery mildew symptoms is also significant from a practical point of view, since it may reduce large scale and expensive pesticide use and associated pollution in greenhouse pepper production (powdery mildew disease is a hazard especially under such conditions).
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.
Although plants can successfully defend themselves against the infection of invading pathogens, this is usually accompanied by obvious side-effects, e.g. the death (necrosis) of invaded plant tissues, slower growth, etc. Defense against diseases is effective if it is a rapid process, eliminating the pathogen in due time and not overusing resources of the plant organism. In this case the host plant is able to resist infection by a given pathogen without the development of symptoms. Therefore, introduction of crop cultivars that display symptomless resistance to one or more pathogens is of primary importance for plant breeding and crop production.
Reactive oxygen species (ROS) can be universally found in living organisms and they play important roles in the process of plant disease resistance as well. In plants these compounds, when present in small amounts, are involved e.g. in orchestration of defense to pathogenic infections. However, when produced in large amounts for prolonged periods, ROS may harm the host plant and the pathogen as well.
With the aim of this project we should clarify whether rapid, concentrated ROS-accumulation associated with pathogen ingress is capable in itself to elicit an effective, symptomless plant disease resistance? Therefore, we will investigate whether
1/ artificial suppression of ROS-accumulation can reduce symptomless disease resistance in plants
2/ plant treatments with ROS can develop symptomless disease resistance?
These studies should clarify a basic mechanism of economically important symptomless disease resistance in plants.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Király, L., Künstler, A., Albert, R.: Inheritance of biochemical markers of graft-transmissible resistance to powdery mildew (Leveilulla taurica) in progeny of grafted, resistant pepper., Plant Biotic Stresses & Resistance Mechanisms III Conference, Vienna, Austria. Abstract, p. 14., 2018 | | Künstler, A., Kátay, G., Gullner, G., Király, L.: Artificial elevation of glutathione contents in salicylic acid-deficient tobacco (Nicotiana tabacum cv. Xanthi NahG) reduces susceptibility to the powdery mildew pathogen Euoidium longipes., Plant Biology doi: 10.1111/plb.13030, 2019 | | Király, L., Künstler, A., Albert, R.: Reactive oxygen species contribute to the symptomless, extreme resistance to Potato virus X in tobacco., 14th International Conference on Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Plants, Munich, Germany. Abstract, p. 40, talk no. 28., 2019 | | Albert, R., Künstler, A., Lantos, F., Ádám, A.L. Király, L.: Graft-transmissible resistance of cherry pepper (Capsicum annuum var. cerasiforme) to powdery mildew (Leveillula taurica) is associated with elevated superoxide accumulation, NADPH oxidase activity and pathogenesis-related gene expression., Acta Physiol. Plant. 39, 53., 2017 | | Nagy, Z.Á., Kátay, G., Gullner, G., Király, L., Ádám, A.L.: Azelaic acid accumulates in phloem exudates of TMV-infected tobacco leaves, but its application does not induce local or systemic resistance against selected viral and bacterial pathogens., Acta Physiol. Plant. 39, 9., 2017 | | Gullner, G., Zechmann, B., Künstler, A., Király, L.: The signaling roles of glutathione in plant disease resistance., In: M.A. Hossain, M.G. Mostofa, P. Diaz-Vivancos,et al.(eds): Glutathione in Plant Growth, Development, and Stress Tolerance. Springer International, pp. 331-357., 2017 | | Király, L., Zsemberi, O., Künstler, A., Albert, R.: Distinct activity changes of defense (pathogenesis) related genes and antioxidants during symptomless (extreme) vs. local necrotic (hypersensitive) plant virus resistance, XVth Spanish-Portuguese Congress of Plant Physiology, Barcelona, Spain. Abstract, poster ID C0205/P0205., 2017 | | Gullner, G., Kőmíves, T., Király, L., Schröder, P.: Glutathione S-transferase enzymes in plant-pathogen interactions., Front. Plant Sci. 9, 1836., 2018 | | Király, L., Künstler, A., Albert, R.: Inheritance of biochemical markers of graft-transmissible resistance to powdery mildew (Leveilulla taurica) in progeny of grafted, resistant pepper., Plant Biotic Stresses & Resistance Mechanisms III Conference, Vienna, Austria. Abstract, p. 14., 2018 | | Künstler, A., Bacsó, R., Albert, R., Barna, B., Király, Z., Hafez, Y.M., Fodor, J., Schwarczinger, I., Király, L.: Superoxide (O2.-) accumulation contributes to symptomless (type I) nonhost resistance of plants to biotrophic pathogens., Plant Physiol. Biochem. 128, 115–125., 2018 | | Künstler, A., Kátay, G., Gullner, G., Király, L.: Artificial elevation of glutathione contents in salicylic acid-deficient tobacco (Nicotiana tabacum cv. Xanthi NahG) reduces susceptibility to the powdery mildew pathogen, Plant Biology doi: 10.1111/plb.13030, 2019 | | Gullner, G., Kőmíves, T., Király, L., Schröder, P.: Glutathione S-transferase enzymes in plant-pathogen interactions., Front. Plant Sci. 9, 1836., 2018 | | Künstler, A., Bacsó, R., Albert, R., Barna, B., Király, Z., Hafez, Y.M., Fodor, J., Schwarczinger, I., Király, L.: Superoxide (O2.-) accumulation contributes to symptomless (type I) nonhost resistance of plants to biotrophic pathogens., Plant Physiol. Biochem. 128, 115–125., 2018 | | Albert, R., Künstler, A., Ádám, A., Lantos, F., Király, L.: A cseresznyepaprikáról étkezési paprikára oltással átvihető lisztharmat rezisztencia biokémiai markerei., 61. Növényvédelmi Tudományos Napok, Előadáskivonatok, p. 58., 2015 | | Hernández, J.A., Gullner, G., Clemente-Moreno, M.J., Künstler, A., Juhász, C., Díaz-Vivancos, P., Király, L.: Oxidative stress and antioxidative responses in plant-virus interactions., Physiol. Mol. Plant Pathol. DOI: 10.1016/j.pmpp.2015.09.00, In press, 2015 | | Király, L., Künstler, A., Lantos, F., Ádám, A., Fodor, J., Albert, R.: Enhanced superoxide accumulation and NADPH oxidase activity predict powdery mildew resistance graft-transmissible from cherry pepper to sweet pepper., 12th International Conference on Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Plants, Verona, Italy. Abstract, p. 107, poster P93., 2015 | | Künstler, A., Bacsó, R., Hafez, Y.M., Király, L.: Reactive oxygen species and plant disease resistance., In: D.K. Gupta, J.M. Palma, F.J. Corpas (eds): Reactive Oxygen Species and Oxidative Damage in Plants Under Stress. Springer International Publishing, Switzerland pp. 26, 2015 | | Lantos, F., Csüllög, K., Albert, R., Künstler, A., Király, L.: A kalciumhiány és a szuperoxid (O2•-) termelődésének összefüggése paprikabogyó-szövetekben., Kertgazdaság 47, 25-28., 2015 | | Hernández, J.A., Gullner, G., Clemente-Moreno, M.J., Künstler, A., Juhász, C., Díaz-Vivancos, P., Király, L.: Oxidative stress and antioxidative responses in plant-virus interactions., Physiol. Mol. Plant Pathol. 94, 134-148., 2016 | | Király, L., Künstler, A., Lantos, F., Ádám, A., Fodor, J., Albert, R.: Enhanced superoxide accumulation and NADPH oxidase activity predict powdery mildew resistance graft-transmissible from cherry pepper to sweet pepper., 12th International Conference on Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Plants, Verona, Italy. p. 107, poster P93., 2015 | | Albert, R., Künstler, A., Lantos, F., Király, L.: Preformed defense responses in a powdery mildew-resistant Hungarian cherry pepper cultivar., Review on Agriculture and Rural Development 5, 5-12., 2016 | | Albert, R., Zsemberi, O., Künstler, A., Király, L.: Védekezési gének és antioxidánsok tünetmentes (extrém) és lokális nekrózissal járó (hiperszenzitív) növényi vírus rezisztenciában., 63. Növényvédelmi Tudományos Napok, Előadáskivonatok, p. 93., 2017 | | Bacsó, R., Künstler, A., Király, L.: Tobacco necrosis virus replication and spread in Arabidopsis thaliana ecotype Columbia – a potential system for studying plant defense reactions to symptomless virus infe, Acta Physiol. Plant. 38, 139., 2016 | | Király L., Künstler, A., Nádai, T.: Enhanced susceptibility to systemic virus infections in a superoxide (paraquat) tolerant tobacco with elevated antioxidant capacity., FESPB-EPSO Plant Biology Congress, Prague, Czech Republic. Poster ID 534., 2016 | | Künstler, A., Bacsó, R., Gullner, G., Hafez, Y.M., Király, L.: Staying alive - is cell death dispensable for plant disease resistance during the hypersensitive response?, Physiol. Mol. Plant Pathol. 93, 75–84., 2016 | | Hernández, J.A., Gullner, G., Clemente-Moreno, M.J., Künstler, A., Juhász, C., Díaz-Vivancos, P., Király, L.: Oxidative stress and antioxidative responses in plant-virus interactions., Physiol. Mol. Plant Pathol. 94, 134-148., 2016 | | Künstler, A., Bacsó, R., Hafez, Y.M., Király, L.: Reactive oxygen species and plant disease resistance., In: D.K. Gupta, et al. (eds): Reactive Oxygen Species and Oxidative Damage in Plants Under Stress. Springer International, pp. 269-303., 2015 | | Bacsó, R., Künstler, A., Király, L.: Tobacco necrosis virus replication and spread in Arabidopsis thaliana ecotype Columbia – a potential system for studying plant defense reactions to symptomless virus infe, Acta Physiol. Plant. 38, 139., 2016 | | Künstler, A., Bacsó, R., Gullner, G., Hafez, Y.M., Király, L.: Staying alive - is cell death dispensable for plant disease resistance during the hypersensitive response?, Physiol. Mol. Plant Pathol. 93, 75–84., 2016 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
