Mode of action of natural regulatory molecules in seed germination

Help

Back »

Details of project

Identifier

114567

Type

Principal investigator

Balázs, Ervin

Title in Hungarian

Természetes szabályozó molekulák hatása a növények csírázására

Title in English

Mode of action of natural regulatory molecules in seed germination

Keywords in Hungarian

csirázás, Arabidopsis, saláta, karrikin, strigolakton, jelátvitel

Keywords in English

germination, Arabidopsis, lettuce, karrikins, strigolactones, signal transduction

Discipline

Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)	90 %
Crop production (Council of Complex Environmental Sciences)	10 %
Ortelius classification: Plant cropping systems

Panel

Plant and animal breeding

Department or equivalent

Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research)

Participants

Badics, Eszter
Gulyás, Zsolt
Incze, Norbert
Kiss, Tímea
Soós, Vilmos
Végh, Attila

Starting date

2015-04-01

Closing date

2019-06-30

Funding (in million HUF)

59.464

FTE (full time equivalent)

9.68

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 és környezetük interakciója alapvetően a környezeti jelek érzékeléséből és az ingerekre adott válaszokból áll. Ebben a projektben az újabban a növényi hormonok közé sorolt strigolaktonok és rokon butenolid vegyületeik molekuláris hatásmechanizmusára, valamint a kapcsolt bioszintézis utakra fogunk fókuszálni. Ezek a butenolidok (strigolaktonok, karrikinek) számos fiziológiai folyamatban vesznek részt, beleértve a mikorrhiza kialakulását, az elágazódást, a föld feletti részek és a gyökérzet architektúráját, a fény függő jelátvitelt és a csírázást. Az elmúlt évben tapasztalt áttörés a butenolidok kutatásában arra derített fényt, hogy nagyon erős párhuzamosság van a strigolakton/karrikin és a gibberellin jelátvitelben. Az alapvető hasonlóság ezen mechanizmusok között (mindkettő központi eleme egy, az SCF komplex által mediált ubiquitinfüggő célzott proteolízis rendszer) sorvezetőül szolgálhat a karrikin jelátvitel rejtett útjainak felfedéséhez.
A jelen projektben két fő kérdésre szeretnénk választ adni. Szeretnénk tanulmányozni, hogy mi a fiziológiai szerepe a (strigolakton szignálpercepció melléktermékéhez, a D-OH molekulához szerkezetében nagyon hasonló) TMB-nek, és hogy milyen szerepet játszanak ezek a kis molekulatömegű butenolidok a butenolid-jel modulációjában. Másodszor, funkcionálisan jellemezni fogjuk az eddig ismeretlen tulajdonságokkal bíró DLK2 α/β-hidrolázt, mely paralóg D14-et és KAI2-t strigolakton és karrikin receptorokkal.

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 hasonlóság a TMB és a D-OH között felveti a kérdést, hogy vajon a két komponens verseng-e a kötőhelyért; és a TMB használható-e a strigolakton jelátvitel befolyásolására. A tény, hogy a kai2 null mutáns gyenge csírázási képessége komplementálható exogén TMB-vel, a KAI2 strigolakton jelátvitelben betöltött funkcióját sugallja a strigolakton degradációs melléktermékének további metabolizmusa vagy egyszerű percepciója révén. A KAI2 feltehetően képes hidrolízis enzimként is viselkedni, átalakítva a szubsztrátot specifikus, a csírázást serkentő formába, vagy modulátorként a strigolakton jelátvitelt finomhangolja.
A strukturális hasonlóság a D14, KAI2 és a DLK2 között azt sugallja, hogy minimális változás az elsődleges szerkezetben drámai változást idézhet elő a specifitásban, hidrolitikus aktivitásban, végül pedig a jelátvitelben. Az α/β-hydrolázok KAI2-D14 családjának három paralóg gén a tagja; a harmadik tagnak, a DLK2-nek még nincs kijelölt szerepe a strigolakton-karrikin jelátvitelben. A DLK2 expressziója megnövekszik KAR1 expozíciót követően, ami arra utal, hogy a DLK2-nek szerepe lehet az endogén KAI2 szubsztrát metabolizmusában. A dlk2 mutáns csíranövényeken nem figyelhető meg mutáns fenotípus, viszont a fiatal dlk2 növényeknek hosszabb a gyökere, ami a DLK2 strigolakton jelátvitelben betöltött szerepére utal.
A projekt a fő célja, hogy új ismereteket szerezzünk a butenolidok hatásmechanizmusáról. A célt fiziológiai és funkcionális tesztek elvégzésével, transzkriptom analízissel, fehérje-fehérje interakciós tanulmányokkal, metabolizációs tesztekkel és a butenolid származékok és feltételezett fehérjepartnereik kötési képességeinek jellemzésével kívánjuk elérni.

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!
Egy részletes és átfogó vizsgálattal minden bizonnyal további dimenziók nyílnak meg a butenolid jelátvitel kutatásában. A projekt megmutatja azt is, hogy mi jellemzi a butenolidok által indukált molekuláris változásokat, és reményeink szerint meghatározza, hogy milyen irányt vegyen a jövőben ennek a rendkívül izgalmas és közvetlen hasznosíthatósággal kecsegtető újszerű jelátvitelnek a kutatása. Jelen pályázat eredményeként nem csak a butenolid-függő jelátviteli útvonalat ismerhetjük meg, de -figyelembe véve, hogy ezek az molekulák nagyban befolyásolják a növény életét a csírázástól a magképzésig – a megszerzett ismeretek közvetlenül is hasznosíthatók lehetnek a mezőgazdaságban és az ökoszisztémák védelmében. A butenolidoknak a csírázást szabályozó vegyületként való alkalmazása nyilvánvaló, de segítségükkel a kezelt csíranövények stressz-ellenállósága is indukálható és így a csíravigor növelhető. Az aktív komponens felhasználható, mint költséghatékony megoldás leromlott mezőgazdasági területek regenerációjára, különösen a szárazabb periódusokban. A szántóföldi termesztésben, erdészetben és kertészetben pedig a magvak csírázására gyakorolt hatásuk hasznosítható, mivel alkalmazásukkal a magvak egyidejű, gyors csírázása és a csíranövények nagyobb életképessége érhető el. A projekt eredményei a fenntartható mezőgazdaságban, az ökoszisztémák és a biodiverzitás helyreállítását és megőrzését célzó kezdeményezésekben hasznosíthatók, és emellett az alap és alkalmazott kutatásnak (különösen a növénynemesítésnek) is szolgáltat új információkat a csírázás élettanáról.

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 növényi interakció a környezettel jelentősen függ a környezeti ingerek érzékelésétől és az azokra adott választól. Ebben a projektben az újszerű, frissen előkerülő jelmolekulákra fogunk fókuszálni, azokra, amelyek közös butenolid molekularészt tartalmaznak.
A növények környezetükkel való kölcsönhatása alapvetően a környezet érzékeléséből és az onnan érkező stimulusokra adott válaszból áll. Jelen pályázatban nemrég leírt szignálmolekulákkal kívánunk foglalkozni, melyeknek közös tulajdonsága a butenolid szerkezet. Ezek a butenolid típusú vegyületek, mint például a strigolaktonok, karrikinek, a TMB és ezek származékai finomhangolják a sztresszválasz során, a növény felépítése, a csírázástól a magvak kifejlődéséig számos esetben aktiválódó molekuláris folyamatokat, melyek nagyban formálják a növényt és életét. A mi célunk bepillantást nyerni azokba az apró történésekbe, ahogyan ezek a vegyületek dolgoznak, és megmutatni az utat azon további kutatások számára, melyek a butenolidok gyakorlati alkalmazására fókuszálnak.

Summary

Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Plants interaction with their environment substantially consist of sensing the environmental cues surrounding the plant and responding to the stimuli. In this project we will focus on novel emerging phytohormones derived from strigolactone/butenolide-related biosynthesis pathways. These butenolides (strigolactones and karrikins) were shown to be involved in many physiological processes, including the forming of mycorrhizae, branching, aerial and root architecture, light responses and germination. The recent breakthroughs in butenolide research have revealed a very close parallel between strigolactone/karrikin signaling and gibberellin signalling. The fundamental analogy of these mechanisms (both have a centerpiece of an SCF - complex mediated targeted ubiquitination and protein degradation process) can provide a guide to explore the hidden pathways of karrikin signaling. In this project we would like to focus on two main issues. First, we intend to study what role the TMB, a structurally similar molecule to D-OH, the strigolactone hydrolysis byproduct, does plays in the modulation of butenolide signalling, Second, we will functionally characterize a novel α/β-hydrolase, DLK2, the paralog of D14 and KAI2 strigolactone and karrikin receptor, which presumably have a so far unknown function in the regulation of strigolactone/karrikin signaling.

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 obvious similarity of TMB and D–OH raises the question whether the two cues compete for the same binding site; if so, TMB could be used to hamper strigolactone signaling. The fact that the poor germination phenotype of kai2 (a mutant with dysfunctional KAI2 karrikin receptor) can be rescued with exogenous TMB opens the door to speculate that KAI2 might functions in SL signaling and its substrate is the by-product of SL degradation. KAI2 could either be a hydrolase which transforms its substrate to a germination proactive form, or acts as a modulator which fine-tunes SL signaling. The structural similarity of D14, KAI2 and DLK2 paralogues suggests that only minor alterations in the primary structure might result in dramatic changes in specificity, hydrolytic activity and eventually, the outcome of the signaling. The third member of the family, DLK2 has no assigned role in butenolide signaling yet. The expression of DLK2 is boosting upon KAR1 exposition, implying that DLK2 might act in the metabolism of the endogenous KAI2 substrate, in case a negative feedback exist. To date, no seedling has been observed in dlk2 pilot studies; the mutants display normal germination, hypocotyl elongation and KAR1/SL responses. However, young dlk2 plants have longer primary roots suggesting that DLK2 might indeed involved in SL signaling.
Our purpose is to fill the gap in our knowledge on the molecular mode of action of these butenolides. This aim will be achieved by accomplishing detailed physiological and functionalisation tests, a transcriptome and protein-protein interaction survey, metabolization study and in vitro binding characterization of butenolide derivatives.

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.
Conducting a detailed and comprehensive investigation will definitely add a further dimension to the emerging picture on how butenolide signaling works and its imminent effect on various physiological processes. This proposed project will substantially extends our present knowledge on butenolide mode of action and will provide valuable insight into which aspects of their effect should be the focus of further studies. Results of this proposal carries not only the promise to discover a novel signaling shunt elicited by these butenolides, but – considering that these cues can affect plants life from germination to seed setting - the knowledge has a great potential in direct use in sustainable ecosystems, agriculture (especially in drought prone areas). Besides the obvious advantage of using these compounds as germination cues, they have the potential to induce stress response in crop seedlings by which higher survival rate and overall vigour can be achieved. They also have the potential to be used as a cost effective means for restoring degraded natural resources, including improving capacity for regeneration of fields in semi-arid areas. In field crops, forestry and plant nursery management, butenolides may be used to promote synchronous germination, seedling vigour and survival, to induce tillering and to influence plant stature. Results of this project may have great potential, not only for direct use in sustainable ecosystems, agriculture, and biodiversity reserve, but also for additional aspects of applied research, especially in breeding.

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.
Plants interaction with their environment substantially consist of sensing the environmental cues surrounding the plant and responding to the stimuli. In this project we will focus on novel emerging signal molecules bearing a common butenolide moiety. These butenolide compounds, strigolactones, karrikins, TMB and their derivatives can orchestrate the molecular processes lie behind, from stress responses to plant architecture, germination to seed setting, and therefore, have a huge impact on the sequence of events shaping a plants life. Our aim is to gain insight into the subtle events how these compounds work and to open the door for further research zoomed at the practical use of butenolides.

Final report

Results in Hungarian

A növények és környezetük kölcsönhatása alapvetően a környezet változóinak érzékeléséből és az erre adott élettani válaszból áll. Ennek a válasznak a finomhangolásában kulcsszerepe van a hormonoknak, melyek közül a legutóbb felfedezett csoport a strigolaktonok (SL). Ezek a karotenoid típusú molekulák főszerepet játszanak a mikorrhiza, a gyökérarchitektúra kialakításában, gátolják az elágazódást és befolyásolják a csírázást, valamint módosítják a fényválasz kialakítását. Növényekben a hagyományos SL útvonalhoz nagyban hasonlító jelátvitel ismert, melyet a SL receptor D14 fehérje paralógjai, a KAI2 és a DLK2 közvetítetenek. Ebben a projektben ez utóbbi, a DLK2 szerepével foglalkoztunk. Megmutattuk, hogy a DLK2 funkcionálisan elkülönül a DWARF14 család fehérjéitől. Nem vesz rész a SL jelátvitelben, viszont expressziója nagyban függ a KAI2-től és a fényviszonyoktól. Kölcsönhatást találtunk a DLK2 és az SMXL3,4,5 fehérjék között, mely utóbbiak szükségesek a floém kialakulásához, az asszimilátumok transzportjához és a stresszválasz kialakításához. Úgy gondoljuk, hogy a DLK2 egyfajta rejtett regulátora ezeknek a folyamatoknak, melyben az SMXL fehérjék funkcióját szabályozza, miáltal hatása van a gyökér fejlődés és az asszimilátumok elosztásának újraprogramozásában kedvezőtlen körülmények között. Eredményeink nemcsak egy újszerű jelátviteli nutat tártak fel, de felhasználhatók a nemesítésben is, ahol is a szárazság hatásainak kivédése, továbbá a termésmennyiség növelése a cél.

Results in English

Plants interaction with their environment substantially consist of sensing the environmental cues surrounding the plant and responding to the stimuli. This response is orchestrated and fine-tuned by plant hormones, of which the newly acknowledged ones are the strigolactones (SL). These carotenoid – derived molecules were shown to be involved in the forming of mycorrhizae, inhibit branching, regulate stature, root architecture, light responses and germination. In plants, two additional and highly similar signaling pathways exist, which are mediated by the members of the DWARF14 protein family, KAI2 and DLK2. In this project, we elucidated the function of DLK2 protein, a paralog of the D14 SL receptor. We demonstrated that DLK2 represents a divergent member of this family. It is not involved in SL signaling, however, its expression is highly modulated by KAI2 and light. We found an interaction between DLK2 and SMXL3,4,5 proteins, which are essential for phloem differentiation, assimilate redistribution and stress responses. We propose that DLK2 is a subtle regulator in these processes, where DLK2 controls the function of SMXL proteins and hence, might have an enormous effect in reprogramming root growth and sugar transport under unfavourable conditions. These results not only provide a new insight into this novel signaling mechanism, but the knowledge has a great potential in direct use in crop breeding projects, especially in drought mitigation and to improve crop yield.

Full text

https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=114567

Decision

Yes

List of publications

Végh A, Incze N, Fábián A, Heqiang Huo, Kent J Bradford, Balázs E, Soós V: Comprehensive Analysis of DWARF14-LIKE2 (DLK2) Reveals Its Functional Divergence from Strigolactone-Related Paralogs, FRONT PLANT SCI 8: , 2017

Gondor OK, Janda T, Soos V, Pal M, Majlath I, Adak MK, Balazs E, Szalai G: Salicylic Acid Induction of Flavonoid Biosynthesis Pathways in Wheat Varies by Treatment, FRONT PLANT SCI 7: , 2016

Soós V, Badics E, Incze N, Balázs E: Fire-Borne Life: A Brief Review of Smoke-Induced Germination, Natural Product Communications 14:9, 2019

J Koetle, P Baskaran, J F Finnie a, Soos V, Balazs E., J VanStaden: Optimization of transient GUS expression of Agrobacterium- mediated transformation in Dierama erectum Hilliard using sonication and Agrobacterium, S AFR J BOT 111: 307-312, 2017

M Pošta, V Soós, P Beier: Design of photoaffinity labeling probes derived from 3, 4, 5-trimethylfuran-2 (5H)-one for mode of action elucidation, Tetrahedron, 2016

Végh A , Incze N , Fábián A , Heqiang Huo , Kent J Bradford , Balázs E , Soós V: Comprehensive Analysis of DWARF14-LIKE2 (DLK2) Reveals Its Functional Divergence from Strigolactone-Related Paralogs, Frontiers in Plant Science 8: 1641., 2017

M Pošta, V Soós, P Beier: Synthesis of a 13C-labelled seed-germination inhibitor (3,4,5-trimethylfuran-2(5H)-one) for the mode of action elucidation, Monatshefte für Chemie - Chemical Monthly, 2018

Gondor OK, Janda T, Soos V, Pal M, Majlath I, Adak MK, Balazs E, Szalai G: Salicylic Acid Induction of Flavonoid Biosynthesis Pathways in Wheat Varies by Treatment, FRONT PLANT SCI 7: , 2016

Gondor OK, Janda T, Soos V, Pal M, Majlath I, Adak MK, Balazs E, Szalai G: Salicylic Acid Induction of Flavonoid Biosynthesis Pathways in Wheat Varies by Treatment, FRONTIERS IN PLANT SCIENCE 7: p. 1447., 2016

Gondor OK, Janda T, Soos V, Pal M, Majlath I, Adak MK, Balazs E, Szalai G: Salicylic Acid Induction of Flavonoid Biosynthesis Pathways in Wheat Varies by Treatment, FRONT PLANT SCI 7: , 2016

Events of the project

2022-01-10 11:05:55

Kutatóhely váltás

A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Alkalmazott Genomikai Osztály (Agrártudományi Kutatóközpont), Új kutatóhely: Mezőgazdasági Intézet (Agrártudományi Kutatóközpont).

2019-07-17 16:48:43

Résztvevők változása

2018-06-05 15:30:04

Résztvevők változása

Back »