 |
The role of long non-coding RNAs during heat-stress response in plants
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
115934 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Csorba, Tibor Levente |
| Title in Hungarian |
Hosszú nem-kódoló RNS-ek szerepe a hőmérsékleti stressz válasz szabályozásában növényekben |
| Title in English |
The role of long non-coding RNAs during heat-stress response in plants |
| Keywords in Hungarian |
hőmérsékleti stressz válasz, hosszú nem-kodoló RNS, Arabidopsis thaliana, Brassica napus |
| Keywords in English |
heat stress response, long non-coding RNA, Arabidopsis thaliana, Brassica napus |
| Discipline |
| Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences) | 60 % | | Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Epigenetics and gene regulation (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology |
| Department or equivalent |
Agricultural Biotechnology Institute (ABC) (National Agricultural Research and Innovation Centre) |
| Participants |
Szaker, Henrik Mihály
Szaker, Henrik Mihály
|
| Starting date |
2016-01-01 |
| Closing date |
2020-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
43.328 |
| FTE (full time equivalent) |
5.90 |
| 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 hőmérsékleti stressz az egyik legfőbb károsító abiotikus tényező, amely negatívan befolyásolja a mezőgazdaságilag fontos növények termelékenységét világszerte. A magas hőmérsékletnek kitett szervezetekben aktiválódnak az úgynevezett hősokk (HS) válaszok. A HS-válaszok során egy sor olyan biokémiai és fiziológiai változás lép fel, amely mérsékli a HS negatív hatásait és ezáltal elősegíti a túlélést. Allatokban és növényekben is kimutatták, hogy a fehérjét nem kódoló gének avagy hosszú nem-kódoló RNS-ek (long non-coding RNA, lncRNS) fontos szerepet játszanak a különböző stresszválaszok szabályozásában. Állati rendszerekben leírtak olyan lncRNS-eket amelyek kulcsfontosságúak a HS válaszban és a hő-tolerancia kialakításában. Annak ellenére, hogy számos lncRNS-t azonosítottak, a funkcionálisan jellemzett lncRNS-ek száma elenyésző. A növényi lncRNS-ek szerepe a HS-válaszban egyáltalán nem ismert vagy vizsgált. Munkánkban szeretnénk azonosítani HS-válaszban szerepet játszó növényi lncRNS-eket, igazolni biológiai jelentőségüket és megvizsgálni működésük molekuláris mechanizmusait Arabidopsis modelben és a gazdaságilag fontos közeli rokonában, a repcében (Brassica napus). Úgy gondoljuk eredményeink alkalmazhatóak lehetnek hő-toleráns haszonnövények nemesítésében mely elengedhetetlenül fontos a globális felmelegedést és növekvő népesedést tekintve. Mindemellett, a lncRNS-ek számos egyéb fontos génszabályozó útvonalban is résztvesznek, beleértve a fejlődésbiológiai folyamatokat vagy különböző betegségek kialakulását. Meggyőződésünk, hogy az általunk szerzett adatok hozzájárulhatnak a lncRNS-ek alaposabb megismeréséhez, ami fontos lehet egyéb, eukarióta rendszerek megértésében.
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.
Számos megfigyelés és az előzetes eredmény sugallja azt, hogy a hosszú nem-kódoló RNS-ek (lncRNS) résztvesznek a magas hőmérsékleti stressz (HS) válasz szabályozásában és a hőtolerancia kialakításában növényi szervezetekben: (1) a hőstressz válasz egy erősen konzervált folyamat minden eukariótában, (2) számos olyan állati lncRNS ismert, amely kulcsfontosságú szabályozó tényező a HS során, (3) számos növényi hő-indukált fehérje kódoló génlokusz egyben átfedő hosszú nem-kódoló RNS-t is kódol, (4 ) az előzetes eredmények azt mutatják, hogy számos növényi (Arabidopsis, búza, rizs) lncRNS hőre indukálódik. Ezeknek a megfigyeléseknek és eredményeknek az alapján hipotézisünk, hogy a lncRNAs fontos komponensei a HS-válasznak. A jelen pályázatban bizonyítani szeretnénk az lncRNS-ek szerepét hőstressz során és vizsgálni azokat a molekuláris mechanizmusokat, melyek ennek hátterében állnak. A projekt konkrét céljai (a) a hőstressz hatására fellépő lncRNS- transcriptome profil változások megismerése és kiértékelése illetve 3 kiválasztott lncRNS biológiai jelentőségének igazolása Arabidopsis modelben a HS-válasz során, (b) hőstresszben szerepet játszó 1 kiválasztott Arabidopsis lncRNS biokémiai hatásmechanizmusának tanulmányozása, kölcsönható fehérje-, RNS partnerek azonosítása illetve azoknak a kromatin régióknak, lokuszoknak az azonosítása, amelyen a lncRNS epigenetikai vagy transzkripcionális szabályozó funkcióval bírhat és (c) lncRNS- transcriptome profil változások elemzése, kiválasztott lncRNSek konzerváltságának és biológiai jelentőségének vizsgálata a gazdaságilag fontos repcében (Brassica napus).
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!
Az emberi tevékenység, iparosodás és közlekedés által megnövekedett a Föld légkörében az üvegházhatást okozó gázok mennyisége, amely emelkedő átlaghõmérsékletet okoz. A magas hőmérséklet károsan befolyásolja a mezőgazdaságilag fontos növények terméshozamát, valamint negatív hatással van a különböző ökoszisztémákra is. A magas hőmérséklet által kiváltott stresszválaszok és a termotolerancia folyamatainak megismerése éppen ezért rendkívüli fontossággal bír. Számos megfigyelés és előzetes eremény utal arra, hogy a fehérjét nem kodoló avagy hosszú nem-kodoló RNSek (long non-coding RNA, lncRNS) fontos szerepet játszanak a hőstressz válasz kialakításában. Munkánk során szeretnénk megvizsgálni Arabidopsis thaliana model növényben a lncRNS-ome változásokat és igazolni, hogy lncRNS-eknek fontos biológiai funkciója van a termotolerancia kialakításában. Mivel a HS-válasz rendkívül konzervált, az lncRNSek konzerváltságát szeretnénk ellenőrizni a közeli rokon és gazdaságilag is fontos repcében (Brassica napus). Eredményeink hozzájárulhatnak hőtoleráns haszonnövények nemesítéséhez, amely kiemelt jelentőséggel bírhat a közeljövőben. Emellett hozzájárulnak állati szervezetekben zajló hősokk-válaszok jobb megértéséhez is.
A magas áteresztőképességű mély-szekvenálási technológiák gyors fejlődésének köszönhetően, ma már ismert, hogy az eukarióta genom majdnem teljes egészében (legalább 85%-a) transzkripcionálisan aktív. Meglepő módon az emlős genom elenyészően kis része (1-2%) képes fehérjéket kódolni. Hasonlóképpen, az Arabidopsis thaliana model növény esetében, a genom kevesebb mint fele kódol fehérjét. Mindez arra utal, hogy az átíródott nagy mennyiségű fehérjét nem kodoló transcriptome nagymértékben járul hozzá a magasabb eukarióták komplexitásának kialakításához. Valóban, a lncRNS-ek számos fontos biológiai folyamatban vesznek részt, mint például fejlődésbiológiai folyamatok, epigenetikai szabályozás vagy kbző betegségek kialakulása. Az lncRNSek kutatása tehát kiemelt fontossággal bír. Eredményeink az lncRNS-ek hőstresszben betöltött szerepük megismerésén túl hozzájárulhatnak az nem-kodoló RNS-ek általi génszabályozási mechanizmusok jobb megértéséhez, és más folyamatokban szerepet játszó lncRNS-ek tanulmányozásához.
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.
Több tanulmány előrejelzése alapján az évszázad végére az átlaghőmérséklet 1,6-2,5 fok közötti mértékben emelkedhet a Földön. Az emelkedett hõmérséklet hõstresszt okoz a növényekben, lassú növekedést, csökkent termékenységet, vagy akár sterilitást. A magas átlaghőmérséklet hátrányosan befolyásolhatja a mezőgazdasági haszonnövények terméshozamát. A növényekben zajló hőstressz (HS) válaszok alapos megismerése elengedhetetlenül fontos olyan fajták előállításához amelyeknek magasabb a termo-toleranciájuk. Ezek alkalmazásával a mezőgazdasági termelés jobban lépést tud tartani majd a növekvő népesség élelmiszerigényeivel. Számos megfigyelés és az előzetes eredmény utal arra, hogy a nem fehérjét kódoló gének avagy a hosszú nem-kódoló RNS-ek (long non-coding RNA, lncRNS) fontos szereplői a HS-válasznak és a termotolerancia kialakításának. Bár állati szervezetekben már bizonyított, növényekben még nem vizsgált és egyáltalán nem ismert az lncRNS-ek részvétele a HS-válaszban. Munkánk során a legismertebb növényi modelben (Arabidopsis) és a gazdaságilag fontos repcében (Brassica napus) szeretnénk tanulmányozni lncRNSek szerepét hőstresszben és azonosítani azokat a molekuláris partnereket, amelyekkel ezek kölcsönhatásba lépnek. Az lncRNS-ek vizsgálata és hatásmechanizmusuk megértése önmagában is fontos kihívás. Ma már ismert, hogy a nemkodoló RNS gének fontos szabályozó funkciókat látnak el fejlődésbiológiai folyamatokban, epigenetikai szabályozás és felelősek bizonyos betegségek (pl. rák) kialakulásáért. Munkánk hozzájárulhat a nem-kodoló RNS-ek általi génszabályozási mechanizmusok jobb megértéséhez és elősegítheti más RNS-ek által szabályozott génhálozatok működésének megértését.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Temperature stress is considered to be one of the major stresses on crops that adversely affects the distribution and productivity of agriculturally important plants worldwide. Cells exposed to high temperatures activate heat shock responses (HSR) which consists of a series of dramatic biochemical and physiological changes that results in a reprioritization of cell physiology to support survival. Non-protein coding genes (long non-coding RNAs, lncRNAs) were shown to be key players involved in different stress responses both in animals and plants. In animal systems lncRNAs were specifically involved in regulation of different aspects of HSR. In spite of many lncRNAs being identified only a few lncRNAs are functionally characterized, and their involvement in HSR is not studied at all. In the present programme we propose to understand the roles of lncRNAs in HSR in Arabidopsis thaliana plants and its close relative Brassica napus. We hope that our findings in Arabidopsis model and the agriculturally important crop Brassica napus will contribute to the development of heat-tolerant plants that may have an immense significance in the light of global warming and climate change. Furthermore, we want to make the first steps towards the understanding of the mechanistic mode of lncRNA activity. lncRNAs were involved in many biological processes including development, stress responses and cancer at multiple levels (epigenetic, transcriptional and post-transcriptional). We believe that our findings can extend significantly the knowledge on lncRNA functions in general, which may be relevant in all eukaryots.
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.
There are a number of observations and preliminary result that strongly suggests that long noncoding RNAs (lncRNAs) are involved in heat-stress (HS) response in plants: (1) the heat-stress response is a highly conserved genetic network in all eukaryotes, (2) lncRNAs are demonstrated to have roles in different aspects during heat-stress in animals, (3) many Arabidopsis HS-responsive genes express long non-coding RNAs as natural antisense transcripts in cis, (4) preliminary results show that many lncRNAs are heat-responsive in plants (Arabidopsis and wheat). Based on these observations and preliminary results our hypothesis is that lncRNAs are key players in HS-response gene regulation network. In the present programme we propose to demonstrate lncRNAs role during HS and to understand the mechanistic mode of their action. The specific aims of our project are (a) to investigate lncRNAs transcriptome profile changes during heat stress and to confirm the biological importance of 3 selected lncRNA in HS-response in Arabidopsis thaliana model, (b) to characterize the 3 selected lncRNAs important in HS-response and study/define the precise biochemical mode of action of 1 unic lncRNA important in HS through identification of its interacting protein and/or RNA partners and/or genomic location where it may be located to fulfill regulatory functions in A. thaliana, and (c) investigate lncRNAs transcriptome profile changes during heat stress and to confirm the biological importance of 3 selected lncRNA in HS-response in agriculturally important crop plant Brassica napus.
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 world's climate is being changed due to human activities inadvertently leading to increasing emissions of greenhouse gases, rising of average temperature, changed patterns of rainfall. These change have important implications for nearly every aspect of life and ecosystems on Earth. Besides the ecological impact the climate change negatively affects the yield of agriculturally important crops all over the globe.
Our hypothesis is that lncRNAs are important coordinators of HS-responsive gene network. In the proposed research we plan to understand the lncRNAome changes during HS and we assume to be able to prove the biological importance of lncRNAs in regulation of these changes both in the most known plant model Arabidopsis thaliana and its close relative, the agriculturally important crop Brassica napus. We believe, that our findings can extend the knowledge on heat-stress reponses and thermo-tolerance in general and will contribute to the development of heat tolerant plants that is of immense significance in the near future.
With the rapid development of high-throughput sequencing technologies such as deep sequencing and whole genome high-density tiling array it is now known that most of the eukaryotic genome is transcribed. Surprisingly only a minor part of the mammalian genome encodes proteins. Similarly, in the model plant Arabidopsis thaliana, less than 50% of its genome is capable of coding proteins. This suggests that lncRNAs contribute enormously the complexity of higher eukaryots. The study of lncRNAs is therefore extremely important for the better understanding of genome organization, function and coordination in higher eukaryots. We believe that our study will contribute to the better understanding of gene networks regulation by lncRNAs, which will be a paradigm for other lncRNAs.
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.
Owing to climate change the average temperature of the Earth is rising continuously. The changes in ambient temperature alters the patterns of rainfall, droughts, salt concentration of soil causing diverse stresses on plants. This has negativ effects both ecologically by resulting in a change of plant communities’, and economically by negatively affecting the yield of agriculturally important crops.
To be able to develop thermotolerant plants, we need to better understand the array of modulations under heat stress response (HSR). Many observation and preliminary result suggests that non-protein coding genes (long non-coding RNAs, lncRNAs) are important player in HSR. In the present proposal we want to study the role of lncRNAs during HSR in the Arabidopsis thaliana model plant and extend our finding on agriculturally important crop Brassica napus. We hope that our results will contribute to the development of thermo-tolerant plants that are very important in securing food in the foreseeable future to meet the demands of a rising population.
Beside this aspect the study of lncRNAs itself is very important and presently a “hot spot” of biological research. With the rapid development of high-throughput sequencing technologies it became clear that the lncRNAs contribute enormously to higher eukaryots’ complexity. lncRNAs were involved in many aspects of biology like developmental processes, stress responses or cancer. The roles of lncRNAs are just starting to be unravelled. We believe that we can extend the knowledge on lncRNA functions in gene regulation in general and that our findings will be relevant in the study of other complex organisms.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
