Speciális fejlődési út az Araceae család növényei esetén
Title in English
A special developmental way in the plant family Araceae
Keywords in Hungarian
Araceae, kontyvirágfélék, fejlődésbiológia, torzsavirágzat, in vitro szaporítás
Keywords in English
Araceae, aroids, developmental biology, spadix, in vitro propagation
Discipline
Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences)
50 %
Community ecology, systems ecology, ecosystem services (Council of Complex Environmental Sciences)
25 %
Ortelius classification: Gardening
Horticulture (Council of Complex Environmental Sciences)
25 %
Panel
Plant and animal breeding
Department or equivalent
Department of Floriculture and Dendrology (Hungarian University of Agriculture and Life Sciences)
Starting date
2015-09-01
Closing date
2020-12-31
Funding (in million HUF)
8.052
FTE (full time equivalent)
3.58
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az Araceae növénycsaládba tartozó vitorlavirág (Spathiphyllum) taxonok esetén korábbi vizsgálataink során megfigyeltünk egy speciális fejlődési utat in vitro környezetben. A családra jellemző torzsavirágzaton rügyszerű képződmények is kialakulnak néhány esetben, melyek in vivo nem, de in vitro környezetben növényi növekedésszabályozókkal kezelve továbbfejlődhetnek és vegetatív hajtásregenerációt lehet elérni belőlük. Ezek a képződmények in vitro környezetben is indukálhatók a virágtorzsákról és a belőlük történő hajtásregeneráció előtt sokszorosítani lehet őket mikroszaporítási eljárások segítségével. Az elérhető szaporulat mennyisége és a rügyképződmény morfológiai tulajdonságai miatt különösen alkalmas nagyléptékű, bioreaktoros tenyésztési formákra is, mely a jelenleg alkalmazott vitorlavirág mikroszaporítási eljárásokhoz képest egy fejlettebb és költséghatékonyabb technológia lehet. E potenciális technológiát, gyakorlatban történő alkalmazását empirikus megközelítéssel elkezdtük kidolgozni, de az alapul szolgáló rügyszerű képződmények morfológiai, fejlődésbiológiai hátteréről rendkívül kevés ismerettel rendelkezünk. Az Araceae család más fajai esetében is érdemes lenne megvizsgálni ezen képződmények kialakíthatóságának lehetőségeit és feltárni azok fejlődésbiológiájának alapjait. Ezen ismeretek birtokában képet alkothatunk az Araceae növénycsaládra jellemző, eddig nem ismert fejlődési mechanizmusról. Ennek gyakorlati jelentősége is igen nagy, hiszen az Araceae családba tartozik a legtöbb levéldísznövény valamint trópusi haszonnövények is és a fent említett szaporítóanyagelőállítási módszer további optimalizálását lehet elvégezni ezen új ismeretekre alapozva.
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 kutatás során elsősorban arra keressük a válaszokat, hogy milyen fejlődési folyamatok, biokémiai változások zajlanak le ezeknek a rügyszerű képződményeknek a kialakulása, fejlődése és hajtássá történő regenerációja során a növényben. Melyek azok a fizikai és kémiai tényezők, melyekkel ezt a fejlődési formát még nagyobb arányban lehet indukálni, sokszorosítani és hajtássá regenerálni? A rügyszerű képződmények morfológiai vizsgálatával pedig azok kialakulásának pontos helyét és módját, fejlődési jellegét lehet tisztázni. Megválaszolandó kérdés továbbá, hogy az Araceae családon belül a Spathiphyllum taxonokon kívül mely másik, gazdaságilag jelentős fajokon létezik és alkalmazható ez a fejlődési út.
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 szóban forgó fejlődési út kialakulásának és lezajlásának vizsgálata során kiderül, hogy milyen környezeti hatásokra következik be ez a folyamat, mi az a tényező, ami természetes körülmények között gátat szab a rügyszerű képződmények továbbfejlődésének, és miben tér el ettől a mesterséges környezet, ahol sikerült már ezekből a képződményekből teljes növényeket regenerálnunk. Kiderülhet, hogy mi volt, vagy jelenleg mi az evolúciós jelentősége ennek a jelenségnek, tekintve, hogy természetes körülmények között nem zajlik le teljesen. A kutatás segít kideríteni azt is, hogy ez a jelenség csak a Spathiphyllum taxonokra jellemző, vagy akár az Araceae család többi tagjánál is előfordul? Ez utóbbi esetben egy genetikailag általánosabb, mélyebb eredetű, akár taxonómiailag meghatározó mechanizmusról lehet szó. A kutatásnak gyakorlati szempontból közvetlenül is felhasználható eredményei vannak, hiszen az erre épülő szaporítástechnológiát, - melynek kidolgozását már elkezdtük, - tovább lehet optimalizálni. Ennek a fejlődési formának a felhasználásával génbanki tároláshoz is hatékony módszert lehet kifejleszteni.
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 kontyvirágfélék növénycsaládjába nagyon sok gazdaságilag jelentős növény tartozik, melyek egyikénél, a dísznövényként alkalmazott vitorlavirágnál egy speciális fejlődési utat fedeztünk fel. Ez a fejlődési út vagy forma a virágtorzsákon alakul ki és rügyszerű képletekből áll, mesterséges környezetben felhasználható a vitorlavirágok gyors és fajtaazonos szaporítására, mely a jelenleg elterjedt biotechnológiai eljárásokkal végzett szaporítási módszernél is jobb eredményeket ígér. A jelenség gyakorlati alkalmazhatósága adja magát, de a jelenség fejlődésbiológiai, élettani hátteréről nem rendelkezünk információkkal. A kutatás fő célkitűzése ennek a fejlődési útnak a szövettani és biokémiai hátterének felderítése. Ennek tisztázása segíthet megérteni azt, hogy milyen evolúciós jelentősége volt vagy van ennek a jelenségnek, tekintve, hogy természetes körülmények között a növény nem használja ezt az utat a szaporodásra. Vajon előfordul-e a kontyvirágfélék családba tartozó más növényeknél is? A jelenség élettani hátterének tisztázása járulékosan segítheti az erre épülő szaporítástechnológia továbbfejlesztését is, valamint a génbanki tároláshoz is új módszert szolgáltathat.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. We have observed a special developmental way in Spathiphyllum taxa (Araceae) under in vitro environment during our previous research work: the inflorescence (spadix) typical to the family Araceae can develop bud like structures (GGb) on its own in vivo or in vitro using growth regulator treatments. These GGb structures are capable of vegetative shoot regeneration during in vitro environment if treated with plant growth regulators. Before shoot regeneration occurs the bud like structure can be multiplied using micropropagation techniques. The amount of propagation material achieved through this manner and the morphological properties of these structures make them suitable for use in bioreactor systems, which could be a more cost-efficient technology than the currently applied ones. We started to work out this technology with an empirical approach but there is very little knowledge available about the developmental biology, morphology and biochemical background of these structures. It would be worthwhile to examine the inducibility of these structures by other Araceaean taxa and to find out the bases of their developmental biology. In possession with this knowledge a bigger picture could be made about a developmental mechanism which has been unknown so far in Araceaean plant. This has a big impact on practice since most of the ornamental foliage plants are coming from the Araceae family and the knowledge earned from this research can be directly applied in the above mentioned propagation technology.
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 research may answer the question of the development processes and biochemical background of these bud like structures during their formation, development and their regeneration to shoots. What are the physical and chemical factors that enhances the formation, multiplication and regeneration of these structures? The histological examinations of these bud like structures and inflorescences will reveal the exact location and method of their formation. Another question to be answered is the occurrence and inducibility of these bud like structures by other Araceaean genera beside Spathiphyllum.
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. Through the examination of the induction and progress of this special developmental way will show what kind of environmental factors are involved, what is the cause of the inhibition of further development by naturally occuring GGb structures, and why an artificial environment is required for this purpose, where we already succeded to regenerate whole plants from these GGb structures. The research will find out what was or what is currently the evolutional advantage of these structures, since these structures occurs naturally as well, but without any use for the plant itself. The research will also clarify whether this phenomenon is exclusive to Spathiphyllum taxa or it is typical to other Araceaean plant as well. If this is the case then we are facing a genetically more general attribute which may have taxonomical significance too. The research has a direct impact on practice since the mass propagation technology based on these GGb structures – what we have already started to develop – could be optimised further. Using these structures new techniques for long-term gene bank storage can be also developed.
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. There are lots of economically significant plant belonging to the Araceae plant family. We have discovered a special developmental way by one of these Araceaean species, namely the peace lily (Spathiphyllum hybrid), which is extensively used as an ornamental plant. This special developmental way consist of a special organ form developing on the inflorescences of peace lily and can be described as a bud like structure. This structure can be used for mass multiplication purposes resulting true-to-type plantlets under artificial environment and this promises better results than the currently used biotechnological propagation methods. The practical applicability of this developmental way is obvious, but the development biological and physiological background of this structure is still unknown. The research aims to enlighten the physiological and biochemical background of this developmental form. This could help to understand the evolutional purpose of this structure since it also occurs naturally but the plants do not use it for multiplication. The research will find out whether this structure is also occuring by other Araceaen species. Clarifying the physiological background could help the development of a propapagation technology based upon this developmental form and also could provide usable knowledge for developing long-term gene bank strorage techniques.
Final report
Results in Hungarian
A kutatás során a kontyvirágfélék családjában 7 nemzetség 16 taxonja esetében vizsgáltam a virágzaton vegetatív rügyképletek megjelenését, amelyeket korábban egy vitorlavirág fajtán figyeltem meg. A vitorlavirág nemzetségén kívüli taxonoknál nem sikerült a képződményt megfigyelni, de újabb vitorlavirág fajtákon igen, így ez a jelenség a vitorlavirágok körében lehet jellemző. Az elvégzett szövettani vizsgálatok szerint ezek a képletek törpe szártagú hajtáskezdeményeknek, rügyeknek tekinthetők és a torzsavirágzat tengelyén alakulnak ki. A virágzatról leválasztva in vitro környezetben, mind szilárd, mind folyékony táptalajon életben tarthatók és szaporíthatók. Az enzimológiai vizsgálatok szerint a hajtásregenerációt megelőzően a rügyképletekben mérhető oxidatív állapot szintje egy nagyságrenddel nagyobb, mint a vegetatív hajtásokban mérhető, és ez a szint a növény virágzataiban mérhető szintnek felel meg, amelyet a generatív állapot eltérő endogén növekedésszabályozókörnyezete hozhat létre és ez tartósan fennmarad a rügyképletekben a hajtássá alakulásig. A gibberellinbioszintézisgátló anyagok megváltoztatják ezt az állapotot, és elősegítik a rügyképletek hajtássá alakulását. Bizonyítást nyert, hogy ezek a rügyképletek alkalmasak szaporítóanyagként való alkalmazásra, belőlük teljes értékű hajtásokat lehet előállítani és felnevelni, az erre alapozott módszer potenciálisan a Spathiphyllum hibridek új és hatékony in vitro szaporítóanyagelőállítási technikájává válhat a jövőben.
Results in English
During the research, I examined the appearance of a vegetative bud formulation on the inflorescences of 16 taxa of 7 genera in the family of Araceae. Previously this formulations was observed only on a peace lily variety. No formation was observed in taxa outside the genus of peace lily, but it was found in other varieties of Spathiphyllum as well, so this phenomenon may be characteristic of this genus. According to the histological examinations performed, these formulas can be considered as dwarf-stemmed shoot initiations, buds and they develop directly on the axis of the inflorescence stem. They can be kept alive and propagated in vitro in both solid and liquid media, separated from the inflorescence. According to enzymological studies, the level of oxidative state measured in bud formulas is larger than that of in the vegetative shoots, and this value corresponds to the level measurable in the inflorescences of the plant, which may be created by the different endogenous growth regulatory environment of the generative state and lasts in the bud formulations until shoot development. Gibberellin biosynthesis inhibitors alter this condition and promote the transformation of bud formulas into shoots. These bud formulas have been shown to be suitable for use as propagating material, from which complete shoots can be produced and grown, and a method based on this could potentially become a new and efficient in vitro propagation technology for Spathiphyllum hybrids.
Mosonyi István Dániel, Tillyné Mándy Andrea, Honfi Péter: Bud clusters of Spathiphyllum cultivars: a novel way to propagate peace lilies in vitro, Acta Scientiarum Polonorum Hortorum Cultus (közlésre elküldve), 2021
Mosonyi István Dániel, Tillyné Mándy Andrea, Honfi Péter: A titán-aszkorbát hatása in vitro nevelt Spathiphyllum ’Cupido Compacto’ akklimatizálása során, Kertgazdaság (közlésre elküldve), 2021
