 |
Molecular biological analysis of the effect of TaCBF14 and TaCBF15 transcription factors in transgenic barley and wheat lines
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
116564 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Soltész, Alexandra |
| Title in Hungarian |
A TaCBF14 és TaCBF15 transzkripciós faktorok hatásának molekuláris biológiai vizsgálata transzgénikus árpa- és búzavonalakban |
| Title in English |
Molecular biological analysis of the effect of TaCBF14 and TaCBF15 transcription factors in transgenic barley and wheat lines |
| Keywords in Hungarian |
CBF, transzkripciós faktor, búza, árpa, fagytűrés, transzkriptom analízis, hormonális vizsgálat |
| Keywords in English |
CBF, transcription factor, wheat, barley, frost tolerance, transcriptome analysis, hormonal examination |
| Discipline |
| Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences) | 50 % | | Plant breeding (Council of Complex Environmental Sciences) | 50 % |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research) |
| Starting date |
2016-02-01 |
| Closing date |
2021-05-31 |
| Funding (in million HUF) |
8.976 |
| FTE (full time equivalent) |
2.34 |
| 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 termesztett őszi gabonafélék nemesítésének egyik fő szempontja a télállóság fokozása. Ezért alapvető fontosságú azoknak a szabályozó géneknek a vizsgálata, amelyek a hideg-akklimációs folyamatokban részt vesznek. Az alacsony-hőmérsékleti stressz esetében a legrészletesebben a CBF transzkripciós faktorok szerepét tanulmányozták. Két olyan CBF gént azonosítottak búzában, nevezetesen a CBF14 és CBF15 géneket, amelyeknek kiemelkedő szerepük van a fagytűrés kialakításában. Hogy direkt módon bizonyítsuk ezeknek a géneknek a funkcióját, őszi búzából izoláltuk majd tavaszi árpában, illetve tavaszi búzában túltermeltettük őket. A transzgénikus növényeknek a vad típushoz képest megnövekedett a fagytűrésük, emellett fejlődésbeli visszamaradottságot mutatnak, magasabb bennük egy katabolikus gibberellint kódoló gén expressziója, és később virágoznak. Kutatásunk fő célja a CBF14-, és CBF15-indukált géneknek az azonosítása és jellemzése. RNS szekvenáláson alapuló transzkriptom analízissel kívánjuk meghatározni a célgéneket, és azok expressziós szintjét a CBF-túltermelő transzgénikus árpavonalakban. Vizsgálataink új, eddig nem ismert CBF-függő jelátviteli utakat is feltárhatnak. Eredményeinket a transzgénikus árpa-, és búzavonalak bevonásával kvantitatív RT-PCR módszerrel, illetve a célgének funkciójára irányuló további részletes vizsgálatokkal is validálni fogjuk. Mindemellett széleskörű hormonvizsgálatokkal kívánjuk tisztázni a CBF-ek és a hormonok - különös tekintettel a gibberellinekre - közötti lehetséges kapcsolatokat.
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.
Kutatásaink a TaCBF14 és TaCBF15 transzkripciós faktorok által okozott transzkripcionális és hormonális szintű változások vizsgálatára fókuszálnak a gazdaságilag is fontos gabonafélékben, búzában és árpában. E két transzkripciós faktornak a hideg-akklimációs folyamatokban és a fagytűrés kialakításában betöltött kiemelkedő szerepét az elmúlt években már bizonyítottuk. A tervezett pályázat célja feltárni és megérteni az ezen folyamatok mögött rejlő mechanizmusokat molekuláris szinten is. A kutatásunk célja tehát felderíteni, hogy mely gének működését szabályozza a fent említett két CBF transzkripciós faktor, azaz hogy mely gének tartoznak az adott CBF regulonhoz; továbbá kideríteni, hogy van-e különbség vagy átfedés a CBF14 és CBF15 regulon között.
A transzkriptom elemzés eredménye új, eddig nem ismert CBF-függő jelátviteli folyamatok felfedezéséhez is vezethet. Ennek igazolása további élettani kísérleteket igényelhet.
Annak tisztázására, hogy, az előzetes eredményeink alapján feltételezve, valóban van-e kapcsolat a CBF transzkripciós faktorok és a hormonális szabályozás között, különös tekintettel a gibberellinekre, széleskörű hormonvizsgálatokat is fogunk végezni.
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 őszi vetésű gabonafélék több termést hoznak, mint a tavaszi vetésűek, ugyanakkor a tél folyamán át kell vészelniük a fagypont alatti hőmérsékleteket. Ezért a hideg-akklimációs folyamatoknak és a fagytűrés kialakulásának a vizsgálata nagyon fontos kutatási terület. A modern molekuláris módszereket is felhasználó agrárkutatások egyik alapvető célja azoknak a géneknek és génregulációs rendszereknek a felderítése, amelyek befolyásolják a gazdaságilag is jelentős gabonafélék, mint a búza és az árpa, stressztoleranciáját.
A transzkripciós faktorok a DNS megfelelő szakaszaihoz kötődve képesek bekapcsolni, erősíteni, vagy éppen gátolni az RNS átírást, a transzkripciót; ily módon képesek befolyásolni a célgének működését. Egy alkalmas transzkripciós faktorral történő transzformációval számos más, a recipiens növényben lévő gén működését befolyásolhatjuk, melynek mérhető hatása lehet a stresszadaptációban.
Két olyan CBF transzkripciós faktort azonosítottak búzában, nevezetesen a CBF14 és CBF15 géneket, amelyeknek kiemelkedő szerepük van a fagytűrés kialakításában. Az alacsony hőmérsékletre adott transzkripcionális változásokat már számos tanulmány vizsgálta, ugyanakkor egy túltermelt CBF gén hatását a transzkriptom mintázatra, a gazdaságilag fontos gabonafélék esetén, még nem tanulmányozták. A pályázat során a TaCBF14 és TaCBF15 transzkripciós faktorokat kódoló gének túltermeltetése okozta transzkriptom változásokat kívánjuk felderíteni transzgénikus árpában. A vizsgálatokat RNS szekvenálás módszerrel végezzük el, amely a következő generációs szekvenálási technikában rejlő lehetőségeket felhasználva mintegy „pillanatfelvételt” készít az adott időben jelenlévő RNS-ek minőségéről és mennyiségéről. Ily módon meghatározzuk a TaCBF14 és TaCBF15 direkt hatását a célgének expressziójára. A szekvenálás nyersadatait a GEO (Gene Expression Omnibus) adatbázisba töltjük fel, ahol azok elérhetőek lesznek a kutatók számára. Vizsgálataink új, eddig nem ismert CBF-függő jelátviteli utakat is feltárhatnak. Mindemellett széleskörű hormonvizsgálatokkal kívánjuk tisztázni a CBF-ek és a hormonok - különös tekintettel a gibberellinekre - közötti lehetséges kapcsolatokat.
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 modern molekuláris biológiai módszereket is használó agrárkutatások egyik alapvető célja azoknak a géneknek, illetve génregulációs rendszereknek a felderítése, amelyek befolyásolják a gazdaságilag fontos gabonafélék stressztűrését a - sok esetben hirtelen fellépő - környezeti (abiotikus) stresszekkel szemben. E kutatások intenzíven tanulmányozott területe az alacsony-hőmérsékleti stressztolerancia, a fagyállóság kialakulásának molekuláris szabályozása. A génműködés szabályozásában fontos szerepet játszanak a transzkripciós faktorok, melyek egy sor másik gén be-, vagy kikapcsolásával biztosítják a sejt-, és a növényszintű adaptációt. A hideg-, ill. fagytűrés kialakításában szerepet játszó transzkripciós faktorok közül az egyik legintenzívebben tanulmányozott a CBF géncsalád. Az Osztályunkon folyó korábbi kísérletek során kimutatták, hogy a búza fagytűrésének kialakításában két CBF transzkripciós faktor (a TaCBF14 és a TaCBF15) játszik kiemelkedő szerepet. Az ezeket kódoló géneket tavaszi árpában és tavaszi búzában túltermeltettük, így direkt módon, a transzgénikus növények megnövekedett fagytűrésével igazoltuk a TaCBF14 és TaCBF15 transzkripciós faktorok szerepét. Munkánk célja feltárni, hogy pontosan milyen génekre hatnak a vizsgált transzkripciós faktorok. Ezért a szelektált TaCBF transzgénikus árpavonalak kontroll és hideg-kezelt mintáin komplex gén-expressziós elemzést szeretnénk végezni, és ennek eredményéből következően a legérdekesebb célgének működését részletesen kívánjuk vizsgálni árpában és búzában is. A CBF-ek és a hormonális szabályozás közötti kapcsolat megértése céljából széleskörű hormonvizsgálatokat is fogunk végezni.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The enhancement of winter hardiness is one of the most important tasks facing breeders of winter cereals. For this reason, the examination of those regulatory genes that are involved in the cold acclimation processes is of central importance. In the case of low temperature stresses, the role of the CBF transcription factors have been analysed in the greatest detail. Two CBF genes, namely CBF14 and CBF15 have been detected with prominent roles in the development of frost tolerance of wheat. To prove their function directly, these genes were isolated from winter wheat and overexpressed in spring barley and spring wheat. The transgenic plants have improved freezing tolerance; however they exhibit retarded development with enhanced transcript level of a gibberellin catabolic gene and minor late flowering. The main aim of this project is the identification and characterization of CBF14- and CBF15-induced genes. Transcriptome analysis by RNA Sequencing method will determine the target genes and their expression level in the CBF-overexpressing transgenic barley lines. Monitoring of the transcriptome profiles may lead to the discovery of new CBF-dependent pathways. The function of these target genes will be validated by quantitative RT-PCR method using both the transgenic barley and wheat lines and by further studies in detail. Besides this, an extensive hormonal examination will clarify the possible linkage between CBF transcription factors and hormonal systems, especially gibberellins.
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.
Our proposed research focuses on the analysis of the transcriptional and hormonal changes caused by the TaCBF14 and TaCBF15 transcription factors. It has already been proved that these transcription factors have prominent role in the cold-acclimation processes and the development of frost tolerance in such economically important cereals like wheat and barley. The aim of the planned project is to reveal and understand the mechanisms of these processes at the molecular level. As so, the purpose of the proposed research is to identify which genes are under the control of the aforementioned two CBF transcription factors, which genes belong to the given CBF regulon. This analysis will also highlight the functional differences in the CBF14 and CBF15 regulon.
Monitoring of the transcriptome profiles might lead to the discovery of new CBF-dependent pathways as well, however the verification or proving of these results may require further physiological experiment(s).
To clarify the possible linkage between the CBF transcription factors and hormonal regulations, especially gibberellins, an extensive hormonal examination will also be performed.
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 autumn-sowing of cereals enhance yield relative to spring-sown ones; however autumn-sown cereals have to survive freezing temperatures throughout winter. Therefore the examination of cold acclimation processes and the development of frost tolerance in cereals is a very important research area. Agricultural researches are now using modern molecular biological methods to identify genes and gene regulation systems that influence the stress tolerance of economically significant cereals, such as wheat and barley.
By binding to certain DNA regions, transcription factors are able to induce or inhibit the transcription, in this way influencing the expression of their target genes. Transformation with an appropriate transcription factor influences the functioning of numerous genes which may lead to a measurable effect on the stress adaptation of recipient plant.
Two CBF transcription factors, namely CBF14 and CBF15 have been detected with prominent roles in the cold acclimation and in the development of frost tolerance of wheat. In the case of economically important cereals, transcriptional changes to low-temperature have been investigated in several studies; however the effect of an overexpressed CBF gene on the transcriptome pattern has not been studied yet. The transcriptome changes caused by the overexpression of wheat TaCBF14 and TaCBF15 genes in transgenic barley will be clarified in this project. Analysis will be performed by RNA Sequencing technology that uses the capabilities of next-generation sequencing to reveal a snapshot of RNA presence and quantity from a genome at a given moment in time. The raw data of the RNA Sequencing experiments will be deposited into GEO (Gene Expression Omnibus) to be available for scientist. Study of the transciptome pattern will determine the direct effect of TaCBF14 and TaCBF15 on the expression of the target genes. Monitoring of transcriptome profiles may lead to the discovery of new CBF-dependent pathways. Besides this, an extensive hormonal examination will clarify the possible linkage between CBF transcription factors and hormonal systems, especially the gibberellins.
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.
Agricultural scientists are now using modern molecular biological methods to identify genes or gene regulation systems that influence the tolerance of economically important cereals to environmental (abiotic) stress factors, which often occur extremely unpredictably. Frequently studied phenomena are the tolerance of low temperature stress and the molecular control of frost resistance. Transcription factors play a major role in regulating gene function, switching other genes on or off in order to ensure adaptation at the cellular and plant level. Among the transcription factors involved in the development of abiotic stress tolerance, the CBF gene family has been investigated in the greatest depth. It was proved in earlier experiments by our work-group that two CBF transcription factors (namely TaCBF14 and TaCBF15) have an outstanding role in the development of frost tolerance in wheat. The genes encoding these transcription factors were over-expressed in spring barley and spring wheat, accordingly the enhanced frost tolerance of the transgenic plants proved their role, directly. The aim of our work is to investigate which genes are under the control of the given CBF transcription factors. Hence the transcriptome of the control and cold-treated samples of the selected TaCBF transgenic barley lines will be analysed, than the function of the most interesting target genes will be examined in detail both in barley and wheat lines. To understand the correspondence between CBFs and hormonal regulation, our aim is to make extensive hormonal analysis too.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
