 |
Regulation of growth and development by light quantity- and quality-dependent redox changes at optimal and low temperature in wheat
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
117949 |
| Type |
ANN |
| Principal investigator |
Kocsy, Gábor |
| Title in Hungarian |
A növekedés és fejlődés fénymennyiség- és minőség-függő redox szabályozása optimális és alacsony hőmérsékleten búzában |
| Title in English |
Regulation of growth and development by light quantity- and quality-dependent redox changes at optimal and low temperature in wheat |
| Keywords in Hungarian |
aszkorbinsav, fotoszintézis, génkifejeződés, glutation, poliamin, szabad aminosav |
| Keywords in English |
ascorbate, , free amino acid, gene expression, glutathione, photosynthesis, polyamine |
| Discipline |
| Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Secondary metabolites (Plant physiology) |
|
| Panel |
Agriculture, Environment, Ecology, Earth Sciences committee chairs |
| Department or equivalent |
Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research) |
| Participants |
Balogh, Eszter
Boldizsár, Ákos
Darkó, Éva
Gulyás, Zsolt
Jäger, Katalin
Simonné dr. Sarkadi, Livia
Toldi, Dávid Zoltán
|
| Starting date |
2016-09-01 |
| Closing date |
2020-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
30.534 |
| FTE (full time equivalent) |
9.73 |
| 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 pályázat célja a fény mennyiségének és minőségének az anyagcsere- és jelátviteli utakra kifejtett hatásának a tanulmányozása búzában. E célból vizsgáljuk a fény-indukált redox változások fotoszintézisre, transzkriptum- és a metabolitszintekre kifejtett hatását mind optimális, mind alacsony hőmérsékleten, mivel a hőmérséklet nagy mértékben befolyásolja a fotoszintetikus elektrontranszportot és a redox-függő folyamatokat. Két fontos antioxidáns, az aszkorbát és a glutation koncentrációját és redox állapotát (szerv és szubcelluláris szinten), az antioxidáns enzimek aktivitását, valamint a szabad aminosavak és a poliaminok mennyiségét hasonlítjuk majd össze különböző szervekben és sejtkompartmentumokban. Ezen kívül a redoxérzékeny gének (mRNS-, mikroRNS-szintek) tanulmányozásából kideríthető, hogy az anyagcsereváltozások transzkripciós szabályozásból származnak-e. A vizsgált paraméterek közt feltétezett összefüggések alapján lehetséges lesz a fény mennyiségétől és minőségétől függő anyagcsere- és jelátviteli utakat bemutató modell létrehozása. A magyar partnernek lehetősége van a fény mennyiségének és minőségének a szabályozására LED világítást használva, és így vizsgálható a fény redox folyamatokra és különböző molekuláris, biokémiai és életfolyamatokra kifejtett hatása. Az osztrák partnernek nagy gyakorlata van az aszkorbinsav, glutation és utóbbi perkurzorainak szubcelluláris tanulmányozásában. A két intézmény szellemi és infrastrukturális kapacitásának kombinálása lehetővé teszi a pályázatban leírt tudományos problémák komplexebb tanulmányozását és mélyebb összefüggések kimutatását.
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.
Feltételezzük, hogy a fény mennyisége és minősége befolyásolja a fotoszintézist, az antioxidánsok, így az aszkorbinsav és glutation mennyiségét és a redukált és oxidált formák arányát, melynek módosulása viszont befolyásolja a redox-érzékeny gének és fehérjék aktivitását, és következésképpen sok vegyület, így az aminosavak és poliaminok anyagcseréjét is. Ezek a változások a növekedés és fejlődés adaptív módosulásához vezethetnek mind optimális, mind alacsony hőmérsékleten.
A fő megválaszolandó kérdések:
1. Mely fényerősség- és minőség-függő változások fordulnak elő a fotoszintézisben, az aszkorbinsav és a glutation mennyiségében, redoxállapotában és eloszlásában optimális hőmérsékleten búzában?
2. Mely redox-függő génekre, enzimekre és anyagcseretermékekre hatnak a fény által előidézett redox változások? A továbbiakban milyen változások következnek be az élettani folyamatokban, a növekedésben és fejlődésben?
3. Bizonyítható-e a fényerősség és minőség hatásának redox rendszer által történő közvetítése a búza redukáló- és oxidálószerekkel történő kezelésével?
4. Bizonyítható-e a fényerősség és minőség hatásának redox rendszer által történő közvetítése olyan mutáns vagy transzgénikus Arabidopsisban, melyekben megváltozott az aszkorbinsav vagy a glutation mennyisége?
5. Hogy befolyásolják a fénykörnyezet változásai az alacsony hőmérsékletre adott választ? Eltérnek-e ezek a hatások különböző fagytűrésű búza-genotípusokban?
A kérdésekre kapott válaszok alapján lehetségessé válik a megvilágításban, fotoszintézisben, redox környezetben, transzkriptum- és metabolitszintekben, a növekedésben és fejlődésben levő változások közti összefüggések hálózatának létrehozása.
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 fénynek alapvető szerepe van a növekedés és a fejlődés szabályozásában mind optimális, mind stressz körülmények közt. Bár a fény redox rendszerre kifejtett hatását intenzíven tanulmányozták, hatásának számos részlete még nem tisztázott. Többek közt még nem ismert, hogy a fénykörnyezetben (intenzitás, és spektrális összetétel) bekövetkező változások hogyan befolyásolják az aszkorbinsav és glutation (két fő antioxidáns) mennyiségét különböző szervekben és sejtalkotókban. Szintén ki kell deríteni, hogy ezek a változások, hogyan módosítják az anyagcserét, és ezen keresztül a növekedést és fejlődést optimális és alacsony hőmérsékleten. Egy érdekes része a pályázatnak a transzkripciós szintű (különös tekintettel a mikroRNS-ekre) fény-függő szabályozás tanulmányozása. A fenti kérdések megválaszolása lehetővé teszi egy olyan modell megalkotását, mely megmagyarázza a megfigyelt anyagcsere-változások funkcionális szerepét a növekedés és fejlődés fényerősség- és minőség-függő szabályozásában.
Vizsgálataink ráirányítják a figyelmet arra, hogy a kertészeti növények üvegházi nevelésénél fontos a fény mennyiségének és minőségének a megfelelő beállítása, és segítenek növelni a zöldtömeget és a terméshozamot. A tervezett kísérletek eredményei szintén hasznosak a nagyobb tengerszint feletti magasságokon vagy szélességi körökön történő mezőgazdasági tevékenység esetén, ahol eltérnek a fényviszonyok az általánosan növénytermesztésre használt területekétől, valamint stressz körülmények közt, mikor a fényerősség és minőség erőteljesen befolyásolja az anyagcserét és a termés mennyiségét.
A projekt megvalósítása során sejtbiológiai és molekuláris módszereket vezetünk be egymás laboratóriumaiba, mely tevékenység növeli a résztvevő intézmények kutatási kapacitását. Az együttműködés kiindulási alapul szolgálhat a magyar és osztrák részt vevők nemzetközi kutatási konzorciumokban történő közös részvételéhez a jövőben. A projekthez csatlakozó fiatal kutatók gyakorlatot szereznek különböző analitikai módszerekben és bekapcsolódnak a nemzetközi tudományos életbe
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 fényviszonyoknak elsődleges szerepe van a növekedés és fejlődés szabályozásában. A fény erőssége és spektrális összetétele helytől (tengerszint feletti magasság, szélességi kör) és időtől (napszak, évszak) függő változásokat mutat. Ez befolyásolja a fotoszintézist, és ezen keresztül a sejtek redox környezetét, mely függ a különböző redoxpárok, mint a glutation/glutation-diszulfid és aszkorbát/dehidroaszkorbát mennyiségétől és redox állapotától. A tervezett kutatások kiderítik, hogyan hat a fény erőssége és spektrális összetétele (kék, vörös és távoli vörös összetevők nagyobb aránya) ezekre a redoxpárokra és a továbbiakban mely redox-függő változások fordulnak elő az anyagcserében optimális és alacsony hőmérsékleten. Számos, feltehetően redox-függő paramétert fogunk tanulmányozni, köztük génkifejeződést, enzimaktivitást, a szabad aminosavak és poliaminok mennyiségét. Vizsgáljuk ezek lehetséges kapcsolatát különböző élettani folyamatokkal, köztük a fotoszintézissel, a sejtekből történő ionkiáramlással, növekedéssel és fejlődéssel. A megfigyelt anyagcsere-változásoknak a növekedés és fejlődés fény-indukált redox szabályozásában betöltött funkcionális szerepének magyarázatára létrehozunk egy modellt. Az eredményeket azok a termesztők is hasznosíthatják, akik üvegházban LED világítással vagy nagy tengerszint feletti magasságon és szélességi körön nevelnek növényeket. Az osztrák és magyar partner egymást kiegészítő tudása és kutatási infrastruktúrája a pályázat tudományos problémáiba történő mélyebb betekintést biztosít. A pályázat hozzájárul a részt vevő fiatal kutatók tudományos képzéséhez és kiindulási pontként szolgál nemzetközi kutatási programokban való részvételhez.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The aim of the project is to study the light quantity- and quality-dependent metabolism and signalling pathways. For this purpose, the effect of light-induced redox changes on photosynthesis, transcript and metabolite levels, growth and development will be investigated at both optimal and at low temperature, which influences strongly the photosynthetic electron transport, as well as the redox mediated processes. The concentration and redox state of the two major antioxidants, ascorbate and glutathione as well as the activity of antioxidant enzymes and the concentration of free amino acids and polyamines will be compared in various organs and in cell compartments. In addition, the study the redox-responsive genes (levels of mRNAs and microRNAs) will clarify whether the changes in metabolite levels derives from transcriptional regulation. Based on the proposed relationships between the studied parameters the project will enable the creation of models with light quantity and quality-dependent metabolic and signalling pathways. The Hungarian partner has possibility for the modification of light quality and quantity using led illumination which allows the study the effect of light on the redox environment and the various molecular, biochemical and physiological parameters. The Austrian partner has great experience in the subcellular investigation of ascorbate, glutathione and glutathione precursors. The combination of knowledge and infrastructure in the two laboratories enables a more complex approach of the scientific problems to be studied and will reveal deeper relationships.
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.
We hypothesize that light quality and quantity influence photosynthesis and the total amount and the ratio of reduced and oxidised forms of antioxidants such as glutathione and ascorbate (redox environment) which in turn will modify the activity of redox-responsive genes and proteins and consequently the metabolism of many compounds including free amino acids and polyamines. These alterations lead to adaptive changes in growth and development differing at optimal and low temperature.
Main questions to be answered:
1. Which light quantity- and quality-dependent changes in photosynthesis and the amount, redox state and distribution of ascorbate and glutathione are induced under optimal growth conditions in wheat?
2. Which redox-responsive genes, enzymes and metabolites are affected by the light-induced redox changes? Which subsequent alterations in physiological processes, growth and development can be observed?
3. Can be the redox mediation of the effects of light quality and quantity confirmed by treatment of wheat seedlings with reductants or oxidants?
4. Can be the involvement of the changes of endogenous redox environment in the mediation of light effects confirmed in mutant or transgenic Arabidopsis lines with altered ascorbate or glutathione levels?
5. How the changes of light environment affect the response to low temperature? Are these effects different in wheat genotypes with different freezing tolerance?
The results based on the above questions allow the generation of the proposed network of relationships between changes in light conditions, photosynthesis, redox environment, transcript and metabolite levels and growth and development.
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.
Light has an essential role in the control of growth and development both under optimal and stress conditions. Its effect depends on intensity and spectral distribution. Although the effect of light on the redox system was studied intensively, several details of its influence are not clarified. Among others, it is not described, how the changes of light environment (e.g. its intensity and spectral composition) affect the amount and redox state of ascorbate and glutathione (two major antioxidants) in different organs and cell compartments. It has to be also described how these alterations modify metabolism and subsequently growth and development both at optimal and low temperature. An interesting aspect is the study of the light-dependent regulation at transcriptional level with a special respect to the microRNAs. Through answering these questions a model will be created explaining the functional role of the observed metabolic changes in the light quantity- and quality-dependent control of growth and development.
These investigations will direct the attention to the appropriate adjustment of the light quality and quantity in glass house cultivation of horticultural plants and will help the breeder to increase the biomass and yield. These investigations are also useful for plant cultivation in the field at higher altitudes or latitudes where the light conditions are different from territories most often used for agricultural production and under stressful condition when the light intensity and quality strongly affect the metabolism and yield.
During the realisation of the project new cell biological and molecular methods will be introduced into each other’s laboratory which increases the research capacity of the participating institutes. The collaboration can serve as a basis for joint participation of the Hungarian and Austrian partners in international research consortia in the future. The participating young scientist’s will obtain practice in various analytical methods and will be introduced into the international scientific life.
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.
Light environment primarily determines the growth and development of plants. The intensity and spectral composition of light exhibit spatial (latitude, altitude) and temporal (daily, seasonal) alterations. These affect photosynthesis and subsequently the redox environment depending on the amount and redox state of various redox couples such as glutathione/glutathione disulphide and ascorbate/dehydroascorbate. The proposed research will clarify how the intensity and spectral composition (enrichment in blue, red or farred components) of light affect these redox couples and which redox-dependent changes occur subsequently in metabolism at optimal and low temperature. The proposed redox-responsive parameters such as gene expression, enzyme activities, free amino acids and polyamines will be studied. Their relationship with various physiological processes, including photosynthesis, electrolyte leakage, growth and development will be investigated. A model will be created explaining the functional role of the observed metabolic changes in the control of growth and development by the light-induced redox changes. The results will be also useful for breeders cultivating crops in glasshouses with led illumination or in field at high altitudes and latitudes. The complementary knowledge and research infrastructure of the Austrian and Hungarian partners on the related research field will allow a deeper insight into the scientific problem to be studied. The proposal will contribute to the education of young scientists and will serve as basis for joint participation of the partners in international research grants.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Toldi D., Gyugos M., Darkó É., Szalai G., Gulyás Z., Gierczik K., Székely A., Boldizsár Á., Galiba G., Müller M., Simon-Sarkadi L., Kocsy G.: Light intensity and spectrum affect metabolism of glutathione and amino acids at transcriptional level., PLoS ONE 14 (12): e0227271, 2019 | | Gyugos M.1,†, Ahres M.1,2,†, Gulyás Z., Szalai G., Darkó É., Mednyánszky Z., Dey N., Kar R.K., Simon-Sarkadi L., Kocsy G.: Light spectrum modifies the drought-induced changes of glutathione and free amino acid levels in wheat, Acta Physiologiae Plantarum - submitted, IF: 1.76, 2020 | | Kocsy G, Toldi D, Gulyás Zs, Boldizsár Á, Darkó É, Szalai G, Székely A, Jäger K, Mednyánszky Zs, Simon-Sarkadi L, Zellnig G, Müller M.: Light quality- and quantity-dependent redox control of metabolism in wheat, Proceedings of the 13th International Wheat Genetics Symposium. Tulln, Ausztria, 2017.04.23-2017.04.28. p. 301., 2017 | | Toldi D., Pál M., Darkó É., Kocsy G., Simon-Sarkadi L.: A különböző erősségű és spektrális összetételű fény hatása a búza nitrogén-tartalmú komponenseire, A Magyar Növénybiológiai Társaság XII. Kongresszusának összefoglalói. 2017. augusztus 30. – szeptember 1., Szeged, MTA SZBK, 39. o., ISBN 978-963-12-9736-2., 2017 | | Monostori I., Heilmann M., Kocsy G., Rakszegi M., Ahres M., Altenbach S.B., Szalai G., Pál M., Toldi D., Simon-Sarkadi L., Harnos N., Galiba G., Darkó É.: LED lighting – modification of growth, metabolism, yield and flour composition in wheat by spectral quality and intensity., Front. Plant Sci., doi.org/10.3389/fpls.2018.00605, 2018 | | Mónika Gyugos, Zsolt Gulyás, Gabriella Szalai, Éva Darkó, Zsuzsa Mednyánszky, Mohamed Ahres, Livia Simon-Sarkadi, Gábor Galiba, Gábor Kocsy:: Light intensity-dependent differences in metabolism during drought in wheat., Proc. of the „Plant Biology Europe 2018” conference. June 17-22, 2018, Koppenhága, Dánia, 2018 | | Gábor Kocsy, Dávid Toldi, Mónika Gyugos, Éva Darkó, Magda Pál, Krisztián Gierczik, Gábor Galiba, Maria Müller, Livia Simon-Sarkadi:: Control of photosynthesis, glutathione and amino acid metabolism by light quantity and quality in wheat., Proc. of the 22nd Meeting of Austrian Society of Plant Biology, April 5–7, 2018, Graz, Austria, p. 31, 2018 | | Monostori I., Heilmann M., Kocsy G., Rakszegi M., Ahres M., Altenbach S.B., Szalai G., Pál M., Toldi D., Simon-Sarkadi L., Harnos N., Galiba G., Darkó É.: LED lighting – modification of growth, metabolism, yield and flour composition in wheat by spectral quality and intensity., Front. Plant Sci., doi.org/10.3389/fpls.2018.00605, 2018 | | Cao Jie, Gulyás Zsolt, Kalapos Balázs, Boldizsár Ákos, Liu Xinye, Pál Magda, Yao Yingyin, Galiba Gábor, Kocsy Gábor: Identification of a redox-dependent regulatory network of miRNAs and their targets in wheat, JOURNAL OF EXPERIMENTAL BOTANY 70: (1) pp. 85-99., 2019 | | Mónika Gyugos, Mohamed Ahres, Zsolt Gulyás, Gabriella Szalai, Éva Darkó, Balázs Végh, Ákos Boldizsár, Zsuzsa Mednyánszky, Rup Kumar Kar, Narottam Dey, Livia Simon-Sarkadi, Gábor Galiba and Gábor Kocsy: Role of light intensity-dependent changes of thiol and amino acid metabolism in the adaptation of wheat to drought., Journal of Agronomy and Crop Science, DOI : 10.1111 /ja c.1 2358, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
