Identification of plant genes responsible for viral symptom development  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
119701
Type K
Principal investigator Szittya, György
Title in Hungarian A vírustünetek kialakulásáért felelős növényi faktorok molekuláris azonosítása
Title in English Identification of plant genes responsible for viral symptom development
Keywords in Hungarian növényi vírus, tünet fejlődés, gén expresszió, kis RNS, új generációs szekvenálás
Keywords in English plant virus, symptom development, gene expression, small RNA, next generation sequencing
Discipline
Crop protection (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Ortelius classification: Crop protection
Panel Complex agricultural sciences
Department or equivalent Agricultural Biotechnology Institute (ABC) (National Agricultural Research and Innovation Centre)
Participants Baksa, Ivett
Gorcsa, Teréz
Gyula, Péter
Tóth, Tamás
Starting date 2016-12-01
Closing date 2020-11-30
Funding (in million HUF) 47.960
FTE (full time equivalent) 8.94
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 növényi vírusok rendkívül változatos tüneteket és gyakran komoly gazdasági károkat okoznak az eltérő gazdanövényeken, ennek ellenére mégis keveset tudunk a tüneteket okozó molekuláris mechanizmusokról. Célunk a vírustünetek kialakulásának molekuláris szintű vizsgálata és a vírustünetek enyhítéséért felelős gazdagének azonosítása újgenerációs genomszekvenálás és Rekombináns beltenyészett vonalak (RIL) genetikai térképezésének a segítségével. Kutatásunk során eltérő élőhelyekről gyűjtött különböző Arabidopsis thaliana ökotípusokat felhasználva vizsgáljuk a vírusfertőzések hatására kialakuló tünetek molekuláris hátterét, hogy azonosítsuk a tünetek kialakulásáért felelős géneket. Az előzetes eredményeink szerint az egyes ökotípusokban nagy a különbség a vírusfertőzés hatására kialakuló tünetek erősségében. Eddigi vizsgálataink alapján kiválasztottunk két ökotípust, amelyek nagyon eltérően reagálnak a Tarlórépa Mozaik Vírussal (TuMV) és az Útifű Mozaik Vírussal (RMV) való fertőzésre. A vírussal és üres kontrollal fertőzött ökotípusok mRNS és kis RNS expressziós profiljaiban megfigyelhető különbségek bioinformatikai elemzésével azonosítani fogjuk a vírustünetekért felelős növényi géneket. Továbbá a tünetek kifejeződését meghatározó gének körét genetikai térképezéssel szeretnénk megerősíteni Arabidopsis RIL vonalak segítségével. Az így szerzett ismereteket mezőgazdasági szempontból fontos zöldségnövényekben (Brassica oleracea) fogjuk tesztelni és tovább vizsgálni vírus fertőzés esetén. Úgy gondoljuk, hogy a megszerzett ismeretek felhasználhatóak lesznek a növénynemesítésben molekuláris markerek tervezésére, felgyorsítva ezzel a haszonnövények nemesítésének folyamatát.

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 növények vírusfertőzése során különböző típusú és súlyosságú tünetek alakulhatnak ki, amelyek sokszor jelentősen csökkentik a termésmennyiséget is. Ennek ellenére, mégis keveset tudunk arról, hogy a tünetek hátterében milyen molekuláris mechanizmusok állnak. Ha sikerülne megérteni a tünetek kialakulásának a folyamatát, akkor lehetőség nyílna arra, hogy mérsékeljük a vírustünetek súlyosságát. Kísérleteink célja, hogy azonosítsuk azokat a növényi géneket, amelyek szerepet játszanak a vírustünetek kialakításában. Először az Arabidopsis természetes földrajzi variánsait, ökotípusait fogjuk megfertőzni Tarlórépa Mozaik Vírussal (TuMV) és Útifű Mozaik Vírussal (RMV). Ezekben a növényekben a genetikai különbségek az idők során a beltenyészetség miatt rögzültek és ez különösen alkalmassá teszi őket az összehasonlító genetikai vizsgálatokra. A genetikai különbségek a vírustünetekben is megnyilvánulnak: az eltérő ökotípusok, eltérő erősségű tüneteket mutatnak egyazon vírussal való fertőzés után. A vírusfertőzött ökotípusokból RNS könyvtárakat fogunk készíteni genomszintű transzkriptom, kis RNS-om és degradom szekvenáláshoz. A vírussal és üres kontrollal fertőzött ökotípusok mRNS és kis RNS expressziós profiljaiban megfigyelhető különbségek bioinformatikai elemzésével képesek leszünk azonosítani a vírustünetek kialakításáért felelős növényi géneket. A tünetek kifejeződését meghatározó gének körét genetikai térképezéssel szeretnénk megerősíteni Arabidopsis Rekombináns beltenyésztett vonalak segítségével. Az így megismert gének szerepét a vírus tünetek kialakításában mezőgazdasági szempontból fontos zöldségnövényekben (Brassica oleracea) fogjuk tovább vizsgálni vírus fertőzés esetén.

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 növényi vírusok rendkívül változatos tüneteket és gyakran komoly gazdasági károkat okoznak, ezzel veszélyeztetve az élelmiszer ellátás biztonságát. Ennek ellenére mégis keveset tudunk a tüneteket okozó változások molekuláris mechanizmusairól. Kutatásunk fő célja, hogy először egy rendkívüli genetikai és genomikai eszköztárral rendelkező modellnövényben (Arabidopsis thaliana) tanulmányozzuk a tünetek kialakulásának molekuláris hátterét, és hogy azonosítsuk a vírustünetek enyhítéséért felelős növényi géneket. Kísérleteinkhez az Arabidopsis természetes földrajzi variánsait, ökotípusait használjuk, mert ezekben a genetikai különbségek az idők során a beltenyészetség miatt rögzültek. Ez különösen alkalmassá teszi őket az összehasonlító genetikai vizsgálatokra. A genetikai különbségek a vírustünetekben is megnyilvánulnak: eltérő ökotípusok eltérő erősségű tüneteket mutatnak egyazon vírussal való fertőzés után. Eddigi vizsgálataink során két olyan ökotípust találtunk, amelyek nagyon eltérően reagálnak a Tarlórépa Mozaik Vírussal (TuMV) és az Útifű Mozaik Vírussal (RMV) való fertőzés hatására. Hipotézisünk az, hogy az eltérő erősségű vírustüneteket mutató ökotípusokban a tünetek kifejeződésében szerepet játszó gének (mRNS, kis RNS) kifejeződésében is jelentős különbségek lesznek. Ezért a vírusokkal és üres kontrollal inokulált ökotípusokból RNS könyvtárakat fogunk készíteni genomszintű transzkriptom, kis RNSom és degradom szekvenáláshoz. Az mRNS és kisRNS expressziós profilokban megfigyelhető különbségek bioinformatikai elemzésével képesek leszünk azonosítani a vírustünetek enyhítéséért felelős növényi géneket. Emellett a genomikai módszerekkel kapott tünetmegjelenésért felelőssé tehető géneket genetikai térképezéssel is szeretnénk megerősíteni Rekombináns beltenyésztett vonalak segítségével (RIL). Az így azonosított tünetkialakításért felelős gének ortológjait szeretnénk megtalálni Brassica oleracea-ban és megvizsgálni a szerepüket mezőgazdasági szempontból fontos zöldségnövényben. A tünetmentességet okozó genetikai különbségek ismeretében lehetőség nyílik a növénynemesítésben használható molekuláris markerek tervezésére is felgyorsítva ezzel a haszonnövények nemesítésének folyamatát.

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.
Századunk egyik legfontosabb kérdése, hogy miként tudunk elegendő élelmiszert előállítani a Föld egyre növekvő népességének, a környezetünk további károsítása nélkül. A humán populáció továbbra is eddig még sohasem tapasztalt mértékben gyarapszik és egy emberöltőn belül 2 milliárd emberrel több fog élni a Földön. A jelenlegi becslések szerint a bolygónk népessége 2050-re eléri a 9 milliárdot. Mivel az élelmiszertermelésre fordítható földterület elérte a maximumát, az élelmiszerbiztonság megőrzése csak úgy érhető el, ha növelni tudjuk a termésátlagokat és ezzel egy időben csökkenteni tudjuk a termésveszteségeket is. A növényi patogének jelentős károkat okoznak a mezőgazdaságban és az általuk okozott termésveszteséget 15 %-ra becsülik a legfontosabb termények esetében. A leghatékonyabb és egyben legkörnyezetkímélőbb növényvédelmi módszer a természetes toleranciák és rezisztenciák teljes mértékű kihasználása lenne. Mivel a növények az evolúció során az őket megtámadó patogénekkel közösen fejlődtek, ennek a „fegyverkezési” versenynek az eredményéül számos patogén felismerési és védelmi rendszert alakítottak ki, amit ki lehet használni a növényvédelemben is. Ennek ellenére nagyon kevés ismeret áll a rendelkezésünkre a vírustüneteket kialakító molekuláris mechanizmusok növényi génjeiről. Kutatásunk célja, hogy tanulmányozzuk a tünetek kialakulásának molekuláris hátterét, és azonosítsuk a vírustünetek enyhítéséért felelős növényi géneket. Ha sikerül megértenünk a tünetek kialakulásának folyamatát, akkor lehetőségünk nyílik arra, hogy gazdaságilag fontos növényekben mérsékeljük a vírustünetek súlyosságát és ez által a vírusfertőzések okozta termésveszteséget is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The symptoms of virus infections have been the subject of many descriptive and (fewer) mechanistic studies, mainly focusing on identifying viral symptom determinants. However, host genes influencing symptom development are mostly unknown, and the mechanisms underlying these processes are still poorly understood. To design new strategies to alleviate virus symptoms, it is necessary to understand the host-pathogen interactions at molecular levels. We will use Arabidopsis thaliana ecotypes to reveal molecular factors which contribute to symptom formation during Turnip Mosaic Virus (TuMV) and Ribgrass Mosaic Virus (RMV) infections. These Arabidopsis ecotypes could be considered as a molecular biological tool kit for symptom development studies as they bearing natural genetic variations in homozygous form, caused by the geographical isolation. We will use high throughput sequencing technologies to analyse changes in the expression of the whole transcriptome of mRNAs, small RNAs and their cleaved mRNA targets to identify the major host determinants responsible for the distinct symptom development phenotypes caused by TuMV and RMV. As a complementary approach we will localise symptom determinant regions by genetic mapping using Recombinant Inbred Lines (RIL) of the two ecotypes. Finally, we will test the role of Arabidopsis symptom determinant gene orthologues in Brassica oleracea. Understanding the molecular mechanisms of symptom development will give us important knowledge that can be adapted to vegetables belonging to Brassicacae and used in future breeding programs.

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.
Plant viruses cause a variety of diseases in susceptible hosts and therefore represent a major threat to agricultural production and food security. Our goal is to investigate the molecular background of symptom development and identify the host factors for the attenuation of symptoms. We will compare different ecotypes, the natural geographic and genetic variants of Arabidopsis during Turnip Mosaic Virus and Ribgrass Mosaic Virus infections. In Arabidopsis ecotypes the genetic differences are stabilised due to inbreeding and this makes them particularly useful for comparative genetic analysis. The genetic differences manifest in the viral symptoms as well: the severity of symptoms in different ecotypes upon infection by the same virus vary greatly. We will prepare RNA libraries for whole transcriptome, sRNA-ome and degradome sequencing. By comparing the differential mRNA and sRNA expression profiles of virus- and mock-treated ecotypes we expect to identify host genes responsible for symptom development. To validate further if the candidate genes obtained from the experiments play a role in symptom development, we will use genetic mapping using Recombinant Inbred Lines of the used ecotypes. If we manage to understand the processes during symptom development in a model plant, we would be able to attenuate the severity of symptoms in economically important vegetables of Brassicacae and by this to reduce crop losses caused by virus infections. Therefore, we will identify the Arabidopsis symptom determinant gene's orthologues in Brassica oleracea. Having the genes identified it will also be possible to design molecular markers to facilitate crop improvement.

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.
Plant viruses cause severe economic losses worldwide threatening food security. Despite this, our knowledge about the molecular mechanisms of viral symptom development is limited. This project will help to understand the molecular background of viral symptoms in the infected plants. It will also help to evaluate the role of virus derived siRNAs (vsiRNA) and virus activated, host derived siRNAs (vasiRNAs, endogenous siRNAs generated as a consequence of infection) in regulating gene expression changes in response to viral infection. Understanding the molecular mechanisms of viral symptom development will give us important knowledge that can be adapted to vegetables belonging to Brassicacae and used in future breeding programs. This is particularly important, because actual yield losses to crops due to pathogens are estimated at 15 % which represents a significant threat to agricultural production. Therefore, crop protection is a very important player securing food in the foreseeable future to meet the food and feed demands of a rising human population and increasing livestock production.
The main innovation of the project is that we propose to compare the genomic scale transcriptome, small RNA-ome and degradome expressional changes in Turnip Mosaic Virus (TuMV) and Ribgrass Mosaic Virus (RMV) infected Arabidopsis ecotypes that show very different phenotype caused by the same virus. We will also use Recombinant Inbred Lines (RIL) Arabidopsis plants to select and confirm candidate host genes that are responsible for viral symptom development. The other innovative elements of the project are: (a) testing the hypothesis whether vasiRNAs are conserved among different Arabidopsis ecotypes and (b) generating a cleaved target mRNA library to find the targets of virus derived siRNAs and vasiRNAs of the studied ecotypes. Finally, we will test the identified symptom determinant host genes role in symptom development in Brassica oleracea during TuMV and RMV infections. Having the genes identified it will also be possible to design molecular markers to facilitate crop improvement.

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.
One of the most important questions of this century is how we can feed everyone on our planet, without further damaging our environment. Currently, the human population is growing on an unprecedented way and there will be 2 billion more people within a generation. So, it is projected that human population will reach a staggering 9 billion by 2050. As the available land for food production has reached its maximum the only way to assure food security if we can increase crop yields and in the same time reduce yield losses. Pathogens represent a major threat to agricultural production and it is estimated that they contribute to 15 % yield losses in major crops. The most cost effective and environmental friendly way to protect plants against pathogens is to deploy natural tolerance and resistance. Since, plants have evolved together with pathogens they developed several defence pathways during this arms race we can explore. However, how host genes influencing symptom development during virus infections are mostly unknown and the mechanisms underlying these processes are still poorly understood. Our goal is to investigate the molecular background of viral symptom development and identify the host factors for the attenuation of symptoms. Understanding the molecular mechanisms of symptom development will give us important knowledge that can be adapted to crop species and used in future breeding programs. If we can apply this new knowledge it may result new type of virus tolerant plants, which provide better protection of crop plants than the currently available methods.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Eltérő élőhelyekről gyűjtött Arabidopsis ökotípusokat felhasználva vizsgáltuk a vírusfertőzések hatására kialakuló tünetek molekuláris hátterét, hogy azonosítsuk a vírus által okozott tünetek kialakulásáért felelős gazdagéneket. Míg a TVCV fertőzés a Col-0 ökotípuson nagyon enyhe tüneteket okozott, addig azonban a vírusfertőzött Bur-0 növényeken erőteljes levéldeformáció alakult ki (kanalasodás, levélszél fodrosodás). A TVCV fertőzött ökotípusok mRNS és kis RNS könyvtárainak a bioinformatikai elemzésével megfigyelt gén expressziós különbségek alapján a vírustünetek kialakításáért felelőssé tehető gazdagéneket azonosítottunk. A genomikai módszerekkel kapott tünetmegjelenésért felelőssé tehető géneket genetikai térképezéssel is megerősítettük a két őkotípus között létrehozott Rekombináns beltenyésztett vonalak segítségével (RIL). A levélkanalasodás RIL vonalakkal történő térképezése után azt az eredményt kaptuk, hogy a tünetekért felelős gazdagének a 4-es kromoszóma felső karjának a tetején találhatóak. A teljes transzkriptom és kis RNS profilok meghatározása, valamint a levélkanalasodás RIL vonalakkal történő térképezése után úgy gondoljuk, hogy az auxin jelátvitelbeli különbségek lehetnek felelősek a két ökotípusban megfigyelt különbségekért (jelölt gének: AOP2, Small GTPase-like protein, DFL, FBL és FBL23). A kapott eredmények megerősítése érdekében a tünetekért felelős gazdagén jelölteket a CRISPR/Cas9 genom editálási rendszer segítségével inaktiváltuk a Bur-0 ökotípusban.
Results in English
We used two Arabidopsis ectypes to reveal molecular factors which contribute to symptom formation during virus infections. TVCV is causing a very mild symptom on the Col-0 ecotype and severe leaf curling and deformation on Bur-0. Comparison of the mRNA, sRNA and their cleaved mRNA targets of the two genetically divergent, virus infected ecotypes exposed significant differential expression patterns and we identified several candidate host genes as the major host determinants responsible for the distinct symptom development phenotypes on the Bur-0 ecotype. To determine if the candidate genes obtained from the genome wide expressional studies play a general role in symptom development, we used genetic mapping, using Recombinant Inbred Lines (RIL) of the two ecotypes. The correlation between genotypes and TVCV caused symptoms observed on the infected RILs was assessed using the Windows QTL Cartographer software. A single marker association test revealed that four consecutive markers on the top of chromosome 4 were linked to the viral leaf deformation symptom. Combining the results of the candidate genes that are differentially expressed only in the virus-infected Bur-0 ecotype samples and fall within the mapping region of the virus infected RIL lines resulted the list of most likely symptom determinant host genes (AOP2, Small GTPase-like protein, DFL, FBL and FBL23). To validate these results, we deleted the candidate genes using the CRISPR/Cas9 system in the Bur-0 ecotypes.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=119701
Decision
Yes





 

List of publications

  
Kis S, Salamon P, Kis V, Szittya G.: Molecular characterization of a beet ringspot nepovirus isolated from Begonia ricinifolia in Hungary, Archives of Virology, 162(11):3559-3562, 2017
Nikoletta Czotter, Janos Molnar, Emese Szabó, Emese Demian, Levente Kontra, Ivett Baksa, Gyorgy Szittya, Laszlo Kocsis, Tamas Deak, Gyorgy Bisztray, Gabor E Tusnady, Jozsef Burgyan, Eva Varallyay: NGS of virus-derived small RNAs as a diagnostic method used to determine viromes of Hungarian vineyards, FRONT MICROBIOL 9: 122, 2018
Salamon P., Sos-Hegedus A., Gyula P., Szittya G.: First report of the infection of alfalfa mosaic virus in Salvia sclarea in Hungary, Journal of Plant Pathology, 100 : 3 pp. 607-607, 2018
Taller D, Bálint J, Gyula P, Nagy T, Barta E, Baksa I, Szittya G, Taller J, Havelda Z: Expansion of Capsicum annum fruit is linked to dynamic tissue-specific differential expression of miRNA and siRNA profiles, PLoS One, 13 : 8 p. e0203582, 2018
Gyula P, Baksa I, Tóth T, Mohorianu I, Dalmay T, Szittya G: Ambient temperature regulates the expression of a small set of sRNAs influencing plant development through NF-YA2 and YUC2., PLANT CELL AND ENVIRONMENT 41 : 10 pp. 2404-2417, 2018
Tóth Tamás, Sós-Hegedűs Anita , Nemes Katalin , Gyula Péter , Salamon Pál , Salánki Katalin és Szittya György: Vírusfertőzés következtében kialakuló levélmorfológiai változás molekuláris hátterének vizsgálata., 64. Növényvédelmi Tudományos Napok, Budapest, 2018.02.20.- 21., 2018
Tamás Tóth, Anita Sós-Hegedűs, Katalin Nemes, Péter Gyula, Pál Salamon, Katalin Salánki és György Szittya: Analysis of leaf developmental abnormality in tomato caused by virus infection., Fiatal Biotechnológusok III. Országos Konferenciája, Budapest, 2018.03.28.-03.29, 2018
Tóth T, Gyula P, Salamon P, Gorcsa T, Szittya G.: Identification of host factors for viral symptom development by comparative transcriptome, sRNA-ome and degradome analysis of two Arabidopsis ecotypes., Microsymposium on small RNAs, Vienna BioCenter, May 15th - 17th 2019., 2019
Sós-Hegedűs A, Domonkos A, Tóth T, GyulaP, Kaló P, Szittya G.: Suppression of NB-LRR genes by miRNAs promotes nitrogen-fixing nodule development in Medicago truncatula., Cold Spring Harbor Asia conference on Plant Cell and Development Biology, Gyeongju, South Korea, November 3-7, 2019., 2019
Dalmadi A, Gyula P, Bálint J, Szittya G, Havelda Z.: AGO-unbound cytosolic pool of mature miRNAs in plant cells reveals a novel regulatory step at AGO1 loading., Nucleic Acids Research, Volume 47, Issue 18, 10 October 2019, Pages 9803–9817. pii: gkz690. doi: 10.1093/nar/gkz690., 2019
Medzihradszky A, Gyula P, Sos-Hegedus A, Szittya G, Burgyan J.: Transcriptome reprogramming in the shoot apical meristem of CymRSV-infected Nicotiana benthamiana plants associates with viral exclusion and the lack of recovery., Molecular Plant Pathology, 20 (12), 1748-1758. doi: 10.1111/mpp.12875., 2019
Tóth T, Gyula P, Salamon P, Kis S, Sós-Hegedűs A, Szittya G.: Molecular characterization and in vitro synthesis of infectious RNA of a Turnip vein-clearing virus isolated from Alliaria petiolata in Hungary., PLoS ONE, 2019 Oct 24;14(10):e0224398. doi: 10.1371/journal.pone.0224398. eCollection 2019, 2019
Szaker Henrik Mihály, Gyula Péter, Szittya György, Csorba Tibor: Regulation of High-Temperature Stress Response by Small RNAs, In: Chaves, Inês; Dalmay, Tamas; Miguel, Célia (szerk.) Plant microRNAs, Springer International Publishing (2020) pp. 171-197., 2020
Sos-Hegedus A., Domonkos A., Toth T., Gyula P., Kalo P., Szittya G.: Suppression of NB-LRR Genes by miRNAs Promotes Nitrogen-fixing Nodule Development in Medicago truncatula., Plant Cell Environ., 43(5):1117-1129.,, 2020




 

Events of the project

  
2019-01-30 13:35:15
Résztvevők változása
2018-06-15 16:30:53
Résztvevők változása



Back »