|
Investigation of heat stress tolerance on genetic and yield properties in cereals
|
Help
Print
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
|
Details of project |
|
|
Identifier |
119801 |
Type |
K |
Principal investigator |
Veisz, Ottó Bálint |
Title in Hungarian |
A kalászos gabonák hőtűrésének produkcióbiológiai és genetikai tanulmányozása |
Title in English |
Investigation of heat stress tolerance on genetic and yield properties in cereals |
Keywords in Hungarian |
Hőstressz, termés komponensek, genetikai asszociációs elemzés, búza |
Keywords in English |
Heat stress, yield related components, genetic association analysis, wheat |
Discipline |
Plant breeding (Council of Complex Environmental Sciences) | 90 % | Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences) | 10 % |
|
Panel |
Agriculture, Environment, Ecology, Earth Sciences committee chairs |
Department or equivalent |
Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research) |
Participants |
Balla, Krisztina Bányai, Judit Bencze, Szilvia Karsai, Ildikó Kiss, Tibor
|
Starting date |
2016-10-01 |
Closing date |
2021-09-30 |
Funding (in million HUF) |
33.106 |
FTE (full time equivalent) |
9.35 |
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 magas hőmérséklet az egyik leggyakrabban előforduló abiotikus stressztényező hazánkban. Mindez jelentős hatással van a búzák fejlődésére és termésképzésére. A hőstressz növényekre kifejtett hatása nagymértékben függ a hőstressz hosszától, egyszeri vagy többszöri előfordulásától a vegetációs időszakban, és attól, hogy milyen fejlődési stádiumban éri a növényeket. A hőstresszre adott válaszreakció egyben genotípus függő és különböző fiziológiai, produkcióbiológiai változásokat foglal magába, amelyek alapvetően meghatározzák a termésképzést. E komplex hatásrendszer fiziológiai, produkcióbiológiai vizsgálatát, valamint a hőstresszre adott válaszreakció genetikai elemzését tervezzük kontrollált klímakamrás körülmények között 100 eltérő eredetű őszi búzafajta kísérletbe vonásával. Meghatározzuk a különböző fejlődési fázisokban kapott hőstressz hosszának élettani és produkcióbiológiai hatásait, a fejlődési fázisok érzékenységét, valamint vizsgáljuk az egyedfejlődés során ismételten fellépő hőstressz hatását is. A fajták 13.000 SNP markeres LD térképére alapozva a teljes genomra kiterjedő asszociációs vizsgálatokban meghatározzuk a hőstresszre adott válaszreakciók genetikai komponenseit a fiziológiai, termés komponensek és genetikai markerek közti kapcsolat feltárásával. Gyakorlati felhasználásként azonosított toleráns genotípusokkal irányított keresztezéseket indítunk és dihaploid populációkat hozunk létre. Ez a későbbiekben lehetőséget ad új, szélesebb egyedfejlődési fázison keresztül hőtűrőbb fajták létrehozására és köztermesztésbe vonására, valamint a hőtűrés genetikájának további vizsgálatára.
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 búza különböző fejlődési stádiumaiban, eltérő időtartamú hőstressz kísérletek révén a következő kérdésekre keressük a választ: - Milyen változások következnek be az élettani tulajdonságokban és terméskomponensekben a hőstressz hatására? - Mi a zászlóslevél szerepe a termésképzésben kontroll és stressz körülmények között? - Milyen hatással van a hőstressz a zászlóslevél egyes biokémiai komponenseire (abszcizinsav, prolin)? - A búza mely fejlődési szakaszában a legérzékenyebb a magas hőmérsékleti kezelésre kontrolállt körülmények között? - Milyen hatások mérhetők akkor, ha a hőstresszt nem csak egy fejlődési stádiumban (pl. szárba induláskor), hanem egymás után több fejlődési stádiumban (pl. szárba induláskor + hasban kalászoláskor) is kombináltan éri a növényt? - Milyen mértékű a variabilitás a fajták hőstressz tűrésében és ez hogyan függ össze a fejlődési fázissal? - Felderíthetők-e korrelációs kapcsolatok a fiziológiai paraméterek és a terméskomponensek között? - Azonosíthatóak-e a hőstresszre adott meghatározott válaszreakció mechanizmusok a vizsgált fajtakörben, és ha igen ezeket mi jellemzi? - Milyen genetikai tényezők játszanak szerepet a hőstresszre adott válaszreakció, valamint a termésképzés kialakításában? - Kimutatható-e asszociáció a hőstressz időtartamának hatása a fejlődési fázis függvényében, valamint az ismételt hőstressz adatmátrixán és a genetikai komponensek között?
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! Alapkutatási szempontból kiemelt jelentőségű a búza hőstressz tűrésének genetikai és fiziológia alapjainak meghatározása. A tervezett kutatás egyedisége és újszerűsége abban rejlik, hogy a nagyszámú fajtakörben kivitelezett vizsgálatokban a genetikai, fiziológiai és termésbiológiai méréseket összekapcsolva lehetőség nyílik az egyes élettani értékek és a termésképzés közti összefüggés alaposabb vizsgálatára kontroll és hőstressznek kitett növényekben. A széles genetikai bázisú fajták hőtűrő képességének elemzése lehetővé teszi a különböző válaszreakció típusok elemzését, olyan fajták azonosítását, amelyek jobb hőtűréssel rendelkeznek, valamint a hőtűrés genetikai komponenseihez (QTL) szorosan kapcsolt markerek azonosítását is. A nagy lefedettségű génspecifikus SNP marker térképen elvégzett asszociációs elemzés emellett hozzájárulhat a hőstressz tűrésben szignifikáns szerepet játszó génszekvenciák azonosításához is. Ezek az információk jelentős gyakorlati haszonnal is bírnak. A megváltozott időjárási körülmények arra ösztönzik a nemesítőt, hogy olyan fajtákat hozzon létre, melyek extrém időjárási viszonyok között is kiváló termésmennyiséggel és minőséggel jellemezhetők. Eredményeink a rugalmasabb adaptációs képességgel rendelkező fajták irányított, gyorsabb előállítását teszik lehetővé. Egyrészt az azonosított jó hőtűrésű fajta keresztezési partnerként segíthet új, szélesebb egyedfejlődési fázison keresztül is kiváló hőtűrést mutató genotípusok létrehozásában, másrészt a szorosan kapcsolt marker az adott hőtűrési QTL nemesítési alapanyagba történő beépítését könnyíti meg. A jó hőtűrő képességű búzafajta előállításának gazdasági haszna jelentős. Mindemellett pályázatunk módszertani jelentőséggel is bír. A fitotroni kontrollált körülmények ideális lehetőséget adnak arra, hogy a hőstressz komplex hatását más stressztényezőtől függetlenül tanulmányozzuk, valamint olyan módszert dolgozzunk ki, mely alkalmas lehet a nemesítési alapanyagok hőstressztűrő képességének rutinszerű tesztelésére.
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 különböző kedvezőtlen környezeti hatások, köztük az extrém magas hőmérséklet a búza termesztés során egyre gyakrabban fordulnak elő, jelentős termésveszteséget idézve elő. Napjainkban egyre gyakoribb, hogy a búza növényeket fejlődésük során több fejlődési stádiumban is különböző hosszúságú stresszhatás éri. Jelen pályázatunk ezért azt vizsgálja, hogy milyen változások következhetnek be a búzafajták élettani folyamataiban és terméshozamában, ha a hőstressz a búza fiatal és idősebb fejlődési stádiumában külön-külön és egyszerre is előfordul. Vizsgáljuk a magas hőmérsékleti kezelés hosszának hatását a búzák eltérő fejlődési szakaszaiban. A kalászban a megtermékenyülés, a szemképződés és a szemtelítődés fontos folyamatok, melyek végül a termés mennyiségét határozzák meg. A pályázatban ezért kontrollált körülmények között minden egyéb stressz tényezőt kizárva, több szempontból (növények fejlettségi állapota, hőstressz mértéke, gyakorisága) tanulmányozzuk a búzák hőstresszre adott válaszreakciót, hogy meghatározzuk azokat a genetikai tényezőket, amelyek szerepet játszhatnak a jó hőtűrőképességért felelős tulajdonság kialakításában. Mindezeket a vizsgálatokat eltérő földrajzi helyekről származó, 100 fajtából álló búzagyűjteményen végezzük el, amely megnöveli annak a valószínűségét, hogy különböző hőstressz tűrő fajtákat azonosítsunk. A genetikai elemzések elvégzésével a fiziológiai és genetikai komponensek közti kapcsolatokat kívánjuk feltárni, és az azonosított jobb hőtűrést eredményező genetikai komponenseket tudatosan beépíteni újabb, a magyarországi viszonyokhoz alkalmazkodott búzafajtákba. Ezáltal a hőstressz tűrés növelhető, amely a termésbiztonság egyik alapja.
| Summary Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. High temperature is one of the main abiotic stress factors occurring in increasingly greater frequencies in Hungary, which has a considerable negative impact on the yield of wheat. The effect of heat stress on plants strongly depends on the timing and duration of the heat period during the growing season, and on the genotypes. Heat stress can elicit complex physiological changes which in turn have significant effects on the various yield components. In this project we are planning to evaluate the heat stress response of 100 winter wheat cultivars of different geographic origins via measuring some physiological aspects and yield related traits in controlled environment in the phytotron. Under controlled conditions, we are determining the effect of the duration of heat stress applied at various developmental phases, and also the effects of heat stresses repeated in two developmental phases (early and late). Based on the LD map of the 100 wheat cultivars consisting of 13.000 SNP markers, genome wide association analyses of the physiological and yield related traits will be carried out for identifying the genetic determinants of heat stress response and those of yield formation under various developmental stage. For breeding purposes, the final objective is to initiate targeted crosses from identified tolerant varieties for the creation of doubled haploid (DH) populations with high heat stress tolerance across a wider developmental range. These lines give great opportunity to develop new varieties with good adaptability and performances under heat stress conditions, and help to further dissect the genetic background of heat stress tolerance.
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. With the planned experiments our main aim is to determine what kind of changes occur in the physiological parameters and yield properties due to the various heat stress experiments at different developmental stages and in various durations. What kind of differences can be observed in the responses of cultivars to heat stress if they are subjected to heat not only in one developmental stage (e.g. at stem elongation) separately but in combination in more phenophases (e.g. at stem elongation + at booting stage) successively? What is the role of flag leaf in yield formation under control and stressed conditions? What is the effect of heat stress on the protective compound contents (proline and abscisic acid) of the flag leaf? In which developmental stage are the wheat plants the most sensitive to high temperature? Are specific response mechanisms to heat identifiable in this set of wheat cultivars and if there are what are their characteristics? What is the extent of genetic variations in heat stress tolerance between the wheat cultivars and how does it depend on the phenophases? Are there any interactions between the physiology parameters and yield related components? What are the genetic components participating in determining the heat stress response and yield formation? Are there any association between the effect of duration of heat stress depending on the developmental stage, the repeated heat stress data matrix and the genetic components?
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. From the theoretical aspect it is important to dissect the physiological and genetic bases of heat stress tolerance in wheat. The uniqueness and the novelty of the planned research lies in that the experiments will be carried out in a larger wheat genotype collection combining the examinations of the genetic, physiological and yield related parameters. This will enable us to identify the associations between physiological parameters and yield related components under control and stressed conditions and to characterize the various stress response mechanisms existing in this larger set of genotypes, and to identify the genetic components underlining the tolerance mechanisms. The association studies carried out on the LD map of SNP markers with high density genome coverage may also lead to the identifications of possible candidate gene sequences of heat stress tolerance. This information then is significant from applied aspects. As a consequence of the changing climate and the higher occurrence of extreme temperatures it is important to breed new wheat varieties with high yield quantity and good quality even under extreme weather conditions. Our results make it possible to breed new cultivars with better environmental plasticity across a wider developmental range more efficiently as the information can be used in breeding partly using the genotypes with good heat stress tolerance as crossing partners, and partly using the markers for building in the heat stress tolerance QTLs into the breeding materials via marker assisted selections. Breeding of heat tolerant wheat varieties might result in considerable economic benefits under heat stress conditions. As an additional methodological aspect, the controlled environmental conditions in phytotron give an excellent and unique possibility to study the complex effects of heat stress (regardless of other stress factors) for both the plant physiological processes and yield production, and thus evolve a method which is suitable for testing the sensitivity of the breeding materials to high temperature and selecting the tolerant genotypes.
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. Different environmental conditions, including extreme high temperature appear frequently during the growing season, causing significant yield losses in cereals. Nowadays it is becoming more frequent that the wheat varieties are subjected to different durations of abiotic stresses during their development. Thus the present project is aimed at to examine what kind of changes will be induced in the physiological and yield production of wheat varieties due to the various heat stress treatments. The effects of the duration of heats stress at different developmental phases as well as the effect of repeated heat stress will be examined in details. The fertilization, the grain setting and grain filling in the ears are important processes which ultimately determine the quantity of grain yield. The proposal is thus also plan to investigate the heat stress response reactions of different wheat varieties in many aspects under control conditions where the effects of other stress factors can be excluded. These experiments make it possible to determine the genetic factors influencing the heat tolerance properties in wheat. The experiments will be carried out on 100 wheat varieties of various geographic origins, ensuring the identification of different heat stress tolerant mechanisms. The impact of the analyses of genetic association is that we can find possible relationships between the physiological and genetic components examined in the experiments. The identified tolerance sources then will be included into breeding new wheat varieties with better heat stress tolerance, which in turn secure optimal yield even under stressed conditions.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
List of publications |
|
|
Bencze Szilvia, Puskás Katalin, Vida Gyula, Karsai Ildikó, Balla Krisztina, Komáromi Judit, Veisz Ottó: Rising atmospheric CO2 concentration may imply higher risk of Fusarium mycotoxin contamination of wheat grains, MYCOTOX RES 33: (3) 229-236, 2017 | Kiss Tibor, Dixon Laura E, Soltész Alexandra, Bányai Judit, Mayer Marianna, Balla Krisztina, Allard Vincent, Galiba Gábor, Slafer Gustavo A, Griffiths Simon, Veisz Ottó, Karsai Ildikó: Effects of ambient temperature in association with photoperiod on phenology and on the expressions of major plant developmental genes in wheat (Triticum aestivum L.), PLANT CELL ENVIRON 40: (8) 1629-1642, 2017 | Kiss T, Balla K, Bányai J, Veisz O, Karsai I: Associations between plant density and yield components using different sowing times in wheat (Triticum aestivum L.), CEREAL RESEARCH COMMUNICATIONS 46: (2) pp. 211-220., 2018 | Balla K, Kiss T, Bencze Sz, Bónis P, Karsai I, Veisz O: Eltérő ideig tartó hőstressz hatásának tanulmányozása kalászos gabonákon, In: Veisz Ottó (szerk.) (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók. Budapest: Magyar Tudományos Akadémia, 2017. pp. 79., 2017 | Kiss Tibor, Dixon Laura E, Soltész Alexandra, Bányai Judit, Mayer Marianna, Balla Krisztina, Allard Vincent, Galiba Gábor, Slafer Gustavo A, Griffiths Simon, Veisz Ottó, Karsai Ildikó: Effects of ambient temperature in association with photoperiod on phenology and on the expressions of major plant developmental genes in wheat (Triticum aestivum L.), PLANT CELL ENVIRON 40: (8) 1629-1642, 2017 | Kiss T, Balla K, Bányai J, Veisz O, Karsai I: Associations between plant density and yield components using different sowing times in wheat (Triticum aestivum L.), CEREAL RESEARCH COMMUNICATIONS 46:(2) pp. 211-220., 2018 | Krisztina BALLA, Ildikó KARSAI, Tibor KISS, Szilvia BENCZE, Judit BÁNYAI, Ottó VEISZ: Investigation of heat stress tolerance on yield properties in cereals, In: Eucarpia Cereal section meeting. Konferencia helye, ideje: Clermont-Ferrand, Franciaország, 2018.03.19-2018.03.21. Clermont-Ferrand: INRA, 2018. p. 90. 1 p. (ISBN:978, 2018 | Balla K, Karsai I, Kiss T, Bencze Sz, Bányai J, Veisz O: Az egyszeri és ismétlődő hőstressz hatása az őszi kalászosokra, n: Karsai Ildikó, Polgár Zsolt (szerk.) XXIV. Növénynemesítési Tudományos Nap: Összefoglalók. 139 p. Konferencia helye, ideje: Budapest, Magyarország, 2018.03.06 Budapest, 2018 | Balla Krisztina, Karsai Ildikó, Bónis Péter, Kiss Tibor, Berki Zita, Horváth Ádám, Mayer Marianna, Bencze Szilvia, Veisz Ottó: Heat stress responses in a large set of winter wheat cultivars (Triticum aestivum L.) depend on the timing and duration of stress, PLOS ONE 14: (9) p. e0222639., 2019 | Balla Krisztina, Karsai Ildikó, Bónis Péter, Kiss Tibor, Berki Zita, Horváth Ádám, Mayer Marianna, Bencze Szilvia, Veisz Ottó: Heat stress responses in a large set of winter wheat cultivars (Triticum aestivum L.) depend on the timing and duration of stress, PLOS ONE 14: (9) p. e0222639., 2019 | Balla Krisztina, Karsai Ildikó, Bónis Péter, Kiss Tibor, Berki Zita, Horváth Ádám, Mayer Marianna, Veisz Ottó: Eltérő ideig tartó hőstressz hatása búza különböző fejlődési stádiumában, In: Karsai, Ildikó (szerk.) Növénynemesítés a 21. század elején: kihívások és válaszok, Magyar Tudományos Akadémia Agrártudományok Osztályának Növénynemesítési Tudományos Bizottsága (2019) pp. 127-131., 2019 | K. Balla, I. Karsai, P. Bónis, T. Kiss, Z. Berki, A. Horváth, M. Mayer, S. Bencze, O. Veisz: Investigation of different duration of heat stress period in various developmental stages in wheat, In: David, Edwards; Rodomiro, Ortiz (szerk.) 3rd Agriculture and Climate Change Conference, (2019) O4.06, 2019 | Kiss Tibor, Bányai Judit, Balla Krisztina, Mayer Marianna, Berki Zita, Horváth Ádám, Veisz Ottó, Bedő Zoltán, Karsai Ildikó: Comparative Study of the Developmental Traits and Yield Components of Bread Wheat under Field Conditions in Several Years of Multi-Sowing Time Experiments, CROP SCIENCE 59: (2) pp. 591-604., 2019 | T Kiss, J Bányai, K Balla, A Cseh, Z Berki, A Horváth, M Mayer, O Veisz, I Karsai: Expression analysis of main developmental genes in two bread wheat cultivars affected by ambient temperature and photoperiod, In: Bürtsmayr, H (szerk.) Abstracts proceedings, poster presentations, (2019) pp. 239-239., 2019 | Balla Krisztina, Karsai Ildikó, Horváth Ádám, Veisz Ottó: A hőstressz szorításában, Agro Napló, 26: 7, 39-41., 2020 | Balla Krisztina, Karsai Ildikó, Kiss Tibor, Horváth Ádám, Berki Zita, Cseh András, Veisz Ottó: A búzák hőtűrésének vizsgálata kalászlás stádiumában, In: Bóna L., Karsai I., Matuz J., Pauk J., Polgár Zs., Veisz O. (szerk.) XXVI. Növénynemesítési Tudományos Napok, Összefoglaló kötet, Szeged, MTA Agrártudományok Osztálya Növénynemesítési Tudományos Bizottság, Magyar Növénynemesítők Egyesülete, pp.34, 2020 | Karsai Ildikó, Balla Krisztina, Cseh András, Kiss Tibor, Berki Zita, Horváth Ádám: Molekuláris genetika alkalmazása a klasszikus növénynemesítésben, In: Veisz, Ottó (szerk.) A martonvásári agrárkutatások hetedik évtizede Martonvásár, Magyarország: Agrártudományi Kutatóközpont Mezőgazdasági Intézet, (2019) pp. 99-115. , 17 p., 2019 | Balla Krisztina, Karsai Ildikó, Kiss Tibor, Horváth Ádám, Berki Zita, Cseh András, Veisz Ottó: A hőedzés hatása az őszi búzákra., In: Karsai I., Bóna, L., Veisz O., Polgár Zs., Mihály R., Balla K. (szerk.) XXVII. Növénynemesítési Tudományos Napok, Összefoglaló kötet, Martonvásár, Mezőgazdasági Intézet, pp. 49., 2021, 2021 | Kiss T., Balla K., Cseh A., Berki Z., Horváth Á., Vida Gy., Veisz O., Karsai I.: Assessment of the genetic diversity, population structure and allele distribution of major plant development genes in bread wheat cultivars using DArT and gene-specific markers., CEREAL RESEARCH COMMUNICATIONS - : - , 9 p. (2021), 2021 | Krisztina Balla, Ildikó Karsai, Tibor Kiss, Ádám Horváth, Zita Berki, András Cseh, Péter Bónis, Tamás Árendás, Ottó Veisz: Single versus repeated heat stress in wheat: What are the consequences in different developmental phases?, PLoS ONE 16(5): e0252070., 2021 |
|
|
|
|
|
|
Back »
|
|
|