The effect of combined light and moderate water stress on the sustenance of carbon and nitrogen metabolism during cold-acclimation in crop plants  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
120028
Type K
Principal investigator Majláth, Imre
Title in Hungarian A fény és a mérsékelt vízhiány hatása a szén és nitrogénasszimilációra különböző haszonnövények hidegakklimációja alatt
Title in English The effect of combined light and moderate water stress on the sustenance of carbon and nitrogen metabolism during cold-acclimation in crop plants
Keywords in Hungarian Fény, mérsékelt vízhiány, fotoszintézis, nitrogénasszimiláció, reaktív aldehidek, cukoranyagcsere
Keywords in English Light, moderate drought, photosynthesis, nitrogen assimilation, reactive aldehydes, sugar remobilisation
Discipline
Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Panel Complex agricultural sciences
Department or equivalent Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research)
Participants Darkó, Éva
Éva, Csaba
Hamow-Tajti, Judit
Nagy, Zoltán
Pál, Magda
Szalai, Gabriella
Starting date 2016-12-01
Closing date 2021-11-30
Funding (in million HUF) 36.440
FTE (full time equivalent) 6.89
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 globális klímaváltozás miatt egyre gyakoribbak a hőmérsékleti vagy csapadékeloszlási szélsőségek. A környezeti tényezők gyors változása az alkalmazkodás megváltozását okozza a növényekben. Az alacsony hőmérséklet és a vízhiány két meglehetősen fontos, növekedést befolyásoló tényező. Korábbi vizsgálataink során hidegtűrés kialakulásához vezető potenciális géneket és anyagcsere utakat sikerült azonosítani búzában, melyek génexpressziója fényfüggést mutatott. Kevésbé ismert azonban a fényintenzitás és a mérsékelt vízhiány együttes hatása az asszimilációs folyamatokra a hidegakklimáció alatt.
Előzetes eredményeink megerősítették, hogy a fényintenzitás és a mérsékelt szárazság külön-külön és együttesen is serkenti a durumbúza szén- és nitrogénasszimilációját alacsony hőmérsékleten. Előzetes vizsgálataink alapján felmerült a kérdés, hogyan változik az asszimiláció, a nettó fotoszintetikus aktivitás és a cukorszintézis a hidegperiódus hosszától és a dehidratáltság mértékétől függően. Az ozmolitok közül érdekesnek bizonyult az a megfigyelésünk, hogy alacsony fényintenzitás mellett a glicinbetain szintje vízellátottságtól függetlenül magasabb volt durumbúzában. Ennek a további, valamint a fotoszintetikus apparátus és az asszimilációs enzimekre kifejtett védő szerepének genetikai és élettani hátterét is szeretnénk feltárni az együttes hőmérsékleti és szárazságstressz alatt. Vizsgálni szeretnénk a reaktív aldehidformák anyagcseréjét és a vizsgált búza- és kukoricafajok toleranciáját is mesterséges reaktív aldehid válasz kiváltásával, valamint a fény és a mérsékelt szárazság együttes hatásának különbségeit a C3 és C4 fotoszintézis utakat követő két fajban.

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 témában végzett előzetes vizsgálataink során több kérdés is felmerült a mérsékelt vízhiány és a fény interakciójának a búza asszimilációs folyamatainak fenntartásában alacsony hőmérsékleten. Feltételezéseink alapján behatárolható egy közel-optimális dehidratáltsági tartomány, amely képes az anyagcsere fokozására a kedvezőtlen körülmények között. Másrészről az akklimatizáció ideje, valamint a megvilágítás erőssége befolyásolhatja a mérsékelt vízhiány asszimilációra kifejtett serkentő hatását.
A kutatás alapkérdése tömören az, hogy behatárolható-e egy közel optimális dehidratáltsági állapot a növényben, amely képes a búza asszimilációs folyamatait hidegstressz alatt fenntartani vagy fokozni, illetve mi játszódik le pontosabban a vizsgálatok során alkalmazott együttes stresszhatások alatt génexpressziós, biokémiai és enzimatikus szinten. Vizsgáljuk azt is, hogy mi történik az alapvetően hidegérzékeny és C4-es fotoszintézis utat követő asszimilációs stratégiával rendelkező kukoricában a fenti stresszkörülmények 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!
Eredményeink várhatóan további fontos információval szolgálnak a kombinált stresszhatások növényi asszimilációra kifejtett pontosabb hatásának megértéséhez. A kísérletek várhatóan közelebb juttatnak annak a dehidratáltsági szintnek a feltárásához, amely a járulékos védekezési folyamatok aktiválása révén hozzájárul az anyagcsere zavartalanabb működéséhez alacsony hőmérsékleti körülmények között. Terveink szerint közelebb kerülhetünk az előzetes vizsgálataink során durumbúzában megfigyelt, mérsékelt szárazság indukálta fotoprotektív-, szén-dioxid- és nitrogénasszimilációs folyamatok molekuláris hátterének megértéséhez. A membránok stresszindukálta lipidperoxidációs termékei a reaktív aldehidek, melyek szintje és a tolerancia háttere a búzában, illetve a kukoricában is kevéssé ismert, ezért a két fajt a különböző abiotikus stresszek alatt vizsgálva remélhetőleg feltárható lesz a reaktív aldehid tolerancia biológia háttere. A tervezett kísérletekből további eredmények várhatók a fénynek a glicinbetain anyagcsere szabályozásában való pontosabb szerepének megértéséhez. Várhatóan sikerül megállapítani azt is, hogy van-e a glicinbetainnak közvetlen hatása a kombinált stresszkezelések alatt a fotoszintetikus apparátus komponenseinek és a nitrogénasszimilációban résztvevő enzimek működésére. Érdekes kérdésnek bizonyulhat megválaszolni azt is, hogy melyek a hasonlóságok és különbségek a C3-as búza és a C4-es kukorica asszimilációs stratégiájában a tanulmányozott folyamatok segítségével a feni stresszkörülmények alatt. A kísérletek során alkalmazott fény és vízellátottság optimalizálásának pontosabb megismerése, illetve a vizsgált búza- és kukoricanövények reaktív aldehid toleranciájuk alapján való szelektálása és ennek mélyebb vizsgálata a stressztolerancia fokozásának esetleges jövőbeli gyakorlati alkalmazását is magában foglalja.

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 globális klímaváltozás hatásai, elsősorban a hőmérsékleti szélsőségek és a csapadékjárás megváltozása jelentős hatással van a mezőgazdasági termelésre. Az időjárás szélsőségei hazánkat sem kímélik. A helytülő életmódú növények számtalan stratégiát fejlesztettek ki a szélsőséges környezeti tényezők elviselésére. Jól ismert, hogy a növények a fagytűrésének kialakuláshoz elengedhetetlen egy előzetes, megfelelő hosszúságú és hőmérsékletű időszak (akklimáció), amely alatt fontos a fény erősségének a szerepe is.
Előzetes eredményeink megmutatták, hogy a normál megvilágítás képes a búza hidegellenállóságát növelni, illetve a csökkentett megvilágítás vízellátottságtól függetlenül – illetve az enyhe szárazság önmagában is – képes az asszimiláció egyes folyamatait fokozni az akklimatizációs időszak alatt. Az alacsony hőmérséklet alatti anyagcserét fokozó, a káros szint feletti kiszáradásos állapot szintjének pontosabb meghatározása és biológiai hátterének magyarázata azonban még sok megválaszolatlan kérdést tartogat.
A kérdések biológiai hátterét búza-, durumbúza és kukorica fajtákban vizsgáljuk élettani, biokémiai és genetikai szinten. A kutatás során arra keressük a választ, hogy mekkora az a vízvesztés, amely képes elősegíteni a hideghez való sikeresebb alkalmazkodást, fenntartani az anyagcsere folyamatok szintjét és állandóságát, vagyis biztosítani a növekedés és fejlődés – ezáltal a terméshozatal zavartalanságát. Vizsgálataink elvégzése során várhatóan közelebb kerülünk az enyhe szárazság hideg alatti előnyös hatásainak a megismeréséhez búzában és kukoricában.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
As a consequence of global climate change, extreme values of annual temperatures or rainfall distribution are becoming increasingly frequent in the world. Changes in environmental factors induce new adaptation processes in plants. The deleterious effects of low temperature and drought are well-known, whilst the priming effects of drought and light on the sustaining assimilation at low temperature is less-known.
On the basis our previous results, we try to reveal in more detail (1) how acclimation length and level of water shortage affect carbon and nitrogen assimilation and sugar remobilization at suboptimal temperature, (2) what is the effect of light intensity on the assimilation under combined cold and water stress and (3) which metabolic pathways compensate the drop in net photosynthesis under the combined stress conditions. Beside, we are planning to investigate (4) how membranes change in the dependence to light and water supply at suboptimal temperature via lipid peroxidation and reactive aldehyde (RA) level and which RA-detoxifying enzymes/systems are responsible for RA-tolerance among different species/cultivars. Can any of RA-detoxifying enzyme with high abundance or activity predict high drought tolerance of that cultivar? We will also clarify (5) how glycine betaine level changes under the combined stress conditions and (6) how glycine betaine synthesis affected by light under the combined stress. We will investigate metabolic pathways both at gene expression and biochemical levels. All of the results will be compared to find the differences in the sustenance of assimilation in wheat and maize under the combined stress conditions (7).

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.
On the basis of our preliminary findings, some new questions have arisen which is the deeper background of the priming effect of moderate drought on the assimilation at low temperature conditions. We hypothesize that the length of hardening time and light intensity greatly influence the adequate development of the priming processes induced by moderate water deprivation. We also guess that an optimal degree of dehydration can be determined which sustains assimilation.
The basic question of the planned study, how moderate water deficiency affects the sustenance of carbon and nitrogen assimilation in the dependence of illumination at suboptimal temperatures in wheat and maize plants. Additionally, we also examine which compensation and defence processes can be related to the changes in assimilation.

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 expected results may provide appropriate information about the sufficient acclimation time and level in water deprivation which can contribute to sustain photosynthetic performance and nitrogen assimilation higher at suboptimal temperature conditions. Exploration of a deeper background photoprotection processes, CO2 and nitrogen fixation and the changes in the sugar remobilisation will help to better understand the genetic and posttranslational regulation of these processes. Our study on the reactive aldehyde tolerance promises new information in the regulation and scavenge the deleterious effects of membrane lipid peroxidation. We possibly get closer to understand how glycine betaine is regulated by light during when water shortage and low temperature act simultaneously. Finally, we expectedly confirm possible compensating role of remobilization sugars from the carbohydrate reservoirs on the drop of net photosynthesis. Our expectedly results allow similarity analysis in the assimilation strategy between C3 wheat and C4 maize plants. Our results provide new insights into combined stress researches and hopefully support the work of plant breeders.

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.
Global climate change, extreme values of annual temperatures or rainfall distribution have a great impact on the agricultural productivity. Numerous studies have been confirmed that the development of adequate frost-tolerance in plants requires a previous period with certain temperature and length. It is well-known that the role of the light is also pivotal during this acclimation period. Drought is primarily harmful to plant life, however, our preliminary experiment suggest that a certain level of water shortage can be advantageous to the sustenance of growth and development at low temperature. Both length of cold and the adequate level of water deprivation is still open to research.
In our study, we try to find the appropriate level of the factors, to reveal the background of the changes in assimilation and stress defence at both physiological, biochemical and genetic levels. We using wheat, durum wheat and maize cultivars with contrasting cold-tolerance in the experiments. Data of all species will be compared to unravel the differences in the assimilation strategies under adverse environmental conditions. Confirmation of possible stress-related genes may serve as molecular markers for plant breeding.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projekt két elsődleges célunk volt megmutatni, hogy a szárazság képes-e, ha igen, milyen körülmények között és hogyan elősegíteni a búza és kukorica fejlődését és növekedését. Munkánk során bebizonyosodott, hogy a durumbúza hidegen történő korai növekedése alatt alkalmazott időzített, kíméletes vízmegvonás elősegíti az asszimilációt és serkenti a szénhidrát metabolizmust. Búzában főleg a nitrát redukció, kukoricában a fényhasznosítási ráta, CO2 fixációs ráta és a glutamin bioszintézis volt a legjobban befolyásolt élettani folyamat. Eredményeinket referált szakfolyóiratban közöltük. Másodsorban kíváncsiak voltunk, lehetséges-e a hideg- vagy fagytűrés javítása gabonafélékben, illetve kukoricában. Fontos új eredmény volt, hogy a búza fagytűrése metilglioxál előkezeléssel javíthatónak bizonyult, előzetes hideg akklimáció nélkül. A kukorica minimum hőmérsékleten történő csírázása is jobbnak bizonyult a magok metilglioxállal történő előzetes kezelése után. A molekuláris háttér feltárását D1-es szaklapban közöltük. Összefoglalva arra a következtetésre jutottunk, hogy a haszonnövények hidegellenállósága fokozható egy megfelelő mértékű és jól időzített másik környezeti stressztényező behatásával üvegházi körülmények között, illetve reaktív aldehidek megfelelő külsőleges alkalmazásával is elérhető egy jobb alacsony hőmérséklet tűrés. Kukoricában normál fénynél jobban megfigyelhető volt a szárazságedzés pozitív hatása, amely a hidegben önmagában erősen káros a növény számára.
Results in English
The major question of the project was that, can moderate drought facilitate the undesirable effects of cold in wheat and maize. If so, what is the background of the phenomena. We found the optimum level of soil moisture for drought hardening which is efficient to improve the cold-tolerance. Based on our published results, it can be declared, that a mild water deficiency induces various stress defence pathways both in wheat and maize. Nitrate reduction in wheat as well as light utilization, CO2 fixation and glutamine biosynthesis in maize were the most highlighted, drought facilitated processes. Secondly, we studied that, how reactive aldehyde induced physiological response mitigates low temperature stress? This chemical hardening procedure using methylglyoxal was optimised, the background were clarified and published in two papers. Our novel results showed, that wheat cultivars showed enhanced freezing survival after methylglyoxal spraying without cold-acclimation, and germination of the cold-sensitive maize was facilitated by seed-soaking in methylglyoxal. The versatile underlying molecular mechanism was unravelled and results were published in a D1-ranked journal. Finally, we can say that drought as a co-stress, as well as reactive aldehyde compounds efficiently able to promote the development of cold-tolerance in crop plants. In maize, the positive effect of drought was clearly observed under normal light, which lighting is more deleterious than low light in the cold.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=120028
Decision
Yes





 

List of publications

  
Rahman Altafur, Majláth Imre, Pál Magda: Methylglyoxal stimulates stress signaling and germination of maize at suboptimum temperature, In: Teuta, Iljazi; Tuba, Firat (szerk.) Proceedings book, BZT Academy Publishing House (2021) pp. 61-61., 2021
Majláth Imre, Éva Csaba, Hamow Kamirán Áron, Kun József, Pál Magda, Rahman Altafur, Palla Balázs, Nagy Zoltán, Gyenesei Attila, Szalai Gabriella, Janda Tibor: Methylglyoxal Induces Stress Signaling and Promotes the Germination of Maize at Low Temperature, PHYSIOLOGIA PLANTARUM, 2021
Khalil R., Tajti J., Hamow K.Á., Gondor O. K., Darko E., Elsayed N., Nagy Z., Szalai G., Janda T., Majláth I.: How does moderate drought affect quantum yield and the regulation of sugar metabolism at low temperature in durum wheat (Triticum durum L.)?, PHOTOSYNTHETICA 59: (2) pp. 313-326., 2021
Majláth Imre, Éva Csaba, Tajti Judit, Khalil Radwan, Elsayed Nesma, Darko Eva, Szalai Gabriella, Janda Tibor: Exogenous methylglyoxal enhances the reactive aldehyde detoxification capability and frost-hardiness of wheat, PLANT PHYSIOLOGY AND BIOCHEMISTRY 149: (-) pp. 75-85., 2020
Majláth I, Darko E, Végh B, Németh E, Nagy Z: The response to moderate drought on the light utilisation of crop plants at suboptimal temperature, A Magyar Növénybiológiai Társaság XII. Kongresszusa 2017. augusztus 30. – szeptember 1. Szeged, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont PROGRAM ÖSSZEFOGLALÓK ISBN 978-963-12-, 2017
Németh E, Nagy Z, Végh B, Darkó É, Majláth I: Impact of combined abiotic stress conditions on nitrogen metabolism of crop plants, A Magyar Növénybiológiai Társaság XII. Kongresszusa 2017. augusztus 30. – szeptember 1. Szeged, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont PROGRAM ÖSSZEFOGLALÓK ISBN 978-963-12-, 2017
MAjláth I, Németh E, Darko Eva, Éva Cs, Végh B: The effect of moderate drought on the assimilation in the dependence to light at suboptimal temperature in monocotyledonous crop plants, Abstract Book for the Plant Biology Europe Conference in Copenhagen 2018 ISBN: 978-87-996274-1-7, 2018
MAjláth I, Éva Cs, Tajti J, Németh E: Az exogén metilglioxál kezelés hatása a búza asszimilációjára alacsony hőmérsékleten, Hazai Fotoszintézis-kutatók Találkozója 2018. november 7-9., Mátrafüred, 2018 ISBN 978-615-00-3750-9, 2018
Éva Cs, Oszvald M, Tamás L: Lehetőségek a fotoszintetikus hatékonyság javítására, Hazai Fotoszintézis-kutatók Találkozója 2018. november 7-9., Mátrafüred, 2018 ISBN 978-615-00-3750-9, 2018
Csaba Éva, Judit Tajti, Radwan Khalil, Edit Németh, Nesma Elsayed, Gabriella Szalai, Imre Majláth: Abiotic stress and climate change, In: Abstract Book SEB Seville 2019, (2019) pp. 69-69., 2019
Imre Majláth, Edit Németh, Eva Darko, Judit Tajti, Radwan Khalil, Nesma Elsayed, Balázs Végh, Gabriella Szalai, Tibor Janda: The effect of CO2 on the net photosynthetic performance of C3 and C4 crop plants under combined abiotic stress, In: David, Edwards; Rodomiro, Ortiz (szerk.) 3rd Agriculture and Climate Change Conference, (2019) P079, 2019
Majláth Imre, Éva Csaba, Tajti Judit, Khalil Radwan, Elsayed Nesma, Darko Eva, Szalai Gabriella, Janda Tibor: Exogenous methylglyoxal enhances the reactive aldehyde detoxification capability and frost-hardiness of wheat, PLANT PHYSIOLOGY AND BIOCHEMISTRY 149: (-) pp. 75-85., 2020




 

Events of the project

  
2022-01-10 11:25:45
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Növényélettani Osztály (Agrártudományi Kutatóközpont), Új kutatóhely: Mezőgazdasági Intézet (Agrártudományi Kutatóközpont).
2020-04-21 17:12:15
Résztvevők változása



Back »