 |
Subcellular studies of protein phosphatase-oxidative stress relationships in model plants
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
120638 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Máthé, Csaba István |
| Title in Hungarian |
A protein foszfatáz- oxidatív stressz kapcsolat sejtszintű vizsgálata modellnövényekben |
| Title in English |
Subcellular studies of protein phosphatase-oxidative stress relationships in model plants |
| Keywords in Hungarian |
reaktív oxigéngyökök, protein foszfatáz, növényi sejt, mikrotubulus, mikrofilamentum, kromatin, mitosis, programozott sejthalál |
| Keywords in English |
reactive oxygen species, protein phosphatase, plant cell, microtubule, microfilament, chromatin, mitosis, cell death |
| Discipline |
| Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Plant development |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Department of Botany (University of Debrecen) |
| Participants |
Garda, Tamás
Mikóné Hamvas, Márta
Vasas, Gábor
|
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2019-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
23.671 |
| FTE (full time equivalent) |
4.61 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az edényes növényekben az oxidatív stresszt és a reaktív oxigéngyökök (ROS) képződését számos abiotikus és biotikus tényező- így a szárazság, a szélsőséges hőmérsékletek, a patogének válthatják ki. Az oxidatív stressz jelentős mértékben változtatja meg a növény fiziológiai állapotát, a termesztett növények produktivitását. Jelen pályázat az oxidatív stressz és a protein defoszforiláció kapcsolatának feltárását célozza meg. Elsősorban a citoszkeleton és a kromatin szerveződés változásait kutatjuk. Modellnövényeink: Arabidopsis, Vicia faba/ kétszikűek és a kukorica (Zea mays), mint egyszikű modell. Az oxidatív stressz- protein foszfatáz kapcsolatot eddig kevéssé vizsgálták. Fő célkitűzéseink: (i) az oxidatív stressz által indukált citoszkeleton és kromatin szintű változások kimutatása mitotikus és nem osztódó sejtekben, a sejthalál során. (ii) protein foszfatáz gátlószerek citoszkeleton és kromatin szintű hatásainak összevetése a ROS hatásaival, átfedő hatások és ezzel a protein foszfatázok oxidatív stresszreguláló szerepének detektálása. (iii) Oxidatív stresszreakciók szabályozásában szerepet játszó foszfoproteinek detektálása. A kutatás nemzetközi jelentőségű, a kutatócsoport által végzett növényi sejtbiológia kutatások folytatását teszi lehetővé. Nemzetközi együttműködések kiindulópontja, azok megerősítését teszi lehetővé. A vezető kutató és a pályázatban résztvevő kutatók eddigi tudományos tevékenysége és tapasztalata lehetővé teszi a fenti célkitűzések megvalósítását. Előkísérleteink eredményességét bizonyítja, hogy az utóbbi években kutatócsoportunk jelentős publikációkat hozott létre ebben a kutatási témában.
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.
Az 1 és a 2A típusú protein foszfatázok (PP1 és PP2A) számos sejtszintű folyamat szabályozásában vesznek részt az eukarióta, köztük a növényi sejtekben. Hipotézisünk: az oxidatív stresszválaszok regulálásában is fontosak. Ennek ellenére, az eukarióta és főként a növényi sejtekben ezt a kérdést kevesen vizsgálták, ami növeli várható eredményeink jelentőségét. Jelen pályázat elsősorban a mikrotubulus (MT), mikrofilamentum (MF) és a kromatin, emellett a mitokondriumok és a peroxiszómák szerveződésének vizsgálatát célozza meg, mitotikus és nem osztódó növényi sejtekben. Korábban bizonyítottuk, hogy a protein foszfatázok gátlása során a növényi sejt MT és kromatin szerveződése rendellenes. Ugyanakkor, több foszfatáz gátlóról kiderült, ROS képződést is indukálnak. A következő fő kérdésekre keressük a választ: (i) vannak-e olyan sejtszintű változások, amelyeket a foszfatáz gátlás és az oxidatív stressz egyaránt kivált? (ii) a várhatóan hasonló elváltozásokat okozhatja-e az oxidatív stressz és a protein foszfatázok közötti, közvetlen összefüggés?; (iii) milyen foszfoproteinek szabályozzák az oxidatív stressz által kiváltott sejtszintű változásokat?
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 tervezett munka jelentős alapkutatási téma, de gyakorlati jelentősége is számottevő lehet. Fő jelentősége: jelentősen járul hozzá a modellnövények, köztük termesztett növények sejt- és biokémiai szintű oxidatív stresszreakcióinak jobb megértéséhez. A protein foszfatáz-oxidatív stressz interakció jelentős lehet, ennek ellenére napjainkig kevéssé kutatott. Ide tartoznak a következő területek: (i) hozzájárul a protein foszfatázok az oxidatív stresszreakció (ROS képzés, antioxidáns szerepet játszó enzimek aktivitásának növekedése) szabályozásában játszott szerepének feltárásához. Hozzájárul a ROS által indukált citoszkeleton és kromatin szintű változások megértéséhez. A PP1 és a PP2A ezzel kapcsolatos szerepe kevéssé ismert. (ii) A kutatás valószínű gyakorlati alkalmazása: a ROS képződés jelentősen befolyásolja az edényes növények fiziológiai állapotát, csökkenti a termesztett növények produktivitását. A ROS képződés és a protein foszfatázok közötti összefüggés feltárása a növényi oxidatív stressz jobb megértéséhez, ezáltal a termesztett növényekben az oxidatív stressz kivédés stratégiájának kidolgozásához járulhat hozzá. Kutatásaink tehát az oxidatív stressz sejtszintű hatásainak- különös tekintettel a citoszkeletonra és a kromatinra- jobb megértését, hosszú távon a gyakorlatban jobb kontrollját eredményezhetik. Eredményeinket előreláthatóan rangos nemzetközi szakfolyóiratokban publikáljuk.
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.
Környezeti tényezők, mint a szárazság, szélsőséges hőmérsékletek vagy a kórokozók oxidatív stresszt váltanak ki az edényes, köztük a termesztett növényekben. Ez reaktív oxigéngyökök (ROS) termelésével jár, amely sejtszintű károsodást, végül sejthalált okoz- a növények növekedését, produktivitását gátolva. A protein foszfatázok (olyan enzimek, amelyek fontos proteinek foszfátcsoportjait hasítják, ezzel működésüket befolyásolják) fontos szerepet játszanak a sejt életműködéseinek szabályozásásban, de a ROS termelésben játszott szerepüket kevéssé értjük. Jelen pályázat éppen ezen kapcsolat kutatását célozza meg. A projekt alapkutatás jellegű, de gyakorlati haszna is lehet: a modell- illetve kultúrnövények növekedésének jobb megértését- ezáltal kontrollját-, tehát mezőgazdasági célokat szolgál. Három modellnövényt- köztük a lóbabot és a kukoricát, mint fontos kultúrnövényeket- fogjuk kutatásaink során vizsgálni. A sejtváz alkotói, szerveződésük fontos szerepet játszanak az osztódó és a nem osztódó sejtekben. Az állati, gomba és a növényi sejtekben az örökító anyag speciális fehérjékhez kapcsolódik, létrehozva a kromatint. A következő kérdésekre keressük a választ: (i) hogyan befolyásolja a ROS a citoszkeleton és a kromatin, ill. egyéb fontos növényi sejtalkotók szerveződését, és milyen kapcsolatban van ez a protein foszfatázokkal? (ii) Milyen típusú protein foszfatázok és foszforilálható fehérjék játszanak szerepet ezekben a folyamatokban? A tervezett munka nemzetközi szinten jelentős tudományos publikációk megjelenítését vetíti előre, a gyakorlatban pedig hozzájárulhat a mezőgazdasági növények növekedésének, produktivitásának jobb ellenőrzéséhez.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Oxidative stress and the accumulation of reactive oxygen species (ROS) is induced by a wide variety of abiotic and biotic factors, affecting physiological processes of higher plants and crop productivity. This research project focuses on understanding the role of protein dephosphorylation on the generation and scavenging of reactive oxygen species (ROS). Studies at the cellular level will focus mainly on ROS induced changes in cytoskeletal and chromatin organization. Model plants involved: Arabidopsis, Vicia faba/ dicots and maize (Zea mays) as a C4-type monocot. The importance of this study: although the cellular effects of ROS are extensively studied in higher plants, the regulatory role of protein dephosphorylation in oxidative stress is less understood. The main goals: (i) detection of changes induced by ROS in the organization of cytoskeleton and chromatin in mitotic and non-mitotic cells and the relevant alterations during programmed cell death. (ii) the analysis of the effects of protein phosphatase inhibition on the above processes to detect common phenomena for phosphatase inhibition and ROS accumulation and (iii) detection of phosphorylable proteins that are involved in ROS scavenging to have an insight into the biochemistry of ROS scavenging-protein phosphatase interplay. The present research project is of worldwide interest and therefore can start and strenghten international collaborations. This proposal will contribute to the continuation of the study of cytoskeletal and chromatin organization in plant cells at the University of Debrecen. The research team had important contributions and published several important papers on this topic.
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.
Protein phosphatases of type 1 and 2A (PP1 and PP2A) are involved in key cellular events in eukaryotic including plant cells. Our main hypothesis is that they play an important role in the regulation of plant and in general, eukaryotic oxidative stress responses. The role of PP1 and PP2A in the oxidative stress responses at the subcellular level are generally poorly studied in plants. Our proposed work will make a significant contribution in this research area. We will focus on the responses of cytoskeleton- microtubules (MTs) and microfilaments (MFs) and chromatin and in addition, of mitochondria and peroxisomes in mitotic and non-mitotic plant cells. We have previously shown that the inhibition of protein phosphatases induces characteristic alterations in mitotic and non-mitotic MT and chromatin organization. However, protein phosphatase inhibitors induce the production of ROS as well. The key questions to be solved will be: (i) are there common cellular alterations induced by both protein phosphatase inhibitors and ROS? (ii) are these common mechanisms due to the direct regulation of oxidative stress responses by protein phosphatases? (iii) what are the phosphorylable proteins involved in cellular (cytoskeletal, chromatin, organellar) oxidative stress responses?
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 primary importance of the proposed research work will be in fundamental research, but it involves practical aspects as well. The main impact will be on a better understanding of cellular and biochemical mechanisms underlying oxidative stress in model plants including crops. The relationship between protein phosphatase activities and oxidative stress is still poorly understood even though research in this field can give a major contribution to the understanding of plant stress responses. This project addresses the following issues: (i) Contribution to a better understanding of the role of protein phosphatases in the development of plant oxidative stress responses: the formation of reactive oxygen species (ROS) and enzymatic defence responses. This involves the elucidation of cellular responses, mainly cytoskeleton and chromatin organization during oxidative stress in mitotic and non-mitotic cells. The involvement of type 1 and 2A protein phosphatases in these important physiological events is still poorly understood. (ii) The applied issue: ROS generation affects the general physiological state of a plant, having negative effects on crop productivity. By studying the effects of protein dephosphorylation and ROS generation/scavenging, we can contribute to devising better control strategies for combating oxidative stress in plants. Overall, the research proposed will have an important contribution to the understanding of the regulation of plant oxidative stress and as such, in the long term will contribute to a better control of growth of model and agronomically important plants. Our results will be targeted for publication in important international scientific journals.
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.
Environmental factors like drought, extreme temperatures or pathogens induce oxidative stress in crop plants that involve the production of reactive oxygen species (ROS), altering cell structure, leading to cell death, having detrimental effects on plant growth and productivity. We will study the role of protein phosphatases, important regulator proteins (that dephosphorylate, thus regulate the functioning of certain enzymes or other proteins), in the control of oxidative stress. This relationship is not well understood, and the proposed project intends to give pioneer contributions. It is fundamental research, but is has potential practical applications as well. Thus, the present project can contribute to the better control of the productivity of agronomically important crops. We will involve three model plant systems and among them, faba bean and maize are important crops. The cytoskeleton regulates many cellular events in dividing and non-dividing cells. The genetic material of animal, plant and fungal cells is organized to nucleic acid-protein complexes called chromatin. This proposal intends to answer the following questions: (i) how ROS alter cytoskeleton and chromatin organization or other essential plant cell components and how protein phosphatases interfere with this? (ii) What types of protein phosphatases and which phosphorylable proteins are playing in all these processes? Publication in important scientific journals is expected and the research has potential practical use as well. By giving new insights in the mechanisms of oxidative stress development, at long term the project can contribute to the control of crop productivity.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
