 |
From morphological adaptation to growth inhibition: role of heavy metal-induced nitro-oxidative stress in plant root development
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
120962 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Feigl, Gábor |
| Title in Hungarian |
Morfológiai adaptációtól növekedésgátlásig: a nehézfém-indukált nitro-oxidatív stressz szerepe a növények gyökérfejlődésében |
| Title in English |
From morphological adaptation to growth inhibition: role of heavy metal-induced nitro-oxidative stress in plant root development |
| Keywords in Hungarian |
növény, gyökér, nehézfém, stressz, adaptáció, növekedésgátlás, nitro-oxidatív stressz |
| Keywords in English |
plant, root, heavy metal, stress, adaptation, growth inhibition, nitro-oxidative stress |
| Discipline |
| Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences) | 60 % | | Ortelius classification: Crop physiology | | Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences) | 40 % |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Department of Plant Biology (University of Szeged) |
| Participants |
Ördögné Kolbert, Zsuzsanna
|
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2019-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
15.264 |
| FTE (full time equivalent) |
2.40 |
| 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 gyökérrendszer korai fejlődése alapvető fontosságú a növény egész élete szempontjából, ennek szabályozását bonyolult, endogén és környezeti jeleket magába foglaló rendszer végzi. A nehézfémek, mint külső faktorok mennyiségüktől függően eltérő hatást gyakorolhatnak a fejlődő gyökérre: alacsony koncentrációban stressz-indukált morfológiai válasz (SIMV; adaptációs válasz, elágazóbb, sekélyebb gyökér), míg nagyobb mennyiségben növekedésgátlás kialakulásához vezethetnek. A növények a kutatásban általánosan alkalmazott homogén eloszlás mellett több más módon is kapcsolatba kerülhetnek a nehézfémekkel, így annak vizsgálata, hogy a nehézfémek eloszlása befolyásolja-e a kialakuló választ, nagy gyakorlati jelentőséggel bír mezőgazdasági modellnövények esetén. A különböző, nem szándékos szennyezések mellett bevett mezőgazdasági technika a szennyvíz felhasználása trágyázásra. Az ezt szimuláló, kombinált kezelésnek kitett növények gyökerének vizsgálata fontos adatokat biztosíthatna a módszer biztonságosságának megítélésében. A növekedést irányító jelátviteli hálózat része a nitro-oxidatív jelátviteli rendszer, ami a nitrozatív és oxidatív stressz elemeinek és következményeinek integrált jellemzését teszi lehetővé. Kulcselemének, a nitrogén-monoxidnak (NO), mint fejlődést befolyásoló molekulának szerepét a nehézfémek által kiváltott növekedési válaszokban korábbi kutatásainkban igazoltuk. Jelen projekt esetén a nitro-oxidatív státuszban bekövetkező válaszokat valamint az egyensúly felborulása miatt bekövetkező poszttranszlációs módosulásokat (PTM; nitráció, S-nitroziláció) vizsgálnám SIMV, növekedésgátlás valamint kombinált stressz esetén.
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 nehézfémek felhalmozódása a talaj felsőbb rétegeiben jellemző, ezért kísérleti rendszeremben (földdel töltött rhizotron) elsőként ezt a nagyrészt környezetszennyezés miatt kialakuló nem homogén nehézfém eloszlást kívánom modellezni. A kiindulási állapotban inhomogén eloszlás mellett vizsgálnám az öntözéssel a rendszerbe juttatott nehézfémek hatását, valamint összehasonlítanám a homogén nehézfém-szennyezettségű talaj gyökérarchitektúrára gyakorolt hatásával is. Feltételezhető, hogy az eltérő módon eloszló nehézfémek eltérő hatást gyakorolnak a gyökérrendszerre, így alapvető kérdés, hogy befolyásolja-e a SIMV kialakulását a nehézfémek heterogén eloszlása a homogénhez képest. A nehézfémek eloszlásának hatása mellett összehasonlítanám a SIMV és az 50%-os növekedésgátlást kiváltó nehézfém koncentrációk hatását is, valamint vizsgálnám továbbá a kombinált nehézfém stressz hatását is a gyökérrendszer fejlődésére. Mivel a kutatás fókuszpontjában a nitro-oxidatív stressz vizsgálata áll, ezért feltérképezve a reaktív oxigén- és nitrogénformák (ROF és RNF) dinamikáját valamint a hatásukra kialakuló PTM-at, felderíthető lesz a különböző morfológiai változások és a RNF-függő PTM-ok közötti viszony. Hipotézisem szerint a számos, gyökérzet szerkezetét meghatározó faktor mellett a nitro-oxidatív stressz eredőjeként felfogható RNF-függő PTM-ok is szerepet játszhatnak a különböző morfológiai alterációk kialakulásában.
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 kutatás több tekintetben is újszerűen, gyakorlati és elméleti szempontokat is figyelembe véve vizsgálja a nehézfém-indukált változásokat a gyökér architektúra alakulásában. A különböző nehézfém-expozíciós elrendezések vizsgálata életszerűen és reprodukálható módon vizsgálná a valóságban gyakran előforduló szituációkat és választ adhat olyan kérdésekre, mint képesek-e a mezőgazdasági növények átnőni a talaj szennyezett felső rétegén, vagy hogyan hat korai fejlődésükre a kombinált nehézfém kitettség. Ezen kérdések megválaszolása egyre inkább aktuális, egyrészt a szennyezett területek növekedése, másrészt a szennyvíz, mint trágya elterjedt felhasználása miatt. A SIMV fenotípus és az 50%-os gyökérnövekedési gátlás kialakulását kiváltó nehézfém koncentrációk összehasonlítása segíthet felderíteni a különbséget a növényekben a nehézfémek hatására kialakuló eltérő válaszreakciók között. A két eltérő választ azonos rendszerben összehasonlító kutatás segíthet tisztázni az adaptáció és a nehézfémek okozta növekedésgátlás közötti alapvető különbségeket.
Eredményeim a gyakorlati szempontok mellett hozzájárulhatnak a nehézfémek által kiváltott nitro-oxidatív stressz és gyökérszerkezet-változások kapcsolatának felderítéséhez, különös tekintettel a NO-függő poszttranszlációs módosulások hatására. Ezeket a makromolekula-módosulásokat egyre több helyen kutatják a világban, de a nehézfémek hatására növényekben kialakuló változásaikról a tervezett kutatáshoz hasonló komplex rendszerben még nem vizsgálták. Az eredmények várhatóan hozzájárulnak a növények nehézfém stresszre adott válaszaival kapcsolatban rendelkezésünkre álló ismeretek bővítéséhez, így közvetlenül hasznosulhatnak akár a különböző fitoremediációs technológiák fejlesztése során.
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 növények gyökere kitüntetett szereppel bír az egész növény életének szempontjából. Helyhez kötött életmódjukból fakadóan a növények számos módon kénytelenek és képesek reagálni az őket ért stressz hatásokra. Ilyen környezeti stressz az elsősorban emberi tevékenységnek köszönhető nehézfém szennyezés, ami súlyosságától függően eltérő módon hat a növények életére. Alacsony mennyiségű nehézfém hatására a növények képesek a gyökérrendszerük növekedését megváltoztatni, így alkalmazkodva egy kevésbé mélyre hatoló ámde elágazóbb szerkezetet kialakítani. Magas koncentrációban a nehézfémek látványosan gátolják a gyökér növekedését, így limitálva a víz- és tápanyagfelvételt, kihatva ezzel az egész növény életére, fejlődésére. A gyökér fejlődését bonyolult, számtalan összetevőből álló jelátviteli rendszer szabályozza, amit több ponton képesek megzavarni a különböző stresszorok, így a nehézfémek is. A belső egyensúly felborulása olyan módosulásokat okoz, amik megzavarják a gyökeret alkotó sejtek normális működését, így annak növekedése módosul vagy épp gátlódik. Munkám egyik célja a nehézfémek, mint stresszorok különböző eloszlásának és mennyiségének vizsgálata mezőgazdasági növények gyökérnövekedésére, valamint az ezen változások hátterében álló nitro-oxidatív stressz-függő fehérjemódosulások feltérképezése, azok szerepének meghatározása. Ehhez kapcsolódik munkám másik fő célkitűzése: a mezőgazdaságban felhasználható szennyvizek (törvényileg szabályozott) nehézfémtartalmának hatásának vizsgálata a haszonnövények gyökérnövekedésére és ezen kombinált nehézfém kezelésre adott válasz mögött húzódó folyamatok felderítése.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The early development of the root system is highly important for the plants’ whole life; it is regulated by a complex system which integrates endogenous and environmental signals. Heavy metals (HMs) as exogenous factors have a different, concentration-dependent effect on the developing root: low concentrations cause stress-induced morphogenic response (SIMR, adaptation mechanism, more branched, shallower roots), while higher concentrations inhibit growth. Plants encounter heavy metals in many different ways, not only the widely studied homogenous distribution. Thus investigation of the effect of vertical distribution of HMs on the root development of crops has a great importance. Besides unintentional contamination of plants with pollutants, the reuse of sewage as a fertiliser may also lead to HM contamination. Examination of the effect of combined HM treatment, as a model, could provide important data for assessing the safety of this practice. Nitro-oxidative signalling pathways are integral part of the system responsible for the control of growth; it provides the integrated characterisation of the consequences of nitrosative and oxidative stress. We proved the role of nitric oxide (NO) as key player in the heavy metal-induced growth responses in our previous studies. In the present project the changes in the nitro-oxidative status and the dependent posttranslational modifications (PTMs; nitration, S-nitrosylation) would be studied during SIMR, growth inhibition and combined HM stress.
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.
Heavy metals typically build up in the upper layer of soils, therefore in my experimental system (rhizotron filled with soil) I plan to simulate and study the effect of non-homogenous HM distribution, as the result of pollution. I would compare the effect of homogenous with inhomogeneous HM distribution on root architecture, together with the effect of HMs dispensed to the system by watering. It is presumable that the development of the root system is differently affected by the different HM distribution, thus it is a fundamental question as to whether the vertically heterogeneous HM distribution can affect the emergence of SIMR compared to homogeneous. Besides the effect of HM dispersion, I would determine and compare the effects of HM concentrations causing SIMR and 50% growth inhibition. Moreover, I would investigate the effect of combined HM treatment on the root development. Since the proposed research focuses on nitro-oxidative stress, the exploration of the dynamics of reactive oxygen- and nitrogen species (ROS and RNS) together with the dependent PTMs would make it possible to determine the connections between RNS-dependent PTMs and morphological alterations. According to my hypothesis, besides the many known factors defining the architecture of the root system, RNS-dependent PTMs, as the results of nitro-oxidative stress also might play a role in the development of different morphological alterations.
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 proposed research examines the heavy metal-induced changes in root architecture in a new way in many aspects, taking several practical and theoretical aspects into account. The comparison of different HM exposition layouts would provide a lifelike and reproducible investigation of real-life scenarios and could answer questions, such as whether young crop seedlings are able to grow through on the upper, HM-contaminated layer of the soil, or how their development is affected by combined HM treatment. Solving these queries is more and more pertinent, partly because of the increase in HM contaminated areas, and partly because the increasing re-use of sewage as a fertiliser. The evaluation and comparison of the HM concentrations causing SIMR and 50% growth inhibition could help to explore and explain the differences between the different HM-induced response reactions. Investigating the two different reactions in the same experimental system could also ascertain the basic dissimilarities behind the adaptation and HM-induced growth inhibition. Besides the practical aspects, my results could contribute to the exploration of the connection between HM-induced nitro-oxidative stress and root system architecture alterations, in particular to the role of NO/RNS-dependent PTMs. These modifications are more and more investigated worldwide, however, to my best knowledge, they have not been studied in a complex experimental system similar to that presently described. The results will presumably provide valuable new information to the body of knowledge about the responses of plants to HM stress, thus they may be directly utilized in the development of various phytoremediation technologies.
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.
The root has a special role in terms of the whole life of the plant. Since they live their entire lives in the same spot, they are able and (at times) forced to react in many ways to the stress factors they face. An example of such a stress factor is heavy metal pollution. Mostly due to human activity, pollution affects their lives in different ways, depending on severity. Plants can change the growth and development of their root system due to low-concentration of heavy metal stress, thereby adjusting and forming a less deep and more branched structure. In higher doses, heavy metals can spectacularly inhibit root growth, in order to limit the water- and nutrient uptake, affecting the growth and life of the whole plant. Root development is regulated by a complex signal transduction system with numerous components, which can be disturbed by stressors, like heavy metals in many different ways. The internal imbalance can lead to modifications which hinder the normal function of the cells in the roots, causing its growth to become altered or even inhibited. One of the aims of my work is the investigation of the effect of the concentration and distribution of heavy metals as stressors on the root development of crop plants, together with the exploration and determination the role of the underlying nitro-oxidative stress-dependent protein modifications. This is connected to the another main objective of my proposed project: the examination of the effect of the heavy metal content (as regulated by the law) of sewage used in agriculture on the root development of crop pants, and the study of the fundamental mechanisms behind the responses to combined heavy metal stress.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Feigl Gábor, Molnár Árpád, Szőllősi Réka, Ördög Attila, Törőcsik Kitti, Oláh Dóra, Bodor Attila, Perei Katalin, Kolbert Zsuzsanna: Zinc-induced root architectural changes of rhizotron-grown B. napus correlate with a differential nitro-oxidative response, NITRIC OXIDE-BIOLOGY AND CHEMISTRY 90: pp. 55-65., 2019 | | Gábor Feigl, Árpád Molnár, Dóra Oláh, Ádám Czifra, Zsuzsanna Kolbert: COMBINED HEAVY METAL TREATMENT AFFECTS NITRO-OXIDATIVE STATUS OF RAPESEED AND SUNFLOWER ROOTS DIFFERENTLY, In: Jörg, Durner; Christian, Lindermayr; Diana, Lochner (szerk.) 14th International Conference on Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Plants, (2019) p. 97., 2019 | | Gábor Feigl, Árpád Molnár, Jolán Krajner, Dóra Oláh, Zsuzsanna Kolbert: The effect of different vertical zinc distribution on the early root development and zinc accumulation of Brassica napus, Proceedings of the 24th International Symposium on Analytical and Environmental Problems, 2018 | | Zsuzsanna Kolbert, Gábor Feigl, Ádám Bordé, Árpád Molnár, László Erdei: Protein tyrosine nitration in plants: Present knowledge, computational prediction and future perspectives, PLANT PHYSIOL BIOCH 113: 56-63, 2017 | | Feigl Gábor, Molnár Árpád, Oláh Dóra, Kolbert Zsuzsanna: A fehérje tirozin nitráció mint az elemtöbblet által indukált nitro-oxidatív stressz indikátora növényekben, In: Poór, Péter; Blázovics, Anna (szerk.) Magyar Szabadgyök-Kutató Társaság X. Kongresszusa, Szegedi Tudományegyetem (2019) p. 25., 2019 | | Gábor Feigl, Árpád Molnár, Jolán Krajner, Dóra Oláh, Zsuzsanna Kolbert: The effect of different vertical zinc distribution on the early root development and zinc accumulation of Brassica napus, Proceedings of the 24th International Symposium on Analytical and Environmental Problems, 2018 | | Gábor Feigl, Árpád Molnár, Réka Szőllősi, Kitti Törőcsik, Dóra Oláh, Zsuzsanna Kolbert: Distinct nitrosative response behind zinc-induced root architectural changes in Brassica napus L., 7th Plant Nitric Oxide International Meeting, 2018 | | Zsuzsanna Kolbert, Réka Szőllősi, Gábor Feigl: Selenium-Induced Abiotic Stress Tolerance in Plants, Plant Tolerance to Environmental Stresses, Chapter 16, 2018 | | Gábor Feigl, Nóra Lehotai, Árpád Molnár, Ádám Bordé, Zsuzsanna Kolbert: Excess element-induced protein tyrosine nitration as the marker of nitrosative stress in plants, In: Catherine Bellini, Karin Ljung, Stéphanie Robert (szerk.) (szerk.) 8th International Symposium on Root Development . Umea, Svédország, 2017.05.29-2017.06.01. Kiadvány: Umea: Umea University, 2017. pp. 81 Paper P20. , 2017 | | Dóra Oláh, Árpád Molnár, Réka Szőllősi, Gábor Feigl, Zsuzsanna Kolbert: NICKEL-INDUCED ROS AND RNS IMBALANCE IN BRASSICACEAE, In: Jörg, Durner; Christian, Lindermayr; Diana, Lochner (szerk.) 14th International Conference on Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Plants, (2019) p. 123., 2019 | | Feigl Gábor, Molnár Árpád, Krajner Jolán, Törőcsik Kitti, Kolbert Zsuzsanna: Adaptation or inhibition – a rhizotron study on zinc-affected root growth of Brassica napus L., In: Györgyey János (szerk.) (szerk.) A Magyar Növénybiológiai Társaság XII. Kongresszusa. Szeged: Magyar Növénybiológiai Társaság, 2017. pp. 46., 2017 | | Gábor Feigl, Nóra Lehotai, Árpád Molnár, Ádám Bordé, Zsuzsanna Kolbert: Excess element-induced protein tyrosine nitration as the marker of nitrosative stress in plants, In: Catherine Bellini, Karin Ljung, Stéphanie Robert (szerk.) (szerk.) 8th International Symposium on Root Development . Umea, Svédország, 2017.05.29-2017.06.01. Kiadvány: Umea: Umea University, 2017. pp. 81 Paper P20. , 2017 | | Zsuzsanna Kolbert, Gábor Feigl, Ádám Bordé, Árpád Molnár, László Erdei: Protein tyrosine nitration in plants: Present knowledge, computational prediction and future perspectives, PLANT PHYSIOL BIOCH 113: 56-63, 2017 | | Varga Viktória, Molnár Árpád, Kolbert Zsuzsanna, Feigl Gábor: Két Alyssum lesbiacum populáció nikkelre adott válaszainak összehasonlítása nitrozatív paraméterek felhasználásával, In: Poór, Péter; Blázovics, Anna (szerk.) Magyar Szabadgyök-Kutató Társaság X. Kongresszusa, Szegedi Tudományegyetem (2019) p. 55., 2019 | | Feigl Gábor, Horváth Edit, Molnár Árpád, Oláh Dóra, Poór Péter, Kolbert Zsuzsanna: Ethylene-Nitric Oxide Interplay During Selenium-induced Lateral Root Emergence in Arabidopsis, JOURNAL OF PLANT GROWTH REGULATION 10.1007/s00344-019-09950-9, 2019 | | Kolbert Zsuzsanna, Feigl Gábor, Freschi Luciano, Poór Péter: Gasotransmitters in Action: Nitric Oxide-Ethylene Crosstalk during Plant Growth and Abiotic Stress Responses, ANTIOXIDANTS 8: (6) p. 167., 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
