Redox homeostasis under hormonal- and stress treatments  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
121027
Type PD
Principal investigator Horváth, Edit
Title in Hungarian Redox állapot változása hormonális- és stressz kezelések esetén
Title in English Redox homeostasis under hormonal- and stress treatments
Keywords in Hungarian Reaktív oxigén formák, redox érzékeny zöld fluoreszcens fehérje, redox állapot, gyökér növekedés
Keywords in English Reactive oxygen species, redox-sensitive green fluorescent protein, redox state, growth of root
Discipline
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)50 %
Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences)25 %
Ortelius classification: Secondary metabolites (Plant physiology)
Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences)25 %
Panel Cellular and Developmental Biology
Department or equivalent Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants Mainé dr. Csiszár, Jolán
Starting date 2016-11-01
Closing date 2020-01-31
Funding (in million HUF) 15.264
FTE (full time equivalent) 2.46
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 gyökérzet kulcsfontosságú a környezet változásainak érzékelésében és a folyamatos növekedés és fejlődés biztosításában. A gyökerek integrálják a környezetből érkező információkat, amely során reaktív oxigén formák (reactive oxygen species, ROS), kis molekulatömegű antioxidánsok (pl. aszkorbinsav, glutation) és növényi hormonok működnek együtt. A sejtek számára az energiát redukciós-oxidációs (redox) folyamatok biztosítják, ezért a redox állapot szabályozása nagy jelentőségű a növények fejlődése során. A redox állapot, ezen belül is a tiolok oxidáltságának élő sejtben történő nyomon követésére fejlesztették ki a redox érzékeny zöld fluoreszcens fehérjéket (roGFP), amelyek fluoreszcenciája függ az oxidáltságuktól. Munkánk során a gyökér különböző zónáiban bekövetkező redox állapot változást szeretnénk detektálni az in vivo a fluoreszcens próba segítségével. Fejlődés-specifikus redox mintázatok detektálását tervezzük kontroll körülmények között valamint stresszorok (NaCl, mannitol, metil viologén), növényi hormonok (szalicilsav, abszcizinsav) és a jelátvitelben fontos hidrogén peroxid hatására. A kezeléseket széles koncentrációtartományban tervezzük alkalmazni, így a letális vagy akklimatizációt indukáló koncentrációk közötti különbségeket is tanulmányozhatjuk. Célunk továbbá fejlődés- és stressz-indukálható gének, transzkripciós faktorok kifejeződésében a gyökérben bekövetkező változások detektálása kvantitatív PCR alkalmazásával. Ezen technikák kombinálásával lehetővé válhat a redox szabályozás jobb megismerése és szerepének feltárása a gyökerek fejlődésének, növekedésének kedvezőtlen körülmények közötti fenntartásában.

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 gyökér csúcsi merisztémája kulcsfontosságú szerepet játszik a növekedés fenntartásában, amely számos, a növényt ért stresszhatás során elengedhetetlenül fontos a túléléshez. Az elmúlt évtizedekben a növényi hormonok és transzkripciós faktorok szerepét a gyökér merisztéma kialakításában intenzíven tanulmányozták, azonban a reaktív oxigénformák és az antioxidáns molekulák jelátviteli szerepe csak az utóbbi években került előtérbe. A glutation (GSH) egyike azoknak az antioxidánsoknak, amelyek a sejtek redox állapotát döntően meghatározzák. A GSH fehérjék, transzkripciós faktorok redox állapotának szabályozásában betöltött szerepe miatt gének expresszióját befolyásolhatja, ez a szabályozó mechanizmus azonban még kevésbé ismert. A lúdfűben (Arabidopsis thaliana) kifejeztetett citoplazmatikus roGFP2 fluoreszcens fehérje lehetővé teszi kiválasztott területek redox állapotának mikroszkópos vizsgálatát. Kutatásaink során lúdfű gyökerek redox állapotát szeretnénk feltérképezni és választ kapni a következő kérdésekre:
- Milyen redox változásokkal jellemezhetőek a különböző stresszorok, növényi növekedésszabályozók és jelátvitelben fontos molekulák hatásai a gyökér főbb fiziológiai zónáiban? Kimutatható-e összefüggés a gyökér zónáinak redox állapota és a növekedés mértéke között?
- Milyen hatással van a gyökér egyes zónáinak redox állapotára az alkalmazott kezelések során egyetlen, antioxidáns enzimet kódoló gén mutációja?
- Milyen különbségek azonosíthatók ismert redox- és fejlődés-specifikus gének transzkript mintázatában az eltérő redox állapot alapján kiválasztott kezelési koncentrációknál? Mely gének állhatnak a specifikus redox szabályozással kapcsolatban?

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!
Az elmúlt években jelentős mennyiségű eredmény halmozódott fel a redox állapot fejlődésre gyakorolt hatását tekintve mind kontroll, mind stressz körülmények között. Ennek ellenére a gyökér különböző zónáiban tapasztalt redox állapot változás jelentősége a szabályozási folyamatokban még kevésbé ismert. Munkánk során a redox változások feltérképezésén keresztül szeretnénk jellemezni a lúdfű növények válaszát különböző stresszorok, növényi növekedés szabályozók és a jelátvitelben fontos H2O2 alkalmazásával. A roGFP használata a gyökér egyes részeinek in situ redox állapot monitorozására jelenleg csak az Arabidopsis thaliana modell növényben lehetséges. A fluoreszcens fehérje jelenléte a növényben lehetővé teszi, hogy a széles koncentrációtartományban alkalmazott kezelések során megfigyelhessük azokat a redox állapotban bekövetkező kezdeti változásokat, amelyek a későbbiekben megszabják a növények akklimatizációjának sikerességét a megváltozott külső környezethez. A redox állapot nyomon követése mellett vizsgálni szeretnénk különböző reaktív oxigénfomák, mint pl. a H2O2 és a O2•ˉ szintjének változását és a gyökér növekedésének, életképességének kedvezőtlen körülmények közötti sikeresebb megőrzését elősegítő mechanizmusok (pl. antioxidánsok, hormonok bioszintéziséért felelős szekvenciák) változását kvantitatív PCR alkalmazásával. A kapott eredmények, reményeink szerint, az Arabidopsis mellett más, gazdasági jelentőséggel bíró növényfaj esetében is alkalmazhatóak lesznek, hiszen elősegíthetik a kedvezőtlen körülményekhez való alkalmazkodás redox szabályozásának megértését.

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 helyhez kötött életmódja miatt kulcsfontosságú a gyökérzet szerepe, amelynek folyamatos növekedése, fejlődése nemcsak a talajban való rögzítést, hanem a víz- és tápanyagfelvételt is biztosítja. A gyökér növekedését a gyökér csúcsában lévő sejtek osztódása és differenciálódása tartja fenn. Ehhez az energiát a sejtek számára redukciós-oxidációs (redox) reakciók biztosítják, amelyeket azonban kedvezőtlen környezeti faktorok, stresszorok kibillenthetnek az egyensúlyi állapotukból. Környezeti stressz hatására gyakran reaktív oxigénformák akkumulációját figyelhetjük meg és ezért a sejtek az optimálistól eltérően, sokkal oxidáltabb állapotba kerülhetnek. Ez a változás, amellett hogy kedvezőtlenül hat a sejtek életképességére, részét képezheti a stresszorhoz történő kezdeti alkalmazkodásnak is, amely hozzájárul a növény sikeres túléléséhez. Kutatási programunkban egy nemrég kifejlesztett módszer alkalmazását tervezzük (roGFP technológia) a gyökerek különböző részeinek redox állapotának monitorozására. A redox érzékeny zöld fluoreszcens protein (roGFP) segítségével vizsgálnánk stressz- és növényi növekedésszabályozók hatására kialakuló redox változásokat lúdfű (Arabidopsis thaliana) modell növényben. Eltérő redox válaszokat kiváltó kezeléseket tervezünk kiválasztani, és a nukleinsavak kimutatására használt érzékeny módszerek segítségével tanulmányozzuk a megfigyelt változásokban szerepet játszó gének működését. Ezen módszerek kombinálásával várhatóan jobban megismerjük a gyökerek növekedését szabályozó elemeket.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The root system is important for sense the environmental cues and ensure continuous growth and development. The roots integrate information from the environment and in this processes reactive oxygen species (ROS), low molecular weight antioxidants such as ascorbate and glutathione function together with plant hormones. For cells, energy is supplied by reduction-oxidation (redox) processes, thus the regulation of redox state has a great importance during the development of plants. Redox-sensitive green fluorescent proteins (roGFP) which fluorescence depends on their oxidation state have been developed as in vivo probes for cell thiol-disulfide status. In our experiments we would like to detect in vivo changes in redox state of root zones using the fluorescent probe. We plan to examine developmental specific redox pattern under control condition and after applying different stresses (NaCl, mannitol, methyl viologene), plant hormones (salicylic acid, abscisic acid) and hydrogen peroxide. Treatments will be used in a wide concentration range, thus the differences between treatments which may be lethal or induce acclimation in long-term experiments could be detected. Furthermore, our aim is to reveal changes in the expression of developmental- and stress-inducible genes and transcription factors in roots of plants using real-time PCR. Combining these modern techniques can enable us to understand better the redox regulation and its role in the maintenance of root development and growth under adverse conditions.

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.
Continuous root growth and development which are essential for the survival in stress conditions are sustained by the root apical meristem. The function of the plant hormones and several transcription factors in formations of the root meristem have already been investigated extensively, but the regulatory roles of reactive oxygen species (ROS) and antioxidants came to the front only in the recent years. Glutathione (GSH) is an essential molecule which regulates the redox state of cells. GSH can regulate the expression of genes through modulation of redox state of proteins and transcription factors, but this mechanism is poorly understood yet. A roGFP2 fluorescent reporter targeted to cytoplasm in Arabidopsis thaliana plants allows us to monitor the redox state of selected parts using microscope. In our experiments we would like to map the redox state of roots and to get answer to the following questions:
- What are the characteristics of redox changes in root zones applying different stressors, plant growth regulators and signal molecules in the different root zones? Can be detected any relationships between the redox state of the root zones and growth rate?
- What is the effect of a mutation in a single, antioxidant enzyme coding gene on the redox state of different root zones during the used treatments?
- What kind of alterations can be identified in the transcript patterns of the known redox- and developmental specific genes using specific treatments to induce different changes in redox potential? Which genes can be pathway-specific related to cellular redox regulation?

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.
In the last few years large amount of information have been generated on the importance of redox control in development under control and different environmental stress conditions. Despite of this, the importance of changes in different root zones’ redox state in regulation processes is still poorly known. In our experiments, we would like to characterize the response of Arabidopsis to different abiotic stressors, plant growth regulators and H2O2 through mapping the redox state of plants. In situ monitoring the redox state of physiological zones of roots using roGFPs is available at the present only in the model plant, Arabidopsis thaliana. The presence of the fluorescent protein supports the mapping of the redox state of root zones under different treatments used in a wide concentration range, and may help to monitor those early changes of redox state which will affect the successful acclimation. Besides the tracking of redox changes, we would like to study the modulation of the level of reactive oxygen species such as H2O2 and O2˙ˉ, and using real-time PCR we would like to study the mechanisms which can support the preservation of root growth and viability under unfavourable conditions (e.g. sequences responsible for biosynthesis of antioxidants or hormones). Our best hope is that results of the planned work will be applicable on plant species different from Arabidopsis and of economical value, because it can support the understanding of redox regulation of acclimation under adverse conditions.

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.
Plants are sessile organisms and in this way the continuous growth and development of root system has a central role not only in anchoring but also in maintaining uptake of water and inorganic ions. Continuous root growth and development are sustained by cell proliferation and differentiation in the tip of roots. Reduction - oxidation (redox) reactions are fundamental metabolic processes for maintenance of growth which can be disturbed by adverse environmental factors and stressors. Most environmental stresses involve enhanced accumulation of reactive oxygen species and therefore cells may become more oxidized. This change, beside its unfavourable effect on cell viability, can be part of the acclimation to the stressor which can support successful survive of the plant. Our research program targets the adaptation of a recently developed fluorescent reporter system (roGFP technology) to monitor redox state of different parts of roots. Using the redox-sensitive green fluorescent protein (roGFP) we would like to investigate the stress- and plant growth regulator related redox changes in Arabidopsis thaliana model plant. We are planning to select treatments which induce different redox responses to study the changes of genes which can play role in the observed changes by sensitive nucleic acid amplification- and detection methods. Expectedly by the combination of these methods we could recognise more regulatory elements involved in root growth.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A gyökérzet folyamatos növekedésének fenntartása kulcsfontosságú, mivel a talajban való rögzítés mellett, a víz- és tápanyagfelvételt is biztosítja a növényekben. A gyökér növekedését a gyökércsúcsban lévő sejtek osztódása és differenciálódása tartja fenn, amihez az energiát a sejtek számára redukciós-oxidációs (redox) reakciók biztosítják. A redox folyamatokat azonban a kedvezőtlen környezeti faktorok, stresszorok kibillenthetik egyensúlyi állapotukból. A redox állapot szabályozásában kulcsszerepet játszanak az antioxidánsok, amelyek közül munkánk során a glutationnal és a glutation transzferáz enzimcsalád egyes tagjaival foglalkoztunk. Kutatási programunkban egy nemrég kifejlesztett módszert alkalmaztunk (roGFP technológia) a különböző gyökér részek redox állapotának monitorozására. A redox érzékeny zöld fluoreszcens proteint (roGFP) hibás antioxidáns enzimmel rendelkező lúdfű (Arabidopsis thaliana) mutánsokba juttattuk be (Atgstf8, Atgstu19, Atgstu24). A roGFP segítségével lehetőségünk volt különböző kezelések során a specifikus redox változások valós idejű monitorozására a vad típusú, és a mutáns növényekben is. Kimutattuk, hogy az antioxidáns glutation transzferáz enzimcsalád tagjai különösen fontosak lúdfűben a só- és a szalicilsav kezelésre adott válaszreakció kialakításában. Új tudományos eredményeink alapján ezen antioxidáns enzimek szerepet játszanak a redox állapot fenntartásában kontroll állapotban és só- vagy szalicilsav válasz során.
Results in English
Continuous growth and development of root system has a central role not only in anchoring but also in maintaining uptake of water and inorganic ions. Root growth and development are sustained by cell proliferation and differentiation in the tip of roots, for which energy is supplied by reduction-oxidation (redox) processes. However, redox reactions can be disturbed by adverse environmental factors and stressors. Antioxidants, from which we investigated in our experiments the glutathione and special members of glutathione transferase enzyme family, play a key a role in the regulation of redox state. In our research program we adapted a recently developed fluorescent reporter system (roGFP technology) to monitor redox state of different parts of roots. We introduced the redox-sensitive green fluorescent protein (roGFP) into Arabidopsis plants containing impaired antioxidant enzymes (Atgstf8, Atgstu19, Atgstu24 mutants). Using this genetically coded redox sensor we investigated the redox changes in vivo under different treatments not only in the wild type but in the mutant plants, too. We found that members of the antioxidant glutathione transferase enzyme family are important in Arabidopsis in the development of salt- and salicylic acid induced responses. According to our new results, these enzymes are involved in the maintenance of redox homeostasis under control conditions and in salt- or salicylic acid responses.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=121027
Decision
Yes





 

List of publications

  
Horváth E, Gallé Á, Bela K, Hurton Á, Holinka B, Riyazuddin, Csiszár J: Can the mutation of AtGSTU24 gene modify salt stress response?, In: Györgyey János (szerk.) (szerk.) A Magyar Növénybiológiai Társaság XII. Kongresszusa. Szeged: Magyar Növénybiológiai Társaság, 2017. pp. 49., 2017
Csiszár J, Brunner S, Horváth E, Bela K, Ködmön P, Riyazuddin R, Gallé A, Hurton Á, Papdi Cs, Szabados L, Tari I: Exogenously applied salicylic acid maintains redox homeostasis in salt-stressed Arabidopsis gr1 mutants expressing cytosolic roGFP1, Plant Growth Regulation 86: 181-194, 2018
E Horváth, K Bela, B Holinka, J Csiszár: Salt stress induced changes of reactive oxygen species and redox state in the roots of Atgstu19 and Atgstf8 mutants, In: Maciej T Grzesiak (szerk.) (szerk.) 11th International Conference on Plant Functioning Under Environmental Stress . Krakkó, Lengyelország, 2018.09.12-2018.09.15. Kiadvány: Krakkó: 2018. pp. 120, 2018
K Bela, R Riyazuddin, E Horváth, Á Gallé, Á Hurton, S A K Bangash, F Ayaydin, J Csiszár: Alteration of redox potential in the roots of Arabidopsis glutathione peroxidase-like mutants under salt stress, In: Maciej T Grzesiak (szerk.) (szerk.) 11th International Conference on Plant Functioning Under Environmental Stress . Krakkó, Lengyelország, 2018.09.12-2018.09.15. Kiadvány: Krakkó: 2018. pp. 58, 2018
Krisztina Bela, Riyazuddin Riyazuddin, Edit Horváth, Ágnes Hurton, Ágnes Gallé, Zoltán Takács, Laura Zsigmond, László Szabados, Irma Tari, Jolán Csiszár: Comprehensive analysis of antioxidant mechanisms in Arabidopsis glutathione peroxidase-like mutants under salt- and osmotic stress reveals organ-specific significance of the AtGPXL’s activities, ENVIRON EXP BOT 150: pp. 127-140., 2018
Bela Krisztina, Riyazuddin Riyazuddin, Horváth Edit, Hajnal Ádám, Gallé Ágnes, Bangash Sajid Ali Khan, Csiszár Jolán: Sóstressz hatása lúdfű glutation-peroxidáz-szerű enzim mutáns gyökerek redox potenciáljára, In: Poór, Péter; Blázovics, Anna (szerk.) Magyar Szabadgyök-Kutató Társaság X. Kongresszusa, Szegedi Tudományegyetem (2019) p. 13., 2019
Horváth Edit, Bela Krisztina, Holinka Botond, Riyazuddin Riyazuddin, Gallé Ágnes, Hajnal Ádám, Hurton Ágnes, Fehér Attila, Csiszár Jolán: The Arabidopsis glutathione transferases, AtGSTF8 and AtGSTU19 are involved in the maintenance of root redox homeostasis affecting meristem size and salt stress sensitivity, PLANT SCIENCE 283: pp. 366-374., 2019
Horváth Edit, Bela Krisztina, Kulman Kitti, Gallé Ágnes, Riyazuddin Riyazuddin, Csiszár Jolán: Szalicilsav-indukálta redox állapot változások Arabidopsis Atgstf8 mutáns gyökerében, In: Poór, Péter; Blázovics, Anna (szerk.) Magyar Szabadgyök-Kutató Társaság X. Kongresszusa, Szegedi Tudományegyetem (2019) p. 14., 2019
Riyazuddin Riyazuddin, Bela Krisztina, Horváth Edit, Rigó Gábor, Gallé Ágnes, Szabados László, Fehér Attila, Csiszár Jolán: Overexpression of the Arabidopsis glutathione peroxidase-like 5 gene (AtGPXL5) resulted in altered plant development and redox status, ENVIRONMENTAL AND EXPERIMENTAL BOTANY 167: 103849, 2019
Riyazuddin Riyazuddin, Bela Krisztina, Horváth Edit, Rigó Gábor, Szabados László, Gallé Ágnes, Fehér Attila, Csiszár Jolán: Az Arabidopsis glutation-peroxidáz-szerű (AtGPXL5) gén túltermeltetése javítja a növények fejlődését és sóstressz elleni védekezését a redox potenciál javításával, In: Poór, Péter; Blázovics, Anna (szerk.) Magyar Szabadgyök-Kutató Társaság X. Kongresszusa, Szegedi Tudományegyetem (2019) p. 51., 2019
Riyazuddin Riyazuddin, Krisztina Bela, Edit Horváth, Gábor Rigó, László Szabados, Ágnes Gallé, Attila Fehér, Jolán Csiszár: Overexpression of membrane localised Arabidopsis glutathione peroxidase (AtGPXL5) resulted in altered plant development and protection against salt stress, In: Ashwani, Pareek; Jagadis, Gupta Kapuganti; Christine, H. Foyer; Sneh, L. Singla-Pareek (szerk.) Sensing and signalling in plant stress response - Programme and Abstract Book, (2019) p. 49., 2019
Horváth Edit, Bela Krisztina, Gallé Ágnes, Riyazuddin Riyazuddin, Csomor Gábor, Csenki Dorottya, Csiszár Jolán: Compensation of Mutation in Arabidopsis glutathione transferase (AtGSTU) Genes under Control or Salt Stress Conditions, INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES 21: (7) p. 2349., 2020



Back »