 |
Investigating the transcriptional regulation of high molecular weight prolamines of cereals
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
121322 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Éva, Csaba |
| Title in Hungarian |
Nagy molekulasúlyú gabona prolamin fehérjegének transzkripciós szabályozásának kutatása |
| Title in English |
Investigating the transcriptional regulation of high molecular weight prolamines of cereals |
| Keywords in Hungarian |
gabona, tartalékfehérje, transzkripciós faktor |
| Keywords in English |
cereal, seed storage protein, transcription factor |
| Discipline |
| Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences) | 60 % | | Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences) | 40 % |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research) |
| Participants |
Sági, László
|
| 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 kutatás során a búza HMW GS promóterekben korábban azonosított cisz-regulációs modulok (CRM-ek) szerepét vizsgáljuk riportergénes, tranziens expressziós rendszerben. Már az előzetes eredményekből kiderült, hogy a CRM2-nek fontos szerepe lehet a szövetspecifitás kialakításában. Deléciója a Bx7 HMW GS promóter felerősödéséhez vezetett levélben, vagyis célszöveten (endospermiumon) kívül, így egy gátló modulról lehet szó. Szerepét endospermium transzformációval még tovább kell vizsgálni. Célul tűztük ki az ehhez és más promóter-modulokhoz kötődő transzkripciós faktorok izolálását is búza levélből és endospermiumból. Erre új módszert fejlesztünk, biotinilált DNS próbák belövésével, majd visszanyerésével, de eddig csak hisztonok izolálásáig jutottunk. A szakirodalmi adatok, különösen az oligonukleotidos csalit alkalmazó stratégia sikerei miatt hosszabb távon bízunk abban, hogy módszerünket be tudjuk optimalizálni. Az izolált transzkripciós faktorok gátló vagy serkentő hatását, illetve interakcióját transzaktivációs kísérletekkel derítjük fel a HMW GS promóterekre. A pályázat más részében árpa modellnövényen vizsgáljuk a gabona prolamin tartalékfehérjék szabályozását, stresszkörülmények között. Ehhez magas hőmérsékletnek, szárazságnak illetve a kettő kombinációjának kitett árpa növények transzkriptomját szekvenáljuk. A transzkriptom alapján transzkripciós ko-expressziós hálózatokat rajzolunk meg és így azonosítunk kulcsfontosságú, a magi tartalékfehérjegéneket szabályozó transzkripciós faktorokat. Azokat is keressük, melyek a stressz-alapú szignáltranszdukcióban vesznek részt. A kiválasztott trk. faktorgének hatását azok kiütésével is vizsgáljuk génszerkesztett árpában.
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 kutatás során elsősorban a gabonaszem tartalékfehérjéinek szabályozását kívánjuk jobban megérteni. Ez alapkutatási célokat is szolgál, de e mellett a nemesítőket is segítheti olyan fajták létrehozásában, melyek fehérjetermelése változatos környezeti tényezők között is stabil. Kutatási hipotézisünk szerint főleg a tartalékfehérjék promótereihez kötődő transzkripciós faktorok (TF-ek) szabályozzák azok expresszióját, epigenetikai tényezők mellett. Vegetatív szövetekben (főleg, de nem kizárólag) gátló faktorok kötődnek gátló elemekhez, míg endospermiumban (főleg, de nem kizárólag) serkentő faktorok kötődnek serkentő elemekhez. Ezen TF-ek, illetve promóterelemek mibenlétét kívánjuk felderíteni, hiszen a nemesítés célobjektumaiként szolgálhatnak. Azt is feltételezzük, hogy ha génpuskával biotinilált DNS-t juttatunk be növényi szövetbe, később elegendő mennyiségben tudjuk visszanyerni sejtmagi frakcióból, ahhoz, hogy a hozzá kötött TF-eket vizsgálni tudjuk. A módszer optimalizálása folyamatban van, ha beválik, széles körben alkalmazott új, DNS-alapú TF-izolálási technika lehet. Tudomásunk szerint nem áll rendelkezésre hatékony és közvetlenül alkalmazható, preparatív, DNS-alapú TF-izolációs eljárás. A meghatározandó árpa tartalékfehérje-transzkripciós faktor transzkripcionális ko-expressziós hálózat lehetővé teheti a tartalékfehérjék szabályozásának jobb megértését abiotikus stressz körülmények alatt. Az árpa fontos termesztett növényünk, de az eredmények pl. azonosított promóter-motívumok, kulcs TF-gének a búza nemesítését is szolgálhatják. E mellett a hő, szárazság, és kombinált hő+szárazság stressz alatti szignáltranszdukció jobb megértése is várható.
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 gabona prolamin fehérjék az emberiség és a háziállatok alapvető fehérjeforrásai, e mellett a kenyértészta süthetőségét, rugalmasságát is ezek teszik lehetővé. Szabályozásuk megértésével nagyobb mennyiségű, és jobb minőségű fehérjét termelő gabonafajták kinemesítését kívánjuk elősegíteni, melyek termelését ráadásul kevésbé befolyásolják a változó környezeti tényezők. Erre a klímaváltozás körülményei között igencsak szükség van. A nemesítés a vizsgált tartalékfehérjegén-promóterek elemeire és hozzájuk kötődő transzkripciós faktorokat kódoló génekre is irányulhat. Több hasonló kutatási profilú laboratórium működik Franciaországban (INRA), Spanyolországban, az Egyesült Királyságban és persze Kínában. Egyik sem rendelkezik azonban hatékony, közvetlen DNS-alapú traszkripciós faktor izolációs módszerrel, mivel ilyen nem igazán létezik. Az új generációs DNS-szekvenálási módszerek elterjedésével pedig elsősorban az elérhető DNS-szekvencia adatok mennyisége nőtt meg ugrásszerűen. Az általunk fejlesztett DNS-alapú transzkripciós faktor izolációs technika így hiánypótló lehet. Nemcsak a gabona tartalékfehérjék termelését szabályozó transzkripciós faktorok tisztítását teheti lehetővé, hanem a növényi, állati és humán területen dolgozó kutatók széles köreinek szakmai érdeklődését is felkelheti. A kutatás a gabonafélék stressz-adaptációjának jobb megértéséhez is vezethet, melynek éppúgy van jelentősége az alapkutatás és az alkalmazott kutatás, a nemesítés szempontjából.
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 gabonaszem csírázásához szükséges tartalékfehérjék alapvető emberi táplálékok és a kenyérsütést is ezek teszik lehetővé. Termelődésük szabályozása gondoskodik arról, egyrészt hogy csak a mag táplálószövetében termelődjenek, másrészt hogy a növényt érő kedvezőtlen körülmények (pl. magas hőmérséklet, szárazság) fennállása esetén termelődésük gyorsan lezajlódjon. Általában ugyanakkor stressz esetén a tartalékfehérjék termelődése alacsonyabb szintet ér el. A termelődést – többek között – a gének promóter-régiójában található DNS-szakaszok és a hozzájuk kötődő transzkripciós faktor fehérjék szabályozzák. A génekről hírvivő RNS, majd arról fehérje íródik, ehhez a promóterhez, az RNS-polimeráz kötőhelyéhez RNS-polimeráznak kell kötődnie. A kötődés segítése vagy gátlása módot ad a szabályozásra, ebben vesznek részt a transzkripciós faktorok. A tartalékfehérje promóterek elemeit és a ható transzkripciós faktor géneket többféle módon vizsgáljuk. Elmutált promóterek aktivitását, szövetspecifitását riportergének kifejeződésén keresztül, illetve árpa hő és szárazságkezelése alatt. A cél a tartalékfehérjék szabályozásának jobb megértése, valamint a promótereik elemeinek és hozzájuk kötődő transzkripciós faktoroknak jobb megismerése, ezek ugyanis a nemesítés célobjektumai lehetnek. Olyan gabonafajták hozhatók létre ezen az úton, melyek tartalékfehérje-termelését a kedvezőtlen környezeti tényezők kevésbé befolyásolják. Transzkripciós faktor fehérjék tisztítására alkalmas módszert is fejlesztünk, mely széleskörű tudományos érdeklődésre tarthat számot.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The function of previously identified cis-regulatory modules (CRMs) in wheat HMW GS promoters is going to be determined during this project, by applying transient reporter gene assays. Based on preliminary results, CRM2 appears to be regulating tissue-specificity, being an inhibitory module. Its deletion has lead to strengthening of the Bx7 HMW promoter in leaves, outside of the target tissue (endosperm). Its function has yet to be further studied through endosperm transformation. It is also aimed to isolate transcription factors (TFs) binding to this and other promoter motifs. To this end, a novel method is being developed, based on biolistic transformation then subsequent re-extraction of biotinylated DNA probes from plant tissues. Only histones have been isolated so far, but the successes of the previously applied oligodeoxynucleotide decoy strategy indicate, that our method is feasible in theory. The genes encoding the isolated TFs will be further studied using transactivation assays. The interaction of TFs and the mode of action i.e. activation or inhibition will be studied with regards to HMW GS promoters. The regulation of cereal polamin proteins will also be studied under abiotic stress conditions in barley, serving as a model. Transciptome of heat, drought and combined stressed barley plants is going to be sequenced. The transcriptome will serve as a basis of transcriptional co-expressional networks, which could help to decipher the underlying mechanisms of stress regulation of SSPs. Key TF genes are our primary interest, which take part in SSP regulation and stress signal-transduction. These TFs will also be studied in barley by gene editing.
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.
Our goal is to better understand the regulation of cereal seed storage proteins (SSPs) which is basic science but could also make possible for the breeders to enhance and stabilize the yield of cereals under various environmental conditions. We hypothesize that – alongside epigenetic factors – SSPs are regulated mainly by inhibiting transcription factors (TFs) binding to inhibitory promoter motifs present in their promoter (primarily, but not exclusively) in vegetative tissues and activating TFs binding to activating promoter motifs (primarily, but not exclusively) in endosperm. The identity of these promoter motifs and binding factors are our research questions and could serve as targets for breeders. We also hypothesize that biolistically transformed biotinylated DNA probes can be re-extracted from plant cell nuclei in sufficient amounts to carry enough binding TFs for further analysis. This method is currently tested and could emerge as a state of the art new TF isolation method, if successful. To our best knowledge, an effective, directly applicable, preparative DNA-based TF-isolating technique is lacking at the present stage, but would be of great value for the scientific community. The planned barley transcriptional co-expressional network of SSPs and interacting TFs would help to understand the regulation of SSPs under abiotic stress condition in barley, one of the most important crops. Possibly the identified SSP promoter motifs and key TF genes will also have an effect on wheat breeding. A better understanding of signal-transduction during heat, drought and combined heat + drought stress is also expected.
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.
Cereal prolamin proteins are both serve as important food and feed and are responsible for the elasticity wheat dough, permitting bread-baking. Our research is focused on the regulation of these proteins with the aim of helping breeders in producing higher protein producing cereal varieties with more stable protein production under various environmental conditions. The climate change puts great demand on such research. Both the studied seed storage protein gene promoter elements and the interacting transcription factors (TFs) and their encoding genes may serve as breeding targets. Many labs operate in France (INRA), Spain, and the United Kingdom with comparable research profile, not mentioning China. However none of them is in capacity of an effective, directly applicable, preparative DNA-based TF-isolating technique, seemingly because such method does not exist. Such technique is highly awaited because of the advent of next generation DNA sequencing and the enormous amounts of DNA sequence data generated. Our TF-isolating technique to be developed may fill this gap. It may become valuable not only in plant, but animal and human molecular biology. Our research may also result in a better understanding of stress-adaptation of cereals, with implications both on basic science and applied science, i.e. plant breeding.
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 seed storage proteins (SSPs) of cereals both supply the germination and serve as food and feed. Bread-baking is based on wheat SSPs. The regulation of cereal SSPs includes both driving their production to the seed and speeding up their production during adverse environmental conditions, such as drought and elevated heat. These conditions often result in decreased SSP level. SSP production is mediated by DNA-regions in their gene promoters and binding transcription factor proteins. Genes are expressed via the transcription of messenger RNA (mRNA), and subsequently protein is synthesised based on the mRNA. The mRNA synthesis is carried out by the RNA polymerase binding to the gene promoter. The production of mRNA can thus be regulated either by blocking or by supporting the binding of the RNA polymerase. It is among the function of transcription factors. We study promoter elements and interacting transcription factors by various means. The activity and tissue-specificity of mutated promoters are investigated through activity of reporter genes. Promoter elements and regulating factors are also studied during drought and heat stress treatments in barley plants. An in-depth understanding of the regulation of SSP production is aimed. The studied promoter elements and TF genes may serve as breeding targets leading to the cereal varieties with stable SSP protein production under various environmental conditions. A novel TF isolation method is also under development, which may be at the interest of the scientific community.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
