 |
Molecular studies on early tuber bulking in potato
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124441 |
| Type |
NN |
| Principal investigator |
Bánfalvi, Zsófia |
| Title in Hungarian |
A burgonya koraiságát befolyásoló molekuláris folyamatok vizsgálata |
| Title in English |
Molecular studies on early tuber bulking in potato |
| Keywords in Hungarian |
burgonya, gumófejlődés, metabolomika, transzkripciós faktor, genomszerkesztés |
| Keywords in English |
potato, tuberisation, metabolomics, transcription factor, genome editing |
| Discipline |
| Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences) | 70 % | | Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences) | 20 % | | Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Genetika és Biotechnológia Intézet (MATE) (Hungarian University of Agriculture and Life Sciences) |
| Participants |
Csákvári, Edina
Ftaimi, Nataly
Karsai-Rektenwald, Flóra
Kondrák, Mihály Attila
Kopp, Andrea
Villányi, Vanda
|
| Starting date |
2018-02-01 |
| Closing date |
2023-01-31 |
| Funding (in million HUF) |
31.852 |
| FTE (full time equivalent) |
6.07 |
| 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 burgonya a negyedik legnagyobb mennyiségben termesztett növény a Földön. A világ burgonyatermése meghaladja a 350 millió tonnát. Magyarországon kb. 500-600 ezer tonna burgonya terem évente, de a termésátlag alacsony, nem haladja meg a 22-27 tonna/hektárt. A környezeti tényezők közül a magas hőmérséklet és a szárazság csökkenti leginkább a termésátlagokat. A rövid tenyészidejű, korán termő fajták nincsenek kitéve a szélsőséges időjárási viszonyoknak. Sőt, a korai fajták a piacon is árelőnyt élveznek. Érthető tehát, hogy a burgonyanemesítés egyik fő célja a koraiság. A pályázat holland partnere élenjáró kutatómunkát végzett egy, a gumófejlődést és a tenyészidő hosszúságát szabályozó transzkripciós faktor, az StCDF1, azonosításában, ami közvetítő szerepet játszik a cirkadián ritmus és a gumófejlődést megindító, a virágzást elősegítő peptid hormonhoz hasonló, mobil jel között (Nature, 2013, 495:246-50). A gumófejlődés és virágzás kapcsolatát vizsgáló holland konzorcium külsős tagjaként célunk a gumófejlődés koraiságát befolyásoló metabolit jelek azonosítása. Ehhez összehasonlító vizsgálatot végzünk és oltványokat hozunk létre korai és késői fajták/vonalak között és meghatározzuk a floém és a gumók metabolit összetételét. A legújabb CRISPR/Cas9 genom szerkesztési technika segítségével mutációt hozunk létre az StCDF1 génben és jellemezzük a mutánsokat metabolit és transzkripciós szinten. Arabidopsis modell növényben szerzett ismeretek alapján olyan túlexpresszáló és antiszensz-gátolt burgonya vonalakat hozunk létre, melyek feltehetően fokozott levélnövekedést mutatnak, és vizsgáljuk a genetikai módosítások morfológiai és a gumónövekedés idejére gyakorolt hatását.
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.
Kísérleteink célja a gumónövekedés koraiságát befolyásoló metabolitok és transzkripciós faktorok azonosítása.
• A gumó egy elszívó hatású növényi szerv, aminek fejlődését a levélben végbemenő metabolikus és transzkripciós változások teszik lehetővé. Tudjuk, hogy a gumóképződés időpontját egy CYCLING DOF FACTOR, az StCDF1, határozza meg. A kérdés az, hogy milyen hatással van az StCDF1 a levél metabolizmusára és transzkripciós folyamataira? Az StCDF1 különböző alléljainak hatása csak a folyamatok időbeliségét változtatja meg vagy a különböző allélok más és más metabolikus és transzkripciós utakra terelik a folyamatot? A kérdés megválaszolására metabolit és transzkripciós szintű összehasonlító vizsgálatokat végzünk egy szegregáló populáció nagyon késői gumófejlődést mutató és egy korai gumófejlődésű vonala között, valamint izolálunk és jellemzünk egy StCDF1 mutáns burgonyát.
• A floémen keresztül metabolitok jutnak a gumóba. Befolyásolják-e a levélből a gumóba jutó metabolitok a gumónövekedést és beltartalmat? Feltételezzük, hogy ebben mind a szállított metabolitoknak mind pedig genetikai faktoroknak szerepe van. A kérdés az, hogy melyiknek mennyire. A kérdésre a választ oltásos kísérletekkel próbáljuk megkapni.
• Úgy gondoljuk, hogy a levélfejlődés felgyorsítása korai gumózáshoz vezet. Elképzelésünk igazolására Arabidopsis modell növényben szerzett ismeretek és irodalmi adatok alapján olyan túlexpresszáló és antiszensz-gátolt burgonya vonalakat hozunk létre, melyek feltehetően fokozott levélnövekedést mutatnak, és üvegházi körülmények között vizsgáljuk a genetikai módosítások morfológiai és a gumónövekedés idejére gyakorolt hatását.
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 StCDF1 funkciójával és a fotoperiódus-függő gumófejlődéssel összefüggésben számos metabolit és transzkripciós különbséget azonosítottak már a S. tuberosum Neo-Tuberosum és a S. tuberosum ssp. Andigena között. A két fajta azonban genetikailag távol van egymástól, ezért korántsem biztos, hogy ezek a különbségek StCDF1-specifikusak. Mi genetikailag közel álló vonalakat szeretnénk összehasonlítani, ezért vizsgálatainkhoz egy olyan nagyon késői gumózású és egy olyan korai gumózású vonalat választottunk, melyek egy keresztezésből származnak és így genetikailag közel állnak egymáshoz. Sőt, ha kiderül, hogy a köztük lévő metabolit és transzkriptum különbségek nemcsak időbeli eltolódásból származnak, akkor tervezzük StCDF1 mutánsok előállítását is, melyek nem mutagenizált kontrollhoz történő viszonyításából az StCDF1 molekuláris szintű hatására következtethetünk.
Az oltásos kísérletek már eddig is jelentős felfedezésekhez vezettek, mint pl. a vírusok mozgásának megértése vagy a mobil jelátviteli utak feltérképezése. Ezt a kísérleti megközelítést szeretnénk alkalmazni annak a kérdésnek a megválaszolására, hogy mennyire határozzák meg a levélből jövő jelek a gumó növekedési rátáját és beltartalmi értékeit.
A népesség növekedésével nő az élelmiszerek iránti mennyiségi igény. Ennek kielégítésére a nemesítők igyekeznek a kultúrnövények termésátlagát növelni. Feltételezésünk szerint a levelek nagyobb növekedési rátája elősegítheti a korai gumófejlődést. Ha ez igaz, akkor eredményeink felhasználhatók lesznek a burgonyanemesítésben.
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 burgonya a negyedik legnagyobb mennyiségben termesztett növény a Földön. A világ burgonyatermése meghaladja a 350 millió tonnát. Magyarországon kb. 500-600 ezer tonna burgonya terem évente, de a termésátlag alacsony, nem haladja meg a 22-27 tonna/hektárt. A környezeti tényezők közül a magas hőmérséklet és a szárazság csökkenti leginkább a termésátlagokat. A rövid tenyészidejű, korán termő fajták nincsenek kitéve a szélsőséges időjárási viszonyoknak. Sőt, a korai fajták a piacon is árelőnyt élveznek. Érthető tehát, hogy a burgonyanemesítés egyik fő célja a koraiság. A pályázat holland partnere élenjáró kutatómunkát végzett egy, a gumófejlődést és a tenyészidő hosszúságát szabályozó transzkripciós faktor azonosításában, ami közvetítő szerepet játszik a cirkadián ritmus és a gumófejlődést megindító, a virágzást elősegítő jelhez hasonló mobil jel között. A gumófejlődés és virágzás kapcsolatát vizsgáló holland konzorcium külsős tagjaként célunk a gumófejlődés koraiságát befolyásoló metabolit jelek azonosítása. Ehhez összehasonlító vizsgálatot végzünk és oltványokat hozunk létre korai és késői fajták között, és a fejlődés különböző stádiumaiban meghatározzuk a háncsrészben, valamint a gumóban található metabolit összetételt. A legújabb genom szerkesztési technika segítségével mutációt hozunk létre a gumófejlődés koraiságát meghatározó génben és jellemezzük a mutánsokat metabolit és transzkripciós szinten. Egy modell növényben szerzett ismeretek és irodalmi adatok alapján olyan burgonya vonalakat hozunk létre, melyek fokozott levélnövekedést mutatnak, és üvegházi körülmények között vizsgáljuk a genetikai módosítások morfológiai és a gumónövekedés idejére gyakorolt hatását.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Potato is the world’s fourth most important food crop. Potato production exceeds 350 million tonnes worldwide and is around 500-600 thousand tonnes in Hungary, however, with an average yield of only 22-27 tonnes/hectare. The major environmental factors adversely affecting potato production are heat and drought. Early bulking potato varieties are candidates for stress escapers, as they can complete their life cycle before stress becomes a serious constraint. Furthermore, production profitability of early harvest potatoes is higher compared with late harvest ones. Thus there is a high interest in breeding early harvest potato cultivars. The Dutch partner of the current proposal did a pioneer work in identification of a transcription factor, StCDF1, which regulates tuberisation by acting as a mediator between the circadian clock and a mobile tuberisation signal similar to a peptide hormone influencing flowering (Nature, 2013, 495:246-50). As an external partner of the Dutch consortium that aims to study the relationship between tuberisation and flowering, the objectives of our research will be the metabolic signaling influencing the bulking time of potato tubers. The experimental approach will be based on comparison and grafting early and late bulking potatoes and analysis of metabolites in phloem sap and tubers. Mutation in StCDF1 will be generated in potato using the novel CRISPR/Cas9 genome editing technique and the mutants characterised at metabolite and transcript level. Factors known to influence leaf expansion rate in Arabidopsis will be overexpressed and repressed in potato and the effect of modifications on phenotype and bulking time of tubers will be investigated.
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 project is at aiming to identify metabolic signals and transcriptional factors influencing tuber bulking in potato.
• The tuber is a sink organ whose development requires metabolic and transcriptional transitions in leaves. It is known that a CYCLING DOF FACTOR, the StCDF1, determines the timing of tuberisation. The question is what is the effect of StCDF1 at metabolic and transcriptional level in leaves? Do different alleles of StCDF1 influence only the timing of tuberisation or trigger alternative metabolic and transcriptional pathways? To answer this question we will analyse the metabolite profile of an early- and a very late tuberising sibling of a segregating population and isolate StCDF1 mutants for metabolomics and transcriptomics.
• The phloem transports metabolites from leaves to tubers. Does the metabolite composition of phloem sap influence tuber bulking and tuber quality? We hypothesise that these are determined by both the transported metabolites and genetic factors implicated in tuber development. The extent of contribution of the two factors will be determined by grafting experiments.
• We have the idea that increased leaf extension rate have a positive effect on early bulking of tubers. To test this hypothesis transgenic potato lines overexpressing or repressed in putative positive and negative regulators of leaf extension rate will be isolated and investigated for morphology and tuberisation.
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 relation to StCDF1 function and photoperiod-dependent tuberisation a large number of differences have been identified in leaf metabolome and transcriptome between S. tuberosum Neo-Tuberosum and S. tuberosum ssp. Andigena. Nevertheless, there is a large genetic distance between the two varieties. Thus the detected differences might not be specific for StCDF1. The very late-tuberising and the early-tuberising lines that we would like to analyse are much closer to each other as both are derived from the same cross. Furthermore, if differences other than the rate of metabolic and transcriptional changes between the two lines will be detected then StCDF1 mutants will be isolated from potato. Comparing the mutant to the non-mutated control the specific effect of StCDF1 at molecular level can be discovered.
Grafting experiments have already contributed to breakthrough findings i.e., detection of virus movement and mobile signals. We will use this approach to distinguish between the leaf- and tuber-originated signals and to answer the question: at what extend the leaf-originated signals do influence tuber bulking and quality? As we know, this question has not been answered yet at molecular level.
Engineering crop plants in order to achieve greater yields has been a major focus of plant biologists and breeders with a view to ensuring food availability for an increasing world population under changing environmental conditions. The hypothesis that higher leaf expansion rate results in earlier tuber bulking will be tested in our experiments. Positive outcome of these experiments may mark a significant step forward potato 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.
Potato is the world’s fourth most important food crop. Potato production exceeds 350 million tonnes worldwide and is around 500-600 thousand tonnes in Hungary, however, with an average yield of only 22-27 tonnes/hectare. The major environmental factors adversely affecting potato production are heat and drought. Early bulking potato varieties are candidates for stress escapers, as they can complete their life cycle before stress becomes a serious constraint. Furthermore, production profitability of early harvest potatoes is higher compared with late harvest potatoes. Thus there is a high interest in breeding early harvest potato cultivars. The Dutch partner of the current proposal did a pioneer work in identification of a transcription factor that regulates tuberisation and plant life cycle length, by acting as a mediator between the circadian clock and a mobile tuberisation signal similar to a peptide hormone influencing flowering. As an external partner of the Dutch consortium that aims to study the relationship between tuberisation and flowering, the objectives of our research will be the metabolic signalling influencing the bulking time of potato tubers. The experimental approach will be based on comparison and grafting early and late bulking potato varieties and analysing the metabolite composition of plants at different stages of development. Influence of the tuberisation factor identified by the Dutch partner on potato leaf metabolism will be studied by utilising a novel genome-editing technique. We attempt to increase the earliness of tuberisation by increasing leaf expansion rate in potato based on previous model plant experiments.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Jose Jeny, Bánfalvi Zsófia: The role of GIGANTEA in flowering and abiotic stress adaptation in plants, COLUMELLA: JOURNAL OF AGRICULTURAL AND ENVIRONMENTAL SCIENCES 6: (1) pp. 7-18., 2019 | | Odgerel Khongorzul, Bánfalvi Zsófia: Metabolite analysis of tubers and leaves of two potato cultivars and their grafts, PLOS ONE 16: (5) p. e0250858., 2021 | | Villányi Vanda, Gondor Olga Kinga, Bánfalvi Zsófia: Metabolite profiling of tubers of an early- and a late-maturing potato line and their grafts, METABOLOMICS 18: p. 88., 2022 | | Karsai-Rektenwald Flóra, Khongorzul Odgerel, Jeny Jose, Bánfalvi Zsófia: In Silico characterization and expression analysis of GIGANTEA genes in potato, BIOCHEMICAL GENETICS 60: (6) pp. 2137-2154., 2022 | | Odgerel Khongorzul, Jose Jeny, Karsai-Rektenwald Flóra, Ficzek Gitta, Simon Gergely, Végvári György, Bánfalvi Zsófia: Effects of the repression of GIGANTEA gene StGI.04 on the potato leaf transcriptome and the anthocyanin content of tuber skin, BMC PLANT BIOLOGY 22: (1) 249, 2022 | | Khongorzul Odgerel, Zsófia Bánfalvi: In silico promoter analysis and expression of the BIG BROTHER gene in different organs of potato, COLUMELLA: JOURNAL OF AGRICULTURAL AND ENVIRONMENTAL SCIENCES 9: (1) pp. 31-41., 2022 | | Bánfalvi Zs, Odgerel K, Csákvári E, Jose J, Kondrák M: A gumónövekedés és lombfejlődés összefüggésének tanulmányozása burgonyában, In: Karsai, Ildikó (szerk.) Növénynemesítés a 21. század elején: kihívások és válaszok, MTA Agrártudományok Osztálya Növénynemesítési Tudományos Bizottság (2019) pp. 149-153., 2019 | | Villányi Vanda, Kongorzul Odgerel, Karsai Rektenwald Flóra, Bánfalvi Zsófia: Az oltvány hatása a burgonya koraiságára és a gumók metabolit összetételére, In: Karsai, Ildikó; Bóna, Lajos; Veisz, Ottó; Polgár, Zsolt; Mihály, Róbert; Balla, Krisztina (szerk.) XXVII. Növénynemesítési Tudományos Napok, ELKH Agrártudományi Kutatóközpont, Mezőgazdasági Intézet (2021) pp. 37-37., 2021 | | Bánfalvi Zsófia, Karsai-Rektenwald Flóra, Odgerel Khongorzul, Jeny Jose: Regulation and function of GIGANTEA genes in Solanum tuberosum cultivar ’Désirée’, In: Milutinović, M (szerk.) Book of Abstracts, 4th International Conference on Plant Biology – 23rd SPPS Meeting, Serbian Plant Physiology Society (2022) pp. 40-40., 2022 | | Karsai-Rektenwald Flóra, Khongorzul Odgerel, Jeny Jose, Bánfalvi Zsófia: Regulation and function of the GIGANTEA gene StGI.04 in potato, In: Bánfalvi, Zsófia; Gócza, Elen; Olasz, Ferenc; Pál, Magda; Posta, Katalin; Várallyay, Éva (szerk.) „FIBOK 2022” : Fiatal Biotechnológusok V. Országos Konferenciája, MATE Genetika és Biotechnológia Intézet (2022) p. 34., 2022 | | Karsai-Rektenwald Flóra, Khongorzul Odgerel, Jeny Jose, Bánfalvi Zsófia: A GIGANTEA gének szerepe és szabályozása burgonyában, In: Polgár, Zsolt; Karsai, Ildikó; Bóna, Lajos; Matuz, János; Taller, János (szerk.) XXVIII. Növénynemesítési Tudományos Napok, Magyar Növénynemesítők Egyesülete (2022) pp. 60-60., 2022 | | Bánfalvi Zsófia, Khongorzul Odgerel, Csákvári Edina, Jeny Jose és Kondrák Mihály: A gumónövekedés és lombfejlődés összefüggésének tanulmányozása burgonyában, XXV. Növénynemesítési Tudományos Nap, Budapest, 2019. március 6-7, Proceedings (in press), 2019 | | .Bánfalvi Zsófia, Khongorzul Odgerel, Csákvári Edina, Jeny Jose és Kondrák Mihály: A gumónövekedés és lombfejlődés összefüggésének tanulmányozása burgonyában, A XXV. Növénynemesítési Tudományos Nap kiadványa, 149-153 old., 2019 | | Jose J: Molecular genetic studies on GIGANTEA gene in potato (Solanum tuberosum L.), Szent István Egyetem MSc disszertáció, 2019 | | Jose J, Bánfalvi Z: The role of GIGANTEA in flowering and abiotic stress adaptation in plants, Columella 6:7-18, 2019 | | Odgerel K, Kondrák M, Bánfalvi Z: Studying leaf-derived signalling on tuberisation and tuber metabolome by grafting experiments in potato., The 2nd International Conference on Plant & Molecular Biology, October 23-25, Amsterdam, Netherlands, Abstract pg. 30., 2019 | | .Bánfalvi Zsófia, Khongorzul Odgerel, Csákvári Edina, Jeny Jose, Kondrák Mihály: A gumónövekedés és lombfejlődés összefüggésének tanulmányozása burgonyában, A XXV. Növénynemesítési Tudományos Nap kiadványa, 149-153 old., 2019 | | Odgerel K, Bánfalvi Z: The use of grafting to study the influence of canopy growth rate on earliness of tuber initiation and metabolite composition of potato tubers., 8th Plant Genomics & Gene Editing Congress. March 4-5, Rotterdam, The Netherlands, Abstract P16, 2020 | | Bánfalvi Zsófia, Khongorzul Odgerel, Csákvári Edina, Jeny Jose, Kondrák Mihály: A gumónövekedés és lombfejlődés összefüggésének tanulmányozása burgonyában, A XXV. Növénynemesítési Tudományos Nap kiadványa, 149-153 old., 2019 | | Jose J, Bánfalvi Z: The role of GIGANTEA in flowering and abiotic stress adaptation in plants, Columella 6:7-18, 2019 | | Odgerel K, Kondrák M, Bánfalvi Z: Studying leaf-derived signalling on tuberisation and tuber metabolome by grafting experiments in potato., The 2nd International Conference on Plant & Molecular Biology, October 23-25, Amsterdam, Netherlands, Abstract pg. 30., 2019 | | Jose J: Molecular genetic studies on GIGANTEA gene in potato (Solanum tuberosum L.), Szent István Egyetem MSc disszertáció, 2019 | | Villányi Vanda, Khongorzul Odgerel, Karsai-Rektenwald Flóra, Bánfalvi Zsófia: Az oltvány hatása a burgonya koraiságára és a gumók metabolit összetételére, XXVII. Növénynemesítési Tudományos Napok; márcuis 24-25. Összefoglaló kötet, 37. oldal, 2021 | | Karsai-Rektenwald F, Odgerel K, Jose J: Regulation of GIGANTEA genes in potato, Scientific Conference of PhD. Students. November 10, Nitra, Slovak Republic, Abstract pg. 14, 2021 | | Odgerel K: The promoter analysis and gene expression of potato BIG BROTHER gene, Scientific Conference of PhD. Students. November 10, Nitra, Slovak Republic, Abstract pg. 16, 2021 | | Odgerel K, Bánfalvi Z: Metabolite analysis of tubers and leaves of two potato cultivars and their grafts, PLoS One, 16:e0250858, 2021 | | Khongorzul Odgerel: Molecular genetics and metabolomic studies related to tuberization and metabolite composition of cultivated potatoes, MATE PhD disszertáció, 2022 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
