Study of the molecular mechanisms of antiviral RNA silencing in Solanaceous plants  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
124705
Type K
Principal investigator Fátyol, Károly
Title in Hungarian Az antivirális RNS csendesítés molekuláris mechanizmusainak vizsgálata Solanaceae növényekben
Title in English Study of the molecular mechanisms of antiviral RNA silencing in Solanaceous plants
Keywords in Hungarian RNS csendesítés, vírus, Argonauta, stressz, CRISPR, Solanaceae, PepMV
Keywords in English RNA silencing, virus, Argonaute, stress, CRISPR, Solanaceae, PepMV
Discipline
Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences)60 %
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)40 %
Panel Complex agricultural sciences
Department or equivalent Genetika és Biotechnológia Intézet (MATE) (Hungarian University of Agriculture and Life Sciences)
Participants Burgyán, József
Fekete, Anna Katalin
Ludman, Márta
Starting date 2017-09-01
Closing date 2022-08-31
Funding (in million HUF) 48.000
FTE (full time equivalent) 13.17
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 RNS csendesítés központi szerepet tölt be az eukarióta génszabályozás folyamatában. A 21-24 nukleotid hosszúságú kis RNS-ek Watson-Crick bázispárosodás révén ismerik fel célmolekuláikat és azok kifejeződését különféle mechanizmusok révén gátolják. A növények antivirális válaszai nagyfokú hasonlóságot mutatnak az RNS csendesítés folyamatával. A mechanisztikus hasonlóságok mellett a két folyamatban szerepet játszó molekuláris szereplők is zömében azonosak. Például a végrehajtó funkciót (RNS molekulák degradálása, átíródásuk gátlása) mindkét esetben olyan fehérje komplexek (RISC) látják el, amelyek az Argonauta családba (AGO) tartozó molekulákat tartalmaznak. A javasolt új projekt keretében főleg az AGO fehérjék részletes molekuláris jellemzését kívánjuk elvégezni. A növényi RNS csendesítésben szerepet játszó molekulák szerkezet-funkció összefüggéseinek feltárása hozzájárulhat nem csak a növények patogének elleni védekezési mechanizmusainak jobb megértéséhez, de segíthetik azokat a gyakorlati erőfeszítéseket is, amelyek termesztett növényfajtáink stressz toleranciájának növelését célozzák.

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.
Habár az utóbbi években jelentős előrehaladás történt a növényi RNS csendesítés mechanizmusainak jobb megértésében továbbra is számos, alapvető jelentőségű nyitott kérdés vár még megválaszolásra:
(1) Milyen a növényi RISC komplexek pontos felépítése? Van-e különbség a különböző folyamatokban résztvevő RISC komplexek összetételében (antivirális RISC komplexek vs. gén regulációban résztvevő RISC komplexek)?
(2) Újabb adatok arra utalnak, hogy növényi RISC komplexek az állati komplexekhez hasonlóan hasítás függő és független módon is működhetnek. A két eltérő működési mechanizmus hátterében álló molekuláris különbségek megértése fontos probléma.
(3) Hogyan szabályozódik az RNS csendesítés folyamata fejlődés és stressz során? A gyors és reverzibilis adaptáció valószínűleg az RNS csendesítés komponenseinek poszttranszlációs módosításai révén valósul meg. Ezek a poszttranszlációs módosítások (pl. az AGO-k módosításai) növényekben szinte teljes egészében feltáratlanok.
(4) A vírusfertőzések növényekben lokális és szisztémás nektrótikus folyamatokat indukálhatnak. Ezeknek az eseményeknek a szabályozása még ma sem teljesen feltárt, habár újabb adatok felvetik annak a lehetőségét, hogy szervesen összefüggenek az antivirális RNS csendesítés folyamataival.
(5) Legfontosabb termesztett növényfajaink közül számos a Solanaceae növénycsalád tagja. A Nicotiana benthamiana modell növény tanulmányozása révén ezeknek a gazdaságilag nagy jelentőségű termesztett növényeknek a vírus betegségeit is jobban megismerhetjük.

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 pályázat alapkutatási jelentősége:
(1) Jobban megismerhetjük az RNS csendesítés komponenseit azok regulációját.
(2) Megérthetjük, a növények vírus rezisztenciájának molekuláris hátterét.
A pályázat eredményeinek lehetséges gyakorlati vonatkozásai:
(1) Az RNS csendesítés a növények egyik legfontosabb védekező folyamata. Jobb megértése hozzájárulhat a hatékonyabb kórokozók elleni eljárások kifejlesztéséhez is.
(2) A növények stressz toleranciájának jobb megértése segítheti a termés minőségének és mennyiségének javítására irányuló gyakorlati erőfeszítéseket.
(3) A növények vírusrezisztenciájának megértése segítheti új rezisztens növényfajták nemesítését.
Magyarországon az növényi RNS csendesítés relatíve szűk körben művelt tudományterület. Az ezzel foglalkozó csoportok zöme intézetünkben dolgozik (MBK, Gödöllő). A terület kiemelkedő hazai művelője Burgyán József (EMBO tag) szenior résztvevőként csatlakozik a pályázathoz. Az ő általa létrehozott tudományos iskolában nevelkedett kutatók (Havelda Zoltán, Szittya György, Várallyay Éva, Silhavy Dániel) által vezetett csoportokkal a Növényi Virológia csoport továbbra is napi szinten szorosan együttműködik. A növényi RNS csendesítés nemzetközi szinten kompetitív tudomány terület, amelynek reprezentatív képviselői pl. Herve Vaucheret, Peter Waterhouse és David Baulcombe. Ezekkel a laboratóriumokkal versenyezni nehéz feladat lesz. Korábban Burgyán József laboratóriumában az antivirális RNS csendesítés területén nagy fontosságú eredmények születtek, amelyek a Cell, EMBO journal, Plant Cell stb. szaklapokban kerültek publikációra. Az antivirális RNS csendesítés egyik központi molekulájának az AGO2-nek a jellemzéséről szóló munkánkat tavaly a Nucleic Acids Research című szaklapban tettük közzé. Laboratóriumunkban sikeresen meghonosítottuk a CRISPR/Cas9 rendszert, amelynek segítségével sikerült AGO2 KO N. benthamiana növényeket is létrehoznunk. Ezen növények karakterizálásáról szóló közleményünk jelenleg a Scientific Reports című szaklapban van elbírálás alatt. Úgy véljük, hogy a fentiekre alapozva sikeresen végre tudjuk hajtani a pályázatban felvázolt projektet.

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 életmódjuk miatt különösen kiszolgáltatottak biotikus és abiotikus stressz faktorokkal szemben. Ezen behatások nem csak a növény szervezeti épségét, de a faj fennmaradása szempontjából rendkívül fontos genetikai állomány integritását is veszélyeztetik. Az evolúció során számos hatékony védekező mechanizmus alakult ki, amelyek közül több az RNS csendesítés molekuláris folyamataira épül. A javasolt kutatásnak köszönhetően jobban megérthetjük ezeket a védekező folyamatokat. A várható új tudományos eredmények nem csak a növényekben végbemenő molekuláris történések jobb megismerését eredményezhetik, hanem segíthetik azokat a gyakorlati erőfeszítéseket is, amelyek a hosszú és költséges nemesítési folyamatok révén létrehozott értékes termesztett növényfajtáink genetikai stabilitásának megőrzésére irányulnak. Ezen felül eredményeink megteremthetik olyan eljárások kifejlesztésének alapját is, amelyek növelik a növények stressz toleranciáját, pozitívan befolyásolva ezáltal a termés minőségét és a hozamot.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
RNA silencing is a central mechanism of gene regulation in eukaryotes. It relies on the action of small 21-24 nucleotide RNAs, which recognize their target nucleic acids through Watson-Crick base pairing. Following their recognition, the expression of the target nucleic acid is silenced through a variety of mechanisms. Antiviral immunity in plants also uses similar principles. The invading viruses are recognized in a sequence specific manner and then neutralized. Years of research has uncovered many striking parallels between the above processes and demonstrated that many of the molecular players are also shared by them. For example, the protein complexes that execute the final steps of both RNA silencing and viral restriction (RNA induced silencing complexes, RISCs) contain members of the highly conserved Argonaute (AGO) protein family In the proposed project we will mostly focus our attention on the better understanding of the roles AGO proteins play in above processes. Unraveling the structure/function relationships of component of the plant RNA silencing machinery, will help us not only to better understand the processes plants employ to defend themselves against pathogens, but may also aid the efforts to increase tolerance in plants against both biotic and abiotic stress factors.

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.
Although, in recent years significant advances have been made towards the understanding of the molecular mechanisms of plant RNA silencing, fundamental questions are still remain to be answered:
(1) What is the exact molecular architecture of plant RISCs? Are there differences between the RISCs involved in various processes (antiviral RISC vs. RISC involved in gene regulation)?
(2) Recent data indicate that in plants - similarly to animals - RISCs possess the ability to inhibit their target RNAs via both slicing-dependent and -independent fashion. Understanding the molecular bases of these two modi operandi of RISCs is an important task.
(3) How is RNA silencing regulated during development, stress etc.? Fast and reversible adaptation of RNA silencing to different physiological stimuli most likely involves posttranslational modifications of components of the silencing machinery. In plants information on such modifications (for example posttranslational modifications of AGOs) is almost completely missing.
(4) Local hypersensitive and systemic necrotic responses and systemic acquired resistance help restrict the virus to the infected cells and impart resistance to the non-infected tissues. The genetic networks regulating these processes may be intertwined with antiviral silencing, however the exact details are still vague.
(5) Though highly susceptible to numerous viruses, very little is known about the antiviral defenses of Solanaceous crops. Extrapolating the knowledge obtained in the model plant Nicotiana benthamiana can help better understand the viral diseases of these crops and may also contribute to the invention of more effective plant protection measures.

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.
Significance of the project from the standpoint of basic science:
(1) it will contribute to the better understanding of the working mechanisms of plant RNA silencing.
(2) it may help unravel the molecular basis of viral resistance in plants.
Practical significance:
(1) Plant RNA silencing is an important anti-pathogenic defense pathway therefore more complete elucidation of its mechanisms may help practical efforts of pest control.
(2) Understanding the molecular basis of stress tolerance may help us implement methods to increase crop yield and quality.
(3) Understanding the mechanisms that contribute to viral resistance may provide the basis for engineering new resistance traits in plants.
In Hungary there are few research groups working in the field of plant RNA silencing. Most of these groups are in our institute (ABC, Gödöllő). József Burgyán who is an internationally recognized expert (EMBO member) of the antiviral RNA silencing field will join to this project as a senior participant. He raised a school of PIs who also established their research groups in our institute (Zoltán Havelda, György Szittya, Éva Várallyay, Dániel Silhavy). These groups still collaborate with the Plant Virology Laboratory. Internationally, plant RNA silencing is a competitive research field. Representatives of this field are: Herve Vaucheret, Peter Waterhouse, David Baulcombe etc. Competing with their well founded laboratories will be difficult. Earlier, Dr. Burgyán’s laboratory published a number of high impact papers in the field of antiviral RNA silencing in journals like Cell, EMBO Journal, Plant Cell etc. Last year, we have published a paper on the molecular characterization of AGO2 in the journal, Nucleic Acids Research. Recently, we have also successfully established the CRISPR/Cas9 genome editing system in our laboratory. Using this tool we have created AGO2 KO Nicotiana benthamiana plants. A paper describing their characterization is currently under review in the journal, Scientific Reports. We believe that building on the significant expertise of the Plant Virology Laboratory and our recent work, we can contribute successfully to the plant RNA silencing field despite the strong international competition.

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.
As sessile life forms plants are continuously exposed to a range of abiotic and biotic stresses which threaten not only their organismal integrity but the stability of their genetic material as well. In the proposed project we hope to gain better insight into the ways plants protect themselves from these detrimental effects of stress. Interestingly, an evolutionarily conserved process called RNA silencing plays essential role in many of these protective responses. Disentangling the mechanisms plants use to deal with stress is important not only for the better appreciation of the molecular events taking place in plant cells, but may also help us implement methods to improve stress tolerance in plants, thereby increase crop yield and quality.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Projektünk fő célja az RNS csendesítés szerepének megértése volt a burgonya-félék vírusellenes védekezésében, különös tekintettel az AGO2 funkciójára. Fő eredményeink a következők: (1) Kimutattuk, hogy a dsRNS-kötő fehérje 2 (DRB2) fontos szerepet játszik a vírus indukálta szisztémás nekrózisban. (2) Összehasonlító transzkriptóm analízisek révén azonosítottuk a vírus indukálta szisztémás nekrózis feltételezett új komponenseit. (3) Felderítettük az N. benthamiana AGO1 homeológjainak a vírusellenes védekezésben és az egyedfejlődésben betöltött eltérő szerepét. (4) Létrehoztunk egy RDR6 mutáns N. benthamiana vonalat, amely alkalmas a másodlagos vsiRNS-eknek a vírusellenes válaszokban és a fejlődési folyamatokban betöltött szerepének a vizsgálatára. (5) Feltártuk a kalcium jelátvitel szerepét az RNS csendesítés szabályozásában. (6) Kimutattuk, hogy az abszcizinsav jelátvitel fontos szerepet játszik a vírusfertőzés során. (7) Feltártuk, hogy az AGO2 döntő szerepet játszik a Pepino mozaik vírus, a Citrus tristeza vírus és a Tomato ringspot vírus elleni védekezési folyamatokban. (8) Azonosítottuk az AGO2 evolúciósan konzervált, funkcionálisan fontos régióit, amelyek szabályozó szerepű poszttranszlációs módosítások akceptoraiként szolgálhatnak. (9) Létrehoztunk ago2 mutáns paradicsomvonalakat, amelyek segítségével feltárhatjuk az AGO2 szerepét a vírusellenes védekezésben ebben a fontos gazdasági növényben.
Results in English
The main objective of our project was the better understanding of the role of RNA silencing in the antiviral defense of solanaceous plants, with special emphasis on the functions of AGO2. Our main results are the following: (1) We demonstrated that dsRNA-binding protein 2 (DRB2) plays an important role in virus-induced systemic necrosis. (2) Using comparative transcriptome analyses we identified putative novel components of virus-induced systemic necrosis. (3) We established the differential contribution of AGO1 homeologues of N. benthamiana to antiviral defense and development. (4) We generated an RDR6 mutant N. benthamiana plant line for studying the role of secondary vsiRNAs in antiviral responses and developmental processes. (5) We uncovered the role of calcium signaling in the regulation of the expression of genes involved in RNA silencing. (6) We showed that abscisic acid signaling plays an important role during virus infection. (7) We revealed that AGO2 plays a crucial role in the plants’ defense responses against important pathogenic viruses such as Pepino mosaic virus, Citrus tristeza virus and Tomato ringspot virus. (8) We identified evolutionarily conserved, functionally important residues of AGO2 that may serve as acceptor sites for regulatory post-translational modifications. (9) We created ago2 mutant tomato lines for uncovering the role of AGO2 in antiviral defenses in this important crop.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124705
Decision
Yes





 

List of publications

  
Alessandra Lucioli, Raffaela Tavazza, Simona Baima, Károly Fátyol, József Burgyán, Mario Tavazza: CRISPR-Cas9 Targeting of the eIF4E1 Gene Extends the Potato Virus Y Resistance Spectrum of the Solanum tuberosum L. cv. Desirée, Frontiers in Microbiology, 2022
Yunjing Wang, Qian Gong, Yuyao Wu, Fan Huang, Asigul Ismayil, Danfeng Zhang, Huangai Li, Hanqing Gu, Márta Ludman, Károly Fátyol, Yijun Qi, Keiko Yoshioka, Linda Hanley-Bowdoin, Yiguo Hong, Yule Liu: A calmodulin-binding transcription factor links calcium signaling to antiviral RNAi defense in plants, Cell Host & Microbe, 2021
Ludman Márta, Fátyol Károly: TARGETED INACTIVATION OF THE AGO1 HOMEOLOGS OF NICOTIANA BENTHAMIANA REVEALS THEIR DISTINCT ROLES IN DEVELOPMENT AND ANTIVIRAL DEFENSE, NEW PHYTOLOGIST, 2021
Angel Y.S. Chen, James H.C. Peng, MaryLou Polek, Tongyan Tian, Ludman Márta, Fátyol Károly, James C.K. Ng: Comparative analysis identifies amino acids critical for citrus tristeza virus (T36CA) encoded proteins involved in suppression of RNA silencing and differential systemic infection in two plant species, MOLECULAR PLANT PATHOLOGY, 2021
Fátyol Károly, Fekete Anna Katalin, Ludman Márta: Double-Stranded-RNA-Binding Protein 2 Participates in Antiviral Defense, Journal of Virology, 2020 May 18;94(11):e00017-20, 2020
Ludman Márta, Fátyol Károly: TARGETED INACTIVATION OF THE AGO1 HOMEOLOGS OF NICOTIANA BENTHAMIANA REVEALS THEIR DISTINCT ROLES IN DEVELOPMENT AND ANTIVIRAL DEFENSE, New Phytologist, 2020
Angel Y.S. Chen, James H.C. Peng, MaryLou Polek, Tongyan Tian, Márta Ludman, Károly Fátyol, and James C.K. Ng: Comparative analysis identifies amino acids critical for citrus tristeza virus (T36CA) encoded proteins involved in suppression of RNA silencing and differential systemic, Molecular Plant Pathology, 2020
Yunjing Wang, Qian Gong, Yuyao Wu, Fan Huang, Asigul Ismayil, Danfeng Zhang, Huangai Li, Hanqing Gu, Márta Ludman, Károly Fátyol, Yijun Qi, Keiko Yoshioka, Linda Hanley-Bowdoin, Yiguo Hong, Yule Liu: A calmodulin-binding transcription factor links calcium signaling to antiviral RNAi defense in plants, Cell Host & Microbe, 2021
Ludman Marta, Fatyol Karoly: The virological model plant, Nicotiana benthamiana expresses a single functional RDR6 homeolog, VIROLOGY 537: pp. 143-148., 2019
Fátyol Károly: Involvement of RNA binding proteins in plant antiviral responses, In: Buday, László; Erdélyi, Miklós; Kovács, Mihály; Mihály, József; Varga, Máté; Virág, László; Hohol, Róbert (szerk.) Porgramme and Books of abstracts - Hungarian Molecular Life Sciences 2019, Diamond Congress Kft. (2019) p. O16., 2019
Dinesh Babu Paudel, Basudev Ghoshal, Sushma Jossey, Márta Ludman, Károly Fátyol, Hélène Sanfacon: Expression and antiviral function of ARGONAUTE 2 in Nicotiana benthamiana plants infected with two isolates of tomato ringspot virus with varying degrees of virulence, VIROLOGY 524: (1) pp. 127-139., 2018
Ludman Márta, Fátyol Károly: A CRISPR/Cas9 rendszer alkalmazása a növényi RNS csendesítés komponenseinek vizsgálatára, In: Genetikai Műhelyek Magyarországon XVII. Minikonferencia, Szeged (2018), (2018) p. 1., 2018
Dinesh Babu Paudel, Basudev Ghoshal, Sushma Jossey, Márta Ludman, Károly Fátyol, Hélène Sanfacon: Expression and antiviral function of ARGONAUTE 2 in Nicotiana benthamiana plants infected with two isolates of tomato ringspot virus with varying degrees of virulence, Virology, 2018
Fátyol Károly, Burgyán József: Establishment of an ARGONAUTE reporter system, Plant Argonaute Proteins : Methods and Protocols - Methods in Molecular Biology, Springer-New York, 2017
Ludman Márta, Burgyán József, Fátyol Károly: Crispr/Cas9 Mediated Inactivation of Argonaute 2 Reveals its Differential Involvement in Antiviral Responses., SCIENTIFIC REPORTS 7:(1) p. 1010., 2017
Ludman Márta, Fátyol Károly: A CRISPR/Cas9 rendszer alkalmazása a növényi RNS csendesítés komponenseinek vizsgálatára, Fiatal RNS kutatók fóruma - Magyar RNS Szalonok, 2018
Ludman Márta, Fátyol Károly: A CRISPR/Cas9 rendszer alkalmazása a növényi RNS csendesítés komponenseinek vizsgálatára, "GENETIKAI MŰHELYEK MAGYARORSZÁGON" XVII. Minikonferencia, 2018
Fátyol Károly: Involvement of RNA binding proteins in plant antiviral responses, Porgramme and Books of abstracts - Hungarian Molecular Life Sciences 2019, 2019
Ludman Márta, Fátyol Károly: The virological model plant, Nicotiana benthamiana expresses a single functional RDR6 homeolog., Virology, 2019
Fátyol Károly: In Vivo Reporter System for miRNA-Mediated RNA Silencing, Methods in Molecular Biology, Springer-New York, 2020;2166:431-450, 2020
Fátyol Károly, Fekete Anna Katalin, Ludman Márta: Double-Stranded-RNA-Binding Protein 2 Participates in Antiviral Defense, Journal of Virology, 2020 May 18;94(11):e00017-20, 2020
Fabio Pasin Hongying Shan 6 Beatriz García Maren Müller David San León Márta Ludman David H. Fresno Károly Fátyol Sergi Munné-Bosch Guillermo Rodrigo Juan Antonio García: Abscisic Acid Connects Phytohormone Signaling with RNA Metabolic Pathways and Promotes an Antiviral Response that Is Evaded by a Self-Controlled RNA Virus, Plant Communications, Volume 1, Issue 5, 14 September 2020, 100099, 2020
Ludman Márta, Fátyol Károly: TARGETED INACTIVATION OF THE AGO1 HOMEOLOGS OF NICOTIANA BENTHAMIANA REVEALS THEIR DISTINCT ROLES IN DEVELOPMENT AND ANTIVIRAL DEFENSE, New Phytologist, 2020
Angel Y.S. Chen, James H.C. Peng, MaryLou Polek, Tongyan Tian, Márta Ludman, Károly Fátyol, and James C.K. Ng: Comparative analysis identifies amino acids critical for citrus tristeza virus (T36CA) encoded proteins involved in suppression of RNA silencing and differential systemic, Molecular Plant Pathology, 2020
Ludman Márta, Burgyán József, Fátyol Károly: CRISPR/Cas9 mediated inactivation of Argonaute 2 reveals its differntial involvement in antiviral responses, In: Zsuzsanna, Heiszler; Róbert, Hohol; Nóra, Éles-Etele (szerk.) Hungarian Molecular Life Sciences 2017, Diamond Congress Kft. (2017) pp. 63-63., 2017




 

Events of the project

  
2018-10-11 15:24:05
Résztvevők változása



Back »