 |
Characterization of the strigolactone biosynthesis-related D27-like gene in plants
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128637 |
| Type |
FK |
| Principal investigator |
Gulyás, Zsolt |
| Title in Hungarian |
A strigolakton bioszintézishez kapcsolódó D27-like gén karakterizálása növényekben |
| Title in English |
Characterization of the strigolactone biosynthesis-related D27-like gene in plants |
| Keywords in Hungarian |
árpa, stresszbiológia, strigolakton, genetika, Arabidopsis, karotinok, fotoszintézis, abszcizinsav |
| Keywords in English |
barley, stress biology, strigolactone, genetics, Arabidopsis, carotene, photosynthesis, abscisic acid |
| Discipline |
| Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Complex agricultural sciences |
| Department or equivalent |
Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research) |
| Participants |
Balázs, Ervin
Darkó, Éva
Sági, László
Soós, Vilmos
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2023-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
37.720 |
| FTE (full time equivalent) |
4.60 |
| 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 árpa nélkülözhetetlen az emberiség számára az élelmezésben, takarmányozásban és az iparban betöltött szerepe miatt. Az éghajlatváltozás következtében egyre inkább ki van téve a különböző abiotikus stresszhatásoknak, különösen a szélsőséges hőmérsékletnek és vízellátásnak, melyek a közép-európai térségben is előfordulnak. Az abiotikus stresszválaszban számos gén részt vesz, melyek ismerete kulcsfontosságú ahhoz, hogy megismerjük a növényekben zajló folyamatokat stresszkörülmények között. Kutatásaink során azonosítottunk egy ismeretlen árpa gént (HvD27-LIKE), amely bioinformatikai elemzések alapján, nagyfokú hasonlóságot mutat a rizs DWARF27 (D27) génnel és egy ismeretlen Arabidopsis génnel (AtD27-LIKE). A D27 egy β-karotin izomeráz, mely a strigolakton (SLs) bioszintézis egyik kulcsenzime. A SLs egy újonnan felfedezett csoport a fitohormonok között, melyek a stresszválaszban és számos fejlődési folyamat szabályozásában is részt vesznek növényekben. Árpában a SLs bioszintézis szereplőit még eddig nem sikerült azonosítani. Kutatásunk fő célja a HvD27-LIKE árpa gén karakterizálása és szerepének tisztázása. Mindemellett az AD27-LIKE gént is szeretnénk leírni Arabidopsisban. A gének fejlődésben és stresszválaszban betöltött szerepének meghatározásához transzformáns és mutáns növényeket állítunk elő, melyeken fiziológiai méréseket, génexpressziós vizsgálatokat és stressz,- valamint funkcionalizációs teszteket végzünk. Előzetes kísérleteink alapján a SLs bioszintézisen kívül más anyagcsere utakban (ABA bioszintézis, xantofill ciklus) is szerepet játszhat a vizsgált gén, így ezeket a lehetséges kapcsolódási pontokat is meg kell vizsgálnunk.
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.
Kutatásunk fő kérdése: Milyen szerepe van a HvD27-LIKE árpa génnek a növények életében? A gazdaságilag fontos árpa mellett, az alapkutatás modell növényét, az Arabidopsis thaliana-t is szeretnénk bevonni a kutatásainkba. A célgénünk Arabidopsis ortológját (AtD27-LIKE) is megvizsgálnánk, mely génnek a szerepe ugyancsak ismeretlen. Tisztáznunk kell, hogy pontosan milyen anyagcsere útvonalban játszanak szerepet. Habár nagy valószínűséggel a strigolakton bioszintézis egyik kulcs enzimét kódolják, meg kell vizsgálnunk a karotenoid anyagcsere más lehetséges útvonalait, kapcsolódási pontjait. Előzetes kísérleteink alapján a xantofill ciklusra és az ABA bioszintézisre kell még fókuszálnunk, mely folyamatok meghatározóak a növények abiotikus stressz elleni védekezésében. Eredményeink révén megismerhetjük, milyen génekkel áll kapcsolatban (reguláció és koexpresszió), milyen hatások befolyásolják expresszióját, és hogy milyen funkciókat lát el a növény fejlődésében és a stresszválaszban.
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 HvD27-LIKE gén karakterizálása nagy előrelépés lenne az árpához kapcsolódó kutatásoknak, mivel valószínűleg a strigolakton bioszintézis egyik kulcsenzimét, egy β-karotin izomerázt kódol. Habár más növényfajokban alaposan kutatott terület ez a fitohormon csoport, a strigolaktonokról még nagyon kevés információ áll rendelkezésünkre árpában. Eddig egy strigolakton jelátvitelben szerepet játszó gént azonosítottak árpában, míg a bioszintézisben szerepet játszó gének ismeretlenek. A strigolaktonok fejlődésben és stresszválaszban betöltött szerepéről sok ismerettel rendelkezünk más növényfajokban, ami jó alapot biztosít kutatásainkhoz árpában. Ennek a génnek a karakterizálásával jelentős lépést teszünk az árpa stressz ellenállóságának megismerése felé is, mivel a gén homológiák alapján az ABA és a fotoprotektáns karotinoidok bioszintézisének is kulcsszereplője lehet. Eredményeink jó kiindulási alapot jelenthetnek az olyan fajták előállításához hagyományos nemesítési, vagy akár géneditálási módszerekkel, melyek képesek tolerálni a szélsőséges időjárási körülményeket magas terméshozam biztosítása mellett.
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.
Az agrárkutatásban elengedhetetlenek a modern molekuláris biológiai módszerek használata, melyekkel olyan ismeretlen géneket fedezhetünk fel, amik befolyásolják a gazdasági növényeink fejlődését és stressztűrőképességét. A közép európai térségben jelentős terméskiesést okoznak a különféle abiotikus stressztényezők. Az általunk jellemezni kívánt árpa gén, a HvD27-LIKE feltehetőleg egy növényi hormoncsalád, a strigolaktonok szintézisében játszik fontos szerepet előzetes bioinformatikai elemzésünk alapján. A strigolaktonok viszonylag egy újonnan felfedezett csoport a fitohormonok között, melyek a stresszválaszban és számos fejlődési folyamat szabályozásában is részt vesznek a növényekben. Az előzetes kísérletek alapján más folyamatokhoz is kapcsolható ennek a génnek a működése. A stresszválaszban szerepet játszó abszcizinsav bioszintézisében és a fotoinhibíció kivédésében részvevő xantofill ciklusban is szerepe lehet. Nagyon sok információval szolgálnak a modell növényben, az Arabiopsis thalianaban végzett molekuláris biológiai kutatások a gazdasági növényekkel foglalkozó kutatók számára. A kutatásunk során ebben a modellnövényben is megvizsgáljuk ennek a génnek a működését. Mutáns és transzformáns vonalakon végzett kísérleteket terveztünk, melyek során a vizsgált génhez kapcsolódó gének kifejeződését, fiziológiai paramétereket mérünk kontroll és különféle abiotikus stresszek hatása alatt. Eredményeink jó kiindulási alapot jelenthetnek az olyan fajták előállításához hagyományos nemesítési, vagy akár géneditálási módszerekkel, melyek képesek elviselni a szélsőséges időjárási körülményeket magas terméshozam biztosítása mellett.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Predictable barley yields are essential for the human population because of its importance in nutrition, foraging and the industry. As a consequence of climate change, yields are threatened more and more frequently by various abiotic stress factors, especially by changes in temperature and water supply. Both high temperature and water deprivation heavily affect the Central European region. A number of genes are involved in the abiotic stress response, therefore the understanding of their function is crucial in order to develop new mitigation strategies and breeding. In our preliminary experiments, an unknown barley gene (HvD27-LIKE) was found that could affect the development and stress tolerance of the plant. Based on bioinformatics analysis, it has high similarity to the rice DWARF27 (D27) gene and an unknown Arabidopsis gene (AtD27-LIKE). D27 is a β-carotene isomerase, which is a key enzyme in the biosynthesis of strigolactones (SLs), a newly discovered class of phytohormones which play role in stress response and developmental processes in plants. The overall aim of our research is the in-depth characterization of the HvD27-LIKE barley gene and the clarification of its role in stress responses. To this end, we will take advantage of the tools of translational biology and use Arabidopsis to decipher HvD27-LIKE function. A set of transgenic and mutant (KO) barley and Arabidopsis lines will be made for functionalization tests, and we perform physiological experiments, gene expression study, carotenoid profiling and stress tests on these lines. Our target gene supposedly acts on the carotenoid biosynthesis pathways, therefore we check these possible interrelated points.
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.
The main question of our research is to elucidate the role of HvD27-LIKE barley gene in plants life. In addition to the economically important barley, we will use the model plant Arabidopsis in our study. The orthologue of our target gene (AtD27-LIKE) will be investigated, which is an unknown gene in Arabidopsis. We need to clarify the role of these genes in plant metabolism. Although most likely AtD27-LIKE encodes a key enzyme of strigolactone biosynthesis, other plausible pathways and interfaces with carotenoid metabolism are to be examined in detail. As per the results of preliminary experiments we will focus on the xanthophyll cycle and the biosynthesis of abscisic acid which are crucial in the defence mechanism of plants against abiotic stresses. This study will enable us to understand its physiological role, which genes are related to D27-LIKE, which stresses influences its expression and what functions can be attributed to this still enigmatic gene in plant growth and stress response.
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.
Characterization of HvD27-LIKE gene would be a great improvement for the research related to barley, as it probably encodes a shunt enzyme of carotenoid biosynthesis. Hence carotenoid pathway feeds the synthesis of apocarotenoids like ABA and SLs and the synthesis of photoprotectant pigments like xantophylls and neoxanthin, calrifying its role is of utmost importance for stress mitigation. One can expect that D27-LIKE is either a novel enzyme for the photoprotectant, canonical carotenoid biosynthesis, or involved in apocarotenoid synthesis and acts as a key enzyme on ABA or SL/KL pathways. Either scenario is true, we will uncover a new piece of this difficult pathway and contribute to the understanding of the role of D27-LIKE under stress conditions. All in all, the outcomes of this research program carries not only the promise to explore the molecular and physiological background of this novel pathway, but the knowledge has a great potential in direct use in sustainable ecosystems, agriculture and may has enormous effect on theoretical and applied research. Eventually, our results may serve as a good starting point for breeding barley varieties which can tolerate extreme weather conditions with high yields.
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.
In the agricultural research, it is essential to use modern molecular biology methods to identify unknown genes which can influence the development and stress tolerance of crops. In the Central European region, the various abiotic stress-factors cause significant yield losses. The barley HvD27-LIKE gene probably play an important role in the biosynthesis of strigolactone (SLs) phytohormones, however, the function of this gene can be assigned to other pathways. The target gene can also play in biosynthesis of the abscisic acid and in xanthophyll cycle which have important roles in the defense against environmental stresses. We use a model plant, Arabidopsis to elucidate the function of D27-LIKE, because this well characterized plant species can serve as a real tool to conduct research. We plan to perform experiments on mutant and transgenic barley and Arabidopsis lines, and numerous physiological parameters will be measured under control and various abiotic stress conditions. Based on our results, barley varieties can be bred in the future which can tolerate extreme weather conditions with high yields.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
