 |
Interaction of DLK2 and SMXL3 to regulate plant development and stress tolerance: friends or foes?
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128644 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Soós, Vilmos |
| Title in Hungarian |
A növények fejlődését és stresszválaszát szabályozó DLK2 és SMXL3 fehérjék kölcsönhatása: barátok vagy ellenségek? |
| Title in English |
Interaction of DLK2 and SMXL3 to regulate plant development and stress tolerance: friends or foes? |
| Keywords in Hungarian |
DLK2, SMXL család, strigolactone, MAX2, genomeditálás, protein interakciók, Arabidopsis, árpa |
| Keywords in English |
DLK2, SMXL family, strigolactone, MAX2, genome editing, protein interaction, Arabidopsis, barley |
| Discipline |
| Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences) | 50 % | | Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Molecular markers and recognition | | Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences) | 20 % |
|
| Panel |
Complex agricultural sciences |
| Department or equivalent |
HUN_REN ATK Agricultural Institute (HUN-REN Centre for Agricultural Research) |
| Participants |
Badics, Eszter
Balázs, Ervin
Gulyás, Zsolt
Incze, Norbert
Sági, László
Sharma, Himani
Tolnai, Zoltán János
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2023-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
46.705 |
| FTE (full time equivalent) |
7.11 |
| 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 növényi stresszválasz és fejlődés szempontjából fontos gének megismerése szükséges ahhoz, hogy megértsük ezeket a fiziológiai folyamatokat. Az utóbbi időben összegyűlt eredmények és bizonyítékok alapján kijelenthető, hogy az SMXL3 fehérje klád tagjai esszenciálisak a merisztéma fejlődéséhez, a cukor transzport szabályozásához és a stressztolerancia kialakulásához. Ezen tények alapján jó okkal feltételezzük, hogy az SMXL fehérjék jelintegrátor szerepet töltenek be: a különféle környezeti szignálokat közvetítik az egyedfejlődési-élettani folyamatok felé úgy, hogy az erőforrások elosztása/kihasználása a legoptimálisabb legyen. Közvetett és közvetlen bizonyítékaink arra utalnak, hogy az SMXL3 fehérje direkt fizikai kölcsönhatásba lép a DLK2 fehérjével, mely paralógja a strigolakton receptor D14-nek. A kölcsönhatás MAX2 és strigolakton független, és megalapozza azt a munkahipotézist, hogy az ismeretlen funkciójú DLK2 szerepe megismerhető az SMXL fehérjék által, és fordítva, az esszenciális SMXL család regulációja részletesen feltárható a DLK2 segítségével. Nem elképzelhetetlen, hogy a kölcsönhatás eredménye degradáció, vagy akár egymás kölcsönös stabilizálása is lehet. A jelen pályázat célja tehát az interakció jelentőségének feltárása annak érdekében, hogy új eredményekkel szolgáljunk a fejlődés és stresszbiológia, közvetve pedig a stressztoleráns haszonnövények nemesítésének.
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.
Célunk az, hogy betekintést nyerjünk a DLK2-SMXL3,4,5 jelátvitel részleteibe. Előzetes eredményeink alapján a DLK2 és az SMXL3 kölcsönhatásba lépnek, ami valószínűsíthetően mindkét fél működési mechanizmusát befolyásolja. Okkal feltételezhető, hogy az SMXL és a DWARF14 család tagjai közötti nagyfokú strukturális hasonlóság alapján a DLK2-SMXL3,4,5 interakció homológ módon történik a jól leírt D14-SMXL6,7,8 kölcsönhatásnál tapasztaltakkal. Ennélfogva, a D14-SMXL6,7,8 rendszert, mint sorvezetőt alkalmazva leírhatjuk az eddig feltáratlan DLK2-SMXL3,4,5 interakciót. A homológia alapján az interakciót követően a két fél degradálódhat, vagy - ahogy azt a MAX2 fehérjével való kapcsolódás hiánya sugall - kölcsönösen stabilizálhatják egymást. A projekt segít megérteni, hogy az SMXL-DWARF14 család funkcionális diverzitása hogy képes azt a nagyfokú specificitást biztosítani, amely ezen fehérjékhez köthető élettani folyamatok szabályozásához szükséges. Felfedjük, hogy a DLK2-SMXL3,4,5 komplex milyen módon közvetíti a jelet a környezet és a fejlődési program között, és eldöntjük, hogy a rendelkezésünkre álló genetikai és proteomikai bizonyítékok alapján a DLK2 vagy az SMXL fehérjék játsszák a főszerepet. A komplexhez asszociált egyéb fehérjék leírása új utakat nyithat a kutatásban, a DLK2 expressziójának jellemzése pedig ötletet adhat a SL/KL-related motívumokról, valamint az élettani kapcsolatról a KAI2-mediált jelátvitellel. Az Arabidopsis és árpa növényeken elvégzett élettani kísérletek segítenek értelmezni ezeket a szerepeket, feltárhatnak ez idáig rejtve maradó fenotípusokat, és leírni a gének stressztolerancia kialakításában (szárazság és só) betöltött funkcióját.
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 nemrég felfedezett strigolaktonok igazi forró téma lett a növénybiológusok körében és hamar magára vonta a legjobb kutatóműhelyek figyelmét szerte a világon. Egy részletes és átfogó vizsgálattal minden bizonnyal további dimenziók nyílnak meg a DLK2-SMXL jelátvitel kutatásában. Ez a projekt a DLK2-SMXLs jelátvitelről eddig megszerzett tudásunkat jelentősen ki fogja bővíteni, és hasznos információkkal fog szolgálni arról, hogy a jövőben ezen fehérjék funkciójának mely aspektusa kell, hogy a további kutatások középpontjába kerüljön. A kutatás eredménye nem csak egy újszerű jelátviteli folyamat felfedezése lehet, hanem – figyelembe véve, hogy az SMXL fehérjék alapvetően befolyásolják a növény életét, a magon kortól a magképzésig – a megszerzett ismereteknek alapján ezek a gének a nemesítők célkeresztjébe is kerülhetnek, különösen a szárazság sújtotta területeken. A kölcsönhatás leírása tehát újötletekkel szolgál a fejlődésbiológiai kutatásokhoz és a stresszrezisztencia nemesítéshez (génszerkesztéshez). Továbbá, a projekt során összegyűlő adatok két MSc, valamint két PhD dolgozat elkészítését teszik lehetővé, valamint az újszerű módszerek és megközelítések adaptálása a hallgatók szakmai fejlődését is nagyban fogja szolgálni. Mindazonáltal, az eredményeket rangos nemzetközi lapokban tervezzük publikálni.
Mindent összevetve, a projekt nemcsak egy újszerű jelátviteli út molekuláris-élettani jelentőségét írja le, hanem a megszerzett tudás közvetve hasznosulhat a mezőgazdaságban és a fenntartható rendszerek működtetésében, továbbá az alap és alkalmazott kutatásnak (különösen a nemesítésnek) is szolgáltat új információkat.
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 környezetükkel való kölcsönhatása alapvetően a környezet érzékeléséből és az onnan érkező stimulusokra adott válaszból áll. . Ebben a projektben egy olyan újszerű, nemrég leírt jelátviteli útra fogunk fókuszálni, amelynek a főszereplői a DLK2 és az SMXL fehérjecsalád képviselői. Ezek a fehérjék és fizikai kölcsönhatásuk finomhangolják a stresszválasz során aktiválódó molekuláris folyamatokat, melyek nagyban formálják a növényt és életét. A mi célunk bepillantást nyerni azokba az apró történésekbe, ahogyan ezek a fehérjék működnek, és megmutatni az utat azon további kutatások számára, melyek a megszerzett tudás gyakorlati alkalmazására fókuszálnak.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The characterization of genes related to stress responses and development is of utmost importance to understand these physiological processes in plants. Cumulative evidence proposes that the diversity of SMXL3 clade protein functions are essential for a steady fueling of plant meristems, sugar transport and stress tolerance. These facts, given also their strong developmental effects, places SMXLs in an optimal position to act as an integration hub between environmental stimuli and endogenous cues, favouring proper resource allocation decisions by the plant. Indirect and direct evidence shows that SMXL3 and DLK2, a novel paralog of strigolactone receptor D14 are interacting in a MAX2 and strigolactone independent manner. The interaction between DLK2 and SMXL3 substantiates the hypothesis that the yet enigmatic function of DLK2 can be understand through SMXL3,4,5, and conversely, the regulation of the essential SMXL3,4,5 proteins could be investigated in more detail through DLK2. It is expected that this interaction can either lead to the proteolytic destruction of the partners, or mutually stabilize each other. The overall aim of the present proposal is to elucidate the importance of this interaction to provide new ideas for developmental biology and engineering/breeding more stress tolerant crops as well.
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 aim of this project is to gain insight into the DLK2-SMXL3,4,5 signaling. Our previous results revealed that these proteins are interaction partners, and consequently, this interaction is likely important for either DLK2 or SMXL action. Intuitively, the high structural similarity between the members of DWARF and SMXL family implies that the DLK2-SMXL3,4,5 signaling might employs a similar mechanism and concept to D14-SMXL6,7,8 cascade. Therefore, the D14-SMXL7 system can be used as a scaffold to highlight emerging features in the context of DLK2-SMXL3,4,5. Based on the analogy with D14 -SMXL7, this interaction can be destructive, or- as suggested by the apparent independence from MAX2 - can lead to the stabilization of the complex. This project will help us to understand unsolved mysteries of how functional diversity of DWARF14 and SMXL family serves specificity in the myriad of physiological responses related to these proteins. We will uncover how the DLK2-SMXL3,4,5 complex mediates environmental stimuli to developmental processes. The characterization of the protein-protein interaction along with the genetic evidence will help to decide whether DLK2 or SMXLs are the major players in this context. Identification of other interacting proteins will reveal details of the signaling processes and the characterization of DLK2 regulation could eventually reveal SL/KL-related motifs, and the connection towards KAI2 signaling. The physiological experiments with Arabidopsis and barley genotype sets will clarify the exact role of these proteins, can uncover subtle phenotypes and relevance in controlling responses to environmental stimuli such as drought and salt stress.
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.
The recently discovered strigolactones and related pathways became a real hot topic in plant scientist’s community and gained the attention of renowned laboratories. Conducting a detailed and comprehensive investigation will definitely add a further dimension to the emerging picture on how DLK2-SMXLs signaling works and its imminent effect on various physiological processes. This proposed project will substantially extends our present knowledge on the mode of action of these proteins and will provide valuable insight into which aspects of their effect should be the focus of further studies. Results of this proposal will carry not only the promise to discover a novel signaling shunt, but – considering that SMXLs can affect plants life from seedling to seed setting - the knowledge has a great potential in breeding programmes in agriculture, especially in drought prone areas. Uncovering the importance of this interaction will definitely provide new ideas for developmental biology and engineering/breeding more stress tolerant crops as well. Additionally, the project will provide data for two MSc thesis and PhD dissertation, and the state-of-the art methods and novel approaches used will contribute to the development of students’ professional skills. Nevertheless, the results hold promise of publication in highly ranked scientific journals.
All in all, results of this project carries not only the promise to newly explore the molecular and physiological background of this novel signaling mechanism, but the knowledge has a great potential in direct use in sustainable ecosystems, agriculture (especially in drought mitigation and to improve crop yield) and may has enormous effect on theoretical and applied research.
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 interaction with their environment substantially consist of sensing the environmental cues surrounding the plant and responding to the stimuli. In this project we will focus on novel emerging signalling pathways related to DLK2 and SMXL3 family proteins. These proteins, upon their physical interaction can orchestrate the molecular processes lie behind, from stress responses to plant architecture, seedling to seed setting, and therefore, have a huge impact on the sequence of events shaping a plants life. Our aim is to gain insight into the subtle events how these proteins work and to open the door for further research zoomed at the practical use of our findings.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Gulyás Zsolt, Moncsek Blanka, Hamow Kamirán Áron, Stráner Pál, Tolnai Zoltán, Badics Eszter, Incze Norbert, Darkó Éva, Nagy Valéria, Perczel András, Kovács László, Soós Vilmos: D27‐LIKE1 isomerase has a preference towards trans/cis and cis/cis conversions of carotenoids in Arabidopsis, PLANT JOURNAL 112: (6) pp. 1377-1395., 2022 | | Zoltán Tolnai, Himani Sharma, Vilmos Soós: D27-like carotenoid isomerases: at the crossroads of Strigolactone and ABA biosynthesis, JOURNAL OF EXPERIMENTAL BOTANY, 2023 | | Meng Yongjie, Varshney Kartikye, Incze Norbert, Badics Eszter, Kamran Muhammad, Davies Sabrina F, Oppermann Larissa MF, Magne Kévin, Dalmais Marion, Bendahmane Abdel, Sibout Richard, Vogel John, Laudencia‐Chingcuanco Debbie, Bond Charles S, Soós Vilmos, Gutjahr Caroline, Waters Mark T: KARRIKIN INSENSITIVE2 regulates leaf development, root system architecture and arbuscular‐mycorrhizal symbiosis in Brachypodium distachyon, PLANT JOURNAL 109: (6) pp. 1559-1574., 2022 | | Soós Vilmos, Badics Eszter, Incze Norbert, Balázs Ervin: Fire-Borne Life: A Brief Review of Smoke-Induced Germination, NATURAL PRODUCT COMMUNICATIONS 14: (9) p. 1934578X1987292., 2019 | | Soós V, Shetty P, Maróti G, Incze N, Badics E, Bálint P, Ördög V, Balázs E: Biomolecule composition and draft genome of a novel, high-lipid producing Scenedesmaceae microalga, ALGAL RESEARCH-BIOMASS BIOFUELS AND BIOPRODUCTS 54: 102181, 2021 | | Meng Yongjie, Varshney Kartikye, Incze Norbert, Badics Eszter, Kamran Muhammad, Davies Sabrina F, Oppermann Larissa MF, Magne Kévin, Dalmais Marion, Bendahmane Abdel, Sibout Richard, Vogel John, Laudencia‐Chingcuanco Debbie, Bond Charles S, Soós Vilmos, Gutjahr Caroline, Waters Mark T: KARRIKIN INSENSITIVE2 regulates leaf development, root system architecture and arbuscular‐mycorrhizal symbiosis in Brachypodium distachyon, PLANT JOURNAL 109: (6) pp. 1559-1574., 2022 | | Oláh Dóra, Molnár Árpád, Soós Vilmos, Kolbert Zsuzsanna: Nitric oxide is associated with strigolactone and karrikin signal transduction in Arabidopsis roots, PLANT SIGNALING AND BEHAVIOR 16: (3) e1868148, 2021 | | Soós V, Shetty P, Maróti G, Incze N, Badics E, Bálint P, Ördög V, Balázs E: Biomolecule composition and draft genome of a novel, high-lipid producing Scenedesmaceae microalga, ALGAL RESEARCH-BIOMASS BIOFUELS AND BIOPRODUCTS 54: 102181, 2021 | | Soós Vilmos, Badics Eszter, Incze Norbert, Balázs Ervin: Fire-Borne Life: A Brief Review of Smoke-Induced Germination, NATURAL PRODUCT COMMUNICATIONS 14: (9) p. 1934578X1987292., 2019 | | Oláh Dóra, Molnár Árpád, Soós Vilmos, Kolbert Zsuzsanna: Nitric oxide is associated with strigolactone and karrikin signal transduction in Arabidopsis roots, PLANT SIGNALING AND BEHAVIOR 16: (3) e1868148, 2021 | | Vilmos Soós, Eszter Badics, Norbert Incze, Ervin Balázs: Fire-Borne Life: A Brief Review of Smoke-Induced Germination, Natural Product Communications, 2019 | | Zsolt Gulyás, Blanka Moncsek, Kamirán Áron Hamow, Pál Stráner, Eszter Badics, Norbert Incze, Éva Darkó, Valéria Nagy, András Perczel, László Kovács, Vilmos Soós: D27-LIKE1 carotenoid isomerase has a preference towards trans/cis and cis/cis conversions in Arabidopsis, Biorxiv, doi: https://doi.org/10.1101/2022.04.06.487258, 2022 | | Meng Yongjie, Varshney Kartikye, Incze Norbert, Badics Eszter, Kamran Muhammad, Davies Sabrina F, Oppermann Larissa MF, Magne Kévin, Dalmais Marion, Bendahmane Abdel, Sibout Richard, Vogel John, Laudencia‐Chingcuanco Debbie, Bond Charles S, Soós Vilmos, Gutjahr Caroline, Waters Mark T: KARRIKIN INSENSITIVE2 regulates leaf development, root system architecture and arbuscular‐mycorrhizal symbiosis in Brachypodium distachyon, PLANT JOURNAL 109: (6) pp. 1559-1574., 2022 | | Oláh Dóra, Molnár Árpád, Soós Vilmos, Kolbert Zsuzsanna: Nitric oxide is associated with strigolactone and karrikin signal transduction in Arabidopsis roots, PLANT SIGNALING AND BEHAVIOR 16: (3) e1868148, 2021 | | Soós V, Shetty P, Maróti G, Incze N, Badics E, Bálint P, Ördög V, Balázs E: Biomolecule composition and draft genome of a novel, high-lipid producing Scenedesmaceae microalga, ALGAL RESEARCH-BIOMASS BIOFUELS AND BIOPRODUCTS 54: 102181, 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
