Relationship between glutathione transferases and the abiotic stress tolerance of tomato  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
131909
Type PD
Principal investigator Horváth, Edit
Title in Hungarian Glutation transzferázok és a paradicsom abiotikus stressztoleranciájának kapcsolata
Title in English Relationship between glutathione transferases and the abiotic stress tolerance of tomato
Keywords in Hungarian glutation, glutation transzferáz, pardicsom, redox homeosztázis, só- és ozmotikus stressz
Keywords in English glutathione, glutathione transferase, tomato, redox homeostasis, salt- and osmotic stress
Discipline
Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences)75 %
Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences)25 %
Ortelius classification: Crop physiology
Panel Complex agricultural sciences
Department or equivalent Department of Plant Biology (University of Szeged)
Starting date 2019-12-01
Closing date 2023-01-31
Funding (in million HUF) 25.041
FTE (full time equivalent) 2.54
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 abiotikus stresszorok, főként a szárazság és a megemelkedett sókoncentráció, a növények fejlődését és termőképességét negatívan befolyásoló legfontosabb tényezők. A környezeti stresszhatások többsége a reaktív oxigénformák (ROS) akkumulációját idézi elő, ezáltal módosítja a redukciós-oxidációs (redox) folyamatokat. A sejtek számára a redox folyamatok biztosítják az energiát, így a redox állapot szabályozása a fejlődés és a stressz válasz során is nagy jelentőségű. A ROS szint és a redox homeosztázis szabályozásában alapvető szereppel bírnak az aszkorbát-glutation ciklus (AsA-GSH) nem-enzimatikus elemei és az enzimatikus antioxidánsok. Az elmúlt években előtérbe került a glutation transzferázok (GSTk) szerepe a GSH szint- és redox állapot szabályozásában. Kísérleteinkben paradicsom fajták (Solanum lycopresicum L.) só- és ozmotikus stresszre adott fiziológiai változásait szeretnénk vizsgálni. Eltérő stressz toleranciával rendelkező paradicsom fajták nem-enzimatikus és enzimatikus antioxidánsait tervezzük tanulmányozni. A redox homeosztázis fenntartásában vagy a redox jelátvitelben valószínűleg részt vevő glutationhoz-kapcsolt enzimek (pl. glutation reduktáz, glutation transzferázok) génexpressziós mintázatát nagy áteresztőképességű kvantitatív PCR (HT-QPCR) segítségével vizsgáljuk. A paradicsom genotípusokban stresszhatásra eltérően válaszoló egyes gének 5’ szabályozó régióját megszekvenáltatjuk, a cisz-ható elemek közötti eltéréseket bioinformatikai eszközök segítségével feltérképezzük. A modern technikák alkalmazásával lehetővé válik a redox szabályozás és a paradicsom növények stressz toleranciájában betöltött szerepének jobb megértése.

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 glutation (GSH) „eszenciális” tiol molekula, amelynek a redox állapota egyrészt a sejt redox homeosztázisának jelzője, másrészt összefüggést mutathat a stressztolerancia szintjével. Bár a glutation transzferázok (GSTk) mint antioxidáns enzimek több évtizede ismertek, a glutation redox állapotát szabályozó szerepük csak az elmúlt években került előtérbe. A projekt keretein belül a glutation redox állapotának változását és a glutation metabolizmusban szerepet játszó gének expressziós változásait szeretnénk feltérképezni eltérő stressz rezisztenciával rendelkező paradicsom fajtákban só- és ozmotikus stressz során, hogy választ kapjunk a következő kérdésekre:

Kimutatható-e redox állapot-függő specifikus változás a GSH-hoz kapcsolódóan az SlGST gének illetve a GSH mennyiségét, redukáltságát meghatározó fehérjék génjeinek expressziójában? Van-e egyedi expressziós mintázata a vizsgált géneknek a stressztoleranciájukban különböző fajtákban? Milyen kapcsolatot lehet kimutatnia sejtek redox állapota és egyes SlGSTk expressziója között?

Azonosítható-e specifikus, a paradicsom abiotikus stressz toleranciájában szerepet játszó cisz-ható szabályozó elem az SlGSTk 5’ szabályozó régiójában? Milyen változásokat detektálhatunk az SlGST gének expresszióját meghatározó transzkripciós faktorok kifejeződési mintázatában só- és ozmotikus stressz során?

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 elmúlt években nagy mennyiségű információ jelent meg a glutation transzferázok (GSTk) különböző környezeti stresszválaszban betöltött szerepéről. Ennek ellenére, egyes GST izoenzimek specifikus funkciójáról, jelentőségéről az abiotikus stresszben keveset tudunk. Mivel a paradicsom (Solanum lycopersicum L.) genom szekvenciája ismert és hozzáférhető, továbbá más adatbázisok is elérhetők, így a kétszikűek modellnövényeként történő használata molekulás munkákban is lehetővé vált. Kísérleteinkben paradicsom fajták só- és ozmotikus stressz válaszát szeretnénk jellemezni a glutationhoz kapcsolódó gének különös tekintettel az SlGSTk expressziós mintázatának vizsgálatán keresztül. Korszerű molekuláris biológiai módszerek, mint a nagy-áteresztőképességű kvantitatív PCR (HT-QPCR) alkalmazása új eszközként szolgál és lehetőséget nyújthat a paradicsom stressztoleranciáját meghatározó változások felfedésében. A glutation poolhoz kapcsolódó gének transzkripciójának vizsgálata mellett, tanulmányozni szeretnénk egyes gének eltérő indukciójának hátterében lévő mechanizmusokat. Ennek érdekében a kiválasztott gének 5’ szabályozó régiójának szekvenáltatását tervezzük, majd in silico módszerekkel azonosítjuk az indukciójukban nagy valószínűséggel szerepet játszó cisz-ható elemeket. Reményeink szerint az eredményeink hosszabb távon alkalmazhatók lesz az abiotikus stressz toleráns paradicsom növények szelekciójában is.

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 paradicsom (Solanum lycopersicum L.) egyike a legfontosabb zöldségnövényeinknek, amelyet világszerte termesztenek és közeli rokonságban van más kereskedelmi szempontból szintén fontos növényeinkkel mint a burgonya, padlizsán, paprika, dohány és petúnia. A paradicsom abiotikus stressztoleranciájának jobb megértése hozzájárulhat a stressztolerancia hátterében lévő mechanizmusok megértéséhez és ezáltal a változó környezeti hatások okozta problémák megoldásához a mezőgazdaságban. A legtöbb környezeti stressz tényező a reaktív oxigénformák szintjének megemelkedéséhez és ezáltal a sejtek oxidáltabb állapotához vezet. Ez a változás a sejtek életképességét csökkentheti, azonban emellett szerepet játszhat az akklimatizációban is, ami a növény túlélését biztosítja. A glutation és az antioxidáns enzimek, közöttük a glutation transzferázok részt vehetnek a redukciós-oxidációs folyamatok szabályozásában. A növények só- és ozmotikus stresszre adott fiziológiai válaszainak vizsgálata mellett tervezzük olyan gének kifejeződésének vizsgálatát is, amelyek a glutation anyagcserében fontos fehérjéket/enzimeket kódolnak. Reményeink szerint, molekuláris biológiai módszerek felhasználásával számos olyan szabályozó elemet találhatunk, amelyek meghatározóak a növények stressztoleranciája szempontjából. Eredményeink várhatóan segíthetnek a glutation transzferázok különböző stresszekhez történő alkalmazkodásban betöltött szerepének megismerésében és újabb módszerek kidolgozásában, amelyek a termesztett növényeink szárazság- és só toleranciájának javítására irányulnak. Az eredmények tehát mind alapkutatási mind alkalmazott kutatási szempontból fontosak lehetnek.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Abiotic stresses, especially drought and salinity are the key factors which negatively influence plant development and productivity. Most environmental challenges involve reduction-oxidation (redox) adjustments linked to enhanced accumulation of reactive oxygen species (ROS). For cells, energy is supplied by redox processes, thus the regulation of redox state has a great importance during the development and stress responses of plants. In the regulation of ROS levels and redox homeostasis antioxidants such as ascorbate-glutathione pathway (AsA-GSH) and ROS-processing enzymes are essential. In the recent years the role of glutathione transferases (GST) as GSH content and - redox state regulating enzymes came to the forefront. We plan to examine and compare salt- and osmotic stress specific physiological changes of tomato (Solanum lycopresicum L.) cultivars. Non-enzymatic and enzymatic antioxidants will be investigated in tomato cultivars with different stress response. Our aim is to reveal particular gene expression changes of glutathione related enzymes (such as glutathione reductase or glutathione transferases; SlGSTs) using high-throughput QPCR, which are likely to be involved in the maintenance of redox homeostasis or in the redox signaling. In our experiments we would like to analyse the 5’-regulatory region of SlGSTs distinctly responding in tomato genotypes and map differences in cis-acting elements using bioinformatic tools. Combining these techniques can enable us to understand better the redox regulation and its role in the stress tolerance of tomato plants.

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.
Glutathione (GSH) is an essential thiol molecule which redox state is an effective marker of the cellular redox homeostasis, moreover may correlate with the level of stress tolerance. Although the antioxidant function of glutathione transferases (GSTs) has been known for several decades, their role in glutathione redox state regulation only in the recent years came into the front. In this project we try to map the redox changes of glutathione and the expression changes of glutathione related genes in tomato cultivars with different stress tolerance under salt- and osmotic stress conditions to get answer to the following questions:

Can we identify specific redox status- and GSH-related changes in the expression of SlGSTs and other genes encoding enzymes which are involved in determination of the total GSH level or its reduced/oxidized status? Is there any specific gene expression pattern in tomato cultivars with different stress tolerance? What is the connection between the redox state of cells and expression of particular SlGSTs?

Are there any specific cis-acting regulatory elements in SlGSTs 5’regulatory region which can be important in abiotic stress tolerance of tomato? What kind of alterations can be identified in the transcript pattern of transcription factors involved in the expression of SlGST genes during salt- and osmotic 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.
In the last few years large amount of information have been generated on the importance of glutathione transferases (GSTs) in response to different environmental stress conditions. Despite of this, the function of individual GSTs in abiotic stresses is still poorly understood. Since the genome of tomato (Solanum lycopersicum L.) is sequenced and databases are available it could be used easily as a model for dicotyledonous species in molecular studies. In our experiments we would like to characterize the response of tomato cultivars to salt- and osmotic stress through revealing the transcriptional pattern of glutathione related genes with a special attention on SlGSTs. Application of the up-to-date molecular biologic methods, such as high-throughput quantitative PCR, is a new approach and holds a great promise to reveal changes that dictate stress tolerance of tomato. Besides of mapping the gene expression connected to the glutathione pool, we would like to study the mechanisms responsible for the induction of individual genes. Thus, we are planning to sequence the 5’ regulatory region of selected genes and to determine elements which could be involved in its induction. Our best hope is that the results of the planned work will be applicable later in selection of abiotic stress tolerant tomato plants, even during the breeding processes.

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.
Tomato (Solanum lycopersicum L.) is one of the most important vegetable plants grown worldwide and is closely related to many commercially important plants such as potato, eggplant, peppers, tobacco, and petunias. Gaining deeper insights into the abiotic stress tolerance of tomato can help to understand mechanisms behind stress tolerance of plants and this way to handle the changing environment caused issues in the agriculture. Most environmental stresses involve enhanced accumulation of reactive oxygen species and therefore cells may become more oxidized. This change, beside its unfavorable effect on cell viability, can be part of the acclimation to the stressors which can support successful survive of the plant. Glutathione and enzymes among others glutathione transferases may take part in the regulation of reduction-oxidation processes in plants. We are planning to study, beside the physiological responses of tomato, gene expression patterns of these glutathione related genes during salt- and drought stress, using modern molecular and biochemical tools. Hopefully using these methods we can recognize several regulatory elements involved in abiotic stress tolerance of tomato. We expect that our results will contribute to the understanding of the role of glutathione transferases in adaptation to different stress conditions, and will help to develop novel approaches to improve tolerance of crop plants to drought or soil salinity. Results may be therefore valuable also for applied research programs, aiming to improve drought and salt tolerance in crops.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kutatási programunkban a glutation transzferázok (GST-k) abiotikus stressztolerancia kialakításában betöltött szerepét vizsgáltuk. A környezeti stresszhatások gyakran a reaktív oxigénformák (ROS) szintjének megemelkedését idézik elő, ezáltal a redukciós-oxidációs (redox) folyamatokat módosítják. A redox állapot szabályozásában kulcsfontosságúak az antioxidánsok, melyek közül az aszkorbát-glutation (AsA-GSH) ciklus nem-enzimatikus elemeit és a GSH kapcsolt glutation reduktázok (GR) és GST-k szerepét vizsgáltuk. Eltérő só és/vagy ozmotikus stressztoleranciával rendelkező paradicsom fajták tanulmányozásával megállapítottuk, hogy az érzékeny fajtában, amelynek biomasszája kevésbé nőtt az egy hetes stresszkezelés során, alacsonyabb AsA és GSH tartalom, és csökkent GR aktivitás figyelhető meg. A toleráns fajták viszont stresszt követően magasabb AsA és GSH szintekkel, megemelkedett glutation peroxidáz és/vagy dehidroaszkorbát reduktáz, és indukálható GST aktivitásokkal rendelkeztek. Kimutattuk, hogy a vizsgált GR és GST gének expressziója egyedi mintázatot mutat a fajtákban, és a különböző szervekben. A korreláció analízis eredmények azt mutatják, hogy a redox szabályozás mellett egyéb jelátviteli utak is szerepet töltenek be a vizsgált gének kifejeződésének szabályozásában. A projekt keretein belül új tudományos eredmények születtek a GST-k só- és ozmotikus stressztolerancia kialakításában betöltött szerepével és a GST gének redox állapot általi szabályozásával kapcsolatban.
Results in English
In our research program, we investigated the role of glutathione transferases (GSTs) in the development of abiotic stress tolerance. Environmental stressors often cause an increase in the level of reactive oxygen species (ROS), thereby modifying the reduction-oxidation (redox) processes. Antioxidants are crucial in the regulation of the redox state, of which, in our work, we examined the non-enzymatic elements of the ascorbate-glutathione (AsA-GSH) cycle and the role of GSH-related glutathione reductases (GR) and GSTs. By studying tomato cultivars with different salt and/or osmotic stress tolerance, we found that in the sensitive variety, which showed a decrease in biomass during the one-week stress treatment, lower AsA and GSH content and reduced GR activity were observed. The tolerant cultivars, on the other hand, had higher AsA and GSH levels, elevated glutathione peroxidase and/or dehydroascorbate reductase, and inducible GST activities after treatments. We have shown that the expression of the examined GR and GST genes shows a unique pattern in the cultivars and in the different organs. Correlation analyses revealed that, in addition to positive or negative feed-back of redox regulation, other signalling pathways also play a role in modulating the expression of the studied genes. Within the framework of the project, new scientific results were obtained regarding the role of GSTs in the formation of salt- and osmotic stress tolerance and the redox regulation of GST genes.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=131909
Decision
Yes





 

List of publications

  
Bela Krisztina, Riyazuddin Riyazuddin, Horváth Edit, Hajnal Ádám, Gallé Ágnes, Bangash Sajid Ali Khan, Csiszár Jolán: A növényi glutation-peroxidáz-szerű enzimek szerepe az oxidatív stresszválaszban, In: Poór, Péter; Mézes, Miklós; Blázovics, Anna (szerk.) Oxidatív stressz és antioxidáns védekezés a növényvilágtól a klinikumig, Magyar Szabgyök-Kutató Társaság (2020) pp. 12-19., 2020
Edit Horváth, Kitti Kulman, Krisztina Bela, Riyazuddin Riyazuddin, Ágnes Gallé, Jolán Csiszár: Mutation of glutathione transferase tau 19 (AtGSTU19) altered salicylic acid response in Arabidopsis seedlings, In: Baltic redox workshop Greifswald, (2020) p. 64., 2020
Horváth Edit, Bela Krisztina, Gallé Ágnes, Riyazuddin Riyazuddin, Csomor Gábor, Csenki Dorottya, Csiszár Jolán: Compensation of Mutation in Arabidopsis glutathione transferase (AtGSTU) Genes under Control or Salt Stress Conditions, INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES 21: (7) p. 2349., 2020
Krisztina Bela, Riyazuddin Riyazuddin, Dávid Milodanovic, Edit Horváth, Ádám Hajnal, Ágnes Gallé, Jolán Csiszár: Detection of the in vivo redox state of Atgpxl2 and -3 mutant seedlings, using roGFP2 redox probe, In: Baltic redox workshop Greifswald, (2020) p. 60., 2020
Ádám Hajnal, Jolán Csiszár, Krisztina Bela, Edit Horváth, Nóra Faragó, László Puskás, Ágnes Gallé: The connection between glutathione transferases and redox state – a comparative analysis of two tomato cultivars, In: Plant Biology Europe 2021 Abstract Book, (2021) p. 288., 2021
Bela K, Milodanovic D, Riyazuddin R, Farkas A, Lkhagvadorj O, Horváth E, Gallé Á, Bangash SAK, Poór P, Csiszár J: Van-e az AtGPXL3-nak szerepe az ER stresszválaszban?, In: Györgyey, János (szerk.) XIII. Magyar Növénybiológiai Kongresszus, Szegedi Biológiai Kutatóközpont (2021) p. 60., 2021
Csiszár J, Gallé Á, Horváth E, Bela K, Hajnal ÁB, Erdei L, Tari I, Fehér A: A stresszválaszok és redox folyamatok fiziológiai és molekuláris vizsgálatai az SZTE Növénybiológiai Tanszéken, In: Györgyey, János (szerk.) XIII. Magyar Növénybiológiai Kongresszus, Szegedi Biológiai Kutatóközpont (2021) p. 40., 2021
Edit Horváth, Gábor Feigl: Different nitro-oxidative response of tomato cultivars to salt- and osmotic stress, In: Zsuzsanna, Kolbert; Gábor, Feigl; Árpád, Molnár; Ágnes, Szepesi; Attila, Bodor; Attila, Fehér (szerk.) 8th Plant Nitric Oxide International Meeting, (2021) p. 59., 2021
Edit Horváth, Kitti Kulman, Marcell Gaál, Krisztina Bela, Ádám Hajnal, Jolán Csiszár: Salt stress response of tomato cultivars: focussing on glutathione and related processes, In: Plant Biology Europe 2021 Abstract Book, (2021) p. 156., 2021
Edit Horváth, Krisztina Bela, Kitti Kulman, Ágnes Gallé, Riyazuddin Riyazuddin, Jolán Csiszár: Early response in salicylic acid-treated roots of Arabidopsis glutathione transferase (Atgstf8 and Atgstu19) mutants, In: Plant Biology Europe 2021 Abstract Book, (2021) p. 63., 2021
Horváth E, Bela K, Hajnal Á, Feigl G, Kulman K, Gaál M, Csiszár J: Paradicsom fajták sóstressz válaszának összehasonlító vizsgálata, In: Györgyey, János (szerk.) XIII. Magyar Növénybiológiai Kongresszus, Szegedi Biológiai Kutatóközpont (2021) p. 65., 2021
Jolán Csiszár, Krisztina Bela, Ádám Hajnal, Edit Horváth, Nóra Faragó, László Puskás, Ágnes Gallé: Glutathione transferases in roots as antioxidants and redox modulators, In: Plant Biology Europe 2021 Abstract Book, (2021) p. 278., 2021
Krisztina Bela, Dávid Milodanovic, Riyazuddin Riyazuddin, Anna Farkas, Edit Horváth, Ágnes Gallé, Sajid Ali Khan Bangash, Péter Poór, Jolán Csiszár: ER stress response of Atgpxl3 plants, In: Plant Biology Europe 2021 Abstract Book, (2021) p. 241., 2021
Gallé Á, Bela K, Hajnal Á, Faragó N, Horváth E, Horváth M, Puskás L, Csiszár J: Crosstalk between the redox signalling and the detoxification: GSTs under redox control?, Plant Physiology and Biochemistry, 169:149-159, 2021
Edit Horváth, Kitti Kulman, Marcell Gaál, Krisztina Bela, Gábor Feigl, Ádám Hajnal, Bernát Tompa, Ágnes Gallé, Jolán Csiszár: Focusing on the role of glutathione and related processes in salt stress response of tomato cultivars, In: 8th International Symposium on Structure and Function of Roots, Book of Abstracts, (2022) p. 26., 2022
Horváth Edit, Bela Krisztina, Kulman Kitti, Faragó Nóra, Riyazuddin Riyazuddin, Gallé Ágnes, Puskás László G., Csiszár Jolán: Glutathione Transferases are Involved in Salicylic Acid-Induced Transcriptional Reprogramming, JOURNAL OF PLANT GROWTH REGULATION, 2023



Back »