A szimbiotikus gümő bakteriális inváziójában és a szimbioszóma mükődésében résztvevő növényi gének azonosítása.
Title in English
Genetic analysis of symbiosome initiation and development in legume nodulation.
Keywords in Hungarian
szimbiotikus nitrogénkötés, pillangós modell növény, Medicago
Keywords in English
symbiotic nitrogen fixation, model legume, Medicago, nodule invasion
Discipline
Cell genetics (Council of Medical and Biological Sciences)
60 %
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)
40 %
Panel
Cellular and Developmental Biology
Department or equivalent
Agricultural Biotechnology Institute (ABC) (National Agricultural Research and Innovation Centre)
Participants
Domonkos, Ágota Halász, Gábor Horváth, Beatrix Jakab, Júlia Seres, Andrea Ana
Starting date
2007-07-01
Closing date
2010-07-31
Funding (in million HUF)
55.500
FTE (full time equivalent)
8.83
state
closed project
Summary in Hungarian
A pillangóvirágú növények és a rhizobium baktériumok között kialakuló szimbiotikus kapcsolat biztosítja a biológiai úton megkötött nitrogén jelentős részét. Több, a szimbiotikus kapcsolat kialakításban résztvevő növényi gén azonosítása lehetővé tette a szimbiózis kezdeti lépéseinek feltárását és alaposabb megismerését. A szimbiotikus nitrogénkötés helyszínének, a szimbioszómának kialakulásáról és működéséről azonban viszonylag kevés ismerettel rendelkezünk. A nitrogénkötő gümőben a baktériumokat egy növényi eredetű membrán, az ún. peribakteroid membrán veszi körül. A létrejövő struktúrában, a szimbioszómában a rhizobium baktériumok morfológiai differenciálódáson és anyagcsere változásokon mennek keresztül, melynek végén képessé válnak szimbiotikus nitrogénkötésre. A peribakteroid membránon keresztül zajlik folyamatosan a baktérium és a növényi sejt kommunikációja, valamint az anyagcsere termékek kicserélődése. Pályázatunk célja a szimbioszóma kialakulásában és funkciójában szerepet játszó növényi gének azonosítása és megismerése, melyhez a folyamatban hibás növényi mutánsokat használjuk segítségként. A Rhizobium meliloti és a Medicago truncatula között létrejövő szimbiózis késői lépéseiben szerepet játszó gének azonosítása lehetővé teszi a szimbiotikus nitrogénkötő kapcsolat alaposabb leírását. A szimbioszóma kialakulásában és működésében szerepet játszó gének hozzájárulnak a membrán transzport és működés megismeréséhez, más sejtszervek kialakulásának tanulmányozásához.
Summary
The legume-rhizobial symbiosis accounts for a significant proportion of biological nitrogen fixation worldwide. The identification of key components in the Nod factor signaling pathway has helped us to understand the initiation of the symbiotic interaction but the developmental processes of the site of the symbiotic nitrogen fixation, the symbiosome are mostly unexplored. In nodule cells rhizobia are surrounded by a plant derived peribacteroid membrane. In the symbiosomes the bacteria undergo morphological changes and metabolic differentiation to transform into their symbiotic state. The symbiosome membrane controls the functioning of the nitrogen-fixing bacteria and acts as the site of nutrient exchange between the two symbionts. This proposal will focus on the identification, molecular and biochemical characterisation of plant components essential in the later stages of nodule development, rhizobial invasion and symbiosome function. Dissecting these complex processes will require a detailed analysis of the genetics and biochemistry of this symbiotic interaction. The initial stages of the work in this proposal will be the phenotypic characterisation of 10 Medicago truncatula symbiotically ineffective (Fix-) mutants that represent later stages of the interaction. Based on the phenotype and transcriptional profile of the mutants, the mutated genes will be positioned in the symbiotic process. The proposal will define the molecular identity of these Fix genes and characterise the gene products. The identification of the components which function in the later stages of the symbiotic interaction will facilitate the understanding of the molecular interactions between the bacteria and the host plant. The study of symbiosome development and function is an excellent genetic system for studying membrane differentiation and transport, and may provide insights into organelle function and evolution.
Final report
Results in Hungarian
A Sinorhizobium meliloti és a Medicago truncatula között kialakuló szimbiotikus nitrogénkötésen hibás növényi mutánsok fenotípusos vizsgálata során megállapítottuk, hogy a 9F és 14S mutánsok a szimbiotikus gümő inváziójában, a többi mutáns a bakteroid átalakulásban vagy pedig a gümő működésében szenvedett hibát. A 9F mutáns mikroszkópos vizsgálata azt is feltárta, hogy a baktériumok az infekciós fonalakból nem voltak képesek lefűződni és a gümő sejtjeibe jutni. A 7Y mutánsban erős autofluoreszcenciát mutató polifenol képződést figyeltünk meg, ami a beinduló patogén válaszreakció eredménye. Megállapítottuk, hogy az 5L és 11S mutánsok egymás alléljai, a 13U a már korábban más kutató csoportok által azonosított dnf5 mutáns, a 6V pedig a dnf7 allélja, többi mutáns pedig különálló komplementációs csoportot képez. Térképezésen alapuló génizolálással klónoztuk a 9F mutánsban hibát szenvedett IPD3 gént. Megállapítottuk, hogy a 9F a mycorrhiza szimbiótikus kapcsolatban is hibát szenvedett, azaz az IPD3 gén a szimbiotikus partnerek befogadásában játszik szerepet. Vizsgálataink kiderítették, hogy a 9F mutánsban a Nod faktor szignálút hibásan működik. Genetikai térképezés és gén chip alapú módszer kombinálásával azonosítottuk az 5L és 11S mutánsokban hibás szulfát transzporter gént. A6V, 12AA és 13U mutánsok esetében is azonosítottuk a fenotípusért felelős deléciókat, genetikai térképezéssel meghatároztuk a 7Y és 14S növényekben hibát szenvedett géneket tartalmazó genomi régiókat.
Results in English
The phenotypic characterization of the ineffective mutants impaired in the symbiotic interaction between Sinorhizobium meliloti and Medicago truncatula showed that nodules on 9F and 14S mutants were impaired in the invasion of the nodule cells by bacteria. Aberrant infection process was detected in mutant 9F because bacteria were not released from the infection threads. The other mutants showed defects in bacteroid differentiation, displayed disintegration of the symbiotic structures and were impaired in functioning of the symbiotic nodule. Mutant 7Y showed high accumulation of polyphenolic compounds indicating strong defense reaction against rhizobia. We identified allelic relationship between 5L and 11S, 13U and dnf5, 6V and dnf7 fix- mutants. Positional cloning identified that the IPD3 gene is impaired in the 9F mutant. Further characterization showed that the effectiveness of the AM colonization significantly reduced in the 9F mutant indicating that IPD3 functions in the accommodation of the symbiotic partners in the host cells. Expression data suggested that IPD3 acts in the NF signal pathway. Combining genetic mapping and gene chip-based cloning we identified that the SST1 gene was impaired in the 5L and 11S mutants. We also identified the deletions which are probably responsible for the mutant phenotype in the 6V, 12AA and 13U mutants. Map-based cloning experiments also determined the genomic regions containing the mutated Fix genes in 7Y and 14S mutant plants.
Horvath B, Halász G, Domonkos Á, Miró K, Marsh J, Oldroyd GED, Kaló P: Isolation and analysis of ineffective nodulation mutants in M. truncatula, abstract in 8th European Nitrogen Fixation Conference, 2008
Domonkos Á, Horvath B, Halász G, Miró K, Ayaydin F, Marsh J, Oldroyd GED, Kaló P: Isolation and analysis of ineffective nodulation mutants in M. truncatula, abstract in IV International Conference on Legume Genomic and Genetics, 2008
Domonkos Á, Horvath B, Halász G, Miró K, Ayaydin F, Marsh J, Gobbato E, Hirsch S, Oldroyd GED, Kaló P: Isolation and analysis of ineffective nodulation mutants in M. truncatula, abstract in Model Legume Congress, Asilomar, 2009
Horváth, B, Yeun, LH, Domonkos, Á, Halász, G, Gobbato, E, Ayaydin, F, Miró, K, Hirsch, S, Sun, J, Tadege, M, Ratet, P, Mysore, K, Ané, JM, Oldroyd, GED and Kaló, P: Medicago truncatula IPD3 is a member of the common symbiotic signaling pathway required for rhizobial and mycorrhizal symbioses, Mol Plant-Microbe Interaction 24:1345-1358, 2011
Events of the project
2014-01-02 14:46:06
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ), Új kutatóhely: Mezőgazdasági Biotechnológiai Kutatóintézet (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ).
