Role of reactive oxygen species in limiting viral and fungal pathogens in resistant plants  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
77705
Type K
Principal investigator Király, Zoltán
Title in Hungarian A reaktív oxigénfajták szerepe vírus és gomba kórokozók limitálásában rezisztens növényekben
Title in English Role of reactive oxygen species in limiting viral and fungal pathogens in resistant plants
Keywords in Hungarian reaktív oxigénfajták, antioxidánsok, hiperszenzitív reakció, extrém rezisztencia
Keywords in English reactive oxygen species, antioxidants, hypersensitive reaction, extreme resistance
Discipline
Crop protection (Council of Complex Environmental Sciences)40 %
Ortelius classification: Crop protection
Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences)30 %
Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences)30 %
Panel Complex agricultural sciences
Department or equivalent Plant Protection Institute (Centre for Agricultural Research)
Participants Bacsó, Renáta
Király, Lóránt
Künstler, András
Pogány, Miklós
Polgár, Zsolt
Starting date 2009-04-01
Closing date 2013-09-30
Funding (in million HUF) 8.698
FTE (full time equivalent) 4.97
state closed project
Summary in Hungarian
Összefoglaló

A kiterjedt genetikai kutatások ellenére ma is vitatott kérdés az, hogy: közvetlenül mi öli el a kórokozókat a rezisztens növényben? Az Rx gén által determinált extrém rezisztencia a burgonyában az X vírussal (PVX) szemben és a mi kísérleteink a nem-gazda rezisztencia mechanizmusával kapcsolatban arra engednek következtetni, hogy a reaktív oxigén fajták (ROS) központi szerepet játszanak a kórokozók gátlásában. Mindkét esetben korai rezisztenciáról van szó, és valószínűleg a szuperoxid (O2•‾ ) felhalmozódása miatt gátlódnak a kórokozók. Meggyőző, közvetlen bizonyítékok azonban hiányoznak.
Megvizsgáljuk, hogy a külsőleg alkalmazott ROS valóban gátolja-e a kórokozókat, és a fogékony gazdanövényt rezisztenssé teszi-e? Azt is tisztázzuk, hogy egyes antioxidánsok, pl. a szuperoxid dizmutáz (SOD) vagy a kataláz (CAT) visszafordítják-e a ROS hatását, és ezzel fogékonyabbá teszik-e a növényt? Továbbá ezeket a géneket transzformáljuk az Rx rezisztens burgonyába, és elemezzük azt, hogy a ROS hatása gyengül-e, és a PVX akkumulációja fokozódik-e a transzgenikus növényekben?
Az általunk létrehozott dohány- és burgonyanövényekben, amelyek magas szinten fejezik ki a ferritin és aldóz reduktáz géneket, megvizsgáljuk, hogy a O2•‾ vagy más prooxidánsok (H2O2, OH • ) által stimulált rezisztencia megváltozik-e? Azt is elemezzük, hogy azokban a növényekben, amelyeket oxigénhiányos vagy magas páratartalmú környezetben tartottunk, és amelyekben ezért a hiperszenzitív reakció tünetei nem tudnak kialakulni, csökken-e a ROS mennyisége, és ez csökkenti-e a vírus replikáció mértékét.
Végső célunk: kimutatni azt, hogy a O2•‾ vagy más ROS valóban oka-e a kórokozók gátlásának, ill. elölésének a rezisztens növényben.
Summary
Summary

In spite of recent genetic research, it is still a debated question: what is arresting or killing pathogens in the resistant plant? Results on the Rx determined extreme resistance in potato to potato virus X (PVX) as well as our recent preliminary results with non-host resistance permit to suppose that reactive oxygen species (ROS) have a pivotal role in the arrest or killing viral or other pathogens in the resistant plant. In both cases resistance is a very early symptomless phenomenon and superoxide
( O2•‾) seems to be responsible for the inhibition of viral and fungal pathogens. However, convincing direct evidences are still lacking.
We will try to demonstrate that the externally applied ROS may arrest pathogens in plants and make susceptible host plants resistant to viral and other pathogens. Furthermore, antioxidants, such as superoxide dismutase (SOD) or catalase (CAT), may reverse the actions of ROS and supposedly inhibit the pathogen-arresting action of ROS and make plants more susceptible to infections. Therefore, we will try to incorporate these antioxidant genes into the Rx-resistant potato and will determine whether or not PVX accumulation increases in these transgenic plants?
Applying our transgenic tobacco and potato plants that overexpress the genes ferritin and aldose reductase, we will see how these genes can modify the resistance-stimulating action of O2•‾ or other ROS (H2O2, OH• ). We also try to clarify whether or not ROS production is really inhibited as a consequence of treatments, such as high humidity or lack of O2 , and whether suppression of ROS can influence virus replication?
Our final aim is to demonstrate that O2•‾ or other ROS essentially contribute to the action of killing pathogens in resistant plants.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Betegség ellenálló növényekben a reaktív oxigénfajták (ROS) patogén-gátló hatása miatt a növény nem vagy alig betegszik meg,. Gazda-rezisztens és nemgazda-rezisztens lisztharmatos árpák: előbbiben az epidermiszben felhalmozódó hidrogén-peroxid (H2O2) az ellenállóság markere, nemgazda rezisztenciánál a mezofillum kloroplasztiszokban jellemző a korai szuperoxid (O2•­) - felhalmozódás.  A PVX-szel szembeni extrém rezisztenciát az Rx gének határozzák meg. Az Rx1 gént kifejező dohány O2•­ akkumulációja a vírusfertőzés után intenzívebb. A keszthelyi PVX-rezisztens burgonyafajtákban a Solanum acaule vad fajból származó Rx2 gén kódolja az extrém rezisztenciát. Egy lisztharmat-rezisztens cseresznyepaprika (Capsicum annuum var. cerasiforme) rezisztenciáját kertészeti oltással át lehet vinni a fogékony étkezési paprikába (C. annuum). A cseresznyepaprika O2•­ termelése az oltványban (étkezési paprika) is megnyilvánul. A rezisztencia és a O2•­-termelés korrelál. A külsőleg alkalmazott H2O2 vagy egyéb ROS-képző ágensek Arabidopsis thaliana és dohány leveleiben baktérium- és vírus ellenállóságot idéznek elő a kórokozó-replikáció gátlásával. A O2•­ és a H2O2 képződés gátlása genetikailag vagy hővel baktérium- és vírus-fogékonnyá teszi a fertőzött növényeket. A növények enyhe károsítása valamely ROS vegyülettel tüneti rezisztenciát okoz: antioxidánsok indukálódnak a növényekben, a nekrotikus tünetek gátlódnak. A kórokozók nem szenvednek kárt.
Results in English
In disease resistant plants reactive oxygen species (ROS) are responsible for pathogen inhibition. Comparing host-resistant and nonhost-resistant, powdery mildew-infected barley: hydrogen peroxide (H2O2) accumulates in the epidermis (host-resistance), superoxide (O2•­) accumulates in chloroplasts of mesophyll cells (non-host resistance). Rx genes in potato determine extreme resistance to infection of Potato virus X (PVX). In tobacco containing the Rx1 gene, O2•­ accumulates more intensively. In potato cultivars bred at Keszthely, the Rx2 gene determines extreme resistance to PVX. Rx2 is derived from the wild potato species Solanum acaule. A powdery mildew-resistant cherry pepper (Capsicum annuum var. cerasiforme) cultivar accumulates high levels of O2•­. Resistance and O2•­ accumulation can be transferred from cherry pepper to susceptible sweet pepper (C. annuum) by grafting. Resistance and O2•­ accumulation correlate. External application of H2O2 or several ROS-producing compounds to Arabidopsis thaliana and tobacco leaves induces resistance to bacterial and viral pathogens, because pathogen replication is inhibited by ROS. In planta inhibition of O2•­ or H2O2 production by heat or mutations induces susceptibility to infections. Mild damage caused to plant leaves by treatments with low concentrations of ROS results in antioxidant accumulation and inhibition of necrotic symptoms. Pathogen multiplication is not inhibited.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=77705
Decision
Yes





 

List of publications

  
Ahmadvand, R.I., Wolf, A., Mousapour, G., Polgár, Z., Taller, J.: Development of molecular tools for distinguishing between the highly similar Rx1 and Rx2 PVX extreme resistance genes in tetraploid potato., Potato Research, Megjelenés alatt, 2013
Király, L., Künstler, A., Bacsó, R., Hafez, Y.M., Király, Z.: Similarities and differences in plant and animal immune systems – What is inhibiting pathogens?, Acta Phytopathol. Entomol. Hung. 48, 187-205., 2013
Barna, B., Fodor, J, Harrach, B.D., Pogány, M., Király, Z.: The Janus-face of reactive oxygen species in resistance and susceptibility of plants to necrotrophic and biotrophic pathogens., Plant Physiol. Biochem. 59, 37-43., 2012
Hafez, Y.M., Bacsó, R., Király, Z., Künstler, A., Király, L.: Up-regulation of antioxidants in tobacco by low concentrations of H2O2 suppresses necrotic disease symptoms., Phytopathology, 102, 848-856., 2012
Darkó, É., Fodor, J., Dulai, S., Ambrus, H., Szenzenstein, A., Király, Z., Barnabás, B.: Improved cold and drought tolerance of doubled haploid maize plants selected for resistance to prooxidant tert-butyl hydroperoxide., J. Agron. Crop Sci. 197, 454-465., 2011
Bacsó, R., Hafez, Y.M., Király, Z., Király, L.: Inhibition of virus replication and symptom expression by reactive oxygen species in tobacco infected with Tobacco mosaic virus., Acta Phytopathol. Entomol. Hung. 46, 1-10., 2011
Barna, B., Bittsánszky, A., Viczián, O., Király, L., Fodor, J., Gullner, G., Kőmíves, T., Király, Z.: Biotic and abiotic stress-tolerant plants with elevated antioxidant capacity., Agrisafe Final Conference, Budapest, Hungary. Proceedings, pp. 227-230., 2011
Bacsó, R., Bessenyei, E., Király, L.: Superoxide may inhibit pathogens and disease symptom expression in plants resistant to pathogens., 10th International Conference on Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Plants, Budapest, Hungary. Abstract, p. 243, poster P-151., 2011
Bacsó, R., Király, L., Király, Z.: Új szempontok a szőlő lisztharmat-rezisztenciájának biokémiájában., 57. Növényvédelmi Tudományos Napok, Előadáskivonatok, p. 39., 2011
Bacsó, R., Király, L., Király, Z.: A szőlő lisztharmat-rezisztencia eltérő mechanizmusainak biokémiai háttere., Erdei Ferenc VI. Tudományos Konferencia, Kecskemét. I. kötet, pp. 391-395., 2011
Király Z.: A termesztett és természeti növények betegség-rezisztenciájának mechanizmusai., XXI. Keszthelyi Növényvédelmi Fórum p. 12., 2011
Barna B, Király Z: In vitro selection of plants against reactive oxygen species as a tool for breeding stress and disease resistant crops, Int. Congr. Green Plant Breeding Technologies, Vienna, Austria, p. 36, 2010
Bacsó R, Hafez YM, Künstler A, Király L.: Induction of certain defense-associated genes is dampened during immunization of tobacco with hydrogen peroxide against localized viral symptoms., 4th Conference of Polish Society of Experimental Plant Biology, Cracow, Poland. Abstract. Acta Biol. Cracoviensia Ser. Bot. 51(Suppl. 2):30, 2009



Back »