Comparative investigation of gene expression changes, identification of genes playing central role in symptom development and virus infection processes in plants
Génexpressziós változások összehasonlító vizsgálata, a tünetkialakulásban és a vírusfertőzésben szerepet játszó gének azonosítása növényekben
Title in English
Comparative investigation of gene expression changes, identification of genes playing central role in symptom development and virus infection processes in plants
Keywords in Hungarian
vírus, gazda, gének, tünetek
Keywords in English
virus, host, gene, symptom
Discipline
Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences)
100 %
Panel
Complex agricultural sciences
Department or equivalent
Agricultural Biotechnology Institute (ABC) (National Agricultural Research and Innovation Centre)
Starting date
2009-06-01
Closing date
2012-12-31
Funding (in million HUF)
15.000
FTE (full time equivalent)
2.87
state
closed project
Summary in Hungarian
Kompatibilis növény-vírus interakcióban a fertőző vírus megváltoztatja a növény génexpressziós rendszerét, kialakítva a vírusfertőzésre jellemző betegség tüneteket, jelentős gazdasági károkat okozva. E komplex változások molekuláris mechanizmusának megismerése nemcsak tudományos, hanem gazdasági szempontból is fontos. Korábbi eredményeink megmutatták, hogy egyes gazdagének expressziójának hatékony és tartós gátlása fontos szerepet játszik az adott vírusra jellemző tünetek kialakításában. A pályázott project célja eltérő tüneteket okozó vírusfertőzések során bekövetkező változások összehasonlító elemzése a víruskutatásokban modellként használt N. benthamiana és a gazdaságilag fontos S. lycopersicum esetében. Kísérleteinkben cDNS microarray hibridizációval azonosítjuk az eltérő vírusfertőzésekre aktiválódó, illetve gátlódó géneket, melyek összehasonlító elemzése lehetővé teszi a tünetek kialakításában és a vírus fertőzési folyamatában meghatározó szerepet játszó gének kiválasztását. E gének vírusfertőzésben betöltött szerepét Northern és in situ hibridizációval igazoljuk. A kapott adatok segítenek olyan növényi promóterek azonosításában, melyek vírusfertőzéskor aktiválódnak, így alapjai lehetnek mesterséges vírus ellenállóság kialakításának. A kapott eredményeket felhasználva tanulmányozzuk a gazdagén expresszió gátlásának molekuláris mechanizmusát, kiemelten vizsgálva azt, hogy mikro (mi)RNS alapú szabályozás érintett-e ezekben a folyamatokban. Így kapott eredményeink hozzájárulnak a vírusfertőzött növényekben lezajlódó interakciók és folyamatok jobb megismeréséhez, mely tudás felhasználásával új lehetőségek nyílhatnak vírusrezisztens növények kifejlesztésére.
Summary
Understanding of virus infection-induced alterations in host plant gene expression and metabolism leading to the development of virus disease symptoms is both scientifically and economically important. As showed in our recent work efficient and persistent down regulation of host genes may be an important component of symptom development in certain host-virus interaction. The aim of this project is comparative analysis of host responses to different viruses on two related species N.benthamiana – model of plant virus research and the economically important S.lycopersicum. Profiling of plant host genes showing changed expression pattern during virus infection will be done by cDNA microarray hybridization. Comparative profile analyses of different type virus infections will serve as a base to identify genes which are important in the symptom development and in virus infection processes. Spatial and temporal changes in the expression pattern of these genes will be verified by Northern and in situ hybridization. Using these results we will identify plant promoters which are upregulated during the infection process and could be used for the development of new type of virus resistant plants. Based on the gained data molecular mechanism of plant host-gene down regulation and putative miRNA controlled gene expression will also be studied. Our results will broaden our knowledge about plant-virus host interaction processes and give the possibility to use new strategies in development of new virus resistant plants.
Final report
Results in Hungarian
Vírusfertőzött növényekben a vírus megváltoztatja a gazdanövény génexpressziós rendszerét (fontos gazdagének expresszióját csökkenti: „shut-off”) és indukálja a növény védekező rendszerét, a géncsendesítést. Pályázatunk során e két folyamatot vizsgálva azonosítottunk, olyan géneket, melyek fontos szerepet játszanak a vírusfertőzött növényeken megjelenő betegségtünetek kialakításában. Különböző vírusokkal fertőzött N.benthamiana növényeken végzett összehasonlító microarray hibridizációs kísérleteinkben „shut-off”-ot kialakító, és nem kialakító vírus-növény kapcsolatok génexpressziós mintázatát hasonlítottuk össze. Megállapítottuk, hogy egyes kapcsolatokban a vírus alapvetően, más kapcsolatokban alig változtatja meg a gazda génexpresszióját, és azonosítottunk olyan géneket, melyek e különböző kapcsolatokban eltérően expresszálnak és feltehetőleg meghatározzák a fertőzés lefolyását. A géncsendesítés folyamatának vizsgálatakor a rendszer központi végrehajtó molekulájának az Argonaute1 fehérjének a szerepét vizsgáltuk. Kimutattuk, hogy vírusfertőzés hatására megnő az aktivitását gátló miR168 mennyisége. Mutáns növények, tranziens expresszió és target mimikris technológia felhasználásával bizonyítottuk, hogy a miR168 az AGO1 mRNS kifejeződését transzlációsan gátolja. Mutáns vírusok és tranziens expresszió segítségével azt is bizonyítottuk, hogy a miR168 aktivációja során a prekurzor expressziója nő meg , ami a virális géncsendesítést gátló fehérjék aktivitásának köszönhető. A kísérleteink során azonosított gének, molekuláris mechanizmusuk felderítése után alkalmasak lehetnek új alternatív vírusellenes technológiák kidolgozására.
Results in English
In virus infected plants the virus interferes with the gene expression pattern of the host (downregulates important housekeeping genes: „shut-off”) and induces the gene silencing based plant protection mechanism. In our work we identified genes important in symptom developement in virus infected plants studying these two processes. Gene expression patterns of N. bethamiana plants infected with different viruses, showing „shut-off” or not, were compared in microarray hibridization experiments. We revealed that the virus can profoundly or slightly alter the host methabolism depending on the type of the plant-virus interaction and identified differently expressed genes probably responsible for this phenomenon. Argonaute 1 is the main executor molecule of gene silencing and is under the control of miR168. In virus infected plants we showed that the miR168 level is increased. Using mutant plants, transient expression and target mimicry construct we demonstrated that miR168 can translationally block the expression AGO1 mRNA activity. Using mutant viruses and transient assay we further showed that miR168 induction happens because of the induced expression of a precursor gene resulting from the action of viral silencing supressor proteins. Further analyses of the molecular mechanisms of the identified genes in our studies can provide a basis for elaboration of new plant protection strategies against viral infection.
Éva Várallyay, Zoltán Havelda: Unrelated viral suppressors of RNA silencing mediate the control of ARGONAUTE1 level, Molecular Plant Pathology, közlésre elfogadva, 2013
Várallyay Éva, Válóczi Anna, Burgyán József és Havelda Zoltán: A növényi vírusok silencing szupresszorai a miR168 által közvetített transzlációs kontrollal gátolják az Argonaute 1 működését, MBK Napok programfüzete, 2009
Várallyay Éva, Válóczi Anna, Burgyán József és Havelda Zoltán: Az RNS csendesítés gátlása az Argonaute1 fehérje szintjének szabályozásával vírusfertőzött növényekben, Növényvédelmi Tudományos Napok Összefoglaló Füzete, 2010
Várallyay É, Válóczi A, Ágyi Á, Burgyán J, Havelda Zoltán: Plant virus mediated induction of miR168 is associated with repression of ARGONAUTE1 accumulation., Genomic approaches to interactions between plant viruses, their hosts and their vectors, EMBO workshop, Fenestrelle, Italy, 2010
Éva Várallyay, Anna Válóczi, Ákos Ágyi, József Burgyán and Zoltán Havelda: Plant virus mediated induction of miR168 is associated with repression of ARGONAUTE1 accumulation., The EMBO Journal 29(20):3507-3519., 2010
Maria Lima Rui: A CymRSV különböző fehérjéi szerepének vizsgálata a vírusfertőzött növények génexpressziójának változásában, ELTE TTK, Mikrobiológiai Tanszék, diplomamunka, 2010
Várallyay Éva és Havelda Zoltán: A miR168 indukció az RNS csendesítés szupresszorok általános jellemzője, amely független szupresszorhatásuk fő aktivitásától, IX. Magyar Genetikai Kongresszus és XVI. Sejt- és Fejlődésbiológiai Napok", Siófok, 2011
Várallyay Éva, Válóczi Anna, Ágyi Ákos, Burgyán József, Havelda Zoltán: Az Argonaute1 fehérje szintjének miR168 indukción keresztül történő transzlációs szabályozása vírusfertőzött növényekben, IX. Magyar Genetikai Kongresszus és XVI. Sejt- és Fejlődésbiológiai Napok", Siófok, 2011
Várallyay E, Havelda Z.: Detection of microRNAs in plants by in situ hybridisation., Methods Mol Biol., 2011
Várallyay Éva és Havelda Zoltán: VÍRUSFERTŐZÉS SORÁN TÖRTÉNŐ GÉNEXPRESSZIÓS VÁLTOZÁSOK VIZSGÁLATA N. BENTHAMIANA-BAN MICROARRAY HIBRIDIZÁCIÓVAL, 58. Növényvédelmi Tudományos Napok, 2012
Éva Várallyay, Enikő Oláh and Zoltán Havelda: Virus specific effects on the host mRNA transcriptoms - limitation of VIGS technique, 77th Cold Spring Harbor Symposium " The Biology of Plants", 2012
Éva Várallyay and Zoltán Havelda: Multiple action of plant viral supressors of RNA silencing via miR168 driven conrol of antiviral Argonaute1, 77th Cold Spring Harbor Symposisum " The Biology of Plants", 2012
Várallyay Éva and Havelda Z.: Multiple actions of plant viral supressors of RNA silencing via miR168 driven control of antiviral ARGONAUTE1, COST FA0806 WGs&MC meeting, Ljubljana, Solvenia, 2012, september 3-5, 2012
VárallyayÉva, Havelda Zoltán: Virus Specific Effects on the Host Transcriptome and Viral Regulation of ARGONAUTE1 in Plants seminar in Bari, seminar in Bari, 2012
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ), Új kutatóhely: Mezőgazdasági Biotechnológiai Kutatóintézet (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ).
