A mitokondriumok redox állapotának hatása az Arabidopsis stressztűrő képességére
Title in English
Effect of mitochondrial redox state on Arabidopsis stress tolerance
Keywords in Hungarian
elektron transzport, reaktív oxigén gyökök, stressz tolerancia, mitokondrium
Keywords in English
electron transport, ROS, stress tolerance, mitochondria
Discipline
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)
60 %
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Ortelius classification: Molecular biology
Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences)
20 %
Ortelius classification: Crop physiology
Panel
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent
Department of Plant Biology (University of Szeged)
Starting date
2009-04-01
Closing date
2013-03-31
Funding (in million HUF)
23.623
FTE (full time equivalent)
3.19
state
closed project
Summary in Hungarian
Jelen pályázatban az Arabidopsis thaliana mitokondriális funkcióiban, elsősorban a redox állapotának változásában bekövetkező változások és a környezeti stresszválasz szabályozása közötti kapcsolatot szeretném tanulmányozni. A korábbi kutatásaink során azonosított ppr40-1 stresszérzékeny Arabidopsis mutáns jellemzésekor szoros kapcsolatot találtunk a mitokondriális elektrontranszport és a környezeti stresszel szembeni ellenálló képesség között. A PPR40 fehérje a mitokondriális elektrontranszport III-as komplexéhez kapcsolódik, és hiánya a légzési ráta drasztikus csökkenésével jár. Munkánk során a mitokondriális légzési folyamatok és a H2O2 jelátvitel, valamint az oxidatív stresszel szembeni ellenállóképességet és szárazságtűrést meghatározó szabályozó rendszerek kapcsolatát kívánjuk kutatni. A ppr40-1 és más stressz illetve, H2O2 jelátvitelt befolyásoló mutánsokban (pl. cat1, cat2, apx2, nos1, sos2) valamint a keresztezett dupla mutánsokban vizsgáljuk az oxidatív foszforiláció, a mitokondriumban keletkező reaktív oxigén formák (ROS), valamint a stressz jelátvitelben kulcsszerepet játszó foszforilációt szabályozó protein kinázok (SOS2), antioxidáns enzimek (pl. CAT1, CAT2, APX2) és az oxidatív stresszválaszban szerepet játszó egyébb faktorok (pl. NOS1, AtOSA1) működésének kölcsönhatását. Proteomikai és sejtélettani módszerekkel jellemezzük a ppr40-1 mutánsban, illetve dupla mutánsokban a légzési komplexek összetételének és működésének megváltozását. Mikrochip analízist felhasználva tanulmányozzuk a stresszérzékeny mutánsokra jellemző génexpressziós változásokat, elsősorban a stresszválaszt érintő szabályozó gének működését. Mitokondriális stabilizáló faktorok módosításával, pl. a PPR40 túltermeltetésével kívánjuk javítani az Arabidopsis szárazság és sótűrését, illetve az eredményekre alapozva új technológiákat kidolgozni.
Summary
In present proposal the interaction of mitochondrial redox state changes and responses to environmental stress will be studied in Arabidopsis thaliana. During our previous researching we found close link between mitochondrial respiration and regulation of responses to different abiotic stresses when had identified the ppr40-1 stress hypersensitive Arabidopsis mutant. The PPR40 protein is associated with Complex III of the mitochondrial electron transport chain and lack of PPR40 caused reduced respiration rate. Our aimis to study the connections among mitochondrial respiration, H2O2 signalling and regulatory circuits that control oxidative stress and drought tolerance. The ppr40-1 mutant will be crossed with Arabidopsis stress and H2O2 signalling mutants (e.g. cat1, cat2, apx2, nos1, sos2) to study the interaction of mitochondrial oxidative phosphorylation, generation of ROS signals and stress-related protein phosphorylation and transcription regulation. Effects of mitochondrial function on stress signalling, which are mediated by protein kinases (e.g. SOS2), antioxidant enzymes (e.g. CAT1, CAT2, APX2) and other oxidative stress responses proteins (e.g. NOS1, AtOSA1) will also be investigated. Proteomic methods and physiological analysis will be employed to characterize changes in composition and function of respiratory complexes in stress hypersensitive mitochondrial mutants and the crossed double mutants. We will employ microarray technology to reveal changes in transcript profiles which is characteristic to such mitochondrial mutants. New strategies will be developed through modification and overexpression of mitochondrial factors such as PPR40 to stabilize respiration to increase salt and drought tolerance in Arabidopsis.
Final report
Results in Hungarian
Pályázatomban az Arabidopsis thaliana mitokondriális funkcióiban, elsősorban a redox állapotának változásában bekövetkező eltérések és a környezeti stresszválasz szabályozása közötti kapcsolatot tanulmányoztam. Munkám során a mitokondriális légzési folyamatok és a az oxidatív és ozmotikus stresszel szembeni ellenálló képesség közötti kapcsolatokat kutattam. A korábbi kutatásaink során azonosított ppr40-1 mutáns és vad típusú növények mitokondriumainak összehasonlításához először megvizsgáltam a Halliwell-Asada ciklus enzimeinek aktivitását. Az APX aktivitás és aszkorbát tartalom lecsökkent, míg a MDAR, DHAR és GR aktivitás és GSH tartalom magasabb szintű volt a ppr40-1 mutáns mitokondriumában a vad típushoz képest. Proteomikai módszerekkel jellemeztük a ppr40-1 mutánsban a légzési komplexek összetételének és működésének megváltozását stressz hatására. Új-generációs szekvenálást felhasználva tanulmányoztuk a ppr40-1 mutánsra jellemző génexpressziós változásokat, elsősorban a H2O2 jelátvitelt érintő szabályozó gének működését. Több mitokondriális mutáns és mitokondriális fehérjéket túltermelő transzgenikus vonal fiziológiai jellemzését végeztem el. A PPR40 túltermelő vonalak vizsgálatakor azt tapasztaltuk, hogy a nagy mennyiségben jelen levő PPR40 fehérje stressz körülmények között képes csökkenteni a reaktív oxigén gyökök képződését és az oxidatív károsodás mértékét a mitokondriális elektron transzport stabilizálása révén.
Results in English
In the present proposal the interaction of mitochondrial redox state and responses to environmental stress was studied in Arabidopsis thaliana. During this research we studied the connections among mitochondrial respiration and regulatory circuits that control oxidative stress and drought tolerance. The activities of the Halliwell-Asada cycle enzymes were compared in mitochondria of the previously identified ppr40-1 mutant and wild-type plants. APX activity and ascorbic acid content decreased, while MDAR, DHAR and GR activities and GSH content were enhanced in the ppr40-1 mitochondria compared to wild type. Changes under stress conditions in the composition and functioning of the respiratory complexes in ppr40-1 mutant was characterized by proteomic methods. Next-generation sequencing was used to study the gene expression patterns in ppr40-1 mutant. Results suggested that changes primarily affected the functions of regulatory genes in H2O2 signaling. Several mitochondrial mutants and transgenic lines were analyzed by physiological characterization. Analysis of PPR40 overexpressing lines suggested that higher amounts of PPR40 protein can diminish the generation of reactive oxygen species by stabilizing the mitochondrial electron transport. PPR40 can therefore protect plants by reducing oxidative damage during stress.
Decision
Yes
List of publications
Szarka András, Zsigmond Laura, Szabados László, Bánhegyi Gábor: Aszkorbinsav anyagcsere ppr-40 Arabidopsis thalianaban, 40. Membrán-Transzport Konferencia, Sümeg 2010.05.18-2010.05.21, 2010
Zsigmond Laura, Szarka András, Bánhegyi Gábor, Rigó Gábor, Szabados László: A mitokondriális PPR40 fehérje hiányának hatása a Halliwell-Asada ciklusra, A Magyar Biokémiai Egyesület 2010. évi Vándorgyűlése (Budapest, 2010. augusztus 25-28.), 2010
Laura Zsigmond, Ágnes Szepesi, Irma Tari, Gábor Rigó, Annamária Király, László Szabados: Overexpression of the mitochondrial PPR40 gene improves salt tolerance in Arabidopsis, 10th International Conference on Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Plants, 5-8 July 2011, Budapest, Hungary, 2011
Laura Zsigmond, Ágnes Szepesi, Irma Tari, Gábor Rigó Hungarian Academy of Sciences, Annamária Király, László Szabados: The mitochondrial PPR40 gene can improves salt tolerance in Arabidopsis, 23rd International Conference on Arabidopsis Research (ICAR) 3-7 July 2012, Vienna, Austria, 2012
Laura Zsigmond, Ágnes Szepesi, Irma Tari, Gábor Rigó, Ildikó Valkai, Annamária Király, László Szabados: Mitochondrial electron transport and stress responses in plants: role of PPR40 protein., Plant Biology Congress Freiburg 2012. Freiburg, Németország, 2012.07.29-2012.08.03., 2012
