guard cell, immune response, photosynthesis, membrane transport
Discipline
Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences)
100 %
Panel
Complex agricultural sciences
Department or equivalent
Department of Plant Biology (University of Szeged)
Participants
Ayaydin, Ferhan Deák, Zsuzsanna Hideg, Éva Ördög, Attila Wodala, Barnabás
Starting date
2010-03-01
Closing date
2014-02-28
Funding (in million HUF)
16.544
FTE (full time equivalent)
7.78
state
closed project
Summary in Hungarian
A sztómazáródás abiotikus tényezői mellett a patogéntámadásra indukálódó jelátviteli lépések felderítése aktív kutatási területnek számítanak. Munkánkban arra keressük a választ, hogy az általános rezisztenciát kiváltó mikroba-asszociált molekula mintázatok (MAMP) és az endogén elicitorok (DAMP) hogyan okoznak sztómazáródást, és hogy ennek jelátvitelében a zárósejt önálló fotoszintézise és membrántranszportja milyen szereppel bírhat. Korábbi eredményeinkre támaszkodva feltételezzük, hogy az alkalmazandó MAMP és DAMP vegyületek a zárósejtek nitrogén-monoxid szintézisét indukálva, a fotoszintetikus lineáris elektrontranszportot gátolják. Mivel a sztómákat virulencia faktorok, a patogének behatolását elősegítve újra nyitni képesek, a zárósejtek általános és specifikus rezisztencia jelátvitelének összefüggéseit ugyancsak megvizsgáljuk. A jelátviteli sor reaktív oxigén származékait fluoreszcens jelölőkkel, konfokális lézer-szkenning mikroszkópiával azonosítjuk a receptor és jelátvitelben mutáns Arabidopsis növények zárósejtjeiben. A zárósejtek fotoszintézisét mikroszkópos impulzus amplitúdó modulált (Microscopy-PAM) klorofill fluorométerrel mérjük, a membrántranszport vizsgálatához pedig a patch clamp technika whole-cell elrendezését használjuk. A pályázatban infrastrukturális beruházásként Arabidopsis növénynevelő klímakamra, a teljes-növény gázcsere mérésekhez kiegészítő modul és számítógép vásárlását tervezzük.
Summary
Elements of the signal transduction pathway leading to stomatal closure are of special importance, gaining as much interest in plant science as the role of abiotic factors. The aim of the present study is to explore how microbe-associated molecular patterns (MAMPs) and endogenous elicitors (DAMPs) cause stomatal closure and thus takes part in basal resistance (BR); and how guard cell (GC) photosynthesis and membrane transport contribute to this signalling pathway. Based on our previous results we suspect that the MAMP and DAMP chemicals to be tested in this study inhibit linear photosynthetic electron transport via inducing nitric oxide synthesis. Certain virulence factors are capable of reopening the stomata and thus facilitate the penetration of pathogens, therefore interaction between the BR and the specific resistance signalling pathways of GCs will also be investigated. Reactive oxygen species of the signalling pathway will be identified by using fluorescent sensors in the GCs of receptor- and signalling-mutants of Arabidopsis with confocal laser scanning microscopy. Photosynthetic activity of single GCs will be measured with a microscopy-pulse-amplitude modulation chlorophyll fluorometer (Microscopy-PAM). Membrane transport of GC protoplasts will be patch clamped in the conventional whole-cell mode. A plant growth chamber for Arabidopsis, a complementary module for whole-plant gas exchange measurements and a computer are planned as infrastructural investments.
Final report
Results in Hungarian
Kutatási pályázatunkban a zárósejtekben patogéntámadásra indukálódó jelátviteli lépéseket kívántuk felderíteni. Arra kerestük a választ, hogy az általános rezisztenciát kiváltó mikroba-asszociált molekula mintázatok és az endogén elicitorok hogyan okoznak sztómazáródást illetve sztómanyitódás gátlást, és hogy ebben a zárósejt önálló fotoszintézise és membrántranszportja milyen szereppel bírhat. A zárósejtek membrántranszportját patch clamp technikával vizsgáltuk. Az alkalmazott vegyületek a Fusarium fajokból készített extrakciós kivonatok, és ezen fajok általánosan termelt mikotoxinja, a deoxynivalenol voltak. A kalmodulin antagonista ophiobolinok KAT1 kálium csatornára gyakorolt hatását a KAT1 génkonstrukcióval transzfektált HEK293 sejteken vizsgáltuk. Arabidopsis gpa1-3 és gpa1-4 G-fehérje mutánsai segítségével igazoltuk, hogy a bakteriális flagellin flg22 epitópja a G-fehérjéhez kapcsolt jelátviteli úton indukál sztómazáródást. A gomba sejtfal alkotó kitozán molekula példáján a sztómaműködés szabályozásának egy alábbi modelljét fogalmaztuk meg: a kitozán kezelésre indukálódó jelátvitel során a kloroplasztiszokban hidrogén-peroxid és nitrogén-monoxid (NO) halmozódik fel. Közülük a NO a zárósejt fotoszintetikus lineáris elektrontranszportját reverzibilisen gátolja, a fotoszintetikus eredetű ATP és a NADPH mennyiségét csökkenti, mely a patogéntámadásra adott védekező válaszként a sztómanyitódás elmaradásához és a sztómazáródás folyamatának elősegítéséhez egyaránt hozzájárul.
Results in English
The aim of this research project was to elucidate pathogen-induced signaling events in guard cells. We aimed to show how microbe-associated molecular patterns and endogenous elicitors, which initiate basal immunity, cause stomatal closure or inhibition of stomatal opening, and to identify the potential role of guard cell photosynthesis and membrane transport in these events. Guard cell membrane transport was assayed by patch clamp technique and we studied the effect of extracts from Fusarium species as well as a common Fusarium toxin, deoxynivalenol. The effect of calmodulin-antagonist ophinobolins on KAT1 potassium channel was studied using HEK293 cells transfected with a KAT1 gene construct. Using gpa1-3 and gpa1-4 G-protein mutant Arabidopsis plants we showed that the flg22 epitope of bacterial flagellin induces stomatal closure via G-protein-mediated signaling. Experiments with the fungal cell wall component chitosan allowed us to propose the following model for the regulation of stomatal function: chitosan-induced signaling leads to the accumulation of hydrogen peroxide and nitric oxide (NO) in chloroplasts. NO reversibly inhibits photosynthetic linear electron transport in guard cells and decreases photosynthetically produced ATP and NADPH, which contributes to the stomatal defense response upon pathogen attack: the cancellation of stomatal opening and promotion of stomatal closure.
F. Horvath, A. Ordog, T. Rozsavolgyi and B. Wodala: Nitric oxide modulates guard cell photosynthesis., 3rd Plant NO Club Meeting Olomouc, Czech Republic, 2010
A. Ördög, T. Rózsavölgyi, B. Wodala, É. Hideg, Z. Deák, A. Ferhan, I. Tari and F. Horváth: Effect of chitosan on guard cell photosynthesis., XVIII Congress of the Federation of European Societies of Plant Biology (FESPB) Valencia, Spain, 2010
Attila Ördög, Barnabás Wodala, Éva Hideg, Ferhan Ayaydin, Zsuzsanna Deák, Ferenc Horváth: Chitosan affects guard cell photosynthesis and membrane transport, In: 10th International Conference on Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Plants. Budapest, Magyarország, 2011.07.05-2011.07.08. p. 122. Paper P72., 2011
Attila Ördög, Barnabás Wodala, Éva Hideg, Ferhan Ayaydin, Zsuzsanna Deák, Ferenc Horváth: Chitosan affects guard cell photosynthesis and membrane transport, In: XXIV Scandinavian Plant Physiology Congress. Stavanger, Norvégia, 2011.08.21-2011.08.25. Stavanger: pp. 87-88. Paper 82., 2011
Wodala B, Ördög A, Ayaydin F, Bernula P, Horváth F: Investigating pathogen elicitor-induced stomatal responses in various plant species, Abstract Book, 111th Croatian Biological Congress, Sibenik, p 177, 2012
Ördög Attila, Wodala Barnabás, Tari Levente, Horváth Ferenc: A H2O2 és a NO szerepe a bikarbonát indukálta sztómazáródásban Arabidopsis thaliana Col-0 és gpa 1-3 növényekben, A MAGYAR SZABADGYÖK-KUTATÓ TÁRSASÁG VII. KONFERENCIÁJA, Debrecen, 2013. augusztus 29-31., 2013
A. Ördög: Effect of pathogen-associated molecular patterns on guard cell photosynthesis, Biomedica Mini-Konferencia, Szeged, 2013.12.13., 2013
