 |
Fény indukálta fagyállóság hátterének felderítésére génexpressziós mintázat, metabolom, lipid-és hormontartalom analízis segítségével gabonában és alacsonyabb rendű organizmusokban
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
128575 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Galiba Gábor |
| magyar cím |
Fény indukálta fagyállóság hátterének felderítésére génexpressziós mintázat, metabolom, lipid-és hormontartalom analízis segítségével gabonában és alacsonyabb rendű organizmusokban |
| Angol cím |
Comprehensive analysis of changes in global gene expression, full metabolome, lipid and hormone content to elucidate the mechanisms of light induced frost tolerance in cereals and in lower model plants |
| magyar kulcsszavak |
alga, cianobaktérium, fagyállóság, fényreguláció, gabonafélék, hormonok, lipidek, szignáltranszdukció, |
| angol kulcsszavak |
algea, cereals, cyanobacterium, frost tolerance, hormons, light regulation, lipids, signal transduction |
| megadott besorolás |
| Növényi stresszbiológia (Komplex Környezettudományi Kollégium) | 100 % |
|
| zsűri |
Komplex agrártudomány |
| Kutatóhely |
HUN-REN ATK Mezőgazdasági Intézet (HUN-REN Agrártudományi Kutatóközpont) |
| résztvevők |
Ádám Éva
Ahres Mohamed
Balogh Eszter
Boldizsár Ákos
Borbély Péter Gábor
Dóczi Róbert
Gierczik Krisztián György
Gombos Zoltán
Gulyás Zsolt
Gyugos Mónika
Kalapos Balázs
Kocsy Gábor
Kovács László
Kovács Terézia
Kozma-Bognár László
Marincs Ferenc
Monostori István
Nádai Tímea Virág
Pálmai Tamás
Székely András Csaba
Vágújfalvi Attila
Zakar Tomas
|
| projekt kezdete |
2018-12-01 |
| projekt vége |
2023-11-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
47.174 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
19.31 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A vörös/távoli vörös fény arány változásának a gabonafélék hidegedződése kezdetén van jelentősége. Kimutattuk, hogy magas távoli vörös arány esetén a fagyállóságot szabályozó CBF-regulont a fitokróm A aktiválja viszonylag magas, a hidegedződést még nem indukáló hőmérsékleten. Azt is igazoltuk, hogy a fitokrómokon kívül a cirkadián óra, a kalcium és a foszfolipid jelátviteli rendszer is befolyásolja ezt az előedződési folyamatot. Először cianobaktériumon és algán, később magasabbrendű növényeken is igazolták, hogy a hidegedződés során a sejtmembránok lipidösszetétele megváltozik és ez eredményezi a megnövekedett fagytűrést. Célunk felderíteni azt, hogy a fényspektrum modulálása milyen transzkriptom, lipidjelátviteli és metabolomikai változást idéz elő a modellként használt cianobaktérium és az árpa esetében. Mivel a cianobaktérium fotoszintetikus apparátusa eltér a magasabb rendű növényekétől, egy közelebbi modellt, a zöld algát is tanulmányozzuk. Chlamydomonas mkk3 mutáns vonalak segítségével szeretnénk kideríteni a mitogén –aktivált protein kinázok szerepét a fényspektrum által szabályozott edződési folyamatban. Az abiotikus stressz-adaptációs folyamatok így a hidegedződés is a növényi hormonok által szabályozottak. Célunk annak felderítése, hogy a fény távoli vörössel való kiegészítése milyen változásokat idéz elő a növényi hormonok összetételében, illetve jelátviteli folyamataiban. A végső célunk a fent vázolt evolúciós rendszerbiológiai megközelítéssel az, hogy egy általánosan adaptálható modellt dolgozzunk ki, amely segít értelmezni a modulált fényspektrum által indukált stressztűrés hátterében lévő hormonális, transzkripciós és lipidomikai változásokat.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A föld mérsékelt égövén a nappalhossz, a hőmérséklet, a napfény intenzitás és spektrális összetétele évszakoktól és napszaktól függően évmilliók óta ciklikusan változik. Helyhez kötött létformájuk miatt ezekhez a változásokhoz kellett alkalmazkodni a növényeknek, mely képesség tette lehetővé létezésüket. A kiinduló hipotézisünk az, hogy a növények, bár különböző módon, de fejlettségtől függetlenül érzékelik ezeket a változásokat és hasonló módon reagálnak rá. Például a hideg vagy a fény spektrális összetételének változása hasonló adaptációs mechanizmusokat indukál az evolúciós létrán különböző szinten lévő fotoszintetizáló organizmusok esetében. Remélhetőleg a fény spektrumának modulálására hasonlóan a magasabb rendű növényekhez, a zöld alga, illetve a prokarióta cianobaktérium is reagálni fog. Erre utalnak a szakirodalomban talált szórványos adatok, és előkísérleteink eredményei. Egysejtű mikroorganizmusokkal tervezett kísérleteink segíthetnek a fenti hipotézis igazolásában, és ebben az esetben alapvetően új felfedezések születhetnek.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatások nagy valószínűséggel új tudományos eredményekhez vezetnek az alga és cianobaktérium kutatás területén.Ugyanis az ismert irodalmi adatok szerint az eddigi kutatások elsősorban bioenergetikai kérdésekkel foglalkoztak, azaz, hogy hogyan lehet mikrobákból energetikailag minél hatékonyabban bio-üzemanyagot nyerni. Kísérleteikben olyan kezeléseket alkalmazunk, melyek fő célkitűzése, hogy a kinyert bio dízel minél nagyobb mértékben telitett lipidmolekulákból álljon. A mi rendszerünkben a hidegtűrés növelése a cél, tehát az, hogy a membránok rigiditása csökkenjen, amihez a telítetlen zsírsavak járulnak hozzá. Ebből következik, hogy az általunk tervezett kísérleti rendszer alapvetően különbözik a fentiekben leírtaktól. Kísérleteinknek lehet az alapvető tudományos céltól teljesen eltérő, de jelentős gyakorlati eredménye is. A modulált fényspektrum kezeléssel indukált megváltozott lipidösszetételű (telítetlen zsírsavak arányának növekedése) és megnövekedett antioxidáns természetű karotinoid tartalmú mikroorganizmusok alapul szolgálhatnak új, egészségmegőrzésre alkalmas étel-kiegészítők gyártásához. Ehhez piacot az „egészségtudatosan” élők egyre növekvő számú fizetőképes kereslete szolgálhat. Reméljük továbbá, hogy árpa esetében a tervezett hormonösszetétel vizsgálatok összekapcsolása a metabolomikai és transzkripciós eredményekkel segít azonosítani a fényregulációban szerepet játszó legfontosabb metabolitokat és géneket, melyek markerekként szolgálhatnak a fagyállóságra nemesítőknek.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A gabonafélék fagyállóságának kialakulásához hidegedződés szükséges, azonban a legújabb kutatások igazolják, hogy az edződési folyamatot a megvilágításra szolgáló fény spektruma döntően befolyásolja. Alkonyatkor a lemenő nap fénye vörös színűvé változik, ebben a spektrumban dominál a távoli vörös fény. Bizonyítottuk, hogy a fagytűrő gabonafélék fotoreceptoraik segítségével érzékelik ezt a változást és még viszonylag magas hőmérsékleten is indukálják a fagytűrést meghatározó gének expresszióját és nő a fagyállóságuk. Kutatási tervünk legfontosabb célkitűzése annak felderítése, hogy milyen élettani folyamatok állnak ennek az alkalmazkodásnak a hátterében. Alacsonyrendű mikroorganizmusokon folytatott kutatások kiderítették, hogy a cianobakteriumok, illetve a zöldalgák hideg hatására képesek megváltoztatni a sejtmembránjaik lipidösszetételét, melynek eredményeként rugalmasabbá válnak és kibírják a fagyot. Ez a folyamat hasonlóan történik magasabbrendű növények esetében is. Célunk kideríteni, miként változik az említett mikrobák és az árpa növények metabolizmusa, génexpressziója és lipidösszetétele modulált fényspektrummal történő megvilágítást követően. Az eredmények összevetése után egy modellt tervezünk létrehozni, mely leírja a növényekben modulált fényspektrum által indukált változásokat, ami segítségül szolgálhat a fagyállóságra történő nemesítés számára. Valószínűnek tartjuk, hogy alga esetében a modulált fény növeli a telítetlen zsírsavak arányát, továbbá az antioxidáns tulajdonságú karotinoidok mennyiségét ezért kutatásunk utat nyithat új, módosított algákra alapozott gyógytápszerek előállításához is.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The change in the ratio of red to far-red (R:FR) light is an important cue at the beginning of cold acclimation of cereals. We have shown that at low R:FR ratio and at temperatures that does not induce cold acclimation on its own, phytochrome A activates the CBF regulon regulating cold tolerance. We also demonstrated that, in addition to light, the circadian clock, calcium and phospholipid signalling also influence the cold acclimation process. It was proven first in cyanobacteria and algae, and later in higher plants that in cold acclimation the lipid composition of the cell membranes is altered, resulting in enhanced cold tolerance. Our aim in this project is to unveil the changes in transcriptome, metabolome and lipid signalling in response to the modulation of light spectrum in both cyanobacteria and barley. Since the photosynthetic apparatus of the cyanobacteria is different from that of higher plants, we will study green algae too. We will use Chlamydomonas mkk3 mutant lines to study the role of mitogen activated protein kinases in the light regulated acclimation process. It is known that abiotic stress-induced adaptation processes, such as cold acclimation, are regulated by plant hormones. One of our goals is to determine the changes in hormone composition and hormone signalling caused by supplementing the normal spectrum by additional far-red light. Our ultimate aim, using the above outlined approach, is to develop a generally adaptable model in order to interpret the hormone, transcriptome and lipidome changes underlining the modulated light spectrum-induced stress tolerance.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In the temperate zone of the Earth, day length, temperature, intensity and spectral composition of the sunlight show cyclic seasonal and daily changes. Sessile plants had accommodated to these changes, and this ability ensured their survival and propagation. Our work hypothesis is that plants, although differently but independently of their evolutionary status, perceive such environmental changes and respond similarly. For example, cold or changes in the spectral composition of light induce similar adaptation mechanisms in photosynthetic plants being at different evolutional stages. It is expected that green algae and cyanobacteria would response to spectral modulation of light similarly to higher plants, as suggested by literature data and our preliminary results. The planned experiments using unicellular microorganisms may validate the above hypothesis and if so, new discoveries, such as evolutionary aspects of stress adaptation, will be achieved.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The planned project is likely to result in new discoveries in the field of algae and prokaryotic cyanobacteria research. Literature data indicate that Based on the literature, researchers working on the field of microbial lipidomics intensively study bioenergetics, i.e. how microbe-based biofuels can be produced in the most efficient way. They use treatments in order to produce biodiesel with as high as possible saturated lipid content. In our experimental system, the aim is an enhanced cold tolerance, which is probably achieved by the reduced membrane rigidity due to the unsaturated lipids, thus our aims are fundamentally different from those of the biofuel field. Despite of the apparently opposite goals, both approaches investigate the same process (i.e. de/saturation of lipids) thus our experimental data and results could be valuable for the biofuel industry as well. On the other hand, we will establish light conditions with modulated spectrum that induce well-defined alterations in lipid composition and enhanced antioxidant carotene content. Microorganisms treated by these conditions may serve as raw material for the production of food supplements. The target market for such products could be the growing number of health-conscious and financially sound customers. We also expect that in the barley experiments, integration of the hormone composition and the metabolic/transcriptome data would help to identify the most important metabolites and genes participating in light regulation, and these may be used as biomarkers for cold tolerance for breeders.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
In cereals, cold acclimation is required for the development of freezing tolerance. However, this process is strongly influenced by the spectrum of ambient light. At sunset, the sunlight turns reddish, in which the far-red region of the spectrum dominates. We have proven that freezing tolerant cereals perceive this change, their freezing tolerance genes become induced even at relatively high temperature and their freezing tolerance is enhanced. The most important aim of our research plan is to explore the molecular, biochemical and physiological events behind this adaptation. Research on lower microorganisms revealed that in cyanobacteria and green algae the lipid composition of their cell membranes is altered, become more flexible and the cells survive freezing conditions. This process is very similar to the adaptation mechanism of in higher plants. Our goal is to reveal that how the metabolism, gene expression and lipid composition of the above mentioned microbes and barley change in response to modulation of the spectrum of light. Comparing the results, we aim to develop a model explaining the induced changes, which may help to breed freezing tolerant varieties. We hypothesise that in algae the modulated spectra could increase the amount of unsaturated lipids and also carotenoids with antioxidant properties. Thus our research may open a way to develop new, modified algal strains to manufacture food supplements.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Ahres, Mohamed ; Boldizsár, Ákos ; Gierczik, Krisztián ; Székely, András ; Vágújfalvi, Attila ; Galiba, Gábor: Az árpa fagyállóságának változása különböző fényspektrumok és hideghatás következtében, In: Karsai, Ildikó (szerk.) Növénynemesítés a 21. század elején: kihívások és válaszok : XXV. Növénynemesítési Tudományos Nap 2019 Budapest, Magyarország : Magyar Tudomán, 2019 | | 1. Gábor Galiba, Krisztian Gierczik, Terézia Kovacs, Mohamed Ahres, Áron Hamow-Kamirán, Petre Dobrev, Éva Ádám, László Kozma-Bognár, Vankova Radomira, Zoltán Gombos.: Regulation, Signaling and Metabolic Background of Light Induced Cold Acclimation in Cereals., Plant Biology CS 2019, 26 - 31/08/2019, České Budějovice, Czech Republic, In bulletin 1/2019 of the Czech Society of Experimental Plant Biology, P 76., 2019 | | Mohamed, Ahres ; Terézia, Kovács ; Ákos, Boldizsár ; Krisztián, Gierczik ; András, Székely ; Zoltán, Gombos ; Attila, Vágújfalvi ; Gábor, Galiba: The combined effect of various light spectra and light intensities on barley frost-tolerance., Olomouc, Csehország : European Federation of Biotechnology (2019) , P. 125., 2019 | | Kovacs T., Ahres M., Gombos Z.,Galiba G.: Increased Far-red light ratio in white light and temperature dependent changes in the composition of membrane lipids., . Plant Biology CS 2019, 26 - 31/08/2019, České Budějovice, Czech Republic, In bulletin 1/2019 of the Czech Society of Experimental Plant Biology, P 87., 2019 | | 2. Kovacs T., Ahres M., Gombos Z.,Galiba G.: . Increased proportion of far-red in the incident white light modifies membrane lipid composition by temperature dependent manner in winter barley., In CBB5 ABSTRACTS 5th Conference on Cereal Biotechnology and Breeding jointly organized by EUCARPIA Cereal Section November 4–7, 2019 • Budapest, Hungary-. P. 79, 2019 | | Krisztián Gierczik, Balázs Kalapos, Attila Vágújfalvi, Gábor Galiba: . Identification of putative Phytochrome Interacting Factors (PIFs) in domesticated barley (Hordeum vulgare L.)., . In CBB5 ABSTRACTS 5th Conference on Cereal Biotechnology and Breeding jointly organized by EUCARPIA Cereal Section November 4–7, 2019 • Budapest, Hungary-. P. 90., 2019 | | Terézia Kovács, Mohamed Ahres, Tamás Pálmai, László Kovács, Matsuo Uemura, Cristina Crosatti and Gabor Galiba: Decreased R:FR Ratio in Incident White Light Affects the Composition of Barley Leaf Lipidome and Freezing Tolerance in a Temperature- Dependent Manner, Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 7557; doi:10.3390/ijms21207557., 2020 | | Mohamed Ahres, Krisztián Gierczik, Ákos Boldizsár, Pavel Vítámvás and Gábor Galiba: Temperature and Light-Quality-Dependent Regulation of Freezing Tolerance in Barley, Plants 2020, 9, 83; doi:10.3390/plants9010083., 2020 | | Gierczik, Krisztián ; Vágújfalvi, Attila ; Galiba, Gábor ; Kalapos, Balázs: In Silico Identification of Putative Barley Phytochrome Interacting Factors (PIFs), Georgikon for Agriculture: A Multidisciplinary Journal in Agricultural Sciences 23 : 2 pp. 2-15. , 14 p., 2019 | | Krisztián Gierczik, Tomislava Vukušić, László Kovács, András Székely, Gabriella Szalai, Slobodan Milošević, Gábor Kocsy, Kinga Kutasi and Gábor Galiba: Plasma‐activated water to improve the stress tolerance of barley., Plasma Process Polym. 2020;e1900123; https://doi.org/10.1002/ppap.201900123, 2020 | | Ahres, Mohamed ; Pálmai, Tamás ; Gierczik, Krisztián ; Dobrev, Petre ; Vanková, Radomíra ; Galiba, Gábor: The Impact of Far-Red Light Supplementation on Hormonal Responses to Cold Acclimation in Barley., Biomolecules 2021 Mar 17;11(3):450., 2021 | | Davide Guerra · Caterina Morcia · Franz Badeck · Fulvia Rizza · Stefano Delbono · Enrico Francia ·Justyna Anna Milc · Istvan Monostori · Gabor Galiba · Luigi Cattivelli · Alessandro Tondelli: Extensive allele mining discovers novel genetic diversity in the loci controlling frost tolerance in barley., Theoretical and Applied Genetics volume 135, pages 553–569, 2022 | | Boldizsár, Ákos ; Soltész, Alexandra ; Tanino, Karen ; Kalapos, Balázs ; Marozsán-Tóth, Zsuzsa ; Monostori, István ; Dobrev, Petre ; Vankova, Radomira ; Galiba, Gábor: Elucidation of molecular and hormonal background of early growth cessation and endodormancy induction in two contrasting Populus hybrid cultivars, BMC Plant Biology volume 21, Article number: 111, 2021 | | Rady, Mohamed Ramadan ; Gierczik, Krisztián ; Ibrahem, Mona Mohamed ; Matter, Mohamed Ahmed ; Galiba, Gábor: Anticancer compounds production in Catharanthus roseus by methyl jasmonate and UV-B elicitation, SOUTH AFRICAN JOURNAL OF BOTANY 142 pp. 34-41, 2021 | | Ahres M., Pálmai T., Kovács T., Kovács L., Lacek J., Vankova R., Galiba G., Borbély P.: The Effect of White Light Spectrum Modifications by Excess of Blue Light on the Frost Tolerance, Lipid- and Hormone Composition of Barley in the Early Pre-Hardening Phase, PLANTS-BASEL 12: (1) 40, 2023 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
