 |
A peroxidáz enzimek sokrétű szerepe a növények UV-fényhez történő alkalmazkodásában
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
131625 |
| típus |
PD |
| Vezető kutató |
Czégény Gyula |
| magyar cím |
A peroxidáz enzimek sokrétű szerepe a növények UV-fényhez történő alkalmazkodásában |
| Angol cím |
Multiple role of peroxidase enzymes in plant acclimation to UV |
| magyar kulcsszavak |
növény, UV, fény, antioxidáns, reaktív oxigénformák, peroxidáz, hidrogén-peroxid, akklimáció |
| angol kulcsszavak |
plant, UV, light, antioxidant, reactive oxygen species, peroxidase, hydrogen peroxide, acclimation |
| megadott besorolás |
| Növényi stresszbiológia (Komplex Környezettudományi Kollégium) | 100 % |
|
| zsűri |
Komplex agrártudomány |
| Kutatóhely |
Biológiai Intézet (Pécsi Tudományegyetem) |
| projekt kezdete |
2019-12-01 |
| projekt vége |
2022-11-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
25.368 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
2.40 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Megfelelő UV-tolerancia elengedhetetlen a növények környezeti viszonyokhoz történő alkalmazkodásakor. A napsugárzás UV tartománya a növényi fejlődés fontos szabályozó faktora, azonban az exrtém klimatikus viszonyok növelik annak a valószínűségét, hogy egyéb környezeti tényezőkkel együttesen hatva az UV sugárzás stresszorrá váljon. Korábbi eredményeink rámutattak a hidrogén-peroxid (H2O2) egyedülálló szerepére a növények UV-válaszaiban. Az UV képes megnövelni a celluláris H2O2-koncentrációt, emellett a napfény UV-tartománya képes indukálni a H2O2 átalakulását oxidálóbb hidroxilgyökké. Leírtuk, hogy a kiegészítő UV-ra adott enzimatikus antioxidáns válaszokat a hármas típusú peroxidázok (POD) dominálják. A POD általában egy fenolos vegyületet használ szubsztrátként a H2O2-semlegesítés során. A fenolos vegyületek az UV-akklimáció sokoldalú építőelemei: a szubsztrát szerepük mellett képesek elnyelni a potenciálisan káros UV fotonokat, valamint antioxidánsként is funkcionálhatnak. Jelen pályázat célja a fenolos POD válaszok komplex szabályzásának értelmezése és az UV-válaszokban betöltött szerepének vizsgálata. Ennek elérése érdekében (i) meghatározzuk a korábbi kísérleteink során talált specifikus, UV-indukált POD izoenzimeket, és (ii) jellemezzük az izoenzimek szubsztrát specificitását, elsősorban az UV-indukált fenolos vegyületeket felhasználva. Az eredményeinkre támaszkodva (iii) megvizsgáljuk alap H2O2-koncentrációjukban módosított növények UV-válaszait. A project utolsó évében pedig (iv) a H2O2-semlegesítés UV dózis és hullámhossz függésének elemzésére kerül sor. A munka során elkülönítjük az UV-B-re, valamint közeli és távoli UV-A-sugárzásra adott válaszokat.
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 korábbi eredményeink megmutatták egyes POD izoenzimek szelektív aktivációját a kiegészítő UV-sugárzásra (szélessávú UV-B központú megvilágítás) adott levélválaszok során. A kiinduló hipotézisünk szerint ezek az UV-indukálta polifenolokat szubsztrátként használó izoformák határozzák meg az UV-toleranciát. Jelen kutatás célja a POD-válaszok részletes jellemzése és a komplex UV-válaszok során betöltött szerepeinek értelmezése. Ezek az ismeretek fontos alapanyagot nyújthatnak stressz toleráns mezőgazdasági haszonnövények nemesítése során. A benyújtott kutatási terv három mérföldkövet tartalmaz. Az első lépés az izoenzimek meghatározása és kitiszítása, majd azok fenolos szubsztrát preferenciájának vizsgálata. Ez a vizsgálat az UV-indukált levélmetabolit változások tükrében történik. A második célkitűzésünk alapját az a friss eredményünk szolgáltatta, miszerint az UV-akklimált növények celluláris H2O2 koncentrációja az intenzívebb H2O2-semlegesítő képességük ellenére is magasabb. Hipotézisünk szerint ez a magasabb ROS koncentráció az antioxidáns jelátviteli útvonalak felerősítése miatt szükséges. Így a projekt második fázisában az alap H2O2-koncentrációjukban módosított genotípusok UV-válaszainak összehasonlító vizsgálatát tervezzük. A kísérletek során a növények UV-akklimációját fotoszintetikus paraméterekkel jellemezzük. A projekt záró részében egy már jelenleg is futó NKFIH kutatás várható eredményeinek kibővítésére kerül sor. A növények fenolos profiljának kialakítását, a celluláris H2O2-keletkezését és a POD-aktivációt vizsgáljuk UV-dózis és hullámhossz függvényében.
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!
Az ultraibolya-sugárzás (UV, 280-400 nm) a napsugárzás legnagyobb energiájú tartománya, amely eléri a Föld felszínét. A növényi UV-szabályzás számos aspektusa jól ismert, köztük a morfológiára, vagy a vitaminok és fenolos vegyületek akkumulációjára gyakorolt hatások. A korábbi eredményeink megmutatták, hogy UV-besugárzás a sejten belüli hidrogén-peroxid-koncentráció (H2O2) megemelkedéséhez vezethet, valamint az UV-B képes a H2O2-ot veszélyesebb hidroxilgyökké alakítani. Ezek az ismeretek rávilágítottak az UV esetleges stresszhatásaira, amely hatások ellen az antioxidánsok nyújtanak védelmet. Megmutattuk, hogy UV-kezelt levelek H2O2-koncentrációjának szabályzásában a POD enzimek alapvető szerepet játszanak. Legutóbbi eredményeink arra utalnak, hogy az UV-válaszok a nagyszámú POD tulajdonságú enzim közül szelektíven aktivál egyes fehérjéket. Így a jelen kutatási terv egyik erőssége az, hogy a projekt tudományos kérdései a vezető kutató korábbi munkáiból gyökereznek. Ezek a tanulmányok Q1 és D1 folyóiratokban megjelent, a vezető kutató első vagy utolsó szerzőként publikált munkái. Az UV-indukált POD-szabályzás folyamatának részletes értelmezése, az izoenzimek meghatározása és azok szubsztrát preferenciájának vizsgálata UV-dózis és hullámhossz függvényében bővíti az UV-szabályás alapismereteit. A PTE TTK Növénybiológiai Tanszék műszerezettsége, és a témában szakértő kollégák ismerete a tanulmány másik erőssége. A vezető kutató közös publikációkban megnyilvánuló nemzetközi együttműködése az Örebroi Egyetemmel szintén a téma jelentőségét bizonyítják. A fogadó Tanszék jelenleg futó NKFIH által támogatott kooperációja az írországi University College Corkkal (NN-128806) szintén támogatja a jelen pályázatot mind infrastrukturális szempontokból, mind szakmailag. Az UV-indukált POD-válaszok hullámhossz függésének vizsgálata és esetleges fotoreceptor szabályzása a kooperációból származó infrastruktúra használatával válik lehetővé. Jelen felfedező kutatás várható eredményei által közelebb kerülhetünk ezen komplex szabályzás molekuláris hátterének megismeréséhez, és ezáltal a jövőbeli mezőgazasági alkalmazhatósághoz is.
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 növények sikeresen alkalmazkodtak az őket körülvevő környezethez, így az UV-sugárzáshoz is. Azonban a klímaváltozás következtében az extrém időjárási események gyakorisága folyamatosan növekszik, így az egyre gyakrabban előforduló kedvezőtlen körülményekhez történő növényi alkalmazkodás megerősített védelmi útvonalakat igényel. Ennek tükrében az UV-sugárzás, mint állandó környezeti faktor, veszélyt jelenthet a növényekre. Ebből adódóan a növényi UV-válaszok értelmezése kiemelt jelentőségű, hiszen elősegítheti a környezeti kihívásokkal szemben toleránsabb mezőgazdasági növények termesztését. Ismert, hogy a morfológiában és a metabolit összetételben bekövetkező változások a sikeres UV-alkalmazkodás velejárói. Az antioxidánsok (A-, B6-, C- és E-vitamin, fenolos vegyületek, specifikus enzimek) az alkalmazkodás kulcsmolekulái, ezek a vegyületek védik a növényi szöveteket az oxidatív stressz káros hatásaitól. A hidrogén-peroxid (H2O2) egy speciális reaktív oxigénforma, a növények fontos jelátviteli molekulája, azonban megemelkedett koncentrációkban oxidatív károsodást is okozhat. A H2O2 semlegesítését növényekben a hármas típusú peroxidáz enzim (POD) végzi, miközben elhasznál egy fenolos vegyületet. A korábbi tanulmányaink bizonyították, hogy a sikeres UV-alkalmazkodás az alacsonyan tartott H2O2-koncentráció függvénye, ezért a szabályzásért pedig az UV-besugárzás során szelektíven aktiválódó, specifikus POD izoenzimek felelősek. Jelen kutatás során a POD növényi UV-válaszokban betöltött szerepének tisztázására kerül sor. Izoláljuk és leírjuk az UV-indukált POD izoformákat, feltárjuk a POD fenol-preferenciáját és jellemezzük a POD-aktiválódás UV-dózis és hullámhossz függését.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
UV tolerance is imperative for the environmental acclimation of plants. Solar UV is an important regulator of plant development, but the increasing frequency of extreme climate events also increases the likelihood of UV becoming a stressor in synergy with other environmental factors. We have previously identified a unique role of hydrogen peroxide (H2O2) in plant UV responses. The cellular concentrations of H2O2 can increase under UV exposure, and even solar wavelengths of UV can provoke the conversion of H2O2 to more oxidizing hydroxyl radicals. We showed that enzymatic antioxidant responses to supplemental UV are dominated by class III peroxidases (POD). PODs are generally using a phenolic compound as a substrate during H2O2 neutralizing. Phenolics are multifunctional building blocks of UV acclimation: these compounds not only screen potentially damaging UV photons, but may act as antioxidants and support POD enzymes as substrates too. The overall aim of the proposed research is to understand the complex regulation of phenolic POD and the role of these enzymes in plant UV responses. In order to achieve this, (i) we are going to characterize the group of specific, UV responsive POD isoenzymes we have recently found and (ii) explore POD substrate preferences among available leaf phenolics with special emphasis on UV inducible compounds. Results will serve as a basis of (iii) exploring the UV response of plants having altered cellular H2O2 concentrations. During the last year of program, (iv) the UV dose and wavelength dependency of H2O2 neutralizing responses will be dissected into responses to UV-B, short and long wavelength UV-A.
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.
Our previous results showed that certain POD isoenzymes were selectively activated when leaves exposed to supplemental UV (UV-B centred, broad-band) radiation. Our starting hypothesis is that UV tolerance is achieved via these specific isoforms, utilizing UV inducible phenolic metabolites. The aim of the present study is to characterize POD-responses in detail and understand their role in the complexity of UV responses in order to support future agricultural use in selecting or breeding more stress tolerant cultivars. The proposed research includes three milestones. The first step will be to purify of the proteins and to test their phenolic substrate specificity or preference. Substrate studies will be done in comparison with UV-induced metabolic changes in leaves. A second aim is based on our recent data showing that UV-acclimated leaves feature elevated cellular H2O2 concentrations, despite of upregulated H2O2 scavenging systems. We hypothesize that this is due to a regulated increase in ROS to provide signalling for the antioxidant upregulation. Thus, during the second phase of the project, we are going to perform a comparative study of mutant genotypes affected in their steady state cellular H2O2 concentrations and their corresponding wild types: measure changes in their pro- and antioxidant levels in response to UV. Success of plant acclimation in these experiments will be characterized along photosynthetic performance of leaves. Finally, utilizing results expected from an ongoing other NKFIH research project, the UV wavelength and dose dependency of leaf responses will be characterized in terms of phenolic pattern, H2O2 production or POD activation.
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.
Ultraviolet radiation (UV, 280-400 nm) is a part of sunlight reaching the Earth’s surface. Several aspects of UV regulation of plants are well-known, such as effects on morphology or on the accumulation of vitamins or phenolics. Our previous results demonstrated that UV exposure can lead to elevated cellular hydrogen peroxide (H2O2) concentrations, and that UV-B can photoconvert H2O2 to more oxidizing hydroxyl radicals. These results signified the potential of UV as stressor, a condition to be prevented by ROS neutralization. Accordingly, we have shown that in UV exposed leaves, POD enzymes play crucial role in H2O2 balancing. Our recent studies suggest that responses may be achieved via a selective upregulation of a group within the diverse, multigene POD enzyme family. Thus, one strength of the proposal is that the research questions arise from work done by the applicant, background research was performed and published in at Q1/D1 level by the PI as first/corresponding author. A deeper understanding of this mechanism, involving the characterization of protein structure, the testing of POD’s substrate preference and investigating UV wavelength and dose dependency will broaden our basic knowledge on UV regulation. Another strength of the proposal is the existing infrastructure and knowledge, the research environment at the Department of Plant Biology University of Pécs, where ongoing projects study other aspects of UV responses. The PI’s collaboration with Örebro University on UV responses has already been documented in joint publications. Further, results of an ongoing NKFIH-supported collaboration with University College Cork Ireland (NN- 128806) are expected to support the proposed research by providing the infrastructure to measure wavelength-dependent UV responses, to explore the possible photoreceptor driven aspect of POD regulation, which is also an open question. In addition to exploratory research, the proposed work also offers a possibility to explore the molecular background of these complex systems in order to support future agricultural applications.
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.
Plants are successfully adapted to the surrounding environmental conditions, including solar UV radiation. However, due to climate change, the frequency and extent of extreme weather events is increasing, thus multiple unfavourable conditions are too taxing for the plans’ defence to acclimate to. In this respect, UV radiation as an ever-present environmental factor may also pose as threat to plants. Consequently, the understanding of plant UV responses is of special importance: it can help selecting or breeding cultivars more tolerant to environmental challenges. We know already that successful UV acclimation involves changes in both morphology and molecular composition. Antioxidants (vitamins A, B6, C or E, phenolic compounds, specific enzymes) are key molecules of this acclimation; they are to protect plants against oxidative stress. Hydrogen peroxide (H2O2) is a special reactive oxygen form: it is an important signal molecule in plants, but at elevated concentrations it can also promote the oxidative damage. Class III peroxidases (POD) is an antioxidant enzyme family responsible for H2O2 neutralization in plants using phenolic compounds in this process. Our earlier research has already demonstrated that successful acclimation to UV depends on keeping H2O2 concentrations low and that some specific PODs (isoforms) are selectively increased in the process. In the proposed research, we are going to clarify the role of PODs in plant UV responses. Using model plants in growth chambers we will: (i) isolate and characterize UV induced POD isoforms, (ii) explore POD preference to leaf phenolics and (iii) explore the UV wavelength and dose dependency of POD activation.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
