Effect of drought and heat stress on pollen-pistil interaction, fertilisation and kernel development in wheat  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
108644
Type K
Principal investigator Jäger, Katalin
Title in Hungarian A szárazság és hőstressz hatása a búza pollen-bibe kölcsönhatására, megtermékenyülésére és szemfejlődésére
Title in English Effect of drought and heat stress on pollen-pistil interaction, fertilisation and kernel development in wheat
Keywords in Hungarian fertilitás, programozott sejthalál, reaktív oxigén származékok, stressz, szövettan, transzkriptóm analízis, ultrastruktúra
Keywords in English fertility, histology, programmed cell death, reactice oxigen species, transcriptome analysis, ultrastructure
Discipline
Plant reproduction biology (Council of Complex Environmental Sciences)80 %
Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences)10 %
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)10 %
Ortelius classification: Molecular biology
Panel Plant and animal breeding
Department or equivalent Department of Plant Cell Biology (Centre for Agricultural Research)
Participants Barnabás, Beáta
Birinyi, Zsófia
Eitel, Gabriella
Fábián, Attila László
Gell, Gyöngyvér Mónika
Makai, Szabolcs
Papp, István
Sáfrán, Eszter
Sági, László
Starting date 2014-02-01
Closing date 2019-01-31
Funding (in million HUF) 27.676
FTE (full time equivalent) 8.74
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A pályázat célja a búza megtermékenyítése előtt és alatt fellépő együttes hő- és szárazságstressz hatásának komplex vizsgálata, különös tekintettel a morfológiai és molekuláris folyamatokra. A jelenséget olyan integrált megközelítéssel kívánjuk tanulmányozni, amely citológiai, szövettani, élettani vizsgálatokat, transzkriptom szekvenálást és proteomikai elemzést foglal magába. A hiánypótló mikroszkópos vizsgálatok hozzájárulnak a kombinált hő- és szárazságstressz ivarszervekre gyakorolt hatásának meghatározásához és összehasonlító alapot nyújtanak a transzkriptomikai és proteomikai vizsgálatokhoz. Mindezeken túl, mivel a kontroll körülmények között fejlődő búza termőben expresszálódó gének sem ismertek, ezért vizsgálatai eredményeink várhatóan újszerűek lesznek. Azt várjuk, hogy vizsgálatainkban a búza bibe transzkriptom és proteom új szereplői jelennek meg a hő- és száraszságstressz hatására. Ilyen módon tehát újonnan előforduló bibe-specifikus géneket és fehérjéket kívánunk azonosítani standard és stressz körülmények között, valamint a stresszválasz lehetséges szabályozóit.

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 klímaváltozás hatására a búza generatív fejlődése során egyre nagyobb gyakorisággal és intenzitással fellépő extrém forró és száraz időszakok hatására veszélybe került az őszi búza termésbiztonsága. A szakirodalmi adatok és saját eredményeink alapján feltételezzük, hogy a virágzást megelőző és az alatt fennálló együttes hő- és szárazságstressz jelentősen megváltoztatja a búza szaporítószerveinek morfológiáját, transzkriptom és proteom mintázatát. A kísérletek során a következő kérdések kerülnek megválaszolásra: hatással van-e a stressz a pollensejtek életképességére, keményítő felhalmozására és morfológiájára? Ha csökken a keményítő mennyisége, az befolyásolja-e a pollentömlők csírázását erélyét és a pollentömlők növekedését? Befolyásolja-e a pollensejtek rehidratációs képességét és az exine és az intine ultrastruktúráját? Megváltozik-e a bibepapilla sejtek reaktív oxigénforma termelése és a pollensejtek nitrogén monoxid tartalma a stressz hatására és annak milyen hatása van a pollen in vivo csírázására és a pollentömlő növekedésére? Megnöveli-e a bibepapilla sejtek apoptózisát? Megváltozik-e a bibecsatorna és a termő szöveteinek struktúrája? Hatással van-e a stressz a petesejtek megtermékenyülésére és a szemtermések fejlődésére? Csökken-e a növénymagasság, a fertilitás, a termés és a harvest index? Hogyan változik-e a bibe transzkriptom és proteom mintázata? A módosult transzkriptom és proteom mintázat követi-e a morfológiai változásokat?

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 komplex mikroszkópos vizsgálat hiánypótló volta miatt hozzájárul a kombinált hő és szárazságstressz szaporítószervekre gyakorolt hatásának felderítéséhez és kiindulási, illetve összehasonlítási alapot teremt a transzkriptomikai és proteomikai vizsgálatokhoz. Annak ellenére, hogy óriási mennyiségű transzkriptom adat vált az utóbbi időben elérhetővé a hím gametofitonból, a hasonló részletes rálátás a termő esetében csupán néhány modell növényfajra korlátozódik (Arabidopsis, rizs, sáfrány és dohány). Éppen ezért a jelen pályázat keretében a búza bibe stressz-indukálta transzkriptom változását vizsgáljuk. Ezen kívül a kontroll, kezeletlen növények vizsgálata első ízben fog alapállapotként mélyebb betekintést engedni a búza termőben átíródó génkészletbe és annak működésébe. Azt várjuk, hogy vizsgálatainkban a búza bibe transzkriptom és proteom új szereplői jelennek meg a hő- és szárazságstressz hatására. Mivel ilyen jellegű munkát búzáról ezidáig nem közöltek, eredményeink várhatóan újszerűek lesznek.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A globális klímaváltozás hatására Magyarországon is egyre gyakoribbá válnak az előre nem jelezhető rendkívül forró és aszályos időszakok a búza virágzása idején és azt közvetlenül megelőzően is. Kutatásunk célja, hogy megvizsgáljuk, milyen hatással vannak ezek a negatív időjárási körülmények a búza magkötésére és a búzaszem kialakulására. Mikroszkópos vizsgálatokkal meghatározzuk az együttes hő- és szárazságstressz hatására a bibe és a termő szöveteiben bekövetkezett változásokat. Vizsgáljuk a stresszelt pollen életképességét, a pollentömlő növekedési sebességét, a bibe szöveteinek elhalását és a stresszkörülmények között megporzott szemtermések fejlődésében bekövetkezett változást. Molekuláris biológiai módszerekkel meghatározzuk, hogy milyen gének működésében okozott változást a forró és száraz időszak és hogy milyen fehérjék termelését csökkentette le, illetve növelte meg. Ezek a vizsgálatok hozzájárulnak a stressz hatására bekövetkezett termésveszteség hátterének alapos megismeréséhez.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The main objective of the application is a complex characterization of the effect of simultaneous drought and heat stress prior to and during fertilisation in wheat, with emphasis on changes in the morphology and molecular events. The whole phenomenon will be studied by an integrated approach comprising cytology, histology, physiology, transcriptome sequencing and proteome analysis. This complex, gap-filling microscopic study will contribute to revealing the effect of combined heat and drought stress on generative organs and also provides starting basis, a reference point to transcriptomic and proteomic investigations. In addition, an analysis of control, untreated plants as a baseline will – for the first time – also allow a deeper insight into the repertoire and expression rate of transcribed genes in the wheat pistil. This way we aim at identifying new stigma-associated transcripts and proteins, their abundance under normal and stress conditions as well as putative regulators/effectors of the stress response.

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.

Due to climate change and as a consequence of more frequent and intense extremely hot and dry periods during generative development of wheat, yield stability has become ever more threatened in winter wheat. Published and our own data have led us to assume that simultaneous drought-and-heat stress prior to and during flowering significantly affects the morphology of wheat reproductive organs as well as their transcriptomic and proteomic patterns. Therefore, the following questions will be addressed in our experiments: does stress affect the morphology, viability and starch accumulation of pollen grains? If starch content is decreased does it affect the rate of germination and growth of pollen tubes? Does it also influence rehydration ability of the pollen and the structure of exine and intine layers? Will the production of reactive oxygen species in stigma papillae as well as nitric oxide content in pollen change in response to stress; how does this affect pollen germination in vivo and growth of pollen tube? Does it elevate apoptosis in stigma papillae cells? Will the tissue structure of the pistil and stigma be affected? Does stress have an effect on fertilisation and early seed development? Will it decrease plant height, fertility, yield and harvest index? Are modified transcriptomic and proteomic patterns in correlation with morphological changes?

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.

This complex, gap-filling microscopic study will contribute to revealing the effect of combined heat and drought stress on generative organs and also provides starting basis, a reference point to transcriptomic and proteomic investigations. While a massive amount of transcriptome data has recently become available from the plant male gametophyte, a detailed similar view on the pistil, has only been restricted to a few model plants such as Arabidopsis, rice, saffron and tobacco. In the present proposal we therefore opt for the female side of wheat gametophytes and plan to look at stress-induced transcriptome modifications in the stigma. In addition, an analysis of control, untreated plants as a baseline will – for the first time – also allow a deeper insight into the repertoire and expression rate of transcribed genes in the wheat pistil. We believe that the stigma proteome of wheat under our investigations will reveal new members of cellular activity in response to drought and heat stress. As this type of investigation has never been reported before, we are confident that our data will be new and relevant. This way we aim at identifying new stigma associated transcripts and proteins, their abundance under normal and stress conditions as well as putative regulators/effectors of the stress response.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

As a consequence of global climate change, even in Hungary, extremely hot and dry unpredictable weather periods are more and more frequent even prior to and during fertilisation of wheat. The aim of our research is to study the effect of these negative weather conditions on the seed set and seed development in wheat. Microscopic observations will be carried out to determine the structural changes in the stigmas and pistils affected by the combination of drought and heat. The effect of stress on pollen viability, on the intensity of pollen tube growth, stigma senescence and the development of grains pollinated under heat and drought conditions will also be studied. Molecular biology methods will be used to identify the genes which show altered function after a hot and dry weather period. Proteins, the amount of which is reduced or increased will be identified too. Result will contribute to the better understanding of the processes leading to yield reduction.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A búzanemesítés legnagyobb kihívása, hogy a kedvezőtlen környezeti feltételek mellett megnövelt termésstabilitású fajtákat állítson elő. A szélsőséges időjárási események közül várhatóan a hőségnek és szárazságnak lesz a legjelentősebb terméscsökkentő hatása a jövőben. A búza egyidejű szárazság és hő stresszel szembeni érzékenységének és ellenállóságának hátterében álló morfológiai, anatómiai, fiziológiai és molekuláris folyamatok azonosítása segíti a változó klímához jól adaptálódó genotípusok előállítását. A jelen pályázat keretében a pollen kialakulása során alkalmazott, 5 napig tartó szimultán hő stressz (32/24°C) és vízhiány hatását tanulmányoztuk eltérő toleranciájú búza genotípusokon. Feltártuk az egyidejű stresszek terméselemekre, morfológiára, anatómiára, funkcióképességre, fehérje és transzkript gyakoriságra gyakorolt hatását. Igazoltuk, hogy a két stressz kombinációja reaktív oxigén és nitrogen vegyületek képződését és a bibepapilla sejtek száradását váltja ki és azok funkcióvesztését idézi elő. Szoros kapcsolatot tártunk fel a reaktív vegyületek kiváltotta károsodás és a csökkenő fertilitás között, valamint meghatároztuk a proteóm és transzkriptóm stressz indukált változásait. Elsőként mutattunk rá, hogy a fertilitás csökkenését nem kizárólagosan a hímivarjejtek funkcióvesztése okozza (66%), hanem a megtermékenyítés elmaradásához a női ivarszervek sérülése is jelentős mértékben hozzájárul (34%).
Results in English
The enhancement of yield stability under unfavorable environmental conditions is one of the primary goals of wheat breeders. Among the extreme weather events, high temperature and drought are expected to be the main yield decreasing factors. The sensitivity or tolerance mechanisms of Angiosperms to simultaneous heat and drought stress are not well understood. Addressing the morphological, anatomical, physiological and molecular mechanisms conferring sensitivity and tolerance of wheat to HD co-stress will help to develop genotypes capable of adapting to a changing climate. In the frame of the present project the effect of the combination of high temperature (32/24°C) and total water withdrawal applied for 5 days during microgametogenesis of wheat genotypes with contrasting HD tolerance was studied on yield components, morphology, anatomy, functionality, physiology, transcript and protein abundance. We shed light on HD stress induced ROS and RNS generation and dehydration-triggered loss in function of stigmatic papilla cells, unraveled the link between HD stress-induced oxidative damage and fertility loss, and identify HD induced changes in stigma proteome and transcriptome. It was demonstrated for the first time that fertility loss is not determined exclusively by reduced functionality of male reproductive cells (66%). Injury of female reproductive organs is responsible for the rest of HD co-stress induced loss in fertility (34%).
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108644
Decision
Yes





 

List of publications

 
Eitel G., Fábián A., Jäger K.: Simultaneous drought and heat stress alters gametophyte development, pollen-pistil interaction and fertilisation in wheat., Book of Abstracts, Multinational Congress on Microscopy: MCM-2015, Eger, Magyarország, 2015.08.23-2015.08.28. pp. 310-311., 2015
Eitel G., Fábián A., Jäger K.: Effect of simultaneous drought and heat stress on gametophyte development, pollen-pistil interaction and fertilisation in wheat., Abstract Book, The 26th Even-Ari Memorial Conference, Jacob Blaustein Institute for Desert Research, Sede Boqer, Israel, 26-27 April 2015, 2015
Deák C., Jäger K., Nagy VA., Oszlányi R., Barnabás B., Papp I.: C-repeat binding factor and dehydrin genes are induced co-ordinately in drought tolerance response of wheat cultivars, Journal of Agricultural Science 9:2, 2017
Eitel G., Fábián A., Jäger K.: A kombinált szárazság és hőstressz megváltoztatja a búza pollen-bibe kölcsönhatását és a megtermékenyülést, Veisz Ottó, Polgár Zsolt (szerk.) XXII. Növénynemesítési Tudományos Nap. Budapest , Magyarország , 2016. 03. 10. Budapest, p: 78. (ISBN:978-963-396-085-1), 2016
Jäger K., Sáfrán E., Fábián A., Deák C., Papp I., Barnabás B.: Effect of simultaneous heat-and-drought stress in wheat., Cereal Research Communications 45:(S1) pp. 63-64. (2017) 4th Conference of Cereal Biotechnology and Breeding (CBB4). Budapest, Magyarország: 2017.11.06 -2017.11.09., 2017
Deák C., Jäger K., Nagy VA., Oszlányi R., Barnabás B., Papp I.: A C-ismétlődő szekvenciához kötődő faktor és a dehidrin gének koordinált indukciója a búzák szárazság tolerancia válasza során., In: Veisz Ottó (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók, Budapest, Magyarország, 2017.03.07 Budapest: Magyar Tudományos Akadémia, 2017. p. 95. (ISBN, 2017
Fábián A., Sáfrán E., Eitel G., Jäger K.: A kombinált szárazság- és hőstressz hatása a bibepapillák reaktív oxigéngyöktartalmára őszi búzában., In: Veisz Ottó (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók, Budapest, Magyarország, 2017.03.07 Budapest: Magyar Tudományos Akadémia, 2017. p. 96., 2017
Jäger K., Fábián A., Eitel G., Gell G., Makai S., Sáfrán E., Barnabás B.: Az aszály és hőstressz hatása az őszi búza ivaros folyamataira., In: Veisz Ottó (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók, Budapest, Magyarország, 2017.03.07 Budapest: Magyar Tudományos Akadémia, 2017. pp. 55., 2017
Deák C., Jäger K., Nagy VA., Oszlányi R., Barnabás B., Papp I.: C-repeat binding factor and dehydrin genes are induced co-ordinately in drought tolerance response of wheat cultivars, Journal of Agricultural Science 9:2, 2017
Fábián A., Sáfrán E., Eitel G., Jäger K.: A kombinált szárazság- és hőstressz hatása a bibepapillák reaktív oxigéngyök tartalmára őszi búzában., In: Veisz Ottó (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók, Budapest, Magyarország, 2017.03.07 Budapest: Magyar Tudományos Akadémia, 2017. p. 96., 2017
Sáfrán E., Fábián A., Krárné Péntek B., Barnabás B., Jäger K.: A szimultán hő- és szárazságstressz hatása a búza fotoszintézisére., In: Karsai I., Polgár Z. (szerk.) XXIV. Növénynemesítési Tudományos Nap: Összefoglalók, Budapest, Magyarország, Magyar Tudományos Akadémia, (2018) p. 121, 2018
Deák C., Sáfrán E., Krárné Péntek B., Fábián A., Jäger K.: A búza II. fotokémiai rendszerének antennafehérjéit kódoló gének kifejeződése együttes hő- és szárazságstressz hatására., In: Karsai I., Polgár Z. (szerk.) XXIV. Növénynemesítési Tudományos Nap: Összefoglalók, Budapest, Magyarország, Magyar Tudományos Akadémia, (2018) p. 77, 2018
Fábián A., Sáfrán E., Krárné Péntek B., Barnabás B., Jäger K.: Az őszi búza bibe transzkriptom változásai kombinált szárazság- és hőstressz hatására., In: Karsai I., Polgár Z. (szerk.) XXIV. Növénynemesítési Tudományos Nap: Összefoglalók, Budapest, Magyarország, Magyar Tudományos Akadémia, (2018) p. 80, 2018
Fábián A., Sáfrán E., Szabó-Eitel G., Barnabás B., Jäger K.: Stigma functionality and fertility are reduced by heat and drought co-stress in wheat, Frontiers in Plant Science doi: 10.3389/fpls.2019.00244, 2019





 

Events of the project

 
2017-04-25 14:30:21
Résztvevők változása
2016-11-23 12:53:20
Résztvevők változása
2014-01-16 12:09:18
Résztvevők változása




Back »