Polyamine metabolism and signalling in relation with other plant hormones under stress conditions in crop plants  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
108811
Type K
Principal investigator Pál, Magda
Title in Hungarian Poliaminok metabolizmusának és jelátvitelének kapcsolata egyéb növényi hormonokkal stressz körülmények között gabonanövényekben
Title in English Polyamine metabolism and signalling in relation with other plant hormones under stress conditions in crop plants
Keywords in Hungarian poliamin metabolizmus, jelátvitel, abszcizinsav, etilén, szalicilsav,
Keywords in English polyamine metabolism, signalling, abscisic acid, ethylene, salicylic acid
Discipline
Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Panel Agriculture, Environment, Ecology, Earth Sciences committee chairs
Department or equivalent Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research)
Participants Balázs, Ervin
Gondor, Orsolya Kinga
Hamow-Tajti, Judit
Janda, Katalin
Kovács, Viktória
Szalai, Gabriella
Starting date 2014-01-01
Closing date 2018-06-30
Funding (in million HUF) 41.316
FTE (full time equivalent) 5.78
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 növények számos környezeti stressznek vannak kitéve, így azon vegyületeknek a vizsgálata, melyek képesek a növények stresszérzékenységét csökkenteni, kiemelt fontosságú. Mivel a poliaminok (PA-ok) mind magáztatásos, mind tápoldatos kezelések során védő hatást fejtettek ki abiotikus stresszekkel szemben, ígéretes vegyületeknek látszanak az abiotikus stressztolerancia növelésére. Ismert, hogy a PA-ok jelátviteli folyamata számos más metabolikus útvonallal és hormonális folyamotokkal áll kapcsolatban, illetve van átfedésben, azonban a pontos mechanizmus, amellyel a PA-ok a növényi stresszválaszt irányítják, még nem ismert. Hiányos információk állnak rendelkezésre arról, hogy stresszkörülmények között bioszintézisük hogyan szabályozott, hogy a különböző PA vegyületek arányának, továbbá a szabad, konjugált illetve kötött forma közötti átalakulásának mi a szerepe, valamint a génexpresszióra gyakorolt hatásukról, más növényi hormonokkal való kapcsolatukról. Jelen pályázat fő célja hogy a PA-ok és más növényi hormonok közötti kapcsolatokat felfedjük molekuláris és génexpressziós szinten is, továbbá, hogy a poliamin-függő jelátviteli út más védő mechanizmusokkal való összefüggéseire rávilágítsunk. Ennek érdekében a PA-kezelések hatásának vizsgálatát tervezzük végezni különböző stresszkörülmények között gabonafélékben. Az eredményektől azt reméljük, hogy a PA-metabolizmus szabályozásának megismerése új lehetőségeket mutat a gabonafélék környezeti változásokkal szembeni védelmében. A magáztatásos módszer gyakorlati jelentősége különösen ígéretesnek tűnik.

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 poliaminok (PA-ok) nem csak egyszerűen védővegyületeknek tekinthetők, sokkal inkább olyan többfunkciós molekuláknak melyek megismerése további kutatásokat igényel. Irodalomból ismert, hogy a PA jelátvitel számos más metabolikus és hormonális folyamatokkal kapcsolt illetve átfed, ennek ellenére a pontos mechanizmus, hogy a poliaminok hogyan befolyásolják a növényi stresszválaszt még nem ismert. Megválaszolandó kérdések: 1. Milyen szerepe van a különböző PA-vegyületeknek, a különböző (szabad, konjugált és kötött) formáknak, és a PA-szintézis géneknek a stressztoleranciában? 2. Milyen kapcsolat van a PA-ok és más növényi hormonok, mint abszcizinsav, etilén és szalicilsav, valamint egyéb védővegyület között? 3. Melyek a közös és eltérő pontjai a PA, abszcizinsav és abiotikus stresszek által indukált jelátviteli és rezisztenciát szabályozó folyamatoknak?

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!

Mivel a poliaminok (PA-ok) fontos szerepet töltenek be a stresszadaptációban, ezen vegyületek metabolizmusának szabályozásának jobb megismerése új lehetőségeket teremt a gabonafélék környezeti hatásokkal szembeni védelmében, különösen ígéretes gyakorlati jelentősége lehet a magáztatásos alkalmazásuknak. A kísérletek fő célja, hogy jobban megértsük a PA-ok anyagcseréjét és jelátvitelét gabonanövényekben kontroll és abiotikus stresszkörülmények között. Az eredmények hasznos információkat nyújthatnak a gabonafélék stresszindukálta jelátviteli folyamatairól, melyek a későbbi nemesítési programban is használhatóak lesznek. A génexpressziós mintázat eredményei valamint az egyéb védővegyületek vizsgálatából származó adatok alapját képezhetik ezen vegyületeknek mint stressztolerancia-serkentőknek, széleskörű, mezőgazdasági módszerként alkalmazásának kidolgozásához. Kutatásainkhoz mezőgazdaságilag fontos gabonafajokat és fajtákat használunk, melyek vizsgálata azonban sokkal nehezebb, mint a jól jellemzett modellnövényeké. Alapkutatásként, a pályázat végterméke a tudományos közlemény növénybiológiai, illetve mezőgazdasági témákban. A publikációk várható száma 1-2/ részfeladat, valamint egy összefoglaló cikk a pályázat végén. Összes várható közlemények száma: 6-7, 10-15 impakt faktorral.

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 számos kedvezőtlen környezeti hatásnak vannak kitéve, mely hatás a globális klímaváltozással tovább fokozódik. Az abiotikus stresszhatások, mint a túl alacsony, vagy túl magas hőmérséklet, só, szárazság és UV-B sugárzás súlyos problémát jelent a mezőgazdaságban. A növények stresszérzékenységét csökkenteni képes vegyületek vizsgálata kiemelt jelentőségű. A poliaminok kis molekulatömegű, pozitív töltésű molekulák, melyek minden növényi sejtben jelen vannak. Képesek negatív töltésű molekulákkal (nukleinsavak, savas foszfolipidek, számos fehérjetípus) kapcsolatba lépni, így azokat kedvezőtlen körülmények között megvédeni. Legújabb kutatások szerint mind a magáztatásos, mind a tápoldatos kísérletek során a poliaminok védelmet nyújtottak számos növény esetén stresszkörülmények között. Habár ezen tanulmányok azt mutatják, hogy a poliamin jelátvitel más anyagcsere-utakkal és hormonális folyamatokkal is kapcsolatban áll és átfedések léteznek, a pontos mechanizmus, hogy a poliaminok hogyan fejtik ki szabályozó hatásukat a növényi stresszválasz során, még nem ismert. Ezen pályázat célja, hogy stressz körülmények között vizsgáljuk a poliamin-kezelések hatásait, ezáltal felfedjük a poliaminok és más növényi hormonok kapcsolatát molekuláris valamint génexpressziós szinten. Az eredményektől azt reméljük, hogy a poliamin-metabolizmus szabályozásának megismerése új lehetőségeket mutat a gabonafélék környezeti változásokkal szembeni védelmében. A magáztatásos módszer gyakorlati jelentősége különösen ígéretesnek tűnik.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Plants are exposed to many environmental stresses, so investigations of compounds capable of reducing the stress sensitivity of plants are of great importance. Polyamines (PAs) can be promising compounds for the reduction of abiotic stress sensitivity in plants, since both seed priming and adding PAs to the hydroponic solution have been shown to protect various plant species against abiotic stress factors. It has also been revealed that polyamine signalling is involved in direct interactions with other metabolic routes and hormonal cross-talks; but the precise mechanism by which polyamines control plant responses are largely unknown. There is a gap in information on the regulation of PAs biosynthesis under stress conditions, on the role, ratio and transformation of free PAs forms to conjugated and bound forms, on their role on gene expression and their interaction with other plant hormones. The main aims of the present proposal are to investigate the effects of PA treatment in crop plants under different stress conditions in order to reveal the relationship between PA and other plant hormones at molecular and gene expression levels to discover the possible connections of the polyamine-dependent signal transduction pathway with other known protective mechanisms. Insight into the regulation of the metabolism of these compounds will provide new perspectives for crop protection against environmental changes, in particular seed priming application has emerged as promising approach to practical applications.

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.

Polyamines (PAs) should not be taken only as a protective compound but rather like a multifunctional molecule that likely serves as a major area for further research efforts. Recent studies indicated that polyamine signalling is involved in direct interactions with other metabolic routes and hormonal cross-talks, the precise mechanism by which polyamines control plant responses are largely unknown. Questions to be answered: 1. Characterization of the role of different polyamine compounds, forms and polyamine synthesis genes in stress tolerance. 2. Determination of the relationship between polyamines and other plant hormones such as abscisic acid, ethylene and salicylic acid, and other protective compounds. 3. What are the common and the different points of signal transduction pathways and stress resistance regulation processes found to be induced by PAs and abscisic acid treatments and abiotic stresses?

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.

As polyamines (PAs) play a critical role in plant stress adaptation, insight into the regulation of the metabolism of these compounds will provide new perspectives for crop protection against environmental changes, in particular seed priming application has emerged as promising approach to practical applications. The main aim of the experiments is to obtain a better understanding of the PA metabolism and signalling in crop plants under control and abiotic stress conditions. The completion of the program will provide valuable information about the stress signalling processes of cereals, which may also serve basic information for future stress breeding programs. Results related to gene expression pattern and induction of protective compounds could provide a sound basis for the elaboration of economic large-scale methods for the use of these compounds to stimulate stress tolerance. Although the main object of the investigations are crop plants, which have very important agronomical importance but it is much harder to use them than the well characterised model plants This work is basic research, where the final product is publication in international scientific journals in plant biology and agriculture. The expected numbers of the publications are 1-2 paper/task. Finally, we also plan to write a review paper. All together the expected publication product can be ca. 6-7 papers published in IF journals, with a cumulative IF of at least 10-15.

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 exposed to many environmental stresses, which are further aggravated by the effects of global climate change. Abiotic stress factors such as cold, salinity, heat, drought and UV-B radiation represent serious problems to agriculture. Investigations on compounds capable of reducing the stress sensitivity of plants are of great importance. Polyamines (PAs), which are small, positively charged molecules found in all plant cells, are able to bind to negatively charged molecules, e.g. nucleic acids, acidic phospholipids and various types of proteins, thus having a protective role under stress conditions. Recent publication demonstrated that both seed priming and adding PAs to the hydroponic solution have been shown to protect various plant species against abiotic stress factors.
Although recent results indicate that PA signalling is involved in direct interactions with other metabolic routes and hormonal cross-talks, the precise mechanism by which PAs control plant responses are largely unknown. The main aims of the present proposal are to investigate the effects of PA treatment in crop plants under different stress conditions and to reveal the relationship between polyamines and other plant hormones at molecular and gene expression levels. Insight into the regulation of the metabolism of these compounds will provide new perspectives for crop protection against environmental changes, in particular seed priming application has emerged as promising approach to practical applications.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A legnagyobb mennyiségben előforduló poliaminokat (PA-ok) teszteltük magáztatásos és tápoldatos kísérletekben búza-, kukorica- és rizsnövények esetén, annak érdekében a kedvező módot, koncentrációt és a megfelelő PA vegyületet kiválasszuk, mint előkezelést abiotikus stressz hatásokkal szemben. Eredményeink azt mutattatták, hogy az egyedi PA molekuláknak eltérő hatása van, amely a kezelés típusától és növényfajtól is függ. Ugyanazon vegyület, ugyanazon koncentrációban csökkenti az ozmotikus és kadmium stressz hatását búzanövényben, kevésbé kedvező hatása van kukoricában ozmotikus stressz során, míg rizsben súlyosbítja a kadmium okozta oxidatív stresszt. A PA-ok mennyiségi változása nagyon dinamikus, ráadásul a PA-ok képesek a PA ciklus során egymásba visszaalakulni. A növények igyekeznek a megfelelő PA tartalmat és az egyes vegyületek megfelelő arányát fenntartani, és a PA kezelés módjától, típusától függően különböző metabolikus folyamatok kerülnek előtérbe ennek elérése érdekében. A PA metabolizmus más védővegyületek, mint a fitokelatinok és prolin, metabolizmusával is kapcsolatban áll, továbbá a PA-ok kölcsönhatásban olyan növényi hormonokkal is, mint a szalicilsav. Kimutattuk, hogy a PA-ok mennyiségi változásai egyrészről fontosak a PA jelátvitel finom hangolásában, valamint hatással vannak a hormonális változásokra, így érve el a védőhatást stressz körülmények között.
Results in English
The most abundant polyamines (PAs) were tested as seed priming or hydroponic treatment in wheat, rice and maize plants in order to determine the most beneficial mode, compound and concentration as a pre-treatment against abiotic stresses. Our results showed the individual PAs have different effects, which vary depending on the type of treatment and on the plant species. The same compound, at the same concentration alleviate drought and cadmium stress in wheat, but less protective effect was found in drought stressed maize or more adverse effect in cadmium stressed rice. The PA pool is dynamic, changing over time, and PAs also undergo rapid interconvertion in the PA cycle. Plants try to maintain an optimum PA pool and PA ratio, and depending on the applied PA treatment, different metabolic processes may occur and result in the observed changes. PA metabolism is linked with other protective compounds, such as phytochelatins and proline, in addition PAs also in relation with salicylic acid, the plant hormone. Our results showed that changes in the PA pool are important for fine tuning of PA signalling, which influences the hormonal balance required if PUT is to exert a protective effect under stress conditions.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108811
Decision
Yes





 

List of publications

 
Gondor O.K., Szalai G., Kovács V., Janda T., Pál M.: Relationship between Polyamines and Other Cold-induced Response Mechanisms in Different Cereal Species, JOURNAL OF AGRONOMY AND CROP SCIENCE, 2015
Bányai J, Maccaferri M, Cané MA, Monostori I, Spitkó T, Kuti C, Mészáros K, Láng L, Pál M, Karsai I: Phenotypical and physiological study of near-isogenic durum wheat lines under contrasting water regimes, S AFR J BOT 108: 248-255, 2017
Szalai Gabriella, Janda Katalin, Darkó Éva, Janda Tibor, Violeta Peeva, Pál Magda: Comparative analysis of polyamine metabolism in wheat and maize plants, Plant Physiology and Biochemistry, 2017
Pál Magda, Csávás Gabriella, Szalai Gabriella, Oláh Tímea, Khalil Radwan, Yordanova Rusina, Gell Gyöngyvér, Birinyi Zsófia, Németh Edit, Janda Tibor: Polyamines may influence phytochelatin synthesis during Cd stress in rice, J HAZARD MATER 340: 272-280, 2017
Pál M, Szalai G, Janda T: Speculation: Polyamines are important in abiotic stress signaling, PLANT SCI 237: 16-23, 2015
Magda Pál, Imre Majláth, Edit Németh, Kamirán Áron Hamow, Gabriella Szalai, Szabolcs Rudnóy, György Balassa, Tibor Janda: The effects of putrescine are partly overlapping with osmotic stress processes in wheat, Plant Science 10.1016/j.plantsci.2017.12.011, 2018
Tajti J, Janda T, Majláth I, Szalai G, Pál M: Comparative study on the effects of putrescine and spermidine pre-treatment on cadmium stress in wheat, ECOTOX ENVIRON SAFE 148: 546-554, 2018
Tajti J, Janda T, Majláth I, Szalai G, Pál M: Comparative study on the effects of putrescine and spermidine pre-treatment on cadmium stress in wheat, ECOTOX ENVIRON SAFE 148: 546-554, 2018
Bányai J, Maccaferri M, Cané MA, Monostori I, Spitkó T, Kuti C, Mészáros K, Láng L, Pál M, Karsai I: Phenotypical and physiological study of near-isogenic durum wheat lines under contrasting water regimes, S AFR J BOT 108: 248-255, 2017
Pál Magda, Csávás Gabriella, Szalai Gabriella, Oláh Tímea, Khalil Radwan, Yordanova Rusina, Gell Gyöngyvér, Birinyi Zsófia, Németh Edit, Janda Tibor: Polyamines may influence phytochelatin synthesis during Cd stress in rice, J HAZARD MATER 340: 272-280, 2017
Szalai G, Janda K, Darkó É, Janda T, Peeva V, Pál M: Comparative analysis of polyamine metabolism in wheat and maize plants, PLANT PHYSIOL BIOCH 112: 239-250, 2017
Gondor OK, Szalai G, Kovacs V, Janda T, Pal M: Relationship between Polyamines and Other Cold-induced Response Mechanisms in Different Cereal Species, J AGRON CROP SCI 202: (3) 217-230, 2016
Bányai J, Maccaferri M, Cané MA, Monostori I, Spitkó T, Kuti C, Mészáros K, Láng L, Pál M, Karsai I: Phenotypical and physiological study of near-isogenic durum wheat lines under contrasting water regimes, S AFR J BOT 108: 248-255, 2017
Szalai Gabriella, Janda Katalin, Darkó Éva, Janda Tibor, Violeta Peeva, Pál Magda: Comparative analysis of polyamine metabolism in wheat and maize plants, Plant Physiology and Biochemistry, 2017
Magda Pál, Éva Darkó, Tibor Janda and Gabriella Szalai: Putrescine induced changes during cadmium stress in rice, Plant Biology Europe EPSO/FESPB 2016 Congress, 2016
Magda Pál, Gabriella Szalai, Tibor Janda: Drought stress and polyamines in maize, In: XXIIIrd EUCARPIA Maize and Sorghum Conference. Konferencia helye, ideje: Montpellier, Franciaország, 2015.07.10-2015.07.12., 2015
M. Pál, G. Szalai, É. Darkó, T. Janda: Positive effect of putrescine pre-treatment against drought stress in wheat, In: DROPS - EUCARPIA Recent progress in drought tolerance: from genetics to modelling. Konferencia helye, ideje: Montpellier, Franciaország, 2015.06.08-06.09. p 73., 2015
Gondor O.K., Szalai G., Kovács V., Janda T., Pál M.: Relationship between Polyamines and Other Cold-induced Response Mechanisms in Different Cereal Species, JOURNAL OF AGRONOMY AND CROP SCIENCE, 2015
Pál M., Gondor O.K., Szalai G., Kovács V., Janda T.: Differences in cold-induced response mechanisms and metabolic changes in crop plants, Plant Physiology and Genetics-Archievement and Challenges Scientific Conference Book of Abstracts, 2014
J Bányai, M Pál, K Mészáros, K Balla, V Tóth, M Mayer, T Spitkó, L Láng, I Karsai: Abiotic stress response of durum wheat near isogenic lines, In: DROPS - EUCARPIA Recent progress in drought tolerance: from genetics to modelling. Montpellier, Franciaország, 2015.06.08-2015.06.09. Kiadvány: INRA, 2015. pp. 97, 2015
Pál M, Szalai G, Janda T: Speculation: Polyamines are important in abiotic stress signaling, PLANT SCI 237: 16-23, 2015
Magda Pál, Judit Tajti, Gabriella Szalai, Tibor Janda: Effect of abscisic acid or osmotic stress on polyamine metabolism in wheat plants, Plant Biology Europe EPSO/FESPB 2018 Congress, 2018, 2018





 

Events of the project

 
2022-01-10 11:29:36
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Növényélettani Osztály (Agrártudományi Kutatóközpont), Új kutatóhely: Mezőgazdasági Intézet (Agrártudományi Kutatóközpont).
2015-08-04 17:08:00
Résztvevők változása
2015-03-17 14:49:33
Résztvevők változása




Back »