Different physiological ways of morphological and adaptation diversities of plant desiccation tolerance  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
109445
Type PD
Principal investigator Péli, Evelin Ramóna
Title in Hungarian A növényi kiszáradástűrés morfológiai és adaptációs különbözőségeinek eltérő fiziológiai vonalai
Title in English Different physiological ways of morphological and adaptation diversities of plant desiccation tolerance
Keywords in Hungarian kiszáradás tolerancia; fotoszintézis; (gyökér) légzés; morfológia, szövettan,
Keywords in English desiccation tolerance; photosynthesis; (root) respiration; morphology; histology
Discipline
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)70 %
Ortelius classification: Plant ecology
Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences)20 %
Ortelius classification: Plant water relations
Community ecology, systems ecology, ecosystem services (Council of Complex Environmental Sciences)10 %
Ortelius classification: Botany
Panel Ecology and evolution
Department or equivalent Department of Botany (University of Veterinary Medicine Budapest)
Starting date 2013-09-01
Closing date 2018-08-31
Funding (in million HUF) 3.135
FTE (full time equivalent) 2.72
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 kiszáradástűrés jelensége számos poikilohidrikus csoportra kiterjed, köztük algákra, cianobaktériumokra, gombákra, zuzmókra és mohákra, dormancia alatti magokra és spórákra valamint hajtásos növényekre. Ezzel ellentétben a magasabbrendű növények többsége nem képes túlélni a kiszáradást. Azonban, a vízellátottság hiányának károsító hatásaival való megbirkózás képessége számos adaptációs mechanizmus összetett együttműködését kívánja. A tőzegmohák morfológiai adaptációs képességük révén szárazságkerülők, semmiképpen sem sorolhatók a kiszáradástűrő növények közé. Ugyanakkor ez, szárazság stresszel szembeni bizonyos szintű toleranciájukat is kifejezi, jelenti. Ezen morfológiai jellemvonásaik sajátosságai, a kiszáradt állapot mértékének és időbeliségének, elviselésének feltárása nagy hiányosságokat rejt. A fő célok a következők: 1) feltárni kiszáradás toleráns és szárazságtűrő/elkerülő virágos és virágtalan növényfajok különböző csoportjainak lényeges ökofiziológiai folyamatait, morfológiai, anatómiai és sejt ultrastrukturális jellegzetességeit különböző vizsgálati szintekről (celluláris, levél, hajtás, gyökér), 2) globális klímaváltozással együtt járó folyamatokra (hőmérséklet és vízállapot változások) a kiszáradás toleráns növények milyen ökofiziológiai és ökológiai adaptációkkal válaszolnak, 3) szárazságtűrő illetve szárazságkerülő magyarországi tőzegmohafajok morfológiai adaptációs folyamatainak, tolerancia mértékük határainak csoportonkénti meghatározása. A jövőben várható, hogy a jelen kutatási program eredményei gyarapítják meglévő ismereteinket a szárazság stressznek a termesztett növényekre kifejtett hatásairól.

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.

Azonos kiszáradástűrő stratégiai csoportba tartozó fajok is mutatnak eltérő válaszreakciókat, mely adaptációs képességük mértékét tükrözi. A kutatás főbb kérdései: a kloroplasztisz szinten való adaptációs kiszáradástűrési stratégiák (PDT, HDT) elkülönítése mellett milyen eltérések mutathatók ki a különböző szervek (levél morfológia és anatómia, gyökér) szintjén a kiszáradt és újranedvesített állapotok alatt. Továbbá, milyen válaszreakciókat váltanak ki az együttes stresszhatások (hőmérsékleti és vízhiány) a kiszáradást jól toleráló/elkerülő növények esetén és melyek ezek határértékei.
A levél/hajtás/gyökér szintű ökofiziológiai vizsgálatok, a fotoszintetikus, és a légzési rátára valamint a vízháztartás viszonyokra (kiszáradt és metabolikusan aktív állapotban) fókuszálva történnek. A növényi anatómia és a sejten belüli ultrastruktúra befolyásolhatja azokat a nélkülözhetetlen funkcionális folyamatokat, melyek a kiszáradás és újranedvesedés/újraéledés szempontjából döntő fontosságúak. A levélanatómiának a fotoszintézis, valamint a CO2- és H2O körforgásában egyaránt szerepe van, míg a gyökér és szár anatómia befolyásolhatja a vízabszorpciót, konduktanciát és szállítást, az extracelluláris kapilláris vízkonduktancia folyamatokkal együtt, melyek kiemelkedő fontosságúak a kiszáradástűrő/elkerülő növények vízgazdálkodása szempontjából. Vizsgálatok olyan anyagok és szisztémák kutatására is irányulnak, amelyek a kiszáradás során és a kiszáradt állapotú növényekben részt vesznek a membránintegritás és a makromolekulák szerkezetének fenntartásában, valamint az oxidatív stressz elleni védelemben.

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 kutatásunk újszerűségét egyrészt az adja, hogy komplex megközelítésben vizsgálja a kiszáradástolerancia ökofiziológiai alapjait alacsonyabbrendű és virágos növényekben egyaránt, valamint hogy a jövőben, közös modellben kívánja integrálni a különböző szintekről nyert információkat (levél-, hajtásszint, teljes növény és állomány szintje). Hosszú távon várható, hogy a jelen kutatás eredményei gyarapítják meglévő ismereteinket a szárazság stressznek termesztett növényekre gyakorolt hatásairól, ezáltal segítséget jelenthetnek a növénynemesítők és a molekuláris biológusok szárazságtolerancia fokozására irányuló munkájában. Közvetlen gyakorlati hasznuk pedig a növénytermesztésben való alkalmazásból származó információk elérhetőségében lehet, így az agrártudományok és a hosszú életciklusú kultúrákkal dolgozó gyakorlati mezőgazdaság szintén hasznosíthatja e kutatás eredményeit. A kiszáradt állapotban a vegetatív fotoszintetizáló növényi szövetek életképességét lehetővé tevő molekuláris mechanizmusoknak és tulajdonságoknak a megértése jelentős kritériuma lesz a termesztett növények kiválasztásának és nemesítésének a célból, hogy hosszabb szárazság periódusokat túl tudjanak élni. Minden globális klímaváltozással foglalkozó modell a szárazság gyakoriságának növekedését jelzi, ezért a kiszáradástűrő növények jelentősége a természetes növényzetben a jövőben csak fokozódhat.
Az eredmények ökológiai szempontból is fontosak, hiszen természetes ökoszisztémák növényfajainak vizsgálataiból származnak, s mint ilyenek, a természetvédelem számára hasznos információkkal szolgálhatnak. Az eredmények egy része jelentős értéket képviselő természetes ökoszisztémából származik, amely biztosítja a természet megóvásában és a környezetvédelemi gyakorlatban való széleskörű alkalmazhatóságukat.

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.

Régóta ismert, hogy a zuzmók, algák, mohák, páfrányok és virágos növények filogenetikailag igen eltérő fajai képesek a kiszáradt állapotot néhány nap időtartamtól akár hosszú hónapokon, sőt éveken keresztül is túlélni, majd újra vízhez jutva visszanyerik normális életműködésüket. A vízstressz ezen legszélsőségesebb toleranciája a kiszáradástűrő növényeknél (DT) figyelhető meg, amelyek fotoszintetizáló sejtjei ellenállnak a kiszáradásnak, amikor is száraz tömegük víztartalma 10 % vagy annál is kevesebb. Mászóval, ezek a specializálódott növények képesek sejtjeik víztartalmának legalább 90-95 % -os elvesztését is túlélni. A DT növények számos ökoszisztéma meghatározó alkotórészei a trópusoktól a sarkkörig, ezért ezen ökoszisztémák működését és jellegét nagymértékben befolyásolják a DT növények. A DT növényeknek azonban van közvetlen gyakorlati jelentőssége is: a DT mechanizmusok megértése hasznos lehet a jövőbeli - a genetikai kutatások hatékony technikái révén végzett - fajtamódosításokhoz, és a szárazság ártalmas hatásait toleráló termesztett növények előállításához.
Noha általánosságban jól tudjuk, hogy a kiszáradástűrést anatómiai, fiziológiai és molekuláris változások sorozatai biztosítják, mégis a kiszáradástűrés alapvető folyamatainak a megismerése még felfedezésre vár. Néhány különösen fontos kérdés: Hogyan is megy végbe maga a kiszáradástűrés folyamata sejt, szövet, egész növény és társulás szinten? Miért ritkák a virágos, és ezen belül is a kétszikű fajok között a kiszáradástűrő növények? Utóbbi különösen fontos kérdés, ha arra gondolunk, hogy a kiszáradástűrés igen előnyös tulajdonság és viselkedés a szárazföldi növényi élet számára.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The phenomenon of desiccation tolerance involves numerous poikilohydric groups: algae, lichens, mosses, cyanobacteria, fungi, seeds and spores under dormancy and vascular plants. In contrast to this, most of the higher plants are not able to survive desiccation. However, the capability to cope with the harmful effect of the lack of water supply requires the complex integration of many adaptation mechanisms. Peat mosses are drought-avoiding based on their morphological adaptation strategy; they are not at all classed among desiccation tolerant plants. At the same time, this capability of Sphagnum mosses comprises their determined tolerance capacity to desiccation/drought stress. It can be found significant gaps in exploration of their special morphological features just as description of degree and temporal procession of different desiccation states.
Achieve the goals of: 1) to describe the relevant ecological, morpho-anatomical (cell ultrastructural) and physiological processes and features of many vascular poikilohydric desiccation tolerant/avoiding plants from the various levels (cellular, leaf, shoot, root) 2) to make predictions on the changes in the physiological and ecological responses in poikilohydric desiccation tolerant/avoiding plants due to the expected changes in the climate (changes of temperature and water conditions) 3) to reveal morphological adaptation strategy of drought tolerance/avoiding Sphagnum species, moreover to describe their tolerance degree for different Sphagnum species (sections).
In the future, it is expected that the findings from this research program will increase of our understanding of the effects of drought on in crop species.

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.

Species belonging to the same desiccation tolerance strategy group produce different reactions which reflect the degree of their adaptation ability. The main questions of the proposed project are: besides the separation of adaptation desiccation tolerance strategies (PDT, HDT) on the chloroplast level, 1) Which differences are showed at different organ levels (leaf, morphology and anatomy, root) under desiccated and rehydrated states? 2) Which responses are observed or induced by double stress effects (temperature and water stress) on desiccation tolerant/avoiding plants and where are these limits or their transition?
Leaf/shoot/root ecophysiological focus on the investigations of photosynthetic/ respiratory rates and water regime under revival and desiccation processes. Plant anatomy and the ultrastructure of the cell can influence those essential functional processes which have crucial importance from the point of desiccation and revival processes. It is follows from the mentioned that leaf anatomy can have an effect on the processes of photosynthesis as well as CO2- and H2O cycles, while the root and stem anatomy can influence absorption, conductance and transport of water, together with the extracellular water conductance processes, which are highly important from the point of view of water regime of desiccation tolerant/avoiding plants. Investigations will seek identify substances and systems are important in mechanisms take part in maintenance the integrity of membranes and macromolecule structures during desiccation and prevent the oxidative damage during rehydration.

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.

Novelty of our research in part to combine measurements with complex approach on lower and vascular desiccation tolerant plants, on the other hand we would like to integrate our knowledge derive from different levels (leaf, shoot, whole plant, stand) in a common model. In the long-term, it is expected that the results of present research will increase our available knowledge of the effects of drought stress for cultivated plants hereby it will help drought tolerance works of molecular biologists and plant breeders. Direct practical benefits offer for plant cultivation and agricultural sciences. Understanding of the molecular mechanisms and features allow of viability of vegetative photosynthesise plant tissues in desiccated state will be a significant criterion to selection of cultivated plants and its cross breeding. All climate models deal with global climate change predict to increase the frequency of drought hereby the importance of the desiccation tolerant plants in the natural conditions will be increase in the future.
Our results also important from the point of view of ecology after all derived from investigations of natural ecosystems therefore it can provide useful information to conservation biology. One part of the results origin from protected natural ecosystems represents significant values, which insure their wide range applicability in the practice of natural and environmental protection.

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.

It has long been known that phylogenetically diverse species of lichens, algae, bryophytes, ferns, and flowering plants can survive for days to years in a highly desiccated state and then resume normal growth. This most extreme tolerance of water stress occurs in desiccation tolerant (DT) plants, which withstand drying of their photosynthetic cells to water contents 10 % or less of their dry weight. In other words, these specialized plants are capable of surviving the loss of at least 90-95 % of their cell water content. DT plants are important constituents of many ecosystems from the tropics to the arctic regions, therefore significant aspects of ecosystem function depend on the function of DT plants. Thus any analysis of the Earth's vegetation requires investigation of DT plants and vegetation. But the DT plants also have direct practical significance: the understanding of mechanisms of DT will be useful in the future to modify species by the powerful technique of genetic engineering, to develop crops that are tolerant of the harmful effects of drought.
The limits of tolerance, the suites of physiological, anatomical, and molecular changes that accompany desiccation, and the effects of desiccation on plant metabolism and ecological processes have each been documented in a variety of species. But some essential puzzles remain to be solved: What is the mechanism of desiccation tolerance? Why is the ability to tolerate desiccation, seemingly so advantageous a trait for land plants, nevertheless relatively so rare among the flowering plants, especially the dicot species? An integrative approach is needed to piece the answers together.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Eredményeink alapján az azonos nemzettséghez tartozó, hasonló ökológiai környezetben élő kiszáradástűrő növényfajok (DT) eltérő és jellegzetes szövettani és élettani jellemvonásokat mutatnak. A DT Xerophyta scabrida (PDT) képes jelentős mennyiségű víz felvételére nemcsak (és nem elsődlegesen) az edénynyalábokon keresztül, hanem a levelek külső víz felvétele révén. Vagyis a xilémen kívüli vízmozgás, más néven az extra xiláris víz transzport meghatározó szerepet játszik a DT növények levél hidraulikájában, a kavitált xilém elemek feltöltése révén az újranedvesítés során. Szintén bizonyítottuk a szklerenchima kiemelt szerepét a levél szövetek közötti víz mozgásban. A Haberlea rhodopensis (HDT) leveleinek esetében a kiszáradás során az epidermisz vékonyodik, de a sejtek közel kerülnek egymáshoz ezzel segítve a levél szövetek konzisztenciájának megtartását. Az oszlopos parenchima kompakt és jól elkülönülő réteget alkot, a szivacsos parenchimában szabályos intercelluláris terek alakulnak ki melyek részt vesznek a levél zsugorodásában. Más tekintetben a viszonylag kis területi borítottságú tőzegmohalápok esetében nemcsak szezonálisan mutatható ki funkcionális különbség, hanem a mikroélőhelyek és a növény asszociációk típusának függvényében is. Ugyanakkor az egyes tőzegmoha állományfoltok, különösen a zsombék formáció nagyobb tolerancia szintet mutató fajainak tekintetében, szinte sosem egy fajú. A különböző tőzegmoha fajok együttes előfordulása a jobb vízmegtartásban, hatékonyabb stratégia kialakítására utalhat, mely magasabb diverzifikációval is társul.
Results in English
We demonstrated that DT species of the same genus that grow under similar ecological conditions have different and characteristic histo-physiological features. Our results indicate that the leaves of desiccation-tolerant Xerophyta scabrida (PDT) were able to uptake significant water amount not only (and not primarily) through their vascular tissues but by external water conduction. It is supposed that the water movement outside the xylem namely extraxylar water transport plays a dominant role in the leaf hydraulics of desiccation-tolerant plants by refilling the cavitated xylem vessels during rehydration. We also confirmed the potential role of sclerenchyma in the water movement of leaf tissues. In case of Haberlea rhodopensis plant (HDT) leaves for the period of dehydration epidermis became thinner, but its cells remained closely to each other so it can help to retain the consistency of the leaf tissues. It is also necessary because the mesophyll turned into highly disintegrated. Palisade parenchyma constituted compact and well-distinguished layer and in the spongy parenchyma regular intercellular spaces were formed again which can participate in leaf shrinkage. In other respects, our study shows that functional differences can also exist within relatively small mire not only seasonally but also depending on microsites or types of plant communities. Collective presence of different peat mosses refer to better water holding capacity and performance of more effective strategy which show higher diversification.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109445
Decision
Yes





 

List of publications

 
Péli E R, Nagy J, Cserhalmi D: Decomposition rate, and carbon and nitrogen dynamics of sphagnum litter: lessons from a peat bog, POL J ECOL 64: 231-240, 2016
Péli Evelin Ramóna: Nara (Acanthosicyos horridus), ÉLET ÉS TUDOMÁNY 71: (10) 319-hátlap, 2016
Péli E R, Nagy-Déri H, Nagy Z: Histological study on the leaf rehydration of desiccation-tolerant plant Xerophyta scabrida, S AFR J BOT 100: 195-202, 2015
Péli Evelin R, Cserhalmi Dániel: Különböző tőzegmoha fajok ökofiziológiai vizsgálata norvégiai, hegyi tundra (fjell) vegetációban, In: Szűcs Péter, Pénzesné Kónya Erika (szerk.) (szerk.) III. Aktuális eredmények a kriptogám növények kutatásában: A konferencia előadásainak és posztereinek összefoglalói. Eger, Magyarország, 2015.11.17-2015.11.18. Kiadvány: Eger: Eszterházy Károly Főiskola, 2015. pp. 45, 2015
Péli Evelin Ramóna: Kiszáradástűrés vagy szárazságkerülés?, ÉLET ÉS TUDOMÁNY 70: (5) 144-146, 2015
Péli Evelin Ramóna , Nagy János, Cserhalmi Dániel: In situ measurements of seasonal productivity dynamics in two Sphagnum dominated mires in Hungary, CARPATH J EARTH ENVIRON SCI 10: (1) 231-240, 2015
Péli Evelin Ramóna: Hoodia gordonii, Élet és Tudomány, 2016
Péli Evelin Ramóna: Histo-anatomical and physiological aspects of plant desiccation tolerance, SZIE-EDHT, 2017
Péli Evelin Ramóna , Nagy János, Cserhalmi Dániel: In situ measurements of seasonal productivity dynamics in two Sphagnum dominated mires in Hungary, CARPATH J EARTH ENVIRON SCI 10: (1) 231-240, 2015
Péli E R, Nagy-Déri H, Nagy Z: Histological study on the leaf rehydration of desiccation-tolerant plant Xerophyta scabrida, S AFR J BOT 100: 195-202, 2015
Péli E R, Nagy J, Cserhalmi D: Decomposition rate, and carbon and nitrogen dynamics of sphagnum litter: lessons from a peat bog, POL J ECOL 64: 231-240, 2016
Péli Evelin Ramóna , Nagy-Déri Helga: How long can poikilohydric vascular plants retain their capacity of resurrection and to what extent?, Plant Abiotic Stress Tolerance V., 2018
Peli Evelin Ramona, Nagy-Deri Helga: How can the photosynthetic activity of desiccation tolerant plants with different strategies be regenerated after a few years of dehydration?, Abstract Book for the Plant Biology Europe Conference in Copenhagen, 2018
Péli Evelin Ramóna, Nagy-Déri Helga: Different morpho-anatomical strategies against desiccation in five species of Xerophyta genus in relation to their ecophysiological aspects, SOUTH AFRICAN JOURNAL OF BOTANY, 2018
Péli Evelin Ramóna, Nagy János György, Cserhalmi Dániel: Tőzegmohafajok diveztitás viszonyainak változásai a semlyék-zsombék relációban, kiszáradás toleranciájuk függvényében, XI. Magyar Ökológus Kongresszus, 2018




Back »