 |
Investigations of gene expression and metabolic processes associated with osmotic stress adaptation in the genesources of wheat
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
112226 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Darkó, Éva |
| Title in Hungarian |
Ozmotikusstressz-adaptációt kísérő génexpressziós és anyagcsere-változások tanulmányozása búza génforrásaiban |
| Title in English |
Investigations of gene expression and metabolic processes associated with osmotic stress adaptation in the genesources of wheat |
| Keywords in Hungarian |
búza génforrások, ozmotikus stressz, szárazság, sóstressz |
| Keywords in English |
wheat genesources, osmotic stress, drought, salinity |
| 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 |
Gondor, Orsolya Kinga
Kovács, Viktória
Majláth, Imre
Makai, Szabolcs
Molnár, István
Németh, Edit
Szalai, Gabriella
Végh, Balázs
|
| Starting date |
2015-01-01 |
| Closing date |
2019-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
37.926 |
| FTE (full time equivalent) |
8.75 |
| 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 klímaváltozás hatásaként az abiotikus stresszek, különösen a szárazság és sóstressz egyre gyakoribb előfordulásával kell számolni mind Magyarországon, mind világszerte. Ezért a stressztoleráns búzafajták előállítása fontos nemesítési szempont. Ennek egyik lehetséges módja, új potenciális génforrások keresése és nemesítésbe történő bevonása idegenfajú keresztezések révén. Ilyen génforrások lehetnek a búza rokonságába tartozó olyan vad ill. termesztett fajok, melyek jó szárazság-, ill. sótűréssel rendelkeznek.
A szárazság és a sóstressz közös jellemvonása, hogy vízhiányos állapotot idéz elő a növényekben, melyek a sejtekben ozmotikus, ill. oxidatív stresszként membránátstruktúrálódást és a foszforilációs változásokra épülő jelátviteli láncolat aktiválódását váltja ki. Ez, többek között magába foglalja a különböző ABA-indukálta jelátviteli utak aktiválódását, stresszproteinek és ozmoprotektív vegyületek szintézisét, az antioxidáns enzimek aktivitásának fokozódását is.
Ugyanakkor a stressztolerancia hátterében álló biokémiai és molekuláris folyamatok, az azokért felelős kulcsgének és azok kromoszómális lokalizációja még nem ismertek a búza rokonsági körébe tartozó olyan vad Aegilops fajokban, melyek korábbi vizsgálataink alapján megfelelő génforrások lehetnek a búza szárazság ill. sótűrésének javítására.
A pályázat célja, hogy megismerjük azokat a génexpressziós és anyagcsere-változási folyamatokat, melyek a jó stressztűréssel rendelkező genotípusokban és az azokból létrehozott introgressziós vonalakban megfigyelhetőek. E folyamatok megismerése nagyban hozzájárulhat a szárazság-, ill. sótűrés megértéséhez és fontos információt szolgáltat a nemesítés számára.
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 pályázat célja, hogy megállapítsuk (1), milyen génexpressziós és anyagcsere-változási folyamatok állhatnak a búza rokonsági körébe tartozó egyes vad Aegilops és termesztett árpa fajok megnövekedett ozmotikus stressztűrő képességének hátterében, ill. (2) hogy ezek a folyamatok hogyan nyilvánulnak meg az egy-egy idegen kromoszómát tartalmazó búza genetikai háttérrel rendelkező introgressziós vonalakban. Fel szeretnénk tárni, hogy mely kulcsgének felelősek és azok mely kromoszómákon lokalizáltak a búza rokonsági körébe tartozó U és M genommal rendelkező olyan Aegilops vonalakban, melyek korábbi vizsgálataink alapján megfelelő génforrások lehetnek a búza szárazság ill. sótűrésének javítására.
Ennek megismerése érdekében az élettani folyamatok nyomonkövetése (fotoszintetikus aktivitás-mérés, sztómazáródás és transpiráció vizsgálata stb.) mellett tanulmányozzuk az ozmoprotektánsok (prolin, glicinbetain, cukor és cukoralkoholok), az antioxidáns enzimek és vegyületek, a poliaminok, valamint a stresszhormonok szerepét a jó szárazság ill. sótűréssel rendelkező különböző vad búzafajok, valamint árpa vonalak és az azokból idegenfajú keresztezések során létrehozott vonalaikban összehasonlítva érzékeny fajtákkal ill. a búza szülőkkel.
Továbbá korszerű (RNA sequencing) molekuláris genetikai és bioinformatikai módszerek felhasználás nemzetközi együttműködő partnerek bevonásával vizsgálatokat tervezünk a stressztűrés genetikai hátterének feltárására.
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 különböző fiziológiai, anyagcsere-változási és génexpressziós folyamatok tanulmányozásával feltárjuk azokat a potenciális mechanizmusokat, melyek felelőssé tehetők a jó szárazság ill. sótűréssel rendelkező különböző vad búza fajok és az azokból idegenfajú keresztezések során létrehozott vonalaik ozmotikus stressztűréséért. A kísérletek folyamán korrelációt keresünk a vizsgált paraméterekben bekövetkező változások és a stressztolerancia között, melynek értékes információkkal szolgálhat nemcsak a stresszhez kötődő biokémiai és jelátviteli folyamatokról, hanem a nemesítési programok számára is. Különös figyelmet fordítunk a poliaminok és a különböző stressz-indukálta hormonok szerepének tisztázására. Az idegenfajú keresztezésekből származó addiciós vonalak vizsgálata lehetővé teszi, azon kromoszómák azonosítását, melyek stressz toleranciáért felelős géneket, QTL-eket hordoznak és részletes információt szolgáltatnak egy a búza genomba integrálódott idegen kromoszóma aktivitásáról szárazság ill. sóstressz alatt. Ezek az introgressziós vonalak közevetlenül fogják segíteni a stressztolerancia átvitelét a búzába és elősegítik stressztoleráns elit búzafajták létrehozását.
Az RNAseq és gén ontológia analízis egyedi információkkal fog szolgálni a gének aktivitásáról és funkciójáról, amivel áttekintést kaphatunk a toleráns és érzékeny Aegilops vonalakban zajló szárazsággal kapcsolatos metabolitikus változásokról a búzához képest. A project szintén elő fogja segíteni a jelentősen fel- vagy leszabályozott gének allélváltozatainak azonosítását és ez alapján SNP markerek előállítását, majd ezen markerek alkalmazását QTL térképezésekhez, illetve szárazságtűrő búza-Aegilops introgressziós vonalak marker kapcsolt szelekciójához. Ezen felül, az 1U-7U kromoszómák survey szekvencia adatainak felhasználásával lehetőség lesz a szárazság stresszre indukálódó Aegilops gének genomi szerkezetének (exon-intron összetétel, promoter kötő helyek stb.) azonosítására. Tekintve, hogy a genetikai térkép és kromoszóma specifikus BAC könyvtárak rövidesen hozzáférhetőek lesznek, eredményeink elő fogják segíteni a szárazság stresszel kapcsolatos gének fizikai térképezését és izolálását az Aegilops fajokból.
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 klímaváltozást kísérő egyre szélsőségesebb időjárási viszonyok között a gabonafélék abiotikus stressztűrésének növelése fontos agronómiai szempont. Az abiotikus stresszek, különösen a szárazság és a sóstressz nagy gazdasági károkat okoznak világszerte. Éppen ezért a szárazság ill. sóstressz hatásait részletesen tanulmányozták a kutatók a termesztett gabonaféléken, és feltárták azok morfológiai, fiziológiai, biokémiai és molekuláris háttereit. Ugyanakkor jóval kevesebb az ismeretünk ezekről a folyamatokról, a búza rokonsági körébe tartozó olyan van fajokban, melyek potenciális génforrásai lehetnek a búza szárazság ill. sótűrésének javításában. A pályázat célja, hogy kiderítsük, hogy ezek a fajok milyen mechanizmusok révén járulhatnak hozzá a termesztett búzafajták stressztűrésének fokozásához. Ennek megismerése érdekében tanulmányozzuk azokat a génexpressziós és anyagcsere-változási folyamatokat, melyek a jó szárazság ill. sótűréssel rendelkező különböző vad búza fajok és az azokból idegenfajú keresztezések során létrehozott vonalaikban megfigyelhetőek. Ezen folyamatok megismerése nagyban hozzájárulhat úgy a szárazság, ill. sótűrés folyamatának minél jobb megértéséhez, mind pedig hasznos információt szolgáltatnak a nemesítés számára.
| 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, which are further aggravated by the effects of climate change. Abiotic stresses cause severe economic losses in plant production worldwide and also in Hungary. Drought and salinity induce a series of morphologic, physiological, biochemical and molecular changes among them many are interconnected. Both cause osmotic stress, resulting in the disruption of homeostasis and oxidative stress resulting in denaturation of functional and structural proteins and membranes. As a result, these stresses often activate similar cell signalling pathways, regulatory genes and cellular responses, such as the production of stress proteins, accumulation of omoprotectants and up-regulation of antioxidants to re-establish cellular homeostasis and maintain the stability of cell even under unfavourable conditions. However little information is available on them in wheat wild relatives, such as Aegilops species in spite of the fact that they are considered as potential gene sources for improving abiotic stress tolerance of wheat. Neither their biochemical and molecular processes nor the key genes and their chromosomal location are known.
The aim of the present proposal is to reveal the osmotic adaptation mechanisms in wild and cultivated relatives of wheat and in their introgression lines having elevated osmotic adaptation potential induced either by drought or salt through complex molecular genetic, biochemical and physiological investigations. The deeper knowledge in these processes may significantly contribute to the better understanding of drought and salinity tolerance and may provide useful information for wheat (pre)breeding programmes.
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 present proposal, the main questions are: what kind of biochemical and molecular processes are involved in the elevated tolerance to osmotic stress in several wild Aegilops and cultivated relatives of wheat and in their introgression lines?
For this, we would like to reveal: (1) what are the differences in the metabolic and genes expression pattern in wild relatives of wheat own with better adaptation potential to drought in comparison with wheat and drought-sensitive wild relatives? (2) how these processes can manifest in the wheat-alient introgression lines. We would like to determine the key genes and their chromosomal location responsible for the stress tolerance in Aegilops species (containing U and M genome), which we found earlier as potential genesources for increasing the wheat tolerance to drought and salt stress.
To answer these questions, the project will investigate physiological (photosynthetic activity, stomatal movement, transpiration, etc,) processes, the role of osmoprotectants (e.g. prolin, GlyBet, sugar polyols), antioxidants, poliamines and hormonal changes in the adaptation mechanisms of wild goatgrass and cultivated relatives of wheat and in their introgression lines having elevated drought and salt tolerance. In addition, detailed measurements will be carried out on the drought-related gene expression profile by the use of most up to date RNA sequencing methods and bioinformatics tools in a frame of international cooperation.
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 present proposal reveal the osmotic adaptation mechanisms in wild and cultivated relatives of wheat and their introgression lines having elevated adaptation potential for drought or salt through complex physiological, biochemical and molecular genetic investigations. These investigations can contribute to understand the action and the regulation of processes by which plants are capable to activate adaptive response to drought- and salt stress, and it also provides useful information for breeding. New results on the role of polyamines and hormonal metabolisms are particularly expected. These studies on wild genetic resources of wheat are particularly important. The investigations of wheat-Aegilops and wheat-barley introgression lines will identify the alien chromosomes where the stress tolerance genes and QTLs are located and provide detailed information about the activity of an individual alien chromosome integrated into the wheat genome under stress conditions. These introgression lines will directly accelerate the targeted transfer of stress tolerance into wheat and will contribute for the production of stress tolerant elite wheat cultivars. The RNAseq and gene ontology analysis will result in unique information about the activity and function of genes, thereby providing an overview about the drought –related metabolic changes in tolerant and sensitive Aegilops accessions relative to wheat. The identification of allelic variations for highly up- or down regulated genes and the design of single nucleotide polymorphisms (SNPs) markers, as well as their utilization for QTL mapping and marker-assisted selection of drought tolerant wheat-Aegilops introgressions will also be stimulated by the project. Furthermore, by the use of 1U-7U chromosome-specific survey sequences, it will be possible to identify the genomic structure (exon-intron composition, promoter binding sites etc.) of the drought responsive Aegilops genes. As the genetic map and chromosome specific BAC libraries will available soon, the results will support the physical mapping and isolation of drought related genes from Aegilops.
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 stresses are serious threat to agriculture, because they cause severe economic losses in plant production worldwide and in Hungary as well. Drought and salinity are main factors that limit growth and productivity, which induce a series of morphological, physiological, biochemical and molecular changes among them many are interconnected. These processes are widely investigated in cereals, however little information is available on them in wheat wild relatives, in spite of the fact that they are considered as potential gene sources for improving abiotic stress tolerance of wheat. The aim of the present proposal is the better understanding of the osmotic adaptation mechanisms in wheat relatives and their introgression lines having elevated osmotic adaptation potential induced either by drought or salt. For this, complex molecular genetic, biochemical and physiological investigations are planned to be performed. The results of these investigations can contribute not only to the better understanding of osmotic adaptation processes, but also provide useful information for plant breeders
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Darkó É, Gierczik K, Forgó P, Hudák O, Pál M, Kovács V, Dulai S, Majláth I, Cseh A, Türkösi E, Molnár I, Janda T, Lángné Molnár M: Hogyan növeli az árpa 7H kromoszóma a búza sótűrését?, XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók. 45 p., 2017 | | Edina Türkösi, Eva Darko, Marianna Rakszegi, István Molnár, Márta Molnár-Láng , András Cseh: Development of a new 7BS.7HL winter wheat-winter barley Robertsonian translocation line conferring increased salt tolerance and (1,3;1,4)-β-D-glucan content, PlosOne 13(11):e0206248., 2018 | | I. Monostori, G. Kocsy, M. Rakszegi, M. Ahres, SA Altenbach, ...G. Galiba G and E. Darko: LED Lighting – Modification of Growth, Metabolism, Yield and Flour Composition in Wheat by Spectral Quality and Intensity, Frontires in Plant Science 9:605, 2018 | | Darko Eva ; Végh Balázs ; Khalil Radwan ; Marček Tihana ; Szalai Gabriella ; Pál Magda ; Janda Tibor: Metabolic responses of wheat seedlings to osmotic stress induced by various osmolytes under iso-osmotic conditions, PLOS ONE 14 : 12 Paper: e0226151 , 19 p. (2019), 2019 | | Ivanizs, László ; Monostori, István ; Farkas, András ; Megyeri, Mária ; Mikó, Péter ; Türkösi, Edina ; Gaál, Eszter ; Lenykó-Thegze, Andrea ; Szőke-Pázsi, Kitti ; Szakács, Éva, Darkó Évaet al.: Unlocking the Genetic Diversity and Population Structure of a Wild Gene Source of Wheat, Aegilops biuncialis Vis., and Its Relationship With the Heading Time, FRONTIERS IN PLANT SCIENCE 10 Paper: 1531 (2019), 2019 | | Marcek, Tihana ; Hamow, Kamirán Áron ; Végh, Balázs ; Janda, Tibor ; Darkó, Éva: Szárazság hatására bekövetkező metabolikus változások különböző búza genotípusokban, In: Karsai, Ildikó (szerk.) Növénynemesítés a 21. század elején: kihívások és válaszok : XXV. Növénynemesítési Tudományos Nap 2019 Budapest, Magyarország : Magyar Tudomán, 2019 | | Rakszegi, Marianna ; Darkó, Éva ; Lovegrove, Alison ; Molnár, István ; Láng, László ; Bedő, Zoltán ; Molnár-Láng, Márta ; Shewry, Peter: Drought stress affects the protein and dietary fiber content of wholemeal wheat flour in wheat/Aegilops addition lines, PLOS ONE 14 : 2 Paper: e0211892 , 19 p. (2019), 2019 | | Darko E, Janda T, Majlath I, Szopko D, Dulai S, Molnar I, Turkosi E, Molnar-Lang M: Salt stress response of wheat-barley addition lines carrying chromosomes from the winter barley "Manas", EUPHYTICA 203: (3) 491-504, 2015 | | D Szopkó, É Darkó, I Molnár, K Kruppa, B Háló, A Vojtkó, M Molnar-Lang, S Dulai: Photosynthetic responses of a wheat (Asakaze)–barley (Manas) 7H addition line to salt stress, PHOTOSYNTHETICA 23: (1) 1-13, 2016 | | Türkösi Edina, Cseh András, Darkó Éva, Molnár-Láng Márta: Addition of Manas barley chromosome arms to the hexaploid wheat genome, BMC GENET 17:, 2016 | | E. Darko, M. Megyeri and I. Molnár: Aegilops biuncials as a potential gene source for improving drought tolerance of wheat, http://agricultureandclimatechange.com/, 2017 | | D Szopkó, É Darkó, I Molnár, K Kruppa, B Háló, A Vojtkó, M Molnar-Lang, S Dulai: Photosynthetic responses of a wheat (Asakaze)–barley (Manas) 7H addition line to salt stress, PHOTOSYNTHETICA 55: (2) 317-328, 2017 | | Eva Darko, Krisztián Gierczik, Orsolya Hudák, Péter Forgó, Magda Pál, Edina Türkösi, Viktória Kovács, Sándor Dulai, Imre Majláth, István Molnár, Tibor Janda, Márta Molnár-Láng: Differing metabolic responses to salt stress in wheat-barley addition lines containing different 7H chromosomal fragments, PLOS ONE 12: (3), 2017 | | Rakszegi Marianna, Molnár István, Lovegrove Alison, Darkó Éva, Farkas András, Láng László, Bedő Zoltán, Doležel Jaroslav, Molnár-Láng Márta, Shewry Peter: Addition of Aegilops U and M Chromosomes Affects Protein and Dietary Fiber Content of Wholemeal Wheat Flour, FRONT PLANT SCI 8:, 2017 | | Molnár I, Vrána J, Buresová V, Cápal P, Farkas A, Darkó É, Cseh A, Kubaláková M, Molnár-Láng M, Dolezel J: Dissecting the U, M, S and C genomes of wild relatives of bread wheat (Aegilops spp.) into chromosomes and exploring their synteny with wheat, PLANT J 88: (3) 452-467, 2016 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
