 |
Characterization of the role of reactive nitrogen species during ZnO nanoparticle-induced phytotoxicity
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
129511 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Ördögné Kolbert, Zsuzsanna |
| Title in Hungarian |
A reaktív nitrogénformák szerepének jellemzése a ZnO nanopartikulumok által okozott fitotoxicitásban |
| Title in English |
Characterization of the role of reactive nitrogen species during ZnO nanoparticle-induced phytotoxicity |
| Keywords in Hungarian |
fitotoxicitás, nanopartikulumok, reaktív nitrogénformák, ZnO |
| Keywords in English |
phytotoxicity, nanoparticle, reactive nitrogen species, ZnO |
| Discipline |
| Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Complex agricultural sciences |
| Department or equivalent |
Department of Plant Biology (University of Szeged) |
| Participants |
Feigl, Gábor
Molnár Csabáné Dr. Rónavári, Andrea
Molnár, Árpád
Pécsváradi, Attila
Szollosi, Réka
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2021-02-28 |
| Funding (in million HUF) |
19.796 |
| FTE (full time equivalent) |
3.28 |
| 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 jelenkori nanotechnológia vívmányai közé tartozó fém-oxid nanopartikulumok (NP) -mint amilyen a nano-cink-oxid (nano-ZnO) is- alacsony dózisban pozitív hatásúak a növényi fejlődésre, feleslegben azonban erősen fitotoxikusak. A toxikus hatásért részben a reaktív oxigénformák (ROF) képződése nyomán fellépő oxidatív stressz a felelős, mely szorosan összefügg a reaktív nitrogénforma (RNF)-függő nitrozatív stressz folyamatokkal. Irodalmi adat azonban jelenleg nem áll rendelkezésre a ZnO NP-ok lehetséges nitrozatív folyamatokat indukáló hatásáról növényekben. Munkánk célja tehát, hogy megvizsgáljuk annak a lehetőségét, hogy a ZnO NP-ok emelt koncentrációja RNF túltermelést és nitrozatív módosulásokat (fehérje nitroziláció és nitráció) okoz növényekben. A nano-ZnO által indukált nitrozatív stressz kialakulásának lehetséges fajfüggését egy Brassica fajokat összehasonlító kísérleti rendszerben tervezzük vizsgálni, melyet a pályázat alapjául szolgáló közleményben publikáltunk. Ebben a korábbi munkánkban elsőként mutattuk ki az indiai mustár (Brassica juncea) és a repce (Brassica napus) cink-szulfáttal szembeni érzékenységének különbségeit, valamint azt, hogy a cink-szulfát felborítja a ROF és RNF metabolizmust és fokozott fehérje tirozin nitrációt, azaz összességében nitrozatív és oxidatív stresszt okoz a fajokban. A jelen pályázat keretében tanulmányozni kívánt téma nemzetközi érdeklődésre tarthat számot, hiszen a nanorészecskék biológiai hatásai aktívan kutatottak manapság, csakúgy, mint a növényi RNF metabolizmus és a másodlagos nitrozatív stressz. A projekt keretében megvalósul egy fiatal posztdoktor alkalmazása, ami közvetlen előnyt jelent a tudományos kutatóképzésben.
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 cink-szulfáttal és nano-ZnO-dal végzett korábbi és előkísérleteink eredményeire alapozva feltételezzük, hogy a különböző cink-szulfát tűrésű Brassica fajok a ZnO nanopartikulumok jelenlétét különbözőképpen tolerálják. További hipotézisünk, hogy a ZnO NP-ok nagy koncentrációban az oxidatív stressz mellett nitrozatív stresszt is kiváltanak, és ez a feltételezett nitrozatív stressz hozzájárul a ZnO NP-ok fitotoxicitásához, mely különböző mértékű lehet a vizsgálandó növényfajokban. Irodalmi adatok alapján valószínűsítjük, hogy a ZnO NP-ok alacsony koncentrációban elősegítik a növényi fejlődést, és ebben a folyamatban is feltételezhető a RNF (főként a nitrogén-monoxid) részvétele. Kísérleteink választ adhatnak olyan kérdésekre, mint hogy kimutatható-e a nano-ZnO hatás függése a növényfajtól, a nanopartikulumok méretétől és koncentrációjától? Fő kérdésünk továbbá az, hogy a nano-ZnO kezelés megváltoztatja-e a reaktív oxigén- és nitrogénformák metabolizmusát? Okoz-e és ha igen, milyen mértékű nitrozatív és oxidatív fehérje módosulást a Brassica fajokban? Szintén érdekes és új eredményekkel szolgálhatnak a kísérleteink, melyek az alacsony koncentrációjú ZnO NP-ok kedvező hatásának RNF metabolizmussal és nitrozatív módosulásokkal való lehetséges összefüggését tanulmányozzák.
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 tervezett kutatás széleskörűen, gyakorlati és elméleti szempontokat is figyelembe véve vizsgálja a nano-ZnO növényekre gyakorolt hatásait. A projekt egyediségét adja, hogy nem a kereskedelmi forgalomban kapható, hanem együttműködés keretében közvetlenül a kísérleteink számára előállított és részletesen jellemzett eltérő részecskeméretű ZnO NP-okat használunk a növények kezelésére. Eredményeink várhatóan hozzájárulnak a ZnO NP-ok által kiváltott fitotoxicitás faj-, koncentráció és részecskeméret-függésének jobb megértéséhez. A nitrozatív folyamatok (RNF metabolizmus zavara, fehérje nitráció, nitroziláció) kimutatása új ismeretekkel bővítheti a ZnO NP-ok fitotoxicitásáért felelős másodlagos folyamatokról eddig rendelkezésünkre álló tudást, új perspektívát nyitva ezzel mind a nanorészecskék biológiai hatásvizsgálata mind pedig az abiotikus stressz-indukált nitrozatív mechanizmusok alapkutatása során. Szintén új eredményekkel szolgálhat a kis koncentrációjú ZnO NP-ok növényi fejlődést elősegítő hatásának összefüggésbe hozása a nitrogén-monoxid metabolizmussal. A projekt eredményei várhatóan hozzájárulnak a növények nehézfém ill. nanorészecske tűrésével kapcsolatban rendelkezésünkre álló ismeretek gyarapodásához, így közvetlenül hasznosulhatnak a növénytermesztési valamint fitoremediációs technológiák fejlesztése során.
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.
Napjaink nanotechnológiai gyakorlata során a fém-oxid nanopartikulumokat (NP)- mint amilyen a nano-cink-oxid (nano-ZnO) is- nagy mennyiségben állítják elő és alkalmazzák az iparban és a mezőgazdaságban. Kis mennyiségben a ZnO NP-ok pozitív hatást gyakorolnak a növényi fejlődésre, valamint a könnyen kimosódó, környezetterhelő hagyományos trágyákkal ellentétben kiegyenlítettebb tápanyaghozzáférést biztosítanak a növények számára. Bármennyire is kecsegtetők a ZnO NP-ok tulajdonságai, a növénytermesztésben való felhasználásuk magában rejti annak veszélyét, hogy tápláléknövényeinkben felhalmozódva károsítják azokat vagy végső soron az emberi egészséget. Ismert az, hogy a nano-ZnO toxikus hatásáért a reaktív oxigénformák képződése és az oxidatív stressz részben a felelős. Jelen kutatásban fő célunk tanulmányozni, hogy egy másik reaktív molekulacsoport, a reaktív nitrogénformák képződése és az általuk okozott nitrozatív módosulások felelőssé tehetők-e és ha igen, mennyiben a nano-ZnO növényeket károsító hatásáért. A különböző méretben, a projekt számára előállított és részletesen jellemzett ZnO NP-okat több dózisban alkalmazzuk eltérő cink-érzékenységű indiai mustár és olajrepce növények gyökéren keresztüli kezelésére, így ki tudjuk mutatni a hatás függését a részecskemérettől, a koncentrációtól és a növényfajtól. Mezőgazdasági jelentőségű növényfajok nano-ZnO tűrését vizsgáljuk, így az eredmények amellett, hogy hozzájárulhatnak az ezidáig rendelkezésünkre álló elméleti ismeretek bővítéséhez, közvetlenül is hasznosulhatnak a növénytermesztési technológiák, valamint azon eljárások fejlesztése során, melyek a szennyezett területek növények általi megtisztítására irányulnak.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The achievements of present-day nanotechnology, metal oxide nanoparticles (NPs), such as nano-zinc oxide (nano-ZnO) have positive effects on plant growth, while in excess they are highly phytotoxic. For the toxic effects, the formation of reactive oxygen species (ROS) and the consequent oxidative stress are partly responsible, which are closely related to reactive nitrogen species (RNS)-dependent nitrosative stress processes. However, no literature data is currently available regarding the putative nitrosative stress-inducing effect of ZnO NPs in plants. The aim of our work is therefore to investigate the possibility that elevated concentrations of ZnO NPs can cause RNS overproduction and nitrosative modifications (protein nitrosylation and nitration) in plants. The possible dependence of nano-ZnO-induced nitrosative stress on plant species is planned to be investigated in an experimental system comparing Brassica species, which has earlier been published in the article on which the present proposal is based on. In this paper, we first identified the differences between the zinc sulphate sensitivity of Indian mustard (Brassica juncea) and oilseed rape (Brassica napus) and the fact that zinc sulphate disturbs ROS and RNS metabolism and increased protein tyrosine nitration causing nitrosative and oxidative stress in the species. The topic of the planned study can be of international interest since the biological effects of nanoparticles are being actively investigated nowadays, as well as plant RNS metabolism and secondary nitrosative stress. The project involves the employment of a young postdoctoral scientist, which means direct benefit in scientific researcher training.
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.
Based on the results of our previous and preliminary observations on zinc sulphate and nano-ZnO, it is assumed that Brassica species with diverse zinc sulphate endurance, tolerate the presence of ZnO nanoparticles differently. Our further hypothesis is that beyond oxidative stress, ZnO NPs at high concentrations induce nitrosative stress as well and this presumed nitrosative stress contributes to nano-ZnO phytotoxicity, which may differ in the examined plant species. Based on literature data, it is believed that low dosages of ZnO NPs facilitate plant growth, and in this process the involvement of RNS (mainly nitric oxide) can be assumed.
Our experiments can answer the question whether the effect of nano-ZnO depends on the plant species or on the size and concentration of nanoparticles? Our further main question is whether the nano-ZnO treatment modifies the metabolism of reactive oxygen and nitrogen species? Does it cause and if yes, what degree of nitrosative and oxidative protein modifications in Brassica species? Also interesting and new results can be achieved by our experiments studying the potential correlation of the low ZnO NPs concentrations with RNS metabolism and with nitrosative modifications.
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 planned research examines the effects of nano-ZnO on plants, taking into account both practical and theoretical aspects. The uniqueness of the project is that not commercially available, but ZnO NPs with different particle sizes produced and characterized exclusively for our experiments will be used to treat plants. Our results may contribute to the better understanding of the species-, concentration- and particle size- dependence of ZnO NP-induced phytotoxicity. The detection of nitrosative processes (disturbance in RNS metabolism, protein nitration, nitrosylation) can provide new information to the knowledge presently available about the secondary processes involved in the phytotoxicity of ZnO NPs, thus opening new perspectives for the basic research studying the biological impact of nanoparticles and the abiotic stress-induced nitrosative mechanisms. Novel results can also be achieved about the relationship between the growth promoting effect of low nano-ZnO concentrations and nitric oxide metabolism. The results are expected to contribute to the growth of our knowledge regarding plant heavy metal or nanoparticle tolerance, so can be directly utilized in the development of crop production and phytomediation technologies
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.
In today's nanotechnology practice, metal oxide nanoparticles (NPs), such as nano-zinc oxide (nano-ZnO), are produced in large quantities and frequently used in industry and agriculture. In trace amounts, ZnO NPs have positive effects on plant growth and, in contrast to conventional fertilizers that become easily washed out, and are environmentally damaging, provide more balanced nutrient supply for plants. Despite their beneficial properties, the application of ZnO NPs in crop production can be risky because of their accumulation in crops which may endanger food plants and ultimately human health as well. It is known that the formation of reactive oxygen species and oxidative stress is partly responsible for the toxicity of nano-ZnO. The main goal of the present project is to study the potential involvement of another reactive molecule group, the reactive nitrogen species and the consequent nitrosative modifications in the nano-ZnO-induced toxicity of plants. The ZnO NPs produced in different sizes, and characterized in detail for the project, will be used in several doses via the root system of Indian mustard and oilseed rape plants showing different zinc tolerance. In this system we can demonstrate the dependence of the effect on particle size, on concentration and on plant species. We plan to evaluate nano-ZnO tolerance in plant species having agricultural importance, therefore the results can contribute to the expansion of the present theoretical knowledge, and can also be utilized directly during the development of crop production technologies and approaches that intend to purify contaminated sites by plants.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
