Növénybiológiai Intézet (HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
résztvevők
Bíró Judit Domoki Mónika Tekla Koósné Majzik Hedvig Lajkó Dézi Bianka Magyar Zoltán Ménesi Dalma Németh Edit Pichererné Dr. Gémes Katalin Valkai Ildikó
projekt kezdete
2012-04-01
projekt vége
2016-12-31
aktuális összeg (MFt)
39.766
FTE (kutatóév egyenérték)
11.69
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
Összefoglalás A sejtek polaritása alapvető a növények egyedfejlődése szempontjából. Például a növények apikális-bazális polaritása már az egy-sejtes zigótában kialakul és ez határozza meg a szervezet fő tengelyét, ami a későbbiekben az egyedfejlődési/szervdifferenciálódási mintázat alapjául szolgál. A sejtpolaritás központi szabályozói a ROP GTPázok. A ROP GTPázok központi szerepe a növényi sejtek poláris növekedésének szabályozásában jól ismert, ideértve a gombakórokozókkal szembeni érzékenységet meghatározó mechanizmusokat is, de a kapcsolódó jelátvitali hálózatokról az ismereteink még hiányosak. Laboratóriumunkban korábban elsőkként mutattuk ki, hogy a RLCKVI_A csoportba tartozó növényspecifikus kinázok potenciális ROP effektorok. Ezek a kinázok a viszgálataink középpontjában lesznek, mivel mind a poláris pollencső növekedésben, mind a gomba kórokozókra adott válaszokban szerepet játszanak Azonban a vizsgálatokat ki kívánjuk terjeszteni a ROP GTPázokat szabályozó kinázokra (RLK, AGC) is. Mutáns és transzgenikus növények, élesztő és in vitro szűrési technikák, tranziens génkifejeződési vizsgálatok, konfokális mikroszkópia és in silico adatfeldolgozás segítségével szerzett biokémiai, szerkezeti, sejtbiológiai és funkcionális információk révén kívánjuk összehasonlítani a ROP GTPáz-kapcsolt kinázok szerepét a sejtpolaritás szabályozásában a növényi morfogenezis során, gomba fertőzött sejtekben és in vitro növekedő pollencsövekben.
A kutatás fő kérdései A kutatás fő kérdése, hogy a növényi Rho-típusú GTPázok hogyan kapcsolódnak kinázokhoz és mi ezeknek a kapcsolatoknak a jelentősége a sejtek polaritásának szabályozásában a növények morfogenezise és gomba kórokozókkal szembeni érzékenysége vonatkozásában. Élesztő és állati sejtekben számos Rho-aktivált kináz (PAK) létezik, míg növényekből ezek a típusú kinázok hiányoznak. Az állati Rho GTPázok kapcsolódása a receptor tirozin kinázokhoz RhoGEF feherjéken keresztül szintén jól ismert. Ugyanakkor a növények speciális, egyedi Rho-típusú GTPázokkal (ROP), receptor kinázokkal (RLK), RopGEF fehérjékkel (PRONE) és ROP-effektor kinázokkal (RLCKVI_A) rendelkeznek. Azonban az a jelátviteli hálózat melyet ezek a fehérjék alkotnak alig ismert. Előzetes eredményeink alapján feltételezzük, hogy a fenti fehérjék összetett kapcsolatban állnak egymással és együttesen fontos szerepet játszanak a sejtpolaritás ROP GTPázok általi szabályozásában. Ezt a hipotézis kívánjuk igazolni változatos kísérleti megközelítéseket felhasználva. Ezen túl, külföldi partnerünkkel, Ralph Hückelhovennel, együttesen kívánjuk igazolni azt a feltételezést, hogy a kompatibilis biotróf gomba kórokozók a növényi sejtek polaritást szabályozó mechanizmusát használják a sejtekbe való behatolásra. Az a célunk, hogy összehasonlítsuk a ROP- illetve kináz-függő lépéseket a sejtek poláris növekedése (pollen cső) és a gomba kórokozók növénybe hatolása során, azon túl, hogy feltárjuk a ROP-kapcsolt kinázok általános szerepét a növényi egyedfejlődésben.
A kutatás jelentősége ROP GTPázok képviselik egyedül a jelátviteli típusú kis GTP-kötő fehérjéket növényekben, de a jelátviteli hálózatokba való integrációjuk alig ismert. Korábbi kutatásaink eredményeként elsőként igazoltuk, hogy a ROP GTPázok kinázokat aktiválnak és maguk is foszforilációs szabályozás alatt állnak. Így laboratóriumunk erős pozíciót foglalt el a ROP GTPáz-kapcsolt jelátviteli kutatások terén, amit jelen pályázat segítségével kívánunk fenntartani. A tervezett kísérletek eredetiek és így eredményeik színvonalas nemzetközi tudományos folyóiratokban közölhetőek. A megszerzett információk alapján egy általános növényi jelátviteli modelt hozhatunk létre (receptortól a ROP effektorig), mely alapul szolgálhat a jelátviteli mechanizmusok evoluciós összehasonlításához illetve olyan alapvető folyamatok megismeréséhez, mint a poláris sejt növekedés, sejtmegnyúlás, növényi morfogenezis és a gomba kórokozó fertőzésre adott növényi válasz. Ezek az alapvető tudományos ismeretek hosszútávon elvezethetnek olyan molekuláris markerek és technológiák feltárásához, melyek lehetővé teszik a növények alakjának, fejlődésének és gombakórokozókkal szembeni érzékenységének megváltoztatását. A projekt hozzájárul az intézetben új készülékek, technológiák meghonosításához, illetve fiatal kutatók karrierjének kiépítéséhez. A kutatások során hosszútávú együttműködést építünk ki kíváló külföldi laboratóriumokkal (lásd nemzetközi együttműködés részletei).
A kutatás ismertetése
A növényi test felépítését alapvetően meghatározza a növényi egyedfejlődés során a sejtek osztódásának, alakjának, növekedésének irányultsága. A sejtek növekedési irányát a legtöbb élőlényben hasonló molekuláris folyamatok szabályozzák. Ennek a szabályozásnak a középpontjában a Rho-típusú GTP-kötő fehérjék állnak. A növényi Rho-típusú (ROP) fehérjék szerepe a sejtpolaritás (irányultság) szabályozásában jól ismert, de nem ismerjük jól a további szereplőket. Mi korábbi eredményeink alapján feltételezzük, hogy egyes fehérjékre foszforcsoportot kapcsoló, és így azok aktivitását szabályozó fehérjék, az ún. kinázok, szintén részt vesznek a folyamatban. Kutatásaink célja ennek a feltételezésnek az igazolása. A kutatások jelentőségét az adja, hogy a sejtpolaritást szabályozó mechanizmusok részt vesznek a gombakórokozókkal szembeni érzékenység kialkulásában is. A gomba kórokozó a növényi sejtnek a poláris növekedésre való képességét használja arra, hogy az ép növényi sejtbe behatoljon annélkül, hogy a sejtmembránt károsítaná. Ezért a sejtpolaritás szabáylozásának ismerete új lehetőséget adhat a számunkra a kórokozókkal szembeni védekezésre, amellett, hogy jelentős ismeretekkel gyarapítja a növények fejlődéséről kialakított képünket.
angol összefoglaló
Summary Cell polarity plays important roles in plant development. For example, the main body axis is defined by the polarity of the single-celled zygote and polar information is used for patterning and cell specification. ROPs GTPases are key regulators of cellular polarity in plants. We aim to reveal the link of ROP GTPases to various kinases in order to have new insights into the regulation of cell polarity during morphogenesis, tip growth and fungal invasion of cells. We have shown previously that a specific class of RLCK kinases (VIA) is potential ROP effectors. As these kinases are implicated both in pollen tube growth as well as fungal susceptibility, they will be in the center of our studies. However, we also have data on the possible involvement of AGC kinases and receptor kinases (RLKs). Therefore our investigations will include these kinases as well. We are planning to combine biochemical, structural, cellular and functional information using purified proteins, mutant and transgenic plants, yeast and chemical genomic screening systems, transient gene expression assays, confocal microscopy and in silico data analysis to compare ROP-centered kinase signaling during cell polarity (in vitro pollen tubes), morphogenesis (whole plant) and pathogenesis (fungi-infected cells).
Research question The main questions of the proposed research are: How the Rho-type ROP G-proteins are linked to kinase signaling in plants and what is the biological significance of these signaling pathways during cell polarity establishment related to morpho- and pathogenesis? In yeast/metazoa several types of Rho-activated kinases exist (e.g. PAKs) that are completely absent from plants. The link of Rho signaling to receptor tyrosin kinases through RhoGEFs was also revealed in these organisms. However, plants have unique Rho proteins (ROPs), unique receptor kinases (RLKs), unique RopGEFs, unique ROP effector kinases (RLCK_VIAs) and the signaling network involving these specific proteins is hardly known. Based on our preliminary data we hypothesize that all these proteins are interlinked and play together a central role in the regulation of ROP-related processes including cell polarity. We aim to prove this hypothesis by various experimental approaches. Together with our foreign partner, Ralph Hückelhoven, we also hypothesize that compatible fungal pathogens use the plant cell polarity machinery to enter into plant cells. We aim to compare ROP- and kinase-related steps during polar cell growth (pollen tube) and fungal entrance into plant cells in addition to reveal the function of ROP-related kinases during normal morphogenesis.
Significance of the research ROPs are the only and unique signaling-type small G-proteins in plants, but their integration into signaling networks is hardly known. In previous publications we provided the first experimental data that they can regulate kinases and they can also be regulated through phosphorylation. Therefore our laboratory has a strong position on the research field what we can maintain due to the present project. The planned approaches are original and can result in high standard scientific publications. The obtained knowledge can be used to build up general models for receptor signaling in plants, can serve as a basis for studies concerning the evolution of signaling mechanisms, as well as can give specific insights into the regulation of basic cellular processes such as polar cell growth, cell expansion, plant morphogenesis and the plants responses to fungal pathogens. This basic knowledge can be translated in long term into molecular markers and genetic technologies that can be used to alter plant shape/development and to coop with fungal plant pathogens. The project will serve to establish new methods and research infrastructure in the institute, and will contribute to the carrier of young scientists. The project will strengthen our collaboration with outstanding foreign laboratories (see international collaborations).
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A kutatások eredményeként jellemeztünk egy addig ismeretlen növényi jelátviteli kapcsolatot. Meghatároztuk azokat az aminosav motívumokat, amelyek szükségesek az RLCK VI_A csoportba tartozó kinázok ROP GTPázok általi aktiválásához. Kimutattuk, hogy az RLCK VI_A3 kináz túltermelése, a ROP GTPázokhoz hasonlóan, befolyásolja a pollencső növekedését és polaritását. Ugyanerről a kinázról kimutattuk, hogy hiánya az Arabidopsis és az árpa növényt is fogékonyabbá teszi lisztharmat fertőzéssel szemben. Mutációja Arabidopsisban csökkenti a növény méretét, ugyanakkor növeli a levélszőrök elágazódásának számát. Ennél is részletesebben jellemeztük az RLCK VI_A2 kináz biológiai funkcióit: ez a kináz nem befolyásolja a gomba kórokozókkal szembeni ellenállóságot, ugyanakkor fontos a sejtek megnyúlásának és így a növények méretének szabályozásához, a gyökér és hajtás merisztémák funkciójához, és a gibberellin hormon szintjének fenntartásához. Emellett kimutattuk, hogy a ROP GTPázokat több kalcium-függő növényi kináz is képes in vitro foszforilálni.
kutatási eredmények (angolul)
In this project, we characterized a novel plant signal transduction step. We determined those amino acid motifs which are required for the ROP G-protein-mediated activation of RLCK VI_A group kinases. We showed, that the transient expression of the RLCK VI_A3 kinases, similarly to that of the active ROP GTPase, affects pollen tube growth and polarity. The same kinase, and its barley homologue, was shown to be required for resistance against powdery mildew. The mutation of RLCK VI_A3 resulted in smaller plants and more branched trichomes. The RLCK VI_A2 kinase was subjected to a more detailed characterization: this kinase was shown not to affect powdery mildew resistance but was required to cell elongation and thus influenced cell and plant size. Mutation of the gene of this kinase resulted in the malfunctioning of meristems (root and shoot as well). Moreover, the gibberellin hormone was shown to complement the kinase mutation implicating the kinase in the synthesis/sensitivity of this plant hormone. Beside all of these, we demonstrated that ROP G-proteins can be in vitro phosphorylated by calcium-dependent kinases.
Fehér Attila: RHO GTPáz-aktivált kinázok növényekben, „ÉRTÉKTEREMTÉS ÉS ÉRTÉKKÖZVETÍTÉS” ünnepélyes tudományos ülés a Bolyai ösztöndíj elindításának 15 éves évfordulójára, 2013. november 11., Szeged, Magyarország, 2013
Fehér Attila: Kicsi a ROP, de erős! A növényi kis molekulatömegű ROP GTPázok mint jelátviteli kapcsolók, Fehér Attila (szerk.) A növények molekuláris biológiájától a zöld biotechnológiáig : Dudits Dénes akadémikus 70. születésnapjára. 281 p. Budapest: Akadémiai Kiadó, 2014
Attila Fehér, Dézi Bianka Lajkó: Signals Fly when Kinases Meet RHO-OF-PLANTS (ROP) Small G-proteins, Plant Science (submitted), 2015
Fehér Attila: Kicsi a ROP, de erős! A növényi kis molekulatömegű ROP GTPázok mint jelátviteli kapcsolók, Fehér Attila (szerk.) A növények molekuláris biológiájától a zöld biotechnológiáig. 281 p. Budapest: Akadémiai Kiadó, 2014
