A mitokondriális ROS-termelő és elimináló rendszerek szerepe bakteriális elicitor által kiváltott növényi stresszválaszban  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
105416
típus K
Vezető kutató Szarka András
magyar cím A mitokondriális ROS-termelő és elimináló rendszerek szerepe bakteriális elicitor által kiváltott növényi stresszválaszban
Angol cím The role of mitochondrial ROS generation and elimination systems in bacterial elicitor induced plant stress response
magyar kulcsszavak harpin, oxidatív kitörés, hiperszenzitív válasz, növényi mitokondrium, antioxidáns
angol kulcsszavak harpin, oxidative burst, HR, plant mitochondria, antioxidants
megadott besorolás
Növényvédelem (Komplex Környezettudományi Kollégium)100 %
Ortelius tudományág: Növényvédelem
zsűri Komplex agrártudomány
Kutatóhely Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem)
résztvevők Balogh Tibor
Deák Veronika
Tomasskovics Bálint
Wunderlich Lívius
projekt kezdete 2013-01-01
projekt vége 2017-08-31
aktuális összeg (MFt) 17.992
FTE (kutatóév egyenérték) 6.98
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Vitán felüláll, hogy a hiperszenzitív válasz (HR) során kialakuló programozott sejthalál (PCD) folyamatát megelőzi egy oxidatív kitörés, amely javarészt a reaktív oxigénvegyületek (ROS) képződésében szerepet játszó enzimek aktiválódásának tudható be. A ROS-et a HR egyik karmestereként tartják számon. Ezt a szabályozó szerepet tovább erősítették azok a megfigyelések, melyek szerint az antioxidánsok, illetve enzimes ROS fogó folyamatok képesek voltak a HR kialakulását késleltetni. A közelmúlt megfigyelései szerint a mitokondrium és az ún. mitokondriális oxidatív kitörés valószínűleg a HR-PCD egyik fontos szereplője lehet. Ugyanakkor rendkívül kevés információ áll rendelkezésünkre HR-ben (az AOX-ot kivéve) a mitokondriális ROS generáló/elimináló folyamatokról, illetve szabályozásukról. Így pályázatunkban célul tűzzük ki a növényi mitokondrium ROS generáló/elimináló komponensek, mint a szétkapcsoló fehérjék, az alternatív NAD(P)H dehidrogenázok, az aszkorbát szintézis és regeneráció, valamint szabályozásuk vizsgálatát harpin kiváltotta HR-ben (oxidatív kitörésben). A folyamatok mindegyikét vizsgálták már különböző stresszhelyzetben, azonban bakteriális elicitor kiváltotta oxidatív kitörésben és HR-PCD-ben ez idáig szerepük még nem képezte vizsgálat tárgyát. Különös figyelmet fogunk szentelni a folyamatok időbeliségére a HR-PCD lefutása során. A projekt során nyert adatok segítségével modellt szeretnénk alkotni az elicitor kiváltotta mitokondriális oxidatív kitörés és a HR-PCD szabályozásáról. A modellező megközelítés segítségével azonosíthatjuk a mitokondriális oxidatív kitörés és a HR-PCD kulcsszereplőit, szabályozási köreit és az egyes folyamatok ok-okozati összefüggéseit.

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 növényi mitokondrium az intracelluláris ROS egyik korai forrása lehet HR-ben az ún mitokndriális oxidatív kitörés (mtOB) miatt. A mitokondriális ROS szint két különböző módon kontrollált:
1. A mitokondriális elektron transzfer lánc (ETC) túlredukáltságának kiváltásával, vagy ennek megelőzésével. Minél redukáltabb az ETC, annál több ROS képződik, mivel ebben az esetben az O2 reakcióba lép a redukált ETC komponensekkel. A növényi mitokondrium biztonsági elektron szelepekkel rendelkezik, energia disszipáló rendszerek képében. Két energia disszipáló rendszere ismeretes: egy proton elektrokémiai potenciál disszipáló rendszer, amelyet a szétkapcsoló fehérjék (UCP) reprezentálnak, illetve a redox potenciál disszipáló rendszer, amelyet az alternatív oxidázok (AOX) és az alternatív NAD(P)H dehidrogenázok (ND) reprezentálnak. Közülük messze az AOX a legismertebb. Az UCP és az ND szerepe bakteriális elicitor kiváltotta mtOB-ben és HR-PCD-ben azonban teljesen ismeretlen.
2. ROS eliminálással. A HR szintén befolyásolható olyan antioxidánsok, mint az aszkorbát szintjének illetve redox státuszának alakulásával. Annak ellenére, hogy az aszkorbát fontos szerepet játszhat a növényi HR-PCD folyamatában semmit sem tudunk a folyamat során az aszkorbát szintéziséről, illetve regenerációjáról.
Így pályázatunkban célul tűzzük ki a növényi mitokondrium ROS generáló/elimináló komponensek, mint az UCP és a ND, az aszkorbát szintézis és regeneráció, valamint szabályozásuk vizsgálatát harpin kiváltotta HR-ben. Megfigyeljük a folyamatok időbeliségét a HR-PCD lefutása során. Így azonosíthatjuk a mtOB és a HR-PCD kulcsszereplőit, szabályozási köreit és az egyes folyamatok ok-okozati összefüggéseit.

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 projekt célja a növényi mitokondrium egyedi energia-disszipáló funkcióval rendelkező elemeinek (UCP, ND) illetve az aszkorbát bioszintézis és regeneráció mitokondriumhoz kapcsolódó lépéseinek jellemzése bakteriális elicitor kiváltotta oxidatív kitörés és hiperszenzitív válasz-programozott sejthalál esetén (HR-PCD). A fent említett mitokondriális elemek, folyamatok, kulcsszerepet játszanak a mtROS szintjének szabályozásában, így nem meglepő, hogy számos stresszhelyzetben részletekbe menően ismertek, azonban ez nincs így HR-PCD esetén. Vizsgálatuk során kapott eredmények alapján megismerhetjük: 1. Milyen szerepet töltenek be a mtROS szint szabályozásában, 2. Az egyes elemek időbeli változása megvilágíthatja a pontos sorrendiséget, melyik folyamat melyik folyamatnak előzménye, megvilágíthatja az ok-okozati összefüggéseket. 3. Pontosabb képet kaphatunk a mitokondrium és a mtROS irányító szerepéről HR-PCD-ben. 4. Ez lehetőséget adhat a növényi bakteriális fertőzések aktív befolyásolására, amely jelenleg a mezőgazdaság egyik hangsúlyos problémája. A pályázat harpin kiváltotta HR-PCD vonala hidat ver a tisztán alapkutatás és az olyan alapkutatás közé, amely szorosabban kapcsolódik az alkalmazott agrártudományokhoz. A harpin fehérjék funkciója mind a mai napig rejtélyes: Az intrinszik virulenciával összefüggő funkción kívül kimutatták, hogy felismeri őket a növény veleszületett immunrendszere is. Harpinek alkalmazásával számos növényben lehet betegség- és rovarrezisztenciát kiváltani, elősegíteni a növények növekedését, illetve különböző jelpályák aktiválásával fokozni a terméshozamot és minőséget. Napjainkban komoly igény merült fel olyan növény védőszerek iránt, melyek hatékonyak és jóval kisebb negatív hatást gyakorolnak a környezetre, mint a régi kémiai peszticidek. Az olyan elicitorok, mint a harpinek az új generációs növény védőszerek egy igen érdekes osztályába sorolhatók. A különböző harpinek különböző növényekre kifejtett komplex funkciójának megértése hozzájárulhat ezen „kemikáliák” biztonságos és szabályozott „biopeszticidként” történő alkalmazásához.

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.

A növények rendelkeznek azzal a képességgel, hogy felismerik a kórokozó mikroorganizmusokat, mint például a baktériumok és a védekezés érdekében a növényi sejtek működése egy sor biológiai folyamatban megváltozik. Ennek a komplex reakciósornak a végeredménye lehet a patogén szervezet fertőzésének kivédése. Egy ilyen folyamat során a növényi sejtek egy része a fertőzés környezetében ugyan elpusztul (ez a védekezési reakció része), ugyanakkor a teljes növény nem esik áldozatul a fertőzésnek, sőt a védekezési reakció során a teljes növény ellenállósága megnő további kórokozók támadásával szemben. Projektünkben ennek a növényi immunválasznak a részleteit kívánjuk részletesebben megismerni. Néhány évtizede ismeretes, hogy a fentebb bemutatott védekezési választ nemcsak a kórokozó szervezet, hanem a belőle származó bizonyos fehérje molekulák is képesek kiváltani. Azt is felismerték a kutatók, hogy ha ezekkel a fehérjékkel kezelik a növényeket, akkor – az ellenállóság növekedésén kívül – számos előnyös hatás érhető el, mint például a növény intenzívebb növekedése, nagyobb terméshozama. Ezek a felismerések egy új, komoly gazdasági előnyökkel és csökkent környezetterheléssel járó lehetőséget vetettek fel a patogének elleni védekezés területén, nevezetesen a fent említett fehérjék biopeszticidként (mint permet) való alkalmazását. A kontrollált és biztonságos alkalmazás viszont igényli a növény válaszreakcióinak pontos felderítését. Kutatásainkban a növényi sejtek energiatermelő komponensének, a mitokondriumnak a szerepét próbáljuk közelebbről megismerni a védekezési reakció során.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

It is widely accepted that the programmed cell death (PCD) occurring during the hypersensitive response (HR) is preceded by an oxidative burst that is mainly attributable to the activation of several enzymatic systems involved in ROS generation. ROS have long been recognized to orchestrate the HR. This regulatory role was further straightened by the observations that ROS detoxification by antioxidants and enzymatic scavengers were effective to delay the HR. Recent results suggest that mitochondrion and the so-called mitochondrial oxidative burst is likely an important player of HR-PCD. On the other hand, very little information is yet available (except the AOX) on the role of mitochondrial ROS generation/elimination and their regulation in plant HR. Hence we aim at the investigation of plant mitochondria specific ROS eliminating/generating components such as uncoupling proteins, alternative NAD(P)H dehydrogenases, ascorbate generation and regeneration together with their regulation in harpin induced HR (oxidative burst). All of them were involved in plant stress responses, however their role in bacterial elicitor induced oxidative burst and HR-PCD has not been investigated up to date. Special attention will be paid to the timing/time order of these processes in the time course of HR-PCD. The data collected in this project will thus be integrated into a model for the regultation of mitochondrial oxidative burst and HR-PCD in elicitor induced stress. Through this modelling approach, we will be able to identify key components, feedback loops and to predict cause and effect interactions between individual occurences of the mitochondrial oxidative burst and plant HR-PCD.

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.

ROS have long been recognized to orchestrate the HR. Plant mitochondria may be an important early source of intracellular ROS, because of the so-called mitochondrial oxidative burst. Mitochondrial ROS level is controlled by two different ways:
1. To cause or prevent over-reduction of the ETC of plant mitochondria. A more reduced ETC gives more ROS, since O2 interacts with reduced ETC components. Plant mitochondria contain safety electron valves in the form of energy dissipating systems. Two energy dissipating systems are known: a proton electrochemical potential-dissipating system represented by uncoupling proteins (UCPs) and a redox potential-dissipating system represented by alternative oxidases (AOX) and alternative NAD(P)H dehydrogenases (NDs). AOX is far away the best characterized. However the role of the other mentioned components (NDs, UCPs) is unknown in elicitor induced oxidative burst and HR-PCD up to date.

2. ROS scavenging. HR can also be modified by the levels or redox status of antioxidant pools, for instance of ascorbate. On the contrary to the possible important role of ascorbate in the development in plant HR-PCD nothing is known about the synthesis and regeneration of ascorbate.

Hence we aim at the investigation of plant mitochondria specific ROS eliminating processes such as UCPs, NDs, ascorbate generation and regeneration together with their regulation in harpin induced HR (oxidative burst). Special attention will be paid to the time order of these processes in the time course of HR-PCD. The collected data enable us to identify key components, feedback loops and cause and effect interactions in mitochondrial oxidative burst and plant HR-PCD.

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 project aims at the characterization of unique energy dissipating elements of plant mitochondria (UCPs, NDs) and the mitochondria associated steps of ascorbate biosynthesis and regeneration in bacterial elicitor induced oxidative burst and plant HR-PCD. These elements and processes are key components of the mitochondrial ROS (mtROS) regulatory machinery. Hence it is not surprising that they are well characterized in several stresses. However this is not the case in plant HR-PCD. On the baser of the results of the present project we are get to know: 1. Their role in the regulation of mtROS in elicitor treatment. 2. The time course of the individual elements can make clear the time order of the occurrences hereby the case and effect relationships. 3. A more detailed view can be formed about the regulatory role of mitochondria and mtROS in plant HR-PCD. 4. This way a tool can be given to influence the bacterial infections in plants, which is a real challenge of the present agriculture.
The harpin induced HR-PCD line of the project presents a bridge between the pure fundamental research and the fundamental research which connects more tightly to the applied side of agricultural science. The functions of harpin proteins remain enigmatic: in addition to their established intrinsic function as virulence factors, they have been shown to be recognized by the plant innate immune system. The application of harpins in many plants induce disease and insect resistance, promote plant growth, and enhance yield and quality by activating distinct signalling pathways. In these days, there is a need for pesticides that are effective but have less negative environmental impact than the old pesticide chemistries. Plant host inducers (elicitors) such as harpins belong to one of the most intriguing classes of the new generation of pesticides. The better understanding of the complex functions of different harpins on different plant species could contribute to safe and controlled application of these chemicals as „biopesticids”.

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.

When plants encounter with pathogenic microorganisms such as bacteria a complex defense mechanism is induced. The local response includes a form of programmed cell death at the site of infection, which may contain the invading pathogen. This response is also associated with the development of systemic acquired resistance, which causes increased resistance in a later pathogen attack. It has been shown recently that this response can also be triggered by certain protein molecules (elicitors) derived from the pathogen bacteria. The application of such proteins in many plants promote - besides of increased resistance - plant growth and enhance yield and quality of the crop. Nowadays, huge efforts are made to develop effective pesticides with less negative environmental impact than the old pesticide chemistries. These plant host inducer proteins belong to one of the most intriguing classes of the new generation of pesticides, which are not only environmental friendly but also have economical advantages. The better understanding of the complex functions of different elicitor proteins on different plant species could contribute to safe and controlled application of these chemicals as „biopesticids”. The aim of our project is to investigate the role of mitochondria, the energy producing part of plant cells, in the elicitor induced immune response.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
Pályázatunk két kis molsúlyú antioxidáns, az aszkorbát és a glutation köré épül. Meghatározásuk érdekében különböző módszereket hasonlítottunk össze, majd fejlesztettünk tovább. Az elicitor fehérjék, aszkorbát anyagcserére kifejtett hatásának tanulmányozása előtt, mennyiségi adatokat gyűjtöttünk a GSH és a komplex II függő folyamatok, aszkorbát recikláláshoz való hozzájárulásáról növényi mitokondriumokban. Eredményeink alapján erlmondhatjuk, hogy a komplex II jelentőségét a mitokondriális aszkorbát reciklálás folyamatában ezidáig jelentősen alulbecsülték. A bakteriális elicitor kezelés hatását vizsgálva a növényi szuszpenziós sejtek és zöld szövetek aszkorbát anyagcseréjére megállapítottuk, hogy a vtc5 részt vehet a növény-patogén interakció során a redox egyensúly finomra hangolásában. Megvizsgáltuk hogyan változik a mitokondriális ROS képződés két fontos szabályozó fehérjéjének az AOX-nak és az UCP-nek az aktivitása bakteriális elicitor kezelés hatására. Mindkét fehérje aktivitása jelentős mértékű emelkedést mutatott 6-24 órával a kezelés követően. A mitokondriális C-vitamin transzport esetében kapott kísérleti eredményeket in silico eszközök segítségével újravizsgáltuk, leellenőriztük. Csoportunk elsőként számolt be róla, hogyaz APAP kiváltiotta GSH depléció ferroptózishoz vezet. Kimutattuk, hogy az ALR fehérje szintjét a mitokondriális DNS mennyisége befolyásolja.
kutatási eredmények (angolul)
Two small molecular weight antioxidants could be recognized in the heart of our project: the ascorbate and the glutathione. Thus methods were developed for the determination of ascorbate and glutathione from biological samples. Before the investigation of the effect of elicitor treatment on mitochondrial ascorbate metabolism quantitative data was gained on the contribution of GSH and Complex II dependent ascorbate recycling in plant mitochondria. On the base of our results the importance of Complex II compared to GSH-dependent mechanisms in mitochondrial ascorbate recycling has been underestimated so far. The effect of bacterial elicitor treatment on ascorbate metabolism in plant suspension cells and green tissues was investigated and a new role, the fine tuning of redox balance during plant-pathogen interaction was proposed for to vtc5. As most important regulators of mitochondrial ROS production the activity of AOX and UCP was investigated due to bacterial elicitor treatment. The activity of both proteins was enhanced by the elicitor 6-24 h posttreatment. The formation of sorbitol in plant mitochondria was determined in control and abiotic stressed plants. The experimental results on mitochondrial ascorbate transport was reinvestigated and checked by in silico tools. It was first described by our group that APAP induced GSH depletion leads to ferroptosis. We showed that the level of ALR is regulated by the quantity of mitochondrial DNA.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=105416
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
András Szarka: Quantitative data on the contribution of GSH and Complex II dependent ascorbate recycling in plant mitochondria, Acta Physiol Plant (2013) 35:3245–3250, 2013
András Szarka, Tamás Lőrincz: The role of ascorbate in protein folding, Protoplasma DOI 10.1007/s00709-013-0560-5, 2014
Bálint Tomasskovics, Viola Horváth, József Balla, Ferenc Örsi, András Szarka: Determination of sorbitol in the presence of high amount of mannitol from biological samples, periodica polytechnica Chemical Engineering 58/1(2014)1-6, 2014
Szarka A, Bánhegyi G, Asard H.: The inter-relationship of ascorbate transport, metabolism and mitochondrial, plastidic respiration., Antioxid Redox Signal. 2013 Sep 20;19(9):1036-44., 2013
András Szarka, Tibor Balogh: In silico aided thoughts on mitochondrial vitamin C transport, J THEOR BIOL 365: 181-189, 2015
Balogh T, Szarka A: A COMPARATIVE STUDY: METHODS FOR THE DETERMINATION OF ASCORBIC ACID IN SMALL AND MIDDLE SIZED FOOD ANALYTIC LABORATORIES, ACTA ALIMENT HUNG x: (x) 1-16, 2015
Banhegyi G, Benedetti A, Margittai E, Marcolongo P, Fulceri R, Nemeth CE, Szarka A: Subcellular compartmentation of ascorbate and its variation in disease states., BBA-MOL CELL RES 1843: (9) 1909-1916, 2014
Szarka A: A béta-amiloid és a mitokondriális diszfunkció szerepe az Alzheimer-kór pathogenesisében, IDEGGYOGYASZATI SZEMLE-CLINICAL NEUROSCIENCE 68:(7-8) pp. 222-228., 2015
Lorincz T , Jemnitz K , Kardon T , Mandl J , Szarka A: Ferroptosis is Involved in Acetaminophen Induced Cell Death., PATHOLOGY AND ONCOLOGY RESEARCH 21:(4) pp. 1115-1121., 2015
Balogh T , Lorincz T , Stiller I , Mandl J , Banhegyi G , Szarka A: The Level of ALR is Regulated by the Quantity of Mitochondrial DNA., PATHOLOGY AND ONCOLOGY RESEARCH x: pp. 1-7., 2015
Lorincz T , Jemnitz K , Kardon T , Mandl J , Szarka A: Ferroptosis is Involved in Acetaminophen Induced Cell Death., PATHOLOGY AND ONCOLOGY RESEARCH 21:(4) pp. 1115-1121., 2015
Balogh T , Lorincz T , Stiller I , Mandl J , Banhegyi G , Szarka A: The Level of ALR is Regulated by the Quantity of Mitochondrial DNA., PATHOLOGY AND ONCOLOGY RESEARCH 22: 431., 2016
Ádám Czobor, Péter Hajdinák, András Szarka: Rapid ascorbate response to bacterial elicitor treatment in Arabidopsis thaliana cells, Acta Physiol Plant (2017) 39: 62., 2017
András Szarka: Quantitative data on the contribution of GSH and Complex II dependent ascorbate recycling in plant mitochondria, Acta Physiol Plant (2013) 35:3245–3250, 2013
Bálint Tomasskovics, Viola Horváth, József Balla, Ferenc Örsi, András Szarka: Determination of sorbitol in the presence of high amount of mannitol from biological samples, periodica polytechnica Chemical Engineering 58/1(2014)1-6, 2014
Szarka A, Bánhegyi G, Asard H.: The inter-relationship of ascorbate transport, metabolism and mitochondrial, plastidic respiration., Antioxid Redox Signal. 2013 Sep 20;19(9):1036-44., 2013
Lőrincz T, Szarka A: The determination of hepatic glutathione at tissue and subcellular level., J Pharmacol Toxicol Methods. 2017 May 24;88(Pt 1):32-39. doi: 10.1016/j.vascn.2017.05.004., 2017
SzZ. Tóth, T Lőrincz, A Szarka: Concentration does matter: The beneficial and potentially harmful effects of ascorbate in humans and plants, Antioxid Redox Signal. doi/10.1089/ars.2017.7125, 2017





 

Projekt eseményei

 
2015-04-13 10:49:33
Résztvevők változása




vissza »