A fenilpropanoid útvonal, valamint a sejtfal-erősítés szerepének vizsgálata a növényi alaprezisztencia baktériumgátló hatásában  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
109050
típus PD
Vezető kutató Szatmári Ágnes
magyar cím A fenilpropanoid útvonal, valamint a sejtfal-erősítés szerepének vizsgálata a növényi alaprezisztencia baktériumgátló hatásában
Angol cím Investigation of the role of the phenylpropanoid pathway and cell wall fortification in the inhibitory effect of plant basal resistance on bacteria
magyar kulcsszavak általános rezisztencia, fenilpropanoid, antimikrobiális, fenolsav, Pseudomonas
angol kulcsszavak basal resistance, phenylpropanoid, antimicrobial, phenolic acid, Pseudomonas
megadott besorolás
Növénykórtan, molekuláris növénykórtan (Komplex Környezettudományi Kollégium)100 %
zsűri Komplex agrártudomány
Kutatóhely Növényvédelmi Intézet (Agrártudományi Kutatóközpont)
projekt kezdete 2015-09-01
projekt vége 2019-02-28
aktuális összeg (MFt) 27.426
FTE (kutatóév egyenérték) 3.50
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A gén-a-génnel szembeni rezisztencia és a nemgazda rezisztencia mellett a nönényi általános rezisztencia (basal resistance, BR) is jelentős szerepet játszik a növények kórokozók elleni védekezésében. A legtöbb esetben a BR tünetmentes, de a molekuláris szintű változásokból következtethetünk a lezajló folyamatokra. A BR-t kiváltó konzervatív baktérium-struktúrák a MAMP molekulák (microbe associated molecular patterns), például a flagellin, lipopoliszacharid. A MAMP-okat érzékelő receptoroktól a sejtenbelüli jelátviteli folyamatokon keresztül, az aktiválódó transzkripciós faktorokig a BR folyamata napjainkra már jól ismert. Egy fontos terület azonban még feltárásra vár, ugyanis nem tudjuk, pontosan mely növényi mechanizmusok képesek a BR-ben baktériumszaporodás gátlására úgy, hogy a növény közben tünetmentes marad.
Feltevésünk szerint a fenilpropanoid útvonal termékei, valamint a papilla-képződés együttes segítségével képes a növényi BR a baktériumok gátlására. Feltevésünk alapja, hogy a korábbi vizsgálatainkban azonosított 176 BR-aktivált gén közül 9 a fenilpropanoid útvonal génjeit kódolta, további 11 sejtfal-gén volt. A növényi sejtfalerősítés és papillaképződés fizikai gátat képezhet a baktérium számára. Továbbá a fenilpropanoid útvonal egyes termékei (fenolos vegyületek) antimikróbiális hatással is rendelkezhetnek, míg mások hírvivő szerepet játszhatnak a növény-baktérium kommunikációban. A papillák és fenilpropanoidok szerepe elméleti szinten többször felmerült a szakirodalomban, de gyakorlati bizonyítása hiányzik. Szükség lenne enzimszintű, és (fenolos) molekula-szintű adatoktra, valamint az enzimek túltermeléséből, illetve géncsendesítéséből nyerhető információra.

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.

Az általános rezisztencia fontos alapeleme lehet a sejtfalerősítés, a papillaképződés és egyes fenilpropanoid molekulák, amire egyelőre indirekt, leginkább transzkripcióváltozást leíró adatok utalnak. A fenilpropanoid molekuláknak antimikróbiális hatása is lehet, valamint a növények és mikróbák közötti párbeszédben is szerepet játszhatnak. Azonban fentieknek az általános rezisztenciában betöltött valódi szerepét még nem bizonyították.
Először in-planta szeretnénk vizsgálni, hogy a korábbi kísérleteink alatt azonosított fenilpropanoid enzimeknek valóban szerepe van-e a baktériumgátlásban. Néhány enzim farmakológiai gátlásának a BR-re gyakorolt hatását néznénk meg. Következő kísérleteinkben átmenetileg túltermeltetjük, illetve csendesítjük a kiválasztott géneket. E célra a laborunkban már használatban lévő agrobaktérium- és vírus-vektorokat használjuk fel. A fenilpropanoid útvonalat szabályozó MYB transzkripciós faktorokat is tervezzük csendesíteni, illetve túltermelni. A fenilpropanoid metabolitok azonosítását és mennyiségi vizsgálatát HPLC-vel végeznénk, amiből a növényben zajló fenilpropanoid reakciók valódi menetét is megismerhetnénk. Valamint megtudnánk, hogy a BR menetében a sejtfalerősítés és lignifikáció, vagy az antimikróbiális anyagok termelődése a fontosabb, hiszen mindkettő a fenilpropanoid útvonalon keletkezik. Meg fogjuk vizsgálni azon fenilpropanoid molekulák antibakteriális hatását, amelyek szerepére korábbi vizsgálatainkból következtettünk, illetve amelyeket a pályázat folyamán szeretnénk azonosítani. Memérjük az adott molekulák hatását a Pseudomonasok virulenciagénjeinek átíródására.

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 MAMP-ok kiváltotta általános rezisztencia vizsgálata eddig leginkább az elicitorok és a sejtenbelüli jelátvitel megismerésére szorítkozott. Ezen pályázat várható eredményeiből fény derülhet az általános rezisztencia baktériumgátló, és növény-baktérium kommunikációt befolyásoló mechanizmusaira. Reményeink szerint azonosíthatjuk az általános rezisztencia antibakteriális hatásáért felelős folyamatokat és molekulákat. Megpróbálkozunk olyan molekulák azonosításával is, amelyeknek hírvivő szerepük lehet a növény-baktérium kölcsönhatásban. Ezek vonzó, vagy riasztó hatással bírhatnak, valamint befolyásolhatják a virulenciagének átíródását. Pályázatunk teljes mértékben alapkutatás jellegű, azonban eredményei később alkalmazott kutatásban is felhasználhatóak lesznek.
Növényvédelem – egyre növekszik az érdeklődés a vegyszermentes gazdálodás iránt. Előtérbe kerül a rezisztens fajták termesztése, valamint a természetes anyagokon alapuló növényvédelem. Eredményeink hasznosíthatóak lennének magasabb általános rezisztenciaszinttel rendelkező növények kifejlesztéséhez, vagy az azonosított anyagok direkt kijuttatása is szóbajöhet növényvédelmi célból. Élelmiszeripar – az élelmiszeripar érdeklődése is megnőtt a természetes antimikróbiális anyagok iránt, a mesterséges tartósítószerek természetesekre való cseréjére törekszenek.
Orvostudomány – az orvostudomány versenyt fut az idővel új antibiotikumok fejlesztéséért, ahogy egyre növekszik a baktériumok rezisztenciája a meglévőkkel szemben. Néhányat napjaink nehezen kezelhető baktériumos megbetegedései közül növények és emberek közös kórokozói okoznak, egyes Pseudomonas és Burkholderia fajok.

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 baktériumok millióival találkoznak nap mint nap. Ezek lehetnek kórokozók is, de gyakrabban csak semleges baktériumok, melyek a környezetben élnek. Az ilyen általánosan veszélytelen baktériumok emberek esetében mégis képesek súlyos betegségeket okozni, amennyiben az immunrendszer alulműködik. Nemrégiben felfedezték, hogy a növények is rendelkeznek olyan védekező rendszerrel, amely az általánosan előforduló baktériumoktól védi őket, az úgynevezett általános rezisztencia, angol rövidítése alapján BR.
Saját, és más kutatók munkáiból tudjuk, hogy a BR akkor aktiválódik, ha a növénysejt érzékel bizonyos molekulákat, melyek minden baktériumsejten megtalálhatóak. Ilyen például a flagellin, az ostort felépítő fehérje. Érzékelésekor megváltozik néhány gén és molekula aktivitása a növénysejtben, ami végül elvezet a baktériumsejt gátlásáig. Az érzékeléstől a génaktivitásváltozásig vezető folyamatok mára már ismertek, de hogy pontosan milyen módon éri el a növény a baktériumgátlást, arra egyelőre csak sejtéseink vannak.
Korábbi vizsgálataink alapján azt feltételezzük, hogy az úgynevezett fenilpropanoid útvonal enzimei által termelt fenoloid molekulák alapvető jelentőséggel bírhatnak a BR-ben. Valószínűsíthető antibakteriális hatásuk mellett hírvivő molekulaként is hathatnak, rábírva a baktériumot viselkedése megváltoztatására, ez lehet pl. „baktériumriasztó” hatás. A pályázatban foglaltak szerint szeretnénk bizonyítani a feilpropanoid enzimek és molekulák szerepét a BR-ben, valamint azonosítani azokat az enzimeket és molekulákat, amelyek a hatásért felelősek. Eredményeinket hosszabb távon többek között ellenállóbb növényfajták kifejlesztéséhez lehetne hasznosítani.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Besides gene-for-gene resistance and nonhost resistance, plant basal resistance (BR) helps plants to actively defend themselves. In most cases BR is symptomless, however molecular changes reveal the activity going on within the plant cell. BR is elicited by so called MAMPs (microbe-associated molecular patterns), conserved molecules of bacteria, such as flagellin, lipopolysaccharide, etc. Transcriptomic changes and signaling events from the perception of MAMPS by receptors to transcription factors have been well described. Yet, the exact mechanisms by which the plant achieves symptomless arrest of bacterial growth are unknown.
Our hypothesis is that the phenylpropanoid pathway and papilla formation might play an important role in the inhibitory effects of BR on bacteria. This originated from results of our previous studies where we identified 176 BR-related tobacco genes, of which 9 were mostly consecutive members of the phenylpropanoid pathway (PPP), and 11 were cell-wall related. Plant cell wall fortification and the formed papillae are thought to constitute a barrier between the plant cell wall and the bacterium. Some phenolic compounds produced in the PPP might have antimicrobial effects, others are characterised as signal molecules in plant-microbe communication. Importance of papillae and PPP in BR has occurred several times in literature as a hypothesis, but protein-level, and (phenolic) molecule-level proofs are lacking so far, as well as evaluation of any overexpression or silencing experiments of PPP and cell-wall genes from the point of view of BR efficiency. Also information on any role in plant-microbe communication is absent.

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.

Certain phenylpropanoid molecules, cell wall fortification, and papilla formation are proposed means of action of basal resistance, as implied by indirect, mostly transcriptional evidence. In addition, the phenolic compounds might act as antimicrobial agents, or might take a role in plant-microbe communication. However the role of this complicated system of enzymes and molecules has not been evaluated in the case of BR directly.
We would first like to test in planta, if the PPP routes identified during our previous experiments are factors of bacterial arrest. Specific pharmacological inhibition of several PPP enzymes will provide first line of information. Another approach will be transient overexpression and silencing of selected genes, using agrobacterial or viral vectors already in use in our laboratory. An alternative method to assess the role of the PPP will be silencing and overexpression of MYB transcription factors that control the pathway. Cell wall strengthening is characterised by lignification, which will be monitored by microscopy. PPP metabolites will be identified and quantified, which could show direct PPP-metabolic procedures of BR. More importantly, it could partly answer the question, is cell-wall fortification and lignification more important to BR, or PPP is activated because of the need of antimicrobial molecules. In our project we will test the antimicrobial activities of those compounds implied in our BR system previously, and those to be identified during the project. We will investigate, if any of the identified molecules have an effect on the transcription of bacterial virulence-related genes.

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.

Basic research carried out on MAMP-induced basal resistance has so far focussed on elicitors and intracellular signaling. The probable results of this project on plant-microbe communication and antimicrobial effects of BR would supply lacking information about the fundamental mechanisms of BR. We expect to identify antibacterial effectors of plant BR, and hope to find several concrete molecules that are responsible for these effects. We will also try to find molecules that act as signals in the plant-microbe interaction. These could attract or repel bacteria, as well as promote or repress activity of virulence genes. The results of the basic research planned in this project would be of interest in applied sciences later in the future. Possible areas of use include:
Plant protection - there is increasing interest for chemical-free agriculture, using disease resistant crops and plant protection based on natural compounds. Applications could include either crops with increased basal resistance or direct application of identified molecules. Signal molecules could be used to repel bacteria, or to suppress activity of their virulence genes and thereby the severity of the disease.
Food Industry - Natural antimicrobials are being explored and are preferred by the public to replace conventional synthetic preservatives.
Medicine - Our results might even be interesting for the medical scientific community, as there is quest for new antibacterial agents because of emerging resistance to antibiotics. Moreover, a few of the most problematic, antibiotic-resistant human pathogens nowadays are common pathogens of plants and bacteria: Pseudomonas and Burkholderia species.

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.

Plants, like animals face millions of bacteria day-by-day. These can be pathogenic, but more often they are just neutral bacteria from the environment. In the case of immune-suppressed people even these mostly harmless bacteria could cause a deadly infection. In the case of healthy individuals the immune system is constantly working to prevent this. Recently it has been found that plants have a system as well to defend themselves from most bacteria, the so called plant basal resistance or BR. Scientists from our laboratory were among the first ones to discover BR.
From our and other scientists’ work we know that plant BR is induced when the plant senses certain bacterial molecules that are similar on most bacteria, for example a certain protein from their organ of motion, the flagellum. This will change activity of several molecules in the plant cell, and activity of some genes, which leads to inhibition of the bacterium. The processes from sensing to changes in gene activity are well described to date, but the mechanism of inhibition of bacteria is unclear.
Based on our former studies we hypothetize that some of our candidates, the phenylpropanoid enzymes catalize reactions leading to molecules that might have crucial roles in BR. They might have antibacterial effects as well as signaling effects from the plant, causing the bacteria to change their behaviour, eg. move away from the plant. In the present project we would like to identify the enzymes and their products that have the above mentioned effects and test their antibacterial and signaling abilities. Our findings in the long term might help crop breeders to develop healthier, more disease-resistant plants.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A növények alaprezisztenciája (PTI) elsővonalbeli védekezésként szolgál a behatoló mikroorganizmusok ellen. Korábbi vizsgálataink a fenilpropanoid (PP) bioszintézis útvonal génjeinek PTI-hez köthető aktivációját mutatták. A fenti, valamint MYB transzkripciós faktor-gének Nicotiana benthamiana növényben végzett vírus indukált csendesítésével (VIGS), átmeneti túltermelésével, valamint az enzimek farmakológiai gátlásával igyekeztünk meghatározni hatásukat a PTI-ra. Hiperszenzitív reakció gátlási teszt alkalmazásával a PTI gyengülését tapasztaltunk a fahéjsav-4-hidroxiláz (C4H) a fenilalanin-ammónia-liáz (PAL) és a ferulasav-5-hidroxiláz (F5H) mellett az NtMYBGR1 és az NtMYB2 csendesítésekor. A C4H és PAL enzimek farmakológiai gátlása is csökkentette a PTI hatékonyságát. A vizsgált gének Arabidopsis homológjainak T-DNS mutánsaiban a kompatibilis Pseudomonas baktériumtörzs szaporodása jelentősen megnövekedett egy C4H, egy p-kumaroil-sikimisav-3′-hidroxiláz (C3H) és egy 4-kumársav:CoA ligáz (4CL) gén esetében. Négy fenilpropanoid és egy MYB gén átmeneti túltermelésének hatását vizsgálva a C4H, OMT1, és F5H gének esetében a kompatibilis P. syringae szaporodása jelentősen visszaesett. Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia (HPLC) és tandem tömegspektrometria (HPLC-MS/MS) segítségével kimutattuk többek között klorogénsav izomerek valamint acetosziringon mennyiségi változását a PTI során. Utóbbi oxidáló közegben jelentős mértékben gátolta különféle patogén baktériumok szaporodását.
kutatási eredmények (angolul)
Pattern triggered immunity (PTI) of plants is a first line defense reaction effective against potential invading microorganisms in a symptomless way. Previously we have shown that genes of the phenylpropanoid (PP) pathway are activated during PTI. We transiently silenced and overexpressed several PTI-related PP genes and MYB transcription factors. We also carried out pharmacological inhibition of the corresponding enzymes to test if alterations in PTI efficiency occure. Virus induced gene silencing (VIGS), and hypersensitive reaction (HR)-inhibition tests in Nicotiana benthamiana have shown that silencing of cinnamic-acid-4-hydroxylase (C4H), phenylalanine-ammonia-lyase (PAL), ferulate-5-hydroxylase (F5H), MYBGR1 and NtMYB2 caused significant reduction in PTI. Pharmacological inhibition of C4H and PAL yielded similar results. Analysis of Arabidopsis T-DNA mutants of a C4H, a p-coumarate 3-hydroxylase (C3H) and a 4-coumarate-CoA ligase (4CL) gene were compromised in resistance to compatible Pseudomonas syringae bacteria. Proliferation of P. tabaci in N. benthamiana leaves overexpressing C4H, F5H, and O-methyltransferase (OMT) was reduced at 3 dpi. High-performance liquid chromatography with mass spectrometry (HPLC-MS and MS/MS) let us identify PTI-related phenolic compounds, like caffeoylquinic acids and acetosyringone. Latter was shown to have a significant antibacterial potential in an oxidative environment similar to that occurring during oxidative burst in the apoplast.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109050
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Schwarczinger I, Bozsó Z, Szatmári Á, Süle S, Szabó Z, Király L: First Report of Bacterial Spot Caused by Xanthomonas arboricola pv. pruni on Apricot in Hungary, Plant Disease, 2017
Szatmári Á., Móricz M. Á., Alberti Á., És Bozsó Z.: A fenilpropanoid útvonal jelentőségének további vizsgálata a növényi alaprezisztencia hatékonságában, 65. Növényvédelmi Tudományos Napok, Budapest 2019. február 19-20., 2019
Schwarczinger Ildikó, Király Lóránt, Bozsó Zoltán, Szatmári Ágnes, Szabó Zoltán, Süle Sándor: A kajszibarack xantomónászos betegsége Magyarországon, NÖVÉNYVÉDELEM 53:(9) pp. 387-393., 2017
Kámán-Tóth E, Pogány M, Dankó T, Szatmári Á, Bozsó Z: A simplified and efficient Agrobacterium tumefaciens electroporation method., 3 BIOTECH 8: Paper 148. 6 p., 2018
Schwarczinger I, Bozsó Z, Szatmári Á, Süle S: First Report of Bacterial Leaf Spot Caused by the Quarantine Pathogen Xanthomonas arboricola pv. pruni on Peach in Hungary, Plant Disease 102 (8), 1654, 2018
Szatmari A, Moricz M A, Alberti A, Bozso Z: Effects of the Modification of the Phenylpropanoid Pathway on the Inhibition of Bacteria by Pattern Triggered Immunity, VISCEA International Conference, Plant Biotic Stresses & Resistance Mechanisms III., Programme and Abstracts, Vienna, Austria July2-3, 2018
SZATMÁRI Á., MÓRICZ M. Á., ALBERTI Á. és BOZSÓ Z.: A fenilpropanoid útvonal módosításának vizsgálata a növényi alaprezisztencia baktériumgátló hatására, 64. Növényvédelmi Tudományos Napok, Budapest 2018. február 20-21., 2018
Bozsó Z, Ott PG, Kámán-Tóth E, Bognár GF, Pogány M, Szatmári Á: Overlapping yet response-specific transcriptome alterations characterize the nature of tobacco-Pseudomonas syringae interactions, FRONT PLANT SCI 7: , 2016
Bozsó Z, Ott PG, Kámán-Tóth E, Bognár GF, Pogány M, Szatmári Á: Overlapping yet response-specific transcriptome alterations characterize the nature of tobacco-Pseudomonas syringae interactions, FRONT PLANT SCI 7:, 2016




vissza »