Árpa annexinek vizsgálata a növényi abiotikus stressz-válaszban  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
112103
típus PD
Vezető kutató Vashegyi Ildikó
magyar cím Árpa annexinek vizsgálata a növényi abiotikus stressz-válaszban
Angol cím Study on the role of barley annexins in plant abiotic stress response
magyar kulcsszavak árpa, annexin, abiotikus stressz, kalcium
angol kulcsszavak barley, annexin, abiotic stress, calcium
megadott besorolás
Növényi biotechnológia (Komplex Környezettudományi Kollégium)70 %
Növénynemesítés (Komplex Környezettudományi Kollégium)30 %
zsűri Növénytermesztés, állattenyésztés
Kutatóhely Növényi Molekuláris Biológiai Osztály (Agrártudományi Kutatóközpont)
projekt kezdete 2015-02-01
projekt vége 2016-01-31
aktuális összeg (MFt) 3.000
FTE (kutatóév egyenérték) 0.80
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A projectben hidegindukált árpa D4 annexinek vizsgálatát tervezzük, hogy hozzájáruljunk a következő recens tudományos kérdések megválaszolásához: 1. Mik gabonafélékben a hőmérsékletérzékelés molekuláris alapjai? 2. Hogyan szabályozódnak a stressz-aktivált jelátviteli útvonalak? 3. Hogyan tudnak a növények alkalmazkodni a hideghez? Ennek érdekében céljaink a következők: 1. Hidegindukált árpa D4 annexin gének elemzése a génstruktúra vizsgálatával, illetve a szabályozó elemek feltárásával. 2. Szövet- és fejlődési állapot specifikusság, valamint a génkifejeződésben bekövetkező változások vizsgálata abiotikus stresszhatások, ABA kezelés és a sejten belüli kalcium-koncentráció változásának hatására. 3. A fehérje foszfolipidkötő képességének, valamint a folyamat kalciumfüggésének meghatározása. 4. A fehérje sejten belüli elhelyezkedésének, illetve az abban abiotikus stresszhatásra, ABA kezelésre, valamint a sejten belüli kalcium-koncentráció változásának hatására bekövetkező változások vizsgálata. Összefoglalva a project célja a D4 annexinek szerepének és specificitásának kimutatása őszi árpa abiotikus stresszválaszában részletes génstruktúra-elemzésre, a kifejeződési mintázat, valamint a funkció és a sejten belüli elhelyezkedés vizsgálatára alapozva. A munka sikeres elvégzése az egyszikű hőmérsékletérzékelő rendszer komponensének azonosításával, valamint szövettenyészeti módszerek fejlesztésével új információkhoz juttat minket arról, hogy hogyan tudják a gabonafélék érzékelni a hideget, s milyen módon válaszolnak rá. A különböző növényfajok hidegindukált jelátviteli útvonalai közti evolúciós kapcsolatok feltárását szintén segíthetik a kutatás során elért eredmények.

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.

Gazdasági haszonnövényeink sikeres nemesítéséhez elengedhetetlen ismernünk, hogy a növények hogyan érzékelik a hideget, illetve hogyan reagálnak rá. Ezért fontos, hogy megértsük a gabonafélék abiotikus stresszválaszaiban szerepet játszó szabályozó folyamatok molekuláris hátterét. Ismert, hogy a kalciumnak lényeges jelátviteli szerepe van a stresszhez való alkalmazkodás folyamatában, ám a mechanizmus részletei még nem tisztázottak. Az annexin géncsalád tagjai olyan kalciumkötő fehérjéket kódolnak, melyek képesek kalciumfüggő módon kölcsönhatásba lépni a sejhártyával, illetve foszfolipidekkel, közreműködve a kémiai jel adaptív válaszokká történő átalakításában. A különböző annexinek sejten belüli eloszlását az abiotikus stresszhatások különböző módon befolyásolják. Egyes növényi annexinek termelődésének hideg hatására bekövetkező megváltozását leírták már, ám keveset tudunk szerepükről az egyszikűek jelátviteli folyamataiban. Microarray technika segítségével létrehoztunk egy génexpressziós adatbázist hideggel kombinált inhibítorkezelések hatását vizsgálandó. Egyik jelöltünk, egy D4 annexin-szerű fehérjét kódoló gén erős aktivitásbeli változást mutatott rövid idejű hidegkezelés hatására, amit befolyásolt a sejten belüli kalcium-koncentráció. Ez arra enged következtetni, hogy a D4 annexinek fontos szerepet játszhatnak a gabonafélék ABA-függő hidegválaszában. A project során folytatni szeretnénk őszi árpán végzett vizsgálatainkat a jelölt részletes genetikai és funkcionális elemzésével, génexpressziós profiljának, illetve sejten belüli lokalizációjának meghatározásával, hogy megérthessük szerepét a növényi jelátviteli folyamatokban.

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 klímaváltozás napjainkra már megváltoztatta a vadon élő növényfajok fenológiáját és elterjedését. Helytülő élőlényekként a növények képesek a hőmérséklet kismértékű változását is érzékelni, és reagálni rá. Gazdasági haszonnövényeink sikeres rezisztencianemesítéséhez elengedhetetlen ismernünk, hogyan történik pontosan a növények hidegérzékelése, illetve hogyan válaszolnak rá. A hőmérsékletérzékelés során aktiválódó jelátviteli folyamatok működésének megértése ahhoz is fontos tudásanyagot szolgáltat, hogy előrejelezhessük a klímaváltozás jövőbeli hatásait. Ezek az ismeretek segíthetnek minket megakadályozni a változó környezeti feltételek miatt bekövetkező terméskiesést is. Ezért fontos, hogy megértsük a gabonafélék abiotikus stresszválaszaiban szerepet játszó szabályozó folyamatok molekuláris hátterét, melyek a stresszhez való alkalmazkodás kialakulásához vezetnek. A projectben hidegindukált árpa D4 annexinek vizsgálatát tervezzük, hogy hozzájáruljunk a következő recens tudományos kérdések megválaszolásához: 1. Mik gabonafélékben a hőmérsékletérzékelés molekuláris alapjai? 2. Hogyan szabályozódnak a stressz-aktivált jelátviteli útvonalak? 3. Hogyan tudnak a növények alkalmazkodni a hideghez? Összefoglalva a project célja a D4 annexinek szerepének és specificitásának kimutatása őszi árpa abiotikus stresszválaszában részletes génstruktúra-elemzésre, a kifejeződési mintázat, valamint a fehérjefunkció és a sejten belüli elhelyezkedés vizsgálatára alapozva. A munka sikeres elvégzése az egyszikű hőmérsékletérzékelő rendszer komponensének azonosításával, szövettenyészeti módszerek fejlesztése mellett új információkhoz juttat minket arról, hogy hogyan tudják a gabonafélék érzékelni a hideget, s milyen módon válaszolnak rá. A különböző növényfajok hidegindukált jelátviteli útvonalai közti evolúciós kapcsolatok feltárását szintén segíthetik a kutatás során elért eredmények.

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 klímaváltozás napjainkra már megváltoztatta a vadon élő növények fejlődését és elterjedését. Helytülő élőlényekként a növények képesek a hőmérséklet kismértékű változását is érzékelni, és reagálni rá. Gazdasági haszonnövényeink sikeres nemesítéséhez - annak érdekében, hogy ellenállóak legyenek a káros környezeti hatásokkal szemben - elengedhetetlen ismernünk, hogyan érzékelik a hideget, illetve hogyan válaszolnak rá. A hőmérsékletérzékelés során aktiválódó jelátviteli folyamatok működésének megértése azért is fontos, hogy előrejelezhessük a klímaváltozás jövőbeli hatásait. Ezek az ismeretek segíthetnek minket megakadályozni a változó környezeti feltételek miatt bekövetkező terméskiesést. Ezért lényeges, hogy megértsük a gabonafélék stresszválaszaiban szerepet játszó szabályozó folyamatok molekuláris hátterét. A kalcium általános jelközvetítő anyag a sejtekben. Az annexin géncsalád tagjai olyan kalciumkötő fehérjéket kódolnak, melyek szerepet játszanak a kémiai jel alkalmazkodást segítő válaszokká történő átalakításában, mint amilyen a hidegtűrés kialakítása. Ám az annexinekről, s azok szerepéről nagyon keveset tudunk gabonafélékben. Ezért a project során speciális, hidegaktivált árpa annexinek vizsgálatát szeretnénk elvégezni genetikai és molekuláris szinten. A munka célja a környezeti stressz-válaszban betöltött szerepük, illetve specificitásuk kimutatása részletes génstruktúra-elemzésre, a kifejeződési mintázat, valamint a fehérjefunkció és a sejten belüli elhelyezkedés vizsgálatára alapozva. A munka sikeres elvégzése sejttenyészeti módszerek fejlesztése mellett új információkhoz juttat minket azzal kapcsolatban, milyen módon tudják a gabonafélék érzékelni a hideget.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

We propose a research project on cold-induced barley D4 annexins to bring our knowledge closer to the answer for three up-to-date scientific questions: 1. What is the molecular basis of temperature perception in cereals? 2. How is abiotic stress signal transduction regulated in cereals? 3. How do plants acclimate to cold stress? For this purpose our targets are the followings: 1. Characterization of cold-induced barley D4 annexin genes analyzing gene structure and predicting regulatory elements. 2. Determination of tissue and developmental-phase specificity, along with changes in the expression pattern in response to abiotic stresses, ABA treatment and changes in the intracellular calcium level. 3. Characterization of phospholipid binding properties of the protein and calcium-dependence of this process. 4. Determination of subcellular localization and alterations in cellular distribution in response to abiotic stress, ABA treatment and different levels of intracellular calcium in Arabidopsis and barley protoplast system. Taken together, this project aims to verify the role and specificity of D4 annexins in abiotic stress response of barley, based on detailed gene structure analysis, expression profile analysis, functional analysis and determination of intracellular localization. Successful completion of this project will provide novel information about the way in which crop plants detect and respond to abiotic stress signals identifying components within the monocot temperature perception pathway by continuing the development of cell cultures. Conservation level in cold signaling pathways of different plant species can be also determined using results of the project.

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.

Understanding how plants perceive and respond to cold is inevitable for successful breeding crop lines. Therefore it is very important to understand molecular regulatory mechanisms in abiotic stress response of cereals. Essential signaling role of cold-induced calcium influx was elucidated in cold acclimation process. However, details of this mechanism are still to be investigated. Members of the annexin superfamily belong to calcium-binding proteins which can interact with the plasma membrane and phospholipids in a calcium-dependent manner, and are able to transduce chemical signal into adaptive responses. Cellular distribution of certain annexins is influenced by abiotic stresses. Cold-induced expression of several plant annexins were also described, but little is known about their role in stress signaling in monocots. We have already created a gene expression data set by inhibitor treatment during cold exposure using microarray technique in barley. One of our candidates, a D4 annexin-like protein coding gene showed strong response to short term cold treatment. Moreover, this response was sensitive to intracellular calcium level, suggesting that not only lipid binding properties, but also expressional regulation of this annexin is calcium-dependent. This led us to hypothesize that D4 annexins may play an important role also in the ABA-regulated cold stress response in cereals. We propose to continue our investigations on this candidate in winter barley with detailed genetic and functional characterization, analysing gene expression profile and determining intracellular localization to understand its role in plant stress signaling mechanism.

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.

Climate change has already perturbed the phenology and distribution of wild plants. As sessile organisms, plants are able to detect and respond to minor changes in temperature. Understanding how plants perceive and respond to cold is inevitable for successful breeding crop lines with significant tolerance against temperature stresses. Knowing the mechanisms of signal transduction during temperature perception will also provide important knowledge for predicting future effects of climate change. This knowledge may help us to prevent decrease of yield caused by changing environmental conditions. For these purposes it is very important to understand major molecular regulatory mechanisms in abiotic stress response of cereals which finally lead to their enhanced stress tolerance. We propose a research project on cold-induced barley D4 annexins to bring our knowledge closer to the answer for three up-to-date scientific questions: 1. What is the molecular basis of temperature perception in cereals? 2. How is abiotic stress signal transduction regulated in cereals? 3. How do plants acclimate to cold stress? Taken together, this project aims to verify the role and specificity of cold-induced D4 annexins in abiotic stress response of winter barley based on detailed gene structure analysis, expression profile analysis, functional analysis of the protein, and determination of intracellular localization. Successful completion of this project will provide novel information about the way in which crop plants detect and respond to abiotic stress signals identifying components within the monocot temperature perception pathway by continuing the methodological development of cell culture systems.

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.

Climate change has already perturbed the development and distribution of wild plants. As sessile organisms, plants are able to detect and respond to minor changes in temperature. Understanding how plants perceive and respond to cold is inevitable for successful breeding crop lines with significant tolerance against temperature stresses. Knowing the mechanisms of signal transduction during temperature perception will also provide important knowledge for predicting future effects of climate change. This knowledge may help us to prevent decrease of yield caused by changing environmental conditions. For these purposes it is very important to understand major molecular regulatory mechanisms in stress response of cereals. Calcium is an universal signal mediator in the animal and plant cells. Members of the annexin gene family belong to calcium-binding proteins which transduce chemical signal into adaptive responses, e.g. gaining cold tolerance via acclimation mechanism. But little is known about annexins and their role in temperature perception of cereals. We propose to continue our research on special, cold-induced barley annexins at genetic and molecular level. Taken together, this project aims to verify the role and specificity of our candidates in abiotic stress response of winter barley based on detailed gene structure analysis, expression profile analysis, functional analysis of the protein, and determination of intracellular localization. Successful completion of this project will provide novel information about the way in which crop plants detect and respond to abiotic stress signals by continuing the methodological development of cell culture systems.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
Az első éves munka célja hidegindukált árpa D4 annexin gének azonosítása, in silico vizsgálata, klónozása, expressziós vektorokba építése, valamint a későbbi vizsgálatokhoz szükséges sejttenyésztési rendszerek beállítása volt. Konzervált domainek és ismert növényi D4 annexin gének adatainak felhasználásával egy még ismeretlen funkciójú, nem jellemzett gént sikerült azonosítani mint az árpa lehetséges D4 annexin génjét. Megállapítottuk, hogy a gén az árpa IV. kromoszómájának hosszú karján helyezkedik el, és egy 363 aminosavból álló, 39,94 kDa tömegű fehérjét kódol. A génben három funkcionális annexin domaint azonosítottunk, speciális szignál peptid jelenlétét és intron szakaszokat nem tudtunk kimutatni benne. A gén kódoló régióját őszi árpából klónoztuk. A szekvenálás során pontmutációs eltéréseket találtunk, amik azonban nem okoztak aminosav-változást. Elkészítettük a stabil növényi transzformációhoz szükséges bináris pGREEN konstrukciókat. Az intracelluláris lokalizációs vizsgálatok elvégzéséhez protoplaszt kultúrák tranziens transzformációjára alkalmas pRT-GFP konstrukciókat készítettünk. Ellenőriztük a növényi transzformációhoz használni kívánt Agrobacterium törzsek alkalmasságát és transzformációs kompetenciáját, majd sikeresen transzformáltuk az elkészített konstrukciókkal. Sikerült beállítani a megfelelő minőségű, életképes, jól transzformálható Arabidopsis protoplaszt kultúrák előállítási körülményeit. A rendszert diploid árpára is elkezdtük kidolgozni.
kutatási eredmények (angolul)
In the first project year, tasks of the research work were identification, in silico analysis, cloning and inserting into expression vectors of cold-induced barley D4 annexin genes, as well as setting the preparation protocol of cell cultures required for further studies. Using sequence data of conserved domains and known plant D4 annexin genes, a yet non-characterized gene with unknown function was selected as the potential barley D4 annexin gene. The gene is located on the long arm of chromosome IV in barley. The gene product is a 363 amino acids long protein with molecular weight of 39.94 kDa. Three functional annexin domain of the gene were identified, but no signal peptids or intron sequences were found during the in silico analysis. Coding region of the gene was cloned from winter barley genotype. According to the sequencing results, SNP alterations exist in the gene, but they represent silent mutations. Binary pGREEN vector constructs for stable plant transformation, as well as pRT-GFP vectors suitable for transient transformation of protoplast cultures were created to perform intracellular localization studies. Selected Agrobacterium strains were also tested for suitability and transformation competence, than successfully transformed with the constructs. Preparation protocol for creating viable Arabidopsis protoplast cultures with proper cell quality and high transformation efficiency was designed. Setting the method for diploid barley was also started.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=112103
döntés eredménye
igen




vissza »