Brassica napus, heat stress, heat stress specific super activator transcriptional complex, epigenetic regulation, RIME
megadott besorolás
Növényi stresszbiológia (Komplex Környezettudományi Kollégium)
100 %
zsűri
Komplex agrártudomány
Kutatóhely
Genetika és Biotechnológia Intézet (MATE) (Magyar Agrár- és Élettudományi Egyetem)
résztvevők
Burgyán József Szádeczky-Kardoss István Szaker Henrik Mihály
projekt kezdete
2018-12-01
projekt vége
2023-05-31
aktuális összeg (MFt)
47.996
FTE (kutatóév egyenérték)
8.52
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Jelen kutatásban a hőstressz specifikus transzkripciós komplex összetételét és szabályozásának megértését tűztük ki célul. A munkát párhuzamosan repce és lúdfű (Arabidopsis thaliana) model növényeken fogjuk elvégezni. A projekt konkrét céljai (i) tanulmányozni és megérteni a HSFA1 és A2 paralógok transzkripcionális szabályozását és igazolni ezek biológiai fontosságát repcében, (ii) megkeresni a HS-specifikus transzkripciós komplex ko-faktorait és igazolni működésük fontosságát repcében és lúdfűben, és (iii) felfedezni azokat az epigenetikai tényezőket amelyek szükségesek és hozzájárulnak a hőstressz specifikus transzkripciós komplex szabályozásához a két modellben. Mindez hozzásegít a HS molekuláris mechanizmusainak alaposabb megértéséhez és betekintést nyújt a HS válaszok evoluciójába is káposztafélékben. Mindemellett, a munka során ki fogunk fejleszteni egy HS fenotipizáló kisérleti rendszert, mely jelenleg nem elérhető repcén illetve alkalmazni/adaptálni fogjuk a CRISPR technológiát repce mutánsok, komplementált és overexpressziós vonalak előállítására. Ezek a vonalak eszközként szolgálnak majd a HS komponensek működésének és az episztatikus kölcsönhatásaiknak a megértéséhez. Munkánkkal lényegesen hozzájárulunk a HS válaszok molekuláris mechanizmusainak jobb megértéséhez és megalapozzuk a HS útvonalak tanulmányozását repcén. Hosszútávon mindez felgyorsíthatja a hőstressz-toleráns repcevonalak előállítását.
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 hőstressz válasz mechanizmusa leginkább lúdfűben (Arabidopsis thaliana) tanulmányozott, míg a hőstressz útvonalak működésének ismerete repcében (Brassica napus) nagyon korlátozott. A hőstressz útvonal központi elemei a hőstressz faktorok (HSF). A HSFA1 és HSFA2 hetero-oligomer összeszerelődése alakítja ki a HSF-Szuperaktivátor komplexet mely hatékonyan kapcsolja a polimeráz II általi transzkrpiciót HS géneken. A kutatásunk központi kérdése: melyek azok a cisz és transz faktorok amelyek szükségesek a HS-specifikus transzkripciós komplex működéséhez és szabályozásához repce és A. thaliana növényekben? A kutatás céljai részletezve: (i) megvizsgálni a központi HSF-ek expresszós változásait hőstressz során és igazolni a HSFA2 paralógok (BnaHSF15 és BnaHSF16) biológiai jelentőségét repcében (ii) felfedezni a hőstressz-specifikus transzkripciós komplex kofaktorait és igazolni működésük fontosságát repcében és lúdfűben (iii) megvizsgálni azokat az epigenetikai tényezőket melyek szükségesek és befolyásolják a hőstressz-specifikus transzkripció hatékonyságát a két növényi rendszerben.
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 klimaváltozás és globális felmelegedés károsan befolyásolja a gazdasági növények növekedését és terméshozamát. A hőstressz útvonalak vizsgálata elengedhetetlen fontossággal bír a gazdaságilag fontos növényekben. A káposztarepce hőérzékeny minden fejlődési stádiumában. A növényi hőstressz válaszok repcében csak felszínesen ismertek, ezeket legalaposabban lúdfűben (Arabidopsis thaliana) jellemezték. Jelen pályázatban a hőstressz-specifikus transzkripcionális szabályozás megismerését tűztük ki célul. Vizsgálatainkat párhuzamosan fogjuk végezni mindkét növényben (repcében és lúdfűben). A munka jelentősége sokoldalú: (i) eredményeink lényegesen hozzá fognak járulni a központi hőstressz faktorok transzkripcionális és epigenetikai szabályozás mechanizmusának megértéséhez növényekben, (ii) megalapozzuk a hőstressz válaszok vizsgálatát repcében, (iii) a lúdfű és repce hőstressz válaszainak összehasonlítása lehetőséget ad a közös és speciális aspektusok megfigyelésére és betekintést nyújt a hőstressz útvonalak evoluciójába káposztafélékben, (iv) kifejlesztünk egy hőstressz fenotipizáló rendszert mely jelenleg repcén nem elérhető, (v) alkalmazni fogjuk a CRISPR technológiát repce mutánsok, komplementációs és overexpresszáló transzgénikus vonalak előállítására és (vi) alkalmazni forgjuk a ‘Rapid Immunoprecipitation Mass specroscopy for Endogenous protein (RIME)’ technológiát; ezekkel újabb molekuláris eszközök válnak hozzáférhetővé számunkra és mások számára is a későbbiekben a repce és lúdfű modellben egyaránt. Az alapismeretek elmélyítése, a metodológiai és technológiai eszköztár szélesítése egy gazdaságilag fontos növényen hosszútávon hozzásegíthet és felgyorsíthatja a hőtoleráns növények nemesítését.
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. A Föld népességének növekedése és a globális felmelegedés szükségessé tették a mezőgazdaságilag fontos haszonnövények terméshozamának a növelését. A káposztarepce (Brassica napus) egy fontos gazdasági növény. A repce érzékeny a magas hőmérsékleti stresszre minden fejlődési állapotában. A funkcionális genetikai vizsgálatok repcén hosszasak és nehézkesek, ezért a hőstressz válaszok ismerete ebben a növényben eddig csak felszínes. A nemrégiben hozzáférhetővé vált genom és az új molekuláris technológiák (pl. CRISPR) hozzásegíthetnek a repce hőstressz válaszainak alapos megismeréséhez. Jelen pályázatban célul tűztük ki a hőstresszben szerepet játszó transzkripciós komplex és epigenetikai szabályozásának tanulmányozását, párhuzamosan repcében és lúdfű (Arabidopsis thaliana) model növényben. A párhuzamos megközelítés lehetővé teszi, hogy alkalmazzuk azt a tudást, molekuláris technológia és módszertani hátteret mely a lúdfűben elérhető, és ebből kiindulva, megértsük a repce hőstressz válasz folyamatait. A lúdfű és repce hőstressz válasz összehasonlítása során megfigyelhetjük a közös és speciális jellemzőket és ezáltal bepillantást nyerhetünk a hőstressz válaszok evoluciójába káposztafélékbe. Mindemellett, ki fogjuk dolgozni a hőstressz válasz fenotipusos vizsgálatát repcén, és alkalmazni fogjuk a CRISPR technológiát nem-GMO repce vonalak előállítására, melyek segítségével vizsgálhatóak lesznek a molekuláris és episztatikus kölcsönhatások. Az alapismeretek elmélyítése, a metodológiai és technológiai eszköztár szélesítése egy gazdaságilag fontos növényen hosszútávon hozzásegíthet és felgyorsíthatja a hőtoleráns növények nemesítését.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Climate change negatively affects the yield of important crops all over the world. Rapeseed (Brassica napus) is an important agricultural crop. The valuable product of B. napus is the rapeseed oil, being now the third most important source of edible oil in the world. Rapeseed is sensitive to heat in all stages of its development. As research on crops is very laborious, the knowledge on rapeseed heat stress response is very limited. In the present programme we propose to uncover the components of heat stress-specific PolII transcriptional complex and understand its regulation during heat stress response in a combined study on Brassica napus crop and Arabidopsis thaliana model. Specific aims of our project are (i) uncover central heat stress factor HSFA1 and A2 paralogs’ regulations and roles in B. napus, (ii) search and show biological relevance of heat stress-specific transcriptional complex co-factors in both A. thaliana and B. napus and (iii) uncover epigenetic regulators required for transcriptional changes driven by HSFs during heat stress. As a by-product of the project we will develop a heat stress phenotypic screen for B. napus, not yet available and we will implement CRISPR technology on B. napus to generate mutants, complementation and overexpressor transgenic lines. These lines will help us to understand molecular mechanisms and epistatic interactions in B. napus species. We hope that our findings will contribute significantly to basic understanding of heat stress response and will accelerate the development of heat-tolerant plants that may have an immense significance in the light of climate change.
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. Heat stress response (HSR) is best known in Arabidopsis thaliana. Central components of HSR are the heat stress factors. Upon exposure to heat HSFA1 activate downstream target genes, including HSFA2. HSFA1 and HSFA2 hetero-oligomerize to for the ‘superactivator complex’. Knowledge on HSR in Brassica napus is very limited. Central question of our research is: what components are required and regulate heat stress-specific transcription during HS in B. napus and A. thaliana? The specific aims of our project are: (i) investigate regulation of central HSFs in B. napus during HS and to confirm biological importance of HSFA2 paralogs BnaHSF15 and BnaHSF16, (ii) find and characterize the components of the heat stress-specific transcriptional complex in B. napus and A. thaliana, (iii) investigate epigenetic features required for heat stress-specific transcriptional complex in both plants.
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 negatively affects the yield of agriculturally important crops all over the world. Heat stress (HS) causes great losses in crop yields. Rapeseed (Brassica napus) is sensitive to HS at all developmental stages. Heat stress responses (HSR) is best known in Arabidopsis, but almost not studied at all in B. napus. In the proposed research we plan to understand the heat stress-specific transcriptional complex composition and regulation in Arabidopsis and B. napus. The significance of our proposed work is multilateral: (i) our finding will contribute significantly to the understanding of transcriptional and epigenetic regulation of central heat shock factors in plants, (ii) we will start to lay foundation to specifically understand HSR in B. napus, (iii) by comparing the two plant systems we will be able to underpin common and specific features and get an insight into the HSR evolution in Brassicaceae, (iv) we will develop a HS phenotypization test protocol, that is not yet available for B. napus, (v) we will implement CRISPR technology onto B. napus, to create mutants, complementation and overexpressor lines; this will enlarge the molecular tools available in this system and (vi) we will adapt Rapid Immunoprecipitation Mass spectroscopy for Endogenous protein (RIME), a state-of-the-art technology to analyse plant HSF-induced transcriptional complex cofactors. We believe, that extending the basic knowledge, methodology and technologies on a crop organism will significantly contribute to the basic understanding and also to the development of heat tolerant plants that is of immense significance in the near future.
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. Due the rising global population and climate change crop production needs to increase substantially. For this novel technologies and breeding approaches are necessary. Rapeseed (Brassica napus) is an important agricultural crop being cultivated on over 30 million acres in the world. Rapeseed is sensitive to heat in all stages of its development. Until recently, the functional genetics in rapeseed was very laborious, but as rapeseed genome has become available more research is being done and rapeseed is becoming a valuable crop model. The knowledge on rapeseed heat stress response is very limited. In this project we propose to study the molecular mechanisms of heat stress-specific transcription by combining the study on Arabidopsis and B. napus model organisms. Our approach will enable us to relay on the extensive molecular tools available in the Arabidopsis, contribute to the deepening of this knowledge and implement it onto the related crop rapeseed. Besides, we plan to develop a heat stress phenotypic test, that is not available in B. napus, and which will enable us and other to characterise rapeseed heat stress components. Finally, we plan to extend the methodological repertoir on rapeseed by implementing CRISPR technology to produce mutants, complementation and overexpressor lines and use them to analyse molecular interactions and epistatic relationships. We hope that our work will significatly improve basic knowledge and accelerate heat-tolerant crop breeding that is absolutely necessary to minimize the threat of climate change.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A munka eredményei:
(i) A hőstressz transzkripciós szabályozásának vizsgálatához MS alapján egy mutáns szürést végeztünk; a potenciális résztvevők közül kiválasztottuk a részletes vizsgálathoz a TFIIS fehérjét. Kimutattuk, hogy a TFIIS működése elengedhetetlen a hőstressz adaptációhoz (Szádeczky-Kardoss et al., 2022, Nucleic Acid Research).
(ii) Megvizsgáltuk az árpa RNS silencing transz faktorainak transzkripciós szabályozását hőstressz során. Kimutattuk, hogy az RNA silencing fontos komponense lehet a hőstressz adaptációnak (Hamar et al., 2020, Biomolecules).
(iii) Vizsgáltuk az NDX transzkripciós szabályozó fehérjét. A korábbi megfigyelésekkel ellentétben megállapítottuk hogy az NDX elsősorban egy heterokromatin szabályozó factor mely pozitivan hat a heterokromatin struktura megtartására a pericentroméra és centromér régiók környékén (Karányi et al., 2022, Nature Communications).
(iv) Leírtuk a miR824/AGL16 modul szerepét a magas hőmérsékleti adaptációban. Munkahipotézisünk, hogy a miR824 egy poszt-transzkripciós memoria faktorként működő résztvevő, mely stabilitásából adódóan a stress utáni időszakban alacsonyan tartja a virágzást szabályozó faktorokat és ezáltal finomhangolja a virágzási időt (Szaker et al., 2019, Frontier in Plant Science).
(v) A project időszakában egy könyvfejezetet és egy összefoglaló cikket is írtunk, melyekben a hőstressz érzékelés és adaptációs mechanizmusokat mutatuk be (Szaker et al., 2020, Springer Nature; Csorba 2021, Molecular Plant).
kutatási eredmények (angolul)
(i) To uncover regulators of HSR transcriptional response based on MS data, we have conducted a mutant screen to detect HSR regulators. From this we recovered TFIIS, an RNA polymerase II -associated elongation factor. We have shown that TFIIS ensures the qualitative and quantitative transcriptome program switch during HSR, that is vital for HS survival (Szádeczky-Kardoss et al., 2022, Nucleic Acid Research).
(ii) We have studied the impact of heat stress on transcriptional regulation of RNA silencing pathway components in H. vulgare system. We have shown that transcriptional regulation controls the expression of RNA silencing’s trans factors in barley (Hamar et al., 2020, Biomolecules).
(iii) We have studied transcriptional regulator protein NDX. We have shown that NDX is a positive regulator of heterochromatin compaction required for peri-centromeric and centromeric genome structure maintenance (Karányi et al., 2022, Nature Communications).
(iv) We have completed a comprehensive analysis of miR824/AGL16 module changes in response to heat stress. We have shown that miR824 acts as a “post-transcriptional memory factor” to extend the acute impact of environmental fluctuations in the post-stress period and fine-tune flowering (Szaker et al., 2019, Frontier in Plant Science).
(v) We have published a book chapter and wrote a spotlight review on a temperature regulated factors (Szaker et al., 2020, Springer Nature; Csorba 2021, Molecular Plant).
