Genetika, Genomika, Bioinformatika és Rendszerbiológia
Kutatóhely
Növénybiológiai Intézet (HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
résztvevők
Ábrahám Edit Bozsó Zoltán Endre Gabriella Kereszt Attila Kiss Erno Kissné Oláh Boglárka Nagy Andrea Radvánszkiné Mikuláss Kata Szatmári Ágnes Szűcs Attila Terecskei Kata
projekt kezdete
2013-01-01
projekt vége
2015-12-31
aktuális összeg (MFt)
65.004
FTE (kutatóév egyenérték)
11.17
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Pillangósvirágú növények endoszimbiotikus kapcsolatot képesek kialakítani nitrogénkötő baktériumokkal, melynek sikerességéhez a növény védekező rendszerének befolyásolása szükséges. A kutatási projekt során azt vizsgáljuk, hogy nitrogénkötő szimbiózis kialakulásában milyen szerepet játszanak a növényi védekezési reakciók, hogyan képesek ezeket befolyásolni a szimbionta baktériumok, milyen gének, gén termékek vesznek részt a szimbiotikus kapcsolat finom-hangolásában, illetve miképp hat egymásra a szimbiotikus kapcsolat és a patogén támadás. A kutatási projekt egyik fő célja olyan növényi gének azonosítása, melyek szerepet játszanak a sikeres rhizobiális infekció lezajlásához elengedhetetlen növényi védekezési reakciók elnyomásában, valamint szelektíven felismerik a szimbiotikus baktériumok sejtfelszíni poliszacharidjait, amelyek nélkülözhetetlen komponensek az infekcióhoz. Azonosítani és izolálni kívánjuk azokat a bakteriális és növényi géneket, amelyek "gene-for-gene" módon végzik a két partner közötti kapcsolat finom-hangolását, és annak sikerességét biztosítják. Meg akarjuk ismerni, hogy a gyökérpatogén baktériumok jelenléte hogyan befolyásolja a szimbiózis kialakulásának lépéseit, illetve a szimbiózis kialakulása és működése befolyásolja-e a növények patogén támadásra adott válaszreakcióját. Céljaink eléréséhez kombináljuk a rendelkezésünkre álló biológiai anyagokat (nagyszámú bakteriális és növényi mutáns, természetes variánsok), a modern morfológiai, sejtbiológiai vizsgálatokkal, a klasszikus és molekuláris genetika eszköztárával (pl. térképezésen alapuló klónozás, asszociációs térképezés), valamint a génexpressziós vizsgálatok legújabb módszereivel (RNA-seq).
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 kutatás fő alapkérdése az, hogy a baktériumok és növények közötti kölcsönhatások során a növény miként különbözteti meg a hasznos és káros baktériumokat? A növények gyökerét a talajban mikroorganizmusok sokasága veszi körül, melyek egy része kifejezetten ártalmas a növények számára, míg másik részük akár kölcsönösen hasznos szimbiotikus kapcsolatot tud kialakítani az eukarióta partnerrel. Egy intracelluláris kölcsönhatás, mint pl. a pillangósvirágú növények gyökerén létrejövő nitrogénkötő szimbiózis, kialakulása során a növénynek egyszerre kell megengednie a hasznos baktériumok bejutását és megakadályoznia a patogén mikroorganizmusok invázióját. Ezen probléma jobb feltárása érdekében az alábbi kérdésekre próbálunk válasz kapni: Mi történik a növényi védekezési mechanizmusokkal a szimbiózis kialakulása során? Milyen bakteriális jelmolekulák vesznek részt a növényi immunitás befolyásolásában és a szimbiotikus kapcsolat finom-hangolásában? Miképp módosítja a patogén mikroorganizmusok jelenléte a szimbiózis kialakulását? Hogyan befolyásolja a működő szimbiózis a patogén baktériumok elleni védekezést?
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! Mindeddig széles körben elterjedt nézet volt a növény-mikróba kutatás területén, hogy a növények másképpen reagálnak egy jótékony, a növénnyel együttélésre képes baktériumra, mint egy kórokozóra. Manapság a szimbiotikus és a patogén kölcsönhatás vizsgálatának elhatárolása kevésbé egyértelmű, mivel egyre több példa utal arra, hogy a jótékony és a patogén növényi kölcsönhatások számos közös elem és alapelvek alapján működnek. Ezek alapján nem meglepő, hogy súlyos fertőzést okozó patogén növényi mikrobákat sikerült szimbiotikus partnerré alakítani, míg azokat a szimbionta baktériumokat, melyek elvesztették inváziós képességüket, a partner növény betolakodóként érzékeli. Pályázatunk célja olyan molekuláris faktorok és folyamatokat feltárása, melyek részt vesznek a gazdanövény immunválaszának szabályozásában annak érdekében, hogy az endoszimbionta baktériumok eláraszthassák a gazdanövény sejtjeit, míg a patogén mikrobák kívül maradnak. Konzorciumunk kutatási tervében felvázolt kísérletekből - amelyekben szimbionta és patogén partnereket együttesen tesztelünk – információt szeretnénk kapni arról, hogy a növény aktívan részt vesz-e a számára hasznos baktériumok kiválasztásában, és ebben a folyamatban milyen szerep jut a növény szisztemikus és lokális immunválaszainak. Kísérleteinkből választ kapunk arra a kérdésre is, hogy kialakul-e teljes körű védelem a növényben patogén mikrobákkal szemben a szimbiotikus baktériumok invázióját követően. Amennyiben hipotézisünk igazolást nyer, ez további kutatásokat ösztönözhet és teljesen új irányba terelheti a növényvédelmet a szimbiotikus baktériumok alkalmazhatóságával.
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 növények folytosan mikróbákkal körülvéve élnek. Ezek egy része kártékony, és ha a növény immunrendszere nem kellően erős, akkor ez a növény pusztulásához vagy lényeges termésvesztéshez vezet. Más mikrobák ugyanakkor jótékony hatásúak, tápanyaghoz juttatják a növényeket és elősegítik növekedésüket. Erre jó példa Rhizobium baktériumok együttélése pillangós virágú növényekkel, amelynél a növény megengedi a Rhizobium baktériumoknak a behatolását és elterjedésüket a növényi sejtekben, ahol a baktériumok a levegő nitrogénjét redukálva nitrogénforrást nyújtanak a növény fejlődéséhez. A növénynek a szimbiótikus kapcsolat létrejöttéhez a talajban élő több billiárdnyi baktérium közül szelektíven kell biztosítani a rhizobiális fertőzést, és megfelelően küzdeni a kártékony mikrobiák behatolása ellen a növényi védekezi reakciók aktiválásával és finom hangolásával. A jótékony és kártékony mikrobák által kiváltott növényi válaszreakciók egyes elemei meglepően hasonlóak és van példa arra, hogy az immunválasz egyensúlyának megváltozatásával jótékony mikroba is lehet rossz és fordítva. A kutatásaink során választ kívánunk kapni arra, hogyan tudja a növény elkerülni kártékony mikrobákat illetve hogyan tudja a jótékony szimbiózis védeni a növényt a patogénekkel szemben.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Legumes form endosymbiotic association with nitrogen fixing root nodule bacteria. The establishment of successful infection requires the suppression of the plant defense reactions to allow the microsymbiotic partners to accommodate within the root cells wherein they develop into their intracellular symbiotic forms. The proposed project investigates the mutual influences between beneficial and detrimental bacterial interactions, especially how the symbiotic partner modulates host immune system to avoid pathogenic responses. The project focuses on the identification, molecular and biochemical characterization of plant components essential for compatible rhizobial infection and suppression of plant defense response. We plan to identify rhizobial genes that provide strain-ecotype specificity in symbiosis using an ORFome transferring approach. We will analyze the role of bacterial surface polysaccharides in rhizobial invasion with association mapping studies exploiting the natural diversity of M. truncatula lines and classical map-based cloning. Transcriptome analysis of roots and root nodules using next generation sequencing facility (RNA-seq) will be applied to reveal similarities and differences between effective and ineffective symbiotic interactions as well as in concomitant symbiotic and pathogenic partnerships. The combination of wide repertoire of bacterial and plant genomic resources (mutant collections, natural variants) with high throughput technologies will generates comprehensive results which will give deeper insight into the less studied area of symbiotic and pathogenic interactions of plants.
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. The plant root system is associated and continuously challenged by myriads of bacteria in the rhizosphere and these interactions can be detrimental (pathogenic), neutral (saprophytic), or beneficial (symbiotic). In the nitrogen fixing endosymbiotic interaction plants do not treat the bacterial partner as invaders but rather accommodate them within the root cells and provide proper environment for bacterial development. One of the most interesting issues of the legume-rhizobial symbiotic interaction is how the plant discriminates between symbiotic and pathogenic bacteria. It is widely accepted that symbiotic bacteria can modulate the plant immune system to invade the nodule cells and develop compatible interaction, and accordingly defects in the symbiotic interaction often results in incompatible interaction with the hallmarks of pathogenic responses. In order to have deeper insight into the common feature of the processes how beneficial and pathogen bacteria infect and invade plant cells we attempt to answer the following questions: How rhizobia suppress the plant defense responses to form compatible interaction? What are the bacterial determinants involved in the modulation of the host’ immunity and how they fine-tune the specificity of the interaction? What are the consequences of the presence of pathogens for the development of the symbiosis? We also plan to test the hypothesis that established symbiotic interaction may prevent or protect the legume roots against phytopathogenic bacterial attack.
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. In the molecular plant-microbe interaction community, research on plant responses to symbiotic and pathogenic microbes has been largely separated with the conviction that symbiotic and pathogenic microbes evoke different plant responses. Nowadays the boundary between the two research fields is more fluid and several examples demonstrate that beneficial and pathogenic interactions employ common principles and similar factors. Accordingly and somewhat unexpectedly, severe plant pathogen microbes could be converted to symbiotic partner while symbiotic bacteria defective in host infection process were recognized as pathogens. We aim to identify factors and mechanisms that are involved in modulation of host immunity that becomes at the same time permissive for the beneficial microbes but not for the pathogens, and allows massive invasion of the host cells with the endosymbiotic microbe. With the proposed integrated research and combined application of symbionts and pathogens our studies will provide an insight whether the plant play an active role in selecting the profitable microbes and how the local and systemic defense responses are modulated and interplay. Delayed application of the pathogen after Rhizobium infection and at the nitrogen fixation state will tell whether invasion of beneficial microbes provide a systemic protection in the plant against pathogens. If this is the case, this can open new strategies and research lines for plant protection with the use of an extended range of beneficial microbes.
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. The plant root system is associated and continuously challenged by myriads of bacteria. Many of the are pathogenic and if the plant immune system is not strong enough, the pathogen attack could destroy the plant or cause serious yield loss. Other microbes are beneficial by providing nutrients for the plant growth. A good example for the beneficial interaction is between leguminous plants and rhizobium bacteria where plants allow bacteria to enter and invade plant cells. Here bacteria reduce atmospheric nitrogen and provide nitrogen sources for the plant development. Plant has to choose from billions of microbes selectively the beneficial partners and in the same time fight against pathogenic microorganisms. This involves fine-tuning of plant defense responses. The plants responses to beneficial and pathogenic microbes share common elements, and disturbance of the immune response may recognize the beneficial microbe as pathogen and vica versa. With our research we aim to answer how plants discriminate beneficial and harmful bacteria.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A projekt során vizsgáltuk, hogyan képesek a pillangósvirágú növények endoszimbiotikus kapcsolatot létesíteni nitrogénkötő baktériumokkal úgy, hogy közben a számukra káros mikroorganizmusokkal szemben hatékonyan védekeznek. Kísérleteink arra irányultak, hogy a nitrogénkötő szimbiózis kialakulásában milyen szerepet játszanak a növényi védekezési reakciók, hogyan képesek ezeket befolyásolni a szimbionta baktériumok, milyen gének, gén termékek vesznek részt a szimbiotikus kapcsolat finom-hangolásában, illetve miképp hat egymásra a szimbiotikus kapcsolat és a patogén támadás. Egy megfelelően kiválasztott génkészlet kifejeződésének részletes jellemzésével M. truncatula mutánsokon, meg tudtuk különböztetni a szimbiotikus gümők természetes öregedési folyamatait és az indukált aktív növényi védekező mechanizmusokat, melyek korai elöregedést okozva gátolják a hatékony szimbiózist. Új növényi géneket azonosítottunk, melyek mutációval történő elrontása erős növényi védekező reakciót váltott ki a szimbiotikus gümőben, így a szimbionta baktériumok nem tudták a gümősejteket kolonizálni. Eltérő hatékonyságú szimbiotikus, valamint szimbionta és patogén partnerrel történt fertőzést követően végzett teljes transzkriptóm elemzések rámutattak a hatékony és hibás szimbiotikus folyamatok, valamint a szimbiotikus és patogén kapcsolatok közötti génkifejeződési mintázatok közötti különbségekre és számos új jelölt gént azonosítottak, melyeknek szerepe lehet ezen kölcsönhatások sorsának eldöntésében.
kutatási eredmények (angolul)
The main topics of this project were how the plant can simultaneously accommodate mutualistic partners and ward off pathogens or other microbes and how the rhizobial symbionts can evade plant defense. To answer these questions we have focused on the identification, molecular and functional characterization of bacterial and plant components that have critical functions in the bacterial invasion of the host plant and guiding the process either to the symbiotic or to the pathogenic direction. The transcriptional activation of a gene set appropriate to discriminate between the induction of developmental senescence of the symbiotic nodule and the induced defense responses has been analyzed in several ineffective symbiotic M. truncatula mutants. New plant genes were identified in which the mutations affected the bacterial invasion during the symbiosis and also showed induced defense responses in this process, thus these genes are likely to control the defense responses during the invasion of rhizobia. Transcriptome analysis of roots and root nodules using next generation sequencing (RNA-seq) revealed similarities and differences between effective and ineffective symbiotic interactions as well as in concomitant symbiotic and pathogenic partnerships, and also resulted in many new candidate genes playing important roles in the determination of the fate of these interactions.
Kondorosi E, Mergaert P, Kereszt A: A paradigm for endosymbiotic life: cell differentiation of Rhizobium bacteria provoked by host plant factors., ANNU REV MICROBIOL 67: 611-628, 2013
Lipuma J, Cinege G, Bodogai M, Oláh B, Kiers A, Endre G, Dupont L, Dusha I: A vapBC-type toxin-antitoxin module of Sinorhizobium meliloti influences symbiotic efficiency and nodule senescence of Medicago sativa, Environmental Microbiology, 2014
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Szimbiózis és Növénygenomika Csoport (MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont), Új kutatóhely: Növénybiológiai Intézet (MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont).
2018-01-23 10:02:37
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Genomikai kutatócsoport (MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont), Új kutatóhely: Szimbiózis és Növénygenomika Csoport (MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont).
