 |
THE ROLE OF ROP GTPASE SIGNALLING IN PLANT MERISTEM FUNCTION
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124828 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Fehér, Attila |
| Title in Hungarian |
A ROP GTPáz-kapcsolt jelátvitel szerepe a növényi merisztémák funkciójában |
| Title in English |
THE ROLE OF ROP GTPASE SIGNALLING IN PLANT MERISTEM FUNCTION |
| Keywords in Hungarian |
jelátviteli fehérje komplexek, növény fejlődés, Arabidopsis, hajtás merisztéma, gyökér merisztéma, virág fejlődés, auxin transzport és eloszlás, receptor kinázok, ROP-effektor kinázok, RopGEF fehérjék |
| Keywords in English |
signaling protein complexes, plant growth and development, Arabidopsis, shoot and root meristems, flower development, auxin transport and distribution, receptor kinases, ROP-effector kinases, RopGEFs |
| Discipline |
| Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences) | 80 % | | Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % | | Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Cellular and Developmental Biology |
| Department or equivalent |
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Ayaydin, Ferhan
Cséplő, Ágnes
Horváth, Edit
Kénesi, Erzsébet
Klement, Éva
Lajkó Dézi, Bianka
Magyar, Zoltán
Ménesi, Dalma
Riyazuddin, Riyazuddin
Valkai, Ildikó
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2022-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
47.969 |
| FTE (full time equivalent) |
16.05 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatások fő célja a növényekre jellemző receptor kináz (RLK) – Rop guanin nukleotid kicserélő faktor (RopGEF) – Rho-of-plants (ROP) – ROP effektor kináz (RLCK VI_A) jelátviteli modul szerepének feltárása az Arabidopsis csúcsmerisztémák (gyökér, hajtás, virág) fenntartásában és funkciójában. Irodalmi adatok és saját előzetes kísérleteink alapján támasztják alá ezeknek a jelátviteli modulok létezését. Célunk, hogy meghatározzuk az egyes merisztémákra jellemző receptor kináz – RopGEF – ROP – ROP effektor komplexek összetételét és szerepét a merisztematikus folyamatok (őssejt niche fenntartása, szervképződés) szabályozásában. A ROP kis GTP-kötő fehérjék központi szabályozói az auxin efflux carrier PIN fehérjék poláris sejtszintű lokalizációjának, és ezen keresztül az auxin áramlás irányának. A merisztematikus régiók identitása és működése szempontjából az auxin hormon eloszlása alapvető jelentőségű. Ezért kutatásainkban kitüntetett szerepet kap a ROP-kapcsolt jelátviteli utak aktiválásának, illetve gátlásának a hatása az auxin transzportra. Az RLK-RopGEF-ROP-RLCK VI_A jelátviteli modulok rendkívül alkalmasak egyedfejlődési és környezeti szignálok integrálására. Feltételezzük, hogy ez legalább részben a RopGEF fehérjék poszt-transzlációs (foszforilációs) módosításán keresztül valósul meg. A projekt során ezt a feltételezést példákkal kívánjuk alátámasztani.
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 alaphipotézise, hogy egyedfejlődési és környezeti jelek, legalábbis részben, az RLK-RopGEF-ROP-RLCK VI_A receptor komplexen keresztül tartják fenn és módosítják a növényi csúcsmerisztémák működését. Feltételezzük, hogy a merisztematikus régiókban aktív RLK-RopGEF-ROP-RLCK VI_A modulok egyik kimeneti hatása az auxin transzport módosítása. A pályázatban több olyan kísérleti igazolásra váró részhipotézist is megfogalmaztunk, amelyeket előzetes megfigyelések alapoztak meg: 1) A hajtás merisztéma méretét kontrolláló CLAVATA1 receptor kináz komplex tartalmaz és aktivál egy vagy több RopGEF fehérjét; 2) A BELLRINGER1 transzkripciós faktor részben a ROP GTPázok és effektor kinázaik expressziójának szabályozásán keresztül fejti ki hatását a hajtás illetve virág merisztémában; 3) a gyökér merisztematikus régiójában a RopGEF7 a ROP3 GTPázt és azon keresztül egy vagy több RLCK VI_A kinázt szabályoz, 4) a RopGEF7-nek ez a funkciója foszforilációs (CRK5) szabályozás alatt áll, aminek szerepe lehet a gravitropikus válaszban is.
Kutatásaink eredményeként eddig ismeretlen RLK-RopGEF-ROP-effektor jelátviteli útvonalak azonosítása várható. A receptortól az effektorokig terjedő jelátviteli lépések jelenleg nagyon kevés esetben ismertek a növényekben.
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 kutatás jelentősége abban rejlik, hogy eredeti hipotéziseket és megközelítéseket alkalmazva közelít meg egy alapvető növénybiológiai jelenséget, a merisztémák fenntartásának és működésének szabályozását. A projekt a kutatócsoport évtizedes, a ROP GTPázokkal kapcsolatos kutatási tapasztalataira, saját előzetes kutatási eredményekre és átfogó irodalmi áttekintésre (Fehér 2015 Plant Sci 237: 93) támaszkodik. A ROP jelátvitel és fehérje foszforiláció kapcsolatának kutatásában a laboratórium vezető szerepet tölt be. A kutatócsoportunk elsőként azonosított a növényekben Rho-típusú (ROP) GTPázok által szabályozott kinázokat. Kimutattuk ezek szerepét a sejtpolaritásban és a növény-gomba kapcsolatban. Ennek során egyszeres és többszörös kináz mutánsokat hoztunk létre, melyek a merisztéma működéssel mutatnak kapcsolatot. Ezeknek az exkluzív vizsgálata egyedi lehetőséget biztosít a csoport számára. A ROP jelátvitel és a BLR1 transzkripciós faktor funkcionális kapcsolatát és a ROP GTPázok szerepét a virág morfogenezisében még nem vizsgálták. A receptor kinázok (RLK) és a ROP-aktivátor RopGEF fehérjék kapcsolata már ismert, de az adatok nem egyértelműek, és a merisztéma működés kapcsán hiányosak. A merisztéma specifikus receptor-RopGEF-ROP-effektor komplexek azonosítása új tudományra eredmény lenne. Az, hogy az RLK kinázok foszforiláció révén aktiválják a RopGEF fehérjéket ellentmondásos, így az ezen a téren várható eredményeink is jelentős tudományos visszhangra tarthatnak számot. RopGEF fehérjék citoplazmatikus kinázok (pl. CRK5) általi szabályozásáról, illetve a gravitropikus válasszal való kapcsolatáról, semmilyen adat nincs. Ezeket az originális elképzeléseket számos előkísérlet/adat támasztja alá. A projekt további előnye, hogy a kapcsolódó területeken a közelmúltban elért kiváló hazai eredményeket és szakértőiket integrálja.
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 egész életük során folyamatosan hoznak létre új szerveket. Ezt az teszi lehetővé, hogy szervképző régiókkal, ún. merisztémákkal rendelkeznek: ezek a hajtás, illetve a gyökér csúcsi részei, melyek a folyamatos növekedést és a szervek (levelek, virágok, gyökér) létrehozását teszik lehetővé a növény számára. Ezek a folyamatok egyrészt a növény fejlődési programja által meghatározottak, de a környezet is jelentősen befolyásolja őket, ezért nincsen két teljesen egyforma növény. A kutatások alapvető célja ennek a csak a növényekre jellemző rugalmas, a környezethez folyamatosan alkalmazkodó, egyedfejlődésnek a jobb megértése. A kutatócsoport néhány olyan molekuláris szabályozási lépést próbál meg azonosítani, amely szükséges a merisztémák működésének fenntartásához és egyben szerepet játszhat a környezeti hatások érzékelésében is. Ezek a mechanizmusok teszik lehetővé, hogy a növény növekedését a környezeti feltételekhez igazítsa. Alapvető biológiai ismereteink bővítése mellett, a kutatások hosszútávon elvezethetnek olyan növényfajták nemesítéséhez, melyek növekedése jobban alkalmazkodik a változó termesztési feltételekhez vagy a változó környezeti feltételek mellet is változatlan növekedést mutat, illetve általában véve jobban megfelel a termesztési/felhasználási igényeknek.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main aim of the current project is to highlight role of putative plant-specific receptor kinase (RLK) – ROP nucleotide exchanger (RopGEF) – ROP GTPase – ROP effector kinase (RLCK VI_A) signalling modules in apical meristem (shoot, root, flower) maintenance and function. Literature data as well as our own preliminary experiments support the existence of such signalling modules. One of our aims is to identify the elements of these meristem-specific RLK-RopGEF-ROP-effector complexes. We plan to determine their contribution to the maintenance of the stem cell niche and to the regulation of organ formation (phyllotaxis, flower morphogenesis, root development). It is well accepted that ROPs regulate the polar cellular localization of the auxin efflux carrier PIN proteins and consequently determine the polar flow of auxin. Auxin distribution is central to meristem establishment and function. Therefore, in our proposal, we pay primary attention to auxin transport/accumulation changes in response to modified ROP-mediated signalling. The RLK-RopGEF-ROP module can serve as a signalling node to integrate various developmental and environmental signals. We suppose that this integration is partly exerted via post-translational modifications (phosphorylation) of ROP-activating RopGEFs. We aim to provide example(s) for this level of regulation including the functional consequences of these modifications in vitro as well as in planta.
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 central hypothesis of our proposed study is that RLK-RopGEF-ROP-RLCK VI_A kinase signalling receptor complexes operate in shoot as well as root meristem maintenance and/or functioning. It is supposed that one of the possible outputs of these signalling modules is the modification of auxin transport via PIN protein polarity. To support this hypothesis, we propose to investigate the following possibilities indicated by preliminary observations: 1) the shoot meristem-size-controlling CLAVATA1 receptor kinase interacts with and activates RopGEF(s); 2) the BELLRINGER1 transcription factor exerts its effects on meristem functions (phyllotaxis, flower morphogenesis), at least partly, via the regulation of the expression of ROPs and their effector kinases; 3) RopGEF7 activates ROP3 and RLCK VI_A kinases in the root to regulate auxin gradients and post-embryonic meristem maintenance and function; 4) this function of RopGEF7 is post-translationally controlled by the CRK5 kinase affecting the gravitropic response. As an outcome, we expect the identification of functional receptor-RopGEF-ROP-effector complexes associated with the developmental regulation of Arabidopsis. In plants, there are only few cases where the whole signalling pathways from a receptor to an effector are know.
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.
Our proposal combines several original ideas and approaches to investigate a central phenomenon in plant biology, the maintenance, and functioning of meristems. The proposing team has long-standing interest and expertise in ROP signalling. The present proposal is strongly based on the formal activities of the laboratory and a recently published comprehensive review about the possible links between ROPs and kinases (Fehér and Lajkó 2015 Plant Sci 237: 93), the field where we have leading position. The laboratory was the first identifying ROP-activated effector kinases in plants and proving their involvement in cell polarity and plant-pathogen interaction. During the preceding project, we created single, double, and triple ROP-effector kinase mutants exhibiting phenotypes related to meristem functions. The lab has exclusive access to these mutants. There are many other aspects underlying the originality and competitiveness of the proposal. The link between the BLR1 transcription factor and ROP signalling was never investigated, neither the role of ROPs in flower morphogenesis. Although the RLK-mediated activation of RopGEFs has been demonstrated in few cases, the data about the way of activation are contradictory. Moreover, no RLK-RopGEF-Rop modules were fully described for meristems. Only a few post-translational modifications of RopGEFs were reported until know, but none of them was linked to cellular kinases (such as CRK5). Involvement of ROP signalling in the gravitropic response is unknown. Despite of the many original approaches, several preliminary experiments/data support the proposal. Moreover, it combines the expertise of senior scientists having long-standing experiences in relation to the various aspects of the proposal.
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.
Plants continuously form new organs during their whole life. This is due to the presence of the organ-forming meristematic regions. The main meristems are the apical meristems of the shoot and the root, which contribute to the continuous growth of the plant above- and underground. The meristems have also the function to lay down the lateral organs, the leaves, the flowers, and the side roots. These processes are dependent on the developmental program but are also strongly influenced by environmental signals. That is why there are no two plants looking identical despite having the same genetic material. The aim of the proposed research is to better understand the flexible growth and developmental strategy of plants allowing them to adapt repeatedly to the changing environment. The goal is to identify some of the key molecular players that are central to maintain the meristem function but are also capable of responding to environmental changes. We suppose that such molecular mechanisms allow the plants to adapt their growth to the environmental conditions. In addition to increasing our basic biological knowledge, the research may open possibilities to develop improved plant varieties, which can either change or maintain their growth under unfavourable conditions depending on our breeding aims.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Cséplő, Á.; Zsigmond, L.; Andrási, N.; Baba, A.I.; Labhane, N.M.; Pető, A.; Kolbert, Z.; Kovács, H.E.; Steinbach, G.; Szabados, L.; Fehér, A.; Rigó, G.: The AtCRK5 Protein Kinase Is Required to Maintain the ROS NO Balance Affecting the PIN2-Mediated Root Gravitropic Response in Arabidopsis., Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 5979., 2021 | | Ménesi, Dalma, Éva Klement, Györgyi Ferenc, and Attila Fehér.: The Arabidopsis Rho of Plants GTPase ROP1 Is a Potential Calcium-Dependent Protein Kinase (CDPK) Substrate, Plants 10, no. 10: 2053., 2021 | | Attila Fehér: ROP GTPase-activated kinase signaling in Arabidopsis, Plant Biology Europe 2021 (Turin, Italy) 28.06-01-07. 2021, 2021 | | Ildikó Valkai, Erzsébet Kénesi, Ildikó Domonkos, Ferhan Ayaydin, Danuše Tarkowská, Miroslav Strnad, Anikó Faragó, László Bodai, Attila Fehér: The Arabidopsis RLCK VI_A2 Kinase Controls Seedling and Plant Growth in Parallel with Gibberellin, International Journal of Molecular Sciences 2020, 21(19), 7266, 2020 | | Ménesi, Dalma, Éva Klement, Györgyi Ferenc, and Attila Fehér.: The Arabidopsis Rho of Plants GTPase ROP1 Is a Potential Calcium-Dependent Protein Kinase (CDPK) Substrate, Plants 10, no. 10: 2053., 2021 | | Cséplő, Á.; Zsigmond, L.; Andrási, N.; Baba, A.I.; Labhane, N.M.; Pető, A.; Kolbert, Z.; Kovács, H.E.; Steinbach, G.; Szabados, L.; Fehér, A.; Rigó, G.: The AtCRK5 Protein Kinase Is Required to Maintain the ROS NO Balance Affecting the PIN2-Mediated Root Gravitropic Response in Arabidopsis., Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 5979., 2021 | | Abu Imran Baba, Norbert András, Ildikó Valkai, Teréz Gorcsa, Lilla Koczka, Zsuzsanna Darula, Katalin F. Medzihradszky, László Szabados, Attila Fehér, Gábor Rigó and Ágnes Cséplo: AtCRK5 Protein Kinase Exhibits a Regulatory Role in Hypocotyl Hook Development during Skotomorphogenesis, International Journal of Molecular Sciences, 2019 | | Baba, A.I., Valkai, I., Labhane, N.M., Koczka, L., Andrási, N., Klement, É., Darula, Z., Medzihradszky, K.F., Szabados, L., Fehér, A., Rigó, G., Cséplő, Á.: CRK5 Protein Kinase Contributes to the Progression of Embryogenesis of Arabidopsis thaliana., International Journal of Molecular Sciences. 10.3390/ijms20246120., 2019 | | Ildikó Valkai, Dézi B. Lajkó, Erzsebet Kenesi, Dalma Ménesi, Péter Borbély, Lászlo Bodai, Julius Durr, Attila Fehér: ROP GTPase-activated kinase signaling in Arabidopsis, Plant Biology Europe 2021 (Turin, Italy) 28.06-01-07., 2021 | | Ildikó Valkai, Dézi B. Lajkó, Dalma Ménesi, Györgyi Ferenc, Ferhan Ayaydin, Dana Tarkowská, Miroslav Strnad, Attila Fehér: The Arabidopsis receptor-like cytoplasmic kinase RLCK VI_A2 regulates cell elongation and plant growth, ICAR 2018 Abstract book 25 - 29 June 2018, Turku, Finland, 2018 | | Abu Imran Baba, Norbert András, Ildikó Valkai, Teréz Gorcsa, Lilla Koczka, Zsuzsanna Darula, Katalin F. Medzihradszky, László Szabados, Attila Fehér, Gábor Rigó and Ágnes Cséplo: AtCRK5 Protein Kinase Exhibits a Regulatory Role in Hypocotyl Hook Development during Skotomorphogenesis, International Journal of Molecular Sciences, 2019 | | Riyazuddin Riyazuddina, Krisztina Bela, Edit Horváth, Gábor Rigó, Ágnes Gallé, László Szabados, Attila Fehéra, Jolán Csiszár,: Overexpression of the Arabidopsis glutathione peroxidase-like 5 gene (AtGPXL5) resulted in altered plant development and redox status, Environmental and Experimental Botany, Volume 167, November 2019, 103849, 2019 | | Ildikó Valkai, Erzsébet Kénesi, Ildikó Domonkos, Ferhan Ayaydin, Danuše Tarkowská, Miroslav Strnad, Anikó Faragó, László Bodai, Attila Fehér: The Arabidopsis RLCK VI_A2 Kinase Controls Seedling and Plant Growth in Parallel with Gibberellin, International Journal of Molecular Sciences 2020, 21(19), 7266, 2020 | | Zsuzsanna Kolbert, Ágnes Cséplő, Erzsébet Kénesi, Dalma Ménesi, Éva Klement, Árpád Molnár, Gábor Feigl, Christian Lindermayr, Gábor Rigo, Attila Fehér: On the roles of NO in controlling auxin transport at the Arabidopsis root meristem, 8th Plant Nitric Oxide International Meeting (7th – 9th July, 2021) Szeged, Hungary (online), 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
