Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences)
80 %
Horticulture (Council of Complex Environmental Sciences)
20 %
Ortelius classification: Gardening
Panel
Complex agricultural sciences
Department or equivalent
Insitute of Biology (University of Pécs)
Participants
Czégény, Gyula Hideg, Éva Kőrösi, László Tamás Rácz, Arnold
Starting date
2018-10-01
Closing date
2023-03-31
Funding (in million HUF)
37.252
FTE (full time equivalent)
4.47
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az UV (280-400 nm) sugárzás fontos fejlődésbiológiai jel és információforrás a növények számára, de ugyanakkor potenciális oxidatív stresszor. Az elmúlt évek kutatásai azt bizonyítják, hogy az alacsony dózisú UV sokrétű alkalmazkodási válaszokat vált ki a növényekben, melyek magukban foglalják a levelek antioxidáns képességének emelkedését. Ebben fontos szerepet játszanak az UV-kezelt levelekben nagyobb mennyiségben jelen levő fenolos vegyületek, illetve antioxidáns enzimek. Utóbbiak közül, saját kutatásaink alapján, kulcsfontosságúak a peroxidázok. Az UV-hoz alkalmazkodott, jobb antioxidáns tulajdonságú növények ellenállóbbak lehetnek az UV kezelést követő más stressz hatásokkal szemben, ami különösen fontos a kontrollált körülmények között (üvegházban, nevelő kamrában) nevelt fiatal növények szabadföldi kiültetésekor. A potenciálisan kedvező élettani hatásokat azonban eddig csak széles spektrumú UV besugárzással vizsgálták. Munkánk célja ezen hatások akciós spektrumainak meghatározása. Ehhez az UV nagy energiájú komponenseit fokozatosan kiszűrő fóliákat, illetve speciális szűrőket alkalmazunk. A tervezett nemzetközi kooperáció elérhetővé tesz egy harmadik megközelítést is, az UV spektrum egyes szegmenseinek alkalmazását a közreműködő írországi laboratóriumban kifejlesztésre kerülő UV-LED fényforrások segítségével. A tervezett munka során Arabidopsis, dohány és csemege paprika palánták alkalmazkodási válaszait jellemezzük az UV akciós spektrumokkal. Az eredmények lehetővé teszik, hogy a széles sávú (potenciálisan károsító) UV besugárzás helyett kizárólag a leghatékonyabb spektrum tartományban alkalmazott megvilágítással fokozzuk a növények ellenálló képességét.
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. Kutatásunk alap kérdése annak megállapítása, hogy milyen mértékben segítik elő a különböző UV hullámhosszak a levelek alkalmazkodási válaszait. Ehhez a HPLC-vel meghatározott fenolos vegyület összetétel, az antioxidáns profil (többszempontos teljes kapacitás, ROS specifikus nem enzimatikus kapacitás és peroxidáz enzim), továbbá a fotoszintetikus elektron transzport (fotokémiai hatékonyság és különböző nem fotokémiai kioltási utak) változásának akciós spektrumait határozzuk meg. Ezzel megállapíthatjuk, melyek a leghatékonyabb UV hullámhosszak az alkalmazkodási válaszok elérésére. Ezen alapkutatási eredmény alkalmazásaként megvizsgáljuk azt a mezőgazdaságilag is fontos kérdést, hogy az UV előkezelés javítja-e a növények ezt követő stressz tűrését, használható-e az üvegházi előnevelése során a fiatal növények ellenállóbbá tételére, például a későbbi szállítás, átültetés, vagy egyéb környezeti stressz hatások csökkentésére. Ehhez csemege paprika (Capsicum annum var. grossum) palántákat használunk, az UV előkezelést az akciós spektrumok alapján kiválasztva, majd az előkezelt növények morfológiai változásait és szárazság stressz válaszait vizsgáljuk.
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! Az alacsony dózisú UV sugárzás kedvező növényélettani hatásainak akciós spektruma jelenleg ismeretlen. A kutatás során ezek meghatározásával kijelölhetőek a leghatékonyabb UV hullámhosszak, melyekkel a kívánt hatás (például az antioxidáns tulajdonságok javítása) elérhető, a kezelés azonban nem károsítja a növényeket, illetve csökkenti az üvegházakban dolgozók UV terhelését. A magyarországi kutatás feltárja a speciális UV szűrőkkel elérhető lehetőségeket, a nemzetközi együttműködésben pedig a legújabban kifejlesztésre kerülő, a korábbiaknál megbízhatóbb és gazdaságosabb UV-LED technológia tanulmányozása válik elérhetővé.
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. Az ultraibolya (UV) sugárzásnak fontos szabályozó szerepe van a növények növekedésében és élettani állapotában. Alacsony dózisban az UV képes megemelni a speciális anyagcseretermékek (fenolos tulajdonságú vegyületek) és bizonyos enzimek (antioxidánsok) mennyiségét a növények leveleiben. Ezek a változások a növényeket ellenállóbbá tehetik a különféle környezeti stressz hatásokkal szemben. Ez az előnyös hatás az UV kezelés után elég hosszú ideig megmaradhat ahhoz, hogy például az üvegházban nevelt fiatal növények jobban viseljék a szállításból, az átültetésből vagy az új, szabadföldi környezetből eredő stressz hatásokat. A növények UV besugárzással történő előkezelés lehetősége egy nemrégiben felmerült, még kutatás alatt álló lehetőség a mezőgazdasági gyakorlatban. Az ezzel kapcsolatos kutatásokat eddig széles spektrum tartományú UV lámpákkal végezték. Ismeretlen tehát, hogy az UV sugárzás spektrumának mely része okozza a leghatékonyabb változást. A kutatásunk célja, hogy megválaszoljuk ezen kérdést, az ún. akciós spektrum meghatározásával. Az élettani kutatásokban elterjedt modell növények mellett csemege paprika palántákat használunk, és a növénynevelő kamrákban a látható fény mellett különböző UV hullámhossz tartományokkal világítjuk meg ezeket, a széles sávú UV lámpák fényét speciális szűrőkkel korlátozva. Ezen felül, egy nemzetközi kooperáció keretében kifejlesztésre kerülő UV LED fényforrásokkal is kísérletezünk majd. Az eredmények elősegítik, hogy a célzottan alkalmazott UV kezelés segítségével magasabb antioxidáns szinttel rendelkező, ellenállóbb növényeket neveljünk.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The aim of the work is to establish action spectra of UV-inducible defence pathways of acclimative responses in Arabidosis thaliana, tobacco (Nicotiana tabacum) and in bell pepper (Capsicum annuum) leaves. We are going to use broad band UV sources in combination with various filters in Hungary and UV-LED growth boxes in Ireland in order to increase leaf phenolic contents and corresponding ROS neutralizing capacities, as well as enzymatic antioxidant defence leaves and determine most effective UV wavelength. Bell pepper seedlings will be subjected to a selective UV pre-treatment using the most efficient wavelength based on the above experiments. In addition to measuring UV-induced morphological changes potentially supporting transportation tolerance, the drought tolerance of the seedlings will also be examined.
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. Which UV wavelength is the most effective to promote the photo-activation of antioxidant defence in leaves? Based on our previous results, acclimation to low doses of broad band UV radiation is mainly achieved via increased phenoloid (especially flavonoid) biosynthesis and a selective enhancement of peroxidase activity. Distinct UV wavelengths are expected to achieve protection by means of distinct photoreceptors or by other ways, for example through ROS signalling. Establishing action spectra of acclimative-protective responses will help answering these basic, exploratory research questions. Plants with higher antioxidant capacities are expected to be more tolerant to stresses other than UV, too. A practical, agriculture relevant question is whether UV can be exploited in preconditioning plants, especially those grown indoors to resist subsequent stress imposed by transportation, transplantation and/or outdoors conditions.
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. Action spectra of leaf acclimation to UV by enhanced antioxidant are largely unknown. In addition to establishing the above as original results, finding the most effective wavelength region to increase tolerance to potential oxidative stressors in general will promote the application of selective UV wavelengths only, without risking side effects by other wavelength either in plants or in greenhouse personnel. UV-LED technology is becoming more reliable and affordable, and action spectra of plant responses will be required in order to choose the appropriate narrow waveband sources.
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. Ultraviolet (UV) radiation is an important regulator of plant development. Low doses are capable of increasing the amounts of special metabolites (phenolic compounds) and specific enzymes (antioxidants) in plant leaves. These changes make the plant more tolerant to a variety of stress conditions. Such beneficial effect may last long enough after the UV treatment to help young plants overcome the stress of transport and tranplantation, for example being propagated from greenhouse to outdoors. The application of UV as such photo-fertilizer is an emerging new concept in modern agriculture and it is usually achieved utilizing broad band UV lamps. However, it is not known which part of the UV spectrum is most effective to bring about these favourable changes. The aim of the proposed research is to answer this question, by measuring action spectra. During experiments in Hungary we will grow model plants and bell pepper seedlings under visible light supplemented with UV lamps with various filters removing parts of the UV spectrum. To complement this, and an international collaboration, supported by a Science Foundation of Ireland grant to Prof Marcel Jansen at UCC will provide the opportunity to use special narrow band UV sources and grow plants under visible light plus sleceted small parts of the UV spectrum. Results are expected to allow the use of the minimum necessary UV treatment to grow stronger, more antioxidant-rich plants.
Final report
Results in Hungarian
A projekt keretén belül speciális metabolitok (flavonoidok és fenolos savak) UV indukálhatóságát vizsgáltuk, azonban a pandémiára való tekintettel egyéb kísérleteket is el kellett végeznünk. Eredményeink azonban alátámasztják azon megállapításokat, hogy a vizsgált modellnövényeink esetében (Arabidopsis thaliana, Nicotiana tabacum, Capsicum annuum) az UV jelentős mértékben indukálta a fent említett vegyületek mennyiségét, azonban különféle mértékben. Kísérleteinkhez UV szűrő fóliákat és UV fénycsöveket használtunk. Nicotiana tabacum esetében a minor komponensek mutattak jelentős változást, ugyanis UV-B kezelés után nevelőkamrás kísérletek során koncentrációjuk jelentősen megsokszorozódott (cryprochlorogénsav, p-kumársav, quercetin-3-O-glucoside). Alternatív kísérletünkben megállapítottuk (kooperációs partner), hogy a fenolos tulajdonságú vegyületek az átültetés során bekövetkező szárazság stressztől is védik a növényt, koncentrációjuk megemelkedésével.
Results in English
Within the framework of the project, we investigated the UV inducibility of special metabolites (flavonoids and phenolic acids) however, due to the pandemic (SARS-CoV-2) we also had to perform other experiments in the topic. However, our results support the findings that, in the case of our model plants (Arabidopsis thaliana, Nicotiana tabacum, Capsicum annuum), UV significantly induced the amount of the above-mentioned compounds, but to different extents. We used UV filter foils and UV tubes for our experiments. In the case of Nicotiana tabacum, the minor components showed the significant change, as their concentration increased significantly after UV-B treatment (cryprochlorogenic acid, p-coumaric acid, quercetin-3-O-glucoside), during grown chamber experiments. In our alternative experiment (cooperation partner), we established that phenolic compounds also protect the plant from the drought stress that occurs during transplanting, by increasing their concentration.
Csepregi K, Czégény Gy, Rácz A, Hideg É: Improving the stress tolerance of pepper seedlings via manipulating secondary metabolites with UV irradiation, 2019 ESP-IUPB World Congress Book of Abstracts p.399, 2019
Csepregi K, Czégény Gy, Rácz A, Hideg É: Comparison of UV-induced metabolic changes in leaves of three tobacco (Nicotiana tabacum) cultivars indoors and outdoors, Plant responses to UV radiation - Diversity in time and space Abstract book p. 35, 2020
Czégény Gy, Csepregi K, Dernovics M, Winkler J B, Hideg É: UV-pre treatment modifies the effect of low temperature on bell pepper seedlings, 4th Network Meeting of the UV4Plants Association Abstract book p 29, 2022
Rácz A, Hideg É: Arabidopsis leaf antioxidant responses to 311 nm UV-B, 4th Network Meeting of the UV4Plants Association Abstract book p 31, 2022
Csepregi K, Rácz A, Czégény Gy, Hideg É: UV-induced changes in phenolic and antioxidant profiles of Nicotiana tabacum leaves outdoors and in a growth chamber, 19th Congress of the European Society for Photobiology Book of Abstract p. 97, 2021
Czégény Gy, Csepregi K, Dernovics M, Winkler JB, Hideg É: UV pre treatment modifies the effect of low temperature on bell pepper seedlings, 4th Network meeting of the UV4Plants association Book of Abstract p 29, 2022
Gaia Crestani, Natalie Cunningham, Kristóf Csepregi, Uthman O. Badmus, Marcel A. K. Jansen: From stressor to protector, UV-induced abiotic stress resistance, Photochemical and Photobiological Sciences, 2023
Rácz Arnold, Czégény Gyula, Kutyáncsánin Damir, Nagy Nikolett, Hideg Éva, Csepregi Kristóf: Fight against cold: photosynthetic and antioxidant responses of different bell pepper cultivars (Capsicum annuum L.) to cold stress, Biologia Futura, 2023
