Intracelluláris stresszválaszok növényekben és azok leképezése: a nitrogén-monoxid szerepe = Intracellular stress responses in plants and their imaging: the role of nitric oxide

A nitrogén-monoxid (NO) hatékony jelátviteli molekula a növények környezeti hatásokra adott gyors válaszreakcióiban. Pályázatunkban a NO szerepét tanulmányoztuk: a gyökér architektúra fejlődésében ozmotikus stressz alatt; a fotoszintetikus elektron transzportlánc működésének szabályozásában és a nehéz fémek (NF) által előidézett stressz-válaszban. Az ozmotikus stressz- és az auxin-indukálta NO képződés különböző jellegű folyamatok a gyökér fejlődésében: az auxin-indukálta gyökér architektúra fejlődést a NO képződés párhuzamosan kísérte, ozmotikus stressz alatt ezt a folyamatot egy gyors, tranziens NO képződés előzte meg. Ez a tranziens búza esetében is megjelent. Arabidopsis nitrát reduktáz (NR) hiánymutánsok (nia1, nia2) és Atnoa1(korábban Atnos1) mutáns segítségével kimutattuk, hogy a NO forrása az auxin-indukálta gyökér fejlődés során a NR. A fotoszintetikus elektron transzportláncra vonatkozólag in vivo klorofill fluoreszcencia mérések szerint a NO gátolja a steady-state fotokémiai és nem-fotokémiai kioltási reakciókat és modulálja a reakciócentrumhoz kapcsolódó nem-fotokémiai kioltást. A különböző NF fajták, mint a Cu2+ és a Cd2+, különböző mértékben idézik elő a NO képződését. Réz ionok esetében két-fázisú kinetika jelent meg; a kezelés utáni az első 6 órában gyors NO tranziens után lassú, fokozatosan növekvő NO szint jelent meg. Ez a tranziens új jelenség, melyet még nem írtak le a növények nehézfém-stressz alatti válaszreakcióiban. | Nitrogen oxide (NO) is a potent signalling molecule in fast responses to environmental stimuli in plants. Three types of stress responses were investigated: the role of NO and its source in the development of root architecture under osmotic stress, in the regulation of photosynthetic electron transport, and in heavy metal (HM) stress responses. We found that osmotic stress- and the auxin-induced NO generations were distinct processes in root development in pea plants since changes in root architecture occurred in parallel with an intensified NO generation while under osmotic stress they were preceded by a transient burst of NO. The early NO burst appeared also in wheat. As for the source of NO, using nitrate reductase (NR)-deficient nia1, nia2 and Atnoa1(former Atnos1) mutants of Arabidopsis, we showed out that NR is responsible for exogenous auxin-induced NO synthesis. In the regulation of photosynthetic electron transport as studied by in vivo chlorophyll fluorescence detection, NO inhibited the steady-state photochemical and non-photochemical quenching processes and appeaed to modulate reaction-center-associated non-photochemical quenching. For the NO production the most effective metals were Cu2+ and Cd2+; in case of Cu2+, a fast NO burst appeared in the first six hours followed by a slower, gradual increase. The fast appearance of NO in the presence of cupric ions suggests a novel reaction hitherto not studied in plants under heavy metal stress

Ethylene signaling in salt stress- and salicylic acid-induced programmed cell death in tomato suspension cells

Salt stress- and salicylic acid (SA)-induced cell death can be activated by various signaling pathways including ethylene (ET) signaling in intact tomato plants. In tomato suspension cultures, a treatment with 250 mM NaCl increased the production of reactive oxygen species (ROS), nitric oxide (NO), and ET. The 10(-3) M SA-induced cell death was also accompanied by ROS and NO production, but ET emanation, the most characteristic difference between the two cell death programs, did not change. ET synthesis was enhanced by addition of ET precursor 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid, which, after 2 h, increased the ROS production in the case of both stressors and accelerated cell death under salt stress. However, it did not change the viability and NO levels in SA-treated samples. The effect of ET induced by salt stress could be blocked with silver thiosulfate (STS), an inhibitor of ET action. STS reduced the death of cells which is in accordance with the decrease in ROS production of cells exposed to high salinity. Unexpectedly, application of STS together with SA resulted in increasing ROS and reduced NO accumulation which led to a faster cell death. NaCl- and SA-induced cell death was blocked by Ca(2+) chelator EGTA and calmodulin inhibitor W-7, or with the inhibitors of ROS. The inhibitor of MAPKs, PD98059, and the cysteine protease inhibitor E-64 reduced cell death in both cases. These results show that NaCl induces cell death mainly by ET-induced ROS production, but ROS generated by SA was not controlled by ET in tomato cell suspension

Szalicilsav-indukált sóstressz rezisztencia paradicsomban: akklimatizáció vagy programozott sejthalál = Salicylic acid-induced improvement of salt stress resistance of tomato: acclimation or programmed cell death

A szalicilsav (SA) a paradicsom sóstressz akklimatizációját javító hatását korábban megvilágítottuk. Bár ezt kapcsolatba hozták a fotoszintézis hatékonyságának fokozódásával és az antioxidáns mechanizmusok aktiválódásával, megállapítottuk, hogy az e szempontból azonosan ható 10-7 és 10-4 M-os SA előkezelések közül csak a nagyobb koncentráció hatásos. Eközben a kontrollal azonos fotoszintetikus aktivitás mellett oldható cukrok akkumulálódnak, ozmotikus adaptáció történik a 10-4 M-os SA előkezelésnél, ami sókezelés mellett is megmarad. A sóstressz alatt az előkezelt növényekben megnövekedett fotoszintetikus aktivitás mérhető. Átmeneti oxidatív stressz után az előkezelés végén magasabb abszcizinsav (ABS) szinteket és különösen a gyökerekben magasabb aszkorbinsav és glutation mennyiségeket mértünk a magasabb SA koncentrációnál. Az ABS szintézis fokozódását a 10-4 M-os SA a zeaxanthin epoxidáz és egyes abszcizinaldehid oxidáz izoenzimek, míg az ABS a 9-cisz epoxikarotinoid dioxigenáz expressziójának fokozásával éri el. A sóstressz ebben az esetben egy ozmotikusan adaptálódott, magas ABS és nem enzimatikus antioxidáns tartalmú gyökérszövetet ér, ami előnyt jelent a kontroll állapothoz képest. A sikeres akklimatizációt mutatja a detoxifikációban szerepet játszó glutation transzferáz gének expressziójának növekedése is. A SA a sejtek programozott halálát elsősorban a reaktív oxigén formák (ROS) mennyiségének fokozásával, míg a sóstressz az etilén által indukált ROS növelésével éri el. | Our earlier results revealed the beneficial effect of salicylic acid (SA) on the acclimation of tomato to high salinity. It was suggested that SA effect was associated with enhanced photosynthesis and activation of the antioxidant system. However, both 10-7 and 10-4 M SA improved these physiological parameters but only 10-4 M SA could mitigate the salt stress injury. During „chemical hardening” the plants maintained photosynthetic activity at control level and became osmotically adapted by the accumulation of soluble sugars. This status was preserved under salt stress. Plants exposed to 10-4 M SA displayed the symptoms of transient oxidative stress, and accumulated abscisic acid (ABA) and non-enzymatic antioxidants, ascorbic acid and glutathione in the roots. The biosynthesis of ABA was controlled by SA by the increased expression of zeaxanthin epoxidase and abscisic aldehyde oxidases, while ABA enhanced the expression of 9’-cis-epoxicarotenoid dioxigenase autocatalitically. The root tissues exposed to 10-4 M SA have already been osmotically adapted, contained higher level of ABA and non-enzymatic antioxidants when they were exposed to salt stress. This ensures advantage for hardened plants compared to controls. The increased expression of glutathione transferases also contributes to successful acclimation of plants. Lethal concentrations of SA induced the death of cells (PCD) by the generation of ROS, while ethylene-generated ROS is a component of salt stress-induced PCD

Paradicsom (Lycopersicon esculentum Mill. L.) akklimatizációja ozmotikus és sóstressz hatására: kapcsolatok hormonhatások és jelátviteli utak között = Acclimation of tomato (Lycopersicon esculentum Mill. L.) to osmotic and salt stresses: crosstalk between hormonal regulation and signal transduction pathways

A szalicilsav (SA) előkezelés alkalmas volt a paradicsom növények ionos és nem ionos ozmotikus stressz akklimatizációjának javítására. Az SA önmagában is ozmotikus stresszt váltott ki, ami a második stresszor előtt már aktiválta a legfontosabb védekezési mechanizmusokat. Ezek első eleme az ozmotikus és/vagy térfogati adaptáció. A 100 mOsm PEG 6000-rel kiváltott ozmotikus stressz akklimatizációt már a 10-7 M-os előkezelés is javította, elsősorban az oldható cukrok akkumulációján alapuló előzetes ozmotikus adaptáció miatt. A 100 mM NaCl-dal kiváltott sóstresszel szemben a 10-4 M-os SA előkezelés volt hatékony, amely az antioxidáns enzimrendszereket, elsősorban az aszkorbát és guaiakol peroxidázt is aktiválta a gyökérben, és nem csökkentette drámaian a kataláz és a glutation reduktáz aktivitást. Ugyanez az előkezelés megnövelte a nem enzimatikus antioxidánsok, így a karotinoidok és a putreszcin mennyiségét a hajtásban, sóstressz alatt. Az SA indukálta az ABS szintézisét és akkumulációját az előkezelés során. Ezáltal már a második stresszor hatása előtt aktiválódik az ABS jelátvitel. Az ABS szintézisének fokozódása az abszcizinaldehid oxidáz AO1 izoenzime aktiválódásának következménye. Az SA előkezelés a termesztett paradicsomban a halofita vad paradicsomfajhoz, a L. pennelliihez hasonló fiziológiai változásokat indukált. Elősegítette a Na+ hajtásba irányuló transzportját és ott szervetlen ozmotikumként való felhasználását, ami a halofitákhoz hasonlóan megnövelte e relatív növekedési sebességet sóstressz alatt. | Pretreatments of tomato with 10-7 or 10-4 M salicylic acid (SA) improved the acclimation of plants to non-ionic osmotic stress and salt stress induced by 100 mOsm PEG 6000 or 100 mM NaCl, respectively. SA pretreatments resulted in an osmotic stress and as a consequence, a fast acclimation process and an enhanced resistance before the application of the second stressor. 10-7 M SA pretreatments resulted in an osmotic adaptation based on soluble carbohydrate accumulation. This proved to be effective for improving the acclimation to non-ionic osmotic stress. 10-4 M SA pretreatment induced antioxidative defence mechanisms, first of all it enhanced the activity of ascorbate peroxidase and guaiacol peroxidase in the roots. In the presence of 100 mM NaCl, the glutathione reductase activity of the plants remained high in the roots, and they also could maintain high levels of non enzymatic antioxidants, such as carotenoids and a polyamine, putrescine in the shoots. This enabled plants to acclimate successfully to salt stress. SA pretreatments induced the biosynthesis and accumulation of abscisic acid (ABA). This was based on the enhanced activity of abscisic aldehyde oxidase 1, an isoenzyme, converting abscisic aldehyde to ABA in the root tissues. Thus, the induction of ABA signal transduction and expression of ABA regulated genes had been occurred in SA-pretreated plants before salinization. SA pretreatments made the physiological response to salt stress of L. esculentum similar to that of L. pennellii, a Na+ accumulating, halophitic wild tomato species

Gabonafélék stresszadaptációját befolyásoló jelátviteli folyamatok tanulmányozása = Investigation of signal transduction processes during stress adaptation in cereals

Ritka az olyan év hazánkban, hogy ne kelljen valamilyen súlyos gazdasági következményekkel járó káros környezeti tényezővel számolni. A tervezett kísérletek célja az volt, hogy jobban megértsük a növények változó környezetre adott válaszreakcióit. A munka első fázisában gabonafélék hidegedzése során vizsgáltuk a fény hatását. Megállapítottuk, hogy normál hőmérsékleten, de magasabb fényintenzitáson is elérhető valamilyen edzettségi fok, még ha nem is ugyanakkora, mint alacsony hőmérsékleten normál fényviszonyok között. Az őszi búzák normál hőmérsékleten magasabb fényintenzitással is jobban edzhetőek, mint a tavaszi fajták. A fénynek a búza fagyállóságának kialakulásában betöltött szerepének jobb megismeréséhez micorarray módszerrel összehasonlító génexpressziós vizsgálatot is végeztünk. A fényfüggést mutate gének nagy része a fotoszintetikus apparátus működését érintette, de ezek mellet több jelátviteli, hormonális folyamatokhoz kapcsolható, valamint stressztűrésben szerepet játszó gént is találtunk. Az különböző aszkorbát (AA) és szalicilsav (SA) metabolizmusú Arabidopsis növényekkel folytatott kísérletek eredményeként azt kaptuk, hogy a szabad és kötött SA szintje az aszkorbát hiányos mutánsban szignifikánsan magasabb, míg a SA-hoz kötődő genotípusokban szignifikánsan alacsonyabb volt, a vad típusban tapasztaltakhoz képest. Ezek a tények arra engednek következtetni, hogy a SA képes lehet az AA-hiány kedvezőtlen hatásainak kiegyenlítésére hidegstressz alatt. | There are few years when Hungary does not face severe economic losses related to environmental factors. The main aim of the experiments is to obtain a better understanding of the responses given to the changing environment. The first phase of the work will investigate the role of light during the frost hardening of cereals. Wheat plants were hardened at normal temperature under high light condition but it was less pronounced than at low temperature under normal light condition. Spring wheat varieties can be hardened less at normal temperature at high light than the winter varieties. Gene expression was also studied (using microarray) for better understanding of the role of the light during cold hardening. The most light-dependent gene was related to the photosynthesis, signalling, plant hormones and protective compounds. Using Arabidopsis mutants with different salicylic acid (SA) and ascorbate (AA) level it was found that the free and bound SA level was higher in AA deficient and lower in SA mutants significantly compared to the wild type. It can be conclude from these results that SA can compete the unfavourable effects of AA deficiency under cold stress