Nagy antioxidáns kapacitású, stressz- ill. betegségrezisztens kukorica nemesítési alapanyagok előállítása in vitro szelekciós módszerrel = Production of breeding stocks of maize with high antioxidant capacity and improved stress and pathogene resistance by in vitro selection.

A pályázat célja olyan in vitro szelekciós technika kidolgozása és tesztelése volt, mely lehetővé teszi haploid szövettenyészetekből kiindulva dihaploid, fertilis oxidatív károsodást előidéző stresszekkel szemben ellenálló genotípusok előállítását. Mintegy 60 000 db antérát helyeztünk különböző oxidatív stresszt indukáló vegyületeket (paraquat, menadion, t-BHP, metionin+riboflavin) tartalmazó indukciós táptalajra. Így sikerült előállítani 17 db fertilis DH0 növényt paraquat, 14 db növényt t-BHP-ot, 10 db növényt metionint és riboflavint, valamint 3 db növényt menadion tartalmú táptalajról. E növények utódainak fiziológiai vizsgálatával, in situ festési eljárással, az antioxidáns enzimrendszer részletes vizsgálatával igazoltuk, hogy a szelektált vonalak közül számos nagyobb oxidatív stressz toleranciával rendelkezik, mint a kontroll DH vonalak utódai vagy a kiindulásként használt A-18 hibrid. Az egyes genotípusok hideg- és szárazságtűrésének vizsgálata alapján találtunk olyan genotípusokat, melyek hideg, ill. magas hőmérséklet és szárazság ellen is nagyobb ellenállóságot mutattak, mint a kontrollok. Mindezen vizsgálatokkal igazoltuk, hogy mikrospórák in vitro szelekciója sikeresen megvalósítható oxidatív stressz-t indukáló vegyületek alkalmazásával, belőlük, fertilis dihaploid növények regenerálhatók, melyek közül számos igazoltan oxidatív és egyéb oxidatív módon ható stresszfajtákkal (hideg, szárazság) szemben toleránsabbak, mint a kontroll DH vonalak ill. A-18-s hibrid. | The aim of the project was to elaborate and test an in vitro selection technique based on haploid tissue cultures, allowing the development of fertile doubled haploid genotypes resistant to stress factors inducing oxidative damage. About 60,000 anthers were placed on induction medium containing various compounds inducing oxidative stress (paraquat, menadione, t-BHP, methionine+riboflavin). As the result of selection, the number of fertile DH0 plants developed from the various media was 17 for paraquat, 14 for t-BHP, 10 for methionine+riboflavin and 3 for menadione. Physiological analysis, in situ staining technique and antioxidant enzymes analysis on the progeny of these plants confirmed that many of the selected lines possessed greater oxidative stress tolerance than the progeny of control DH lines or of the A-18 hybrid from which the tissue culture was initiated. An analysis of the cold and drought tolerance of various genotypes showed that among the selected lines with satisfactory resistance there were genotypes exhibiting greater resistance both to cold or high temperature and to drought than the control. The investigations thus proved that the in vitro selection of microspores could be successfully carried out using compounds inducing oxidative stress, leading to the regeneration of fertile doubled haploid plants, many of which were significantly more tolerant to oxidative stress and to other stress factors acting in an oxidative manner (cold, drought) than the control

Oxidatív stressz-toleráns DH kukorica vonalak hideg -és szárazságtűrésének vizsgálata = Cold and drought tolerance of the progeny of DH maize lines selected and regenerated from microsopres under oxidative stress conditions

A pályázatban azt vizsgáltuk, hogy a korábban in vitro mikrospóra szelekcióval előállított oxidatív stressz-toleráns kukorica DH vonalak rendelkeznek-e fokozott hideg és szárazságtűréssel, ill. van-e összefüggés a növények fokozott oxidatív stressztoleranciája hátterében álló megnövekedett antioxidáns kapacitásuk, valamint a hideg és szárazságtűrésük között. A hidegtűrést csírázáskor ill. kisnövény korban, míg a szárazság hatását a virágzást megelőző ill. virágzás időszakában vizsgáltuk. Csírázáskor, ill. kisnövény korban alkalmazott hidegkezelés jelentős mértékben csökkentette a kukorica csírázóképességét ill. fotoszintetikus aktivitását. Az oxidatív stressztoleráns növények közül 7 vonal hideggel szemben is magasabb toleranciát mutatott, mint a kontroll DH és a hibrid növények. Szoros korreláció mutatható ki a fiziológiai paraméterek és a növények antioxidáns kapacitása között. A szárazság hatására bekövetkező RWC és fotoszintetikus paraméterek változásai, valamint a pollen és termésfejlődés alapján 6 oxidatív stressztoleráns DH vonal szárazsággal szemben toleránsabb volt, mint a kontroll DH és a hibrid növények. A szárazságtűrés mértéke és a növények prolin ill. antioxidáns kapacitása között a korreláció kisebb volt. Ezek a vizsgálatok azt mutatják, hogy lehetséges hideg- és szárazságtűrő kukorica DH vonalak előállítása mikrospórák in vitro szelekciójával oxidatív stresszt indukáló vegyületek alkalmazásával. | The aim of the project was to characterize the cold and drought tolerance of the progeny of DH plants selected and regenerated from microspores under oxidative stress condition and to determine the relationship between the tolerance of oxidative stress and cold or drought of the selected DH lines. Seedlings and young plantlets were used for determination of cold tolerance, and the effect of drought was studied on adult, preflowering and flowering plants. Our results presented that 7 of 14 oxidative stress tolerant DH plants were also tolerant to cold, and their cold tolerance was correlated with their antioxidant capacity determined by the activities of the main antioxidant enzymes, such as superoxide dismutase, ascorbate peroxidase, glutathione reductase, catalase and glutathione-S-transferase. The drought-induced changes in the physiological parameters of leaves and in the pollen and pistil development presented that 6 oxidative stress tolerant DH plant showed higher drought tolerance than the control DH and hybrid plants. However, the correlation between physiological (RWC, photosynthesis) and biochemical (antioxidant capacity, prolin content) parameters under drought stress conditions was less evident as was found for cold. Four of the oxidative stress tolerant plants presented both drought and cold tolerance. Our investigations demonstrated that the in vitro microspore selection is a potential way of improving cold and drought tolerance of maize

PEG-MEDIATED OSMOTIC STRESS RESPONSES OF WHEAT-BARLEY ADDITION LINES

Photosynthetic responses of three wheat-barley addition (add) lines exposed to PEG-induced drought stress and under rewatering period were investigated in order to improve wheat drought tolerance by the help of barley chromosomes. The wheat-barley disomic addition lines (2H, 3H, 4H) the wheat line (Triticum aestivum L. cv. ’Mv9kr1’) were found to have better responses to osmotic stress relative to the parental barley cultivar (Hordeum vulgare L. cv. ’Igri’). Addition lines with 2H and 4H chromosome from barley used similar strategy of acclimation to osmotic stress. These lines were able to avoid drastic water loss as well as exhibiting only a slight decrease in stomatal conductance (gs) in contrast to barley. At the same time, photosynthetic processes in 4H addition seemed to be more sensitive to the decreased relative water content (RWC) of leaves caused by 21% PEG resulting reduction in stomatal to non-stomatal limitation ratio and impaired recovery ability. 3H addition line could be characterized as the most dehydration tolerant among the examined lines on the basis of water wasting responses shown by high gs, decreased intrinsic water use efficiency and more successfully sustained shoot biomass production in contrast to root. Changes in Y(II) parameters were moderate in the addition lines indicating that the electron transport processes were not damaged by osmotic stress. Our results suggest that wheat line also avoided being dehydrated similar to 2H and 4H add but the relatively high RWC under severe water deficit was primarily due to the pronounced stomatal closure. Changes in shoot-root ratio and net CO2 assimilation rate (PN) was also similar to those in 4H add. Although the maintained root growth and strong decreased gs may be the indicators of drought avoidance in barley, in spite of these traits low RWC was observed which contributed to the significantly impaired PN primarily limited by the non-stomatal processes. Considering to drought sensibility, we concluded that barley genotype Igri is not the most suitable gene source for improving water stress tolerance of wheat but 2H addition line seemed to be more resistant to osmotic treatments than wheat and could be used in wheat breeding programs in the future

Gabonafélék petesejtjeinek és zigótáinak krioprezerválása = Cryopreservation of gametes in cereals

A pályázat célja a növényi petesejtek ill. zigóták krioprezelválási módszerének kidolgozása gabonaféléken. Meghatároztuk azokat a módszertani feltételeket (adaptációs közeg összetétele, ideje, krioprotektáns anyagok minősége, a fagyasztás módja és a rehidratáció körülményei), melyek segítségével 2 módszert is sikeresen alkalmaztunk növényi petesejtek és zigóták mélyhűtésére. Megállapítottuk, hogy a krioprezervációs módszer sikeressége nagymértékben függ a búza fajtájától. A hidegérézékeny Siete cerros petesejtek csak lassú hűtési eljárással, a hidegtűrő Mironovszkaja az un. vitrifikációs módszerrel is fagyaszthatók. A petesejtekre kidolgozott krioprezervációs módszert sikeresen alkalmaztuk zigóták mélyhűtésére is. Zigóták esetében 10-15%-al nagyobb hatékonyság érhető el. Kimutattuk továbbá, hogy - az aszkorbinsav kedvezően befolyásolja a petesejtek ill. zigóták túlélési képességét úgy a dehidratációs, mind a rehidratációs fázisban. - a krioprotektáns anyagok közül a DMSO, ellentétben számos szomatikus növényi szövettel és sejttel, toxikus hatású a petesejtekre. Helyette a PG sikeresen alkalmzaható. - az előkezelések alacsony hőmérsékleten (T=0°C) végzése mérsékli a krioprotektáns anyagok kedvezőtlen hatását. Strukturális vizsgálatokkal kimutattuk, hogy a krioprezerválás során a petesejtek ill. zigóták belső citoplazmaszerkezete jelentős mértékben árendeződik: az organellumok a plazma sejtmag körüli részén koncentrálódtak, míg a perifériális részen megjelent egy világosabban festődő, organellumokat alig tartalmazó citoplazmarégió. | The aim of the project was to elaborate cryopreservation methods for plant egg-cells and zygotes. The methodological conditions (composition of the adaptation medium, duration of dehydration, quality of cryoprotectants, freezing method, rehydration conditions) were elaborated for deep freezing of plant egg-cells and zygotes. The type of cryopreservation method required and the success with which it could be applied were found to depend greatly on the variety of wheat used in the experiments. While the egg-cells of the cold-sensitive variety Siete Cerros could only be frozen at a slow rate, the vitrification technique was more efficient for the cold-tolerant variety Mironovskaya 808. The cryopreservation method elaborated for egg-cells was also successfully applied to zygotes, where the success rate was 10-15% higher. Moreover, it was demonstrated that -ascorbic acid has a favourable influence on the survival rate of egg-cells and zygotes in both the dehydration and rehydration stages, -among the cryoprotectants tested, DMSO, which can be successfully applied to somatic plant tissues and cells, was found to be toxic to egg-cells, and had to be replaced by PG, -carrying out treatment at low temperature (0°C) reduced the negative effects of the cryoprotectants. Structural analyses revealed a rearrangement of the internal cytoplasm structure in egg-cells and zygotes during cryopreservation: the cell organelles became concentrated in the plasma region around the nucleus, while a more lightly stained cytoplasm region containing hardly any organelles appeared in the peripheral regions

Crosstalk between light‐ and temperature‐mediated processes under cold and heat stress conditions in plants

Extreme temperatures are among the most important stressors limiting plant growth and development. Results indicate that light substantially influences the acclimation processes to both low and high temperatures, and it may affect the level of stress injury. The interaction between light and temperature in the regulation of stress acclimation mechanisms is complex, and both light intensity and spectral composition play an important role. Higher light intensities may lead to over-excitation of the photosynthetic electron transport chain; while different wavelengths may act through different photoreceptors. These may induce various stress signalling processes, leading to regulation of stomatal movement, antioxidant and osmoregulation capacities, hormonal actions, and other stress‐related pathways. In recent years, we have significantly expanded our knowledge in both light and temperature sensing and signalling. The present review provides a synthesis of results for understanding how light influences the acclimation of plants to extreme low or high tem-peratures, including the sensing mechanisms and molecular crosstalk processes. © 2021 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland

Synthesis and role of salicylic acid in wheat varieties with different levels of cadmium tolerance

Wheat genotypes with different endogenous SA contents were investigated, in order to reveal how cadmium influences salicylic acid (SA) synthesis, and to find possible relationships between SA and certain protective compounds (members of the antioxidants and the heavy metal detoxification system) and between the SA content and the level of cadmium tolerance. Cadmium exposure induced SA synthesis, especially in the leaves, and it is suggested that the phenyl-propanoid synthesis pathway is responsible for the accumulation of SA observed after cadmium stress. Cadmium influenced the synthesis and activation of protective compounds to varying extents in wheat genotypes with different levels of tolerance; the roots and leaves also responded differently to cadmium stress. Although a direct relationship was not found between the initial SA levels and the degree of cadmium tolerance, the results suggest that the increase in the root SA level during cadmium stress in the Mv varieties could be related with the enhancement of the internal glutathione cycle, thus inducing the antioxidant and metal detoxification systems, which promote Cd stress tolerance in wheat seedlings. The positive correlation between certain SA-related compounds and protective compounds suggests that SA-related signalling may also play a role in the acclimation to heavy metal stress