Role of some N-containing compounds in chilling tolerance of maize

The paper reports on the effect of low temperature on the synthesis of a number of N-containing compounds in five inbred maize lines with different degrees of chilling tolerance. The compounds analysed are used as stress markers on the basis of their response to abiotic stress factors. The aim of the experiments was to obtain a better understanding of the role of these compounds in maize chilling tolerance. The results indicate that changes of various magnitudes occur in the quantities of putrescine, agmatine, glycine-betain and proline as the result of chilling treatment. The quantitative changes are correlated with the chilling tolerance of the given inbred maize lines. The alternative pathway of polyamine synthesis plays a substantial role in the development of the defence mechanism against low temperature

Effect of salt stress on the endogenous salicylic acid content in maize (Zea mays L.) plants

Two-week-old maize plants were treated with 50 or 100 mM NaCl for seven days. Leaves and roots were collected for measurements on salicylic acid and antioxidant enzyme activity on the 1st, 3rd and 7th days of treatment and after four days of recovery. The quantum yield of photosystem II decreased after 7 days in maize plants treated with 100 mM NaCl. There were no changes in the catalase and ascorbate peroxidase activity. The glutathione-S-transferase, glutathione reductase and guaiacol peroxidase activities increased. There were no changes in the level of endogenous free and bound salicylic acid. The free o-hydroxy-cinnamic acid (oHCA) content increased after 7 days in the leaves, while the bound oHCA level increased after 4 days of recovery. It has been concluded that oHCA may play an important role in stress processes

Alacsony hőmérsékleti stressztolerancia és antioxidáns aktivitás közti kapcsolat vizsgálata gabonaféléknél = Investigation of the connection between tolerance to low temperature stress and antioxidant activity in cereals

A kutatási munka célja a gabonafélék stressztűrő képességének kialakításában szerepet játszó szabályozási folyamatok jobb megismerése volt, különös tekintettel a reaktív oxigénformák mennyiségének szabályozását végző antioxidáns rendszerekre. Több gazdasági növény, elsősorban kukorica és búza esetében jellemeztük az antioxidáns enzimrendszerek hozzájárulását abiotikus stresszfaktorok elleni védelemben. Kimutattuk, hogy a különböző gabonafajok eltérő stratégiákat dolgoztak ki a reaktív oxigénformák mennyiségének szabályozásához. Igazoltuk a fény szerepét a búza maximális fagyállóságának kialakulásában. Ehhez kapcsolódóan bemutattuk a ciklikus elektrontranszportlánc, egyes antioxidánsok, a szalicilsav-metabolizmus, valamint a membránlipidek alakulását eltérő fényviszonyok melletti alacsony hőmérsékleti edzés során. Eredményeink azt mutatják, hogy a szalicilsavfüggő jelátviteli utak szerepének tanulmányozásakor nemcsak magára a szalicilsavra, hanem egyes prekurzorainak a változásaira is figyelemmel kell lenni. Mindemellett bizonyítottuk, hogy intakt levelekben az egy elektronátmenetet megengedő fényfelvillanás általi gerjesztés egy összetett termolumineszcencia sávot eredményez, melynek magasabb hőmérsékleti (40 °C körüli) komponense egy AG-sáv. Jellemeztük az AG termolumineszcencia sávot, és bemutattuk alkalmazását gazdasági növények stressztűrő képességének vizsgálatában. | The research aimed to obtain a better insight into the regulatory processes involved in the development of stress tolerance in cereals, with special regard to antioxidant systems that regulate the quantity of reactive oxygen species (ROS). The contribution of antioxidant enzyme systems to defence against abiotic stress factors was investigated in several crops, particularly maize and wheat. Different cereal species were found to have elaborated diverse strategies for the regulation of ROS quantities. Light was proved to play a role in the achievement of maximum frost resistance in wheat. In this connection, changes occurring in the cyclic electron transport chain, in various antioxidants, in the salicylic acid metabolism and in membrane lipids during low temperature hardening were investigated under varying light conditions. It was found that when studying the role of salicylic acid-dependent signal transduction pathways it is important to consider not only salicylic acid itself, but also changes in its precursors. In addition it was demonstrated that in intact leaves a single turnover flash resulted in a complex thermoluminescence band, the high temperature (~ 40°C) component of which is an AG band. The latter was analysed, and its application in determining the stress tolerance of crops was discussed

Az abiotikus és a biotikus stressz és stresszellenállóság kapcsolata növényekben = Abiotic and biotic stress interactions and the cross-tolerance phenomena in plants

Eredményeinkből egyrészt jól látszik az, hogy a növényt ért abiotikus stressz képes toleranciát előidézni egy következő abiotikus stressz, vagy oxidatív stresszt okozó kémiai kezelés kedvezőtlen hatásaival szemben (dohány alacsonyhőmérsékleti stressz, gabonafélék paraquat és hidrogén-peroxid kezeléses). Ez a fajta védelem azonban növényi kórokozók fertőzésével szemben nem, vagy csak nagyon korlátozott mértékben hatásos, valószínűleg ha a kórokozó iránt a növény fogékony (enyhe ozmotikus stressz csökkentette fogékony Bezosztaja-1 búzafajta érzékenységét a Drechslera tritici-repentis gomba fertőzésével szemben). Rezisztens kapcsolatok esetében viszont az előzetesen alkalmazott abiotikus stressz csökkentette a növény ellenállóságát (ozmotikus stressz hatása rezisztens M-3 búzagenotípus Dreschlera tritici-repentis, alacsony hőmérséklet hatása rezisztens Marshall búzafajta levélrozsda és alacsony hőmérséklet hatása inkompatibilis Xanthi-nc dohány TMV ellenállóságára). Arabidopsis thaliana-ban a NADPH-oxidázokat kódoló rboh gének, illetve az AtNOS1 (AtNOA1) gén közvetlenül vagy közvetve részt vesznek a ROF, és az NO képződésében. Mi olyan Arabidopsis mutánsokkal, és kettős mutánsokkal dolgoztunk, amikben az említett gének nem fejeződnek ki. Kimutattuk, hogy az AtNOS1 mutáns növények fejlődését jobban lelassítja tartós hidegkezelés (5 °C), mint a vad típusú növényekét, illetve ha idősebb korban helyezzük őket alacsony hőmérsékletre, akkor kevesebb antocián vegyületet halmoznak fel. | Our results strongly support the view, that an abiotic stress can induce tolerance in plants against the harmful effect of an other abiotic or chemically induced oxidative stress (low temperature stress of tobacco, paraquat or H2O2 treatment of cereals). This type of defense is not or only partly effective against plant pathogens, probably when the plant is susceptible to the pathogen (slight osmotic stress decreased sensitivity of the susceptible Bezosztaja-1 wheat to infection by Drechslera tritici-repentis). However, in the case of resistant interactions, the previously applied abiotic stress decreased resistance of plant (effect of osmotic stress on the resistant M-3 wheat genotype to Drechslera tritici-repentis, effect of low temperature on resistance of wheat Marshall to leaf rust and on resistance of incompatible Xanthi-nc tobacco to TMV). In Arabidopsis thaliana rboh genes encoding NADPH-oxidase, or the gene AtNOS1 (AtNOA1) directly or indirectly participate in production of ROS and NO. By using single or double mutants of A. thaliana not expressing the above genes we could demonstrate that development of AtNOS1 mutant plants was slowed down more by long-term cold treatment (5 °C) than of wild type plants, and at older age at low temperature they accumulate less anthocyanins

Természetes vegyület, az S-metilmetionin hatásának vizsgálata a paradicsom és a kukorica fiziológiai sajátságaira, biotikus és abiotikus stressztoleranciájára = Effect of the natural compound S-methylmethionine on the physiological characteristics, biotic and abiotic stress tolerance of tomato and maize

Az S-metilmetionin (SMM) stresszvédelemben betöltött szerepét vizsgáltuk. Megállapítottuk, hogy ez a természetes, nem proteinogén aminosav jelentős szerepet játszik a vizsgált növények abiotikus és biotikus stresszorokkal szembeni védekezőképességének kialakításában, a stressztolerancia növelésében. Közvetlenül szerepel a kénanyagcsere alapvető folyamataiban, befolyásolja poliaminok bioszintézisét, mint az S-adenozilmetionin prekurzora és mint aminopropil-donor vegyület membránvédő, stabilizáló hatású. Transzkripció szinten elősegíti a hidegstressz elleni védelemben központi szabályozóként működő, számos gén kifejeződését együtt szabályozó CBF transzkripciós faktorok expresszióját. Növeli az ugyancsak sokoldalú szabályozó és stresszvédő poliaminok, valamint az általános stresszvédelemben jelentős fenilpropanoidok (fenoloidok, antociánok) szintéziséért felelős gének expresszióját. Mindezek következményeként a metabolomikai szinten bekövetkező változások jelentős fiziológiai választ eredményeznek. Fontos szerepe van egy- és kétszikű növények vírusok elleni védelmében is, csökkentve a víruskoncentrációt, lassítva a vírusok terjedését és szaporodását a gazdanövényekben, amihez hozzájárulhat, hogy fokozza a hormonok és a stresszvédő kénvegyületek képzésében fontos szerepet betöltő S-adenozilmetionin szintéziséért felelős gén expresszióját. Az SMM hatására jellemző a priming hatás, ami előkészíti a növényt a stresszre és lehetővé teszi a gyorsabb és hatékonyabb stresszválaszt. | The present work aimed to reveal the multiple role of SMM in protection against biotic and abiotic stressors. We proved that this non–proteinogenic amino acid has an important function in the development of defence potential and in the improvement of stress and disease tolerance of examined plants. At the level of transcription SMM exerts its effect via central regulatory factor CBF, which influences the expression of number of genes during cold stress as a coordinator. The effect of SMM is chiefly manifested in its influence on the expression of CBFs that act as central coordinator in the regulation of number of genes during cold stress. In addition, SMM enhances the expression of regulatory and stress protecting polyamines and the expression of genes coding for proteins with beneficial influence in defence compound phenolics, for instance anthocyanins. The changes of gene expression result in changes of metabolomic and physiological processes of plants. SMM has an important role in biotic stress protection against both of TSWV virus of tomato and the MDMV virus of maize, decreasing the virus concentrations and moderating their replication in plant. This beneficial influence may be due to its effect in increasing the expression of gene responsible for S-adenosylmethionine synthesis, which is important in the synthesis of stress protecting compounds. We found that SMM characteristically affects due to a priming effect, resulting in faster and improved stress response

Abiotikus stressztényezők hatása a kukorica (Zea mays L.) anyagcseréjére és egyedfejlődésére = Effect of abiotic stress factors on maize (Zea mays L.) metabolism and plant development

Kutatásunk során a kénanyagcsere egyik meghatározó intermedierjének, az S-metil-metioninnak (SMM) alacsony hőmérsékleti stresszt csökkentő hatását tanulmányoztuk elsősorban kukoricában. Bizonyítottuk az SMM-indukált poliaminszintézis tényét nemcsak kukoricában, hanem más gazdasági növényekben is. Megállapítottuk, hogy a hidegre érzékeny beltenyésztett kukoricavonalakban nagyobb mennyiségben szintetetizálódik SMM hatására spermidin, mint a toleráns genotípusokban. Az SMM-indukált spermidin nemcsak a kukoricában, hanem más gazdasági növényekben (őszi búza, borsó, szója) is csökkenti a membránok károsodását, és ezen keresztül az ionkiáramlás mértékét. Igazoltuk az SMM fotoszintézisre gyakorolt pozitív hatását is, mert megnöveli a PSII hatékonyságát jellemző Fv/Fm hányadost, és megemeli az össz-klorofill mennyiségét a kukorica genotípusok leveleiben szuboptimális (6-10°C) hőmérsékleteken. Bizonyítottuk, hogy alacsony hőmérsékleti stressz során az SMM egyes antioxidáns enzimek aktivitását serkenti, így csökkentve közvetve a reaktív oxigénformák káros hatását. Részletesen tanulmányoztuk a poliaminszintézis kulcsenzimeinek (ADC, ODC, SAMDC) génexpresszióját 24 órás SMM, illetve SMM+hidegkezelés hatására. Megállapítottuk, hogy a legnagyobb változás az ADC expressziójában volt kimutatható. Igazoltuk, hogy mind a hideg, mind az SMM hatására már az első órától kezdve gyorsan emelkedett a CBF faktor expressziója is. | Investigations were made on the ability of S-methyl-methionine (SMM), an important intermediary compound in the sulphur metabolism, to reduce low temperature stress, especially in maize. The existence of SMM-induced polyamine synthesis was confirmed not only in maize, but also in other crops. It was found that larger quantities of spermidine were synthesised in response to SMM treatment in chilling-sensitive inbred maize lines than in tolerant genotypes. The SMM-induced spermidine reduced membrane damage, and consequently the extent of electrolyte leakage, not only in maize, but also in other crops (winter wheat, pea, soybeans). SMM was also demonstrated to have a positive effect on photosynthesis, since it increased the Fv/Fm quotient indicative of the efficiency of PSII and induced a rise in the total chlorophyll content in the leaves of maize genotypes at suboptimal (6?10°C) temperatures. In the course of low temperature stress SMM was shown to stimulate the activity of certain antioxidant enzymes, thus indirectly reducing the damaging effect of reactive oxygen species. Detailed studies were made on the gene expression of key enzymes in polyamine synthesis (ADC, ODC, SAMDC) as the result of 24-h treatment with SMM or SMM + chilling. The greatest change was detected in the ADC expression. Both chilling and SMM led to a rapid increase in the expression of the CBF factor within an hour of treatment.

szalai.indd

ABSTRACT Two-week-old maize plants were treated with 50 or 100 mM NaCl for seven days. Leaves and roots were collected for measurements on salicylic acid and antioxidant enzyme activity on the 1 st , 3 rd and 7 th days of treatment and after four days of recovery. The quantum yield of photosystem II decreased after 7 days in maize plants treated with 100 mM NaCl. There were no changes in the catalase and ascorbate peroxidase activity. The glutathione-S-transferase, glutathione reductase and guaiacol peroxidase activities increased. There were no changes in the level of endogenous free and bound salicylic acid. The free o-hydroxy-cinnamic acid (oHCA) content increased after 7 days in the leaves, while the bound oHCA level increased after 4 days of recovery. It has been concluded that oHCA may play an important role in stress processes

Antioxidant activity and chilling tolerance of young maize inbred lines and their hybrids

Six maize hybrids and their parental inbred lines, grown under controlled conditions, were tested for chilling tolerance using the chlorophyll fluorescence induction technique. The genotypes were ranked based on the decrease in the F v /F m parameter after chilling stress at 5°C. The activities of enzymes playing a role in stress defence mechanisms (catalase, glutathione reductase, ascorbate peroxidase, guaiacol peroxidase and glutathione-S-transferase) were determined in control plants and after 1 day of cold treatment. The results suggest that although there are differences between the genotypes in the activities of almost all the antioxidant enzymes, these differences do not reflect the differences in the chilling tolerance