A PlantSize fenotipizáló program alkalmazása az abiotikus stressztoleranciát biztosító SPQ gének funkcionális jellemzésére

Faragó Dóra
A PlantSize fenotipizáló program alkalmazása az abiotikus stressztoleranciát biztosító SPQ gének funkcionális jellemzésére.
[Thesis] (Unpublished)

[img] PDF (disszertáció)
Restricted to Repository staff only until 2021. September.

Download (3MB)
[img] PDF (tézis)
Restricted to Repository staff only until 2021. September.

Download (654kB)
[img] PDF (tézis)
Restricted to Repository staff only until 2021. September.

Download (259kB)

Abstract in Hungarian

A COS rendszer segítségével Lepidium crassifolium-ban sikeresen azonosítottunk egy kis fehérjét (Small Paraquat Resistance protein, LcSPQ), melynek túltermeltetése az Arabidopsis thaliana transzgenikus növényekben paraquat rezisztenciát eredményezett. A LcSPQ homológjainak azonosítása révén azt találtuk, hogy SPQ típusú gén minden, a különböző adatbázisokból elérhető, genomszekvenciával rendelkező és általunk vizsgált növényben megtalálható. Az AtSPQ gén expressziójának megemelése szintén paraquat rezisztenciát eredményezett, míg a gén funkcióvesztéses mutációja (spq1) enyhe érzékenységet okozott. A 69 illetve, 70 aminosavból álló, citoplazmában lokalizált LcSPQ illetve AtSPQ fehérjék fokozott aktivitása nem csak paraquat rezisztenciát eredményezett, de megnövelte ABS hormonnal szembeni érzékenységüket is, míg az spq1 mutáns abszcizinsav toleranciát mutatott. Mind a Lepidiumból mind az Arabidopsisból származó SPQ fehérjét túltermelő növények megemelkedett ellenállóképességet mutattak a vízhiány okozta szárazságstresszel szemben. A transzgenikus növények jobban túlélték a kiszáradást és fotoszintetikus elektrontranszportjuk is stabilabb maradt, mint a vad típusú Arabidopsis növényeknek. Bár a pontos molekuláris funkciója ezeknek a kis fehérjéknek nem ismert, az egyértelmű, hogy többféle stresszel kapcsolatos szabályozó mechanizmust befolyásolnak. További jellemzésük a szárazságtűréssel kapcsolatos agrobiotechnológiai alkalmazások kifejlesztéséhez vezethet. A számítógépes képelemzés egyre elterjedtebb vizsgálati módszer, segítségével egyszerűen és gyorsan nyomon követhetjük a növények fejlődése során bekövetkező változásokat. Munkánk során egy olyan nem destruktív módszert fejlesztettünk ki, mellyel információt szerezhetünk az Arabidopsis thaliana növények morfológiai és fiziológiai paramétereiről. A rozetta morfológiai jellemzőinek meghatározása során lineáris kapcsolatot találtunk annak mérete és friss tömeg között, és hasonló tendenciát figyeltünk meg a friss tömeg és a pixel számok növekedése között is. A klorofill-tartalom meghatározása során pozitív korrelációt állapítottunk meg a növények Hue értéke (színárnyalat) és a mért klorofill tartalom között, míg az antocián tartalom esetében inverz összefüggést találtunk. A PlantSize alkalmazással egyszerűen és költséghatékonyan kaptunk adatokat az növények rozetta méretéhez köthető paramétereinek (terület, konvex hull, lefedettség, friss súly) valamint a klorofill és antocián tartalmának változásáról. A program és a kidolgozott analitikai módszer segítségével hatékonyan és pontosan tudtuk a stresszhatások következményeit vizsgálni, a Lepidium cDNS klónokat túltermelő transzgenikus növények növekedését, élettani jellemzőit nem destruktív módon tanulmányozni, stressz toleranciájukat jellemezni.

Abstract in foreign language

The Small Paraquat resistance protein (SPQ) of Lepidium crassifolium has previously been identified due to its capacity to confer paraquat resistance to overexpressing transgenic Arabidopsis plants. LcSPQ overexpression of the closely related but previously unknown Arabidopsis SPQ can also enhance resistance to paraquat, while the knockout Arabidopsis mutant is slightly hypersensitive to this herbicide. The AtSPQ and LcSPQ proteins are composed of 70 and 69 amino acids, respectively, and both of them are localized in the cytosol. Besides being implicated in paraquat response, overexpression of SPQs enhance sensitivity to abscisic acid (ABA), while the T-DNA insertion of AtSPQ is insensitive to ABA. As consequence of ABA hypersensitivity, SPQs can considerably improve drought tolerance by reducing water loss, stabilizing photosynthetic electron transport and enhancing plant survival in water-limited environment. Although deciphering the precise biological function of SPQ proteins requires further studies, our data suggest, that SPQ proteins has pleiotrop function connecting multiple regulatory pathways in stress responses. Enhancement of drought tolerance and paraquat resistance through increased expression of the SPQ genes can have agrobiotechnological perspectives in crop plants. Image analysis of plants through color imaging is an increasingly popular method to define growth parameters, characterize plant development in time. We have developed a non-invasive method, which simultaneously measures basic morphological and physiological parameters of in vitro cultured plants such as Arabidopsis thaliana. Changes of plant size, shape and color is monitored by repeated photography with a commercial digital camera. Images are analyzed with the Matlab-based computer application PlantSize, which simultaneously calculates several parameters including projected rosette area (pixel area, fresh weight, convex area and ratio), and color (chlorophyll and anthocyanin contents). Numerical data are exported in MS Excel format. Subsequent data processing provides information on growth rates, chlorophyll and anthocyanin contents. The developed technology offers a simple, affordable and fast way to measure several morphological and physiological parameters of Arabidopsis plants. The methods are based on non-destructive imaging allowing repeated measurements and monitoring changes of various growth parameters in time. Using the PlantSize technology we were able to study precisely the effects of different stress conditions on Arabidopsis plants and characterize growth and basic physiological parameters of transgenic Arabidopsis plants, expressing Lepidium cDNA clones, which modulate their stress tolerance.

Item Type: Thesis (PhD)
Creators: Faragó Dóra
Title of the thesis in foreign language: Application of PlantSize phenotyping software for functional characterization of SPQ genes which confer abiotic stress tolerance
Divisions: Doctoral School of Biology
Discipline label: Natural Sciences > Biology
Defence date label: 2019. November 28.
Additional Information: Embargó lejárta: 2021. szeptember
Item ID: 10252
MTMT id: 31270131
doi: https://doi.org/10.14232/phd.10252
Date Deposited: 2019. Sep. 23. 11:43
Last Modified: 2020. Apr. 02. 14:47
Depository no.: B 6556
URI: http://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/10252
Defence/Citable status: Defended.

Actions (login required)

View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year