Stressztoleranciát biztosító gének azonosítása a halofita Lepidium crassifolium-ból

Valkai Ildikó Anna
Stressztoleranciát biztosító gének azonosítása a halofita Lepidium crassifolium-ból.
[Thesis] (Unpublished)

[img]
Preview
PDF (disszertáció)
Download (2MB) | Preview
[img]
Preview
PDF (tézis)
Download (419kB) | Preview
[img]
Preview
PDF (tézis)
Download (427kB) | Preview

Abstract in Hungarian

Napjainkban a globális klímaváltozás következményei egyre nyilvánvalóbbak. Az emberiség számára komoly kihívást jelent és a jövőben is jelenteni fog az éghajlat átalakulása és instabilitása miatt okozott problémák megoldása. A Föld felszínének 11 százaléka áll mezőgazdasági művelés alatt és ennek a területnek a 25 százaléka alacsony termőképességű (FAO jelentés 2011). A talajok sótartalmának növekedése, a túlöntözés következtében fellépő nagyfokú szikesedés problémája, a talaj erózió és a sivatagosodás napjainkban egyre nagyobb kihívások elé állítja az emberiséget. A szikesedés több mint 100 országot és globálisan 1 milliárd hektár földterületet veszélyezteti (FAO jelentés 2015) míg a termőterületek folyamatos leromlása csaknem a szárazföldi területek egyharmadát érinti (Jarraud és mtsai., 2005). A növények számára a nem megfelelő körülményekhez való alkalmazkodás a fiziológiai és molekuláris folyamatok átprogramozásával jár és alapvető változásokat eredményez a génkifejeződési mintázatokban, az anyagcsere folyamatokban és a fehérje profilokban. A modell organizmusokon végzett kutatások számos olyan gént és szabályozó mechanizmust azonosítottak, amelyek szerepet játszanak a stresszhatások érzékelésében és a válaszként megjelenő anyagcserefolyamatok változásában (Ahuja és mtsai., 2010). A stresszérzékeny modellfajok, mint az Arabidopsis thaliana, használatának korlátozó tényezője, hogy nem vizsgálhatóak extrém körülmények között. Az extremofil növények, a xerofiták (extrém szárazságtűrő) és a halofiták (extrém sótűrő) olyan sivatagi körülmények között vagy magas sótartalmú talajokon is képesek megélni ahol egy nem adaptálódott faj egyedei elpusztulnak. A halofiták az összes növényfaj 1 százalékát teszik ki és képesek hosszabb távon elviselni a talajban 50-250mM nátrium klorid koncentrációt is, míg egyes halofiták a 600mM sókoncentrációt is tolerálják (Flowers és Colmer, 2008). A halofiták fiziológiai folyamatait széleskörben kutatták de a molekuláris szabályozó mechanizmusok kevésbé ismertek. Az Arabidopsis sótoleráns rokonával az Eutrema salsugineum-mal (korábban Thellungiela salsuginea) számos összehasonlító elemzést végeztek, amelyekben a halofitizmus genetikai és molekuláris hátterét kutatták (Amtmann, 2009) és több halofita genomja is ismerté vált. Az extermofil fajok természetes genetikai változatossága vonzó genetikai forrás lehet a gazdasági növények változó környezeti tényezőkkel szembeni toleranciájának fejlesztésében (Nevo és Chen, 2010). A fajok közötti géntranszfert azonban az inkompatibilitás akadályozza. A genomikus vagy cDNS könyvtárak transzformációja képes a véletlenszerű génátvitelre a különböző fajok között. Példát találunk E. salsugineum cDNS könyvtár (Du és mtsai., 2008), illetve bináris, bakteriális mesterséges Eutrema kromoszóma könyvtár (Wang és mtsai., 2010) kifejeztetésére Arabidopsis-ban. Mindkét esetben sikerült azonosítani olyan géneket amelyek az Arabidopsis sótűrő képességét javították. Munkánk során a laboratóriumunkban korábban kifejlesztett COS (Conditional cDNA Overexpression System) rendszer egy új változatát dolgoztuk ki. A COS rendszer segítségével lehetővé vált a gének véletlenszerű átvitele és irányított kifejeztetése Arabidopsis-ban. A rendszer alapja egy kémiailag indukálható promóter rendszer (Papdi és mtsai., 2008; Rigó és mtsai., 2012). A cDNS könyvtárat egy kevésbé ismert fajból, a Lepidium crassifolium-ból készítettük, amely a Brassicaceae család tagja és természetes élőhelyei Közép-Európa és Ázsia sós, szikes talajú vidékei. Kutatómunkánk eredményeként bebizonyítottuk, hogy a L. crassifolium cDNS-ek szabályozott kifejeztetésével képesek voltunk az Arabidopsis növények só-, ozmotikus és oxidatív stressztűrését javítani. A COS rendszer alkalmas a fajok közötti génátvitelre és arra, hogy kevésbé ismert fajokból is értékes géneket azonosítsunk.

Abstract in foreign language

Extreme environmental conditions limit plant growth and impose abiotic stress to plants. Land degradation, including desertification, drought and salinity affects around one third of the global land surface (Jarraud 2005). Adaptation of plants to suboptimal conditions requires extensive physiological and molecular reprogramming, leading to major changes in metabolic, proteomic and transcript profiles. Research on model organisms such as Arabidopsis thaliana and application of system biology approaches has identified a number of genes and regulatory hubs which control the networks linking stress perception and metabolic or developmental responses (Ahuja et al. 2010). However, study of a stress sensitive model has limitations in understanding tolerance to harsh environments. Extremophile plants, such as xerophytes and halophytes can grow in arid regions or on saline soils, which are otherwise lethal to nonadapted species. Halophytes represent 1% of all plant species; can optimally thrive in the presence of 50–250mM NaCl, whilst some withstand salt concentrations up to 600mM NaCl (Flowers and Colmer 2008). While the physiology of halophytes has been extensively studied, molecular regulation of the extremophile character still remains to be understood. Eutrema salsugineum (previously called Thellungiella salsuginea) is a salt tolerant relative of Arabidopsis, which has been used in a number of comparative studies to reveal the genetic and molecular basis of halophytism (Amtmann 2009). Natural genetic variability of extremophiles is an attractive genetic resource to improve tolerance of crops to adverse environments (Nevo and Chen 2010). Transfer of tolerance traits to other species is however usually hampered by incompatibility. Transformation of genomic or cDNA libraries can facilitate random gene transfer between different species. Examples include a cDNA library of E. salsugineum, expressed in Arabidopsis, leading to the identification of several Eutrema genes which improved salt tolerance (Du et al. 2008). A binary bacterial artificial chromosome library was used to transfer large genomic fragments of E. salsugineum to Arabidopsis and screen for salt tolerance (Wang et al. 2010). Here, we describe the novel version of the Conditional cDNA Overexpressing System (COS), which was developed to randomly transfer and express cDNA clones in Arabidopsis under the control of a chemically inducible promoter system (Papdi et al. 2008; Rigó et al. 2012). The cDNA library was derived from the less-known halophyte of the Brassicaceae family Lepidium crassifolium, which naturally grows on salty-sodic soils in Central Europe and Asia. Random transfer and overexpression of L. crassifolium cDNA in Arabidopsis could facilitate the identification of novel tolerance genes. Here, we demonstrate that regulated expression of several L. crassifolium cDNA could enhance salt, osmotic or oxidative stress tolerance of Arabidopsis. The COS system is therefore suitable for interspecific gene transfer and can be employed to identify valuable genes from less-known wild species.

Item Type: Thesis (PhD)
Creators: Valkai Ildikó Anna
Title of the thesis in foreign language: Gene mining in halophytes: functional identification of stress tolerance genes in Lepidium crassifolium
Divisions: Doctoral School of Biology
Discipline label: Natural Sciences > Biology
Defence date label: 2018. October 15.
Uncontrolled Keywords: cDNS könyvtár, COS rendszer, szárazságtűrés, sótűrés, génazonosítás, Lepidium crassifolium, halofiták,
Item ID: 9820
MTMT id: 30618343
doi: https://doi.org/10.14232/phd.9820
Date Deposited: 2018. May. 16. 11:00
Last Modified: 2020. Jun. 18. 12:43
Depository no.: B 6409
URI: http://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/9820
Defence/Citable status: Defended.

Actions (login required)

View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year