Decoding Plant Stress Responses
- Reference number
- SB16-0089
- Start and end dates
- 170801-230731
- Amount granted
- 35 000 000 SEK
- Administrative organization
- Umeå University
- Research area
- Life Sciences
Summary
Large amounts of crop and forest production are lost every year to unfavourable weather conditions, and climate change will increase the volatility of weather patterns and this yield wastage. To develop plants that maintain yield under adverse conditions we need a mechanistic understanding of plant stress tolerance. We propose that plant stress responses are mediated by a central regulatory hub, the multiprotein Mediator. Mediator integrates different stress signals to control the expression of genes required for stress acclimation through direct interaction with transcription factors and cis-elements and/or through chromatin remodelling. To reveal the regulatory mechanisms of Mediator and to functionally define stress responses at all organisational levels we will construct a holistic model of plant stress responses by combining multilayer network algorithms and hidden Markov models. Integrating data from the different organisational levels, e.g. from the input signals, through the receiving mediator subunits and out to the changes in gene expression and the resultant stress response phenotype, will allow us to identify the molecular mechanisms giving rise to: 1) responses specific to a particular stress and 2) the trait cross tolerance. Our final comprehensive model will identify the key regulators with potential to enhance crop and tree productivity. The functional importance of these regulators will be experimentally tested in collaboration with SweTree Technologies AB.
Popular science description
Växter är grunden för världens matproduktion. En ökande befolkning och klimatförändringar kräver nya grödor som ger ökad avkastning också i påfrestande miljöer. Extrema temperaturer och begränsad vattentillgång är exempel på stress som minskar avkastningen i det globala jord- och skogsbruket. Vi saknar kunskap om vilka mekanismer som styr organismers svar på stress, men i huvudsak handlar det om förändrat genuttryck, så kallad transkription. Stressignaler registreras av receptorer på cellytan eller i organeller och signalerna överförs till cellkärnan. För att producera de proteiner som krävs för anpassning måste informationen i cellkärnans DNA skrivas om till RNA-kopior som översätts till proteiner. Genavläsningen styrs av reglerproteiner som binder nära den gen de ska reglera och effekterna förmedlas vidare av den så kallade Mediatorn, ett evolutionärt bevarat proteinkomplex som styr uttrycket av alla gener i eukaryota celler. Projektet fokuserar på Mediatorns roll i växters stressanpassning. Vår hypotes är att stressreaktioner på ett komplext och samverkande sätt leder till effekter i cellkärnan. De kan bestå av förändringar i DNA-molekylens 3D-struktur, i de proteiner som styr DNA-molekylens tillgänglighet, eller i de proteiner som styr avläsningen av enskilda gener, alla med stimulerande eller hämmande effekt på genavläsningen. Förändringarna måste koordineras så att mängderna av alla proteiner anpassas till miljön. Mediatorn utgör en knutpunkt som är involverad i alla tre regleringssteg, koordinerar signalerna och styr hur mycket av olika proteiner som bildas, så att celler kan anpassa sig till en föränderlig miljö. För att förstå hur det komplexa signalmönstret koordineras av Mediatorn för rätt effekt kommer vi med olika metoder att studera de inkommande signalernas effekt och effekterna av förändringar i Mediatorns sammansättning. Studierna kommer att omfatta olika typer av stress för normala celler och celler som saknar enskilda mediatorsubenheter. Eftersom metoderna genererar stora datamängder kommer vi att använda matematiska modeller och nätverksanalys för att identifiera de centrala processerna och proteinerna. Detta systembiologiska angreppssätt är nödvändigt för att kunna identifiera grundläggande mekanismer för hur celler anpassar sig. Resultaten ska användas för att på ett förutsägbart sätt producera växter som ger ökad avkastning också under extrema levnadsförhållanden.