Analysis of cold stress response in cold-related mutants of Arabidopsis

Abstract

Pretreatment of plants with cold stress alters their ability to manage their response to subsequent stress, resulting in greater tolerance, so-called ‘cold acclimation’. To understand the mechanism of cold acclimation and to identify genes which are important in enhancement of freezing tolerance, gene expression patterns of cold-related mutants of Arabidopsis were investigated at transcription level. The gene expression profiles of two forward genetic mutants; esk1, a freezing-tolerant mutant, and chs1, a chilling-sensitive mutant, were monitored by using a 1.5K cDNA microarray specialized for cold stress research and compared to those of wild type plant. In esk1 mutant, 25 genes, including P5CS, beta-1,3-glucanase, beta-amylase, and glutathione S transferase, glutathione reductase were up-regulated compared to wild type even without cold stimulation. Most of them were up-regulated in wild type in response to cold stimulus. In chs1 mutant, 38 genes, including chlorophyll a-b binding protein family, photosystem subunit precursor, LTI78, LTI30, and dehydrin family proteins, were down-regulated compared to that of control plant without cold stimulation. Many genes of them were also induced after cold treatment. The expression profiles of 15 T-DNA insertion mutants, reverse genetic mutants, selected from freezing test based on previous microarray data in this lab, were examined. Among 15 mutants, 4 mutants were freezing-tolerant and 11 mutants were freezing sensitive. The perturbed genes in these T-DNA insertion mutants were inferred to have an important role in enhancing freezing tolerance. In freezing tolerant T-DNA insertion mutants, 82 well-known cold related genes such as COR 47, ERD10, COR15, and KIN1 were up-regulated compared to wild type. In freezing sensitive T-DNA insertion mutants, 107 well-known cold related genes such as P5CS, proline rich protein, and CBF transcription factor were down-regulated compared to wild type. So these alterations without cold treatment were accompanied by corresponding changes in the tolerance of freezing stress suggesting that the potential relevancy of these changes to cold acclimation in Arabidopsis. From the analysis of the cold-responsive gene expression patterns of forward genetic mutants and reverse genetic mutants, several results were suggested. In freezing tolerant mutants, many genes that were induced in response to cold treatment in wild type were up-regulated without cold treatment compared to wild type. In contrast, in freezing sensitive mutants, many genes were down-regulated without cold treatment compared to wild type and not induced after cold treatment. The results indicated that the up-regulation of cold-responsive genes without cold treatment could be a strategy to enhance freezing tolerance. However, it would be necessary to investigate with more mutants to know whether it can be generally applicable in other freezing sensitive or tolerant mutants.; 식물체에 저온 스트레스를 미리 처리하는 것은 그 이후의 스트레스에 대한 그들의 반응을 다루는 능력을 변화시켜 보다 큰 내성을 갖게 되고, 이러한 과정을 ‘저온 순화 (cold acclimation)’ 라고 한다. 이러한 저온 순화의 기작(mechanism)을 이해하고 저온 내성의 증진에 중요한 유전자를 발굴하기 위해 애기장대의 저온 관련 돌연변이체에서의 유전자 발현 양상을 전사단계에서 조사하였다. 두 가지 forward genetic 돌연변이체-저온 내성 돌연변이체인 esk1와 저온 민감성 돌연변이체인 chs1-의 유전자 발현 양상을 저온 스트레스 연구를 위한 약 1500개의 유전자로 구성된 cDNA microarray를 이용하여 야생형의 발현 양상과 비교, 조사하였다. 저온 내성을 갖는 esk1 돌연변이체에서 P5CS, beta-1,3-glucanase, beta-amylase, glutathione S transferase, glutathione reductase를 포함한 25개 유전자들이 저온 자극이 없는 상태에서도 야생형에 비해 높게 발현되었다. 이 유전자들의 대부분은 야생형에서 저온 자극에 의해 발현이 유도되는 것들이었다. 저온 민감성인 chs1 돌연변이체에서는 chlorophyll a-b binding protein family, photosystem subunit precursor, LTI78, LTI30, 그리고 dehydrin family protein을 포함한 38개의 유전자가 야생형과 비교해 저온 자극이 없는 상태에서도 낮게 발현되었다. 이렇게 낮게 발현되었던 유전자는 저온 처리를 한 후에 유도되었다. 이 실험실에서의 기존 연구를 바탕으로 선택된 열 다섯 가지 reverse genetic 돌연변이체인 T-DNA insertion 돌연변이체의 발현양상도 조사되었다. 열 다섯 T-DNA insertion 돌연변이체 중에, 4개 돌연변이체는 저온에 내성을 보였고 나머지 11개는 저온에 민감성을 나타냈다. 이러한 돌연변이체에서 교란된 유전자는 저온 내성의 증진에 중요한 역할을 할 것으로 추측된다. 저온에 강한 T-DNA insertion 돌연변이체에서는 COR47, ERD10, COR15, KIN1과 같은 82개의 잘 알려진 저온 반응에 관계된 유전자들이 야생형에 비해 높게 발현되었다. 저온에 민감한 T-DNA insertion 돌연변이체에서는 P5CS, proline rich protein, CBF transcription factor와 같은 102개의 잘 알려진 저온 관련 유전자들이 야생형에 비해 낮게 발현되었다. 이렇게 저온 처리하지 않은 상태에서의 변화가 저온 스트레스에 대한 내성의 변화와 대응하여 수행된다는 것으로 보아, 애기장대에서의 저온 내성에 대한 이러한 변화의 가능한 타당성을 제시해준다. Forward genetic 돌연변이체와 reverse genetic 돌연변이체에서의 저온에 반응하는 유전자들의 발현 양상을 분석함으로써, 다음과 같은 결과를 유추할 수 있다. 대체로 저온에 내성이 있는 돌연변이체에서는, 야생형에서 저온 처리에 반응하여 유도되는 많은 유전자가 낮게 발현되고 있고 이들 중 다수는 저온 처리를 한 후에 유도되지 않는다. 이러한 결과를 바탕으로 보면, 저온 내성의 증진에는 저온 처리를 하지 않고도 저온에 반응하는 유전자들의 발현을 높게 유지하는 전략이 유용하다고 볼 수 있다. 그러나 이러한 특성이 다른 저온 내성 돌연변이체나 저온 민감성 돌연변이체에서도 일반적으로 적용될 수 있는지 알기 위해서는 더 많은 돌연변이체를 대상으로 조사해보는 것이 필요하다.