Gene expression analysis of cold stress responses in Arabidopsis

Abstract

To understand plant cold acclimation, ICE1(inducer of CBF expression 1) expression analysis in pollen. Pollen is known to be most cold sensitive tissue and comparative analysis of gene expression pattern alteration in cold-treated freezing tolerable tissue in Arabidopsis. ICE1 which is well-known early cold acclimation regulator showed especially low expression in pollen. When ICE1 was overexpressed by 35S promoter, cold tolerance was largely increased. It may be a result that low expression of ICE1 is one of the factor that cold sensitivity of pollen. Cold acclimation is similar to memory process and is remained traces of first cold stress. Moreover it has more effective response to second cold stress. To know gene expression alteration , analyze that gene expression patterns of Arabidopsis plants by a history of cold exposure, which were previously exposed to a cold stress and compared to those of control plants using a specialized 1.5 K cDNA microarray. When three-week-old plants pre-treated with a cold stress at 0℃ for 24 hr were allowed a further growth at 23℃ (post cold treatment) for various time periods and second cold stress treated at 0℃ for 24 hr. As a result of marked alteration in the gene expression patterns was observed at different temperature treated condition including several cold-regulated genes. Under the post cold treated condition, expression of cold related genes was opposite direction in contrast to expression of cold treated condition. Especially, photosynthesis related genes were induced which repressed under the cold treatment such as ELIPs (Early light inducible proteins). As post cold treated time passes, expression of cold related genes was gradually decreased. When second cold treat to post cold treated plants, cold tolerance related genes (such as cor, LEA, FL3-5A3, anthocyanidin synthase, HD-ZIP transcription factor 12, dehydrin, LTI65 (RD29B), and KIN1) were largely expressed or more expressed than expression of first cold late phases. These alterations are accompanied by corresponding changes in the tolerance of freezing stress suggesting that the potential relevancy of these changes to cold acclimation in Arabidopsis.; 식물의 저온 순화의 기전에 대한 이해를 증진하기 위해 저온 저항성이 낮은 조직인 애기장대의 꽃가루세포에서의 ICE1의 발현에 대한 연구와 저온내성이 큰 애기장대 조직에서의 저온 처리 후의 유전자 발현 패턴의 변화를 조사 분석하였다. 저온 순화 초기 과정에 주요한 유전자 중의 하나로 알려진 ICE1 의 발현이 저온 내성이 많은 애기장대의 꽃가루세포에서는 특히 낮았으며 이를 35S promoter를 이용하여 발현을 증가시키면 저온 내성이 크게 증진되었다. 이는 꽃가루세포의 저온민감성의 원인 중 하나가 ICE 1의 낮은 발현임을 결과이다. 저온 순화는 일종의 기억의 과정과 유사하며, 첫번의 저온 스트레스에 대한 반응의 흔적이 남게 되고, 이어지는 저온 자극에 대해서 보다 효과적으로 반응하는 특성이 있다. 이에 대한 이해를 증진시키기 위해 더불어 애기장대를 이용하여 저온에 노출 되는 기간의 차이에 따라 저온에 노출되었을 때와 저온에 노출되지 않았을 때의 유전자 발현양상의 차이를 저온 스트레스 연구를 위해 제작된 specialized 1.5K cDNA microarray를 이용하여 연구 하였다. 3주 정도 자란 식물체를 먼저 0 ℃ 에서 24 시간동안 저온 처리를 한 후에 생장이 가능한 23 ℃ 에서 처리 시간을 여러 가지로 달리한 후, 다시 두 번째 저온 처리를 0 ℃ 에서 24 시간동안 하였다. 처리하는 온도가 변함에 따라 여러 가지의 저온에 의해 조절되는 유전자들의 발현 양상이 두드러지게 변화하였다. 처음 저온 처리 후 23 ℃ 로 처리를 하면 저온에 의해 발현이 조절되는 유전자들은 저온 처리 시와 반대의 발현양상을 보인다. 특히 저온 처리 시에 발현이 억제되어 있던 ELIPs (Early light inducible proteins) 같은 광합성 관련 유전자들이 발현된다. 저온 처리 후 23 ℃ 에서 처리 시간이 길어질수록 저온에 의해 조절되는 유전자들의 발현은 점점 감소한다. 23℃ 처리 후 두 번째 저온처리를 하면 저온내성과 관련된 cor, LEA, FL3-5A3, anthocyanidin synthase, HD-ZIP transcription factor 12, dehydrin, LTI65 (RD29B), KIN1과 같은 유전자들이 처음 저온 처리 시와 같이 많이 발현되거나 혹은 처음 저온 처리 시보다 더 많이 발현된다. 이러한 유전자의 발현변화는 애기장대에서 저온 스트레스에 적응하기 위한 저온순화로 인한 적절한 변화라고 볼 수 있을 것이다.