Gene expression analysis of low-oxygen stress responses in Arabidopsis

Abstract

Plants have developed adaptation mechanisms at both the physiological and structural levels to enhance their ability to survive low-oxygen stress. To gain insight into how plants respond to low-oxygen stress, the effect of the low-oxygen stress on Arabidopsis was investigated at growth and gene expression level. When exposed to low-oxygen condition, growth of Arabidopsis was delayed and the various symptoms, such as hyponastic growth, shoot elongation and leaf chlorosis were observed. To gain insight into how plants respond to low-oxygen, gene expression profiling using a specialized cDNA microarray was carried out at five time point in Arabidopsis root. Total 282 hypoxic-responsive genes were selected in gene expression profiling. Hypoxic-responsive genes by microarray data were included previously identified hypoxic-regulated genes, such as alcohol dehydrogenase, pyruvate decarboxylase, sucrose synthase, fructokinase and ethylene responsive protein. The time series analysis has enabled to identify a set of transcription factors and signal transduction components that could play a role in the regulation of the hypoxic response. Among hypoxic-responsive genes, the role of glycine-rich protein 3 in hypoxia stress response was further analyzed. The knock-out mutant of the gene displayed more sensitive than wild type to low-oxygen stress, while the general features of morphology and growth are within normal range. The changes of gene expression pattern were examined using a specialized cDNA microarray. Among the expressed (induced and repressed more than 1.8 fold) genes of wild type under hypoxic stress, about 57% were commonly expressed to mutant. In wild type and mutant under hypoxic stress, differentially expressed genes (glutathione S transferase, glycosyl hydrolase etc) were similar to commonly expressed genes. And gene expression pattern of well-known hypoxic-responsive genes (ADH, PDC1, PDC2, SUS1, fructokinase) in mutant was similar to these of wild type. The result suggests that GRP-3 knock-out was not related pathway of the previously well-known hypoxic response. The effects of GRP-3 knock-out in plant under low-oxygen stress were analyzed by ‘the stress response network’ in this laboratory. This result suggests that induction of GRP-3 by D_2943_1 (PSI-N: calmodulin binding protein) was portion of responsible for triggering the plant response under low-oxygen stress. In GRP-3 knock-out mutant, GRP-3 was not operated pathway of unknown ‘the stress response network’ in this laboratory. From this result, GRP-3 knock-out mutant was more sensitive than wild type under low-oxygen stress. ;식물체는 저 산소 상태에서 생리적, 구조적 변화를 일으켜 저 산소 스트레스의 내성을 갖게 된다. 이러한 저 산소 스트레스에 식물의 반응 기작을 이해하기 위해, 애기장대의 모델을 이용하여 저 산소 스트레스 하에 나타나는 생리적 변화와 유전자 발현 양상을 전사단계에서 조사하였다. 애기장대를 저 산소 생태에 노출시키면 식물체의 생장 속도는 지연되고, 지상부의 경성반응, 길이 증가와 잎의 황백화 현상등의 여러가지 변화를 일으켰다. 애기장대 뿌리의 시료로 스트레스 연구를 위한 약 1600개의 유전자로 구성된 cDNA microaray를 이용하여 저 산소 스트레스의 시간차에 따른 반응을 분석하여, 282개의 저 산소 반응 유전자를 선별하였다. 이들 유전자에는 이미 알려진 alcohol dehydrogenase, pyruvate decarboxylase, sucrose synthase, fructokinase and ethylene responsive protein와 같은 저 산소 반응 유전자를 모두 포함하고 있다. 선별된 282개의 저 산소 반응 유전자 중, glycine-rich protein 3 (GRP-3) 유전자를 선정하여 이 유전자의 기능을 잃은 돌연변이체를 이용하여 야생형과 비교 분석하였다. GRP-3 돌연변이체는 야생형과 형태적이나 생장에는 큰 차이를 나타내지 않지만 저 산소 스트레스에서 민감성을 나타내었다. 유전자 발현 양상을 조사하기 위한 cDNA microarray 분석에서는 저 산소 스트레스 하에서 야생형과 GRP-3 돌연변이체는 저 산소 반응 유전자를 대상으로 약 40% 유전자 (glutathione S transferase, glycosyl hydrolase, chlorophyll binding protein, COR gene and cold-responsive genes등)가 다르게 발현되는 것을 확인하였다. 그리고 이미 알려져 있는 저 산소 반응 유전자(ADH, PDC1, PDC2, SUS1, fructokinase)는 저 산소 스트레스 하에 돌연변이체와 야생형 내에서 동일하게 발현되는 것으로 보아 애기장대에서 GRP-3 유전자의 기능 상실은 이미 알려져 있는 저 산소 반응 기작에는 영향을 주지 않는 것을 알 수 있었다. 저 산소 스트레스에 시간차 반응하는 야생형과 저 산소 스트레스에 민감성을 보이는 GRP-3 돌연변이체의 유전자 발현양상을 분석함으로써 잘 알려져 있지 않은 저 산소 스트레스와 관련한 식물의 반응 기작을 이해 할 수 있었다. 이 연구는 작물에 저 산소 스트레스에 내성을 증진 시킬 수 있는 유전자를 발굴하고 도입함으로써 농업적으로 유용한 작물을 만드는 것에 크게 기여 할 것으로 생각된다.