Enhancement of cold tolerance by over-expression of PAP2 gene in Arabidopsis

Abstract

식물은 움직이지 못하고 땅에 고정하고 있는 생물로써, 환경변화에 그대로 노출될 수 밖에 없다. 그렇기 때문에 식물의 생장에 있어서 환경변화에 대한 내부적 내성 체계가 필요하다. 이러한 환경적 변화 중, 중요하게 다루어 지는 것 중 하나가 저온스트레스(Cold stress) 이다. 저온 스트레스로 인해 많은 농작물에 피해를 입혀 수확량의 감소를 초래하고 있다. 저온 스트레스 내성과 관련된 유전자를 찾기위한 선행연구에서, 저온에 강한 esk1이라는 애기장대의 mutant를 애기장대와 비교 연구에서 AMK, MPK 등의 유전자가 높게 발현됨이 확인 되었으며, 본 연구에서는 그 중 PAP2로 유전자를 선정하여 저온 민감성에 이 유전자가 미치는 영향을 조사하였다. PAP2는 식물에서 여러 기능과 관련이 되어 있는 flavonoid 합성을 조절하는 전사인자 중 하나이다. 이 유전자의 기능을 파악하기 위해 PP2를 과다발현시킨 형질전환 애기장대를 제작하였다. 발현양이 증가된 형질전환 식물을 가지고 저온 민감성 테스트를 한 결과 PAP2를 형질전환한 식물체에서 생존률이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 실험을 통해 PAP2가 식물에서 저온 내성에 중요한 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 PAP2 유전자가 식물체 내에서 어떠한 분자적 반응이 일어나는 지 알아보기 위해 ‘Cold chip’을 이용한 array실험을 진행하였다. PAP2의 기능을 분석하기 위해 동시발현지도를 통해 특징적으로 발현하는 유전자 세트를 분석한 결과, 호르몬과 연관된 유전자 세트가 변화한 것을 알 수 있었다. 특히, 변화하는 호르몬은 옥신과 에틸렌으로 확인할 수 있었다. 이러한 호르몬의 변화를 통해 형질전환 식물체 내에서 발달을 변화시켜 보다 Cold에 강하게 하도록 작용을 하는 것으로 추측된다. 다른 과발현 유전자 세트로는 biotic stress와 관견된 유전자들이 포함되었으며, 이는 저온 스트레스하에서 발생하는 oxidative stress로 인한 손상을 회복시키는 작용을 함으로써 식물체를 보다 강하게 만들어 줄 것이라 추측된다. 이와 같은 연구 결과는 PAP2를 경유하는 저온 스트레스 반응에 대한 이해를 높이고 저온 스트레스로 인한 피해를 줄일 수 있는 분자 육종에 응용할 수 있는 주요 유전자라 예상할 수 있다.;Freezing tolerance is an important trait because it can limit the geographical distribution of plants and their agricultural yield. Plants from temperate climates increase in freezing tolerance during exposure to low, non-freezing temperatures in a process termed 'cold acclimation'. Metabolite profiling has indicated a major reprogramming of plant metabolism in the cold, but it has remained unclear. PAP2 (Production of Anthocyanin Pigment2) has a bHLH domain that is transcription factors promote anthocyanin synthesis and was known to be expressed under various stress conditions such as UV light, nutrient depletion and low temperature. In previous comparative analysis of gene expression profiles under cold stress condition, we confirm that PAP2 was highly expressed in esk1 mutant, a cold tolerant mutant, compared to wild type Col-0. To understand the role of PAP2 in cold stress response, transgenic plants with over-expression of PAP2 were used. We generated transgenic Arabidopsis plants that constitutively over-express PAP2 under the control of the CAMVIA 35S promoter. The over-expression of PAP2 did alter the growth and development of the plant in comparison with Arabidopsis thaliana. And the cold stress tolerance of the transgenic plant highly enhanced compare to wild type plant. To understand the mechanism of enhancement of cold plant tolerance, microarray was performed to gene expression profiles on over-expression mutant of PAP2. The general changes of transcripts in cold tolerance, PAP2 transgenic plant was analyzed using 1.4 K Coldstresschip. By applying the GSEA with co-expressed gene sets, genome-wide identification of periodically expressed gene sets synchronized to cold response were performed. Among the genes that display these characteristics, the roles of hormonal signal including auxin and ETH were reinforced in PAP2 transgenic plant. The hormonal signal gene set expressed in PAP2 transgenic plant may increase the early cold signal transduction and as a result, gene sets that play a role in the protection against abiotic stress.