Gene expression analysis of cold stress response in Arabidopsis and Chinese cabbage

Abstract

Low temperature is a major trigger for the acquisition of freezing tolerance in plants capable of cold acclimation. Although it has been shown that biochemical, morphological, and physiological changes occur in plant cells during cold acclimation, direct evidence was obtained only recently to show that low temperature regulated the accumulation of specific mRNA during cold acclimation. To understand the mechanism of cold response and acclimation, the study of function of haloacid dehalogenase-like hydrolase in cold sensitivity and comparative analysis of Arabidopsis and Chinese cabbage in low temperature was performed. In comprehension of early response of cold stress, HAD gene was selected by the expression data of SAGE and time series of specialized cDNA microarray and the mutant plant with the loss-of-function of the selected gene was analyzed. HAD knockout mutant was hypersensitive to cold stress and flowered earlier than do their wild type strain. In specialized cDNA microarray experiment, HAD knock-out mutant compared with wild type has late induction of protein synthesis related genes. To study the cold response mechanisms in Chinese cabbage, comparative analysis of Arabidopsis and Chinese cabbage was accomplished. Using heterologous cDNA microarray, photosystem-related genes were more repressed in CC1735, less cold tolerable species respectively, compared to MP-A. To understand the molecular basis of cold tolerance of Chinese cabbage, in comparison between the cold responsive genes of MP-A and Arabidopsis, photosystem-related genes were more repressed in Arabidopsis than in MP-A. Furthermore, constitutive expression of cold related-transcription regulator such as CBF1, CBF3, CBF4 and ICE1 in MP-A without cold stress has a great effect on the cold acclimation. The purpose of this study is to deepen the understanding of molecular basis of cold stress tolerance by loss-of-function mutant of HAD gene and, diagnosis of the cold acclimation pathway in economic plant of Brassicaceae using the Arabidopsis cDNA microarray and gene network information and search for candidate genes potentially used for introducing cold tolerance to agriculturally important crop plants.;저온은 식물체 내에서 freezing tolerance의 획득에 있어서 중요한 방아쇠 역할을 한다. 비록 저온순화과정 동안에 식물체 내에서는 생화학적, 형태학적 그리고 생리학적인 변화가 일어나지만 낮은 온도가 저온순화 동안 특별한 mRNA의 축적을 조절 한다는 직접적인 증거는 최근에 들어서야 밝혀지고 있다. 저온반응과 순화의 기작을 이해하기 위해서, 먼저 저온 민감성에 있어서 haloacid dehalogenase-like hydrolase라는 유전자의 역할을 연구했고, 두 번째로는 microarray를 이용해서 저온에서 애기장대와 배추의 비교분석을 수행하였다. Cold stress를 주었을 때의 초기반응을 이해하기 위해서 SAGE의 발현정보와 specialized cDNA microarray의 timeseries 정보를 이용해서, HAD유전자를 선정했고 이 유전자를 inactivation시킨 돌연변이체를 분석하였다. 이 HAD 유전자를 knockout 시킨 돌연변이체는 저온에서 민감성을 나타내었고, 정상조건에서는 wild type보다 생장속도가 더 빨랐다. Specialized cDNA microarray 분석에서는 wild type에 비해서 HAD knockout 돌연변이체는 단백질 합성관련 유전자의 발현이 더 늦게 일어남을 알 수가 있었다. 배추에서의 저온 반응 기작을 이해하기 위해서, 이미 알고 있는 애기장애의 정보를 이용하여 애기장대와 배추의 비교분석을 수행하였다. Heterologous cDNA microarray 분석을 통해서, 저온 저항성이 덜한 품종인 CC1735는 상대적으로 더 강한 저항성을 가진 MP-A보다 광합성 관련 유전자들이 발현이 더 저하 되어 있음을 알 수가 있었다. 또한 애기장대보다 강한 저온 저항성을 가진 배추의 분자적인 측면을 이해하기 위해서 MP-A와 애기장대를 microarray를 통해서 비교분석을 해 본 결과 마찬가지로 애기장대에서 광합성 관련 유전자의 발현이 더 저하되어있었다. 게다가 CBF1, CBF3, CBF4 그리고 ICE1 과 같은 저온관련 표지 유전자가 저온 처리 없이도 constitutive expression을 함으로써 저온 순화에 큰 영향을 미침을 알 수가 있었다. 이 연구의 목적은 HAD 유전자의 loss-of-function 돌연변이체를 이용해서 저온 스트레스를 주었을 때의 분자적 수준의 이해를 더 깊게 하고 또한 애기장대의 cDNA microarray와 유전자의 네트워크 정보를 이용해서 십자화과 작물중의 하나인 배추의 저온 순화 과정의 진단을 함으로써 작물에 저온 저항성을 키울 수 있는 후보 유전자를 발굴 할 수 있고 더 나아가서는 농업적으로 유용한 작물에 도입 시킬 수 있을 것이다.