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

Abstract

식물은 땅에 고정되어 살아가는 생물체로써, 외부의 환경 스트레스에 대해 노출되어 있다. 다양한 스트레스 중 저온 스트레스는 식물의 생육 및 번식에 결정적인 요인으로 작용하므로 식물은 이를 극복하려는 다양한 기작을 발달시켜왔다. 식물이 결빙 온도가 아닌 저온에 노출되면 저온 순화 (Cold acclimation) 라는 과정이 나타나는데 이는 유전자 발현을 조절함으로 많은 생리, 생화학적 변화를 야기시키고 저온에 적응해가는 과정을 말한다. 저온 반응과 순화의 기작을 이해하기 위해서, 먼저 저온 민감성에 있어서 RAV2라는 유전자 발현 조절 인자 (transcription factor)의 역할을 연구했고, 두 번째로는 microarray라는 실험 방법과 GSEA라는 분석법을 이용해서 저온에서 애기장대와 배추의 비교 분석을 수행하였다. RAV2 유전자의 발현을 억제한 돌연변이체는 야생형보다 저온 민감성이 컸고, 유전자의 발현이 억제되었음을 RT-PCR 결과로 확인할 수 있었다. 정확한 유전자의 기능을 추정하기 위해 과발현체를 제작, 그 특징을 관찰하고자 했다. RAV2 유전자의 과발현체 T2 라인은 야생형보다 그 잎의 색이 짙고 개화시기가 빠르며, 꽃대가 짧은 특징을 보였다. 배추는 아시아에서 재배되는 주요 작물로써 다양한 형태로 식량으로 사용되는 작물이다. 배추의 내냉성 증진을 위해서 cDNA microarray라는 방법을 적용하여 십자화과의 모델식물인 애기장대와 비교하는 분석을 진행하였다. 애기장대와 배추는 유전자의 내용이 80~90% 유사하기 때문에 적용할 수 있었다. 애기장대와 배추는 저온 민감성이 서로 다른 형태로 특징이 나타났는데 1.4K coldstresschip을 통해서 분석한 결과 애기장대에서 배추보다 칼슘을 통한 신호전달, serine/threonine 키나아제, MAP 키나아제의 반응이 강화되었음을 알 수 있었다. 이 연구의 목적은 RAV2 유전자의 loss-of-function, gain-of-function 돌연변이체를 이용해서 저온 스트레스를 주었을 때의 분자적, 생리적 수준의 이해를 더 깊게 하고 또한 애기장대의 cDNA Microarray와 유전자 네트워크 정보를 이용해서 십자화과 작물 중의 하나인 배추의 저온 순화 과정을 진단하는 것으로 이를 통해 작물의 저온 저항성을 키울 수 있는 후보 유전자를 발굴할 수 있고 더 나아가서는 농업적으로 유용한 작물에 도입시킬 수 있을 것이다.;Plants are sessile organism, so they cannot escape from environmental stresses, such as low temperature, water deficit and salinity. Especially low temperature, affect the productivity and quality of crops and plants developed adverse mechanisms to overcome low stress. When plants expose non-freezing temperature, many physiological and biochemical changes appear by regulating gene expression, and it called cold acclimation. To understand mechanisms of cold response and acclimation, studying the role of RAV2 gene, DNA binding transcription factor, next, comparative analysis of Arabidopsis and Chinese cabbage in low temperature was performed. RAV2 gene, the DNA binding transcription factor, is known as containing both an AP2 and a B3 binding domains, involved in flower development and abscisic acid (ABA) response. From former study, RAV2 gene is highly expressed in cold stress, but its function doesn’t know well. RAV2 knock-out mutant and RNAi silencing mutant are hypersensitive to cold stress and its gene expression level matched to physiological result. To find the function of RAV2 gene more exactly, I constructed RAV2 overexpression plasmid and selected RAV2 overexpression mutant. RAV2 overexpression mutant represents unique characteristics, such as darkened leaves, fast flowering time, and short floral axis. To study the cold response mechanisms in Chinese cabbage, comparative analysis of Arabidopsis and Chinese cabbage was accomplished. Using heterologous cDNA microarray, calcium-inducing transduction, serine/threonine kinase, and MAP kinase responses are enriched more in Arabidopsis than Chinese cabbage. The molecular basis of different cold tolerance between two different Chinese cabbages, especially DREB1C_CBF2 gene expression participates. The purpose of this study is to deepen the understanding of molecular and physiological basis of cold stress tolerance by using loss-of-function, gain-of-function mutant of RAV2 gene. Next, diagnosis of the cold acclimation pathway of Chinese cabbage, in Brassicaceae using the Arabidopsis cDNA microarray and GSEA method, and search for candidate genes potentially used for introducing cold tolerance to agriculturally important crop plants.