Ectopic expression of EcGrx enhance resistance to environmental stress in Arabidopsis

Abstract

Glutaredoxins (Grxs)는 산화환원 시스템에서 이황화 결합과glutathion의 비가역적 산화반응을 환원시킨다. 다양한 생물체에서 Grx의 산화환원 반응에서의 역할을 연구해왔으나 아직 정확히 밝혀지지 않았으며 본 연구에서는 대장균 REL606에서 Grx 유전자를 분리해 내고 애기장대에 과다발현 시키고, 이러한 EcGrx 형질전환식물들을 대조군과 비교하여 유전자 레벨에서 어떠한 변화를 나타내는지 알기 위하여 microarray실험을 진행하였으며, 활성산소 (ROS) 에 대하여 어떠한 민감성을 가지는지 알기 위하여 다양한 생리 스트레스를 처리하였다. 먼저 EcGrx 형질전환식물에서 스트레스에 대한 반응과 ROS 조절에 관하여 공통적인 특징을 가졌다. 이러한 공통점을 조사하기 위해서 유전자 발현 프로파일을 비교 분석하였으며, 유전자 발현 변화 분석을 Operon사의 애기장대 microarray를 이용하여 수행하였다. EcGrxB 형질전환식물은 애기장대에서 산화환원 반응에 관련된 ROXY2와 스트레스 저항성을 향상시키는 CBF4가 증가되어 있는 것이 발견되었으며, EcGrxC 형질전환식물은 자극에 대한 반응과 호흡 폭발, 산소 스트레스, UV-B 에 대한 반응이 증가 되어 있는 것을 볼 수 있었다. EcGrxD 형질전환식물은 자극에 대한 반응과 상처에 대한 반응, 그리고 Jasmonic acid 에 대한 유전자 발현이 증가되어 있었다. 이들을 공통적으로 비교하였을 때, 자극에 대한 반응으로 스트레스에 저항성을 가질 것으로 볼 수 있었다. 다음으로 위의 분석을 통해 다양한 스트레스에 대하여 EcGrx 형질전환식물이 저항성을 증진시킨 것을 확인해 보았다. EcGrxA의 경우 고온 (열) 과 UV-B 스트레스에 대하여 생존율이 높았으며, EcGrxB는 고온, 가뭄, 담수, 저산소, UV-B 스트레스에 대하여 저항성을 가졌다. EcGrxC는 고염, 가뭄, UV-B 스트레스에 대하여, EcGrxD는 UV-B 스트레스에 대하여 대조군과 비교하여 생존율이 높았다. EcNrdH의 경우, 저염, 저산소 스트레스에 대하여 저항성을 가졌다. 종합적으로 보았을 때, UV-B 스트레스에 대하여 EcNrdH 형질전환체를 제외하고 저항성이 증진된 것을 볼 수 있었는데, 이는 UV-B가 특히 ROS에 관련이 있다는 점에서 EcGrx형질전환 식물에서의 Grx 유전자의 기능이 향상되어 ROS와 관련된 기능이 증진된 것을 볼 수 있었다. 이 연구를 통해 EcGrx 형질전환식물이 유전자 레벨에서의 분석과 동일하게 유전자의 기능이 증진된 스트레스 저항성을 가진다는 결론을 도출해 냈음을 볼 수 있었다.;Glutaredoxins (Grxs) reduce the irreversible oxidation of broad spectrum of glutathione and disulfide bond to their redox system. Even though the proteins have been studied from various organisms their roles in redox have not been examined. Here we isolated Grx gene from E.coli REL606 and transformed into Arabidopsis. To understand how EcGrx transgenic plants showed change from wild-type in transcriptome level and sensitivity to ROS, microarray experiment was performed and various abiotic stresses were treated to transgenic plants. First, all the EcGrx transgenic plants showed the common characteristic that response to stress and regulation of ROS. For analysis of gene expression profiles of EcGrx transgenic plants, EcGrx transgenic plants were carried out using Operon Arabidopsis microarray. In detailed, EcGrxB showed the enhancement of ROXY2 and CBF4 that related to redox and tolerance to stress and EcGrxC showed the up-regulation of response to stimulus, respiratory burst, oxidative stress and UV-B. EcGrxD give result to the increase of biological processes in response to stimulus, wound and jasmonic acid. From comparison among them, they can response to stimulus and give tolerance to stress. Second, from the analysis of EcGrx transgenic plants, the enhancement of biological process from gene regulation increase the resistance to various stresses: EcGrxA, heat and UV-B; EcGrxB, heat, drought, water-logging, low-oxygen, and UV-B stress; EcGrxC, salt, drought and UV-B stress; EcGrxD, UV-B stress; EcNrdH, salt and low-oxygen stress. Especially, because of UV-B is strongly related to ROS level, all EcGrx transgenic plants except the EcNrdH showed the higher tolerance than wild-type in UV-B stress. This result showed that the change of gene expression in EcGrx transgenic plants made different sensitivity to various stresses. This study represents that the role of EcGrx transgenic plants was inferred via analysis in transcriptome level and give evidence to further experiment as various stress sensitivity test. Moreover the result in this study will provide valuable information of the Grx and contribute to produce the plant have stress tolerance.