Genomes of clusters of related eukaryotes are now being sequenced at an increasing rate. In this paper, we developed an accurate, low-cost method for annotation of gene prediction and exon-intron structure. The gene prediction was adapted for delta 1-pyrroline-5-carboxylate-synthetase (p5cs) gene from China wild-type of the halophytic Leymus chinensis (Trin.), naturally adapted to highly-alkali soils. Due to complex adaptive mechanisms in halophytes, more attentions are being paid on the regulatory elements of stress adaptation in halophytes. P5CS encodes delta 1-pyrroline-5-carboxylate-synthetase, a key regulatory enzyme involved in the biosynthesis of proline, that has direct correlation with proline accumulation in vivo and positive relationship with stress tolerance. Using analysis of reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) and PCR, and direct sequencing, 1076 base pairs (bp) of cDNA in length and 2396 bp of genomic DNA in length were obtained from direct sequencing results. Through gene prediction and exon-intron structure verification, the full-length of cDNA sequence was divided into eight parts, with seven parts of intron insertion. The average lengths of determinated coding regions and non-coding regions were 154.17 bp and 188.57 bp, respectively. Nearly all splice sites displayed GT as the donor sites at the 5' end of intron region, and 71.43% displayed AG as the acceptor sites at the 3' end of intron region. We conclude that this method is a cost-effective way for obtaining an experimentally verified genome annotation.
Song, Ki-Hoon;Song, Dae-Hae;Lee, Jeong-Ran;Kim, Goon-Bo;Choi, Hong-Kyu;Penmetsa, R. Varma;Nam, Young-Woo
KOREAN JOURNAL OF CROP SCIENCE
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v.52
no.4
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pp.458-468
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2007
To tolerate environmentally adverse conditions such as cold, drought, and salinity, plants often synthesize and accumulate proline in cells as compatible osmolytes. ${\Delta}^1$-Pyrroline-5-carboxylate synthetase(P5CS) catalyzes the rate-limiting step of proline biosynthesis from glutamate. Two complete genes, MtP5CS1 and MtP5CS2, were isolated from the model legume Medicago truncatula by cDNA cloning and bacterial artificial chromosome library screening. Nucleotide sequence analysis showed that both genes consisted of 20 exons and 19 introns. Alignment of the predicted amino acid sequences revealed high similarities with P5CS proteins from other plant species. The two MtP5CS genes were expressed in response to high salt and low temperature treatments. Semi-quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction showed that MtP5CS1 was expressed earlier than MtP5CS2, indicating differential regulation of the two genes. To evaluate the reverse genetic effects of nucleotide changes on MtP5CS function, a Targeting Induced Local Lesions in Genomes approach was taken. Three mutants each were isolated for MtP5CS1 and MtP5CS2, of which a P5CS2 nonsense mutant carrying a codon change from arginine to stop was expected to bring translation to premature termination. These provide a valuable genetic resource with which to determine the function of the P5CS genes in environmental stress responses of legume crops.
To understand the molecular mechanism underlying proline accumulation in Brassica napus, cDNAs encoding ${\Delta}^1$-pyrroline-5-carboxylate synthetase (BnP5CS), ornithine $\delta$-aminotransferase (BnOAT) and proline dehydrogenase (BnPDH) were isolated and characterized. Southern blot analysis of BnP5CSs in B. napus and its diploid ancestors suggested a gene loss may have occurred during evolution. The expression of BnP5CS1 and BnP5CS2 was induced, while the expression of BnPDH was inhibited under salt stress, ABA treatment and dehydration, prior to proline accumulation. The upregulation of BnOAT expression was only detected during prolonged severe osmotic stress. Our results indicate that stress-induced proline accumulation in B. napus results from the reciprocal action of activated biosynthesis and inhibited proline degradation. Whether the ornithine pathway is activated depends on the severity of stress. During development, proline content was high in reproductive organs and was accompanied by markedly high expression of BnP5CS and BnPDH, suggesting possible roles of proline during flower development.
Proline is known as an osmotrotectant to enhance tolerance against both salt and dehydration stresses. A P5CS ($\Delta^1$-pyrroline-5-carboxylate synthetase) plays a major role in regulation of synthesis of proline. An overexpression of the mothbean P5CS gene in transgenic tobacco plant increased the levels of proline and osmotolerance. In an attempt to look for the possibility to use content of proline as well as a level of P5CS gene expression as molecular markers for salt tolerance, the amounts of proline and transcript levels of P5CS were measured as functions of either concentration of NaCl or length of treatment period among different species of zoysiagrass. Hybridzoysia showed the highest level of proline ($329\mu\textrm{g}$/g.f.w.) among five different species of zoysiagrass at 250 mM NaCl in 24 hours. The level of P5CS transcript was also the highest in the hybridzoysia at 250 mM NaCl in 24 hours. The transcriptions of P5CS gene were induced at the rates of 1.2, 1.2, 1.8, and 1.8, upon treatment of 250 mM NaCl in Z. japonica, Z. matrella, Z. sinica and hybridzoysia respectively. Based on a correlation between the level of P5CS transcript and the proline content among different species of zoysiagrass, a comparative structural analysis of the gene for P5CS from either Z. sinica or hybridzoysia may lead to an understanding of mechanism for salt tolerance shown differently among zoysiagrasses.
Najafi F.;Rastgar-jazii F.;Khavari-Nejad R. A.;Sticklen M.
Journal of Plant Biotechnology
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v.7
no.4
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pp.233-240
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2005
Slices of embryonic axis of mature pea (Pisum sativum L. cv. Green Arrow) seeds were used as explant. Transformation of explants was done via Agrobacterium tumefaciens bearing vector pBI-P5CS construct. The best results for inoculation of explants were obtained when they were immersed for 90 s at a concentration of $6{\times}10^8$ cell $ml^(-1)$ of bacterial suspension. Transformed pea plants were selected on $50\;mg\;l^(-1)$ kanamycin and successful transformants were confirmed by PCR and blotting. Transgenic plants were further analyzed with RT-PCR to confirm the expression of P5CS. Transgenic plants and non-transgenic plants were treated with different concentrations of NaCl 0 (control), 100, 150 and 200 mM in culture medium. Measurement of proline content indicated that transgenic plants produced more amino acid proline in response to salt in comparison with non-transgenic plants. Photosynthetic efficiency in transgenic plants under salt-stress was more than that of non-transgenic plants.
[ ${\Delta}^1$ ]pyrroline-5-carboxylate synthetase (P5CS) is a proline biosynthetic pathway enzyme and is known for conferring enhanced salt and drought stress in transgenics carrying this gene in a variety of plant species; however, the wild-type P5CS is subjected to feedback control. Therefore, in the present study, we used a mutagenized version of this osmoregulatory gene-P5CSF129A, which is not subjected to feedback control, for producing transgenic indica rice plants of cultivar Karjat-3 via Agrobacterium tumefaciens. We have used two types of explants for this purpose, namely mature embryo-derived callus and shoot apices. Various parameters for transformation were optimized including antibiotic concentration for selection, duration of cocultivation, addition of phenolic compound, and bacterial culture density. The resultant primary transgenic plants showed more enhanced proline accumulation than their non-transformed counterparts. This proline level was particularly enhanced in the transgenic plants of next generation ($T_1$) under 150 mM NaCl stress. The higher proline level shown by transgenic plants was associated with better biomass production and growth performance under salt stress and lower extent of lipid peroxidation, indicating that overproduction of proline may have a role in counteracting the negative effect of salt stress and higher maintenance of cellular integrity and basic physiological processes under stress.
Kim, Dea-Wook;Shibato, Junko;Agrawal, Ganesh Kumar;Fujihara, Shinsuke;Iwahashi, Hitoshi;Kim, Du Hyun;Shim, Ie-Sung;Rakwal, Randeep
Molecules and Cells
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v.24
no.1
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pp.45-59
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2007
We describe the gene expression profile of third leaves of rice (cv. Nipponbare) seedlings subjected to salt stress (130 mM NaCl). Transcripts of Mn-SOD, Cu/Zn-SOD, cytosolic and stromal APX, GR and CatB were up-regulated, whereas expression of thylakoid-bound APX and CatA were down-regulated. The levels of the compatible solute proline and of transcripts of its biosynthetic gene, ${\Delta}^1$-pyrroline-5-carboxylate synthetase (P5CS), were strongly increased by salt stress. Interestingly, a potential compatible solute, ${\gamma}$-aminobutyric acid (GABA), was also found to be strongly induced by salt stress along with marked up-regulation of transcripts of GABA-transaminase. A dye-swap rice DNA microarray analysis identified a large number of genes whose expression in third leaves was altered by salt stress. Among 149 genes whose expression was altered at all the times assayed (3, 4 and 6 days) during salt stress, there were 47 annotated novel genes and 76 unknown genes. These results provide new insight into the effect of salt stress on the expression of genes related to antioxidant enzymes, proline and GABA as well as of genes in several functional categories.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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