Disease resistance in plants is often controlled by gene-for-gene mechanism in which avirulence (avr) gene products encoding by pathogens are specifically recognized, either directly or indirectly by plant disease resistance (R) gene products. Recent studies arising from molecular cloning of a number of R genes from various plant species that confer resistance to different pathogens and corresponding avr genes from various pathogens resulted in the accumulation of a wealth of knowledge on mode of action of gene-for-gene interaction. Specially, members of the NBS-LRR class of R genes encoding proteins containing a nucleotide binding site (NBS) and carboxyl-terminal leucine-rich repeats (LRRs) confer resistance to very different types of phytopathogens, such as bacteria, fungi, oomycetes, viruses, nematodes and aphids. This article reviewed the molecular events that occur up-stream of defense response pathway, specially, bacterial avr gene protein recognition mediated by NBS-LRR type R gene product in plant based on current research results of well studied model plants.
A disease resistance related gene, MbR7, was identified in the wild apple species, Malus baccata. The MbR7 gene has a single open reading frame (ORF) of 3,288 nucleotides potentially encoding a 1,095-amino acid protein. Its deduced amino acid sequence resembles the N protein of tobacco and the NL27 gene of potato and has several motifs characteristic of a TIR-NBS-LRR R gene subclass. Ectopic expression of MbR7 in Arabidopsis enhanced the resistance against a virulent pathogen, Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. Microarray analysis confirmed the induction of defense-related gene expression in 35S::MbR7 heterologous Arabidopsis plants, indicating that the MbR7 gene likely activates a downstream resistance pathway without interaction with pathogens. Our results suggest that MbR7 can be a potential target gene in developing a new disease-resistant apple variety.
Turnip crinkle vims (TCV) inoculation onto resistant Arabidopsis ecotype Dijon(Di-17) leads to a hypersensitive response (HR) on the inoculated leaves. A dominant gene, HRT, which confers an HR to TCV, has been cloned from Di-17 plants by map-based cloning. HRT is a LZ-NBS-LRR class resistance gene and it belongs to a small gene family that includes RPP8, which confers resistance to Peronospora parasitica Emco5. Outside of the LRR region, HRT and RPP8 proteins share 98% amino acid identity while their LRR regions are less conserved (87% identity). HRT-transformed Arabidopsis plants developed an HR but generally remained susceptible to TCV due to a dominant RRT allele, which is not compatible with resistance. However, several transgenic plants that over-expressed HRT much higher than Di-l7 showed micro-HR or no HR when inoculated with TCV and were resistant to infection. Both the HR and resistance are dependent on salicylic acid but independent of NPRI, ethylene, or jasmonic acid. Arabidopsis plants containing both TCV coat protein gene and HRT developed massive necrosis and death in seedlings, indicating that the TCV coat protein is an avirulence factor detected by the HRT.
Jung, Yu Jin;Ryu, Ho Jin;Cho, Yong-Gu;Kang, Kwon Kyoo
Journal of Plant Biotechnology
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v.43
no.4
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pp.411-416
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2016
Next-generation sequencing allows the identification of mutations responsible for mutant phenotypes by whole-genome resequencing and alignment to a reference genome. However, when the resequenced cultivar/line displays significant structural variation from the reference genome, mutations in the genome regions absent in the reference cannot be identified by simple alignment. In this review, we report the current status and prospects in identification of genes in mutant phenotypes, by using the methods MutMap, MutMap-Gap, and MutMap+. These methods delineate a candidate region harboring a mutation of interest, followed by de novo assembly, alignment, and identification of the mutation within genome gaps. These methods are likely to prove useful for cloning genes that exhibit significant structural variations, such as disease resistance genes of the nucleotide-binding site-leucine rich repeat (NBS-LRR) class.
Heterosis or hybrid vigor describes a phenomenon that superior phenotypes compared to the two parents are observed in the heterozygous $F_1$-hybrid plants. Identification and characterization of heterosis-related genes (HRGs) will facilitate hybrid breeding in crops. To identify HRGs in Brassica rapa, we analyzed transcriptome profiling using a Br300K microarray in non-heading Chinese cabbage at three developmental stages. A large number of genes were differentially expressed in $F_1$ hybrids and non-additive expression was prominent. Genes that are expressed specifically for $F_1$ hybrid at all three stages were Brassica-specific uncharacterized genes and several defense-related genes. Expression of several photosynthesis- and stress-related genes were also $F_1$ hybrid-specific. Thirteen NBS-LRR class genes showed high and specific expression in $F_1$ hybrid Shulu: some of them were characterized as defense genes in Arabidopsis, but most have not been. Further characterization of these defense-related genes in Brassica species and its application will be helpful for understanding the role of defense responses in heterosis. In addition, results obtained in this study will be valuable to develop molecular markers for heterosis and disease resistance in B. rapa.
Il Sheob Shin;Jaean Chun;Sehee Kim;Kanghee Cho;Kyungho Won;Haewon Jung;Keumsun Kim
Proceedings of the Plant Resources Society of Korea Conference
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2022.09a
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pp.36-36
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2022
The molecular understanding of resistance and susceptibility of host plants to scab, a most threatful disease to pome fruit production worldwide, is very limited. Comparing resistant line '93-3-98' to susceptible one 'Sweet Skin' at seven time points of 0, 0.5, 1, 2, 3, 4, 8 days post inoculation, RNA-sequencing data derived from infected and mock-inoculated young leaves were analyzed to evaluate the tolerant response and to mine candidate genes of pear to the scab pathogen Venturia nashicola. Analysis of the mapped reads showed that the infection of V. nashicola led to significant differential expression of 17,827 transcripts with more than 3-fold change in the seven pairs of libraries, of which 9,672 (54%) are up- and 8,155(46%) are down-regulated. These included mainly receptor (NB-ARC domains-containing, CC-NBS-LRR, TIR-NBS-LRR, seven transmembrane MLO family protein) and transcription factor (ethylene responsive element binding, WRKY DNA-binding protein) related gene. An arsenal of defense response of highly resistant pear accessions derived from European pear was probably supposed no sooner had V. nashicola infected its host than host genes related to disease suppression like Polyketide cyclase/dehydrase and lipid transport protein, WRKY family transcription factor, lectin protein kinase, cystein-rich RLK, calcium-dependent phospholipid-binding copine protein were greatly boosted and eradicated cascade reaction induced by pathogen within 24 hours. To identify transcripts specifically expressed in response to V. nashicola, RT-PCRs were conducted and compare to the expression patterns of seven cultivars with a range of highly resistant to highly susceptible symptom. A DEG belonging to the PR protein family genes that were higher expressed in response to V. nashicola suggesting extraordinary role in the resistance response were led to the identification. This study provides the first transcriptional profile by RNA-seq of the host plant during scab disease and insights into the response of tolerant pear plants to V. nashicola.
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2022.10a
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pp.188-188
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2022
Our previous study identified a resistance locus to Phytophthora sojae (isolate 2457) in an interval of 3.8-4.7 Mbp on chromosome 3 via genetic mapping using a 'Daepung'×'Daewon' recombinant inbred population. Since differential gene expression between Daepung (susceptible) and Daewon (resistant) after inoculation of P. sojae is unknown, RNA sequencing was carried out to compare transcriptomic changes between the two genotypes following inoculation with P. sojae isolate 2457. The two varieties were inoculated using hypocotyl inoculation at the VC stage and stem tissue of 1 cm above and below of the inoculated site were sampled at 0, 6, 12 hours after inoculation (hai), respectively. Differentially expressed genes (DEGs) under same cultivar in different time point and Daepung vs. Daewon in same time point were investigated. In comparison of Daepung vs. Daewon at 12 hai, a total of 3,513 DEGs were identified, including two nucleotide-binding site-leucine rich repeat (NBS-LRR) genes (Glyma.03g034800 and Glyma.03g034900) that are located in the previously reported resistance locus on chromosome 3. In addition, 14,966 DEGs were detected between 0 vs. 6 hai, containing one of candidate genes (Glyma.03g035300). This gene was upregulated by up to 4-fold in Daewon and Daepung. Additional results will be further discussed in the presentation. This study will provide valuable information for soybean crop improvement.
The well-conserved NBS domain of resistance (R) genes cloned from many plants allows the use of a PCR-based approach to isolate resistance gene analogs (RGAs). In this study, we isolated an RGA (CapRGC) from Capsicum annuum "CM334" using a PCR-based approach. This sequence encodes a protein with very high similarity to Rx genes, the Potato Virus X (PVX) R genes from potato. An evolutionary analysis of the CapRGC gene and its homologs retrieved by an extensive search of a Solanaceae database provided evidence that Rx-like genes (eight ESTs or genes that show very high similarity to Rx) appear to have diverged from R1 [an NBS-LRR R gene against late blight (Phytophthora infestans) from potato]-like genes. Structural comparison of the NBS domains of all the homologs in Solanaceae revealed that one novel motif, 14, is specific to the Rx-like genes, and also indicated that several other novel motifs are characteristic of the R1-like genes. Our results suggest that Rx-like genes are ancient but conserved. Furthermore, the novel conserved motifs can provide a basis for biochemical structural. function analysis and be used for degenerate primer design for the isolation of Rx-like sequences in other plant species. Comparative mapping study revealed that the position of CapRGC is syntenic to the locations of Rx and its homolog genes in the potato and tomato, but cosegregation analysis showed that CapRGC may not be the R gene against PVX in pepper. Our results confirm previous observations that the specificity of R genes is not conserved, while the structure and function of R genes are conserved. It appears that CapRGC may function as a resistance gene to another pathogen, such as the nematode to which the structure of CapRGC is most similar.
Enhanced disease susceptibility1 (EDS1) is a regulator of basal defense responses required for resistance mediated by TIR-NBS-LRR containing R proteins. We identified three transcripts of EDS1-like genes encompassing diverse/separate expression patterns, based on the transcriptome analysis by Next Generation Sequencing (NGS) of V. flexuosa inoculated with Elsinoe ampelina. These genes were designated VfEDL1 (Vitis flexuosa Enhanced Disease Susceptibility1-like1), VfEDL2 and VfEDL3, and contained 2464, 1719 and 1599 bp, with 1791, 1227 and 1599 bp open reading frames (ORFs), encoding proteins of 596, 408 and 532 amino acids, respectively. The predicted amino acid sequences of all three genes showed the L-family lipase-like domain (class 3 lipase domain), and exhibited a potential lipase catalytic triad, aspartic acid, histidine and serine in the conserved G-X-S-X-G. All three VfEDL genes were upregulated at 1 hpi against the bacterial and fungal pathogens Rizhobiumvitis and E. ampelina, respectively, except VfEDL1, which was downregulated against E. ampelina at all time points. Against E. ampelina, VfEDL2 and VfEDL3 showed downregulated expression at later time points. When evaluated against R. vitis, VfEDL1 showed downregulated expression at all time points after 1 hpi, while VfEDL3 showed upregulation up to 24 hpi. Based on the expression response, all three genes may be involved in plant resistant responses against R. vitis, and VfEDL2 and VfEDL3 show additional resistant responses against E. ampelina infection.
Seo, Jang-Kyun;Hwang, Sung-Hyun;Kang, Sung-Hwan;Choi, Hong-Soo;Lee, Su-Heon;Sohn, Seong-Han;Kim, Kook-Hyung
The Plant Pathology Journal
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v.23
no.4
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pp.281-286
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2007
Interactions between viral proteins and host proteins are essential for virus replication. Especially, translation of viral genes completely depends on the host machinery. In potyviruses, interactions of genome-linked viral protein (VPg) with host translation factors including eIF4E, eIF(iso)4E, and poly(A)-binding protein (PABP) has previously been characterized. In this study, we investigated interactions between Soybean mosaic virus (SMV) viral proteins and host translation factors by yeast two-hybrid system. SMV VPg interacted with eIF4E, eIF(iso)4E, and PABP in yeast two-hybrid system, while SMV helper component proteinase (HC-pro) interacted with neither of those proteins. The interaction between SMV NIb and PABP was also detected. These results are consistent with those reported previously in other potyviruses. Interestingly, we found reproducible and specific interactions between SMV coat protein (CP) and PABP. Deletion analysis showed that the region of CP comprising amino acids 116 to 206 and the region of PABP comprising amino acids 520 to 580 are involved in CP/PABP interactions. Soybean library screening with SMV NIb by yeast two-hybrid assay also identified several soybean proteins including chlorophyll a/b binding preprotein, photo-system I-N subunit, ribulose 1,5-biphosphate carboxylase, ST-LSI protein, translation initiation factor 1, TIR-NBS type R protein, RNA binding protein, ubiquitin, and LRR protein kinase. Altogether, these results suggest that potyviral replicase may comprise a multi-protein complex with PABP, CP, and other host factors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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