Young Ho Kim;Eun Kyung Park;Soon Yong Chae;Sang Seock Kim;Kyung-Hee Paek;Hye Sun Cho
Journal of the Korean Society of Tobacco Science
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v.20
no.1
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pp.50-56
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1998
The complementary DNA (cDNA) of potato virus Y- vein necrosis strain (PVY-VN) replicase gene (Nlb) was transformed into tobacco (Nicotiana tabacum cv. Burley 21) plants. Out of 25 putative transformants regenerated, 3 were resistant to PVY-VN, one highly resistant plant with no symptom until seed harvest time and the other two with mild chlorotic spot symptoms at late stages after infection. No symptom was observed in the highly resistant plant, while mild vein necrotic symptoms were developed on suckers of the moderately resistant plants after seed harvest time, In the first generation (T1) via self fertilization, resistance to susceptibility frequency in transgenic plants from the highly resistant transformant was about 3 : 1, while it was lowered much (about 1:2 and 1:19) in T1 of the moderately resistant transformants. In the second generation (T2) of the highly resistant plant, resistance frequencies were similar to T1, but resistance levels varied greatly and appeared to be decreased. Key words : potato virus Y, viral replicate gene, transgenic tobacco plants, resistance.
Tobacco plants(Nicotiana tabacum cv. NC82) transformed with TMV CP cDNA were self-fertilized until 8th generation (R$_{8}$), and the transgenic plants from 6th to 8th generation were analized for their resistance to tobacco mosaic virus(TMV) and stability of the gene expression. The 6th generation of the plants(R$_{6}$) showed high resistance(81-91 %) to TMV at eight weeks after artificial inoculation with the virus. The transgenic cell line 601 was the most prominant in the expression of resistance. 98 % of the plants showed no symptom without any agronomic phynotepe variation when they were inoculated with the virus in a experimental field. However, 2% of the plants were revealed as delay type of symptom with mild mosaic on a few leaves. The viral resistance in greenhouse tests of the 7th generation (R$_{7}$) was 54-64%, and the number of delay type plants were increased than that of 6th generation plants. In the 8th generation, 81 % of the plants was complete resistant to the virus. The TMV CP cDNA of the transgenic plants of each generation was also confirmed by genomic PCR, and there was no systemic viral multiplication in the resistant plants. It suggests that the viral resistance and gene expression of the transgenic plants might be stable through the generations.ons.s.
The ecophysiological changes occurring upon cold stress were studied using cold tolerant transgenic and wild-type tobacco plants. In a previous study, cold tolerance in tobacco was induced by the introduction of a gene encoding the zinc finger transcription factor, PIF1. Gas-exchange measurements including net photosynthesis and stomatal conductance were performed prior to, in the middle of, and after a cold-stress treatment of $1{\pm}2^{\circ}C$ for 96 h in each of the four seasons. In both transgenic and wild-type plants, gas-exchange parameters were severely decreased in the middle of the cold treatment, but had recovered after 2-3 h of adaptation in a greenhouse. Most t-test comparisons on gas-exchange measurements between the two plant types did not show statistical significance. Wild-type plants had slightly more water-soaked damage on the leaves than the transgenic plants. A light-response curve did not show any differences between the two plant types. However, the curve for assimilation-internal $CO_2$ in wild-type plants showed a much higher slope than that of the PIF1 transgenic plants. This means that the wild-type plant is more capable of regenerating Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) and has greater electron transport capacity. In conclusion, cold-resistant transgenic tobacco plants demonstrated a better recovery of net photosynthesis and stomatal conductance after cold-stress treatment compared to wild-type plants, but the ecophysiological recoveries of the transgenic plants were not statistically significant.
As one way to approach to cold defense mechanism in plants, we previously identified the gene for protein-tyrosine phosphatase (CaTPP1) from hot pepper (Capsicum annuum) using cDNA microarray analysis coupled with Northern blot analysis. We showed that the CaTPP1 gene was strongly induced by cold, drought, salt and ABA stresses. The CaTPP1 gene was engineered under control of CaMV 35S promoter for constitutive expression in transgenic tobacco plants by Agrobacterium-mediated transformation. The resulting CaTPP1 transgenic tobacco plants showed significantly increased cold stress resistance. It also appeared that some of the transgenic tobacco plants showed increased drought tolerance. The CaTPP1 transgenic plants showed no visible phenotypic alteration compared to wild type plants. These results showed the involvement of protein tyrosine phosphatase in tolerance of abiotic stresses including cold and drought stress.
A CAB cDNA clone(pKGCAB) encoding the light harvesting chlorophyll a/b binding protein of the semi-shade plant, Korean ginseng(Panax ginseng C. A. Meyer) was isolated by the one-way path random sequencing of ginseng cDNA library clones and transgenic tobacco plants(Nicotiana tabacum NC82) were produced by the transformation of this ginseng CAB gene in use of Agrobacterium tumefaciens LBA4404. The CAB gene showed type 1 structure of LHCP-II, 84% similarity in nucleotide sequence and 92% in amino acid sequence to that of Nicotiana tabacum CAB40, respectively. Seed germination and initial growth of the transgenic tobacco plants transformed with the cDNA fragment were accelerated under low light intensity compared with those of normal tobacco plant, that may result from the higher light sensitivity of the transgenic plants than that of the normal.
Tobacco mosaic virus(TMV) coat protein cDNA was transformed to Nicotiana tabacum cv. NC82 and the transgenic tobacco plants resistant to TMV infection were isolated in the next generation. The expression of TMV coat protein cDNA and genetic stability of the fifth generation of TMV resistant transgenic tobacco plants at the higher temperature were investigated. The TMV coat protein cDNA was amplified by genomic PCR in all the TMV resistant transgenic tobacco plants. The TMV coat protein expressed in the transgenic tobacco plants was detected at very low level by immunoblot hybridization. Even in tansgenic plants that showed the viral symptom only on very late sucker growth (delay type plants), the coat protein expression in the suckers was much less than that of susceptible tobacco infected with TMV. The TMV coat protein expressed in the transgenic tobacco plants was below 0.01% of total protein. Transcription and expression of the coat protein cDNA in delay type plants were observbed at high temperature (38$^{\circ}C$), and TMV replication was suppressed at both 28$^{\circ}C$ and 38$^{\circ}C$. This indicates that unlike the resistance conferred by 'N' gene. TMV resistance of transgenic tobacco plant won't break down at high temperature.
Pathogenesis-related protein-1a (PR-1a) is strongly induced in tobacco plants by pathogen attack, exogenous salicylic acid (SA) application and by other developmental processes. In order to develop a rapid screening system for the selection of plant defense-inducing compounds originated from various sources, we have transformed tobacco Samsun NN plants with a chimeric construct consisting of GUS $(\beta-glucuronidase)$. In the $T_1$ generation, three transgenic lines having stable GUS expression were selected for further promoter analysis. Using GUS histochemical assay, we observed strong GUS induction driven by PR-1a promoter in PR1a-GUS transgenic tobacco leaves in response to the exogenous application of SA or benzol (1,2,3) thiadiazole-7-carbothioic acid S-methyl ester (BTH), a SAderivative compound. In addition, GUS expression was maintained locally or systemically in PR1a-GUS transgenic line $\#5\;T_2$ generation) until after 3 days when they were treated with same chemicals. Our results suggested that the PR1a-GUS reporter gene system in tobacco plants may be applicable for the large-scale screening of defense-inducing substances.
Dehydroascorbate (DHA) reductase (DHAR, EC 1.8.5.1) catalyzes the reduction of DHA to reduced ascorbate (AsA) using glutathione (GSH) as the electron donor in order to maintain an appropriate level of ascorbate in plant cells. To analyze the physiological role of DHAR in environmental stress adaptation, we developed transgenic tobacco (Nicotiana tabacum cv. Xanthi) plants that express a human DHAR gene isolated from the human fetal liver cDNA library in the chloroplasts. We also investigated the DHAR activity, levels of ascorbate, and GSH. Two transgenic plants were successfully developed by Agrobacterium-mediated transformation and were confirmed by PCR and Southern blot analysis. DHAR activity and AsA content in mature leaves of transgenic plants were approximately 1.41 and 1.95 times higher than in the non-transgenic (NT) plants, respectively In addition, the content of oxidized glutathione (GSSG) in transgenic plants was approximately 2.95 times higher than in the NT plants. The ratios of AsA to DHA and GSSG to GSH were changed by overexpression of DHAR, as expected, even though the total content of ascorbate and glutathione was not significantly changed. When tobacco leaf discs were subjected to methyl viologen at $5\;{\mu}M$, $T_0$ transgenic plants showed about a 50% reduction in membrane damage compared to the NT plants.
MuSI, a gene that corresponds to a domain that contains the rubber elongation factor (REF), is highly homologous to many stress-related proteins in plants. Since MuSI is up-regulated in the roots of plants treated with cadmium or copper, the involvement of MuSI in cadmium tolerance was investigated in this study. Escherichia coli cells overexpressing MuSI were more resistant to Cd than wild-type cells transfected with vector alone. MuSI transgenic plants were also more resistant to Cd. MuSI transgenic tobacco plants absorbed less Cd than wild-type plants. Cd translocation from roots to shoots was reduced in the transgenic plants, thereby avoiding Cd toxicity. The number of short trichomes in the leaves of wild-type tobacco plants was increased by Cd treatment, while this was unchanged in MuSI transgenic tobacco. These results suggest that MuSI transgenic tobacco plants have enhanced tolerance to Cd via reduced Cd uptake and/or increased Cd immobilization in the roots, resulting in less Cd translocation to the shoots.
Transgenic tobacco plants expressing calmodulin derivative($lys{\rightarrow}ile$ 115 calmodulin) and hygromycin resistance genes or hygromycin resistance gene alone(control) were generated by Agrobacterium-mediated DNA transfer. Seeds obtained from the transgenic plants($F_o$) were tested for resistance to hygromycin and the expected 3 : 1 ratio was observed. The expression of calmodulin derivative in the tobacco plants was identified by a combined method of Western blot and Chemiluminescence. The effects of surface sterilizers on the germiation of seeds from transgenic tobacco plants were tested in Murashige and Skoog agar medium. Seeds obtained from transgenic tobacoo plants expressing the calmodulin derivative showed no fungi contamination with normal germination by treating with sterilized water alone or sodium hypochlorite(2% effective chlorine). In contrast, seeds from the control transgenic tobacco plants showed severe contamination with fungi by treating with sterilized water alone and showed no contamination with normal germination by treating with sodium hypochlorite(2% chlorine). The effects of calcium concentration on the germination of seeds from transgenic tobacco plants were tested in Murashige and Skoog agar medium. Seeds obtained from transgenic tobacco plants expressing the calmodulin derivative showed better germination frequency than that of the control transgenic tobacco seeds in the medium containing 30 mM $CaCl_2$. The data raise the possibility that the expression of calmodulin derivative gene in tobacco plants could increase adaptability of the seeds to environmental stresses.
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