Rehmannia glutinosa shows a high level of resistance to the non-selective herbicide paraquat. To characterize the antioxidant enzyme system of R. glutinosa, we comparatively examined the responses of antioxidant enzymes to UV, wounding and a general elicitor yeast extract in R. glutinosa and soybean. The levels of enzyme activities of the two plant species were drastically different between those per fresh weight (general activity) and per protein (specific activity) bases. The general activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POX), catalase (CAT), and glutathione reductase (GR) were lower, but that of ascorbate peroxidase (APX) was higher in R. glutinosa than in soybean. The specific activities of the enzymes, however, were about two- to seven-fold higher in R. glutinosa than in soybean, except that of CAT, which was about 12-fold higher in soybean. The general and specific enzyme activities of R. glutinosa relative to those of soybean showed a consistent increase in responses to the stresses only in SOD. The specific activities of SOD and APX were higher in R. glutinosa in all stress treatments. The results might suggest a relatively higher contribution of SOD and APX to the stress tolerance.
Yoo, Sung-Je;Weon, Hang-Yeon;Song, Jaekyeong;Sang, Mee Kyung
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.29
no.7
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pp.1124-1136
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2019
Salinity is one of the major abiotic stresses that cause reduction of plant growth and crop productivity. It has been reported that plant growth-promoting bacteria (PGPB) could confer abiotic stress tolerance to plants. In a previous study, we screened bacterial strains capable of enhancing plant health under abiotic stresses and identified these strains based on 16s rRNA sequencing analysis. In this study, we investigated the effects of two selected strains, Bacillus aryabhattai H19-1 and B. mesonae H20-5, on responses of tomato plants against salinity stress. As a result, they alleviated decrease in plant growth and chlorophyll content; only strain H19-1 increased carotenoid content compared to that in untreated plants under salinity stress. Strains H19-1 and H20-5 significantly decreased electrolyte leakage, whereas they increased $Ca^{2+}$ content compared to that in the untreated control. Our results also indicated that H20-5-treated plants accumulated significantly higher levels of proline, abscisic acid (ABA), and antioxidant enzyme activities compared to untreated and H19-1-treated plants during salinity stress. Moreover, strain H20-5 upregulated 9-cisepoxycarotenoid dioxygenase 1 (NCED1) and abscisic acid-response element-binding proteins 1 (AREB1) genes, otherwise strain H19-1 downregulated AREB1 in tomato plants after the salinity challenge. These findings demonstrated that strains H19-1 and H20-5 induced ABA-independent and -dependent salinity tolerance, respectively, in tomato plants, therefore these strains can be used as effective bio-fertilizers for sustainable agriculture.
Al Mahmud, Jubayer;Hasanuzzaman, Mirza;Nahar, Kamrun;Rahman, Anisur;Hossain, Md. Shahadat;Fujita, Masayuki
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2017.06a
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pp.235-235
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2017
Chromium (Cr) toxicity is hazardous to the seed germination, growth, and development of plants. ${\gamma}$-Aminobutyric acid (GABA) is a non-protein amino acid and is involved in stress tolerance in plants. To investigate the effects of GABA in alleviating Cr toxicity, we treated eight-d-old mustard (Brassica juncea L.) seedlings with Cr (0.15 mM and 0.3 mM $K_2CrO_4$, 5 days) alone and in combination with GABA ($125{\mu}M$) in a semi-hydroponic medium. The roots and shoots of the seedlings accumulated Cr in a dose-dependent manner, which led to an increase in oxidative damage [lipid peroxidation; hydrogen peroxide ($H_2O_2$) content; superoxide ($O{_2}^{{\cdot}-}$) generation; lipoxygenase (LOX) activity], MG content, and disrupted antioxidant defense and glyoxalase systems. Chromium stress also reduced growth, leaf relative water content (RWC), and chlorophyll (chl) content but increased phytochelatin (PC) and proline (Pro) content. Furthermore, supplementing the Cr-treated seedlings with GABA reduced Cr uptake and upregulated the non-enzymatic antioxidants (ascorbate, AsA; glutathione, GSH) and the activities of the enzymatic antioxidants including ascorbate peroxidase (APX), monodehydroascorbate reductase (MDHAR), dehydroascorbate reductase (DHAR), glutathione reductase (GR), glutathione peroxidase (GPX), superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), glyoxalase I (Gly I), and glyoxalase II (Gly II), and finally reduced oxidative damage. Adding GABA also increased leaf RWC and chl content, decreased Pro and PC content, and restored plant growth. These findings shed light on the effect of GABA in improving the physiological mechanisms of mustard seedlings in response to Cr stress.
Ethylene is a key gaseous hormone that controls various physiological processes in plants including growth, senescence, fruit ripening, and responses to abiotic and biotic stresses. In spite of some of these positive effects, the gas usually inhibits plant growth. While chemical fertilizers help plants grow better by providing soil-limited nutrients such as nitrogen and phosphate, overusage often results in growth inhibition by soil contamination and subsequent stress responses in plants. Therefore, controlling ethylene production in plants becomes one of the attractive challenges to increase crop yields. Some soil bacteria among plant growth-promoting rhizobacteria (PGPRs) can stimulate plant growth even under stressful conditions by reducing ethylene levels in plants, hence the term "stress controllers" for these bacteria. Thus, manipulation of relevant genes or gene products might not only help clear polluted soil of contaminants but contribute to elevating the crop productivity. In this article, the beneficial soil bacteria and the mechanisms of reduced ethylene production in plants by stress controllers are discussed.
Hwi-Won Jeong;Tae Ho Ryu;Hyo-Jeong Lee;Kook-Hyung Kim;Rae-Dong Jeong
The Plant Pathology Journal
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v.39
no.5
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pp.449-465
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2023
Plants are challenged by various pathogens throughout their lives, such as bacteria, viruses, fungi, and insects; consequently, they have evolved several defense mechanisms. In addition, plants have developed localized and systematic immune responses due to biotic and abiotic stress exposure. Animals are known to activate DNA damage responses (DDRs) and DNA damage sensor immune signals in response to stress, and the process is well studied in animal systems. However, the links between stress perception and immune response through DDRs remain largely unknown in plants. To determine whether DDRs induce plant resistance to pathogens, Arabidopsis plants were treated with bleomycin, a DNA damage-inducing agent, and the replication levels of viral pathogens and growth of bacterial pathogens were determined. We observed that DDR-mediated resistance was specifically activated against viral pathogens, including turnip crinkle virus (TCV). DDR increased the expression level of pathogenesis-related (PR) genes and the total salicylic acid (SA) content and promoted mitogen-activated protein kinase signaling cascades, including the WRKY signaling pathway in Arabidopsis. Transcriptome analysis further revealed that defense-and SA-related genes were upregulated by DDR. The atm-2atr-2 double mutants were susceptible to TCV, indicating that the main DDR signaling pathway sensors play an important role in plant immune responses. In conclusion, DDRs activated basal immune responses to viral pathogens.
Park, Hyeong-Cheol;Park, Ji-Young;Baek, Dong-Won;Yun, Dae-Jin
Journal of Plant Biotechnology
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v.38
no.2
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pp.162-168
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2011
High salinity is a common stress condition that adversely affects plant growth and crop production. In response to various environmental stresses, plants activate a number of defense genes that function to increase the tolerance. To isolate Arabidopsis genes that are involved in abiotic stress responses, we carried out genetic screening using various mutant lines. Among them, the blh8 ($\b{B}$EL1-$\b{L}$ike $\b{H}$omeodomain $\underline{8}$) mutant specifically shows chlorotic phenotypes to ionic (specifically, $Na^+$ and $K^+$) stresses, but no differences in root growth. In addition, BLH8 is related to plant development and abiotic stress as predicted by a Graphical Gaussian Model (GGM) network program. It implies that BLH8 functions as a putative transcription factor related to abiotic stress responses. Collectively, our results show that gene network analysis is a useful tool for isolating genes involved in stress adaptation in plants.
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2022.10a
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pp.195-195
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2022
Abiotic stress is a major problem in global agriculture as it negatively affects crop growth, yield, and quality. Wheat (Triticum aestivum) is the world's second-highest-producing food resource, so the importance of mitigating damage caused by abiotic stress has been emerging. In this study, we performed GWAS to search for SNPs associated with salt tolerance and drought tolerance. NaCl (200 mM) treatment was performed at the seedling stage using 613 wheat varieties in Korean wheat core collection. Root length, root surface area, root average diameter, and root volume were measured. Drought stress was applied at the seedling stage, and the above phenotypes were measured. GW AS was performed for each phenotype data using the MLM, MLMM, and FarmCPU models. The best salt-tolerant wheat varieties were 'MK2402', 'Gyeongnam Geochang-1985-3698', and 'Milyang 13', showing superior root growth. The significant SNP AX-94704125 (BA00756838) were identified in all models. The genes closely located to the significant SNP were searched within ± 250 kb of the corresponding SNP. A total of 11 genes were identified within the region. NB-ARC involved in the defense response, FKSI involved in cell wall biosynthesis, and putative BP Ml involved in abiotic stress responses were discovered in the 11 genes. The best drought-tolerant wheat varieties were 'PI 534284', 'Moro of Sind', and 'CM92354-33M-0Y-0M-6Y-0B-0BGD', showing superior root growth. This study discovered SNPs associated with salt tolerance in Korean wheat core collection through GWAS. GWAS of drought tolerance is now proceeding, and the GWAS results will be represented on a poster. The SNPs identified by GWAS can be useful for studying molecular mechanisms of salt tolerance and drought tolerance in wheat.
Drought and high salinity stresses often imposes adverse effects on crop yield. MYB transcription factors have been shown to be an important regulator in defense responses to these environmental stresses. In this study, we have cloned and characterized a soybean gene GmMYB184 (Glycine max MYB transcription factor 184). Deduced amino acid sequences of GmMYB184 show highest homology with that from Vitis vinifera legume plant (75%). Different expression patterns of GmMYB184 mRNA were observed subjected to drought, cold, high salinity stress and abscisic acid treatment, suggesting its role in the signaling events in the osmotic stress-related defense response. Subcellular localization studies demonstrated that the GFP-GmMYB184 fusion protein was localized in the nucleus. Using the yeast assay system, the C-terminal region of GmMYB184 was found to be essential for the transactivation activity. These results indicate that the GmMYB184 may play a role in abiotic stress tolerance in plant.
Rizwana B.Syed Nabi;Eunyoung Oh;Sungup Kim;Kwang-Soo Cho;Myoung Hee Lee
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2022.10a
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pp.231-231
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2022
The GASA protein (Gibberellic acid-stimulated Arabidopsis) are family of small cysteine-rich peptides found in plants. These GASA gene family mainly involved in biotic/abiotic stress responses and plant development. Despite being present in a wide plant species, their action and functions still remain unclear. In this study, using the in-silico analysis method we identified 41 GASA genes in peanuts (Arachis hypogaea L.). Based on the phylogenetic analysis 41 GASA genes are classified in the four major clusters and subclades. Mainly, clusters IV and III comprise the majority of GASA genes 15 and 11 genes respectively, followed by cluster I and cluster II with 9 and 6 genes respectively. Additionally, based on in-silico analysis we predicted the post-transcriptional and post-translational changes of GASA proteins under abiotic stresses such as drought and salt stress would aid our understanding of the regulatory mechanisms. Hence, a further study is planned to evaluate the expression of these GASA genes under stress in different plant tissues to elucidate the possible functional role of GASA genes in peanut plants. These findings might offer insightful data for peanut advancement.
Calcium ($Ca^{2+}$) plays pivotal roles as an intracellular second messenger in response to a variety of stimuli, including light, abiotic. and biotic stresses and hormones. $Ca^{2+}$ sensor is $Ca^{2+}$-binding protein known to function in transducing signals by activating specific targets and pathways. Among $Ca^{2+}$-binding proteins, calmodulin (CaM) has been well reported to regulate the activity of down-stream target proteins in plants and animals. Especially plants possess multiple CaM genes and many CaM target proteins, including unique protein kinases and transcription factors. Thus, plants are possible to perceive different signals from their surroundings and adapt to the changing environment. However, the function of most of CaM or CaM-related proteins have been remained uncharacterized and unknown. Hence, a better understanding of the function of these proteins will help in deciphering their roles in plant growth, development and response to environmental stimuli. This review focuses on $Ca^{2+}$-CaM messenger system, CaM-associated proteins and their role in responses to external stimuli of both abiotic and biotic stresses in plants.
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