Sri Nanan Widiyanto;Syahril Sulaiman;Simon Duve;Erly Marwani;Husna Nugrahapraja;Diky Setya Diningrat
Journal of Plant Biotechnology
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제50권
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pp.127-136
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2023
Water scarcity decreases the rate of photosynthesis and, consequently, the yield of banana plants (Musa spp). In this study, transcriptome analysis was performed to identify photosynthesis-related genes in banana plants and determine their expression profiles under water stress conditions. Banana plantlets were in vitro cultured on Murashige and Skoog agar medium with and without 10% polyethylene glycol and marked as BP10 and BK. Chlorophyll contents in the plant shoots were determined spectrophotometrically. Two cDNA libraries generated from BK and BP10 plantlets, respectively, were used as the reference for transcriptome data. Gene ontology (GO) enrichment analysis was performed using the Database for Annotation, Visualization, and Integrated Discovery (DAVID) and visualized using the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) pathway prediction. Morphological observations indicated that water deficiency caused chlorosis and reduced the shoot chlorophyll content of banana plantlets. GO enrichment identified 52 photosynthesis-related genes that were affected by water stress. KEGG visualization revealed the pathways related to the 52 photosynthesisr-elated genes and their allocations in four GO terms. Four, 12, 15, and 21 genes were related to chlorophyll biosynthesis, the Calvin cycle, the photosynthetic electron transfer chain, and the light-harvesting complex, respectively. Differentially expressed gene (DEG) analysis using DESeq revealed that 45 genes were down-regulated, whereas seven genes were up-regulated. Four of the down-regulated genes were responsible for chlorophyll biosynthesis and appeared to cause the decrease in the banana leaf chlorophyll content. Among the annotated DEGs, MaPNDO, MaPSAL, and MaFEDA were selected and validated using quantitative real-time PCR.
The rate of evolution of ethylent by tomato plants was rapidly increased by ozone fumigation. In the present study, the mechanism of ethylent evolution by ozone was investigated in experiments with aminoethoxyvinylglycine (AVG) and tiron, which inhibit the formation of ethylene and peroxidation of lipids, respectively. Pretreatment with AVG significantly inhibited the ozone-induced ethylent evolution, but the treatment of plants with tiron did not inhibit. These results indicate that the induction of the evolution of ethylene by ozone involves the pathway via aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC), while not released as a result of the peroxidation of lipids. Ozone-induced ethylent evolution was greater in dar- than light-incubated, intact tomato plants. The difference between dark- and light-ethylene evolution was examined with diuron, an inhibitor of photosynthetic electron transport. The inhibitor treatment promoted ethylent evolution. These results suggest that ethylent retention and metabolism in plants were regulated by internal $CO_2$ levels which, in turn, were controlled in large part by photosynthesis. Thus, ethylene was retained in illuminated leaf tissue under low intenal $CO_2$ concentration which may develop in a sealed container without exogenously supplied $CO_2$.
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.
Chlorophasts are a central structural feature of stomatal guard cells. Guard cell chloroplasts have both photosystems I and II (PS I and II), carry out O2 evoluation , cyclic and noncyclic photophosporylation, and possess the Calvin-Benson cycle enzymes involved in CO2 fixation. These imply that guard cell chloroplasts have a normal photosynthetic carbon reduction pathway just like their mesophyll counterparts, indicating similar fuctional organization of thylakoid membranes in both types of mesophyll and guard cell chloroplasts. It has been, however, found that guard cell chloroplasts have distinctive and comparative properties in their photosynthetic performance. In this article, I review the intrinsic features on the light reaction of and carbon reduction by guard cell chloroplasts.
The cbb3 cytochrome c oxidase has the dual function as a terminal oxidase and oxygen sensor in the photosynthetic bacterium, Rhodobacter sphaeroides. The cbb3 oxidase forms a signal transduction pathway together with the PrrBA two-component system that controls photosynthesis gene expression in response to changes in oxygen tension in the environment. Under aerobic conditions the cbb3 oxidase generates an inhibitory signal, which shifts the equilibrium of PrrB kinase/phosphatase activities towards the phosphatase mode. Photosynthesis genes are thereby turned off under aerobic conditions. The catalytic subunit (CcoN) of the R. sphaeroides cbb3 oxidase contains five histidine residues (H2l4, B233, H303, H320, and H444) that are conserved in all CcoN subunits of the cbb3 oxidase, but not in the catalytic subunits of other members of copper-heme superfamily oxidases. H214A mutation of CcoN affected neither catalytic activity nor sensory (signaling) function of the cbb3 oxidase, whereas H320A mutation led to almost complete loss of both catalytic activity and sensory function of the cbb3 oxidase. H233V and H444A mutations brought about the partial loss of catalytic activity and sensory function of the cbb3 oxidase. Interestingly, the H303A mutant form of the cbb3 oxidase retains the catalytic function as a cytochrome c oxidase as compared to the wild-type oxidase, while it is defective in signaling function as an oxygen sensor. H303 appears to be implicated in either signal sensing or generation of the inhibitory signal to the PrrBA two-component system.
Spirulina produces $\gamma$-linolenic acid (GLA), an important pharmaceutical substance, in a relatively low level compared with fungi and plants, prompting more research to improve its GLA yield. In this study, metabolic flux analysis was applied to determine the cellular metabolic flux distributions in the GLA synthetic pathways of two Spiru/ina strains, wild type BP and a highGLA producing mutant Z19/2. Simplified pathways involving the GLA synthesis of S. platensis formulated comprise of photosynthesis, gluconeogenesis, the pentose phosphate pathway, the anaplerotic pathway, the tricarboxylic cycle, the GLA synthesis pathway, and the biomass synthesis pathway. A stoichiometric model reflecting these pathways contains 17 intermediates and 22 reactions. Three fluxes - the bicarbonate (C-source) uptake rate, the specific growth rate, and the GLA synthesis rate - were measured and the remaining fluxes were calculated using linear optimization. The calculation showed that the flux through the reaction converting acetylCoA into malonyl-CoA in the mutant strain was nearly three times higher than that in the wildtype strain. This finding implies that this reaction is rate controlling. This suggestion was supported by experiments, in which the stimulating factors for this reaction $(NADPH\;and\;MgCl_{2})$ were added into the culture medium, resulting in an increased GLA-synthesis rate in the wild type strain.
Carotenoids are synthesized from the plastidic glyceraldehyde-3-phosphate (GAP)/pyruvate pathway in isoprenoids biosynthetic system of plants. They play a crucial role in light harvesting, work as photoprotective agents in photosynthesis of nature, and are also responsible for the red, orange and yellow colors of fruits and flowers in plants. In addition to biological actions of carotenoids as antioxidants and natural pigments, they are essential components of human diet as a source of vitamin A. It has been also suggested that some kinds of carotenoids might provide protection against cancer and heart disease as human medicines. In this article, we review the commercial applications on the basis of biological functions of carotenoids, summarize the studies of genes involved in the carotenoid biosynthetic pathway, and introduce recent results achieved in metabolic engineering of carotenoids. This effort for understanding the carotenoids metabolism will make us to increase the total carotenoid contents of crop plants, direct the carotenoid biosynthetic machinery towards other useful carotenoids, and produce a new array of carotenoids by further metabolizing the new precursors that are created when one or two key enzymes in carotenoid biosynthetic pathway are exchanged through gene manipulation in the near future.
Among abiotic stresses in plants, drought and chilling stresses reduce the supply of moisture to plant tissues, inhibit photosynthesis, and severely reduce plant growth and yield. Thus, the application of water stress-tolerant agents can be a useful strategy to maintain plant growth under abiotic stresses. This study assessed the effect of exogenous bio-based 2,3-butanediol (BDO) application on drought and chilling response in tomato and turfgrass, and expression levels of several plant signaling pathway-related gene transcripts. Bio-based 2,3-BDOs were formulated to levo-2,3-BDO 0.9% soluble concentrate (levo 0.9% SL) and meso-2,3-BDO 9% SL (meso 9% SL). Under drought and chilling stress conditions, the application of levo 0.9% SL in creeping bentgrass and meso 9% SL in tomato plants significantly reduced the deleterious effects of abiotic stresses. Interestingly, pretreatment with levo-2,3-BDO in creeping bentgrass and meso-2,3-BDO in tomato plants enhanced JA and SA signaling pathway-related gene transcript expression levels in different ways. In addition, all tomato plants treated with acibenzolar-S-methyl (as a positive control) withered completely under chilling stress, whereas 2,3-BDO-treated tomato plants exhibited excellent cold tolerance. According to our findings, bio-based 2,3-BDO isomers as sustainable water stress-tolerant agents, levo- and meso-2,3-BDOs, could enhance tolerance to drought and/or chilling stresses in various plants through somewhat different molecular activities without any side effects.
Carotenoids, natural antenna pigments in photosynthesis share a symmetric backbone of conjugated polyenes. Contrary to the symmetric and almost planar geometries of carotenoids, excited state structure and dynamics of carotenoids are exceedingly complex. In this paper, recent infrared and visible transient absorption measurements and excitation dependent dynamics of 8'-apo-${\beta}$-caroten-8'-al and 7',7'-dicyano-7'-apo-${\beta}$-carotene will be reviewed. The recent visible transient absorption measurements of 8'-apo-${\beta}$-caroten-8'-al in polar and nonpolar solvents will also be introduced to emphasize the complex excited-state dynamics and unsolved problems in the $S_2$ and $S_1$ excited states.
대두(大豆)의 안산(燐酸) 감수성(感受性)과 관련(關聯) 엽(葉)의 광합성(光合性)-호흡평형점(呼吸平衡點)과 유리(遊離) 아미노산에 대(對)한 질소원(窒素源)의 영향(影響)을 조사(調査)하였다. 유리(遊離) 아미노산 함량(含量)은 암모니움 태(態)에서 최고(最高)였고 요소태(尿素態)에서 최저(最低)였다. glycine, serine, alanine과 특히 histidine이 암모니움태(態)에서 높았다. aspartic acid 는 초산태(硝酸態)에서 높았다. 광합성(光合性)-호흡평형점(呼吸平衡點)은 감수성(感受性) 품종(品種)에서 높고 초산태(硝酸態)에서 보다 암모니움태(態)에서 높았다. 감수성(感受性) 품종(品種)에서 과잉흡수(過剩吸收)된 암모니움을 광합성(光合性) 회로(回路)에서 중간대사물(中間代謝物)을 탈취(脫取)하여 조해(阻害)하고 오탄당(五炭糖) 회로(回路)와 광호흡회로(光呼吸回路)가 활발(活發)해지며 인산감수성품종(燐酸感受性品種)에서는 이러한 현상이 더욱 조장(助長)되는 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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