Phytocystatins (PhyCYSs) are plant-specific proteinaceous inhibitors that are implicated in protein turnover and stress responses. Here, we characterized a PhyCYS from Arabidopsis thaliana, which was designated AtCYS5. RT-qPCR analysis showed that the expression of AtCYS5 in germinating seeds was induced by heat stress (HS) and exogenous abscisic acid (ABA) treatment. Analysis of the expression of the ${\beta}-glucuronidase$ reporter gene under the control of the AtCYS5 promoter showed that AtCYS5 expression during seed germination was induced by HS and ABA. Constitutive overexpression of AtCYS5 driven by the cauliflower mosaic virus 35S promoter led to enhanced HS tolerance in transgenic Arabidopsis, which was characterized by higher fresh weight and root length compared to wild-type (WT) and knockout (cys5) plants grown under HS conditions. The HS tolerance of AtCYS5-overexpressing transgenic plants was associated with increased insensitivity to exogenous ABA during both seed germination and post-germination compared to WT and cys5. Although no HS elements were identified in the 5'-flanking region of AtCYS5, canonical ABA-responsive elements (ABREs) were detected. AtCYS5 was upregulated in ABAtreated protoplasts transiently co-expressing this gene and genes encoding bZIP ABRE-binding factors (ABFs and AREB3). In the absence of ABA, ABF1 and ABF3 directly bound to the ABREs in the AtCYS5 promoter, which activated the transcription of this gene in the presence of ABA. These results suggest that an ABA-dependent pathway plays a positive role in the HS-responsive expression of AtCYS5 during seed germination and post-germination growth.
Seo, Hyoun-Mi;Jung, Yun-Hui;Kim, Yun-Hye;Kwon, Tack-Min;Jeong, Soon-Jae;Yi, Young-Byung;Kim, Doh-Hoon;Nam, Jae-Sung
Journal of Life Science
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v.18
no.4
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pp.488-493
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2008
Phosphate, a favorable phosphorous form for plant, is one of major nutrient elements for growth and development in plants. Plants exhibit various physiological and biochemical responses in reaction to phosphate starvation in order to maintain phosphate homeostasis. Of them, expression of high affinity phosphate transporter gene family and efficient uptake of phosphate via them is a major physiological process for adaption to phosphate deficient environment. Although the various genetic resources of high affinity phosphate transporter are identified recently, little is known about their functions in plant that is prerequisite information before applying to crop plants to generate valuable transgenic plants. We demonstrated that Arabidopsis transgenic plants over-expressing two different high affinity phosphate transporter gens, OsPT1 and OsPT7, derived from rice, exhibit better growth responses compared with wild-type under phosphate starvation condition. Specially, OsPT7 gene has proven to be more effective to generate Arabidopsis transgenic plant tolerant to phosphate deficiency than OsPT1. Furthermore, the expression level of AtPT1 gene that is one of reporter genes specifically induced by phosphate starvation was significantly low compared with wild-type during phosphate starvation. Taken together, these results collectively suggest that over expression of OsPTl and OsPT7 genes derived from monocotyledonous plant function efficiently in the dicotyledonous plant, relieving stress response caused by phosphate starvation and leading to better growth rate.
Brassinosteroids (BRs) are essential plant steroid hormones required for cell elongation, plant growth, development and abiotic and biotic stress tolerance. BRs are recognized by BRI1 receptor kinase that is localized in the plasma membrane, and the BRI1 protein will eventually autophosphorylate in the intracellular domain and transphosphorylate BAK1, which is a co-receptor in Arabidopsis thaliana. However, little is known of the role OsBRI1 receptor kinase plays in Oryza sativa, monocotyledonous plants, compared to that in Arabidopsis thaliana, dicotyledonous plants. As such, we have studied OsBRI1 receptor kinase in vitro and in vivo with recombinant protein and transgenic plants, whose phenotypes were also investigated. A OsBRI1 cytoplasmic domain (CD) recombinant protein was induced in BL21 (DE3) E.coli cells with IPTG, and purified to obtain OsBRI1 recombinant protein. Based on Western blot analysis with phospho-specific pTyr and pThr antibodies, OsBRI1 recombinant protein and OsBRI1-Flag protein were phosphorylated on Threonine residue(s), however, not on Tyrosine residue(s), both in vitro and in vivo. This is particularly intriguing as AtBRI1 protein was phosphorylated on both Ser/Thr and Tyr residues. Also, the OsBRI1 full-length gene was expressed in, and rescued, bri1-5 mutants, such as is seen in normal wild-type plants where AtBRI1-Flag rescues bri1-5 mutant plants. Root growth in seedlings decreased in Ws2, AtBRI1, and 3 independent OsBRI1 transgenic seedlings and had an almost complete lack of response to brassinolide in the bri1-5 mutant. In conclusion, OsBRI1, an orthologous gene of AtBRI1, can mediate normal BR signaling for plant growth and development in Arabidopsis thaliana.
Liang, Ying Shi;Bae, Hee-Jin;Kang, Sang-Ho;Lee, Theresa;Kim, Min Gab;Kim, Young-Mi;Ha, Sun-Hwa
Plant Biotechnology Reports
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v.3
no.4
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pp.325-331
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2009
To efficiently express a gene of interest in transgenic plants, the choice of promoter is a crucial factor as it directly affects the expression of the transgene that will yield the desired phenotype. The Arabidopsis ${\beta}-carotene$ hydroxylase 1 gene (AtBch1) shows constitutive and ubiquitous expression and was thus selected as one of best candidates for constitutive promoter analysis by both in silico northern blotting and semi-quantitative RT-PCR analysis. To investigate AtBch1 promoter activity, the 1,981-bp 5'-upstream region of this gene was fused with ${\beta}-glucuronidase$ (GUS) and transformed into Arabidopsis. Through the molecular characterization of transgenic leaf tissues, the AtBch1 promoter generated strong activity that drives 1.8- and 2-fold higher GUS expression than the cauliflower mosaic virus 35S (35S) promoter at the transcriptional and translational levels, respectively. Furthermore, the GUS enzyme activity driven by the AtBch1 promoter was 2.8-fold higher than that produced by the 35S promoter. By histochemical GUS staining, the ubiquitous expression of the AtBch1 promoter was observed in all tissues of Arabidopsis. Semi-quantitative RT-PCR analysis with different tissues further showed that this promoter serves as a strong constitutive driver of transgene expression in dicot plants.
Invertase (${\beta}$-D-fructofuranosidase; EC 3.2.1.26) catalyzes the conversion of sucrose into glucose and fructose and is involved in an array of important processes, including phloem unloading, carbon partitioning, the response to pathogens, and the control of cell differentiation and development. Its importance may have caused the invertases to evolve into a multigene family whose members are regulated by a variety of different mechanisms, such as pH, sucrose levels, and inhibitor proteins. Although putative invertase inhibitors in the Arabidopsis genome are easy to locate, few studies have been conducted to elucidate their individual functions in vivo in plant growth and development because of their high redundancy. In this study we assessed the functional role of the putative invertase inhibitors in Arabidopsis by generating transgenic plants harboring a putative invertase inhibitor gene under the control of the CaMV35S promoter. A transgenic plant that expressed high levels of the putative invertase inhibitor transcript when grown under normal conditions was chosen for the current study. To our surprise, the stability of the invertase inhibitor transcripts was shown to be down-regulated by the phytohormone ABA (abscisic acid). It is well established that ABA enhances invertase activity in vivo but the underlying mechanisms are still poorly understood. Our results thus suggest that one way ABA regulates invertase activity is by down-regulating its inhibitor.
The AtPGR gene is induced by pathogen infection, jasmonic acid and salicylic acid treatment and may therefore play a role in plant defense responses. Arabidopsis thaliana Plasma membrane Glucose-responsive Regulator (AtPGR) was previously isolated from Arabidopsis, which confers glucose insensitivity on plants. To study its biological functions directly, we have characterized both loss-of-function RNAi mutant and gain-of-function transgenic overexpression plants for AtPGR in Arabidopsis. The AtPGR-overexpressing plants displayed enhanced resistance to a virulent strain of the bacterial pathogen Pseudomonas syringae as measured by a significant decrease in both bacterial growth and symptom development as compared to those in wild-type and RNAi plants. The enhanced resistance in the gain-of-function transgenic plants was associated with increased induction of SA-regulated PDF1.2 and JA-regulated PR1 by the bacterial pathogen. Thus, pathogen-induced AtPGR plays a positive role in defense responses to P. syringae.
Heat shock factors (Hsfs) are central regulators of abiotic stress responses, especially heat stress responses, in plants. In the current study, we characterized the activity of the Hsf gene HsfA3 in Arabidopsis under oxidative stress conditions. HsfA3 transcription in seedlings was induced by reactive oxygen species (ROS), exogenous hydrogen peroxide ($H_2O_2$), and an endogenous $H_2O_2$ propagator, 2,5-dibromo-3-methyl-6-isopropyl-p-benzoquinone (DBMIB). HsfA3-overexpressing transgenic plants exhibited increased oxidative stress tolerance compared to untransformed wild-type plants (WT), as revealed by changes in fresh weight, chlorophyll fluorescence, and ion leakage under light conditions. The expression of several genes encoding galactinol synthase (GolS), a key enzyme in the biosynthesis of raffinose family oligosaccharides (RFOs), which function as antioxidants in plant cells, was induced in HsfA3 overexpressors. In addition, galactinol levels were higher in HsfA3 overexpressors than in WT under unstressed conditions. In transient transactivation assays using Arabidopsis leaf protoplasts, HsfA3 activated the transcription of a reporter gene driven by the GolS1 or GolS2 promoter. Electrophoretic mobility shift assays showed that GolS1 and GolS2 are directly regulated by HsfA3. Taken together, these findings provide evidence that GolS1 and GolS2 are directly regulated by HsfA3 and that GolS enzymes play an important role in improving oxidative stress tolerance by increasing galactinol biosynthesis in Arabidopsis.
The Arabidopsis SHL1 (${\underline{Sh}}ort$${\underline{L}}ife$ 1) gene encodes a small nuclear protein that is critical for the proper expression of the developmental programs that are responsible for controlling plant stature, senescence, flowering and seed formation. The SHL1 contains a single PHD finger domain that works in conjunction with a bromo-adjacent homology (BAH) motif that is thought to function significantly in protein-protein interactions. The TCH4 gene of the Arabidopsis encodes a xylogluclan endotransglucosylase/hydrolase that is transcriptionally regulated by a variety of hormonal and environmental stimuli. We report here in this study that the SHL1 exhibits sequence specific DNA binding properties, recognizing a 14 bp region of the TCH4 promoter in vitro, spanning nucleotides -262 to -275 (GGAAAAAACTCCCA). Chiefly, the nuclear extracts of Arabidopsis contain a protein with similar binding properties as recombinant SHL1, which is absent in identified transgenic plants that are noted as expressing antisense SHL1 RNA. Interestingly, the SHL1 gene expression with a BL treatment in characteristically wild types of seedlings showed that the transcript level of SHL1 is significantly down regulated by the BL treatment. The SHL1 may play a subtle role in regulating the kinetics of induction of the TCH4 in response to several stimuli in vivo.
Phytochelatins play an important role in heavy metal detoxification in plants as well as in other organisms. The Arabidopsis thaliana mutant cad1-3 does not produce detectable levels of phytochelatins in response to cadmium stress. The hypersensitivity of cad1-3 to cadmium stress is attributed to a mutation in the phytochelatin synthase 1 (AtPCS1) gene. However, A. thaliana also contains a functional phytochelatin synthase 2 (AtPCS2). In this study, we investigated why the cad1-3 mutant is hypersensitive to cadmium stress despite the presence of AtPCS2. Northern and Western blot analyses showed that expression of AtPCS2 is weak compared to AtPCS1 in both roots and shoots of transgenic Arabidopsis. The lower level of AtPCS2 expression was confirmed by RT-PCR analysis of wild type Arabidopsis. Moreover, no tissue-specific expression of AtPCS2 was observed. Even when AtPCS2 was under the control of the AtPCS1 promoter or of the cauliflower mosaic virus 35S promoter (CaMV 35S) it was not capable of fully complementing the cad1-3 mutant for cadmium resistance.
Hong, Eun-Hye;Jeong, Young-Min;Ryu, Jee-Youn;Amasino, Richard M.;Noh, Bosl;Noh, Yoo-Sun
Molecules and Cells
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v.27
no.4
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pp.481-490
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2009
Diverse posttranslational modifications of histones, such as acetylation and methylation, play important roles in controlling gene expression. Histone methylation in particular is involved in a broad range of biological processes, including heterochromatin formation, X-chromosome inactivation, genomic imprinting, and transcriptional regulation. Recently, it has been demonstrated that proteins containing the Jumonji (Jmj) C domain can demethylate histones. In Arabidopsis, twenty-one genes encode JmjC domain-containing proteins, which can be clustered into five clades. To address the biological roles of the Arabidopsis genes encoding JmjC-domain proteins, we analyzed the temporal and spatial expression patterns of nine genes. RT-PCR analyses indicate all nine Arabidopsis thaliana Jmj (AtJmj) genes studied are actively expressed in various tissues. Furthermore, studies of transgenic plants harboring AtJmj::${\beta}$-glucuronidase fusion constructs reveal that these nine AtJmj genes are expressed in a developmentally and spatially regulated manner.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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