토마토(Lycopersicon esculentum Mill.)는 저온 스트레스에 대해 민감하며 식물에 있어서 환경 스트레스에 대한 보호제로서의 역할을 하는 대사물질중의 하나인 glycinebetaine (GB)을 생합성 하지 못한다. 비록 GB 처리가 토마토의 내염성 및 내건성을 증가시킨 것으로 보고되어 있지만, 저온 스트레스에 대한 GB의 효과는 아직까지 검증되지 않았다. 내한성에 대한 GB의 효과를 검증하기 위하여 GB이 토마토(cv. Moneymaker)의 엽면에 시비되었으며, 처리된 식물체들은 내한성이 증가된 것으로 관찰되었다. 저온처리 동안 GB이 처리된 식물체는 무처리구에 비해 낮은 농도의 H2O2과 높은 ...
토마토(Lycopersicon esculentum Mill.)는 저온 스트레스에 대해 민감하며 식물에 있어서 환경 스트레스에 대한 보호제로서의 역할을 하는 대사물질중의 하나인 glycinebetaine (GB)을 생합성 하지 못한다. 비록 GB 처리가 토마토의 내염성 및 내건성을 증가시킨 것으로 보고되어 있지만, 저온 스트레스에 대한 GB의 효과는 아직까지 검증되지 않았다. 내한성에 대한 GB의 효과를 검증하기 위하여 GB이 토마토(cv. Moneymaker)의 엽면에 시비되었으며, 처리된 식물체들은 내한성이 증가된 것으로 관찰되었다. 저온처리 동안 GB이 처리된 식물체는 무처리구에 비해 낮은 농도의 H2O2과 높은 catalase activity를 나타내었으며, 이러한 GB의 저온 스트레스에 대한 보호효과는 처리 후 일주일 이내에 사라졌다. 토마토(cv. Moneymaker)가 토양미생물인 Arthrobacter globiformis 유래의 codA 유전자에 의한 대상효소가 엽록체에서 발현되도록 형질 전환되었다. codA 유전자는 cholineoxidase(COD)를 encoding하며, 이 효소는 choline으로부터 GB을 생합성 한다. 형질전환식물체들의 형질전환에 의해 생합성된 전체 GB양 중 86%를 엽록체에서 함유하고 있었다. 다양한 생육발달과정 동안 형질전환체들은 비형질전환체에 비해 내한성이 증가된 것으로 관찰되었으며, 이것은 저온 스트레스과정 중 형질전환체들이 낮은 농도의 H2O2과 높은 catalase activity를 유지함에 따라 이루어졌다. 또한 형질전환체들의 엽록체 내에 축적된 GB의 양은 그들의 내한성 정도와 상관관계가 있었으나 형질전환체에서 축적된 GB의 총량은 GB-accumulator 식물들에 비해 상당히 낮은 것으로 나타났다. 형질전환체에서 축적되는 GB양을 증가시키기 위해 세가지 종류의 형질전환용 expression cassette가 작성되었으며, 이들은 각각 엽록체(Chl-codA), 세포질(Cyt-codA) 또는 동시에 엽록체와 세포질(ChlCyt-codA) 에서 COD가 expression되도록 고안되었다. Cyt-codA와 ChlCyt-codA 형질전환 line에서는 Chl-codA보다 많은 양의 GB이 축적되었음에도 불구하고 향상된 내한성 정도는 Chl-codA에 비해 향상되지 않았다. 형질전환 토마토는 꽃과 과실의 크기가 증가하였으며, 이러한 결과는 단위면적당 세포의 수와 크기가 증가된 것에 기인하는 것으로 밝혀졌다. 과실비대는 codA유전자의 다면발현효과(pleiotropic effect)에 의한 것으로 나타났으며, 유전자 발현분석은 세포분열에 관련된 여러 가지 유전자의 발현 정도가 달라졌음을 보여주었다. 이러한 결과는 화아 및 과실의 비대를 목적으로 하는 분자육종의 유용한 방법이 될 것으로 기대된다. 전체적으로 나타난 결과들을 볼 때, GB의 엽면살포는 비형질전환 토마토의 내한성을 증가하였고, GB 생합성과정의 유전공학적 도입은 형질전환 토마토의 다양한 환경 스트레스에 대한 내성을 증가시켰으며, 또한 화아 및 과실이 크기가 증가되는 다면발현효과를 나타내었다.
토마토(Lycopersicon esculentum Mill.)는 저온 스트레스에 대해 민감하며 식물에 있어서 환경 스트레스에 대한 보호제로서의 역할을 하는 대사물질중의 하나인 glycinebetaine (GB)을 생합성 하지 못한다. 비록 GB 처리가 토마토의 내염성 및 내건성을 증가시킨 것으로 보고되어 있지만, 저온 스트레스에 대한 GB의 효과는 아직까지 검증되지 않았다. 내한성에 대한 GB의 효과를 검증하기 위하여 GB이 토마토(cv. Moneymaker)의 엽면에 시비되었으며, 처리된 식물체들은 내한성이 증가된 것으로 관찰되었다. 저온처리 동안 GB이 처리된 식물체는 무처리구에 비해 낮은 농도의 H2O2과 높은 catalase activity를 나타내었으며, 이러한 GB의 저온 스트레스에 대한 보호효과는 처리 후 일주일 이내에 사라졌다. 토마토(cv. Moneymaker)가 토양미생물인 Arthrobacter globiformis 유래의 codA 유전자에 의한 대상효소가 엽록체에서 발현되도록 형질 전환되었다. codA 유전자는 choline oxidase(COD)를 encoding하며, 이 효소는 choline으로부터 GB을 생합성 한다. 형질전환식물체들의 형질전환에 의해 생합성된 전체 GB양 중 86%를 엽록체에서 함유하고 있었다. 다양한 생육발달과정 동안 형질전환체들은 비형질전환체에 비해 내한성이 증가된 것으로 관찰되었으며, 이것은 저온 스트레스과정 중 형질전환체들이 낮은 농도의 H2O2과 높은 catalase activity를 유지함에 따라 이루어졌다. 또한 형질전환체들의 엽록체 내에 축적된 GB의 양은 그들의 내한성 정도와 상관관계가 있었으나 형질전환체에서 축적된 GB의 총량은 GB-accumulator 식물들에 비해 상당히 낮은 것으로 나타났다. 형질전환체에서 축적되는 GB양을 증가시키기 위해 세가지 종류의 형질전환용 expression cassette가 작성되었으며, 이들은 각각 엽록체(Chl-codA), 세포질(Cyt-codA) 또는 동시에 엽록체와 세포질(ChlCyt-codA) 에서 COD가 expression되도록 고안되었다. Cyt-codA와 ChlCyt-codA 형질전환 line에서는 Chl-codA보다 많은 양의 GB이 축적되었음에도 불구하고 향상된 내한성 정도는 Chl-codA에 비해 향상되지 않았다. 형질전환 토마토는 꽃과 과실의 크기가 증가하였으며, 이러한 결과는 단위면적당 세포의 수와 크기가 증가된 것에 기인하는 것으로 밝혀졌다. 과실비대는 codA유전자의 다면발현효과(pleiotropic effect)에 의한 것으로 나타났으며, 유전자 발현분석은 세포분열에 관련된 여러 가지 유전자의 발현 정도가 달라졌음을 보여주었다. 이러한 결과는 화아 및 과실의 비대를 목적으로 하는 분자육종의 유용한 방법이 될 것으로 기대된다. 전체적으로 나타난 결과들을 볼 때, GB의 엽면살포는 비형질전환 토마토의 내한성을 증가하였고, GB 생합성과정의 유전공학적 도입은 형질전환 토마토의 다양한 환경 스트레스에 대한 내성을 증가시켰으며, 또한 화아 및 과실이 크기가 증가되는 다면발현효과를 나타내었다.
Tomato [Lycopersicon esculentum Mill.] plants are chilling sensitive and do not naturally accumulate glycinebetaine (GB), a metabolite that functions as a stress protectant in plants. While GB can increase tolerance of tomato plants to salt and drought stresses, its effect on chilling tolerance has ...
Tomato [Lycopersicon esculentum Mill.] plants are chilling sensitive and do not naturally accumulate glycinebetaine (GB), a metabolite that functions as a stress protectant in plants. While GB can increase tolerance of tomato plants to salt and drought stresses, its effect on chilling tolerance has not been examined. To evaluate whether GB improves chilling tolerance, tomato (cv. Moneymaker) plants were foliar-applied with GB. GB-treated plants exhibited enhanced chilling tolerance. During chilling treatment, GB-treated plants maintained lower H202 levels but a higher degree of catalase activity compared with the controls. In addition, the protective effect of GB on enhanced chilling tolerance disappeared within a week after the application. Therefore, these results suggest genetic engineering of a biosynthetic GB pathway into tomato plants may provide constitutively enhanced chilling tolerance. Tomato plants (cv. Moneymaker) were transformed with a chloroplast-targeted codA gene of Arthrobacter globiformis, which encodes choline oxidase (COD) that catalyzes the conversion of choline to GB. Transgenic plants accumulated GB and their chloroplasts contain up to 86 % of total leaf GB. Over various developmental phases, transgenic plants are more tolerant of chilling stress than their wild-type (WT) counterparts. Transgenic plants also maintained lower H202 levels but a higher degree of catalase activity under chilling stress compared with the controls. Finally, GB accumulation in the chloroplasts of transgenic plants was positively correlated with their level of chilling tolerance, although GB levels in transgenic plants were very low compared to those in natural GB-accumulators. To increase the amount of GB in transgenic tomato plants, three codA expression cassettes were constructed to target the chloroplasts (Chl-codA), cytosol (Cyt-codA), or both locations (ChlCyt-codA). Targeting COD to the cytosol or to both locations resulted in higher GB accumulations in the Cyt-codA and ChlCyt-codA lines compared to the Chl-codA lines. Regardless of targeted location and the different amounts of GB, all three types exhibited similar degrees of enhanced tolerance to various abiotic stresses compared with the WT plants. The codA transgenic plants produced significantly enlarged flowers and fruits, which are a consequence of increased cell number and size. Fruit enlargement was caused by a pleiotropic effect of the codA gene transfer. Expression analysis revealed altered expression of genes that are involved in cell division. These results suggest that enlarged flowers and fruits are the pleiotropic effects of codA transgene expression, which may be useful for further improvement of these traits. All together, these results demonstated that exogenous GB application enhanced chilling tolerance of non-transgenic tomato plants, and moreover introduction of a GB biosynthetic pathway into tomato confers enhanced tolerance to abiotic stresses, as well as increase in sizes of flowers and fruits.
Tomato [Lycopersicon esculentum Mill.] plants are chilling sensitive and do not naturally accumulate glycinebetaine (GB), a metabolite that functions as a stress protectant in plants. While GB can increase tolerance of tomato plants to salt and drought stresses, its effect on chilling tolerance has not been examined. To evaluate whether GB improves chilling tolerance, tomato (cv. Moneymaker) plants were foliar-applied with GB. GB-treated plants exhibited enhanced chilling tolerance. During chilling treatment, GB-treated plants maintained lower H202 levels but a higher degree of catalase activity compared with the controls. In addition, the protective effect of GB on enhanced chilling tolerance disappeared within a week after the application. Therefore, these results suggest genetic engineering of a biosynthetic GB pathway into tomato plants may provide constitutively enhanced chilling tolerance. Tomato plants (cv. Moneymaker) were transformed with a chloroplast-targeted codA gene of Arthrobacter globiformis, which encodes choline oxidase (COD) that catalyzes the conversion of choline to GB. Transgenic plants accumulated GB and their chloroplasts contain up to 86 % of total leaf GB. Over various developmental phases, transgenic plants are more tolerant of chilling stress than their wild-type (WT) counterparts. Transgenic plants also maintained lower H202 levels but a higher degree of catalase activity under chilling stress compared with the controls. Finally, GB accumulation in the chloroplasts of transgenic plants was positively correlated with their level of chilling tolerance, although GB levels in transgenic plants were very low compared to those in natural GB-accumulators. To increase the amount of GB in transgenic tomato plants, three codA expression cassettes were constructed to target the chloroplasts (Chl-codA), cytosol (Cyt-codA), or both locations (ChlCyt-codA). Targeting COD to the cytosol or to both locations resulted in higher GB accumulations in the Cyt-codA and ChlCyt-codA lines compared to the Chl-codA lines. Regardless of targeted location and the different amounts of GB, all three types exhibited similar degrees of enhanced tolerance to various abiotic stresses compared with the WT plants. The codA transgenic plants produced significantly enlarged flowers and fruits, which are a consequence of increased cell number and size. Fruit enlargement was caused by a pleiotropic effect of the codA gene transfer. Expression analysis revealed altered expression of genes that are involved in cell division. These results suggest that enlarged flowers and fruits are the pleiotropic effects of codA transgene expression, which may be useful for further improvement of these traits. All together, these results demonstated that exogenous GB application enhanced chilling tolerance of non-transgenic tomato plants, and moreover introduction of a GB biosynthetic pathway into tomato confers enhanced tolerance to abiotic stresses, as well as increase in sizes of flowers and fruits.
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