Molecular, Proteomics and Cytochemical Analyses of the PR 10-LRR Complex, Abscisic Acid Responsive Protein 1, Osmotin-like Protein, Formate Dehydrogenase and Phosphoenolpyruvate Carboxykinase Genes for Cell Death and Defense Responses to Microbial Pathogens in Pepper and Arabidopsis : 고추와 애기장대에서 병원미생물에 대한 식물 세포 사멸과 방어 반응에 관여하는 PR 10-LRR Complex, Abscisic Acid Responsive Protein 1, Osmotin-like Protein, Formate Dehydrogenase, Phosphoenolpyruvate Carboxykinase 유전자의 분자적, 단백질체학적, 세포화학적 분석원문보기
식물은 다수의 방어 전략을 진화시켜 수많은 병원미생물들에 대항해오고 있다. 최근에 식물의 선천적 면역성에 대한 분자적 연구가 식물 분자 육종으로 발전하여 유전적으로 변형된 병저항성 식물을 제조하기에 이르렀다. 본 연구에서는 고추식물 (Capsicum annuuum)과 Xanthomonas campestris pv. vesicatoria (Xcv), 애기장대 (Arabidopsis thaliana)와 Pseudomonas syringae pv. tomato (...
식물은 다수의 방어 전략을 진화시켜 수많은 병원미생물들에 대항해오고 있다. 최근에 식물의 선천적 면역성에 대한 분자적 연구가 식물 분자 육종으로 발전하여 유전적으로 변형된 병저항성 식물을 제조하기에 이르렀다. 본 연구에서는 고추식물 (Capsicum annuuum)과 Xanthomonas campestris pv. vesicatoria (Xcv), 애기장대 (Arabidopsis thaliana)와 Pseudomonas syringae pv. tomato (Pst) 시스템을 이용하여 식물 방어 면역 반응에 기초하는 분자적•생화학적 기작을 분석하였다. Proteomics 접근방법뿐만 아니라 differential hybridization screening, yeast-two-hybrid assay를 이용하여 Xcv 의 병원성 (Ds1) 균주와 비병원성 (Bv5-4a)균주에 감염된 고추 잎에서 Pathogenesis-related protein 10 (CaPR10), Osmotin-like protein 1 (CaOSM1), Abscisic acid-responsive protein 1 (CaABR1), Formate dehydrogenase 1 (CaFDH1), Phosphoenolpyruvate carboxykinase 1 (CaPEPCK1) 유전자를 분리•동정하였다. 또한 고추의 Pathogen-induced membrane protein 1 (CaPIMP1) 유전자를 과발현하는 형질전환 애기장대식물에서 Arabidopsis Formate dehydrogenase 1 (AtFDH1)를 분리하였다. Virus-induced gene silencing (VIGS), 외부 유전자 과발현, 일시적 in planta 유전자 발현, 그리고 T-DNA 삽입 돌연변이를 이용하여 고추, 애기장대, Nicotiana benthamiana 식물에서 이들 방어반응 유전자의 기능 획득(gain-of-function)과 기능 손실(loss-of-function)을 연구하였다. CaPR10은 과민성 세포사멸을 일으키며 CaLRR1과 단백질 복합체를 형성하여 긍정적 조정자로서 세포사멸을 촉진시켰다. CaABR1은 GRAM (for Glucosyltransferases, Rab-like GTPase activators, and Myotubularins) 도메인을 함유하는 단백질이며 세포사멸조절과 앱시스산-살리실산의 길항작용의 기능을 하였다. 특히, CaABR1와 CaPR10-CaLRR1 복합체가 각각 세포내의 핵(nucleus)과 세포질(cytoplasm)로 특이적으로 위치하는 것이 과민성 세포사멸을 유도하기 위해 필수적이었다. CaOSM1은 식물세포에서 과민성 세포사멸의 유도와 활성산소(ROS) 생성에 필요하였다. 미토콘드리아에서 NAD+ 의존적인 방법으로 formate를 산화시켜 이산화탄소를 만드는 반응을 촉매하는 CaFDH1은 세포 사멸 반응의 긍정적 조절자로서 기능을 하였다. 애기장대의 AtFDH1 역시 병원미생물에 대한 방어와 세포 사멸 반응을 위해 상이한 역할을 하였다. CaPEPCK1은 반활물 세균성 병원균 Pst와 절대기생성 난균류 Hyaloperonospora arabidopsidis 에 대한 식물의 선천적 면역성을 긍정적으로 조절하였다. 종합하면, 본 연구에서 제시된 실험결과들은 고추와 애기장대의 이들 방어관련 유전자들이 병원미생물에 대한 식물의 세포 사멸과 면역성에 관여한다는 것을 시사하고 있다.
식물은 다수의 방어 전략을 진화시켜 수많은 병원미생물들에 대항해오고 있다. 최근에 식물의 선천적 면역성에 대한 분자적 연구가 식물 분자 육종으로 발전하여 유전적으로 변형된 병저항성 식물을 제조하기에 이르렀다. 본 연구에서는 고추식물 (Capsicum annuuum)과 Xanthomonas campestris pv. vesicatoria (Xcv), 애기장대 (Arabidopsis thaliana)와 Pseudomonas syringae pv. tomato (Pst) 시스템을 이용하여 식물 방어 면역 반응에 기초하는 분자적•생화학적 기작을 분석하였다. Proteomics 접근방법뿐만 아니라 differential hybridization screening, yeast-two-hybrid assay를 이용하여 Xcv 의 병원성 (Ds1) 균주와 비병원성 (Bv5-4a)균주에 감염된 고추 잎에서 Pathogenesis-related protein 10 (CaPR10), Osmotin-like protein 1 (CaOSM1), Abscisic acid-responsive protein 1 (CaABR1), Formate dehydrogenase 1 (CaFDH1), Phosphoenolpyruvate carboxykinase 1 (CaPEPCK1) 유전자를 분리•동정하였다. 또한 고추의 Pathogen-induced membrane protein 1 (CaPIMP1) 유전자를 과발현하는 형질전환 애기장대식물에서 Arabidopsis Formate dehydrogenase 1 (AtFDH1)를 분리하였다. Virus-induced gene silencing (VIGS), 외부 유전자 과발현, 일시적 in planta 유전자 발현, 그리고 T-DNA 삽입 돌연변이를 이용하여 고추, 애기장대, Nicotiana benthamiana 식물에서 이들 방어반응 유전자의 기능 획득(gain-of-function)과 기능 손실(loss-of-function)을 연구하였다. CaPR10은 과민성 세포사멸을 일으키며 CaLRR1과 단백질 복합체를 형성하여 긍정적 조정자로서 세포사멸을 촉진시켰다. CaABR1은 GRAM (for Glucosyltransferases, Rab-like GTPase activators, and Myotubularins) 도메인을 함유하는 단백질이며 세포사멸조절과 앱시스산-살리실산의 길항작용의 기능을 하였다. 특히, CaABR1와 CaPR10-CaLRR1 복합체가 각각 세포내의 핵(nucleus)과 세포질(cytoplasm)로 특이적으로 위치하는 것이 과민성 세포사멸을 유도하기 위해 필수적이었다. CaOSM1은 식물세포에서 과민성 세포사멸의 유도와 활성산소(ROS) 생성에 필요하였다. 미토콘드리아에서 NAD+ 의존적인 방법으로 formate를 산화시켜 이산화탄소를 만드는 반응을 촉매하는 CaFDH1은 세포 사멸 반응의 긍정적 조절자로서 기능을 하였다. 애기장대의 AtFDH1 역시 병원미생물에 대한 방어와 세포 사멸 반응을 위해 상이한 역할을 하였다. CaPEPCK1은 반활물 세균성 병원균 Pst와 절대기생성 난균류 Hyaloperonospora arabidopsidis 에 대한 식물의 선천적 면역성을 긍정적으로 조절하였다. 종합하면, 본 연구에서 제시된 실험결과들은 고추와 애기장대의 이들 방어관련 유전자들이 병원미생물에 대한 식물의 세포 사멸과 면역성에 관여한다는 것을 시사하고 있다.
Plants have evolved a multitude of defense strategies to combat an abundance of microbial pathogens. Recently, molecular research of plant innate immunity has advanced toward the plant molecular breeding to generate the genetically modified, disease resistant plants. In this study, molecular and bio...
Plants have evolved a multitude of defense strategies to combat an abundance of microbial pathogens. Recently, molecular research of plant innate immunity has advanced toward the plant molecular breeding to generate the genetically modified, disease resistant plants. In this study, molecular and biochemical mechanisms underlying plant defense immune responses were analyzed using the pepper (Capsicum annuuum)-Xanthomonas campestris pv. vesicatoria (Xcv) and Arabidopsis (Arabidopsis thaliana)-Pseudomonas syringae pv. tomato (Pst) systems. The pepper defense response genes including Pathogenesis-related protein 10 (CaPR10), Abscisic acid-responsive protein 1 (CaABR1), Osmotin-like protein 1 (CaOSM1), Formate dehydrogenase 1 (CaFDH1), and Phosphoenolpyruvate carboxykinase 1 (CaPEPCK1) have been isolated and identified from the pepper leaves infected with both virulent (Ds1) and avirulent (Bv5-4a) strains of Xcv using the differential hybridization screening, yeast-two-hybrid assay as well as proteomics approach. In addition, Arabidopsis Formate dehydrogenase 1 (AtFDH1) has been isolated from the transgenic Arabidopsis plants overexpressing pepper Pathogen-induced membrane protein 1 (CaPIMP1). Virus-induced gene silencing (VIGS), ectopic gene overexpression, transient in planta expression, and T-DNA insertional mutation were used to investigate the gain-of- and loss-of-functions of the defense response genes in pepper, Arabidopsis and Nicotiana benthamiana plants. CaPR10 triggered hypersensitive cell death response (HR), which was promoted by the formation of the protein complex with a leucine-rich repeat protein (CaLRR1) as a positive regulator. CaABR1, a GRAM (for Glucosyltransferases, Rab-like GTPase activators, and Myotubularins) domain-containing protein, functioned in cell death regulation and abscisic acid (ABA)-salicylic acid (SA) antagonism. Notably, the specific subcellular localization of the CaABR1 protein and the CaPR10-CaLRR1 complex to the nucleus and the cytoplasm, respectively, was essential for their function to induce HR. CaOSM1 was required for the induction of HR and reactive oxygen species (ROS) burst in plant cells. CaFDH1, which catalyzes the oxidation of formate into carbon dioxide in the mitochondria in a NAD+-dependent manner, acted as a positive regulator of cell death response. AtFDH1 also played a distinct role for defense and cell death responses to microbial pathogens. CaPEPCK1 positively regulated plant innate immunity against the hemibiotrophic bacterial Pst and obligate biotrophic oomycete Hyaloperonospora arabidopsidis pathogens. Taken together, these results presented in this study suggest that these defense-related genes in pepper and Arabidopsis are responsible for plant cell death and immunity against microbial pathogens.
Plants have evolved a multitude of defense strategies to combat an abundance of microbial pathogens. Recently, molecular research of plant innate immunity has advanced toward the plant molecular breeding to generate the genetically modified, disease resistant plants. In this study, molecular and biochemical mechanisms underlying plant defense immune responses were analyzed using the pepper (Capsicum annuuum)-Xanthomonas campestris pv. vesicatoria (Xcv) and Arabidopsis (Arabidopsis thaliana)-Pseudomonas syringae pv. tomato (Pst) systems. The pepper defense response genes including Pathogenesis-related protein 10 (CaPR10), Abscisic acid-responsive protein 1 (CaABR1), Osmotin-like protein 1 (CaOSM1), Formate dehydrogenase 1 (CaFDH1), and Phosphoenolpyruvate carboxykinase 1 (CaPEPCK1) have been isolated and identified from the pepper leaves infected with both virulent (Ds1) and avirulent (Bv5-4a) strains of Xcv using the differential hybridization screening, yeast-two-hybrid assay as well as proteomics approach. In addition, Arabidopsis Formate dehydrogenase 1 (AtFDH1) has been isolated from the transgenic Arabidopsis plants overexpressing pepper Pathogen-induced membrane protein 1 (CaPIMP1). Virus-induced gene silencing (VIGS), ectopic gene overexpression, transient in planta expression, and T-DNA insertional mutation were used to investigate the gain-of- and loss-of-functions of the defense response genes in pepper, Arabidopsis and Nicotiana benthamiana plants. CaPR10 triggered hypersensitive cell death response (HR), which was promoted by the formation of the protein complex with a leucine-rich repeat protein (CaLRR1) as a positive regulator. CaABR1, a GRAM (for Glucosyltransferases, Rab-like GTPase activators, and Myotubularins) domain-containing protein, functioned in cell death regulation and abscisic acid (ABA)-salicylic acid (SA) antagonism. Notably, the specific subcellular localization of the CaABR1 protein and the CaPR10-CaLRR1 complex to the nucleus and the cytoplasm, respectively, was essential for their function to induce HR. CaOSM1 was required for the induction of HR and reactive oxygen species (ROS) burst in plant cells. CaFDH1, which catalyzes the oxidation of formate into carbon dioxide in the mitochondria in a NAD+-dependent manner, acted as a positive regulator of cell death response. AtFDH1 also played a distinct role for defense and cell death responses to microbial pathogens. CaPEPCK1 positively regulated plant innate immunity against the hemibiotrophic bacterial Pst and obligate biotrophic oomycete Hyaloperonospora arabidopsidis pathogens. Taken together, these results presented in this study suggest that these defense-related genes in pepper and Arabidopsis are responsible for plant cell death and immunity against microbial pathogens.
주제어
#Molecular Plant Pathology Plant Cell Death Defense Response Proteomics
학위논문 정보
저자
최두석
학위수여기관
고려대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
생명산업과학과 식물병리학전공
지도교수
황병국
발행연도
2012
총페이지
362
키워드
Molecular Plant Pathology Plant Cell Death Defense Response Proteomics
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