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보고서 상세정보

저온신호전달 구성성분 유전자 발굴 및 기능연구와 cross-talk 규명
Functional analysis of genes involved in cold stress signal transduction pathways and cross-talk

  • 과제명

    저온신호전달 구성성분 유전자 발굴 및 기능연구와 cross-talk 규명

  • 주관연구기관

    전남대학교
    Chonnam National University

  • 보고서유형

    최종보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2010-05

  • 과제시작년도

    2009

  • 주관부처

    교육과학기술부

  • 사업 관리 기관

    한국연구재단
    National Research Foundation of Korea

  • 등록번호

    TRKO201000012532

  • 과제고유번호

    1345098024

  • 키워드

    저온스트레스,애기장대,신호전달,네트워크,식물호르몬cold stress,Arabidopsis,signal transduction,network,plant hormones

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    Many of the upstream components of signaling pathways are expressed quickly and primarily in response to stimuli. We previously i...

    Many of the upstream components of signaling pathways are expressed quickly and primarily in response to stimuli. We previously isolated ARR7 (ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR7), a cytokinin-inducible A-type ARR gene, as an immediate response mRNA from Arabidopsis by cold temperature at 1°C using differential display-PCR. We investigated the ARR7 gene as a starting point to understand the potential crosstalk occurring between cold response and cytokinin signaling and the role of TCS in cold response. The type-A ARRs of cytokinin two-component signaling system act as negative regulators for cytokinin signaling except for ARR4, but the molecular mechanism by which the A-type ARRs regulate cytokinin signaling remain elusive. To get insights into the molecular function of A-type ARR in cytokinin response, we sought to find the components that function downstream of A-type ARR protein by investigating the effects of ARR7 overexpression on cytokinin-regulated gene expression with the Affymetrix full genome array. To examine early cytokinin response, plants were treated with cytokinin for 30 min or 2 h, followed by GeneChip analysis. The hierarchical clustering analysis of our GeneChip data showed that ARR7 overexpression had distinctively repressive impacts on various groups of the cytokinin-regulated genes. In particular, the induction of all A-type ARRs except for ARR22 and AHK(ARABIDOPSIS HISTIDINE KINASE)1 and AHK4 was suppressed by ARR7 overexpression. Cytokinin-induced expression of most of 12 expansin genes were repressed by ARR7, indicating potential involvement of ARR7 in cell expansion and plant development. Up-regulation of five cytokinin oxidase genes by cytokinins was negatively affected by ARR7. Our GeneChip analysis suggest that ARR7 mainly acts as a transcriptional repressor for a variety of early cytokinin-regulated genes encoding transcription factors, signal transmitters, plant development, and cellular metabolism, which may be responsible for reduced sensitivity of Arabidopsis transgenic plants overexpressing ARR7 to exogenous cytokinins. We show that phosphorylation of ARR7, an A-type response regulator that acts as a negative regulator of cytokinin signaling, is required for its function in plants. Phosphorylation of ARR7 is inhibited in vitro by mutation in a putative phospho-accepting Asp residue into an Asn residue (ARR7D85N). While ectopic overexpression of ARR7 decreases root-growth inhibition, callus formation, and cytokinin-inducible gene expression, overexpression of ARR7D85N at the similar levels does not produce these phenotypes. ARR7D85N is localized to the nucleus and the half-life of this mutant protein is similar to that of ARR7 in Arabidopsis mesophyll protoplasts. These results suggest that the phosphorylation of ARR7 is necessary for ARR7-mediated cytokinin response. We provide evidence for a function of TCS in cold stress response in Arabidopsis. Cold significantly induced the expression of a subset of A-type ARR genes and of GUS in ProARR7:GUS transgenic Arabidopsis. Analyses of A-type ARR expression in ahk mutants and in cytokinin-deficient or -overproducing transgenic Arabidopsis indicate that AHK2 and AHK3 might be involved in mediating cold to express A-type ARRs independent of the influence of endogenous cytokinin levels. Cold neither significantly induced AHK2 and AHK3 expression nor alter the cytokinin contents of wild type within the 4-h during which the A-type ARR genes exhibited peak expression in response to cold, indicating that cold might induce ARR expression via the AHK2 and AHK3 proteins without alterations in the cytokinin concentrations. The ahk2 ahk3 and ahk3 ahk4 mutants exhibited enhanced freezing-tolerance as compared with the wild-type. These ahk double mutants acclimated as efficiently to cold as did wild type. The overexpression of the cold-inducible ARR7 in Arabidopsis resulted in a hypersensitivity response to freezing temperatures without affecting the expression of CBF/DREB target genes under cold-acclimated conditions. By contrast, the arr5, arr6, and arr7 mutants showed increased freezing-tolerance, with or without cold acclimation. ahk2ahk3 mutants showed hypersensitivity response to ABA in root elongation. These results suggest that AHK2 and AHK3 and the cold-inducible A-type ARRs play a negative regulatory role in cold stress signaling via inhibition of ABA response, occurring independently of the cold-acclimation pathway. We also found that AHK2 and AHK3 play a role in drought stress adaptation response as a negative regulator.


    역 유전학적 방법으로 저온 신호전달 경로와 신호 네트워크를 규명하고자 저온에 의해 초기에 mRNA의 축적이 유도되는 A-type ARR 유전자인 ARR7을 분리하여 저온 반응과 cytokinin 신호전달간의 crosstalk 및 t...

    역 유전학적 방법으로 저온 신호전달 경로와 신호 네트워크를 규명하고자 저온에 의해 초기에 mRNA의 축적이 유도되는 A-type ARR 유전자인 ARR7을 분리하여 저온 반응과 cytokinin 신호전달간의 crosstalk 및 two-component 시스템의 저온반응에서의 역할을 규명하고자 하였다. ARR7은 cytokinin에 의한 발현 패턴처럼 초기에 전이적인 발현 패턴을 보이며, ARR7 promoter-GUS 형질전환체도 저온 및 cytokinin에 의해 GUS staining 과 GUS 유전자 발현이 전이적으로 유도되어 전사 수준에서 cytokinin 및 저온에 의 해 발현이 유도되는 유전자인 것으로 밝혀졌다. ARR7 과다 발현 식물체의 분석 등 다양한 실험결과 ARR7은 다른 A-type ARR 유전자와 마찬가지로 cytokinin 반응 시 negative regulator로 작동하며, 수용 도메인의 인산화가 ARR7의 cytokinin 반응에서의 생물학적, 생화학적 역할에 필수적 이라는 결과를 얻었 다. ARR7 뿐만 아니라 일부의 다른 A-type ARR 유전자들도 저온에 전이적으로 이른 시간대에 발현이 이루어졌다. AHK2 와 AHK3이 중첩적으로 저온 인식과정에 관여하고 있으며 내재적인 cytokinin levels 과 무관하게 저온신호를 매개하는 것으로 나타났다. 저온은 A-type ARR 유전자 발현의 최대치를 보이는 4시간 안에 AHK2, AHK3 및 AHK4의 전사 양을 뚜렷하게 증가시키지 않았을 뿐만 아니라 cytokinin의 함량도 변화시키지 않았다. 저온이 cytokinin 함량 변화 없이 AHK2 및 AHK3 단백질을 통하여 A-type ARR 유전자의 발현을 유도하며 저온 반응에서 negative regulator로 작동함을 시사한다. ARR7 과다발현 식물체는 저온순화 후 동결 저항성 시험에서 대조 식물체에 비하여 감수성을 보였으며, arr5, arr6 및 arr7 기능상실 돌연변이체들은 저온 순화 전에 다소 증가된 동결저항성을, 저온순화 후에는 더 강한 동결 항 성을 보였다. AHK2 및 AHK3 와 저온 유도성 A-type ARR은 저온 신호전달경로에서 저온 순화과정과는 독립적으로 음성적 조절인자로 작용하고 있음을 보여주었다. ahk2 ahk3 이중 돌연변이체가 ABA 반응에서 감수성 반응을 보여주었으며 ABA 반응의 억제를 통하여 이루어지고 있는 가능성을 시사한다. cytokinin 반응 과정은 동결저항성과 연계되어 있으며 아마도 외생적 cytokinin 처리에 의해 cytokinin 반응의 negative feedback 조절이 강화되어 동결저항성이 증가 된 것으로 나타났다. AHK-cytokinin 수용체의 저 온인지 기전 규명을 안정적으로 수행하기 위하여 형질전환벡터인 Pro35S:FLAG:AHK3 및 자가 인산화가 이루어지는 histidine 아미노산을 glutamine으로 바꾼 벡터도 제작하여 ahk3 및 ahk2 ahk3 돌연변이체에 형질전환식물체를 제작하였다. AHK2 와 AHK3은 건조반응에서도 저온반응의 경우와 유사하게 음성적 조절인자로의 역할을 나타내었다.


  • 목차(Contents) 

    1. 표지 ... 1
    2. 제출문 ... 2
    3. 보고서 초록 ... 3
    4. 요약문 (국문) ... 4
    5. 요약문 (영문) ... 9
    6. 영문목차 ... 11
    7. 국문목차 ... 12
    8. 제1장 연구개발과제의 개요 ... 13
    9. 제1절 연구개발의 목적 ... 13...
    1. 표지 ... 1
    2. 제출문 ... 2
    3. 보고서 초록 ... 3
    4. 요약문 (국문) ... 4
    5. 요약문 (영문) ... 9
    6. 영문목차 ... 11
    7. 국문목차 ... 12
    8. 제1장 연구개발과제의 개요 ... 13
    9. 제1절 연구개발의 목적 ... 13
    10. 제2절 연구개발의 필요성 ... 13
    11. 제3절 연구개발의 범위 ... 14
    12. 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 15
    13. 제1절 연구개발과제와 관련되는 국내외 현황 ... 15
    14. 제2절 국내외 기술개발현황에서 차지하는 위치 ... 21
    15. 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 24
    16. 제1절 1차년도 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 24
    17. 제2절 2차년도 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 25
    18. 제3절 3차년도 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 28
    19. 제4절 4차년도 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 32
    20. 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 35
    21. 제1절 1차년도 목표달성도 ... 35
    22. 제2절 2차년도 목표달성도 ... 36
    23. 제3절 3차년도 목표달성도 ... 37
    24. 제4절 4차년도 목표달성도 ... 38
    25. 제5절 관련분야에의 기여도 ... 39
    26. 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 41
    27. 제6장 참고문헌 ... 42
    28. 끝페이지 ... 48
  • 참고문헌

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