저온 스트레스가 벼의 지방산 조성 및 지질대사 관련 유전자 발현에 미치는 영향 = Influences of Chilling Stress on the Fatty Acid Compositions of Membrane Iipids and the Expression of Several Genes Involved in Lipid Metabolism of Rice Plants
저자
발행사항
김해 : 仁濟大學校 大學院, 2004
학위논문사항
학위논문(석사)-- 인제대학교 대학원: 생물학과 생물학 전공 2005. 2
발행연도
2004
작성언어
한국어
주제어
KDC
511.3 판사항(4)
발행국(도시)
경상남도
형태사항
ⅷ, 37p. : 삽도 ; 26cm.
일반주기명
참고문헌: p. 34-37
소장기관
저온 스트레스가 저온 감수성 식물인 벼의 지질 조성 변화와 지질관련 유전자의 발현에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여 저온 처리한 벼 유식물의 잎을 절취하여 총 지질을 분석한 후 컬럼 크로마토그래피와 박층 크로마토크래피를 이용한 지질분리를 수행하고 각 지질의 구성 지방산을 기체 크로마토그래피로 분석하였다. 또한 ω-3 fatty acid desaturase (FAD7, FAD8), acyl carrier protein Ⅲ(ACP Ⅲ) 및 fatty acyl-CoA reductase (FAR) 유전자를 대상으로 각 유전자의 mRNA 발현수준을 RT-PCR로 분석하였다.
15℃에서 4일간 저온 처리한 벼 잎으로부터 분리한 MCDG(monogalactosyldiacylglycerol), DGDG (digalactosyldiacylglycerol), PG(phosphatidylglycerol), SQDG (sulfoquinovosyldiacylglycerol) 중 PG와 SQDG의 경우 18:3 지방산의 함량비가 각각 6% 및 8% 가량 증가하였고, 불포화 지질 분자종의 비율도 증가함을 볼 수 있었다. 저온에 의해 유도된 지질의 불포화도 증가는 저온에서 세포막의 유동성을 유지하기 위한 식물의 생화학적 변화로서 ω-3 fatty acid desarase 등 지질대사 관련 유전자의 발현과 밀접한 관련이 있다. 식물의 ω-3 fatty acid desaturase는 18:2 지방산을 18:3 지방산으로 불포화하는 효소이며 FAD7과 FAD8 유전자에 의해 코딩된다.
저온 처리한 벼의 FAD7 및 FAD8 유전자의 발현 변화를 조사하기 위하여 4℃ 및 15℃ 에서 5일간 생장시킨 벼 잎으로부터 total RNA를 분리하여 RT-PCR 분석을 수행하였다. FAD7 유전자는 저온 처리에도 불구하고 25℃ 및 35℃의 온도처리구와 유사한 수준으로 은도 처리에 관계없이 일정하게 발현되었다. 이것은 FAD7 유전자가 constitutive하게 발현되는 유전자임을 가리킨다. 이와는 대조적으로 FAD8 유전자는 4℃ 및 15℃의 저온 처리구에서 25℃ 및 35℃ 처리구에 비해 훨씬 높은 발현량을 보였다. 이것은 FAD8 유전자가 저온에 의해 발현이 유도되는 저온 유도성 유전자임을 시사한다. 또한 벼의 FAD8 유전자는 35℃의 고온에서도 발현되는 것이 특징적이었으며 잎 조직에서만 발현되는 FAD7과 달리 잎과 뿌리조직 모두에서 발현되었다.
한편, 지질 대사관련 유전자의 하나인 acyl carrier protein (ACP) 유전자는 벼에서 저온처리에 민감하게 발현이 저해되었다. 또한, 고등식물 조직에서 생산되는 왁스와 에스테르의 전구물질인 fatty aldehyde 합성에 관여하는 fatty acyl-CoA reductase (FAR) 역시 저온 처리에 따른 유전자 발현의 저해가 뚜렷하게 나타났다.
벼의 유식물은 저온 환경에 대한 적응기작으로서 FAD8 유전자의 발현을 유도함으로써 막지질 불포화 및 세포막의 유동성을 증가시키는 것으로 해석된다.
Influences of chilling stress on rice seedlings were investigated in terms of fatty acid compositions of membrane lipids and expression of several genes involved in the lipid metabolism of plane. After total lipids were isolated from leaves, the respective lipid classes were separated by carrying out column chromatography and thin-layer chromatography, and the fatty acid compositions were analyzed with gas chromatography. The levels of mRNAs were analyzed by RT-PCR with respect to the genes for ω-3 fatty acid desaturase (FAD7, FAD8), acyl carrier protein Ⅲ (ACP Ⅲ) and fatty acyl-CoA reductase (FAR).
Total lipids were seperated into MCDG (monogalactosyldiacylglycerol), DGBG (digalactosyldiacylglycerol), PG (phosphatidylglycerol) and SQDG (sulfoquinovosyldiacylglycerol). When rice seedlings were shifted to 15℃ for a day followed by chilling at 4℃ for 4 days, fatty acid compositions of PG and SQDG showed increment in the content of 18:3 by 6% and 8%, respectively, while those of MGDG and DGDG remained constant. Moreover, the ratio of unsaturated lipid molecular species of PC and SQDG has also increased by chilling stress. The increase in the extent of fatty acid unsaturation in membrane lipids induced by low temperature, is considered to be one of the biochemical changes for maintaining the fluidity of cell membrane at low temperature. These changes seem to be in close relation with the manifestation of genes related to lipid replacement including ω-3 fatty acid desaturase.
The ω-3 fatty acid desaturase in plants, which is an enzyme unsaturating the fatty acid of 18:2 to that of 18:3, is coded by the genes of FAD7 and FAD8. To examine any changes in the expression levels of FAD7 and FAD8 in low-temperature treated rice plants, total RNA was separated from the rice plant leaves grown for 5 days at 4℃ or 15℃ and their mRNA levels were analyzed by RT-PCR. The expression of FAD7 remained at a constant level during exposure to different temperatures tested, indicating that it is constitutively expressed. Moreover, FAD7 was expressed in leaves and not in roots, implying its tissue-specific expression. In contrast, FAD8 showed a marked increase in the expression level when the plants were exposed to 4℃ or 15℃, indicating that it is cold-inducible. The expression of FAD8 was also increased even during exposure to 35℃. Furthermore, contrary to FAD7 which is expressed only in leaves, FAD8 expression was detected in both leaf and root tissue.
The expression of acyl carrier protein (ACP) gene, one of the genes related to fatty acid biosynthesis, was greatly inhibited during exposure to low temperature of rice plants. The expression of fatty acyl-CoA reductase (FAR) gene, whose protein is likely to be engaged in the synthesis of fatty aldehydes, precursors of the wax and ester produced in the tissues of higher plant life, was greatly inhibited during exposure to low temperature.
In summary, the juvenile forms of rice plane with low temperature susceptibility, if exposed to low temperature, are interpreted to cope with the low-temperature environment by inducing the expression of FAD8 and thereby enhancing fatty acid unsaturation of membrane lipids necessary to maintain cell membrane fluidity under low temperature.
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