Early hypoxia-regulated genes in rice and Arabidopsis thaliana

Klode, Mathias

Plants are exposed to hypoxia during their life cycle to differing extents. Some plants, like deepwater rice cultivars, have evolved to be adapted to more severe hypox-ia occurring during flooding events. Several responses and adaptations to hypoxia have been described earlier. Here, two species very different in the extent of their adaptation to hypoxia and flooding, Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. and Oryza sativa L. were analyzed. Whole genome microarray analyses were performed using hypoxia-treated deepwater rice with the goal to identify genes potentially having a regulatory role in hypoxia responses. After 1 h at 5% oxygen, 1228 genes were differentially regulated irrespective of functional perception of the phytohormone ethylene. The genes were classified to find genes with a potential role in signaling and regulation during hypoxia. Mutants of five induced genes were analyzed. In addition, homologous Arabidopsis genes were identified and analyzed for regulation by hypoxia. For homologs regulated by hypoxia or proposed to potentially be involved in hypoxia adaptation according to previous studies, T-DNA insertion mutants were characterized. They were examined for their ability to withstand low oxygen stress. Mutants of WOUND-RESPONSIVE FAMILY PROTEIN (At4g10270), bHLH FAMILY PROTEIN (At2g42280), and of Arabidopsis CALMODULIN-LIKE 39 (At1g76640) were altered in hypoxia-induced alcohol dehydrogenase (ADH) activity (At4g10270 and At1g76640) and in respect to their survival capacity after 2 d of near anoxia (<0.1% O2). Overexpression of prolyl hydroxylase AtP4H7 (At3g28480) as well as RHODANESE-DOMAIN CONTAINING PROTEIN (At2g17850) led to altered survival after the same stress treatment. These genes should be analyzed in the future to determine their role in the response to hypoxia. Group VII ERF transcription factors are known to be involved in the regulation of the response to hypoxia in rice and Arabidopsis. It was shown that 5 additional ERF genes of the total of 15 genes in group VII were induced after 1 h of hypoxia in rice. Additionally, we analyzed Arabidopsis ERF71 and ERF73 in roots and showed that ERF73 and ERF71 are induced by hypoxia. It was further shown that ERF73 but not ERF71 expression is regulated by ethylene and that ADH activity is modulated by ethylene partially through ERF73 in Arabidopsis roots.

Pflanzen unterliegen während ihres Lebenszyklus Hypoxie in unterschiedlich schwerer Ausprägung. Semiaquatische Spezies, wie beispielsweise Tiefwasserreis, haben eine verbesserte Anpassung an Überflutung und den damit einhergehenden Hypoxiestress entwickelt. Viele der Antworten auf und Anpassungen an Hypoxie wurden bereits beschrieben. In dieser Arbeit wurden die unterschiedlich an Hypoxie und Überflutung angepassten Arten Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. und Oryza sativa L. untersucht. Microarray-Analysen wurden mit Tiefwasserreis durchgeführt, um Gene zu identifizieren, die eine regulatorische Rolle bei der Antwort auf Hypoxie spielen könnten. Es waren 1228 Gene nach 1 h Behandlung mit 5% Sauerstoff differenziell reguliert, unabhängig von funktioneller Wahrnehmung des Phytohormons Ethylen. Sie wurden klassifiziert, um Gene zu finden, die möglicherweise eine Rolle in Signaltransduktion und Regulation bei Hypoxie spielen. Mutanten von fünf Genen, die induziert waren, wurden untersucht. Zusätzlich wurden homologe Arabidopsis-Gene gesucht und ebenfalls auf eine Regulation bei Hypoxie analysiert. Von Arabidopsis-Homologen, die ebenfalls durch Hypoxie reguliert waren oder bei denen vorhergegangene Arbeiten auf eine Rolle in der hypoxischen Anpassung hindeuteten, wurden T-DNA-Insertionsmutanten charakterisiert und auf ihre Fähigkeit, Sauerstoffmangel zu widerstehen, untersucht. Mutanten eines WOUND-RESPONSIVE FAMILY PROTEIN (At4g10270), eines bHLH-Transkriptionsfaktors (At2g42280) und von Arabidopsis CALMODULIN-LIKE 39 (At1g76640) wiesen Veränderungen in der Hypoxie-induzierten ADH-Aktivität (At4g10270 und At1g76640) und im Überleben nach 2 d annähernder Anoxie (<0,1% O2) auf. Überexpressionsmutanten der Prolylhydroxylase AtP4H7 (At3g28480) sowie von RHODANESE-DOMAIN CONTAINING PROTEIN (At2g17850) waren ebenfalls in der Überlebensfähigkeit nach diesem Stress verändert. Um die Funktionen dieser Gene bei Hypoxie verstehen zu können, müssten sie zukünftig genauer in Bezug auf ihre Rolle in der Hypoxieantwort analysiert werden. Mehrere ERF-Transkriptionsfaktoren der Gruppe VII sind an der Regulation der Hypoxieantwort in Reis und Arabidopsis beteiligt. Es konnte gezeigt werden, dass fünf weitere ERFs der Gruppe VII, die in Reis aus 15 Mitgliedern besteht, nach 1 h bei 5% O2 heraufreguliert waren. Zusätzlich wurden ERF71 und ERF73 aus Arabidopsis in Wurzeln analysiert und es konnte gezeigt werden, dass ERF73 und ERF71 durch Hypoxie induziert werden. Zudem wurde gezeigt, dass ERF73, aber nicht ERF71, durch Ethylen induziert werden kann, sowie dass Ethylen die ADH-Aktivität in Arabidopsiswurzeln zum Teil über ERF73 moduliert.

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Klode, Mathias: Early hypoxia-regulated genes in rice and Arabidopsis thaliana.

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