Auxin is a key plant hormone which regulates overall plant growth development. A number of researches to investigate auxin signaling identified three major classes of early auxin response genes: AUX/IAA, GH3 and SMALL AUXIN UP RNA (SAUR). Among these genes, in planta functions of SAUR gene family are largely ambiguous, while both AUX/IAA and GH3 genes are analyzed to mediate negative feedback on auxin response. SAUR genes encode small plant-specific proteins. SAUR gene products are highly unstable and transiently expressed in the tissue- and developmental-specific manners in response to auxin and various environmental stimuli. In the decades, molecular and genetic approaches to elucidate in planta functions of SAURs have been hampered by several factors such as the unstable molecular features and functional redundancy among them. However, a series of recent studies focusing on several subgroups of SAUR gene family made significant progress in our understanding of its biochemical and physiological functions. These works suggest that many SAUR proteins mainly regulate auxin-related cell expansion and auxin transport. In this review, the recent progress in SAUR research and prospects for crop improvement through its genetic manipulation are discussed.
The plant hormone auxin regulates the overall metabolic processes essential for plant growth and development. Auxin signaling is mediated by early auxin response genes, which are classified into three major families: AUXIN/INDOLE ACETIC ACID (AUX/IAA), GRETCHEN HAGEN3 (GH3) and SMALL AUIN UP RNA (SAUR). The SAUR gene family is the largest family among early auxin response genes and encodes the small and highly unstable gene products. The functional roles of SAUR genes have remained unclear for many years. The traditional genetic and molecular studies on the SAUR functions have been hampered by their likely genetic redundancy and tandem arrays of highly related genes in the plant genome, together with the molecular characteristics of SAUR. However, recent studies have suggested possible roles of SAUR in a variety of tissues and developmental stages in accordance with the novel approaches such as gain-of-function and RNA silencing techniques. In this review, the recent research progress on the functional roles and regulatory mechanisms of SAUR and a set of possible future works are discussed.
Food security will be affected by climate change worldwide, particularly in the developing world, where the most important food products originate from plants. Plants are often exposed to environmental stresses that may affect their growth, development, yield, and food quality. Auxin is a hormone that plays a critical role in improving plants' tolerance of environmental conditions. Auxin controls the expression of many stress-responsive genes in plants by interacting with specific cis-regulatory elements called auxin-responsive elements (AuxREs). In this work, we performed an in silico prediction of AuxREs in promoters of five auxin-responsive genes in Zea mays. We applied a data fusion approach based on the combined use of Dempster-Shafer evidence theory and fuzzy sets. Auxin has a direct impact on cell membrane proteins. The short-term auxin response may be represented by the regulation of transmembrane gene expression. The detection of an AuxRE in the promoter of prolyl oligopeptidase (POP) in Z. mays and the 3-fold overexpression of this gene under auxin treatment for 30 min indicated the role of POP in maize auxin response. POP is regulated by auxin to perform stress adaptation. In addition, the detection of two AuxRE TGTCTC motifs in the upstream sequence of the bx1 gene suggests that bx1 can be regulated by auxin. Auxin may also be involved in the regulation of dehydration-responsive element-binding and some members of the protein kinase superfamily.
While the underlying molecular mechanism remains to be elucidated, recent studies suggest that polar auxin transport is a key controlling factor in triggering differential growth responses to gravity. Identification of regulatory components in auxin-mediated differential cell expansion would improve our understanding of the gravitropic response. In this study, we identify a mutant designated aux1-like(later changed to aux1), an allele of the aux1 mutant that exhibits a severely disrupted root gravitropic response, but no defects in developmental processes. In Arabidopsis, AUX1 encodes an auxin influx carrier. Since in-depth characterization of the gravitropic response caused by mutations in this gene has been performed previously, we focused on identifying the downstream genes that were differentially expressed compared to wild-type plants. Consistent with the mutant phenotype, the transcription of the auxin-responsive genes IAA17 and GH3 were altered in aux1 plants treated with IAA, 2, 4-D and NAA. In addition, we identified two expansin genes EXP10 and EXPL3 that exhibited different expression in wild-type and mutant plants.
Indole-3-acetic acid (IAA) production is a typical mechanism of plant growth promotion by some rhizobacteria. However, a functional genomic study is necessary to unravel the function and mechanism of IAA signaling during rhizobacteria-plant interactions. In this study, the expression of SlIAA1 and SlIAA9 among the auxin response genes in tomato was examined during the interaction between IAA-producing Acinetobacter guillouiae SW5 and tomato plants. When 3-day grown tomato seedlings were treated for 30 min with 10~100 µM of IAA produced by bacteria from tryptophan, the relative mRNA levels of SlIAA1 and SlIAA9 increased significantly compared with those of the control, demonstrating that IAA produced by this bacterium can induce the expressions of both genes. Inoculation of live A. guillouiae SW5 to tomato seedlings also increased the expressions of SlIAA1 and SlIAA9, with more mRNA produced at higher bacterial density. In contrast, treatment of tomato seedlings with dead A. guillouiae SW5 did not significantly affect the expression of SlIAA1and SlIAA9. When 3-day bacterial culture in tomato root exudates was administered to tomato seedlings, the relative mRNA level of SlIAA1 increased. This result indicated that the plant may take up IAA produced by bacteria in plant root exudates, which may increase the expression of the auxin response genes, with resulting promotion of plant growth.
Nucleoside diphosphate kinase 2 (NDPK2) is known to regulate the expression of antioxidant genes and auxin-responsive genes in plants. Previously, it was noted that the overexpression of Arabidopsis NDPK2 (AtNDPK2) under the control of an oxidative stress-inducible SWPA2 promoter in transgenic poplar (Populus alba ${\times}$ P. tremular var. glandulosa) plants (referred to as SN plants) enhanced tolerance to oxidative stress and improved growth (Plant Biotechnol J 9: 34-347, 2011). In this study, growth of transgenic poplar was assessed under living modified organism (LMO) field conditions in terms of biomass in the next year. The growth of transgenic poplar plants increased in comparison with non-transgenic plants. The SN3 and SN4 transgenic lines had 1.6 and 1.2 times higher dry weight in stems than non-transgenic plants at 6 months after planting, respectively. Transgenic poplar also exhibited increased transcript levels of auxin-response genes such as IAA1, IAA2, IAA5 and IAA6. These results suggest that enhanced AtNDPK2 expression increases plant biomass in transgenic poplar through the regulation of auxin-response genes.
The cell cycle is regulated by cyclin-dependent kinase (CDK)-cyclin complexes as well as other regulators. We isolated Kip-related protein 4 (KRP4) cDNA that encodes 289 amino acids including six conserved domains. To investigate the expression pattern of KRP4 as well as of other cell cycle-related genes associated with plant hormones, Arabidopsis seedlings were cultured on MS medium containing auxin or cytokinin. All seedlings treated with phytohormones displayed an increased proportion of cells in S phase. A higher proportion of cells in G2 phase was observed in seedlings treated with NAA. RT-PCR confirmed that the expression of KRP4 was decreased after treatment with phytohormones, and that CDKA and D-type cyclin transcription was increased. Additionally, mitotic cyclins were up-regulated by NAA treatment. These results suggest that KRP4 as well as other cell cycle-related genes might contribute to the control of plant growth in response to exogenous hormones.
옥신은 식물의 생장과 발달 과정에서 중요한 조절자로서 기능한다. 옥신 신호전달 과정은 3개의 주요 옥신 반응 전사인자인 Auxin/indole-3-acetic acid (Aux/IAA), Gretchen Hagen 3 (GH3), 그리고 small auxin up RNA (SAUR) 유전자에 의해 조절된다. 특히, Aux/IAA는 옥신 신호에 반응하여 빠르게 축적되는 수명이 짧은 핵 단백질이다. 이 실험에서 우리는 현사시 나무(Populus alba ${\times}$ P. glandulosa)로 부터 PagAux/IAA1 유전자를 분리하고 발현 특성을 분석하였다. PagAux/IAA1 cDNA는 4개의 보존된 도메인과 2개의 nuclear localization sequence (NLS)을 포함한 200개의 아미노산을 암호화하고 있다. Southern blot 분석으로 현사시나무 genome에 PagAux/IAA1 유전자가 single copy로 존재하는 것을 확인하였다. PagAux/IAA1 유전자는 잎과 꽃에서 특이적으로 발현되었다. 그리고 PagAux/IAA1 유전자는 현탁배양세포의 생장 과정에서 초기 지수생장기에 발현되었다. PagAux/IAA1 유전자의 발현을 분석한 결과, 건조와 염 스트레스 및 식물호르몬인 ABA 처리에 의해 발현이 감소된 반면 저온 스트레스, 형성층의 세포 분열 과정 그리고 식물호르몬인 GA와 JA 처리에서 발현이 증가하였다. 따라서 PagAux/IAA1 유전자가 현사시나무에서 저온 스트레스 반응뿐 아니라 생장 과정에 관여할 것으로 판단된다.
Kim, Gyuree;Jang, Sejeong;Yoon, Eun Kyung;Lee, Shin Ae;Dhar, Souvik;Kim, Jinkwon;Lee, Myeong Min;Lim, Jun
Molecules and Cells
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제41권12호
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pp.1033-1044
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2018
As sessile organisms, plants have evolved to adjust their growth and development to environmental changes. It has been well documented that the crosstalk between different plant hormones plays important roles in the coordination of growth and development of the plant. Here, we describe a novel recessive mutant, mildly insensitive to ethylene (mine), which displayed insensitivity to the ethylene precursor, ACC (1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid), in the root under the dark-grown conditions. By contrast, mine roots exhibited a normal growth response to exogenous IAA (indole-3-acetic acid). Thus, it appears that the growth responses of mine to ACC and IAA resemble those of weak ethylene insensitive (wei) mutants. To understand the molecular events underlying the crosstalk between ethylene and auxin in the root, we identified the MINE locus and found that the MINE gene encodes the pyridoxine 5′-phosphate (PNP)/pyridoxamine 5′-phosphate (PMP) oxidase, PDX3. Our results revealed that MINE/PDX3 likely plays a role in the conversion of the auxin precursor tryptophan to indole-3-pyruvic acid in the auxin biosynthesis pathway, in which TAA1 (TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS 1) and its related genes (TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE RELATED 1 and 2; TAR1 and TAR2) are involved. Considering that TAA1 and TARs belong to a subgroup of PLP (pyridoxal-5′-phosphate)-dependent enzymes, we propose that PLP produced by MINE/PDX3 acts as a cofactor in TAA1/TAR-dependent auxin biosynthesis induced by ethylene, which in turn influences the crosstalk between ethylene and auxin in the Arabidopsis root.
Salas-Marina, Miguel Angel;Silva-Flores, Miguel Angel;Cervantes-Badillo, Mayte Guadalupe;Rosales-Saavedra, Maria Teresa;Islas-Osuna, Maria Auxiliadora;Casas-Flores, Sergio
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제21권7호
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pp.686-696
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2011
To deal with pathogens, plants have evolved sophisticated mechanisms including constitutive and induced defense mechanisms. Phytohormones play important roles in plant growth and development, as well as in the systemic response induced by beneficial and pathogen microorganisms. In this work, we identified an Aspergillus ustus isolate that promotes growth and induces developmental changes in Solanum tuberosum and Arabidopsis thaliana. A. ustus inoculation on A. thaliana and S. tuberosum roots induced an increase in shoot and root growth, and lateral root and root hair numbers. Assays performed on Arabidopsis lines to measure reporter gene expression of auxin-induced/ repressed or cell cycle controlled genes (DR5 and CycB1, respectively) showed enhanced GUS activity, when compared with mock-inoculated seedlings. To determine the contribution of phytohormone signaling pathways in the effect elicited by A. ustus, we evaluated the response of a collection of hormone mutants of Arabidopsis defective in auxin, ethylene, cytokinin, or abscisic acid signaling to the inoculation with this fungus. All mutant lines inoculated with A. ustus showed increased biomass production, suggesting that these genes are not required to respond to this fungus. Moreover, we demonstrated that A. ustus synthesizes auxins and gibberellins in liquid cultures. In addition, A. ustus induced systemic resistance against the necrotrophic fungus Botrytis cinerea and the hemibiotrophic bacterium Pseudomonas syringae DC3000, probably through the induction of the expression of salicylic acid, jasmonic acid/ethylene, and camalexin defense-related genes in Arabidopsis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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