Phytochelatins play an important role in heavy metal detoxification in plants as well as in other organisms. The Arabidopsis thaliana mutant cad1-3 does not produce detectable levels of phytochelatins in response to cadmium stress. The hypersensitivity of cad1-3 to cadmium stress is attributed to a mutation in the phytochelatin synthase 1 (AtPCS1) gene. However, A. thaliana also contains a functional phytochelatin synthase 2 (AtPCS2). In this study, we investigated why the cad1-3 mutant is hypersensitive to cadmium stress despite the presence of AtPCS2. Northern and Western blot analyses showed that expression of AtPCS2 is weak compared to AtPCS1 in both roots and shoots of transgenic Arabidopsis. The lower level of AtPCS2 expression was confirmed by RT-PCR analysis of wild type Arabidopsis. Moreover, no tissue-specific expression of AtPCS2 was observed. Even when AtPCS2 was under the control of the AtPCS1 promoter or of the cauliflower mosaic virus 35S promoter (CaMV 35S) it was not capable of fully complementing the cad1-3 mutant for cadmium resistance.
When Persicaria thunbergii and Rumex crispus were treated with Cd($NO_3$)$_2$ and Pb($NO_3$)$_2$ of 5 or 10 mM for 5 days, the amount of bioaccumulation of $Pb^{2+}$ in the leaf of P. thunbergii was 2.87-8.08$\mu\textrm{g}$/g and that of $Cd^{2+}$ was 0.82-2.79$\mu\textrm{g}$/g. In the case of P. thunbergii, the concentration of $Pb^{2+}$ in the leaf was higher than that of $Cd^{2+}$. On the other hand, in R. crispus, the concentration of $Cd^{2+}$ and $Pb^{2+}$ were similar as follows ; 1.49$\mu\textrm{g}$/g in $Cd^{2+}$ 5mM, 2.90$\mu\textrm{g}$/g in Cd2+ 10mM, 1.83$\mu\textrm{g}$/g in $Pb^{2+}$ 5mM and 2.73$\mu\textrm{g}$/g in $Pb^{2+}$ 10mM. The remaining rate of heavy metals and the variation of pH in the cultured soil decreased as compared with control (100 % and pH 6.48) after 5 days as follows; to 77.l% and pH 6.39 in $Cd^{2+}$ 5mM, 90.2% and pH 5.79 in $Cd^{2+}$ 10 mM, 81.1% and pH 6.00 in $Pb^{2+}$ 5mM, and 85.7% and pH 5.80 in $Pb^{2+}$ 10 mM. The result of size exclusion chromatography, several phytochelatins were seperated from the extract of the leaf of both plants treated with heavy metals. The molecular mass of these phytochelatins were estimated as follows; in the case of P. thunbergii, about 4,300-8,600 da by $Cd^{2+}$ and about 3,200-9,700 da by $Pb^{2+}$, and in R. crispus, about 4,300 da by $Cd^{2+}$ and about 3,200-7,500 da by $Pb^{2+}$. In addition, $A_{254}$ of these phytochelatins were higher than $A_{280}$. [Phytochelatin, Persicaria thunbergii, Rumex crispus]
Proceedings of the Botanical Society of Korea Conference
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2002.04a
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pp.62-72
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2002
This study has investigated the biosynthesis and function of the heavy metal binding peptides, the phytochelatins, in plants. PCs are synthesised enzymatically from glutathione by the enzyme PC synthase in the presence of heavy metal ions. Using Arabidopsis thaliana as a model organism cadmium-sensitive, phytochelatin-deficient mutants have been isolated and characterised in previous studies. The cadl mutants have wildtype levels of glutathione, are PC deficient and lack PC synthase activity. Thus, the CADl gene has been proposed to encode PC synthase. The CADl gene was isolated by a positional cloning strategy The gene was mapped and a candidate identified. Each of four cadl mutants had a single base pair change in the candidate gene and the cadmium-sensitive, cadl phenotype was complemented by the candidate gene. This demonstrated the CADl gene had been cloned. A homologous gene in the fission yeast, Schizosaccharomyces pombe was identified through database searches. A targeted-deletion mutation of this gene was constructed and the mutant, like cadl mutants of Arabidopsis, was cadmium-sensitive and PC-deficient. A comparison of the redicted amino acid sequences reveals a highly conserved N-terminal region Presumed to be the catalytic domain and a variable C-terminal region containing multiple Cys residues proposed to be involved in activation of the enzyme by metal ions. Similar genes were also identified in animal species. The Arabidopsis CADl/AtPCSl and S. pombe SpbPCS genes were expressed in E. coli and were shown to be sufficient for glutathione-dependent, heavy metal activate PC synthesis in vitro, thus demonstrating these genes encode PC synthase enzymes. Using RT-PCR, AtPCSl expression appeared to be independent of Cd exposure. However, at higher levels of Cd exposure a AtPCSl-CUS reporter gene construct appeared to be more highly expressed. Using the reporter gene construct, AtPCSl was expressed most tissues. Expression appeared to be greater in younger tissues and same higher levels of expression was observed in some regions, including carpels and the base of siliques. AtPCS2 was a functional gene encoding an active PC synthase. However, its Pattern of expression and the phenotype of a mutant (or antisense line) have not been determined. Assuming the gene is functional then it has clearly been maintained through evolution and must provide some selective advantage. This implies that, at least in some cells or tissue, it is likely to be the dominant PC synthase expressed. This remains to be determined
Phytochelatins (PCs) are small-sized peptides synthesized by PC synthase (PCS) using glutathione (GSH) as a substrate, and they play an important role in the detoxification of toxic heavy metals in plants, fission yeast, and other living organisms. Recently, it has been suggested that PCS is also involved in degradation of some xenobiotics including monobromobimane. PCS cleaves the Gly residue from GSH-xenobiotics conjugates resulting in ${\gamma}$-Glu-Cys-xenobiotics, and this is to degraded further. Therefore, our research is focus on whether PCS is also involved in degradation of tolclofos-methyl, an important pesticide which has been used in ginseng cultivated areas. Heterologous expression of Arabidopsis PCS confers tolerance to tolclofos-methyl in yeast. Furthermore, PCS-deficient Cad1-3 Arabidopsis mutant showed high sensitivity to tolclofos-methyl compared with wild-type plants. These results imply that PCS is involved in degradation of tolclofos-methyl as other xenobiotics.
Phytochelatins (PCs) are small polypeptides synthesized by PC synthase (PCS). They are present in various living organisms including plants, fission yeast, and some animals. The presumed function of PCs is the sequestration of cytosolic toxic heavy metals like cadmium (Cd) into the vacuoles via vacuolar membrane localized heavy metal tolerance factor 1 (HMT-1). HMT-1 was first identified in fission yeast (SpHMT-1), and later in Caenorhabdtis (CeHMT-1). Recently, its homolog has also been found in PC-deficient Drosophila (DmHMT-1), and this homolog has been shown to be involved in Cd detoxification, as confirmed by the heterologous expression of DmHMT-1 in fission yeast. Therefore, the dependence of HMT-1 on PC in Cd detoxification should be re-evaluated. I heterologously expressed SpHMT-1 in cytosolic PC-deficient yeast, Saccharomycea cerevisiae, to understand the dependence of HMT-1 on PC. Yeast cells expressing SpHMT-1 showed increased tolerance to Cd compared with control cells. This result indicates that SpHMT-1 is not strictly correlated with PC production on its function. Moreover, yeast cells expressing SpHMT-1 showed increased tolerance to exogenously applied glutathione (GSH) compared with control cells, and the tolerance to Cd was further increased by exogenously applied GSH, while tolerance in control cells was not. These results indicate that the function of SpHMT-1 in Cd detoxification does not depend on PCs only, and suggest that SpHMT-1 may sequester cytosolic GSH-Cd complexes into the vacuole.
In order to evaluate the usefulness of O. javanica for the phytoremediation, it was grown for 1, 3, 7, 14, 21 days and was exposed to $50\;{\mu}M\;of\;CdCl_2$ in hydroponic medium after 3 weeks. Its biomass and contents of chlorophylls were analyzed. The growth of O. javanica showed little difference between cadmium treated and non-treated groups, while its contents of chlorophylls of Cd-treated group decreased up to 50% compared to the case of non-treated group. Its accumulated cadmium concentrations were 2.1, 7.3 and $113\;{\mu}moles\;Cd/g$ dry weight in the leaf, stem and root, respectively. The total contents of thiol increased 0.5, 1 and 7 times in the leaf, stem and root, respectively, while the contents of glutathione tended to decrease by 43%, 70% and 47% in the leaf, stem and root, respectively. Using HPLC analysis, the reasonable peaks of thiol compounds in shoot and root of Cd-treated sample were compared to those of non-treated sample in O. javanica, and found to be phytochelatins. In case of Nicotiana tabacum cv. Xanthi tested as control plant, the cadmium treatment for 3 weeks resulted in the decrease of both biomass and chlorophyll up to 70% and 75%, respectively. The roots of tobacco became rotten and eventually died. These results suggested that Oenanthe javanica is cadmium-tolerant hyperaccumulator.(Received December 20, 1996; accepted March 17, 1997)
For the consideration of phytoremediation, TEX>$Cd^{2+}$ and Pb$^{2+}$ were analysed in the soil of the habitats and the leaf stem and root of Persicaria thunbergii in the different localities of Bong-Dong river In the soil and plant samples of research areas, TEX>$Cd^{2+}$ was not detected but, $Pb^{2+}$ detected as follows; about 7.5~15.5$mu\textrm{g}$/g in the soil of habitats, about 11.7~18.4 $mu\textrm{g}$/g in the leaf, about 7.~15.5$mu\textrm{g}$/g in the stem and about 89.1~193.6$\mu\textrm{g}$/g in the root of P. thunebrgii and the correlation coefficient value between the $Pb^{2+}$ contents in soil and P. thunbergii was 0.814(>t12, 0.01). After P thunbergii was treated with Cd(NO$_3$)$_2$and Pb(NO$_3$)$_2$of 5 and 10mM, the bioaccumulation of TEX>$Cd^{2+}$ and $Pb^{2+}$ in the leaf of plant, the remaining mass of heavy metals and the variation of pH in the soil, and the increasing rate(%) of phytochelatin in plant were examined. The concentrations of TEX>$Cd^{2+}$and $Pb^{2+}$ in the leaf as follows, in the case of TEX>$Cd^{2+}$ about 0.82~2.79$\mu\textrm{g}$/g and in $Pb^{2+}$, about 2.87~8.08$\mu\textrm{g}$/g. The remaining mass of heavy metals and the variation of pH in the cultured soil decreased as follows; about 77.1% and pH6.39 in TEX>$Cd^{2+}$ 5mM, about 90.2% and pH5.79 in TEX>$Cd^{2+}$ 10mM, about 81.1% and pH6.00 in $Pb^{2+}$ 5mM and about 85.7% and pH5.80 in Pb$^{2+}$ 10mM. The phytochelatin were increased in plant samples treated with 10mM Cd(NO$_3$)$_2$and Pb(NO$_3$)$_2$as follows; about 259% by TEX>$Cd^{2+}$ and about 305% by Pb$^{2+}$ be compared with control. and the molecular weight(da) of these phytochelatins were estimated about 4,300~8,600da in the case of the treatment of TEX>$Cd^{2+}$ and about 3,200~9,700 in $Pb^{2+}$./TEX>.
Park, Young-Il;Kim, Hee-Guen;Kim, Yoo-Young;Kim, In-Soo
Applied Biological Chemistry
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v.39
no.6
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pp.494-500
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1996
Uptake of hen metal ions by water dropwort (Oenanthe stolonifera DC.) and its cadmium-binding protein were studied to probe for good method to remove heavy metal contaminants from environments. The plant was cultured in the culture medium (pH 7.0) containing the various concentrations of $Cd^{2+}$, $Cr^{3+}$ or $Pb^{2+}$, for 3 and 7 days. The residual heavy metals deposited in roots linearly increased as the metal ions concentration increased up to 17 ppm for $Cd^{2+}$, 20 ppm for $Cr^{3+}$ and 50 ppm for $Pb^{2+}$. Above these concentrations, the plant growth was inhibited and the uptake rates of the metal ions decreased. The heavy metals absorbed by the plant were mostly deposited in roots. In particular, the residual concentration of lead in roots was about four times higher than those of cadmium and chromium. When cultured in the medium containing 20 ppm of each metal ion, 80% of cadmium, 90% of cromium and 96% of lead were deposited in roots out of the total residual metal ions in the plant. These values correspond to 6.1 mg of cadmium, 5.2 mg of chromium and 23.6 mg of lead per one gram of roots tissue on a dry weight basis. A cadmium-binding protein was partially purified by extraction, gel filtration and DEAE-Cellulose chromatography from water dropworts that was grown in the medium containing 20 ppm $Cd^{2+}$. The purified protein was a single band on SDS- and non-denaturing- polyacrylamide gel electrophoresis. Its molecular mass was estimated to be ca. 5,000 dalton by gel filteration. Analysis of amino acid composition of the protein indicated that it had a typical amino acid composition of heavy metal-binding protein in that it contained 27% of acidic amino acids and 9.9% of cysteine. However, it is likely that the protein is a new plant metal-binding protein, since its amino acid composition is somewhat different from those of phytochelatins that have been known so far.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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