Hypersensitive cell death of plants during incompatible plant-pathogen interactions is one of the efficient defense mechanisms of plants against pathogen infections. For better understanding of the molecular mechanisms involved in the plant hypersensitive response (HR), TMV-induced biotic plant cell death and CuSO4-induced abiotic plant cell death were compared in terms of expression patterns of ten different defense-related genes as molecular markers. The genes include five pathogenesis-related protein genes, two plant secondary metabolite-associated genes, two oxidative stress-related genes and one wound-inducible gene isolated from tobacco. Northern blot analyses revealed that a same set of defense-related genes was induced during both biotic and abiotic cell death but with different time and magnitude. The expression of defense-related genes in tobacco plants was temporarily coincided with the time of cell death. However, when suspension cell cultures was used to monitor the expression of defense-related genes, different patterns of the gene expression were detected. This result implies that three are common and, in addition, also different branches of signaling pathways leading to the induced expression of defense-related genes in tobacco during the pathogen- and heavy metal-induced cell death.
Park, Kyung-Soon;Suh, Mi-Chung;Cheong, Jong-Joo;Park, Doil
The Plant Pathology Journal
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제15권5호
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pp.295-301
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1999
Many of plant defense responses are consequence of transcriptional activation of related genes. We have developed a modified differential screening procedure to isolate tobacco genes that are involved in the defense responses against TMV infection. A cDNA library was constructed from Nicotiana glutinosa leaves infected by TMV under temperature shift conditions. Each of plasmid DNA in the library was hybridized on a set of slot blots to a pool of cDNA probes prepared from either TMV-infected or mock-treated tobacco leaves. Among 900 plasmid DNAs, 81 clones exhibiting significantly enhanced or reduced level of hybridization to either probe were selected for nucleotide sequencing. The clones were listed into 61 genes considering redundancy between the sequences. The genes were identified to be defense-related genes including PR-genes and genes involved in primary or secondary metabolisms. This results supports the implication that plant defense process entails a major shift in total cellular metabolisms rather than activation of a limited number of defense-related genes. Expression patterns of a number of defense-related genes. Expression patterns of a number of selected genes were examined in northern blot analyses. It is notable that the clone 630 of unknown function exhibits expression pattern similar to those of previously known PR-genes. Experiments to elucidate the roles in defense mechanism of a couple of genes newly identified in this study are in progress.
Inoculation of primary pepper leaves with an avirulent strain of Xanthomonas campestris pv. vesicatoria induced systemic acquired resistance (SAR) in secondary leaves. This SAR response was accompanied by the systemic expression of defense-related genes, a systemic microoxidative burst generating H2O2, and the systemic induction of ion-leakage and callose deposition in the non-inoculated, secondary leaves. Some defense-related genes encoding PR-1, chitinase, peroxidase, PR10, thionin, defensin and zinc-finger protein were distiilctly induced in the systemic leaves. The systemically striking accumulation of H$_2$O$_2$and strong increase in peroxidase activity in pepper was suggested to contribute to the triggering of cell death In the systemic micro-HRs, leading to the induction of SAR. Treatment of non-inoculated, secondary leaves with diphenylene iodinium (DPI), an inhibitor of the oxidative burst, substantially reduced the induction of some defense-related genes and subsequently SAR.
A group of beneficial plant bacteria has been shown to increase crop growth referring to as plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR). PGPR can decrease plant disease directly, through the production of antagonistic compounds, and indirectly, through the elicitation of a plant defense response termed induced systemic resistance (ISR). While the mechanism of PGPR-elicited ISR has been studied extensively in the model plant Arabidopsis, it is less well characterized in crop plants such as pepper. In an effort to better understand the mechanism of ISR in crop plants, we investigated the induction of ISR by Bacillus cereus strain BS107 against Xanthomonas axonopodis pv. vesicatoria in pepper leaves. We focused on the priming effect of B. cereus strain BS107 on plant defense genes as an ISR mechanism. Of ten known pepper defense genes that were previously reported to be involved in pathogen defense signaling, the expression of Capsicum annum pathogenesis-protein 4 and CaPR1 was systemically primed by the application of strain BS107 onto pepper roots confirming by quantitative-reverse transcriptase PCR. Our results provide novel genetic evidence of the priming effect of a rhizobacterium on the expression of pepper defense genes involved in ISR.
Effects of chitosan on growth of tomato plant, and suppression of Fusaruim wilt caused by Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici and late blight casued by Phytophthora infestans, were examined. Both late blight and fusarium wilt were suppressed by spray and irrigation of chitosan, respectively. Inhibition of mycelial growth was not greatly affected by molecular size of chitosan but, concentration dependent effects was observed. Ninty percent of P. infestans and 80% of F. oxysporum f. sp. lycopersici of mycelial growth was inhibited by 1,000 ppm of chitosan (MW 30,000~50,000) when amended in plate media. Induction of defense-related gene expression in plant by chitosan treatments were observed when chitosan treated tobacco and tomato RNA samples were hybridized with several defense-related genes as probes. The results revealed that $\beta$-1,3-glucanase and chitinase genes were strongly induced, while pathogenesis-related protein-1, 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase, anionic peroxidase, phenylalanine ammonia lyase genes were weakly induced by chitosan treatment. These results suggest that chitosan have dual effects on these host-pathogen interactions. Possible roles of chitosan in suppression of tomato diseases by inhibition of mycelial growth and activation of plant defense responses are discussed.
An important recent advance in the field of plant-microbe interactions has been the cloning of genes that confer resistance to specific viruses, bacteria, fungi or insects. Disease resistance (R) genes encode proteins with predicted structural motifs consistent with them having roles in signal recognition and transduction. Plant disease resistance is the result of an innate host defense mechanism, which relies on the ability of plant to recognize pathogen invasion and efficiently mount defense responses. In tomato, resistance to the pathogen Pseudomonas syringae pv. tomato is mediated by the specific recognition between the tomato serine/threonine kinase Pto and bacterial protein AvrPto or AvrPtoB. This recognition event initiates signaling events that lead to defense responses including an oxidative burst, the hypersensitive response (HR), and expression of pathogenesis- related genes.
Ahn, Soon Young;Baek, Kwang-Hyun;Moon, Yong Sun;Yun, Hae Keun
The Plant Pathology Journal
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제29권1호
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pp.110-115
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2013
Theobroxide, a novel compound isolated from a fungus Lasiodiplodia theobromae, stimulates potato tuber formation and induces flowering of morning glory by initiating the jasmonic acid synthesis pathway. To elucidate the effect of theobroxide on pathogen resistance in plants, Nicotiana benthamiana plants treated with theobroxide were immediately infiltrated with Pseudomonas syringae pv. tabaci. Exogenous application of theobroxide inhibited development of lesion symptoms, and growth of the bacterial cells was significantly retarded. Semiquantitative RT-PCRs using the primers of 18 defense-related genes were performed to investigate the molecular mechanisms of resistance. Among the genes, the theobroxide treatment increased the expression of patho-genesis-related protein 1a (PR1a), pathogenesis-related protein 1b (PR1b), glutathione S-transferase (GST), allen oxide cyclase (AOC), and lipoxyganase (LOX). All these data strongly indicate that theobroxide treatment inhibits disease development by faster induction of defense responses, which can be possible by the induction of defense-related genes including PR1a, PR1b, and GST triggered by the elevated jasmonic acid.
Pepper and tomato plants infected with two Clavibacter species, C. capsici and C. michiganensis have shown different patterns of disease development depending on their virulence. Here, we investigated how pepper and tomato plants respond to infection by the high-virulent or low-virulent Clavibacter strains. For this, we chose two strains of each Clavibacter species to show different virulence level in the host plants. Although low-virulent strains showed less disease symptoms, they grew almost the same level as the high-virulent strains in both plants. To further examine the response of host plants to Clavibacter infection, we analyzed the expression patterns of plant defense-related genes in the leaves inoculated with different strains of C. capsici and C. michiganensis. Pepper plants infected with high-virulent C. capsici strain highly induced the expression of CaPR1, CaDEF, CaPR4b, CaPR10, and CaLOX1 at 5 days after inoculation (dai), but their expression was much less in low-virulent Clavibacter infection. Expression of CaSAR8.2 was induced at 2 dai, regardless of virulence level. Expression of GluA, Pin2, and PR2 in tomato plants infected with high-virulent C. michiganensis were much higher at 5 dai, compared with mock or low-virulent strain. Expression of PR1a, Osmotin-like, Chitinase, and Chitinase class 2 was increased, regardless of virulence level. Expression of LoxA gene was not affected by Clavibacter inoculation. These results suggested that Clavibacter infection promotes induction of certain defense-related genes in host plants and that differential expression of those genes by low-virulent Clavibacter infection might be affected by their endophytic lifestyle in plants.
Incompatible plant-pathogen interactions result in the rapid cell death response known as hypersensitive response (HR) and activation of host defense-related genes. To understand the molecular and cellular mechanism controlling defense response better, several approaches including isolation and characterization of novel genes, promoter analysis of those genes, protein-protein interaction analysis and reverse genetic approach etc. By using the yeast two-hybrid system a clone named Tsipl, Tsil -interacting protein 1, was isolated whose translation product apparently interacted with Tsil, an EREBP/AP2 type DNA binding protein. RNA gel blot analysis showed that the expression of Tsipl was increased by treatment with NaCl, ethylene, salicylic acid, or gibberellic acid. Transient expression analysis using a Tsipl::smGFP fusion gene in Arabidopsis protoplasts indicated that the Tsipl protein was targeted to the outer surface of chloroplasts. The targeted Tsipl::smGFP proteins were diffused to the cytoplasm of protoplasts in the presence of salicylic acid (SA) The PEG-mediated co-transfection analysis showed that Tsipl could interact with Tsil in the nucleus. These results suggest that Tsipl-Tsil interaction might serve to regulate defense-related gene expression. Basically the useful promoters are valuable tools for effective control of gene expression related to various developmental and environmental condition.(중략)
It is well known that NtMEK2, a tobacco MAPK kinase, is the upstream kinase of both salicylic acid-induced protein kinase and wound-induced protein kinase. In addition, expression of $NtMEK2^{DD}$, a constitutively active mutant of NtMEK2, is known to induce multiple defense responses in tobacco. In this study, transgenic rice plants that contained an active or inactive mutant of NtMEK2 under the control of a steroid inducible promoter were generated and used to determine if a similar MAPK cascade is involved in disease resistance in rice. The expression of $NtMEK2^{DD}$ in transgenic rice plants resulted in HR-like cell death. The observed cell death was preceded by the activation of endogenous rice 48-kDa MBP kinase, which is also activated by Xanthomonas oryzae pv. oryzae, the bacterial blight pathogen of rice. In addition, prolonged activation of the MAPK induced the generation of hydrogen peroxide and up-regulated the expression of defense-related genes including the pathogenesis-related genes, peroxidases and glutathione S-transferases. These results demonstrate that NtMEK2 is functionally replaceable with rice MAPK kinase in inducing the activation of the downstream MAPK, which in turn induces multiple defense responses in rice.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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