To adapt against various environmental conditions, plants utilize specific genetic programs for different kinds of stresses. One of such programmed engines is the transcription factors. These factors control the downstream target genes affecting the molecular, cellular, and thus physiological status. Homeodomain leucinezippers (HD-Zip) are plant-specific transcription factors and are known to be involved in plant development and adaptation to stresses. However, many HD-Zip genes in plants are remained to be characterized for their functions. Here, I characterized two HD-Zip genes, CaHB1 (Capsicum annuum homeobox 1) and NbHB1 (Nicotiana benthamiana homeobox 1). These two genes share 84\% identity and 92\% similarity in their amino acid sequences. However, through the functional characterization of these genes, it was revealed that they play different roles in pepper and N. benthamiana. CaHB1 was up-regulated upon salt or drought stress and during senescence. Overexpression of CaHB1 in tomato enhanced tolerance against salt stress and accelerated senescence. Because CaHB1 was induced by salicylic acid and ethylene, it is possible that CaHB1 was up-regulated by these hormonal signals during senescence. However, CaHB1 was down-regulated in both compatible and incompatible interactions with pathogens. The data showing accelerated pathogen-induced cell death in CaHB1-overexpressed leaves indicate that CaHB1 modulates the extent of pathogen-induced cell death.
Differently from CaHB1 expression pattern, NbHB1 was up-regulated during plant-pathogen interaction. Interestingly, its overexpression induced cell death upon treatment of methyl jasmonate or darkness, and accelerated the pathogen-induced cell death. When NbHB1 was overexpressed, NbTPI expression, which is induced by jasmonic acid, was significantly suppressed. Furthermore, silencing of NbCOI1, a jasmonic acid signaling component, delayed the NbHB1-mediated cell death. These phenotypes suggest that NbHB1 may function to modulate cell death together with jasmonic acid. However, because NbHB1 suppressed NbTPI expression, it may specify the cell death response not allowing other jasmonic acid-responsive effects. Furthermore, NbHB1 significantly suppressed NbCAT1 expression following jasmonic acid treatment while expressions of APX genes were not significantly changed. This would be the critical factor for NbHB1 to induce cell death because silencing of NtCAT1, the closest homolog of NbCAT1, induced cell death in normal condition indicating that catalase-mediated scavenging activity of reactive oxygen species is important for cell survival. Taken together, these results suggest that CaHB1 and NbHB1 are involved in the adaptational process to environmental stresses. Especially, cell death response during development and plant-pathogen interaction is greatly modulated by these genes.
식물체는 한곳에 고착되어 자라면서 외부의 다양한 스트레스에 적응하며 살아간다. 이러한 적응과정은 다양한 유전적 프로그램에 의해서 조절되는데 이들 중 전사조절인자의 중요성 또한 많이 보고 되었다. 본 연구에서는 고추와 담배에서 homeodomain-leucinzipper (HD-Zip) 유전자군으로 알려져 있는 전사조절인자의 스트레스와 관련한 기능을 분석하고자 하였다. 고추의 CaHB1 (Capsicum annuum homeobox 1) 과 담배의 NbHB1 (Nicotiana benthamiana homeobox 1) 유전자는 84% 의 상동성과 92% 의 유사성을 가지는 유전자이지만, 본 연구를 통해 서로 다른 기능을 수행하고 있음을 알 수 있었다. CaHB1 은 salt 와 drought 스트레스, 그리고 노화과정 중 상당히 발현이 증가하는 것을 알 수 있었다. CaHB1을 토마토에 overexpression 시켰을 때 salt 스트레스에 더 저항성을 갖는 것을 알 수 있었고, 노화과정이 더 빨리 시작되는 것을 알 수 있었다. 이러한 표현형은 CaHB1 이 salicylic acid 와 ethylene 에 의해 조절되어 발현이 증가되기 때문에 노화과정에서 이러한 호르몬에 의해 CaHB1 이 조절되고 있으리란 추측을 할 수 있었다. 이와 달리, 고추와 비병원성 또는 병원성 병원균과의 상호작용시에는 CaHB1 의 transcripts 가 더 낮게 조절되는 것을 알 수 있었다. CaHB1 이 overexpression 된 잎에서 병원균에 의한 세포사멸반응이 더 빨라지는 것으로 보아 CaHB1 이 병원균에 의한 세포사멸반응 또한 조절하고 있다는 것을 알 수 있었다.
CaHB1 과 달리 NbHB1 은 병원균과의 상호작용시에 발현이 증가하였는데, NbHB1 을 overexpression 시킨 뒤 methyl jasmonate 또는 darkness 를 처리하였을 때 세포사멸반응이 유도되는 것을 알 수 있었다. 또한 병원균에 의한 세포사멸반응도 상당히 빨라지는 것을 확인하였다. NbHB1 을 overexpression 시켰을 때 jasmonic acid 에 유도되는 NbTPI 유전자가 상당히 억제되는 것을 알 수 있었다. 어떠한 신호전달과정이 NbHB1 에 의해 조절되는 세포사멸반응에 중요한 지를 살펴본 결과 NbCOI1 유전자를 silencing 하였을 때 세포사멸반응이 덜 일어나는 것을 확인하여 jasmonic acid 에 의한 신호전달과정이 중요하게 작용함을 알 수 있었다. 이러한 세포사멸반응은 ROS 와 같은 신호전달물질에 의해 조절된다고 알려져 있는데 NbHB1 을 overexpression 시켰을 때 NbCAT1 유전자의 발현이 상당히 억제되는 것을 확인하여 catalase 의 활성이 중요하게 작용함을 알 수 있었다. 특히 NbCAT1 은 NtCAT1 과 아미노산 서열상 99%의 상동성을 갖는 유전자로 NtCAT1 이 silencing 되었을 때 자연적인 세포사멸반응을 보인다는 보고가 있어 NbCAT1 유전자의 억제가 중요하게 작용함을 뒷받침하였다. 이러한 결과들을 토대로 CaHB1 과 NbHB1 은 다양한 환경 스트레스에 적응하는 데 관여함을 알 수 있었고, 특히 NbHB1 의 경우 병원균과의 상호작용시 일어나는 세포사멸반응에 중요하게 작용함을 알 수 있었다.
