Environmental problems caused by pollution, global warming and desertification of lands are becoming major limiting factors for food security in future. Environmental stresses are major cause of low crop productivity worldwide and they can reduce the average crop yield by more than 50%. So, it becomes imperative to use the advances made in the field of plant biotechnology to develop such crops that can tolerate the elevated environmental stresses.
Potato is one of the major food crops in many parts of the world and it is being consumed on daily basis. Although potato production is increasing in developing countries but still the production is low due to environmental stresses and there is a big need to develop such cultivars with improved tolerance against environmental stresses by molecular breeding technology.
In this study, we developed transgenic potato plants (cv. Superior) with enhanced tolerance to environmental stresses by overexpression of codA alone (referred to as SC plants) and in combination with Cu/Zn SOD and APX (referred to as SSAC plants) in chloroplasts under the control of stress-inducible SWPA2 promoter. The stress induced induction of codA gene in SC and SSAC plants resulted in glycinebetaine (GB) synthesis. GB synthesis resulted in enhanced tolerance of SC plants to oxidative, salt and drought stresses. We also observed synergistic effects of GB, APX and SOD in SSAC plants. SSAC plants exhibited enhanced tolerance to oxidative stress and maintained higher antioxidative enzyme activities than NT and SAA plants.
In addition to this, we have developed selection marker free plants with enhanced tolerance to environmental stresses. These marker free plants were developed by overexpresing pea SOD and APX in the chloroplasts (SSAF plants) under the control of stress-inducible SWPA2 promoter. SSAF plants showed enhanced tolerance to MV-mediated oxidative stress and high temperature stress as compared to non-transgenic plants. We anticipate that the transgenic plants developed in this study will be useful in part to solve the global food problems in future.
오염, 지구온난화 그리고 대륙의 사막화에 의한 환경문제는 미래의 부족한 식량생산에 있어 중요한 제한 요소가 되고 있다. 환경 스트레스는 세계적으로 부족한 작물생산량의 원인이 되고 있으며 이러한 환경스트레스는 50% 이상의 평균 작물 수확량이 감소될 수 있다. 그래서 식물 생명공학의 분야에서 증가된 환경스트레스에 저항성을 가질 수 있는 작물을 개발하여 사용하는 것이 절박하게 되었다.
감자는 전 세계적으로 중요한 작물중의 하나이며 매일 소비가 되고 있다. 비록 감자생산이 개발도상국에서 증가되고 있지만, 그 생산량은 여전히 환경스트레스에 의해 낮은 생산량을 보인다. 그리고 분자육종기술을 이용하여 환경스트레스에 대한 향상된 저항성을 가진 품종의 육성을 크게 필요로 한다.
본 연구에서 우리는 스트레스 inducible SWPA2 promoter 하에서 codA 유전자를 단독으로 overexpression (SC 식물체라고 언급) 시킨 형질전환식물체와 Cu/Zn SOD and APX 와의 조합으로 된 (SSAC 식물체라고 언급) 형질전환식물체가 환경스트레스에 의해 증가된 저항성을 가진 형질전환 감자식물을 육성하였다. SC 와 SSAC 식물체에서 스트레스 하에서 유도된 codA 유전자 유도는 GB합성결과이다. GB합성은 oxidative, salt 그리고 drought 스트레스에 있어 SC 식물체의 향상된 저항성을 보였다. 우리는 또한 SSAC 식물체에서 GB, APX, 그리고 APX 의 상승효과를 관찰하였다. SSAC 식물체는 oxidative 스트레스에 증가된 저항성을 보였으며 NT와 SAA식물체보다 높은 antioxidative 효소활성을 유지하였다.
여기에 덧붙여, 우리는 환경스트레스에 증가된 저항성을 가진 선발 marker free식물체를 육성하였다. 이러한 marker free식물체는 엽록체에서 스트레스 inducible SWPA2 promoter를 이용하여 SOD와 APX 유전자를 과발현 시킴으로 육성하였다 (SSAF식물체라고 언급). SSAF식물체는 비형질 전환식물체와 비교하여 MV-mediated oxidative 스트레스와 높은 온도 스트레스에 대하여 증가된 저항성을 보였다. 우리는 이 연구에서 육성된 형질전환식물체가 미래에 지구상의 식량문제를 해결하는데 있어 유용하게 이용될 것을 기대한다.
