Vladimir Ermolayev

Genes differentially expressed in soybean lines sensitive and tolerant to aluminium stress

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 14.12.2001

Abstract
Um die Gene zu identifizieren, die spezifisch am Toleranzmechanismus von Soja gegenüber dem Stressfaktor Aluminium (Al) beteiligt sind, wurden die Differential Display- und Hybridisierungsmustern von toleranter und sensitiver Soja Cultivare verglichen. Für weitere Experimente wurden die cDNA Fragmente, deren entsprechende Gene vorrangig nur in toleranten Cultivaren unter Stress expremiert wurden, genutzt.
Durch Screening einer cDNA Bank, präpariert aus stressbehandelter toleranter Soja Cultivare, konnten 3 vollständige, Protein kodierende cDNA-Sequenzen isoliert werden. Ihre entsprechenden Gene weisen signifikante Steigerungen des Expressionsniveaus in Wurzelspitzen gestresster, toleranter Soja Cultivare auf. Die vollständigen cDNA-Sequenzen der Klone 58, 633 und 318 kodieren für ein Translationskontrolliertes Tumor Protein (TCTP), sowie Homologe einer Inosin-5'-Monophosphat-Dehydrogenase (IMPDH) und eines ABC Transporters.
Die 318 cDNA (ABC-Transporter homolog) mediierte eine 10-fache Steigerung der Aluminium Toleranz in transgener Hefe. Transgene Arabidopsis - Pflanzen, die 633 (IMPDH homolog) und 318 (ABC-Transporter homolog) enthalten, zeigten 17,5-fache Steigerung der Überlebensrate im Vergleich zum Wildtyp. Alle transgenen Pflanzen wiesen im Vergleich zum Wildtyp drastisch veränderte Wurzelmorphologie, sowie geringeren Aluminium- und Stress-elicitierte Callosegehalt in der Meristemzone der Wurzel auf.
Da die Überexpression des ABC-Transporters und der IMPDH in transgenen Hefen und Pflanzen zu erhöhter Al-Toleranz führt, wird angenommen, dass beide Genaktivitäten direkt oder indirekt am Toleranzmechanismus beteiligt sind. Dabei wird Al-Toleranz sowohl auf zellulärem Niveau (Hefe) als auch auf Gewebe- bzw. Organebene vermittelt. Mögliche funktionelle Aktivitäten der isolierten Gene im symplastischen oder apoplastischen Al-Toleranzmechanismus von Soja werden diskutiert.

In order to identify genes involved in the specific response of soybean to aluminium stress Differential Display and hybridization patterns were compared between stressed tolerant and sensitive to Al cultivars. cDNA fragments corresponding to the genes up-regulated only in tolerant cultivars under stress conditions were selected for further investigations.
cDNA bank was created using the whole RNA population from root tips and suspension cultured cells of aluminium treated tolerant cultivars and screened by selected cDNA fragments. Three complete cDNA clones were obtained, designated 58, 318 and 633. They were up regulated under stress conditions in root tips of tolerant soybean. cDNAs of identified clones were homologous to: 58 - translationally controlled tumor proteins (TCTP), 633 - inosine-5'-monophosphate dehydrogenases (IMPDH) and 318 - ATP-dependent transporters.
318 cDNA (ABC transporter homolog) in yeast mediated 10-fold enhanced tolerance to aluminium stress. Transgenic Arabidopsis plants containing 318 (ABC transporter homolog) or 633 (IMPDH homolog) demonstrated 17.5 times higher survival rate under Al stress conditions as compared to the wild type as well as altered root morphology and lowered aluminium and stress-elicited callose content in root meristem zone.
Introduction of Al responsible genes into yeast (318 cDNA) and Arabidopsis plants (318 and 633 cDNAs) indicated that studied genes mediated aluminium tolerance. Possible functional activities of the isolated genes in Al resistance mechanisms are discussed.

Keywords:
Soja, Aluminium, Streß, Differential Display, cDNA Bibliothek, Transgene Pflanzen

Soybean, aluminium, stress, Differential Display, cDNA library, transgenic plants

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Inhaltsverzeichnis
Contents, Abbreviations (2-5)
1. Introduction (6-19)
2. Scientific Goals of the Work (20)
3. Materials and Methods (21-30)
4. Results (31-73)
5. Discussion (74-89)
6. References (90-98)