Over-expression of pumpkin GA-oxidases in Arabidopsis thaliana

Radi, Abeer Ahmad Farag Mahmoud

Gibberelline (GAs) bilden eine komplexe Familie von Diterpenverbindungen, von denen einige wirkungsvolle endogene Regulatoren des Wachstums und der Entwicklung von Pflanzen darstellen. Kürbissamen enthalten GA-Oxidasen mit einzigartigen katalytischen Eigenschaften, die zu Gibberellinen führen mit oft nicht bekannten Funktionen für die pflanzliche Entwicklung. Um ihren Einfluss auf eine Veränderung der GA Gehalte und ihre Rolle für die pflanzliche Entwicklung besser zu verstehen, haben wir transgene Arabidopsis Pflanzen hergestellt, die sense oder antisense Kopien von Kürbis GA-Oxidase kodierenden Genen exprimieren; die CmGA7ox, CmGA3ox1, und die CmGA2ox1, sowie sense Kopien von der CmGA20ox1. Die Arabidopsis Pflanzen wurden transformiert mit Kürbis Genen downstream einer starken konstitutiven Promotor Kassette (E12-35S-Omega). Die Expressionslevel der Kürbis GA-Oxidasen wurde mit Hilfe der kompetitiven RT-PCR bestimmt. Die Überexpression des CmGA7ox in Arabidopsis resultiere in Keimlingen mit verlängerten Wurzeln, in größere Pflanzen, die früher blühen, und mehr Schoten im Langtag bilden und die erhöhte GA Gehalte aufwiesen im Vergleich zu Wildtyp Pflanzen. Ähnlich bewirkte die Überexpression von CmGA3ox1 erhöhtes Wachstum und einen erhöhten bioaktiven GA4 Gehalt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die von beiden Enzyme (CmGA7ox und CmGA3ox1) katalysierten Schritte limitierend in der GA-Biosynthese von Arabidopsis sind. Im Gegensatz dazu resultierte Überexpression von CmGA20ox1 in Pflanzen mit kürzeren Hypokotylen und Internodien, weniger Schoten und einer verzögerten Blütenbildung bei verringerten GA4 Gehalten und erhöhten Gehalten an inaktiven GA17 und GA25. Starkes Zwergwachstum wurde durch die Überexpression von CmGA2ox1 erzielt. Im Vergleich zu Kontrollpflanzen wurde bei diesen Pflanzen eine Abnahme von bioaktivem GA4 und eine Zunahme des Abbauproduktes GA34 festgestellt. Die Phänotypen von Pflanzen, die antisense Kopien exprimieren, veränderten sich nicht im Vergleich zu den Kontrollpflanzen. Die Veränderung der GA-Biosynthese durch die vorgestellten Strategien könnte nutzbringend zur Kontrolle der pflanzlichen Entwicklung bei landwirtschaftlichen und gärtnerisch bedeutsamen Spezies eingesetzt werden.

Gibberellins (GAs) form a complex family of diterpenoid compounds, some of which are potent endogenous regulators of plant growth and development. Pumpkin seeds contain GA-oxidases with unique catalytic properties resulting in GAs of unknown function for plant development. In order to understand their potential to achieve changes in GA levels and their role for plant development, we produced transgenic Arabidopsis expressing sense or antisense copies of pumpkin genes encoding GA-oxidases; CmGA7ox, CmGA3ox1, and CmGA2ox1 as well as sense copies of CmGA20ox1. Arabidopsis plants were transformed with the pumpkin genes downstream of a strong constitutive promoter cassette (E12-35S-Omega). The expression levels of pumpkin GA-oxidases were determined by competitive RT-PCR. Over-expression of CmGA7ox in Arabidopsis resulted in seedlings with elongated roots, taller plants that flower earlier and developed more siliques in long day. Similarly, over-expression of CmGA3ox1 resulted in elongated phenotypes and an increase in bioactive GA4, indicating that both enzymes catalyse limiting steps in the GA biosynthesis of Arabidopsis. In contrast, over-expression of CmGA20ox1 in Arabidopsis resulted in shorter hypocotyls and internodes, less siliques and flowering was delayed with reduced GA4 levels and increased levels of the inactive GA17 and GA25. Severe dwarfed plants were obtained by over-expressing CmGA2ox1 in Arabidopsis and associated with a decrease in the levels of bioactive GA4 and an increase inactive product GA34 in comparison to control plants. The phenotype of plants expressing antisense copies did not change compared to the wild type plants. Modifying GA-biosynthesis using this approach may be useful for controlling plant development in agricultural and horticultural important species.

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Radi, Abeer Ahmad Farag Mahmoud: Over-expression of pumpkin GA-oxidases in Arabidopsis thaliana. 2005.

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