Molecular Characterization of OsERF83, a Vascular Tissue-Specific Transcription Factor Gene, Conferring Drought Tolerance in Rice

Abstract

Abiotic stresses severely affect plant growth and productivity. To cope with abiotic stresses, plants have evolved tolerance mechanisms that are tightly regulated by reprogramming transcription factors (TFs). APETALA2/ethylene-responsive factor (AP2/ERF) transcription factors are known to play an important role in various abiotic stresses. However, our understanding of the molecular mechanisms remains incomplete. In this study, we identified the role of OsERF83, a member of the AP2/ERF transcription factor family, in response to drought stress. OsERF83 is a transcription factor localized to the nucleus and induced in response to various abiotic stresses, such as drought and abscisic acid (ABA). Overexpression of OsERF83 in transgenic plants (OsERF83OX) significantly increased drought tolerance, with higher photochemical efficiency in rice. OsERF83OX was also associated with growth retardation, with reduced grain yields under normal growth conditions. OsERF83 is predominantly expressed in the vascular tissue of all organs. Transcriptome analysis revealed that OsERF83 regulates drought response genes, which are related to the transporter (OsNPF8.10, OsNPF8.17, OsLH1), lignin biosynthesis (OsLAC17, OsLAC10, CAD8D), terpenoid synthesis (OsTPS33, OsTPS14, OsTPS3), cytochrome P450 family (Oscyp71Z4, CYP76M10), and abiotic stress-related genes (OsSAP, OsLEA14, PCC13-62). OsERF83 also up-regulates biotic stress-associated genes, including PATHOGENESIS-RELATED PROTEIN (PR), WALL-ASSOCIATED KINASE (WAK), CELLULOSE SYNTHASE-LIKE PROTEIN E1 (CslE1), and LYSM RECEPTOR-LIKE KINASE (RLK) genes. Our results provide new insight into the multiple roles of OsERF83 in the cross-talk between abiotic and biotic stress signaling pathways.

비생물학적 스트레스는 식물의 생장과 생산성에 심각한 영향을 끼친다. 이러한 비생물학적 스트레스에 대항하기 위하여 식물은 전자인자들을 고도로 조절함으로써 저항하는 매커니즘을 진화시켜 왔다. APETALA2/ethylene-responsive factor (AP2/ERF) 전자인자는 다양한 비생물학적 스트레스에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이와 관련된 분자적 매커니즘에 대한 연구는 아직도 밝혀야 할 것들이 많이 남아있다. 본 연구에서 AP2/ERF 전사인자 그룹에 속하며 가뭄에 반응하는 유전자인 OsERF83의 역할에 대하여 규명하였다. OsERF83 단백질은 핵에 위치하는 것으로 관찰되었으며, 가뭄과 ABA와 같은 다양한 비생물학적 스트레스에 의해 발현이 유도되었다. OsERF83를 과발현 시킨 형질전환 식물체는 대조구인 동진벼와 비교하였을 때, 광합성 효율 측정 결과를 포함하여 가뭄저항성이 향상되었다. 또한 OsERF83 과발현 형질전환 식물체에서는 일반 조건에서 생장이 저해되며, 생산성이 감소하는 표현형도 보여주었다. OsERF83은 식물의 모든 부위의 관다발 조직에서 특이적으로 발현되었다. 전사체 분석을 통하여 OsERF83은 OsNPF8.10, OsNPF8.17, OsLH1을 포함하는 수송체, OsLAC17, OsLAC10, CAD8D을 포함하는 리그닌 생합성 유전자, OsTPS33, OsTPS14, OsTPS3을 포함하는 테르페노이스 합성유전자들, Oscyp71Z4, CYP76M10을 포함하는 시토크롬 P450패밀리, 그리고 비생물학적 스트레스와 관련이 있는 유전자 OsSAP, OsLEA14, PCC13-62등 여러 가뭄에 반응하는 유전자들을 조절하는 것을 밝혔다. OsERF83은 또한 생물학적 스트레스와 관련이 있는 PATHOGENESIS-RELATED PROTEIN (PR) 유전자들, WALL-ASSOCIATED KINASE (WAK) 유전자들, LYSM RECEPTOR-LIKE KINASE (RLK)들을 상향조절하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 연구를 통하여 OsERF83은 비생물학적과 생물학적 스트레스 사이의 상호작용측면에서 다중역할을 담당한다는 새로운 관점을 제시하였다.