Development of tomato plants over-expressing cytokinin synthesis gene and characterization by proteomic approach

Abstract

Cytokinins (CKs) are plant hormones controlling growth and development including cell division and differentiation, apical dominance and delay of senescence. CKs take part in regulation of the abiotic stress response in plants. In this study, transgenic tomato plants overexpressing the IPT (CK biosynthetic gene) were developed. Homozygous transgenic plants exhibited a phenotype with reduced plant stature and lost apical dominance. Increased shoot biomass and leaf water content with a reduction in fruit yield were observed in all transgenic lines. Proteomics analysis was conducted to understand high CK response in molecular level. Proteins supporting a strong sink phenotype and vasculature development were upregulated in transgenic lines and reflected the phenotypic changes observed in homozygous plants. Proteins related to stress response such as detoxification enzymes and PR proteins were upregulated in a gradual manner in transgenic lines with the strongest up-regulation in T6 homozygous line indicating the metabolic stress induced by high CK levels. The transgenic plants were tested for drought stress and observed to have improved water use efficiency, antioxidant response and delayed senescence compared to nontransgenic plants. Proteomic analyses from leaf total and nuclear enriched extracts were conducted to understand the molecular basis of improved drought tolerance. Proteins related to photosynthesis and oxidative stress response were the most prominent groups of differentially abundant proteins in the transgenic line under drought, which could contribute to tolerance. Eighteen transcription factors were differentially abundant in the nuclear proteome of drought stressed plants. These transcription factors could control the gene expression contributing to tolerance.

Sitokinler (CK) hücre bölünmesi ve farklılaşması, apikaldominansi ve yaşlanmanın geciktirilmesi gibi bitki büyüme ve gelişimini kontrol eden bitki hormonlarıdır. Ayrıca bitkilerde abiyotik cevabın düzenlenmesinde de rol oynarlar. Bu çalışmada, IPT genini (CK biyosentez geni) aşırı ifade eden transgenik domates bitkileri geliştirilmiştir. Homizgot bitkilerde kısa bitki boyu ve apikal dominansın kaybı fenotipleri gözlemlenmiştir. Bütün transgenik bitkilerde yeşil aksam ağırlığında ve yaprak su miktarında artış görülürken meyve veriminin düştüğü gözlemlenmiştir. Yüksek CK tepkisinin moleküler düzeyde anlaşılması için proteomik analizler gerçekleştirilmiştir. Homozigot bitkilerdeki fenotipik değişimlere işarat edebilecek kuvvetli depo fenotipi ve iletim dokusu ile ilgili proteinlerin transgenik bitkilerde yüksek miktarda ifadelendiği tespit edilmiştir. Detoksifikasyon enzimleri ve PR proteinleri gibi stres cevabı ile iligili proteinlerin transgenik hatlarda kademeli olarak arttığı görülmüş, en fazlaartış ise T6 homozigot hattında gözlenmiştir, ki bu artış yüksek CK düzeyleri sebebi ile uyarılmış metabolik strese işaret etmektedir. Geliştirilen transgenik hatlar, kuraklık stresi için test edilmişler ve su kullanım verimi, antioksidan cevap ve geciktirilmiş yaşlanma karakteri bakımından transgenik olmayan bitkilere gore daha üsütün oldukları gözlenmiştir. Gelişmiş kuraklık toleransının moleküler düzeyde anlaşılması için yaprak total protein ve çekirdek zenginleştirilmiş özütlerinde proteomik analizler gerçekleştirilmiştir. Fotosentez ve oksidatif stres cevabı ile ilgili proteinler farklı ifadelenen proteinler arasında en öne çıkan gruplardır ve bunların kuraklık toleransı sağlanmasında etkisi olabilir. On sekiz transkripsiyon faktörünün kuraklık stresi koşulları altında farklı miktarlarda ifadelendiği tespit edilmiştir. Bu transkripsiyon faktörleri toleransa katkı sağlayan genlerin ifadelenmesini kontrol edebilirler.