Andre molekyler, der er involveret i at omsætte kulde-signalet

Som nogle plantehormoner, herunder ABA, polyaminer, gibberellinsyre (GA), nitrogenoxid (NO), brassinosteroider (BR) og ethylen (ET), fungerer også som mellemprodukter i kulde-signalering (Figur 19.1).

Figur 19.1. Skematisk fremstilling, der viser plantehormonernes rolle i reaktion ved lave temperaturer. Brassinosteroider (BR), nitrogenoxid (NO), ethylen (ET), ABA og polyaminer fungerer som positive regulatorer. Gibberelliner (GA) virker som negative regulatorer. Salicylsyre (SA) kan virke som en positiv (korn, banan) eller negativ (Arabidopsis) regulator. Pilehoveder og slutlinjer angiver henholdsvis positiv og negativ regulering.

ABA-niveauet stiger i planter, der udsættes for lave temperaturer, og eksogen behandling med ABA øger fryse-tolerancen (Chen og Gusta, 1983; Lang et al., 1989). I Cicer arietinum og hvede er det blevet observeret, at stigningen i frysetolerance induceret af eksogene ABA-behandlinger formidles af ændringer i plasmamembranens sammensætning (dvs. stigende steroler, umættede fedtsyrer osv.; Bakht et al., 2006). Desuden har ABA-deficiente og ufølsomme mutanter en nedsat evne til kuldeakklimatisering, hvilket indikerer, at ABA er afgørende for en fuldstændig kuldeakklimatisering (Heino et al., 1990; Gilmour og Thomashow, 1991; Llorente et al., 2000). Desuden er ABA involveret i Arabidopsis’ konstitutive tolerance over for frysning (Llorente et al., 2000). Nogle komponenter af ABA-signalvejen har også været involveret i reguleringen af kuldeberedskabet. ABI3, en transkriptionel aktivator, der regulerer ABA-induceret genekspression og forskellige ABA-medierede vegetative processer i Arabidopsis, forbedrer ekspressionen af kuldeinducerbare gener og fryse-tolerance (Tamminen et al., 2001). En ABA-hypersensitiv hvedemutant, aba27, viser øget konstitutiv frysetolerance og øget ekspression af ABA-responsive gener under både kontrol- og lavtemperaturforhold (Kobayashi et al., 2008a). Alle disse resultater viser, at ABA-signalvejen spiller en kompleks rolle for ABA-signalvejen i lav temperaturrespons. Nylige arbejder har rapporteret om identifikation af ABA-receptorer (Ma et al., 2009; Park et al., 2009a), selv om deres betydning for kulderespons stadig mangler at blive fastlagt.

Polyaminer akkumuleres i planter under lave temperaturforhold (Lee et al., 1995; Shen et al., 2000; Kim et al., 2002b; Pillai et al., 2004; Cuevas et al., 2008; Kovacs et al., 2010). De er forbindelser, der på grund af deres biokemiske egenskaber er i stand til at interagere med makromolekyler såsom DNA, RNA, proteiner eller fosfolipider og regulere deres struktur og funktion (Galston og Sawhney, 1990). Kim og kolleger (2002b) rapporterede, at kuldeeksponering øger putrescin-akkumuleringen i tomatblade. Denne stigning synes at have en beskyttende funktion og er negativt kontrolleret af ABA (Kim et al., 2002b). Hummel og kolleger (2004) beskrev, at kulde-tolerance hos Pringlea antiscorbutica er forbundet med polyaminakkumulering og -vedligeholdelse. Desuden øger overekspression af CaPF1, et gen, der koder for et peberfrugtfrysetolerance-relateret protein, i fyrretræ frosttolerance på grund af en høj polyaminakkumulering (Tang et al., 2007). For nylig opnåede Cuevas og medarbejdere (2008) genetisk bevis for, at polyaminer spiller en rolle i reguleringen af kuldeakklimatisering ved at modulere ABA-biosyntese og genekspression. De karakteriserede frysetolerancen hos to mutanter, der er defekte i polyaminbiosyntese, adc1 og adc2, og fandt, at begge har en reduceret evne til kuldeakklimatisering sammenlignet med vildtypen. Lave polyaminniveauer i adc1- og adc2-mutanter korrelerer med lave niveauer af kuldeinduceret ABA-akkumulering på grund af en reduceret induktion af ABA-biosyntetiske gener som reaktion på lav temperatur, hvilket peger på, at polyaminer regulerer akkumuleringen af ABA positivt under lav temperatur (Cuevas et al..,

Overekspressionen i tobak af GhDREB1, et bomuldsgen, der koder for en transkriptionsfaktor, øger tolerancen over for lav temperatur, selv om vækst og blomstringstidspunkt blev forsinket (Shan et al., 2007). GhDREB1-ekspression i bomuld induceres af lav temperatur, men hæmmes af GA, hvilket afslører en mulig involvering af dette gen i reguleringen af vækst via GA (Shan et al., 2007). For nylig er der blevet offentliggjort genetiske beviser, der viser en reduktion af GA-funktionen, når planter udsættes for lave temperaturer (Achard et al., 2008). Det er blevet foreslået, at reduktionen i plantevækst hovedsagelig skyldes en ophobning af DELLA’er, en familie af proteiner, der fungerer som negative regulatorer af GA-responsive planteprocesser (Achard et al., 2008). Endvidere synes DELLA-akkumulering også at bidrage til den forbedrede fryse-tolerance, der er medieret af CBF1-ekspression, om end gennem en vej, der er uafhængig af CBF-regulonen (Achard et al., 2008).

Resultater, der afslører en vigtig rolle for NO i planters respons på lav temperatur, er også blevet beskrevet. I ærter er det blevet rapporteret, at lav temperatur øger aktiviteten af NO-syntase (NOS) og S-nitrosoglutathionreduktase (GSNOR), to enzymer, der er involveret i NO-biosyntesen (Corpas et al., 2008). I Arabidopsis stiger NO-niveauerne under kuldeforhold som følge af induktion af nitratreduktase (NR)-aktivitet (Zhao et al., 2009). Desuden udviser dobbeltmutanter for NR1 og NR2 (nia1nia2), som ikke er i stand til at akkumulere NO efter kuldeeksponering, en reduceret kuldeakklimatiseringskapacitet sammenlignet med vildtypeplanter (Zhao et al., 2009). Molekylær analyse af nia1nia2-mutanter viste, at kuldeinduktion af P5CS1 og repression af ProDH, og dermed prolinakkumulering, er meget lavere i disse planter end i vildtypen, hvilket ville forklare deres nedsatte kuldeakklimatiseringsevne (Zhao et al., 2009).

Brassinosteroider er en klasse af steroider, der er involveret i kontrollen af en bred vifte af planteresponser (Sasse, 2003). Resultater opnået i nyere arbejde understøtter en mulig rolle for BR i kulde-signalering. Arabidopsis- og Brassica napus-frøplanter behandlet med eksogen BR udviser øget tolerance over for lav temperatur, som er afhængig af ændringer i kuldeinduceret genekspression (Kagale et al., 2007). Xia og kolleger (2009) fandt, at BR’er også positivt regulerer tolerance over for lav temperatur i agurk, idet de kontrollerer NADPH-oxidaseaktivitet og H2O2-akkumulering.

Bekæmpelse af lav temperatur inducerer ET-produktion i arter såsom bønne (Field, 1981), tomat (Ciardi et al., 1997) eller vinterrug (Yu et al., 2001). Desuden øger exogen ET-anvendelse på rhododendronplanter deres tolerance over for frysning (Harber og Fuchigami, 1989), og vinterrugplanter, der udsættes for kulde, viser højere niveauer af ET, der styrer ophobningen af frostsikre proteiner i bladene og øger plantens frysningstolerance (Yu et al., 2001). Konstitutiv overekspression i tobak af tomatgenet JERF3, som koder for en transkriptionsfaktor relateret til ET-signalering, øger frysetolerancen ved at inducere ekspressionen af gener, der koder for antioxidante enzymer med den deraf følgende reduktion af ROS (Wu et al., 2008). Desuden hæmmer antisense-ekspression i tomat og tobak af TERF2/LeERF2, et tomatgen, der koder for en ET-inducerbar transkriptionsfaktor, ET-produktion og reducerer frysningstolerance. I modsætning hertil øger TERF2/LeERF2-overekspression i tobak og tomat frysetolerancen ved at aktivere kuldeinduceret genekspression (Zhang og Huang, 2010). Som tidligere beskrevet synes inddragelsen af ET i kulde-signalering at være klar, og meget lidt er stadig kendt om de mekanismer, der formidler dets funktion.

Væsentligt arbejde har rapporteret om potentielle værdifulde virkninger af salicylsyre (SA) behandling på kulde- og/eller fryse-tolerance i korn (Janda et al, 1999; Kang og Saltveit, 2002; Szalai et al., 2000; Tasgin et al., 2003; Saltveit og Hepler, 2004), bønner (Ding et al., 2002), agurker (Kang og Saltveit, 2002), tomater (Ding et al., 2002), bananer (Kang et al., 2007) og persisk syren (Bernard et al., 2002). SA’s rolle i planters tolerance over for lave temperaturer synes at være relateret til forskellige beskyttende reaktioner, såsom forøgelse af aktiviteten af antioxidantenzymer (Janda et al., 1999; Kang og Saltveit, 2002) og forøgelse af iskernedannelsesaktiviteten i apoplasten (Tasgin et al., 2003). I modsætning til disse data viser nylige resultater, at SA er en negativ regulator af kuldeakklimatisering i Arabidopsis (Miura og Ohta, 2010). To SA-akkumulerende mutanter, siz1 og acd6, har reduceret kuldeakklimatiseringskapacitet og er mere følsomme over for chilling stress, hovedsagelig på grund af en lavere ekspression af CBF3 og det tilsvarende regulon (Miura og Ohta, 2010). Gendannelse af SA-akkumulering til wild-type niveauer undertrykker disse mutanters følsomhed over for køle- og frysetemperaturer (Miura og Ohta, 2010).