Muut kylmäsignaalin välittämiseen osallistuvat molekyylit

Jotkut kasvihormonit, mukaan lukien ABA, polyamiinit, gibberelliinihappo (GA), typpioksidi (NO), brassinosteroidit (BR) ja etyleeni (ET), toimivat myös kylmänsignaalin välittäjäaineina (Kuvio 19.1).

Kuva 19.1. Kaavamainen esitys, jossa esitetään kasvihormonien rooli alhaisen lämpötilan vasteessa. Brassinosteroidit (BR), typpioksidi (NO), etyleeni (ET), ABA ja polyamiinit toimivat positiivisina säätelijöinä. Gibberelliinit (GA) toimivat negatiivisina säätelijöinä. Salisyylihappo (SA) voi toimia positiivisena (viljat, banaani) tai negatiivisena (Arabidopsis) säätelijänä. Nuolenkärjet ja pääteviivat osoittavat vastaavasti positiivista ja negatiivista säätelyä.

ABA-pitoisuudet nousevat matalalle lämpötilalle altistuneissa kasveissa, ja eksogeeninen ABA-käsittely parantaa pakkasenkestävyyttä (Chen ja Gusta, 1983; Lang ym., 1989). Cicer arietinum- ja vehnäkasveilla on havaittu, että eksogeenisen ABA-käsittelyn aiheuttama pakkasenkestävyyden lisääntyminen välittyy plasmakalvon koostumuksen muutoksista (esim. sterolien ja tyydyttymättömien rasvahappojen lisääntyminen jne.; Bakht et al., 2006). Lisäksi ABA-puutteellisilla ja epäherkillä mutanteilla on heikentynyt kyky kylmään sopeutumiseen, mikä osoittaa, että ABA on välttämätön täydellisen kylmään sopeutumisen kannalta (Heino ym., 1990; Gilmour ja Thomashow, 1991; Llorente ym., 2000). Lisäksi ABA on osallisena Arabidopsiksen konstitutiivisessa pakkasenkestävyydessä (Llorente et al., 2000). Jotkin ABA-signaalireitin osat ovat myös osallistuneet kylmävasteen säätelyyn. ABI3, transkriptionaalinen aktivaattori, joka säätelee ABA:n indusoimaa geenien ilmentymistä ja erilaisia ABA:n välittämiä vegetatiivisia prosesseja Arabidopsiksessa, lisää kylmäindusoituvien geenien ilmentymistä ja pakkasenkestävyyttä (Tamminen ym., 2001). ABA-hypersensitiivinen vehnämutantti aba27 osoittaa lisääntynyttä konstitutiivista pakkasenkestävyyttä ja ABA-herkkien geenien lisääntynyttä ilmentymistä sekä kontrolli- että matalalämpötiloissa (Kobayashi ym., 2008a). Kaikki nämä tulokset osoittavat, että ABA-signaalireitillä on monimutkainen rooli alhaisen lämpötilan vasteessa. Viimeaikaisissa töissä on raportoitu ABA-reseptorien tunnistamisesta (Ma ym., 2009; Park ym., 2009a), vaikka niiden merkitys kylmävasteessa on vielä selvittämättä.

Polyamiinit kerääntyvät kasveihin alhaisissa lämpötilaolosuhteissa (Lee ym., 1995; Shen ym., 2000; Kim ym., 2002b; Pillai ym., 2004; Cuevas ym., 2008; Kovacs ym., 2010). Ne ovat yhdisteitä, jotka biokemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi pystyvät olemaan vuorovaikutuksessa makromolekyylien, kuten DNA:n, RNA:n, proteiinien tai fosfolipidien kanssa säätelemällä niiden rakennetta ja toimintaa (Galston ja Sawhney, 1990). Kim ja kollegat (2002b) raportoivat, että kylmäaltistus lisää putressiinin kertymistä tomaatin lehtiin. Tällä lisäyksellä näyttää olevan suojaava merkitys, ja ABA kontrolloi sitä negatiivisesti (Kim ym., 2002b). Hummel ja kollegat (2004) kuvasivat, että Pringlea antiscorbutican kylmänsietokyky liittyy polyamiinien kertymiseen ja ylläpitoon. Lisäksi CaPF1-geenin, joka koodaa pippuripakkasenkestävyyteen liittyvää proteiinia, yli-ilmentäminen männyssä parantaa pakkasenkestävyyttä suuren polyamiinikertymän ansiosta (Tang ym., 2007). Cuevas ja työtoverit (2008) saivat hiljattain geneettistä näyttöä polyamiinien osuudesta kylmään sopeutumisen säätelyssä moduloimalla ABA:n biosynteesiä ja geenien ilmentymistä. He luonnehtivat kahden polyamiinien biosynteesissä viallisen mutantin, adc1:n ja adc2:n, pakkasenkestävyyttä ja havaitsivat, että molemmilla on heikentynyt kyky kylmään sopeutumiseen villityyppiin verrattuna. Alhaiset polyamiinipitoisuudet adc1- ja adc2-mutaatioissa korreloivat kylmän aiheuttaman ABA:n vähäisen kertymisen kanssa, mikä johtuu ABA:n biosynteettisten geenien vähäisemmästä induktiosta vasteena alhaiselle lämpötilalle, mikä osoittaa, että polyamiinit säätelevät positiivisesti ABA:n kertymistä alhaisissa lämpötiloissa (Cuevas ym.),

Transkriptiotekijää koodaavan puuvillageenin GhDREB1:n yli-ilmentäminen tupakassa lisää matalan lämpötilan sietokykyä, vaikka kasvu ja kukinta-aika viivästyivät (Shan ym., 2007). GhDREB1:n ilmentyminen puuvillassa indusoituu alhaisen lämpötilan vaikutuksesta, mutta estyy GA:n vaikutuksesta, mikä paljastaa tämän geenin mahdollisen osallisuuden kasvun säätelyyn GA:n kautta (Shan et al., 2007). Äskettäin on julkaistu geneettisiä todisteita, jotka osoittavat GA:n toiminnan vähenevän, kun kasvit altistuvat alhaiselle lämpötilalle (Achard et al., 2008). On ehdotettu, että kasvien kasvun väheneminen johtuu pääasiassa DELLA-proteiinien kertymisestä, jotka toimivat negatiivisina säätelijöinä GA:han reagoivissa kasviprosesseissa (Achard ym., 2008). Lisäksi DELLA:n kertyminen näyttää myös osaltaan edistävän CBF1:n ilmentymisen välittämän pakkasenkestävyyden paranemista, vaikkakin CBF-säätelystä riippumattoman reitin kautta (Achard ym., 2008).

Tuloksia, jotka paljastavat NO:n tärkeän roolin kasvien vasteessa alhaisiin lämpötiloihin, on myös kuvattu. Herneessä alhaisen lämpötilan on raportoitu lisäävän NO-syntaasin (NOS) ja S-nitrosoglutationireduktaasin (GSNOR), kahden NO:n biosynteesiin osallistuvan entsyymin, aktiivisuutta (Corpas ym., 2008). Arabidopsiksessa NO-pitoisuudet kasvavat kylmissä olosuhteissa nitraattireduktaasin (NR) aktiivisuuden induktion seurauksena (Zhao et al., 2009). Lisäksi NR1:n ja NR2:n kaksoismutantit (nia1nia2), jotka eivät kykene kerryttämään NO:ta kylmäaltistuksen jälkeen, osoittavat heikentynyttä kylmään sopeutumiskykyä villityyppisiin kasveihin verrattuna (Zhao ym., 2009). Nia1nia2-mutanttien molekyylianalyysi osoitti, että P5CS1:n kylmäinduktio ja ProDH:n repressio ja siten proliinin kertyminen on näissä kasveissa paljon vähäisempää kuin villiintyneissä kasveissa, mikä selittäisi niiden heikentyneen kylmään sopeutumiskyvyn (Zhao ym., 2009).

Brassinosteroidit ovat steroidien luokka, joka osallistuu monenlaisten kasviresponsien kontrollointiin (Sasse, 2003). Viimeaikaisissa töissä saadut tulokset tukevat BR:n mahdollista roolia kylmän signaloinnissa. Eksogeenisella BR:llä käsitellyissä Arabidopsis- ja Brassica napus -taimissa on havaittavissa lisääntynyttä matalan lämpötilan sietokykyä, joka on riippuvainen muutoksista kylmän indusoimassa geeniekspressiossa (Kagale ym., 2007). Xia ja kollegat (2009) havaitsivat, että BR:t säätelevät positiivisesti myös alhaisen lämpötilan sietokykyä kurkulla säätelemällä NADPH-oksidaasiaktiivisuutta ja H2O2:n kertymistä.

Matalalle lämpötilalle altistuminen indusoi ET:n tuotantoa lajeissa, kuten pavussa (Field, 1981), tomaatissa (Ciardi ym., 1997) tai talvirukiissa (Yu ym., 2001). Lisäksi eksogeenisen ET:n antaminen rododendronikasveille lisää niiden pakkasenkestävyyttä (Harber ja Fuchigami, 1989), ja kylmälle altistetuissa talvirukiin kasveissa esiintyy suurempia ET-tasoja, jotka säätelevät jäätymisenestoproteiinien kertymistä lehtiin ja lisäävät kasvien pakkasenkestävyyttä (Yu ym., 2001). ET-signalointiin liittyvää transkriptiotekijää koodaavan tomaattigeenin JERF3:n konstitutiivinen yli-ilmentyminen tupakassa lisää pakkasenkestävyyttä indusoimalla antioksidanttisia entsyymejä koodaavien geenien ilmentymistä, mikä vähentää ROS:ien määrää (Wu ym., 2008). Lisäksi ET:n indusoimaa transkriptiotekijää koodaavan TERF2/LeERF2-geenin antisense-ekspressio tomaatissa ja tupakassa estää ET:n tuotantoa ja vähentää pakkasenkestävyyttä. Sitä vastoin TERF2/LeERF2:n yli-ilmentäminen tupakassa ja tomaatissa lisää pakkasenkestävyyttä aktivoimalla kylmän indusoimaa geeniekspressiota (Zhang ja Huang, 2010). Kuten aiemmin on kuvattu, ET:n merkitys kylmäsignaalien välittämisessä näyttää olevan selvä, ja sen toimintaa välittävistä mekanismeista tiedetään vielä hyvin vähän.

Suuri osa työstä on raportoinut salisyylihappokäsittelyn (SA) mahdollisista arvokkaista vaikutuksista viljakasvien kylmä- ja/tai pakastussietokykyyn (Janda et al., 1999; Kang ja Saltveit, 2002; Szalai ym., 2000; Tasgin ym., 2003; Saltveit ja Hepler, 2004), pavun (Ding ym., 2002), kurkun (Kang ja Saltveit, 2002), tomaatin (Ding ym., 2002), banaanin (Kang ym., 2007) ja persialaisen syreenin (Bernard ym., 2002). SA:n rooli kasvien sietokyvyssä alhaisia lämpötiloja kohtaan näyttää liittyvän erilaisiin suojareaktioihin, kuten antioksidanttisten entsyymien aktiivisuuden lisääntymiseen (Janda et al., 1999; Kang ja Saltveit, 2002) ja jään ydintymisaktiivisuuden lisäämiseen apoplastissa (Tasgin et al., 2003). Näiden tietojen vastaisesti viimeaikaiset tulokset osoittavat, että SA on kylmään sopeutumisen negatiivinen säätelijä Arabidopsiksessa (Miura ja Ohta, 2010). Kahdella SA:ta keräävällä mutantilla, siz1:llä ja acd6:lla, on heikentynyt kylmään sopeutumiskyky ja ne ovat herkempiä jäähdytysstressille, mikä johtuu pääasiassa CBF3:n ja sitä vastaavan regulonin vähäisemmästä ilmentymisestä (Miura ja Ohta, 2010). SA:n kertymisen palauttaminen villin tyypin tasolle hillitsee näiden mutanttien herkkyyttä jäähdytys- ja pakkaslämpötiloille (Miura ja Ohta, 2010).