Inne cząsteczki zaangażowane w przekazywanie sygnału zimna

Niektóre hormony roślinne, w tym ABA, poliaminy, kwas giberelinowy (GA), tlenek azotu (NO), brassinosteroidy (BR) i etylen (ET), również działają jako pośrednicy w sygnalizacji zimna (Rysunek 19.1).

Rysunek 19.1. Schematycznie przedstawiona rola hormonów roślinnych w odpowiedzi na niską temperaturę. Brassinosteroidy (BR), tlenek azotu (NO), etylen (ET), ABA i poliaminy działają jako pozytywne regulatory. Gibbereliny (GA) działają jako regulatory negatywne. Kwas salicylowy (SA) może działać jako regulator pozytywny (zboża, banan) lub negatywny (Arabidopsis). Strzałki i linie końcowe wskazują odpowiednio regulację pozytywną i negatywną.

Poziom ABA wzrasta u roślin narażonych na niską temperaturę, a egzogenne traktowanie ABA zwiększa tolerancję na mróz (Chen i Gusta, 1983; Lang i in., 1989). U Cicer arietinum i pszenicy zaobserwowano, że wzrost tolerancji na mróz indukowany przez egzogenne traktowanie ABA jest mediowany przez zmiany w składzie błony plazmatycznej (tj. zwiększenie ilości steroli, nienasyconych kwasów tłuszczowych, itp.; Bakht i in., 2006). Ponadto, mutanty pozbawione ABA i niewrażliwe na ABA mają zmniejszoną zdolność do aklimatyzacji zimnej, co wskazuje, że ABA jest niezbędny do pełnej aklimatyzacji zimnej (Heino i in., 1990; Gilmour i Thomashow, 1991; Llorente i in., 2000). Ponadto, ABA bierze udział w konstytutywnej tolerancji Arabidopsis na mróz (Llorente i in., 2000). Niektóre elementy szlaku sygnałowego ABA zostały również zaangażowane w regulację odpowiedzi na zimno. ABI3, aktywator transkrypcyjny reguluj±cy ekspresję genów indukowan± przez ABA i różne procesy wegetatywne w Arabidopsis, zwiększa ekspresję genów indukowanych przez zimno i tolerancję na mróz (Tamminen i in., 2001). Nadwrażliwy na ABA mutant pszenicy, aba27, wykazuje zwiększoną konstytutywną tolerancję na mróz i zwiększoną ekspresję genów reagujących na ABA zarówno w warunkach kontrolnych, jak i w niskiej temperaturze (Kobayashi i in., 2008a). Wszystkie te wyniki świadczą o złożonej roli szlaku sygnałowego ABA w odpowiedzi na niską temperaturę. Ostatnie prace donoszą o identyfikacji receptorów ABA (Ma i in., 2009; Park i in., 2009a), chociaż ich wpływ na odpowiedź na zimno wciąż pozostaje nieokreślony.

Poliaminy akumulują się w roślinach w warunkach niskiej temperatury (Lee i in., 1995; Shen i in., 2000; Kim i in., 2002b; Pillai i in., 2004; Cuevas i in., 2008; Kovacs i in., 2010). Są to związki, które ze względu na swoje właściwości biochemiczne są w stanie oddziaływać z makrocząsteczkami takimi jak DNA, RNA, białka czy fosfolipidy, regulując ich strukturę i funkcję (Galston i Sawhney, 1990). Kim i współpracownicy (2002b) wykazali, że ekspozycja na zimno zwiększa akumulację putrescyny w liściach pomidora. Wzrost ten wydaje się pełnić rolę ochronną i jest negatywnie kontrolowany przez ABA (Kim i in., 2002b). Hummel i współpracownicy (2004) opisali, że tolerancja na zimno Pringlea antiscorbutica jest związana z akumulacją i utrzymaniem poliamin. Ponadto, nadekspresja CaPF1, genu kodującego białko związane z tolerancją na mróz, u sosny zwiększa tolerancję na mróz dzięki wysokiej akumulacji poliaminy (Tang i in., 2007). Ostatnio Cuevas i współpracownicy (2008) uzyskali genetyczne dowody na udział poliamin w regulacji aklimatyzacji do zimna poprzez modulację biosyntezy ABA i ekspresji genów. Scharakteryzowali oni tolerancję na mróz dwóch mutantów defektywnych w biosyntezie poliamin, adc1 i adc2, i stwierdzili, że oba mają obniżoną zdolność do aklimatyzacji zimnej w porównaniu do mutacji typu dzikiego. Niski poziom poliamin w mutantach adc1 i adc2 koreluje z niskim poziomem akumulacji ABA indukowanej zimnem ze względu na zmniejszoną indukcję genów biosyntezy ABA w odpowiedzi na niską temperaturę, wskazując, że poliaminy pozytywnie regulują akumulację ABA w niskiej temperaturze (Cuevas i in., 2008).

Nadekspresja w tytoniu GhDREB1, genu bawełny kodującego czynnik transkrypcyjny, zwiększa tolerancję na niską temperaturę, chociaż wzrost i czas kwitnienia były opóźnione (Shan i in., 2007). Ekspresja GhDREB1 w bawełnie jest indukowana przez niską temperaturę, ale hamowana przez GA, co wskazuje na możliwy udział tego genu w regulacji wzrostu przez GA (Shan i in., 2007). Ostatnio opublikowano dowody genetyczne wskazujące na redukcję funkcji GA, gdy rośliny są wystawione na działanie niskiej temperatury (Achard i in., 2008). Zaproponowano, że redukcja wzrostu roślin jest głównie spowodowana akumulacją DELLA, rodziny białek, które działają jako negatywne regulatory procesów roślinnych reagujących na GA (Achard i in., 2008). Co więcej, akumulacja DELLA wydaje się również przyczyniać do zwiększonej tolerancji na mróz, która jest mediowana przez ekspresję CBF1, chociaż poprzez ścieżkę, która jest niezależna od CBF-regon (Achard i in., 2008).

Opisano również wyniki ujawniające ważną rolę NO w odpowiedzi roślin na niską temperaturę. U grochu stwierdzono, że niska temperatura zwiększa aktywność syntazy NO (NOS) i reduktazy S-nitrozoglutationu (GSNOR), dwóch enzymów zaangażowanych w biosyntezę NO (Corpas i in., 2008). W Arabidopsis, poziom NO wzrasta w warunkach zimna jako konsekwencja indukcji aktywności reduktazy azotanowej (NR) (Zhao i in., 2009). Ponadto, podwójne mutanty dla NR1 i NR2 (nia1nia2), które nie są zdolne do akumulacji NO po ekspozycji na zimno, wykazują zmniejszoną zdolność do aklimatyzacji zimnej w porównaniu do roślin typu dzikiego (Zhao i in., 2009). Analiza molekularna mutantów nia1nia2 wykazała, że indukcja zimna P5CS1 i represja ProDH, a tym samym akumulacja proliny, jest znacznie niższa u tych roślin niż u roślin typu dzikiego, co tłumaczyłoby ich obniżoną zdolność do aklimatyzacji zimnej (Zhao i in., 2009).

Brassinosteroidy są klasą steroidów zaangażowanych w kontrolę szerokiego zakresu reakcji roślin (Sasse, 2003). Wyniki ostatnich prac potwierdzają możliwą rolę BR w sygnalizacji zimna. Sadzonki Arabidopsis i Brassica napus traktowane egzogennym BR wykazują zwiększoną tolerancję na niską temperaturę, która jest zależna od zmian w ekspresji genów indukowanych zimnem (Kagale i in., 2007). Xia i współpracownicy (2009) stwierdzili, że BR również pozytywnie regulują tolerancję na niską temperaturę u ogórka, kontrolując aktywność oksydazy NADPH i akumulację H2O2.

Ekspozycja na niską temperaturę indukuje produkcję ET u takich gatunków jak fasola (Field, 1981), pomidor (Ciardi i in., 1997) czy żyto ozime (Yu i in., 2001). Co więcej, egzogenna aplikacja ET do roślin różanecznika zwiększa ich tolerancję na przemarzanie (Harber i Fuchigami, 1989), a rośliny żyta ozimego wystawione na zimno wykazują wyższy poziom ET, który kontroluje akumulację białek przeciwmrozowych w liściach i zwiększa tolerancję roślin na przemarzanie (Yu i in., 2001). Konstytutywna nadekspresja w tytoniu genu JERF3 z pomidora, który koduje czynnik transkrypcyjny związany z sygnalizacją ET, zwiększa tolerancję na mróz poprzez indukcję ekspresji genów kodujących enzymy antyoksydacyjne i w konsekwencji redukcję ROS (Wu i in., 2008). Ponadto antysensowna ekspresja TERF2/LeERF2, genu pomidora kodującego czynnik transkrypcyjny indukowany ET, hamuje produkcję ET i zmniejsza tolerancję na mróz u pomidora i tytoniu. Z kolei nadekspresja TERF2/LeERF2 w tytoniu i pomidorze zwiększa tolerancję na mróz poprzez aktywację ekspresji genów indukowanych zimnem (Zhang i Huang, 2010). Jak opisano wcześniej, udział ET w sygnalizacji zimna wydaje się być jasny, natomiast wciąż niewiele wiadomo na temat mechanizmów pośredniczących w jego działaniu.

Wiele prac donosi o potencjalnie wartościowym wpływie traktowania kwasem salicylowym (SA) na tolerancję zimna i/lub mrozu u zbóż (Janda i in., 1999; Kang i Saltveit, 2002; Szalai et al., 2000; Tasgin et al., 2003; Saltveit i Hepler, 2004), fasoli (Ding et al., 2002), ogórka (Kang i Saltveit, 2002), pomidora (Ding et al., 2002), banana (Kang et al., 2007) i bzu perskiego (Bernard et al., 2002). Rola SA w tolerancji roślin na niską temperaturę wydaje się być związana z różnymi reakcjami ochronnymi, takimi jak wzrost aktywności enzymów antyoksydacyjnych (Janda i in., 1999; Kang i Saltveit, 2002) oraz wzmocnienie aktywności nukleacji lodu w apoplaście (Tasgin i in., 2003). W przeciwieństwie do tych danych, ostatnie wyniki wskazują, że SA jest negatywnym regulatorem aklimatyzacji do zimna u Arabidopsis (Miura i Ohta, 2010). Dwa mutanty akumuluj±ce SA, siz1 i acd6, maj± obniżon± zdolno¶ć aklimatyzacji do zimna i s± bardziej wrażliwe na stres chłodzenia, głównie z powodu niższej ekspresji CBF3 i odpowiedniego regulonu (Miura i Ohta, 2010). Przywrócenie akumulacji SA do poziomu dzikiego tłumi wrażliwość tych mutantów na schładzanie i zamrażanie (Miura i Ohta, 2010).