Alte molecule implicate în transmiterea semnalului de frig
Câțiva hormoni vegetali, inclusiv ABA, poliamine, acidul giberelic (GA), oxidul nitric (NO), brassinosteroizii (BR) și etilena (ET), acționează, de asemenea, ca intermediari în semnalizarea prin frig (Figura 19.1).
Figura 19.1. Reprezentare schematică care arată rolul hormonilor vegetali în răspunsul la temperaturi scăzute. Brassinosteroizii (BR), oxidul nitric (NO), etilena (ET), ABA și poliaminele acționează ca regulatori pozitivi. Giberelinele (GA) acționează ca regulatori negativi. Acidul salicilic (SA) poate acționa ca un regulator pozitiv (cereale, banane) sau negativ (Arabidopsis). Vârfurile de săgeată și liniile de capăt indică o reglementare pozitivă și, respectiv, negativă.
Nivelurile de ABA cresc în plantele expuse la temperaturi scăzute, iar tratamentul exogen cu ABA sporește toleranța la îngheț (Chen și Gusta, 1983; Lang et al., 1989). La Cicer arietinum și la grâu, s-a observat că creșterea toleranței la îngheț indusă de tratamentele exogene cu ABA este mediată de modificări în compoziția membranei plasmatice (de exemplu, creșterea sterolilor, a acizilor grași nesaturați etc.; Bakht et al., 2006). Mai mult, mutanții deficitari și insensibili la ABA au o capacitate redusă de aclimatizare la frig, ceea ce indică faptul că ABA este esențial pentru o aclimatizare completă la frig (Heino et al., 1990; Gilmour și Thomashow, 1991; Llorente et al., 2000). În plus, ABA este implicată în toleranța constitutivă a Arabidopsis la îngheț (Llorente et al., 2000). Unele componente ale căii de semnalizare ABA au fost, de asemenea, implicate în reglarea răspunsului la frig. ABI3, un activator transcripțional care reglează expresia genelor induse de ABA și diferite procese vegetative mediate de ABA la Arabidopsis, îmbunătățește expresia genelor inductibile la frig și toleranța la îngheț (Tamminen et al., 2001). Un mutant de grâu hipersensibil la ABA, aba27, prezintă o toleranță sporită la îngheț constitutiv și o expresie crescută a genelor sensibile la ABA atât în condiții de control, cât și la temperaturi scăzute (Kobayashi et al., 2008a). Toate aceste rezultate manifestă un rol complex al căii de semnalizare ABA în răspunsul la temperaturi scăzute. Lucrări recente au raportat identificarea receptorilor ABA (Ma et al., 2009; Park et al., 2009a), deși implicarea lor în răspunsul la frig rămâne încă să fie determinată.
Poliaminele se acumulează în plante în condiții de temperatură scăzută (Lee et al., 1995; Shen et al., 2000; Kim et al., 2002b; Pillai et al., 2004; Cuevas et al., 2008; Kovacs et al., 2010). Aceștia sunt compuși care, datorită proprietăților lor biochimice, sunt capabili să interacționeze cu macromolecule, cum ar fi ADN, ARN, proteine sau fosfolipide, reglând structura și funcția acestora (Galston și Sawhney, 1990). Kim și colegii săi (2002b) au raportat că expunerea la frig crește acumularea de putrezină în frunzele de tomate. Această creștere pare să aibă un rol de protecție și este controlată negativ de ABA (Kim et al., 2002b). Hummel și colaboratorii (2004) au descris faptul că toleranța la frig a Pringlea antiscorbutica este asociată cu acumularea și menținerea poliaminelor. Mai mult, supraexprimarea CaPF1, o genă care codifică o proteină legată de toleranța la îngheț a piperului, la pin sporește toleranța la îngheț datorită unei acumulări ridicate de poliamine (Tang et al., 2007). Recent, Cuevas și colaboratorii (2008) au obținut dovezi genetice privind implicarea poliaminelor în reglarea aclimatizării la frig prin modularea biosintezei ABA și a expresiei genice. Aceștia au caracterizat toleranța la îngheț a doi mutanți defectuoși în biosinteza poliaminelor, adc1 și adc2, și au constatat că ambii au o capacitate redusă de aclimatizare la frig în comparație cu tipul sălbatic. Nivelurile scăzute de poliamine la mutanții adc1 și adc2 sunt corelate cu niveluri scăzute de acumulare de ABA indusă de frig, datorită unei inducții reduse a genelor de biosinteză ABA ca răspuns la temperaturi scăzute, subliniind că poliaminele reglează pozitiv acumularea de ABA la temperaturi scăzute (Cuevas et al., 2008).
Supraexprimarea în tutun a GhDREB1, o genă a bumbacului care codifică un factor de transcripție, crește toleranța la temperaturi scăzute, deși creșterea și timpul de înflorire au fost întârziate (Shan et al., 2007). Expresia GhDREB1 la bumbac este indusă de temperaturile scăzute, dar inhibată de GA, dezvăluind o posibilă implicare a acestei gene în reglarea creșterii prin intermediul GA (Shan et al., 2007). Recent, au fost publicate dovezi genetice care demonstrează o reducere a funcției GA atunci când plantele sunt expuse la temperaturi scăzute (Achard et al., 2008). S-a propus ca reducerea creșterii plantelor să se datoreze în principal unei acumulări de DELLA, o familie de proteine care acționează ca regulatori negativi ai proceselor plantelor care răspund la GA (Achard et al., 2008). Mai mult, acumularea DELLA pare să contribuie, de asemenea, la creșterea toleranței la îngheț care este mediată de expresia CBF1, deși printr-o cale independentă de CBF-regulon (Achard et al., 2008).
S-au descris, de asemenea, rezultate care relevă un rol important al NO în răspunsul plantelor la temperaturi scăzute. La mazăre, s-a raportat că temperatura scăzută crește activitatea NO-sintetazei (NOS) și a S-nitrosoglutation reductazei (GSNOR), două enzime implicate în biosinteza NO (Corpas et al., 2008). La Arabidopsis, nivelurile de NO cresc în condiții de frig ca o consecință a inducerii activității nitrat reductazei (NR) (Zhao et al., 2009). Mai mult, mutanții dubli pentru NR1 și NR2 (nia1nia2), care nu sunt capabili să acumuleze NO după expunerea la frig, prezintă o capacitate redusă de aclimatizare la frig în comparație cu plantele de tip sălbatic (Zhao et al., 2009). Analiza moleculară a mutanților nia1nia2 a arătat că inducerea la rece a P5CS1 și reprimarea ProDH, și, prin urmare, acumularea de prolină, este mult mai mică la aceste plante decât la cele de tip sălbatic, ceea ce ar explica capacitatea lor redusă de aclimatizare la rece (Zhao et al., 2009).
Brassinosteroizii sunt o clasă de steroizi implicați în controlul unei game largi de răspunsuri ale plantelor (Sasse, 2003). Rezultatele obținute în lucrări recente susțin un posibil rol al BR în semnalizarea la rece. Răsadurile de Arabidopsis și Brassica napus tratate cu BR exogenă prezintă o toleranță crescută la temperaturi scăzute care depinde de modificări ale expresiei genice induse de frig (Kagale et al., 2007). Xia și colegii săi (2009) au descoperit că BR-urile reglează, de asemenea, în mod pozitiv toleranța la temperaturi scăzute la castraveți, controlând activitatea NADPH oxidazei și acumularea de H2O2.
Expunerea la temperaturi scăzute induce producția de ET la specii precum fasolea (Field, 1981), roșia (Ciardi și colab., 1997) sau secara de iarnă (Yu și colab., 2001). Mai mult, aplicarea exogenă de ET la plantele de rododendron crește toleranța acestora la îngheț (Harber și Fuchigami, 1989), iar plantele de secară de iarnă expuse la frig prezintă niveluri mai ridicate de ET care controlează acumularea de proteine antigel în frunze și cresc toleranța plantelor la îngheț (Yu et al., 2001). Supraexprimarea constitutivă în tutun a genei JERF3 a tomatelor, care codifică un factor de transcripție legat de semnalizarea ET, crește toleranța la îngheț prin inducerea expresiei genelor care codifică enzimele antioxidante, cu reducerea consecventă a ROS (Wu et al., 2008). În plus, exprimarea antisens în tomate și tutun a TERF2/LeERF2, o genă a tomatelor care codifică un factor de transcripție indus de ET, inhibă producția de ET și reduce toleranța la îngheț. În schimb, supraexprimarea TERF2/LeERF2 în tutun și tomate crește toleranța la îngheț prin activarea expresiei genice induse de frig (Zhang și Huang, 2010). După cum s-a descris anterior, implicarea ET în semnalizarea la rece pare a fi clară și se cunosc încă foarte puține lucruri despre mecanismele care îi mediază funcția.
O serie de lucrări substanțiale au raportat potențiale efecte valoroase ale tratamentului cu acid salicilic (SA) asupra toleranței la frig și/sau îngheț la cereale (Janda et al, 1999; Kang și Saltveit, 2002; Szalai și colab., 2000; Tasgin și colab., 2003; Saltveit și Hepler, 2004), fasole (Ding și colab., 2002), castraveți (Kang și Saltveit, 2002), tomate (Ding și colab., 2002), banane (Kang și colab., 2007) și liliac persan (Bernard și colab., 2002). Rolul SA în toleranța plantelor la temperaturi scăzute pare să fie legat de diferite răspunsuri de protecție, cum ar fi creșterea activității enzimelor antioxidante (Janda et al., 1999; Kang și Saltveit, 2002) și sporirea activității de nucleare a gheții în apoplast (Tasgin et al., 2003). În contradicție cu aceste date, rezultate recente indică faptul că SA este un regulator negativ al aclimatizării la frig la Arabidopsis (Miura și Ohta, 2010). Doi mutanți care acumulează SA, siz1 și acd6, au o capacitate redusă de aclimatizare la frig și sunt mai sensibili la stresul de răcire, în principal din cauza unei expresii mai scăzute a CBF3 și a regulonului corespunzător (Miura și Ohta, 2010). Restabilirea acumulării de SA la nivelurile de tip sălbatic suprimă sensibilitatea acestor mutanți la temperaturile de răcire și îngheț (Miura și Ohta, 2010).
.