Wie regulieren PA-, ABA- und CBF-Wege synergistisch die Kältetoleranz von Melonen?

Polyamine (PAs), einschließlich Putrescin (Put, ein Diamin), Spermidin (Spd, ein Triamin) und Spermin (Spm, ein Tetramin), sind niedermolekulare Polykationen und aliphatische stickstoffhaltige Substanzen. Sie spielen eine wichtige Rolle im gesamten Lebenszyklus von Pflanzen, von der Samenkeimung bis zur Fruchtreife, Abszision und Alterung. Es besteht ein wachsendes Interesse an der Untersuchung von PAs, die an Pflanzenstress beteiligt sind, einschließlich Dürre, Hypoxie, hoher Temperatur, niedriger Temperatur, Salzgehalt und Metalltoxizität. Die Hauptaufgabe von PAs bei Pflanzenstress besteht darin, den durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) verursachten Schäden entgegenzuwirken und Schäden durch freie Radikale oder oxidativen Stress zu verhindern und gleichzeitig Ionenkanäle zu modulieren, um die Morphologie und Integrität von Zellmembranen, Nukleinsäuren und Proteinen zu schützen . PAs interagieren mit Hormonwegen (Ethylen, Jasmonat, Auxin, Gibberelline, Cytokinine, Abscisinsäure [ABA]Salicylsäure und Brassinosteroide) und andere Signalmoleküle (Ca2+, NO, H2O2 und Gamma-Aminobuttersäure), um Pflanzen zu helfen, mit widrigen Umgebungen fertig zu werden.

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich ein zunehmendes Verständnis des Übersprechens zwischen ABA und PAs als Reaktion auf Umweltstress entwickelt. ABA-responsive element (ABRE)-Bindungsfaktoren (ABFs) sind Kernkomponenten der ABA-Signalübertragung und sind umfassend am Pflanzenwachstum und der Pflanzenentwicklung sowie an Reaktionen auf biotischen und abiotischen Stress wie Kälte beteiligt. C-Repeat-Bindungsfaktoren (CBFs) wirken an der Kreuzung des Transkriptionsregulationsnetzwerks, das der Reaktion auf Kältestress zugrunde liegt. Sie können direkt an die cis-aktiven Elemente von DRE/CRT (dehydratation-responsive element/C repeat) in den Promotoren von kälteregulierten (COR) Genen binden und deren Expression auslösen, um Pflanzen zu helfen, der bitteren Kälte zu widerstehen.

Melone, die ursprünglich aus tropischen und subtropischen Gebieten stammt, aber heute weltweit angebaut wird, ist in gemäßigten Breiten anfällig für Kälteschäden. Es gibt Hinweise darauf, dass exogenes ABA die Kältetoleranz von orientalischen Melonensämlingen verbessern kann und die PA-Ansammlung zur Anpassung an Hypoxiestress in der Wurzelzone, Ca(NO3)2-Stress und Salinitäts-Alkalinitäts-Stress bei Melonensämlingen sowie Kältestress bei Melonen beiträgt Obst. Nur zwei CmCBFs, CmCBF1 und CmCBF3, wurden identifiziert, und ihre Expression korreliert positiv mit der Kältetoleranz in Melonenfrüchten. Ob die PA-, ABA- und CBF-Wege synergistisch die Kältetoleranz von Melonen regulieren, war jedoch weitgehend unbekannt.

Kürzlich berichteten Wissenschaftler der Shenyang Agricultural University, dass die ABA-, CBF- und Polyaminwege ein kooperatives regulatorisches Netzwerk bilden könnten, um die Reaktion von Pflanzen auf Kältestress zu kontrollieren. In einem Vorversuch stellten die Autoren fest, dass von den drei PAs nur Put in einem kältetoleranten Genotyp in signifikant höheren Konzentrationen vorhanden war als in einem kälteempfindlichen Genotyp. Da die Arginin-Decarboxylase (ADC) die Schlüssel-Synthetase ist, die die Putrescin-Biosynthese in Pflanzen katalysiert, untersuchten die Autoren anschließend die Expression des ADC-codierenden Gens CmADC unter Kältebehandlung. Wie erwartet zeigten die durch niedrige Temperatur induzierte CmADC-Expression und die Sequenzanalyse, dass der CmADC-Promotor mindestens drei ABRE- und drei DRE-Motive enthielt. Die Autoren isolierten vier CmCBFs und fünf CmABFs, die als Reaktion auf Kältestress signifikant induziert wurden. CmABF1 und CmCBF4 wurden als TF-Kandidaten ausgewählt, die in vitro und in planta direkt an Promotorfragmente von CmADC binden könnten, um dessen Transkription zu fördern. Virus-induzierte Gen-Silencing (VIGS)-Assays zeigten ferner, dass CmABF1 und CmCBF4 eine positive Rolle bei der Kältetoleranz von Melonensämlingen spielten, indem sie die Put-Synthese förderten. Diese Arbeit wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Gartenbauforschung.

„Unsere Studie liefert neue Beweise dafür, dass die ABA- und CBF-Wege bei der Kältereaktion nicht völlig unabhängig sind und dass CmADC an der Kreuzung dieser Wege liegt“, sagten die Forscher.

Bereitgestellt von der Nanjing Agricultural University The Academy of Science