Cold signal into nucleus - A lesson from CBF4 and Kinesin 14
Creators: name: Shi, Wenjing
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Cold stress
grapevine
CBF4
minus-end Kinesin

description: Kältestress, einschließlich Abkühlung (0-20℃) und Frost (0℃), wirkt sich nachteilig auf den Pflanzenstoffwechsel und das Transkriptom aus. Die Pflanze erwirbt jedoch eine erhöhte Kältetoleranz durch eine frühere Exposition gegenüber leichtem Kältestress, der eine angemessene Kältereaktion in der Pflanzenzelle auslöst, aber keine irreversiblen Schäden verursacht. Die Kälteakklimatisierung ist von besonderer Bedeutung für die Toleranz gegenüber Spätfrösten im Frühjahr, da diese als Folge der verschwommenen Saisonalität im Kontext des globalen Klimawandels immer häufiger auftreten. C-Repeat-Bindungsfaktoren (CBFs) sind entscheidende Transkriptionsaktivatoren bei der Reaktion von Pflanzen auf niedrige Temperaturen. CBF4 unterscheidet sich durch eine langsamere, aber beständigere Regulation und seine Rolle bei der Kälteakklimatisierung. In der aktuellen Studie untersuchen wir die Funktionen des CBF4 der Weinrebe, VvCBF4. Die Überexpression von VvCBF4, das mit GFP fusioniert ist, in BY-2-Tabakzellen verleiht Kältetoleranz. Darüber hinaus wandert dieses Protein als Reaktion auf Kältestress vom Zytoplasma in den Zellkern, was mit der Anhäufung von Transkripten für andere CBFs und das auf Kälte reagierende (COR) Gen ERD10d einhergeht. Diese Reaktion ist bei Kälte anders als bei Frost und wird durch vorgelagerte Signale wie oxidativen Burst, Proteasom-Aktivität und Jasmonat-Synthese unterschiedlich reguliert. Dieser Unterschied zwischen Kühlen und Gefrieren zeigt sich auch in der Regulierung der CBF4- und ERD10d-Transkripte in Blättern verschiedener Rebsorten, die sich in ihrer Kältetoleranz unterscheiden. Wir schlagen ein Modell vor, bei dem die Qualität des Kältestresses durch verschiedene vorgelagerte Signale vermittelt wird, die den Kernimport und damit die transkriptionelle Aktivierung von CBF4 bei Weinreben regulieren. Darüber hinaus wurde in früheren Arbeiten unseres Labors gezeigt, dass sich ein Minus-End-gesteuertes Klasse-XIV-Kinesin aus Reis OsDLK (Dual localization kinesin) von den kortikalen Mikrotubuli in den Zellkern bewegt und zwar spezifisch bei Kältestress. Die Überexpression von OsDLK-GFP führte zu einer unterdrückten Expression der tabakspezifischen Homologen von CBF4, Avr9/Cf9, was auf eine mögliche Verbindung zwischen DLK und CBF4 bei der Kältesignalisierung hindeutet (Xu et al., 2022). Um die molekulare Funktion von DLK bei der Kältereaktion zu verstehen, überexprimierten wir ein DLK aus der Weinrebe (VvDLK), die am N-Terminus mit GFP fusioniert war, in BY-2-Tabakzellen. In unserer Studie wurden zwei Subpopulationen beobachtet. Bei der einen erscheint das GFP-Signal im Zellkern (D-N) mit hohen DLK mRNA-Spiegel. Die andere ist, dass VvDLK nicht nur im Zellkern lokalisiert ist, sondern auch Mikrotubuli dekoriert (D-M) und eine mysteriöse schwere Bande (90kD) aufweist, die fest an Mikrotubuli bindet. Angesichts der differenten Zellsterblichkeit der beiden Subpopulationen als Reaktion auf Kälte und Gefrieren wird D-N als kälteresistenter Phänotyp angesehen, während D-M kälteempfindlich ist. Um diesen Unterschied zu erklären, fanden wir Transkriptunterschiede von Avr9/Cf9, COR-Genen, die möglicherweise eine Rolle bei der Kältetoleranz spielen und den Unterschied zwischen den beiden Populationen bei der Reaktion auf Froststress erklären. Dieser Unterschied von VvDLK zwischen Kühlen und Gefrieren ist auch in Blättern verschiedener Rebsorten zu beobachten, die sich in ihrer Kältetoleranz unterscheiden, was auf einen positiven Zusammenhang zwischen VvDLK und Kältetoleranz hinweist, der mit der CBF4-Aktivität zusammenhängen könnte.