Cold signal into nucleus - A lesson from CBF4 and Kinesin 14

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. ... mehrC-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.

Cold stress including chilling (0-20℃) and freezing (0℃) adversely affects plant metabolism and transcriptomes. However, plant acquires increased cold tolerance by perior exposure to mildly chilling stress, which adequately trigger cold response in plant cell but don’t cause irreversible injury. cold acclimation is of accentuated relevance for the tolerance to late spring frosts as they become progressively common as consequence of blurred seasonality in the context of global climate change. C-repeat binding factors (CBFs) are crucial transcriptional activators in plant responses to low temperature. ... mehrCBF4 differs by a slower, but more persistent regulation and its role in cold acclimation.
In the current study, we explore the functions of CBF4 from grapevine, VvCBF4. Overexpression of VvCBF4 fused to GFP in tobacco BY-2 cells confers cold tolerance. Furthermore, this protein shuttles from the cytoplasm to the nucleus in response to cold stress, associated with accumulation of transcripts for other CBFs and the cold responsive (COR) gene ERD10d. This response differs for chilling as compared to freezing and is regulated differently by upstream signalling involving oxidative burst, proteasome activity and jasmonate synthesis. This difference between chilling and freezing is also seen in the regulation of CBF4 and ERD10d transcripts in leaves from different grapevines differing in their cold tolerance. We propose a model, where the quality of cold stress is transduced by different upstream signals regulating nuclear import and, thus, transcriptional activation of grapevine CBF4.
Moreover, perior work in host lab discovered a rice minus-end-directed class-XIV kinesin OsDLK (Dual localization kinesin) moves from cortical microtubules into the nucleus and specifically in presence of cold stress. Overexpressing OsDLK-GFP harbored a suppressed expression of the tobacco homologues of CBF4, Avr9/Cf9, suggesting a possible link between DLK and CBF4 in cold signalling (Xu et al., 2022). To understand the molecular function of DLK in cold response, we cloned and transformed overexpression of DLK from grapevine (VvDLK) fused GFP at N-terminus into tobacco BY-2 cells. There are two subpopulations observed in our study. One is GFP signal appears in nucleus (D-N) with extremely high DLK mRNA levels. The other one is VvDLK not only localizes in the nucleus but also decorates microtubles (D-M), haboring a mysterious heavy band (90kD) tightly binding to microtubules. Besides, given by the cell mortality of two subpopulations in response to chilling and freezing, D-N is considered as cold-resistent phenotype, whereas D-M is cold- susceptible. To explain this difference, we found transcript differences of Avr9/Cf9, COR genes may play a role in cold tolerance and attribute to the difference of two populations in response to freezing stress. This difference of VvDLK between chilling and freezing is also seen in leaves from different grapevines differing in their cold tolerance, indicating a positive association between VvDLK and cold tolerance, which may link with CBF4 activity.