The role of the plastidic antioxidant system during short term cold priming

Abstract

Reactive oxygen species (ROS) are produced as natural by-products of aerobic metabolism. The production is strongly increased by stress. They can cause damage to DNA, protein and lipids and are important signalling molecules in stress regulation and plant development. The toxic nature of ROS demands for mechanisms for detoxification. All cellular compartments are protected by a variety of antioxidant enzymes. In plants, a high proportion of ROS is produced in chloroplasts. Superoxide dismutases, ascorbate peroxidases, glutathione peroxidases and peroxiredoxins antagonize ROS levels in chloroplasts, prevent oxidative damage and restrict ROS based chloroplast-to- nucleus signalling. Experimental evidence for priming of chloroplast-to- nucleus ROS signalling by a short (24 h) 4 °C stimulus in Arabidopsis thaliana was found for the first time. In naïve plants, plastidic ROS marker (ZAT10 and BAP1) were strongly induced. A short cold pre-treatment (priming), five days prior to the chilling trigger, abolished accumulation of ZAT10 and BAP1. The influence of the plastidic antioxidant system on ROS signalling was analysed in response to short term cold priming. The priming effect on ZAT10 and BAP1 depends on a slow, but long lasting induction of the thylakoid bound ascorbate peroxidase (tAPX) initiated by the priming stimulus. Regulation of tAPX took place on the level of promotor activity and was maintained on transcript abundance and protein level. A causal relationship between the presence of tAPX and the priming effect on the plastidic ROS marker was confirmed in a tAPX knockout line. Furthermore, it was shown that the priming effect of ZAT10 and BAP1 is trigger specific. Experiments with excess light as trigger instead of cold, showed no priming specific response of the two plastidic ROS marker genes for a cold/excess light combination, as was shown for cold/cold treatments. Primability of ZAT10 was not only observed in Col-0, but additionally in two accessions from colder climate, namely Ms-0 and Kas-1. A representative of a warm habitat (Cvi-0) was not cold primable, showing that primability was lost during adaptation to this habitats. Further analysis demonstrated that priming is developmentally regulated. Young plants are not able to establish priming and the capacity for priming decreases in old plants.

Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) werden als natürliches Nebenprodukt des aeroben Stoffwechsels gebildet. Ihre Produktion wird unter Stress stark erhöht. Sie können DNA, Proteine und Lipide schädigen und sind wichtige Signalmoleküle in der Stressregulation und pflanzlichen Entwicklung. Aufgrund der toxischen Wirkung von ROS sind Mechanismen für ihre Entgiftung unerlässlich. Alle zellulären Kompartimente sind durch eine Vielzahl an antioxidativen Enzymen geschützt. In Pflanzen wird ein großer Teil an ROS in Chloroplasten gebildet. Superoxiddismutasen, Ascorbateperoxidasen, Glutathionperoxidasen und Peroxiredoxine wirken ROS entgegen, verhindern oxidativen Schaden und schränken die ROS-basierte Weiterleitung von Signalen zwischen dem Chloroplasten und dem Zellkern ein. Es wurden erstmals experimentelle Belege für Priming der ROS-basierten Weiterleitung von Signalen aus dem Chloroplasten zum Zellkern nach kurzen (24 Std) 4 °C-Stimuli in Arabidopsis thaliana gefunden. In unbehandelten Pflanzen wurden die plastidär gesteuerten ROS-Markergene ZAT10 und BAP1 stark induziert. Eine kurze Kältebehandlung (Priming) fünf Tage vor dem Kältetrigger verhindert die Induktion von ZAT10 und BAP1. Der Einfluss des plastidären antioxidativen Schutzsystems auf die ROS-Signalweiterleitung wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Primingeffekt auf ZAT10 und BAP1 von einer langsamen, langanhaltenden Induktion der thylakoidmembran gebundenen Ascorbateperoxidase (tAPX) abhängt, welcher vom Primingstimulus ausgelöst wurde. Die Induktion der tAPX wurde durch eine erhöhte Promotoraktivität ausgelöst. Diese wirkte sich über die Transkript- auf die Proteinebene aus. Ein kausaler Zusammenhang zwischen dem Primingeffekt auf ZAT10 und BAP1 konnte durch den Einsatz von tAPX Knockoutpflanzen bestätigt werden. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass der Primingeffekt auf die beiden ROS-Markergene triggerspezifisch ist. Experimente mit erhöhten Lichtbedingungen als Trigger zeigten keinen Primingeffekt auf die ROS-abhängige Signalweiterleitung, der für Kälte/Kälte- Behandlungen gezeigt werden konnte. Die Primbarkeit von ZAT10 konnte nicht nur in Col-0 festgestellt, sondern auch in zwei Akzessionen aus Regionen mit kälterem Klima nachgewiesen werden (Ms-0 und Kas-1). Eine Akzession aus einem warmen Lebensraum (Cvi-0) war im Vergleich nicht primbar. Dies zeigt, dass die Primbarkeit während der Adaptation an dieses Habitat verloren ging. Zudem zeigten weitere Analysen, dass Priming entwicklungsabhängig reguliert wird. Junge Pflanzen konnten nicht geprimt werden, in alten Pflanzen war die Primbarkeit stark reduziert.