Cold acclimation improves freezing tolerance in plants. In higher plants, many advances have been made toward identifying the signaling and regulatory pathways that direct the low-temperature stress response; however, similar insights have not yet been gained for simple nonvascular plants, such as bryophytes. To elucidate the pathways that regulate cold acclimation in bryophytes, we used two PCR-based differential screening techniques, cDNA amplified fragment length polymorphism (cDNA-AFLP) and suppression subtractive hybridization (SSH), to isolate 510 ESTs that are differentially expressed during cold acclimation in Physcomitrella patens. We used realtime RT-PCR to further analyze expression of 29 of these transcripts during cold acclimation. Our results show that cold acclimation in the bryophyte Physcomitrella patens is not only largely similar to higher plants but also displays distinct differences, suggests significant alteration during the evolution of land plants.
The purpose of this study was to investigate the acclimation responses of Tamarix chinensis to cold stress. We evaluated the acclimation responses by measuring biomass, daily elongation rate, chlorophyll content, and total soluble carbohydrate content. The plant samples comprised leaves from seedlings of 2 different ages (8 and 12 weeks); the leaves were collected 0, 2, and 4 weeks after cold treatment. We found that the cold-treated samples showed reduced daily elongation rates and chlorophyll content. Further, these samples showed more than 8-fold increase in the total soluble carbohydrate content. However, the seedling ages did not have a significant influence on the growth of cold-treated seedlings. On the basis of these findings, we can conclude that T. chinensis seedlings aged less than 1 year old show acclimation to cold stress by accumulating soluble carbohydrates. This study may help us understand how T. chinensis seedlings acclimatize to their first cold season.
P. glehnii, an evergreen conifer found in northern areas, is known as a cold-resistant species. In this experiment, we measured the water content, PSⅡ efficiency, chlorophyll fluorescence, pigments of the xanthophyll-cycle and activity of enzymes of the ascorbate-glutathione cycle during cold acclimation and at subsequent low-temperature conditions to examine the importance of acclimation to cold tolerance. P. glehnii showed a decrease in PSⅡ efficiency (especially in Fv) during cold acclimation and at subsequent low temperatures. However, cold-acclimated needles showed higher PSⅡ efficiency at low temperatures than nonacclimated needles. In addition, 0-YON (first-year needles) showed an increase in $\beta$-carotene and lutein, while 1-YON (one-year-old needles) immediately developed an antioxidant mechanism in the ascorbate-gluthathione cycle as soon as they were exposed to low temperature and both 0-YON and 1-YON showed increased zeaxanthin and de-epoxidation ratios at continuous low temperature. Based on our results, we suggest that P. glehnii maintain PSⅡ efficiency at low temperature by effectively protecting the photosynthetic apparatus from photo-damage by rapid induction of an antioxidant mechanism in 1-YON and dissipation of excess energy by $\beta$-carotene and lutein in 0-YON.
Li-Hong Ma;Lin Tian;Yu-Qing Wang;Cong-Ying Xie;Guo-Ying Du
ALGAE
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제39권1호
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pp.17-30
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2024
Red macroalga Pyropia yezoensis is a high valuable cultivated marine crop. Its acclimation to cold stress is especially important for long cultivation period across winter in coasts of warm temperate zone in East Asia. In this study, the response of P. yezoensis thalli to low temperature was analyzed on physiology and transcriptome level, to explore its acclimation mechanism to cold stress. The results showed that the practical photosynthesis activity (indicated by ΦPSII and qP) was depressed and pigment allophycocyanin content was decreased during the cold stress of 48 h. However, the Fv/Fm and non-photochemical quenching increased significantly after 24 h, and the average growth rate of thalli also rebounded from 24 to 48 h, indicating a certain extent of acclimation to cold stress. On transcriptionally, the low temperature promoted the expression of differentially expressed genes (DEGs) related to carbohydrate metabolism and energy metabolism, while genes related to photosynthetic system were depressed. The increased expression of DEGs involved in ribosomal biogenesis and lipid metabolism which could accelerate protein synthesis and enhance the degree of fatty acid unsaturation, might help P. yezoensis thallus cells to cope with cold stress. Further co-expression network analysis revealed differential expression trends along with stress time, and corresponding hub genes play important roles in the systemic acquired acclimation to cold stress. This study provides basic mechanisms of P. yezoensis acclimation to cold temperature and may aid in exploration of functional genes for genetic breeding of economic macroalgae.
Trinexapac-ethyl[ 4-(cyclopropyl- $\alpha$ -hydroxy-methylene)-3,5-dioxocyclohexane carboxylic acid ethylester] is a growth-retardant for plants by inhibiting a key step in biosynthesis of GA. A treatment of trinexapacethyl generally induces a reduction in vegetative growth and also inhibits heading. In addition, the trinexapacethyl was known to enhance the freeze-tolerance in annual bluegrass, however, the mechanism is not known yet. One possible reason for the enhanced freeze-tolerance may be the antifreeze protein known to be accumulated in intercellular space of the leaf during cold acclimation. In order to see the possible in-duction of the synthesis of antifreeze proteins by trinexacpacethyl, the apoplastic proteins extracted from Kentucky bluegrass treated with trinexapacethyl were analyzed by SDS-PAGE and the presence of the antifreeze protein was observed. In addition, western analysis showed the identity of the protein induced by both a cold acclimation and a trinexapacethyl treatment. It appears that an enhanced freeze-tolerance of the turf grass by trinexapacethyl is due to the synthesis and/or accumulation of the antifreeze protein similar to the enhanced freeze tolerance induced by cold acclimation.
Freezing-resistant plants can survive subzero temperatures by withstanding extracellular ice formation. During cold acclimation, their leaves accumulate antifreeze proteins (AFPs) that are secreted into the apoplast and have the ability to modify the normal growth of ice crystals. Three barley, two wheat and two rye cultivars were grown under two different temperature regimes (20/16$^{\circ}C$ and 5/2$^{\circ}C$, day/night). Apoplastic proteins from winter cereals were separated by SDS-PAGE and detected with antisera to AFPs from winter rye. Apoplastic proteins accumulated to much higher levels in cold-acclimated (CA) leaves compared with nonacclimated (NA) ones in winter cereals. After cold acclimation, the protein concentration of apoplastic extracts increased significantly from 0.088 $mgmL^{-1}$ to 0.448 $mgmL^{-1}$, with about 5-fold increment. Also, the apoplastic protein content per gram leaf fresh weight in CA leaves ranged from 31 $\mu\textrm{g}$$(gFW)^{-1}$ to 120 $\mu\textrm{g}$$(gFW)^{-1}$ with an averaged value of 77 $\mu\textrm{g}$$(gFW)^{-1}$, and coefficients of variation of 54.9%. The CA leaves in Musketeer (a Canadian winter rye cultivar) showed the greatest AFPs and antifreeze activity followed by 'Geurumil' (a Korean winter wheat cultivar), and 'Dongbori l' (Korean facultative barley cultivar). The proteins secreted into the wheat leaf apoplast at CA condition were more numerous than those observed in winter rye, where two $\beta$-1,3-glucanase-like proteins (GLPs), two chitinase-like proteins (CLPs) and two thaumatin-like proteins (TLPs) accumulated during cold acclimation. The proteins in barley leaf apoplast at CA conditions were a little different from those in wheat leaves. The AFPs were various among and within species. More freezing-resistant cultivars had more clear and numerous bands than less freezing-resistant ones. The high determination coefficient ($R^2$ =91 %) between freezing resistance and AFPs per gram leaf fresh weight indicated that the amount of AFPs was highly related to freezing resistance in winter cereal crops.
In relations to cold acclimation, experiment was carried out to understand the seasonal changes in reserve substances of the mulberry. The shoot barks and leaves of three mulberry varieties(Kaeryangppong, Shinilppong and Yongcheonppong) were sampled, after that their reserve substances were analyzed. The cold hardiness of mulberry was investigated by DTA(Differential Thermal Analysis) method. To increase cold hardiness, gibberellin(100 ppm), kinetin(100 ppm) and Jambi 8 were sprayed on the mulberry leaves. After spraying, falling of the leaves of Yongcheonppong occured earier than the other varities. After the first frost, all of treatments except gibberellin were entirely fallen. Growth regulator extended the leaves fallen. After spraying, water of the shoot barks was not showed difference in the content among the treatments, but amino acid, carbohydrate and soluble protein increased from September to October. Starch content of the shoot barks and leaves was maximum in October, but thereafter decreased during wintering stage. In Shinilppong, Jambi 8 spray increased cold hardiness by 1-2$^{\circ}C$ more than no spray. It was concluded that the cold hardiness of the mulberry in midwinter is closely related to the reserve substances with spraying Jambi 8 on the mulberry leaves.
내한성이 약한 유채(B. napus)와 내한성이 강한 산동채(B. campestris)를 공시하여 발아초기단계에서의 장기저온순화처리가 peroxidase와 superoxide dismutase 활성도 및 동위효소 pattern에 미치는 영향을 분석하여 작물 내한성 기작을 생화학적으로 구명함과 아울러 내한성 관련 genetic marker를 탐색하고자 본 연구를 수행하였다. 장기저온순화시킨 유묘를 저온처리후 24시간 회복시켰을 경우, peroxidase 활성도는 유채와 산동채의 뿌리부위에서 각각 157%와 50%, 배축부위에서는 201%와 250% 정도 크게 증가하였고, superoxide dismutase 역시 배축 및 뿌리부위에서 크게 활성화가 일어남을 관찰할 수 있었다. 또한 배축부위에서의 단백질 함량도 유채는 약 11.4%, 산동채는 57.4% 증가하였다. 장기저온순화처리로 새로 생합성된 peroxidase 동위 효소들중 특히 5번 band(pl 6.4)는 유채와 산동채의 뿌리부위에서 모두 출현될 뿐만 아니라 내한성이 강한 산동채의 배축부위에서도 강하게 출현되어 내한성 관련 genetic marker로써의 이용 가능성을 높여 주었다. 이상의 결과와 전보의 결과들을 종합적으로 고찰하여 저온 shock에 따른 분자산소의 생화학적 상호전환 모델을 제시하여 작물 내한성 기작을 생화학적으로 추론하였다.
In relation to cold acclimation, this experiment was carried out to understand the changes of the cortical cells in the living barks of the mulberry during wintering period. The living barks of three mulberry varieties(Kaeryangppong, Shinilppong and Yongcheonppong) were sampled from December, 1995 to March, 1996. The result of this experiment was summarized as follows. The cortical cells in the living barks of the mulberry in December were filled with small vacuoles. Plastids and mitochondrias were located near the nucleus. At this time, almost all starch granules disappeared from the plastids. In January and February, mitochondria, palstids and microbodys of the cortical cell were observed. As increasing temperature from March, dictysomes and polysomes were sparse. Again, starch granules disappeared were observed in the plastids. From the above result. starch granules in plastide of the cortical cell of the mulberry disappeared during cold acclimation stage. After late January, Proplastid was observed in the cortical cell and the ultrastructures of cortical cell were actively changed.
120 mice of both sexes weighing from 18 to 22 g. were used. These mice were divided nito 12 groups : control (non-restraint and restraint) , acclinmation (non-restraint and restraint , acclimation for 5 and 10 days) , adrenalectomized (non-restraint and restraint0 and acclimation-adrenalectomized (non-restraint and restraint, acclimation for 5 and 10 days) groups. The rectal temperature of each group were measured at 10, 30 and 50 min under environment of $0^{\circ}C$.Measurements were done with a microphrometer of B.T.-32 thermocorpules. The results obtained may be summarized as follows : 1) The rectal temperature in normal mice without restraint was higher than that of normal mice with restraint under environment of $0^{\circ}C$. 2) The rectal temperature in normal mice was higher than that of adrenalectomized mice at 20$^{\circ}$ C. But the rectal temperature in adrenalectomized mice without restraint was higher than that of adrenalectomized mice with restraint under cold-stress. This difference was in the order of 1.65$^{\circ}$ under environment of 20$^{\circ}$ and 10 $^{\circ}$ at 50 min under environment of 0$^{\circ}$. 3) The rectal temperature of normal mice with restraint was less than that of adrenalectomized mice (non-restraint) under cold-stress. 4) The rectal temperature of normal and adrenalectomized mice that acclimated under cold stress ($0^{\circ}C$) for 5 and 10 days was usually higher than that of normal and adrenalectomized mice of non-acclimation under environment of $0^{\circ}C$. 5) The tolerance in mice under cold-stress was increased on the acclimtion of cold.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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