Molekularne mechanizmy reakcji kukurydzy na chłód ostry (<10 °C)

Kukurydza jest wysokowydajną rośliną o rosnącym znaczeniu jako roślina modelowa typu C4. Kukurydza wyewoluowała w klimacie subtropikalnym, a jej uprawa w klimacie umiarkowanym jest ograniczona przez jej chłodowrażliwość. Pomimo intensywnie prowadzonych badań, zarówno fizjologicznych jak i molekularnych, przyczyny wrażliwości kukurydzy na chłód pozostają nieznane. Niniejsza praca dotyczyła molekularnego mechanizmu wczesnych reakcji kukurydzy na chłód. Weryfikowano hipotezę, że chłód ostry wpływa na ekspresję genów bezpośrednio, a także przez zaburzenia cyklu dobowego. W referowanych tu doświadczeniach, za pomocą techniki mikromacierzy, porównano dobowy wzór ekspresji genów chłodowrażliwej linii kukurydzy w chłodzie ostrym (<10 °C) i w warunkach kontrolnych. Sondy z mikromacierzy opisano zgodnie z najnowszymi danymi z projektu sekwencjonowania genomu kukurydzy. Analiza statystyczna pozwoliła wydzielić grupy genów o ekspresji zmienionej bezpośrednio przez chłód oraz o zaburzonym dobowym wzorze ekspresji, co może być skutkiem zaburzeń ekspresji genów zegara. Analiza funkcjonalna obejmowała nadreprezentację kategorii Gene Ontology i domen białkowych, a także potencjalne zmiany w szlakach metabolicznych. Otrzymane wyniki porównano z wynikami eksperymentów mikromacierzowych, badających wpływ chłodu umiarkowanego (~14 °C) i infekcji patogenem grzybowym na ekspresję genów kukurydzy. W tym celu przeprowadzono metaanalizę, do której włączono dane z publicznych baz danych. W stresie chłodu zaburzeniu uległa transkrypcja genów zegara biologicznego oraz genów związanych z metabolizmem węgla, w tym fotosyntetycznych. Pewne zmiany transkryptomu mogły mieć charakter aklimatyzacji, w szczególności zwiększona ekspresja genów związanych z dostosowaniem osmotycznym, przeciwutleniaczami, flawonoidami, fenylopropanoidami i składnikami ściany komórkowej. Chłód wpływał również na ekspresję elementów przekaźnictwa sygnału wewnątrz komórki, w tym ścieżki specyficznej dla stresu. Metaanaliza danych z kilku projektow mikromacierzowych – odnoszących się do działania stresu biotycznego i abiotycznego – pozwoliła określić specyficzne dla chłodu ostrego reakcje transkryptomu kukurydzy. Reakcje te obejmowały indukcję ekspresji genów związanych z syntezą nośników energii i substratów innych syntez; lipidów (błony, szlak transdukcji sygnału); stachiozy (osmoregulacja) a także z metabolizmem trehalozy (sygnalizacja stanu energetycznego komórki) oraz z degradacją glutaminianu i kwasu abscysynowego. Wymienione procesy mogą być istotne dla wrażliwości kukurydzy na chłód i są warte zbadania na poziomie proteomicznym.