Изучение молекулярных механизмов устойчивости винограда (Vitis vinifera L.) к низкотемпературному стрессу

Абиотические стрессоры являются основными факторами, ограничивающими расширение территории виноградных насаждений. Промышленное виноградарство сконцентрировано на юге России и лимитируется климатическими факторами, которые не позволяют масштабно вести производство в других регионах страны.

В данном обзоре рассмотрены молекулярные механизмы резистентности к низкотемпературному стрессу, а также обсуждается роль основных генов, оказывающих влияние на способность выживать и акклиматизироваться во время критического понижения температуры.

Одним из наиболее изученных путей ответа на холодовой стресс является взаимодействие генов каскада ICE, CBF, COR, однако для более точного понимания требуются дополнительные исследования генов, ответственных за устойчивость к абиотическим факторам среды непосредственно у винограда. На основании анализа факторов транскрипции и связанных с ними генов ответа на низкотемпературный стресс у разных видов растений (арабидопсис, чай, апельсин, голубика и виноград) было идентифицировано четыре основных регулона: 1) CBF/DREB; 2) NAC/ZF-HD; 3) AREB/ABF; 4) MYC/MYB. Функции транскрипционных факторов и родственных им генов изучены у различных видов (арабидопсис, чай, апельсин, черника, виноград). Исследования продемонстрировали функцию гена HOS1, который негативно регулирует работу ICE1 (ключевого гена резистентности). В обзоре рассмотрены ключевые гены кандидаты, включающие защитные механизмы растений в ответ на понижение температуры у однолетних растений: ICE1, HOS1, SIZ1, MPK3, MPK6, семейства генов CBF, COR, RD29A, LTI78, ERD, LEA,  DREB1, ADREB1B, WRKY10, а также у многолетних культур: ICE1, CBF1, HSP70, SUS1, GST, DHN1, BMY5, BHLH102, GR-RBP3, ICE1, GOLS1, GOLS3; CBF; COR27, RD29B, NCED1, ERF105, ZAT10, SAP15, WRKY3, LEA.

До недавнего времени, для винограда ведущим методом получения холодоустойчивых сортов являлась межвидовая гибридизация. Основной донор устойчивости - Vitis amurensis Rupr. В последнее время активно развиваются исследования, направленные на разработку генетических основ устойчивости винограда к низким температурам. Так, проведенный сравнительный анализ транскриптомов двух контрастных по этому признаку видов: V. аmurensis, устойчивого к низким температурам, и V. vinifera L. с низкой холодостойкостью, позволил выявить три дополнительных гена кандидата с повышенной экспрессией в ответ на воздействие низких температур – CBF3, ERF105 и ZAT10. Вместе с тем, для практического применения методов современной ускоренной селекции, необходимо выявить дополнительные ключевые гены, ответственные за устойчивость к низкотемпературному стрессу. В качестве генов-кандидатов выбраны компоненты из каскада последовательно экспрессирующихся генов ICE – CBF – COR (ICE1, ICE2, CBF1, CBF2, CBF3, HOS1).

1. An J.-P., Li R., Qu F.-J., You C.-X., Wang X.-F., Hao Y.-J. R2R3-MYB transcription factor MdMYB23 is involved in the cold tolerance and proanthocyanidin accumulation in apple. The Plant Journal. 2018;96:562-577. DOI: 10.1111/tpj.14050

2. Чистяков П.Н., Новикова Л.Ю. Оценка климатических потребностей винограда на ЕТР с использованием ГИС-технологий. Виноградарство и виноделие. 2020;49:201-203.

3. Давитая Ф.Ф. Климатические зоны винограда в СССР. 2-е изд. Москва: Пищепромиздат; 1948.

4. Dong C.H., Agarwal M., Zhang Y., Xie Q., Zhu J.K. The negative regulator of plant cold responses, HOS1, is a RING E3 ligase that mediates the ubiquitination and degradation of ICE1. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2006;103(21):8281-8286. DOI: 10.1073/pnas.0602874103

5. Дрягин В. Б., Николенко А. А. Состояние виноградарства Российской Федерации. Магарач. Виноградарство и виноделие. 2017;1:28-30.

6. FAOSTAT. The Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations. Available from: URL: https://www.fao.org/faostat/en/#data/QCL/visualize [accessed Oct. 20, 2023].

7. Giacomelli L., Zeilmaker T., Scintilla S., Salvagnin U., van der Voort J.R., Moser C. Vitis vinifera plants edited in DMR6 genes show improved resistance to downy mildew. bioRxiv. The Preprint Server for Biology. 2022. DOI: 10.1101/2022.04.19.488768

8. Guo J., Ren Y., Tang Z., Shi W., Zhou M. Characterization and expression profiling of the ICE-CBF-COR genes in wheat. PeerJ. Life and Environment. 2019;7:e8190. DOI: 10.7717/peerj.8190

9. Guo R., Qiao H., Zhao J., Wang X., Tu M., Guo C., Wan R., Li Z., Wang X. The grape VlWRKY3 gene promotes abiotic and biotic stress tolerance in transgenic Arabidopsis thaliana. Frontiers in Plant Science. 2018;9:545. DOI: 10.3389/fpls.2018.00545

10. Guo X., Liu D., Chong K. Cold signaling in plants: insights into mechanisms and regulation. Journal of Integrative Plant Biology. 2018;60(9):745-756. DOI: 10.1111/jipb.12706

11. Haake V., Cook D., Riechmann J., Pineda O., Thomashow M.F., Zhang J.Z. Transcription factor CBF4 is a regulator of drought adaptation in Arabidopsis. Plant Physiology. 2002;130(2):639-648. DOI: 10.1104/pp.006478

12. He Z., Zhao T., Yin Z., Liu J., Cheng Y., Xu J. The phytochrome-interacting transcription factor CsPIF8 contributes to cold tolerance in citrus by regulating superoxide dismutase expression. Plant Science. 2020;298:110584. DOI: 10.1016/j.plantsci.2020.110584

13. Henriksson K.N., Trewavas A.J. The effect of short-term low-temperature treatments on gene expression in Arabidopsis correlates with changes in intracellular Ca2+ levels. Plant, Cell & Environment. 2003;26(4):485-496. DOI: 10.1046/j.1365-3040.2003.00979.x

14. Hewer M.J., Brunette M. Climate change impact assessment on grape and wine for Ontario, Canada’s appellations of origin. Regional Environmental Change. 2020;20(3):86. DOI: 10.1007/s10113-020-01673-y

15. Huang G.T., Ma S.L., Bai L.P., Zhang L., Ma H., Jia P., Liu J., Zhong M., Guo Z.F. Signal transduction during cold, salt, and drought stresses in plants. Molecular Biology Reports. 2012;39(2):969-987. DOI: 10.1007/s11033-011-0823-1

16. Huang X.S., Wang W., Zhang Q., Liu J.H. A basic helix-loop-helix transcription factor, PtrbHLH, of Poncirus trifoliata confers cold tolerance and modulates peroxidase-mediated scavenging of hydrogen peroxide. Plant Physiology. 2013;162(2):1178-1194. DOI: 10.1104/pp.112.210740

17. Hundertmark M., Hincha D.K. LEA (Late Embryogenesis Abundant) proteins and their encoding genes in Arabidopsis thaliana. BMC Genomics. 2008;9:118. DOI: 10.1186/1471-2164-9-118

18. Hwarari D., Guan Y., Ahmad B., Movahedi A., Min T., Hao Z., Lu Y., Chen J., Yang L. ICE-CBF-COR signaling cascade and its regulation in plants responding to cold stress. International Journal of Molecular Sciences. 2022;23(3):1549. DOI: 10.3390/ijms23031549

19. Ibrahime M., Kibar U., Kazan K., Özmen C.Y., Mutaf F., Aşçı S.D., Aydemir B.Ç., Ergül A. Genome-wide identification of the LEA protein gene family in grapevine (Vitis vinifera L.). Tree Genetics & Genomes. 2019;15:1-14. DOI: 10.1007/s11295-019-1364-3

20. Ito Y., Katsura K., Maruyama K., Taji T., Kobayashi M., Seki M., Shinozaki K., Yamaguchi-Shinozaki K. Functional analysis of rice DREB1/CBF-type transcription factors involved in cold-responsive gene expression in transgenic rice. Plant and Cell Physiology. 2006;47(1):141-153. DOI: 10.1093/pcp/pci230

21. Jia H., Zhang S., Ruan M., Wang Y., Wang C. Analysis and application of RD29 genes in abiotic stress response. Acta Physiologiae Plantarum. 2012;34:1239-1250. DOI: 10.1007/s11738-012-0969-z

22. Jones G.V., Reid R., Vilks A. Climate, grapes, and wine: structure and suitability in a variable and changing climate. In: P.H. Dougherty (ed.). The Geography of Wine: Regions, Terroir and Techniques. Dordrecht: Springer; 2012. p.109-133. DOI: 10.1007/978-94-007-0464-0_7

23. Ju Y.L., Min Z., Yue X.F., Zhang Y.L., Zhang J. X., Zhang Z.Q., Fang Y.L. Overexpression of grapevine VvNAC08 enhances drought tolerance in transgenic Arabidopsis. Plant Physiology and Biochemistry. 2020a;151:214-222. DOI: 10.1016/j.plaphy.2020.03.028

24. Ju Y.L., Yue X.F., Min Z., Wang X.H., Fang Y.L., Zhang J.X. VvNAC17, a novel stress-responsive grapevine (Vitis vinifera L.) NAC transcription factor, increases sensitivity to abscisic acid and enhances salinity, freezing, and drought tolerance in transgenic Arabidopsis. Plant Physiology and Biochemistry. 2020b;146:98-111. DOI: 10.1016/j.plaphy.2019.11.002

25. Karimi M., Ebadi A., Mousavi S.A., Salami S.A., Zarei A. Comparison of CBF1, CBF2, CBF3 and CBF4 expression in some grapevine cultivars and species under cold stress. Scientia Horticulturae. 2015;197:521-526. DOI: 10.1016/j.scienta.2015.10.011

26. Kidokoro S., Kim J.S., Ishikawa T., Suzuki T., Shinozaki K., Yamaguchi-Shinozaki K. DREB1A/CBF3 is repressed by transgene-induced DNA methylation in the Arabidopsis ice1-1 mutant. The Plant Cell. 2020;32(4):1035-1048. DOI: 10.1105/tpc.19.00532

27. Кравченко Л.В. Генетические ресурсы винограда, их реакция на изменение условий среды. В кн.: Мобилизация и сохранение генетических ресурсов винограда, совершенствование методов селекционного процесса: материалы международной научно-практической конференции; 13-14 августа 2008 г.; Новочеркасск, Россия. Новочеркасск; 2008. С.3-10.

28. Kurbidaeva A., Ezhova T., Novokreshchenova M. Arabidopsis thaliana ICE2 gene: phylogeny, structural evolution and functional diversification from ICE1. Plant science. 2014;229:10-22. DOI: 10.1016/j.plantsci.2014.08.011

29. Le Hénanff G., Profizi C., Courteaux B., Rabenoelina F., Gérard C., Clément C., Baillieul F., Cordelier S., Dhondt-Cordelier S. Grapevine NAC1 transcription factor as a convergent node in developmental processes, abiotic stresses, and necrotrophic/biotrophic pathogen tolerance. Journal of Experimental Botany. 2013;64(16):4877-4893. DOI: 10.1093/jxb/ert277

30. Li H., Ding Y., Shi Y., Zhang X., Zhang S., Gong Z., Yang S. MPK3- and MPK6-mediated ICE1 phosphorylation negatively regulates ICE1 stability and freezing tolerance in Arabidopsis. Developmental cell. 2017;43(5):630-642. DOI: 10.1016/j.devcel.2017.09.025

31. Liu D., Li W., Cheng J., Hou L. Expression analysis and functional characterization of a cold-responsive gene COR15A from Arabidopsis thaliana. Acta Physiologiae Plantarum. 2014;36(9):2421-2432. DOI: 10.1007/s11738-014-1615-8

32. Медведев С.С. Физиология растений: учебник. Санкт-Петербург: БХВ-Петербург; 2012.

33. Miura K., Jin J.B., Lee J., Yoo C.Y., Stirm V., Miura T., Ashworth E.N., Bressan R.A., Yun D.J., Hasegawa P.M. SIZ1-mediated sumoylation of ICE1 controls CBF3/DREB1A expression and freezing tolerance in Arabidopsis. The Plant Cell. 2007;19(4):1403-1414. DOI: 10.1105/tpc.106.048397

34. Mizoi J., Shinozaki K., Yamaguchi-Shinozaki K. AP2/ERF family transcription factors in plant abiotic stress responses. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Gene Regulatory Mechanisms. 2012;1819(2):86-96. DOI: 10.1016/j.bbagrm.2011.08.004

35. Msanne J., Lin J., Stone J.M., Awada T. Characterization of abiotic stress-responsive Arabidopsis thaliana RD29A and RD29B genes and evaluation of transgenes. Planta. 2011;234(1):97-107. DOI: 10.1007/s00425-011-1387-y

36. Наумова Л.Г. Новикова Л.Ю. Разнообразие сортов винограда коллекции Всероссийского НИИВиВ им. Я.И. Потапенко по температурным потребностям. Плодоводство и виноградарство Юга России. 2015;36(6):86-99.

37. Негруль А.М., Гордеева Л.Н., Калмыкова Т.И. Ампелография с основами виноградарства. Москва: Высшая школа; 1979.

38. Новикова Л.Ю., Озерский П.В. Прогноз зоны возделывания винограда на европейской территории России в условиях изменения климата. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2022;26(3):264-271. DOI: 10.18699/VJGB-22-33

39. Novillo F., Medina J., Salinas J. Arabidopsis CBF1 and CBF3 have a different function than CBF2 in cold acclimation and define different gene classes in the CBF regulon. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2007;104(52):21002-7. DOI: 10.1073/pnas.0705639105

40. Olivares F., Loyola R., Olmedo B., de los Ángeles Miccono M., Aguirre C., Vergara R., Riquelme D., Madrid G., Plantat P., Mora R., Espinoza D., Prieto H. CRISPR/Cas9 targeted editing of genes associated with fungal susceptibility in Vitis vinifera L. cv. Thompson seedless using geminivirus-derived replicons. Frontiers in Plant Science. 2021;12:791030. DOI: 10.3389/fpls.2021.791030

41. Ren C., Liu X., Zhang Z., Wang Y., Duan W., Li S., Liang Z. CRISPR/Cas9-mediated efficient targeted mutagenesis in Chardonnay (Vitis vinifera L.). Scientific Reports. 2016;6(1):32289. DOI: 10.1038/srep32289

42. Росстат. Федеральная служба государственной статистики. URL: https://rosstat.gov.ru/storage/mediabank/pl_m_.xls [дата обращения: 20.10.2023].

43. Saibo N.J., Lourenço T., Oliveira M.M. Transcription factors and regulation of photosynthetic and related metabolism under environmental stresses. Annals of botany. 2009;103(4):609-623. DOI: 10.1093/aob/mcn227

44. Samarina L.S., Bobrovskikh A.V., Doroshkov A.V., Malyukova L.S., Matskiv A.O., Rakhmangulov R.S., Koninskaya N.G. Malyarovskaya V.I., Tong W., Xia E., Manakhova K.A., Ryndin A.V., Orlov Y.L. Comparative expression analysis of stress-inducible candidate genes in response to cold and drought in tea plant [Camellia sinensis (L.) Kuntze]. Frontiers in Genetics. 2020;11:611283. DOI: 10.3389/fgene.2020.611283

45. Shu X., Ding L., Gu B., Zhang H., Guan P., Zhang J. A stress associated protein from Chinese wild Vitis аmurensis, VaSAP15, enhances the cold tolerance of transgenic grapes. Scientia Horticulturae. 2021;285:110147. DOI: 10.1016/j.scienta.2021.110147

46. Soltész A., Smedley M., Vashegyi I., Galiba G., Harwood W., Vágújfalvi A. Transgenic barley lines prove the involvement of TaCBF14 and TaCBF15 in the cold acclimation process and in frost tolerance. Journal of Experimental Botany. 2013;64(7):1849-1862. DOI: 10.1093/jxb/ert050

47. Sun X., Zhao T., Gan S., Ren X., Fang L., Karungo S.K., Wang Y., Chen L., Li S., Xin H. Ethylene positively regulates cold tolerance in grapevine by modulating the expression of ETHYLENE RESPONSE FACTOR 057. Scientific reports. 2016;6(1):24066. DOI: 10.1038/srep24066

48. Sun X., Zhu Z., Zhang L., Fang L., Zhang J., Wang Q., Li S., Liang Z., Xin H. Overexpression of ethylene response factors VaERF080 and VaERF087 from Vitis amurensis enhances cold tolerance in Arabidopsis. Scientia Horticulturae. 2019;243:320-326. DOI: 10.1016/j.scienta.2018.08.055

49. Thomashow M.F., Gilmour S.J., Stockinger E.J., Jaglo-Ottosen K.R., Zarka D.G. Role of the Arabidopsis CBF transcriptional activators in cold acclimation. Physiologia Plantarum. 2001;112(2):171-175. DOI: 10.1034/j.1399-3054.2001. 1120204.x

50. Туманов И.И. Физиологические основы зимостойкости культурных растений. Москва; Ленинград: Сельхозиздат; 1940.

51. Walker M.A., Heinitz C., Riaz S., Uretsky J. Grape Taxonomy and Germplasm. In: D. Cantu, M.A. Walker (eds). The Grape Genome. Ser. Compendium of Plant Genomes (CPG). Springer, Cham; 2019. p.25-38. DOI: 10.1007/978-3-030-18601-2_2

52. Walworth A.E., Rowland L.J., Polashock J.J., Hancock J.F., Song G.Q. Overexpression of a blueberry-derived CBF gene enhances cold tolerance in a southern highbush blueberry cultivar. Molecular Breeding. 2012;30:1313-1323. DOI: 10.1007/s11032-012-9718-7

53. Wang C., Deng P., Chen L., Wang X., Ma H., Hu W., Yao N., Feng Y., Chai R., Yang G., He G. A wheat WRKY transcription factor TaWRKY10 confers tolerance to multiple abiotic stresses in transgenic tobacco. PLoS ONE. 2013;8(6):e65120. DOI: 10.1371/journal.pone.0065120

54. Wang D.Z., Jin Y.N., Ding X.H., Wang W.J., Zhai S.S., Bai L.P., Guo Z.F. Gene regulation and signal transduction in the ICE–CBF–COR signaling pathway during cold stress in plants. Biochemistry (Moscow). 2017;82:1103-1117. DOI: 10.1134/S0006297917100030

55. Wang H., Datla R., Georges F., Loewen M., Cutler A.J. Promoters from kin1 and cor6.6, two homologous Arabidopsis thaliana genes: transcriptional regulation and gene expression induced by low temperature, ABA, osmoticum and dehydration. Plant Molecular Biology. 1995;28:605-617. DOI: 10.1007/BF00021187

56. Wang Y., Hua J. A moderate decrease in temperature induces COR15a expression through the CBF signaling cascade and enhances freezing tolerance. The Plant Journal. 2009;60(2):340-349. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2009.03959.x

57. Wang Y., Jiang C.J., Li Y.Y., Wei C.L., Deng W.W. CsICE1 and CsCBF1: two transcription factors involved in cold responses in Camellia sinensis. Plant Cell Reports. 2012;31(1):27-34. DOI: 10.1007/s00299-011-1136-5

58. Wang Y., Xin H., Fan P., Zhang J., Liu Y., Dong Y., Wang Z., Yang Y., Zhang Q., Ming R., Zhong G.Y., Li S., Liang Z. The genome of Shanputao (Vitis amurensis) provides a new insight into cold tolerance of grapevine. The Plant Journal. 2021;105(6):1495-1506. DOI: 10.1111/tpj.15127

59. Wang Z., Darren D.C.J., Wang Y., Xu G., Ren C., Liu Y., Kuang Y., Fan P., Li S., Xin H., Liang Z. GRAS-domain transcription factor PAT1 regulates jasmonic acid biosynthesis in grape cold stress response. Plant Physiology. 2021;186(3):1660-1678. DOI: 10.1093/plphys/kiab142

60. Xiang Y., Wu C., Sheng S., Huang P., Zhang M., Fang M., Yang J., Huang Y., Cao F., Liu B., Li H., Zhou Y., Duan S., Pu W., Liu L.H. Molecular identification of twenty NtDREB homologs and overexpression of NtDREB_A2 improved plant growth in response to cold-stress and P-nutrition limitation. Environmental and Experimental Botany. 2023. URL: https://www.x-mol.net/paper/article/1728425211986726912 [accessed 21.11.20123]

61. Xu M., Tong Q., Wang Y., Wang Z., Xu G., Elias G.K., Li S., Liang Z. Transcriptomic analysis of the grapevine LEA gene family in response to osmotic and cold stress reveals a key role for VamDHN3. Plant and Cell Physiology. 2020;61(4):775-786. DOI: 10.1093/pcp/pcaa004

62. Xu W., Li R., Zhang N., Ma F., Jiao Y., Wang Z. Transcriptome profiling of Vitis amurensis, an extremely cold-tolerant Chinese wild Vitis species, reveals candidate genes and events that potentially connected to cold stress. Plant Molecular Biology. 2014;86:527-541. DOI: 10.1007/s11103-014-0245-2

63. Yamasaki Y., Randall S.K. Functionality of soybean CBF/DREB1 transcription factors. Plant Science. 2016;246:80-90. DOI: 10.1016/j.plantsci.2016.02.007

64. Yang A., Dai X., Zhang W. A R2R3-type MYB gene, OsMYB2, is involved in salt, cold, and dehydration tolerance in rice. Journal of Experimental Botany. 2012;63(7):2541-2556. DOI: 10.1093/jxb/err431

65. Yao C., Li X., Li Y., Yang G., Liu W., Shao B., Zhong J., Huang P., Han D. Overexpression of a Malus baccata MYB transcription factor gene MbMYB4 increases cold and drought tolerance in Arabidopsis thaliana. International Journal of Molecular Sciences. 2022;23(3):1794. DOI: 10.3390/ijms23031794

66. Zaikina E.A., Rumyantsev S.D., Sarvarova E.R., Kuluev B.R. Transcription factor genes involved in plant response to abiotic stress factors. Ecological Genetics. 2019;17(3):47-58. DOI: 10.17816/ecogen17347-58

67. Zandkarimi H., Ebadi A., Salami S.A., Alizade H., Baisakh N. Analyzing the expression profile of AREB/ABF and DREB/CBF genes under drought and salinity stresses in grape (Vitis vinifera L.). PLoS ONE. 2015;10(7):e0134288. DOI: 10.1371/journal.pone.0134288

68. Zhang L., Zhao T., Sun X., Wang Y., Du C., Zhu Z., Gichuki D.K., Wang Q., Li S., Xin H. Overexpression of VaWRKY12, a transcription factor from Vitis amurensis with increased nuclear localization under low temperature, enhances cold tolerance of plants. Plant Molecular Biology. 2019;100:95-110. DOI: 10.1007/s11103-019-00846-6

69. Zhao C., Zhang Z., Xie S., Si T., Li Y., Zhu J.K. Mutational evidence for the critical role of CBF transcription factors in cold acclimation in Arabidopsis. Plant Physiology. 2016;171(4):2744-2759. DOI: 10.1104/pp.16.00533

70. Zong J.M, Li X.W., Zhou Y.H., Wang F.W., Wang N., Dong Y.Y., Yuan Y.X., Chen H., Liu X.M., Yao N., Li H.Y. The AaDREB1 transcription factor from the cold-tolerant plant Adonis amurensis enhances abiotic stress tolerance in transgenic plant. International Journal of Molecular Sciences. 2016;17(4):611. DOI: 10.3390/ijms17040611