Cellular stress responses during cryo-induced stress in Arabidopsis shoot tips

Abstract

Kryokonservierung dient der Langzeitlagerung von pflanzlichen Geweben in flüssigen Stickstoff. In ex situ Genbanken wird Kryokonservierung für den Erhalt pflanzengenetischer Ressourcen genutzt, die nicht über Saatgut aufbewahrt oder vegetativ vermehrt werden. Um relevante Mechanismen der Kryokonservierung zu erforschen, wurden Arabidopsis Sprossspitzen als Modelorganismus gewählt. Die Kandidatengene PATHOGENESIS RELATED GENE 5 (PR5) und der Transkriptionsfaktor WRKY22 wurden molekular charakterisiert, um ihren Einfluss auf die Kryokonservierung zu verstehen. Zunächst wurde eine Transkriptomstudie mit Wildtypen (WT) und wrky22 knockout (KO) Sprossspitzen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten einen Abbau meristematischer Zellorganellen mittels induzierter RNA Prozessierung und Veränderungen im Primärmetabolismus nach Kryoprotektorbehandlung. Weiterhin wies die KO Mutante einen „open stomata“ Phänotyp auf. Die PR5 Expression wurde durch die Sprossspitzenpräparation und osmotischen Stress, abhängig von der Stärke der Gewebsbeschädigung und der damit einhergehende Wasserstoffperoxid (H2O2) Akkumulation, induziert.

Cryopreservation, the long-term storage in liquid nitrogen, is a frequently used method in the context of conserving live plant tissue. Ex situ plant gene banks use cryopreservation to maintain genetic resources from vegetatively-reproduced plants. To investigate the molecular basis underlying cryopreservation Arabidopsis shoot tips were used as model organism. Two candidate genes PATHOGENESIS RELATED GENE 5 (PR5) and the transcription factor WRKY22 were characterized towards their impact during cryopreservation. A transcriptomic approach comparing wildtype (WT) and wrky22 knockout (KO) shoot tips was performed. This unraveled that cryoprotectant treatment induced the degradation of meristematic cells as a result of changes in RNA processing and primary metabolism. KO plants showed an open stomata phenotype in response to their exposure to cryoprotectant treatment. PR5 transcript expression was enhanced after shoot tip preparation and during osmotic stress, dependent on the strength of tissue injury and the accompanied hydrogen peroxide (H2O2) burst.