Abstract Within their natural habitat, plants are subjected to a combination of abiotic conditions that include stresses such as drought and heat. Drought and heat stress have been extensively studied; however, little is known about how their combination impacts plants. The response of Arabidopsis plants to a combination of drought and heat stress was found to be distinct from that of plants subjected to drought or heat stress. Transcriptome analysis of Arabidopsis plants subjected to a combination of drought and heat stress revealed a new pattern of defense response in plants that includes a partial combination of two multigene defense pathways (i.e. drought and heat stress), as well as 454 transcripts that are specifically expressed in plants during a combination of drought and heat stress. Metabolic profiling of plants subjected to drought, heat stress, or a combination of drought and heat stress revealed that plants subject to a combination of drought and heat stress accumulated sucrose and other sugars such as maltose and gulose. In contrast, Pro that accumulated in plants subjected to drought did not accumulate in plants during a combination of drought and heat stress. Heat stress was found to ameliorate the toxicity of Pro to cells, suggesting that during a combination of drought and heat stress sucrose replaces Pro in plants as the major osmoprotectant. Our results highlight the plasticity of the plant genome and demonstrate its ability to respond to complex environmental conditions that occur in the field.

The International Strawberry Sequencing Consortium reports the draft genome of the woodland strawberry (Fragaria vesca). The genome of this diploid species should serve as a reference genome for the Fragaria genus, as the cultivated strawberry (Fragaria × ananassa) is an octoploid where F. vesca is predicted to be a subgenome donor. The woodland strawberry, Fragaria vesca (2n = 2x = 14), is a versatile experimental plant system. This diminutive herbaceous perennial has a small genome (240 Mb), is amenable to genetic transformation and shares substantial sequence identity with the cultivated strawberry (Fragaria × ananassa) and other economically important rosaceous plants. Here we report the draft F. vesca genome, which was sequenced to ×39 coverage using second-generation technology, assembled de novo and then anchored to the genetic linkage map into seven pseudochromosomes. This diploid strawberry sequence lacks the large genome duplications seen in other rosids. Gene prediction modeling identified 34,809 genes, with most being supported by transcriptome mapping. Genes critical to valuable horticultural traits including flavor, nutritional value and flowering time were identified. Macrosyntenic relationships between Fragaria and Prunus predict a hypothetical ancestral Rosaceae genome that had nine chromosomes. New phylogenetic analysis of 154 protein-coding genes suggests that assignment of Populus to Malvidae, rather than Fabidae, is warranted.

Abstract In nature, plants encounter a combination of environmental conditions that may include stresses such as drought or heat shock. Although drought and heat shock have been extensively studied, little is known about how their combination affect plants. We used cDNA arrays, coupled with physiological measurements, to study the effect of drought and heat shock on tobacco (Nicotiana tabacum) plants. A combination of drought and heat shock resulted in the closure of stomata, suppression of photosynthesis, enhancement of respiration, and increased leaf temperature. Some transcripts induced during drought, e.g. those encoding dehydrin, catalase, and glycolate oxidase, and some transcripts induced during heat shock, e.g. thioredoxin peroxidase, and ascorbate peroxidase, were suppressed during a combination of drought and heat shock. In contrast, the expression of other transcripts, including alternative oxidase, glutathione peroxidase, phenylalanine ammonia lyase, pathogenesis-related proteins, a WRKY transcription factor, and an ethylene response transcriptional co-activator, was specifically induced during a combination of drought and heat shock. Photosynthetic genes were suppressed, whereas transcripts encoding some glycolysis and pentose phosphate pathway enzymes were induced, suggesting the utilization of sugars through these pathways during stress. Our results demonstrate that the response of plants to a combination of drought and heat shock, similar to the conditions in many natural environments, is different from the response of plants to each of these stresses applied individually, as typically tested in the laboratory. This response was also different from the response of plants to other stresses such as cold, salt, or pathogen attack. Therefore, improving stress tolerance of plants and crops may require a reevaluation, taking into account the effect of multiple stresses on plant metabolism and defense.

Temperature stress can have a devastating effect on plant metabolism, disrupting cellular homeostasis, and uncoupling major physiological processes. A direct result of stress‐induced cellular changes is the enhanced accumulation of toxic compounds in cells that include reactive oxygen species (ROS). Although a considerable amount of work has shown a direct link between ROS scavenging and plant tolerance to temperature stress, recent studies have shown that ROS could also play a key role in mediating important signal transduction events. Thus, ROS, such as superoxide (O 2 – ), are produced by NADPH oxidases during abiotic stress to activate stress‐response pathways and induce defense mechanisms. The rates and cellular sites of ROS production during temperature stress could play a central role in stress perception and protection. ROS levels, as well as ROS signals, are thought to be controlled by the ROS gene network of plants. It is likely that in plants this network is interlinked with the different networks that control temperature stress acclimation and tolerance. In this review paper, we attempt to summarize some of the recent studies linking ROS and temperature stress in plants and propose a model for the involvement of ROS in temperature stress sensing and defense.

Reactive oxygen species produced by RBOHD mediate rapid, long-distance stress signals in plants.

Drought, the most prominent threat to agricultural production worldwide, accelerates leaf senescence, leading to a decrease in canopy size, loss in photosynthesis and reduced yields. On the basis of the assumption that senescence is a type of cell death program that could be inappropriately activated during drought, we hypothesized that it may be possible to enhance drought tolerance by delaying drought-induced leaf senescence. We generated transgenic plants expressing an isopentenyltransferase gene driven by a stress- and maturation-induced promoter. Remarkably, the suppression of drought-induced leaf senescence resulted in outstanding drought tolerance as shown by, among other responses, vigorous growth after a long drought period that killed the control plants. The transgenic plants maintained high water contents and retained photosynthetic activity (albeit at a reduced level) during the drought. Moreover, the transgenic plants displayed minimal yield loss when watered with only 30% of the amount of water used under control conditions. The production of drought-tolerant crops able to grow under restricted water regimes without diminution of yield would minimize drought-related losses and ensure food production in water-limited lands.

Abstract Reactive oxygen species (ROS) are key players in the regulation of plant development, stress responses, and programmed cell death. Previous studies indicated that depending on the type of ROS (hydrogen peroxide, superoxide, or singlet oxygen) or its subcellular production site (plastidic, cytosolic, peroxisomal, or apoplastic), a different physiological, biochemical, and molecular response is provoked. We used transcriptome data generated from ROS-related microarray experiments to assess the specificity of ROS-driven transcript expression. Data sets obtained by exogenous application of oxidative stress-causing agents (methyl viologen, Alternaria alternata toxin, 3-aminotriazole, and ozone) and from a mutant (fluorescent) and transgenic plants, in which the activity of an individual antioxidant enzyme was perturbed (catalase, cytosolic ascorbate peroxidase, and copper/zinc superoxide dismutase), were compared. In total, the abundance of nearly 26,000 transcripts of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) was monitored in response to different ROS. Overall, 8,056, 5,312, and 3,925 transcripts showed at least a 3-, 4-, or 5-fold change in expression, respectively. In addition to marker transcripts that were specifically regulated by hydrogen peroxide, superoxide, or singlet oxygen, several transcripts were identified as general oxidative stress response markers because their steady-state levels were at least 5-fold elevated in most experiments. We also assessed the expression characteristics of all annotated transcription factors and inferred new candidate regulatory transcripts that could be responsible for orchestrating the specific transcriptomic signatures triggered by different ROS. Our analysis provides a framework that will assist future efforts to address the impact of ROS signals within environmental stress conditions and elucidate the molecular mechanisms of the oxidative stress response in plants.

Plant acclimation to environmental stress is controlled by a complex network of regulatory genes that compose distinct stress-response regulons. In contrast to many signaling and regulatory genes that are stress specific, the zinc-finger protein Zat12 responds to a large number of biotic and abiotic stresses. Zat12 is thought to be involved in cold and oxidative stress signaling in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana); however, its mode of action and regulation are largely unknown. Using a fusion between the Zat12 promoter and the reporter gene luciferase, we demonstrate that Zat12 expression is activated at the transcriptional level during different abiotic stresses and in response to a wound-induced systemic signal. Using Zat12 gain- and loss-of-function lines, we assign a function for Zat12 during oxidative, osmotic, salinity, high light, and heat stresses. Transcriptional profiling of Zat12-overexpressing plants and wild-type plants subjected to H(2)O(2) stress revealed that constitutive expression of Zat12 in Arabidopsis results in the enhanced expression of oxidative- and light stress-response transcripts. Under specific growth conditions, Zat12 may therefore regulate a collection of transcripts involved in the response of Arabidopsis to high light and oxidative stress. Our results suggest that Zat12 plays a central role in reactive oxygen and abiotic stress signaling in Arabidopsis.

The systemic response of plants to pathogen infection (systemic acquired resistance [[SAR][1]]), or wounding has been extensively studied with a network of numerous compounds and signals implicated (for review, see [Dempsey and Klessig, 2012][2]; [Shah and Zeier, 2013][3]). In recent years a new

Systemic signaling pathways enable multicellular organisms to prepare all of their tissues and cells to an upcoming challenge that may initially only be sensed by a few local cells. They are activated in plants in response to different stimuli including mechanical injury, pathogen infection, and abiotic stresses. Key to the mobilization of systemic signals in higher plants are cell-to-cell communication events that have thus far been mostly unstudied. The recent identification of systemically propagating calcium (Ca(2+)) and reactive oxygen species (ROS) waves in plants has unraveled a new and exciting cell-to-cell communication pathway that, together with electric signals, could provide a working model demonstrating how plant cells transmit long-distance signals via cell-to-cell communication mechanisms. Here, we summarize recent findings on the ROS and Ca(2+) waves and outline a possible model for their integration.