The phytohormone ethylene regulates multiple aspects of plant growth and development and responses to environmental stress. However, the exact role of ethylene in freezing stress remains unclear. Here, we report that ethylene negatively regulates plant responses to freezing stress in Arabidopsis thaliana. Freezing tolerance was decreased in ethylene overproducer1 and by the application of the ethylene precursor 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid but increased by the addition of the ethylene biosynthesis inhibitor aminoethoxyvinyl glycine or the perception antagonist Ag+. Furthermore, ethylene-insensitive mutants, including etr1-1, ein4-1, ein2-5, ein3-1, and ein3 eil1, displayed enhanced freezing tolerance. By contrast, the constitutive ethylene response mutant ctr1-1 and EIN3-overexpressing plants exhibited reduced freezing tolerance. Genetic and biochemical analyses revealed that EIN3 negatively regulates the expression of CBFs and type-A Arabidopsis response regulator5 (ARR5), ARR7, and ARR15 by binding to specific elements in their promoters. Overexpression of these ARR genes enhanced the freezing tolerance of plants. Thus, our study demonstrates that ethylene negatively regulates cold signaling at least partially through the direct transcriptional control of cold-regulated CBFs and type-A ARR genes by EIN3. Our study also provides evidence that type-A ARRs function as key nodes to integrate ethylene and cytokinin signaling in regulation of plant responses to environmental stress.

Cold stress is a major environmental factor that limits plant growth and development. The C-repeat-binding factor (CBF)-dependent cold signaling pathway is extensively studied in Arabidopsis; however, the specific protein kinases involved in this pathway remain elusive. Here we report that OST1 (OPEN STOMATA 1), a well-known Ser/Thr protein kinase in ABA signaling, acts upstream of CBFs to positively regulate freezing tolerance. The ost1 mutants show freezing hypersensitivity, whereas transgenic plants overexpressing OST1 exhibit enhanced freezing tolerance. The OST1 kinase is activated by cold stress. Moreover, OST1 interacts with both the transcription factor ICE1 and the E3 ligase HOS1 in the CBF pathway. Cold-activated OST1 phosphorylates ICE1 and enhances its stability and transcriptional activity. Meanwhile, OST1 interferes with the interaction between HOS1 and ICE1, thus suppressing HOS1-mediated ICE1 degradation under cold stress. Our results thus uncover the unexpected roles of OST1 in modulating CBF-dependent cold signaling in Arabidopsis.

Summary In Arabidopsis, the C‐repeat binding factors ( CBF s) have been extensively studied as key transcription factors in the cold stress response. However, their exact functions in the cold response remains unclear due to the lack of a null cbf triple mutant. In this study, we used CRISPR /Cas9 technology to mutate CBF 1 or CBF 1/ CBF 2 in a cbf3 T‐ DNA insertion mutant to generate cbf1,3 double and cbf1 cbf2 cbf3 ( cbfs ) triple mutants. The response of the cbfs triple mutants to chilling stress is impaired. Furthermore, no significant difference in freezing tolerance was observed between the wild‐type and the cbf1,3 and cbfs mutants without cold acclimation. However, the cbfs mutants were extremely sensitive to freezing stress after cold acclimation, and freezing sensitivity ranking was cbfs > cbf1,3 > cbf3 . RNA ‐Seq analysis showed that 134 genes were CBF regulated, of which 112 were regulated positively and 22 negatively by CBF s. Our study reveals the essential functions of CBF s in chilling stress response and cold acclimation, as well as defines a set of genes as CBF regulon. It also provides materials for the genetic dissection of components in CBF ‐dependent cold signaling.

Low temperatures affect plant growth, development, productivity, and ecological distribution. Expression of the C-repeat-binding factor (CBF) transcription factors is induced by cold stress, which in turn activates downstream cold-responsive (COR) genes that are required for the acquisition of freezing tolerance. Inducer of CBF expression 1 (ICE1) is a master regulator of CBFs, and ICE1 stability is crucial for its function. However, the regulation of ICE1 is not well understood. Here, we report that mitogen-activated protein kinase 3 (MPK3) and MPK6 interact with and phosphorylate ICE1, which reduces its stability and transcriptional activity. Consistently, the mpk3 and mpk6 single mutants and the mpk3 mpk6 double mutants show enhanced freezing tolerance, whereas MPK3/MPK6 activation attenuates freezing tolerance. Phosphor-inactive mutations of ICE1 complement freezing sensitivity in the ice1-2 mutant. These combined results indicate that MPK3/MPK6 phosphorylate and destabilize ICE1, which negatively regulates CBF expression and freezing tolerance in plants.

Abstract Plants have evolved sophisticated mechanisms for integration of endogenous and exogenous signals to adapt to the changing environment. Both the phytohormones jasmonate (JA) and ethylene (ET) regulate plant growth, development, and defense. In addition to synergistic regulation of root hair development and resistance to necrotrophic fungi, JA and ET act antagonistically to regulate gene expression, apical hook curvature, and plant defense against insect attack. However, the molecular mechanism for such antagonism between JA and ET signaling remains unclear. Here, we demonstrate that interaction between the JA-activated transcription factor MYC2 and the ET-stabilized transcription factor ETHYLENE-INSENSITIVE3 (EIN3) modulates JA and ET signaling antagonism in Arabidopsis thaliana. MYC2 interacts with EIN3 to attenuate the transcriptional activity of EIN3 and repress ET-enhanced apical hook curvature. Conversely, EIN3 interacts with and represses MYC2 to inhibit JA-induced expression of wound-responsive genes and herbivory-inducible genes and to attenuate JA-regulated plant defense against generalist herbivores. Coordinated regulation of plant responses in both antagonistic and synergistic manners would help plants adapt to fluctuating environments.

Abstract Clade A protein phosphatase 2Cs (PP2Cs) are abscisic acid (ABA) co-receptors that block ABA signalling by inhibiting the downstream protein kinases. ABA signalling is activated after PP2Cs are inhibited by ABA-bound PYR/PYL/RCAR ABA receptors (PYLs) in Arabidopsis . However, whether these PP2Cs are regulated by other factors remains unknown. Here, we report that ABI1 (ABA-INSENSITIVE 1) can interact with the U-box E3 ligases PUB12 and PUB13, but is ubiquitinated only when it interacts with ABA receptors in an in vitro assay. A mutant form of ABI1-1 that is unable to interact with PYLs is more stable than the wild-type protein. Both ABI1 degradation and all tested ABA responses are reduced in pub12 pub13 mutants compared with the wild type. Introducing the abi1-3 loss-of-function mutation into pub12 pub13 mutant recovers the ABA-insensitive phenotypes of the pub12 pub13 mutant. We thus uncover an important regulatory mechanism for regulating ABI1 levels by PUB12 and PUB13.

Several lipid-transfer proteins were reported to modulate the plant response to biotic stress; however, whether lipid-transfer proteins are also involved in abiotic stress remains unknown. This study characterized the function of a lipid-transfer protein, LTP3, during freezing and drought stress. LTP3 was expressed ubiquitously and the LTP3 protein was localized to the cytoplasm. A biochemical study showed that LTP3 was able to bind to lipids. Overexpression of LTP3 resulted in constitutively enhanced freezing tolerance without affecting the expression of CBFs and their target COR genes. Further analyses showed that LTP3 was positively regulated by MYB96 via the direct binding to the LTP3 promoter; consistently, transgenic plants overexpressing MYB96 exhibited enhanced freezing tolerance. This study also found that the loss-of-function mutant ltp3 was sensitive to drought stress, whereas overexpressing plants were drought tolerant, phenotypes reminiscent of myb96 mutant plants and MYB96-overexpressing plants. Taken together, these results demonstrate that LTP3 acts as a target of MYB96 to be involved in plant tolerance to freezing and drought stress.

Abstract Low temperature is a major factor limiting rice productivity and geographical distribution. Improved cold tolerance and expanded cultivation to high-altitude or high-latitude regions would help meet growing rice demand. Here we explored a QTL for cold tolerance and cloned the gene, CTB4a (cold tolerance at booting stage), encoding a conserved leucine-rich repeat receptor-like kinase. We show that different CTB4a alleles confer distinct levels of cold tolerance and selection for variation in the CTB4a promoter region has occurred on the basis of environmental temperature. The newly generated cold-tolerant haplotype Tej -Hap-KMXBG was retained by artificial selection during temperate japonica evolution in cold habitats for low-temperature acclimation. Moreover, CTB4a interacts with AtpB, a beta subunit of ATP synthase. Upregulation of CTB4a correlates with increased ATP synthase activity, ATP content, enhanced seed setting and improved yield under cold stress conditions. These findings suggest strategies to improve cold tolerance in crop plants.