Many plants increase in freezing tolerance upon exposure to low nonfreezing temperatures, a phenomenon known as cold acclimation. In this review, recent advances in determining the nature and function of genes with roles in freezing tolerance and the mechanisms involved in low temperature gene regulation and signal transduction are described. One of the important conclusions to emerge from these studies is that cold acclimation includes the expression of certain cold-induced genes that function to stabilize membranes against freeze-induced injury. In addition, a family of Arabidopsis transcription factors, the CBF/DREB1 proteins, have been identified that control the expression of a regulon of cold-induced genes that increase plant freezing tolerance. These results along with many of the others summarized here further our understanding of the basic mechanisms that plants have evolved to survive freezing temperatures. In addition, the findings have potential practical applications as freezing temperatures are a major factor limiting the geographical locations suitable for growing crop and horticultural plants and periodically account for significant losses in plant productivity.

Many plants, including Arabidopsis , show increased resistance to freezing after they have been exposed to low nonfreezing temperatures. This response, termed cold acclimation, is associated with the induction of COR (cold-regulated) genes mediated by the C-repeat/drought-responsive element (CRT/DRE) DNA regulatory element. Increased expression of Arabidopsis CBF1, a transcriptional activator that binds to the CRT/DRE sequence, induced COR gene expression and increased the freezing tolerance of nonacclimated Arabidopsis plants. We conclude that CBF1 is a likely regulator of the cold acclimation response, controlling the level of COR gene expression, which in turn promotes tolerance to freezing.

Abstract Many plants, including Arabidopsis, increase in freezing tolerance in response to low, nonfreezing temperatures, a phenomenon known as cold acclimation. Previous studies established that cold acclimation involves rapid expression of the CBF transcriptional activators (also known as DREB1 proteins) in response to low temperature followed by induction of the CBF regulon (CBF-targeted genes), which contributes to an increase in freezing tolerance. Here, we present the results of transcriptome-profiling experiments indicating the existence of multiple low-temperature regulatory pathways in addition to the CBF cold response pathway. The transcript levels of ∼8000 genes were determined at multiple times after plants were transferred from warm to cold temperature and in warm-grown plants that constitutively expressed CBF1, CBF2, or CBF3. A total of 306 genes were identified as being cold responsive, with transcripts for 218 genes increasing and those for 88 genes decreasing threefold or more at one or more time points during the 7-day experiment. These results indicate that extensive downregulation of gene expression occurs during cold acclimation. Of the cold-responsive genes, 48 encode known or putative transcription factors. Two of these, RAP2.1 and RAP2.6, were activated by CBF expression and thus presumably control subregulons of the CBF regulon. Transcriptome comparisons indicated that only 12% of the cold-responsive genes are certain members of the CBF regulon. Moreover, at least 28% of the cold-responsive genes were not regulated by the CBF transcription factors, including 15 encoding known or putative transcription factors, indicating that these cold-responsive genes are members of different low-temperature regulons. Significantly, CBF expression at warm temperatures repressed the expression of eight genes that also were downregulated by low temperature, indicating that in addition to gene induction, gene repression is likely to play an integral role in cold acclimation.

Summary Cold‐induced expression of the Arabidopsis COR (cold‐regulated) genes is mediated by a DNA regulatory element termed the CRT (C‐repeat)/DRE (dehydration‐responsive element). Recently, we identified a transcriptional activator, CBF1, that binds to the CRT/DRE and demonstrated that its overexpression in transgenic Arabidopsis plants at non‐acclimating temperatures induces COR gene expression and increases plant freezing tolerance. Here we report that CBF1 belongs to a small family of closely related proteins which includes CBF2 and CBF3. DNA sequencing of an 8.7 kb region of the Arabidopsis genome along with genetic mapping experiments indicated that the three CBF genes are organized in direct repeat on chromosome 4 at 72.8 cM, closely linked to molecular markers PG11 and m600. Like CBF1, both CBF2 and CBF3 activated expression of reporter genes in yeast that contained the CRT/DRE as an upstream activator sequence. The transcript levels for all three CBF genes increased within 15 min of transferring plants to low temperature, followed by accumulation of COR gene transcripts at about 2 h. CBF transcripts also accumulated rapidly in response to mechanical agitation. The promoter regions of the CBF genes do not contain the CRT sequence, CCGAC, and overexpression of CBF1 did not have a detectable effect on CBF3 transcript levels, suggesting that the CBF gene family is not subject to autoregulation. We propose that cold‐induced expression of CRT/DRE‐containing COR genes involves a low temperaturestimulated signalling cascade in which CBF gene induction is an early event.

Abstract We further investigated the role of the ArabidopsisCBF regulatory genes in cold acclimation, the process whereby certain plants increase in freezing tolerance upon exposure to low temperature. The CBF genes, which are rapidly induced in response to low temperature, encode transcriptional activators that control the expression of genes containing the C-repeat/dehydration responsive element DNA regulatory element in their promoters. Constitutive expression of either CBF1 orCBF3 (also known as DREB1b andDREB1a, respectively) in transgenic Arabidopsis plants has been shown to induce the expression of target COR(cold-regulated) genes and to enhance freezing tolerance in nonacclimated plants. Here we demonstrate that overexpression ofCBF3 in Arabidopsis also increases the freezing tolerance of cold-acclimated plants. Moreover, we show that it results in multiple biochemical changes associated with cold acclimation:CBF3-expressing plants had elevated levels of proline (Pro) and total soluble sugars, including sucrose, raffinose, glucose, and fructose. Plants overexpressing CBF3 also had elevated P5CS transcript levels suggesting that the increase in Pro levels resulted, at least in part, from increased expression of the key Pro biosynthetic enzyme Δ1-pyrroline-5-carboxylate synthase. These results lead us to propose that CBF3 integrates the activation of multiple components of the cold acclimation response.

Plants must effectively defend against biotic and abiotic stresses to survive in nature. However, this defense is costly and is often accompanied by significant growth inhibition. How plants coordinate the fluctuating growth-defense dynamics is not well understood and remains a fundamental question. Jasmonate (JA) and gibberellic acid (GA) are important plant hormones that mediate defense and growth, respectively. Binding of bioactive JA or GA ligands to cognate receptors leads to proteasome-dependent degradation of specific transcriptional repressors (the JAZ or DELLA family of proteins), which, at the resting state, represses cognate transcription factors involved in defense (e.g., MYCs) or growth [e.g. phytochrome interacting factors (PIFs)]. In this study, we found that the coi1 JA receptor mutants of rice (a domesticated monocot crop) and Arabidopsis (a model dicot plant) both exhibit hallmark phenotypes of GA-hypersensitive mutants. JA delays GA-mediated DELLA protein degradation, and the della mutant is less sensitive to JA for growth inhibition. Overexpression of a selected group of JAZ repressors in Arabidopsis plants partially phenocopies GA-associated phenotypes of the coi1 mutant, and JAZ9 inhibits RGA (a DELLA protein) interaction with transcription factor PIF3. Importantly, the pif quadruple ( pifq ) mutant no longer responds to JA-induced growth inhibition, and overexpression of PIF3 could partially overcome JA-induced growth inhibition. Thus, a molecular cascade involving the COI1–JAZ–DELLA–PIF signaling module, by which angiosperm plants prioritize JA-mediated defense over growth, has been elucidated.

The CBF cold response pathway has a prominent role in cold acclimation. The pathway includes action of three transcription factors, CBF1, 2 and 3 (also known as DREB1b, c and a, respectively), that are rapidly induced in response to low temperature followed by expression of the CBF-targeted genes (the CBF regulon) that act in concert to increase plant-freezing tolerance. The results of transcriptome profiling and mutagenesis experiments, however, indicate that additional cold response pathways exist and may have important roles in life at low temperature. To further understand the roles that the CBF proteins play in configuring the low temperature transcriptome and to identify additional transcription factors with roles in cold acclimation, we used the Affymetrix GeneChip® containing probe sets for approximately 24 000 Arabidopsis genes to define a core set of cold-responsive genes and to determine which genes were targets of CBF2 and 6 other transcription factors that appeared to be coordinately regulated with CBF2. A total of 514 genes were placed in the core set of cold-responsive genes, 302 of which were upregulated and 212 downregulated. Hierarchical clustering and bioinformatic analysis indicated that the 514 cold-responsive transcripts could be assigned to one of seven distinct expression classes and identified multiple potential novel cis-acting cold-regulatory elements. Eighty-five cold-induced genes and eight cold-repressed genes were assigned to the CBF2 regulon. An additional nine cold-induced genes and 15 cold-repressed genes were assigned to a regulon controlled by ZAT12. Of the 25 core cold-induced genes that were most highly upregulated (induced over 15-fold), 19 genes (84%) were induced by CBF2 and another two genes (8%) were regulated by both CBF2 and ZAT12. Thus, the large majority (92%) of the most highly induced genes belong to the CBF and ZAT12 regulons. Constitutive expression of ZAT12 in Arabidopsis caused a small, but reproducible, increase in freezing tolerance, indicating a role for the ZAT12 regulon in cold acclimation. In addition, ZAT12 downregulated the expression of the CBF genes indicating a role for ZAT12 in a negative regulatory circuit that dampens expression of the CBF cold response pathway.

Abstract In plants, low temperature and dehydration activate a set of genes containing C-repeat/dehydration-responsive elements in their promoter. It has been shown previously that the Arabidopsis CBF/DREB1 transcription activators are critical regulators of gene expression in the signal transduction of cold acclimation. Here, we report the isolation of an apparent homolog of the CBF/DREB1 proteins (CBF4) that plays the equivalent role during drought adaptation. In contrast to the three already identified CBF/DREB1 homologs, which are induced under cold stress, CBF4 gene expression is up-regulated by drought stress, but not by low temperature. Overexpression of CBF4 in transgenic Arabidopsis plants results in the activation of C-repeat/dehydration-responsive element containing downstream genes that are involved in cold acclimation and drought adaptation. As a result, the transgenic plants are more tolerant to freezing and drought stress. Because of the physiological similarity between freezing and drought stress, and the sequence and structural similarity of the CBF/DREB1 and the CBF4 proteins, we propose that the plant's response to cold and drought evolved from a common CBF-like transcription factor, first through gene duplication and then through promoter evolution.

Plants vary greatly in their ability to survive freezing temperatures. At one extreme are plants from tropical regions that have virtually no capacity to survive even the slightest freeze. In contrast, herbaceous plants from temperate regions generally survive freezing temperatures ranging from −5