Positive Interaction between H2O2 and Ca2+ Mediates Melatonin-Induced CBF Pathway and Cold Tolerance in Watermelon (Citrullus lanatus L.)

Abstract

Cold stress is a major environmental factor that detrimentally affects plant growth and development. Melatonin has been shown to confer plant tolerance to cold stress through activating the C-REPEAT BINDING FACTOR (CBF) pathway; however, the underlying modes that enable this function remain obscure. In this study, we investigated the role of H2O2 and Ca2+ signaling in the melatonin-induced CBF pathway and cold tolerance in watermelon (Citrullus lanatus L.) through pharmacological, physiological, and genetic approaches. According to the results, melatonin induced H2O2 accumulation, which was associated with the upregulation of respiratory burst oxidase homolog D (ClRBOHD) during the early response to cold stress in watermelon. Besides, melatonin and H2O2 induced the accumulation of cytoplasmic free Ca2+ ([Ca2+]cyt) in response to cold. This was associated with the upregulation of cyclic nucleotide-gated ion channel 2 (ClCNGC2) in watermelon. However, blocking of Ca2+ influx channels abolished melatonin- or H2O2-induced CBF pathway and cold tolerance. Ca2+ also induced ClRBOHD expression and H2O2 accumulation in early response to cold stress in watermelon. Inhibition of H2O2 production in watermelon by RBOH inhibitor or in Arabidopsis by AtRBOHD knockout compromised melatonin-induced [Ca2+]cyt accumulation and melatonin- or Ca2+-induced CBF pathway and cold tolerance. Overall, these findings indicate that melatonin induces RBOHD-dependent H2O2 generation in early response to cold stress. Increased H2O2 promotes [Ca2+]cyt accumulation, which in turn induces H2O2 accumulation via RBOHD, forming a reciprocal positive-regulatory loop that mediates melatonin-induced CBF pathway and subsequent cold tolerance.

Crosstalk between Melatonin and Reactive Oxygen Species in Plant Abiotic Stress Responses: An Update

“…Recent studies have further shed new light on the role of ROS in melatonin-regulated tolerance to abiotic stresses in plants. In early responses to cold stress, melatonin was found to stimulate H 2 O 2 accumulation in watermelon [ 98 ]. Chen et al found that endogenous melatonin rapidly induced ROS accumulation under short-term salinity treatment in Arabidopsis [ 12 ].…”

Integrated Physiological, Transcriptomic, and Proteomic Analyses Reveal the Regulatory Role of Melatonin in Tomato Plants’ Response to Low Night Temperature

“…Both the exogenous application of melatonin and the upregulation of endogenous melatonin through genetic modification have been found to enhance plant stress resistance. Across a variety of plants, including apple trees, grapevines, corn, sunflowers, tomato plants, watermelon, and wheat, melatonin has been found to increase antioxidant enzyme activity, alleviate oxidative stress and damage, delay cellular senescence, maintain intracellular redox homeostasis, and alter patterns of gene expression related to hormone metabolism and signal transduction [ 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 ]. Melatonin appears to also be crucial for immune response regulation, lateral root development, flowering phenology, and postharvest shelf-life prolongation.…”

Melatonin in plants: participation in signaling and adaptation to abiotic factors

“…Гіпотермія. За обробки мелатоніном підвищувалась холодостійкість рослин кавуна [27]. Цей ефект супроводжувався посиленням експресії генів CBF 1, COR 47, CIERD 10 та ін.…”

“…Водночас у літературі є відомості, які, навпаки, вказують на підвищення активності НАДФН-оксидази під впливом мелатоніну і залучення АФК як посередників у шляхи передачі його сигналів [27]. Зокрема показано, що підвищення холодостійкості рослин кавуна мелатоніном, пов'язане з активацією експресії генів транскрипційних факторів родини CBF, супроводжувалося посиленням генерування H 2 O 2 , пов'язаним з активацією експресії гена каталітичної субодиниці НАДФН-оксидази RbohD.…”

“…Антагоніст кальцію лантан усував спричинюване мелатоніном посилення експресії RbohD. Водночас La 3+ та інгібітор НАДФН-оксидази дифеніленіодоніум усували ефект посилення мелатоніном експресії генів CBF1, COR47, CIERD10 та деяких інших, важливих для розвитку холодостійкості [27]. Отже, іони кальцію та АФК відіграють роль сигнальних посередників при індукуванні холодостійкості рослин мелатоніном.…”