abstrakt

Omgivelsestemperatur regulerer mange aspekter af plantevækst og udvikling, men dens sensorer er ukendte. Her demonstrerer vi, at phytochrome B (phyB) fotoreceptor deltager i temperaturopfattelsen gennem dens temperaturafhængige reversion fra den aktive Pfr-tilstand til den inaktive Pr-tilstand. Øgede hastigheder for termisk reversion ved udsættelse af Arabidopsis-kimplanter for varme omgivelser reducerer både overfloden af den biologisk aktive PFR-Pfr-dimerpool af phyB og størrelsen på de tilknyttede nukleare organer, selv i dagslys. Matematisk analyse af stammevækst for kimplanter, der udtrykker vildtype phyB eller termisk stabile varianter under forskellige kombinationer af lys og temperatur afslørede, at phyB er fysiologisk lydhør over for begge signaler. Vi foreslår derfor, at phyB ud over dets fotoreceptorfunktioner er en temperatursensor i planter.

planter har kapacitet til at justere deres vækst og udvikling som reaktion på lys-og temperatursignaler (1). Temperaturføling hjælper planter med at bestemme, hvornår de skal spire, justere deres kropsplan for at beskytte sig mod ugunstige temperaturer og blomst. Varme temperaturer såvel som reduceret lys som følge af vegetativ skygge fremmer stammevækst, hvilket gør det muligt for kimplanter at undgå varmestress og baldakinskygge fra naboplanter. Der henviser til, at lysopfattelse er drevet af en samling af identificerede fotoreceptorer-inklusive de røde / langt røde lysabsorberende phytochromer; den blå/ultraviolet-A (UV-A) lysabsorberende kryptokromer, fototropiner og medlemmer af familien; og de UV-B-absorberende UVR8 (2) – temperatursensorer skal stadig etableres (3). At finde identiteten (eller identiteterne) af temperatursensorer ville være af særlig relevans i forbindelse med klimaændringer (4).

Phytochrome B (phyB) er den vigtigste fotoreceptor, der styrer væksten i Arabidopsis-kimplanter udsat for forskellige skyggeforhold (5). Som andre i phytochrom-familien er phyB et homodimerisk kromoprotein, hvor hver underenhed huser en kovalent bundet phytochromobilinchromophore. phyB findes i to foto-interkonvertible former: en rød lysabsorberende Pr-tilstand, der er biologisk inaktiv, og en langt rød lysabsorberende Pfr-tilstand, der er biologisk aktiv (6, 7). Mens Pr opstår ved samling med bilin, kræver dannelse af Pfr lys, og dets niveauer er stærkt påvirket af forholdet mellem rødt og langt rødt lys. Fordi rødt lys absorberes af fotosyntetiske pigmenter, har Skyggelys fra nærliggende vegetation derfor en stærk indflydelse på Pfr-niveauer ved at reducere dette forhold (8). phyB Pfr vender også spontant tilbage til Pr i en lysuafhængig reaktion kaldet termisk reversion (9-11). Traditionelt blev termisk reversion antaget at være for langsom i forhold til lysreaktionerne til at påvirke phybs PFR-status, selv under moderate bestrålinger, der findes i naturlige miljøer, men to observationer modsiger denne opfattelse. For det første påvirkes dannelsen af phyB-nukleare organer, som afspejler status for Pfr, af lys op til bestrålinger, der er meget højere end forventet, hvis termisk reversion var langsom (12). For det andet er det nu klart, at termisk reversion forekommer i to trin. Selvom det første skridt, fra Pfr:Pfr homodimer (D2) til Pfr:Pr heterodimer (D1), er langsom (kr2), det andet trin, fra Pfr:pr heterodimer til Pr:Pr homodimer (D0), er næsten to størrelsesordener hurtigere (kr1) (Fig. 1A) (11).

fysiologisk relevante temperaturer kan ændre størrelsen på kr1 og følgelig påvirke PFR-og D2-niveauer, selv under belysning (Fig. 1A). For at teste denne hypotese brugte vi In vitro og in vivo spektroskopi og analyse af phyB-nukleare organer ved hjælp af konfokal mikroskopi. For den første af disse tilgange producerede vi rekombinant phyB i fuld længde, der bærer dens phytochromobilinchromophore. Ved bestråling under kontinuerligt rødt lys nåede in vitro-absorbansen ved 725 nm lavere værdier ved højere temperaturer, hvilket er tegn på reducerede steady-state niveauer af Pfr (Fig. 1, B og C). Vi beregnede forskellene mellem steady-state absorbansspektre i mørke og kontinuerligt rødt lys (kurr absorbans). Amplituden mellem de maksimale og minimale toppe af krusabsorbans, som repræsenterer mængden af Pfr, faldt kraftigt mellem 10 og 30 krus C (Fig. 1, D og E). Denne egenskab ved phyB adskiller sig fra den typiske opførsel af fysymes, som udviser øget aktivitet over det samme temperaturområde (13).

vi målte også med in vivo spektroskopi steady-state niveauerne af phyB Pfr i frøplanter bestrålet med kontinuerligt rødt eller hvidt lys ved forskellige temperaturer (kun anvendt under bestrålingen). Stigende temperaturer reducerede både den samlede pulje af Pfr og D2 (Fig. 1F og fig. S1), som anses for at være den fysiologisk relevante art for phyB (11). Ved hjælp af disse data bestemte vi kr1, som steg med temperaturen (Fig. 1G).

phyB-dannelse af nukleare legemer øges med bestråling og forholdet mellem rødt og langt rødt lys (12, 14), fordi det afhænger af D2 (11). Som en fuldmagt til temperaturpåvirkning på D2 brugte vi forskellen i dannelse af nukleare legemer i linjer af phyB-9–null-mutanten reddet med umodificeret phyB eller en af to chromophore-lommemutanter, der undertrykker PFR termisk reversion in vitro med ringe eller ingen effekt på fotokonversion (phyBY361F-YFP og phyBR582A-YFP) (15, 16). De-etiolerede (grønne) frøplanter blev overført til de forskellige lysforhold (bestrålinger og rødt/langt rødt lysforhold), der var repræsentative for ufiltreret sollys, baldakinskygge eller overskyede dage i kombination med forskellige temperaturer, der kun blev anvendt under lysbehandlingerne (fig. S2). Den nukleare kropsstørrelse af phyBY361F-YFP og phyBR582A-YFP blev ikke signifikant påvirket af bestråling (fig. S3) og stærkt påvirket af det røde / langt røde forhold (fig. S4). Dette er i overensstemmelse med forestillingen om, at bestrålingsresponser afhænger af kr1 og kr2 (11), som påvirkes i mutanterne. Størrelsen af phyB-nukleare organer varierede kvadratisk med temperaturen og var størst ved ~20 liter C (Fig. 2A og fig. S5). Vi testede hypotesen om, at den negative fase af dette respons på temperatur er manifestationen af forbedret termisk reversion, der reducerer D2. Mod dette mål modellerede vi den gennemsnitlige størrelse af phyby361f-YFP og phyBR582A-YFP nukleare organer (tabeller S1 og S2) som en funktion af både D2 (11) og temperatureffekter, der ikke medieres af ændringer i D2 (fig. S6). Derefter brugte vi denne begrænsede model til at forudsige D2-niveauer fra phyB-nukleare kropsstørrelser i vildtypelinjer (Fig. 2B). Forskellen mellem den tilsyneladende log D2 i vildtype og loggen D2 af phyBY361F og phyBR582A i samme lysforhold er vist i Fig. 2C (forskel i gennemsnit for alle lysforhold). Resultaterne indikerer, at høje temperaturer mindsker den tilsyneladende D2 for den vilde type phyB under en lang række lysforhold.

Ved at anvende de tre fremgangsmåder ovenfor viste vi, at aktiviteten af phyB falder med stigende temperatur (Fig. 1 og 2), hvilket tyder på to mulige biologiske resultater. Den ene er, at nedstrøms ændringer i phyB-signalering kompenserer for temperatureffekten. Cirkadianuret giver et eksempel på temperaturkompensation (17). Den anden er, at phyB opfattelse af temperatur stikord styrer den fysiologiske output. En forudsigelse af sidstnævnte hypotese er, at phyB-aktivitet (D2) ligeledes bør påvirke væksten uafhængigt af om den ændres af lys, temperatur eller mutationer, der stabiliserer phyB. For at teste denne forudsigelse dyrkede vi Arabidopsis-kimplanter (inklusive phyB-genetiske varianter) ved samme bestråling og temperatur, sorterede dem til de forskellige lys-og temperaturmiljøer (fig. S2) og modelleret vækst under disse betingelser (tabel S3) som en funktion af D2.

vækstresponserne på temperaturen (fig. S7) og lys (18) medieres ikke udelukkende af phyB (D2). Således byggede vi modellen i to trin: først passende univariate submodeller, der beskriver forholdet mellem vækst og de individuelle faktorer (D2, temperatureffekter ikke medieret af ændringer i D2 og aktivitet af andre fotosensoriske receptorer) og derefter kombinere disse komponenter i den endelige model. At kvantificere bidraget fra D2 (fig. S8), brugte vi vækst ved 30 liter C (Ingen lavtemperaturhæmning af vækst) (fig. S9) af alle genotyper, herunder de stabiliserede phyB-varianter og phyB-null-mutanten (D2 = 0). At kvantificere virkningerne af temperatur ikke medieret af ændringer i D2 (fig. S9B), brugte vi phyB-mutanten (ingen phyB−medieret hæmning) ved 1 liter m−2 s-1 (ved denne bestråling og ved 30 liter C er væksten maksimal, hvilket indikerer, at andre fotoreceptorer ikke yder et stærkt bidrag). At kvantificere bidraget fra andre fotoreceptorer (fig. S10), brugte vi phyB-mutanten (ingen phyB-medieret hæmning) i et område af bestrålinger ved 30 liter C (Ingen væksthæmning ved lav temperatur). Den eneste statistisk signifikante interaktion mellem disse termer var mellem D2 og temperatureffekter, der ikke blev medieret af ændringer i D2 (tabel S4). Derfor var væksten i den endelige model omvendt relateret til udtryk, der repræsenterer handlingerne af D2, lave temperaturer (ikke medieret af ændringer i D2), andre fotosensoriske receptorer og den synergistiske interaktion mellem D2 og lav temperatur (ikke medieret af ændringer i D2).

Vi derefter monteret på modellen vækst for alle 200 lys-temperatur-genotype kombinationer. Forholdet mellem observerede og forudsagte data viste ingen systematisk afvigelse fra 1:1-korrelationen for det forskellige lys (Fig. 3A), temperatur (Fig. 3B) eller genetiske varianter med ændret PFR-stabilitet (Fig. 3C). Forudsagte data blev opnået med D2-værdier påvirket af lys, temperatur og genotype. For at teste betydningen af temperatureffekter medieret af ændringer i status for phyB, genberegnede vi vækst ved hjælp af D2 modificeret af lys og genotype, men ikke efter temperatur (konstant 10 liter C). Denne justering reducerede vækstmodellen godhed af pasform (Fig. 3B, indsat), hvilket indikerer, at bidraget fra phyB-medierede temperatureffekter på vækst er statistisk signifikant og ikke bør overses. Fordi vi estimerede effekten af D2 ved hjælp af data fra en enkelt temperatur (fig. S8), er vores vækstmodel ikke baseret på antagelsen om, at D2 ændrer sig med temperaturen, hvilket giver tillid til, at sidstnævnte konklusion er ægte.

Vi brugte vækstmodellen til at sammenligne bidraget fra hver af de tre temperaturafhængige udtryk til hæmning af vækst ved lave temperaturer. phyB-medierede effekter af temperatur bidrager til den samlede temperaturrespons (Fig. 3D). Virkningerne var store ved lave bestrålinger, faldt med mellemliggende bestrålinger (lysreaktioner bliver stadig vigtigere) og steg igen ved højere bestrålinger, fordi D2 nu påvirker væksten stærkere.

Phytochromer blev opdaget og er blevet undersøgt på grundlag af deres roller som lysreceptorer i planter (6, 7). Men vores observationer, at temperaturen ændrer mængden af D2 for phyB(Fig. 1 og 2) og dets fysiologiske output på en måde svarende til lys (Fig. 3) Angiv, at phyB også skal defineres som en temperatur-cue-receptor. phyB kræver lys for at overholde denne temperaturfunktion ved at have brug for lys til oprindeligt at generere den ustabile, men bioaktive PFR-tilstand. Temperatur påvirker phybs PFR-status hovedsageligt via kr1 i lyset (Fig. 1) og via kr2 om natten (19). Receptorer aktiveres ofte af deres ligander; selvom phyB aktiveres af rødt lys, inaktiveres det langt rødt lys og høje temperaturer. Denne kombination af lys – og temperaturopfattelse ville tjene til at integrere signalerne, der styrer foto-og termomorfogenese på måder, der optimerer væksten af planter udsat for en lang række miljøer.

korrektion (17. November 2016): rapport: “Phytochrome B integrerer lys-og temperatursignaler i Arabidopsis” af M. Legris et al. (18. November 2016, s. 897). Dette papir blev oprindeligt offentliggjort online som første udgivelse den 27. Oktober 2016. Disse oplysninger er blevet gendannet i slutningen af artiklen.