Pflanzen haben die Fähigkeit, ihr Wachstum und ihre Entwicklung als Reaktion auf Licht- und Temperatursignale anzupassen (1). Die Temperaturmessung hilft Pflanzen zu bestimmen, wann sie keimen müssen, ihren Körperplan anzupassen, um sich vor widrigen Temperaturen zu schützen, und zu blühen. Warme Temperaturen sowie reduziertes Licht aus dem vegetativen Schatten fördern das Stammwachstum und ermöglichen es den Sämlingen, Hitzestress und Schatten von benachbarten Pflanzen zu vermeiden. Während die Lichtwahrnehmung durch eine Sammlung identifizierter Photorezeptoren gesteuert wird – einschließlich der roten / fernroten lichtabsorbierenden Phytochrome; die blauen / Ultraviolett-A (UV-A) lichtabsorbierenden Cryptochrome, Phototropine und Mitglieder der Zeitlupe-Familie; und die UV-B-absorbierenden UVR8 (2)-Temperatursensoren müssen noch etabliert werden (3). Das Auffinden der Identität (oder Identitäten) von Temperatursensoren wäre im Kontext des Klimawandels von besonderer Relevanz (4).

Phytochrom B (phyB) ist der Hauptphotorezeptor, der das Wachstum von Arabidopsis-Sämlingen kontrolliert, die unterschiedlichen Schattenbedingungen ausgesetzt sind (5). Wie andere in der Phytochromfamilie ist phyB ein homodimeres Chromoprotein, wobei jede Untereinheit einen kovalent gebundenen Phytochromobilin-Chromophor beherbergt. phyB existiert in zwei photo-interkonvertierbaren Formen: einen rotlichtabsorbierenden Pr-Zustand, der biologisch inaktiv ist, und einen fernrotlichtabsorbierenden Pfr-Zustand, der biologisch aktiv ist (6, 7). Während Pr bei der Assemblierung mit dem Bilin entsteht, erfordert die Bildung von Pfr Licht, und seine Spiegel werden stark durch das Rot / Fernrot-Lichtverhältnis beeinflusst. Da rotes Licht von photosynthetischen Pigmenten absorbiert wird, hat das Schattenlicht benachbarter Vegetation einen starken Einfluss auf den Pfr-Spiegel, indem es dieses Verhältnis verringert (8). phyB Pfr kehrt auch spontan zu Pr in einer lichtunabhängigen Reaktion zurück, die als thermische Reversion bezeichnet wird (9-11). Traditionell wurde angenommen, dass die thermische Reversion im Verhältnis zu den Lichtreaktionen zu langsam ist, um den Pfr-Status von phyB zu beeinflussen, selbst unter moderaten Bestrahlungsstärken in natürlichen Umgebungen, aber zwei Beobachtungen widersprechen dieser Ansicht. Erstens wird die Bildung von phyB-Kernkörpern, die den Status von Pfr widerspiegelt, durch Licht bis zu Bestrahlungsstärken beeinflusst, die viel höher sind als erwartet, wenn die thermische Reversion langsam wäre (12). Zweitens ist jetzt klar, dass die thermische Umkehrung in zwei Schritten erfolgt. Obwohl der erste Schritt vom Pfr: Pfr-Homodimer (D2) zum Pfr:Pr-Heterodimer (D1) ist langsam (kr2), der zweite Schritt vom Pfr: Pr-Heterodimer zum Pr:Pr-Homodimer (D0) ist fast zwei Größenordnungen schneller (kr1) (Abb. 1A) (11).

Physiologisch relevante Temperaturen könnten die Größe von kr1 verändern und folglich Pfr- und D2-Werte beeinflussen, selbst unter Beleuchtung (Abb. 1A). Um diese Hypothese zu testen, verwendeten wir in vitro und in vivo Spektroskopie und Analyse von Phybkernkörpern mittels konfokaler Mikroskopie. Für den ersten dieser Ansätze produzierten wir rekombinantes phyB in voller Länge, das seinen Phytochromobilin-Chromophor trägt. Bei Bestrahlung mit kontinuierlichem rotem Licht erreichte die In-vitro-Absorption bei 725 nm bei höheren Temperaturen niedrigere Werte, was auf reduzierte Pfr-Steady-State-Werte hinweist (Abb. 1, B und C). Wir berechneten die Unterschiede zwischen den stationären Absorptionsspektren in Dunkelheit und kontinuierlichem Rotlicht (∆ Absorption). Die Amplitude zwischen den maximalen und minimalen Peaks der ∆ Extinktion, die die Pfr-Menge darstellt, nahm zwischen 10 und 30 ° C stark ab (Abb. 1, D und E). Diese Eigenschaft von phyB unterscheidet sich vom typischen Verhalten von Enzymen, die im gleichen Temperaturbereich eine erhöhte Aktivität aufweisen (13).

Wir haben auch mit In-vivo-Spektroskopie die Steady-State-Spiegel von phyB Pfr in Sämlingen gemessen, die mit kontinuierlichem rotem oder weißem Licht bei verschiedenen Temperaturen bestrahlt wurden (nur während der Bestrahlung angewendet). Steigende Temperaturen reduzierten sowohl den Gesamtpool von Pfr als auch den von D2 (Abb. 1F und Fig. S1), die als physiologisch relevante Spezies für phyB gilt (11). Mit diesen Daten bestimmten wir kr1, das mit der Temperatur zunahm (Abb. 1G).

Die phyB-Kernkörperbildung nimmt mit der Bestrahlungsstärke und dem Rot / Fern-Rot-Lichtverhältnis zu (12, 14), da sie von D2 abhängt (11). Als Proxy für den Temperatureffekt auf D2 verwendeten wir den Unterschied in der Kernkörperbildung in Linien der phyB-9–Null-Mutante, die mit unmodifiziertem phyB oder einer von zwei Chromophor-Taschenmutanten verglichen wurde, die die Pfr-Thermorversion in vitro mit wenig bis keiner Wirkung auf die Photokonversion unterdrücken (phyBY361F-YFP und phyBR582A-YFP) (15, 16). Entätiolierte (grüne) Sämlinge wurden auf die verschiedenen Lichtbedingungen (Bestrahlungsstärken und Rot / Fernrot-Lichtverhältnisse) übertragen, die für ungefiltertes Sonnenlicht, Baldachinschatten oder bewölkte Tage repräsentativ sind, in Kombination mit unterschiedlichen Temperaturen, die nur während der Lichtbehandlungen angewendet wurden (Abb. S2). Die Kernkörpergröße von phyBY361F-YFP und phyBR582A-YFP wurde durch die Bestrahlungsstärke nicht signifikant beeinflusst (Abb. S3) und stark beeinflusst durch das Rot/Fern-Rot-Verhältnis (Fig. S4). Dies steht im Einklang mit der Vorstellung, dass die Bestrahlungsstärkeantworten von kr1 und kr2 (11) abhängen, die in den Mutanten betroffen sind. Die Größe der phyB-Kernkörper variierte quadratisch mit der Temperatur und war bei ~ 20 ° C am größten (Abb. 2A und Fig. S5). Wir testeten die Hypothese, dass die negative Phase dieser Reaktion auf die Temperatur die Manifestation einer verstärkten thermischen Reversion ist, die D2 reduziert. Zu diesem Zweck modellierten wir die durchschnittliche Größe der Kernkörper phyBY361F-YFP und phyBR582A-YFP (Tabellen S1 und S2) als Funktion von D2 (11) und Temperatureffekten, die nicht durch Änderungen in D2 vermittelt werden (Abb. S6). Anschließend verwendeten wir dieses eingeschränkte Modell, um die D2-Spiegel aus den phyB-Kernkörpergrößen in Wildtyp-Linien vorherzusagen (Abb. 2B). Der Unterschied zwischen dem scheinbaren Log D2 im Wildtyp und dem Log D2 von phyBY361F und phyBR582A im gleichen Lichtzustand ist in Abb. 2C (Differenz gemittelt für alle Lichtverhältnisse). Die Ergebnisse zeigen, dass hohe Temperaturen das scheinbare D2 für den Wildtyp-phyB unter einer Vielzahl von Lichtbedingungen verringern.

Mit den drei obigen Ansätzen haben wir gezeigt, dass die Aktivität von phyB mit steigender Temperatur abnimmt (Abb. 1 und 2), was auf zwei mögliche biologische Ergebnisse hindeutet. Eine davon ist, dass nachgeschaltete Änderungen der phyB-Signalisierung den Temperatureffekt kompensieren. Die zirkadiane Uhr liefert ein Beispiel für die Temperaturkompensation (17). Die andere ist, dass die phyB-Wahrnehmung von Temperaturhinweisen den physiologischen Output steuert. Eine Vorhersage der letzteren Hypothese ist, dass die phyB-Aktivität (D2) das Wachstum in ähnlicher Weise beeinflussen sollte, unabhängig davon, ob es durch Licht, Temperatur oder Mutationen, die phyB stabilisieren, verändert wird. Um diese Vorhersage zu testen, kultivierten wir Arabidopsis-Setzlinge (einschließlich phyB-Genvarianten) bei gleicher Bestrahlungsstärke und Temperatur und sortierten sie für die verschiedenen Licht- und Temperaturumgebungen (Abb. S2) und modellierte das Wachstum unter diesen Bedingungen (Tabelle S3) als Funktion von D2.

Die Wachstumsreaktionen auf die Temperatur (Abb. S7) und Licht (18) werden nicht ausschließlich durch phyB (D2) vermittelt. Daher haben wir das Modell in zwei Schritten erstellt: zuerst werden univariate Submodelle angepasst, die die Beziehung zwischen Wachstum und den einzelnen Faktoren beschreiben (D2, Temperatureffekte, die nicht durch Änderungen von D2 vermittelt werden, und Aktivität anderer photosensorischer Rezeptoren), und dann werden diese Komponenten im endgültigen Modell kombiniert. Zur Quantifizierung des Beitrags von D2 (Abb. S8) verwendeten wir ein Wachstum bei 30 °C (keine Tieftemperaturhemmung des Wachstums) (Abb. S9) aller Genotypen, einschließlich der stabilisierten phyB-Varianten und der phyB-Null-Mutante (D2 = 0). Um die Auswirkungen der Temperatur zu quantifizieren, die nicht durch Änderungen in D2 vermittelt werden (Abb. S9B) verwendeten wir die PHYB-Mutante (keine phyB−vermittelte Hemmung) bei 1 µmol m−2 s-1 (bei dieser Bestrahlungsstärke und bei 30 ° C ist das Wachstum maximal, was darauf hinweist, dass andere Photorezeptoren keinen starken Beitrag leisten). Um den Beitrag anderer Photorezeptoren zu quantifizieren (Abb. S10) verwendeten wir die PHYB-Mutante (keine phyB-vermittelte Inhibition) bei einem Bestrahlungsbereich von 30°C (keine Tieftemperatur-Wachstumshemmung). Die einzige statistisch signifikante Wechselwirkung zwischen diesen Begriffen bestand zwischen D2 und Temperatureffekten, die nicht durch Änderungen von D2 vermittelt wurden (Tabelle S4). Daher war das Wachstum im endgültigen Modell umgekehrt mit Begriffen verbunden, die die Wirkungen von D2, niedrigen Temperaturen (nicht durch Änderungen von D2 vermittelt), anderen photosensorischen Rezeptoren und der synergistischen Wechselwirkung zwischen D2 und niedriger Temperatur (nicht durch Änderungen von D2 vermittelt).

Wir haben dann das Modellwachstum für alle 200 Licht-Temperatur-Genotyp-Kombinationen angepasst. Die Beziehung zwischen beobachteten und vorhergesagten Daten zeigte keine systematische Abweichung von der 1: 1-Korrelation für das unterschiedliche Licht (Abb. 3A), Temperatur (Fig. 3B) oder genetische Varianten mit veränderter Pfr-Stabilität (Fig. 3C). Vorhergesagte Daten wurden mit D2-Werten erhalten, die von Licht, Temperatur und Genotyp beeinflusst wurden. Um die Signifikanz von Temperatureffekten zu testen, die durch Änderungen des phyB-Status vermittelt werden, haben wir das Wachstum neu berechnet, indem wir D2 verwendet haben, das durch Licht und Genotyp modifiziert wurde, jedoch nicht durch Temperatur (konstant 10 ° C). Diese Anpassung reduzierte die Passgenauigkeit des Wachstumsmodells (Abb. 3B, inset), was darauf hinweist, dass der Beitrag von phyB-vermittelten Temperatureffekten zum Wachstum statistisch signifikant ist und nicht vernachlässigt werden sollte. Da wir den Effekt von D2 anhand von Daten einer einzelnen Temperatur abgeschätzt haben (Abb. S8) basiert unser Wachstumsmodell nicht auf der Annahme, dass sich D2 mit der Temperatur ändert, was die Gewissheit gibt, dass die letztere Schlussfolgerung echt ist.

Wir haben das Wachstumsmodell verwendet, um den Beitrag jedes der drei temperaturabhängigen Terme zur Wachstumshemmung durch niedrige Temperaturen zu vergleichen. phyB-vermittelte Temperatureffekte tragen zum Gesamttemperaturverhalten bei (Abb. DREIDIMENSIONAL). Die Effekte waren bei niedrigen Bestrahlungsstärken groß, nahmen mit mittleren Bestrahlungsstärken ab (Lichtreaktionen werden immer wichtiger) und nahmen bei höheren Bestrahlungsstärken wieder zu, da jetzt D2 das Wachstum stärker beeinflusst.

Phytochrome wurden entdeckt und auf der Grundlage ihrer Rolle als Lichtrezeptoren in Pflanzen untersucht (6, 7). Unsere Beobachtungen, dass die Temperatur die Menge an D2 für phyB verändert (Abb. 1 und 2) und seine physiologische Leistung in ähnlicher Weise wie Licht (Fig. 3) geben Sie an, dass phyB auch als Temperatur-Cue-Rezeptor definiert werden sollte. phyB benötigt Licht, um diese Temperaturfunktion zu erfüllen, indem Licht benötigt wird, um zunächst den instabilen, aber bioaktiven Pfr-Zustand zu erzeugen. Die Temperatur beeinflusst den Pfr-Status von phyB hauptsächlich über kr1 im Licht (Abb. 1) und über kr2 in der Nacht (19). Rezeptoren werden oft durch ihre Liganden aktiviert; Obwohl phyB durch rotes Licht aktiviert wird, wird es durch fernrotes Licht und hohe Temperaturen inaktiviert. Diese Kombination aus Licht- und Temperaturwahrnehmung würde dazu dienen, die Signale zu integrieren, die die Foto- und Thermorphogenese steuern, um das Wachstum von Pflanzen zu optimieren, die einer Vielzahl von Umgebungen ausgesetzt sind.Korrektur (17. November 2016): Bericht: „Phytochrom B integrates light and temperature signals in Arabidopsis“ von M. Legris et al. (18. November 2016, S. 897). Dieses Papier wurde ursprünglich online als erste Veröffentlichung am 27. Oktober 2016 veröffentlicht. Diese Informationen wurden am Ende des Artikels wiederhergestellt.