Las plantas tienen la capacidad de ajustar su crecimiento y desarrollo en respuesta a las señales de luz y temperatura (1). La detección de temperatura ayuda a las plantas a determinar cuándo germinar, ajustar su plan corporal para protegerse de las temperaturas adversas y florecer. Las temperaturas cálidas, así como la luz reducida resultante de la sombra vegetativa, promueven el crecimiento del tallo, lo que permite que las plántulas eviten el estrés térmico y la sombra del dosel de las plantas vecinas. Mientras que la percepción de la luz es impulsada por una colección de fotorreceptores identificados, incluidos los fitocromos que absorben la luz roja / roja lejana; los criptocromos que absorben la luz azul / ultravioleta A (UV-A), las fototropinas y los miembros de la familia Zeitlupe; y los sensores de temperatura UVR8 (2) absorbentes de UV-B quedan por establecer (3). Encontrar la identidad (o identidades) de los sensores de temperatura sería de particular importancia en el contexto del cambio climático (4).

El fitocromo B (phyB) es el principal fotorreceptor que controla el crecimiento en plántulas de Arabidopsis expuestas a diferentes condiciones de sombra (5). Al igual que otros en la familia del fitocromo, la phyB es una cromoproteína homodimérica, con cada subunidad que alberga un cromóforo de fitocromobilina unido covalentemente. phyB existe en dos formas foto-interconvertibles: un estado Pr que absorbe la luz roja que es biológicamente inactivo y un estado Pfr que absorbe la luz roja lejana que es biológicamente activo (6, 7). Mientras que Pr surge al ensamblarse con la bilina, la formación de Pfr requiere luz, y sus niveles están fuertemente influenciados por la relación de luz roja / roja lejana. En consecuencia, debido a que la luz roja es absorbida por pigmentos fotosintéticos, la luz de sombra de la vegetación vecina tiene un fuerte impacto en los niveles de Pfr al reducir esta proporción (8). phyB Pfr también vuelve espontáneamente a Pr en una reacción independiente de la luz llamada reversión térmica (9-11). Tradicionalmente, se suponía que la reversión térmica era demasiado lenta en relación con las reacciones a la luz para afectar el estado Pfr de phyB, incluso bajo irradiancias moderadas que se encuentran en entornos naturales, pero dos observaciones contradicen este punto de vista. En primer lugar, la formación de cuerpos nucleares phyB, que refleja el estado de Pfr, se ve afectada por la luz hasta irradiancias mucho más altas de lo esperado si la reversión térmica fuera lenta (12). En segundo lugar, ahora está claro que la reversión térmica se produce en dos pasos. Aunque el primer paso, del homodímero Pfr: Pfr (D2) al Pfr:El heterodímero Pr (D1), es lento (kr2), el segundo paso, del heterodímero Pfr:Pr al homodímero Pr:Pr (D0), es casi dos órdenes de magnitud más rápido (kr1) (Fig. 1A) (11).

Las temperaturas fisiológicamente relevantes podrían cambiar la magnitud de kr1 y, en consecuencia, afectar los niveles de Pfr y D2, incluso bajo iluminación (Fig. 1A). Para probar esta hipótesis, se utilizó espectroscopia in vitro e in vivo y análisis de cuerpos nucleares phyB mediante microscopía confocal. Para el primero de estos enfoques, producimos phyB recombinante de longitud completa con su cromóforo de fitocromobilina. Cuando se irradia bajo luz roja continua, la absorbancia in vitro a 725 nm alcanzó valores más bajos a temperaturas más altas, lo que es indicativo de niveles reducidos de Pfr en estado estacionario (Fig. 1, B y C). Calculamos las diferencias entre los espectros de absorbancia en estado estacionario en la oscuridad y la luz roja continua (absorbancia ERS). La amplitud entre los picos máximo y mínimo de absorbancia de ERS, que representa la cantidad de Pfr, disminuyó fuertemente entre 10 y 30°C (Fig. 1, D y E). Esta característica de phyB difiere del comportamiento típico de las enzimas, que exhiben una mayor actividad en el mismo rango de temperatura (13).

También medimos con espectroscopia in vivo los niveles de phyB Pfr en estado estacionario en plántulas irradiadas con luz roja o blanca continua a diferentes temperaturas (aplicadas solo durante la irradiación). El aumento de las temperaturas redujo tanto el pool total de Pfr como el de D2 (Fig. 1F y fig. S1), que se considera la especie fisiológicamente relevante para phyB (11). Utilizando estos datos, determinamos kr1, que aumentaba con la temperatura (Fig. 1G).

La formación del cuerpo nuclear phyB aumenta con la irradiación y la relación de luz roja/roja lejana (12, 14) porque depende de D2 (11). Como un proxy para el impacto de la temperatura en D2, utilizamos la diferencia en la formación del cuerpo nuclear en líneas del mutante phyB-9–nulo rescatado con phyB no modificado o cualquiera de dos mutantes de bolsa de cromóforo que suprimen la reversión térmica de Pfr in vitro con poco o ningún efecto en la fotoconversión (phyBY361F-YFP y phyBR582A-YFP) (15, 16). Las plántulas des etioladas (verdes) se transfirieron a las diferentes condiciones de luz (irradiancias y relaciones de luz roja/roja lejana) representativas de la luz solar sin filtrar, la sombra del dosel o los días nublados, en combinación con diferentes temperaturas aplicadas solo durante los tratamientos de luz (fig. S2). El tamaño del cuerpo nuclear de phyBY361F-YFP y phyBR582A-YFP no se vio afectado significativamente por la irradiación (fig. S3) y fuertemente afectada por la relación rojo/rojo lejano (fig. S4). Esto es consistente con la noción de que las respuestas de irradiación dependen de kr1 y kr2 (11), que se ven afectadas en los mutantes. El tamaño de los cuerpos nucleares phyB variaba cuadráticamente con la temperatura y era mayor a ~20°C (Fig. 2A y fig. S5). Probamos la hipótesis de que la fase negativa de esta respuesta a la temperatura es la manifestación de una reversión térmica mejorada que reduce D2. Con este objetivo, modelamos el tamaño promedio de los cuerpos nucleares phyBY361F-YFP y phyBR582A-YFP (tablas S1 y S2) en función de los efectos D2 (11) y de la temperatura no mediados por cambios en D2 (fig. S6). Luego, utilizamos este modelo restringido para predecir los niveles de D2 a partir de tamaños de cuerpos nucleares phyB en líneas de tipo salvaje (Fig. 2B). La diferencia entre el log D2 aparente en tipo salvaje y el log D2 de phyBY361F y phyBR582A en la misma condición de luz se muestra en la Fig. 2C (diferencia promediada para todas las condiciones de luz). Los resultados indican que las altas temperaturas disminuyen el D2 aparente para el phyB de tipo salvaje bajo una amplia gama de condiciones de luz.

Utilizando los tres enfoques anteriores, mostramos que la actividad de phyB disminuye con el aumento de la temperatura (Figs. 1 y 2), sugiriendo dos posibles resultados biológicos. Una es que los cambios aguas abajo en la señalización de phyB compensan el efecto de la temperatura. El reloj circadiano proporciona un ejemplo de compensación de temperatura (17). La otra es que la percepción de phyB de las señales de temperatura controla la salida fisiológica. Una predicción de esta última hipótesis es que la actividad FIB (D2) debería afectar de manera similar el crecimiento independientemente de si está alterada por la luz, la temperatura o las mutaciones que estabilizan la FIB. Para probar esta predicción, cultivamos plántulas de Arabidopsis (incluidas las variantes genéticas de phyB) a la misma irradiación y temperatura, y las clasificamos según los diferentes entornos de luz y temperatura (fig. S2), y crecimiento modelado en estas condiciones (cuadro S3) en función de D2.

Las respuestas de crecimiento a la temperatura (fig. S7) y la luz (18) no están mediadas exclusivamente por phyB (D2). Por lo tanto, construimos el modelo en dos pasos: en primer lugar, ajustar submodelos univariados que describen la relación entre el crecimiento y los factores individuales (D2, efectos de temperatura no mediados por cambios en D2 y actividad de otros receptores fotosensoriales), y luego combinar esos componentes en el modelo final. Para cuantificar la contribución de D2 (fig. S8), utilizamos crecimiento a 30°C (sin inhibición del crecimiento a baja temperatura) (fig. S9) de todos los genotipos, incluyendo las variantes estabilizadas de phyB y el mutante nulo de phyB (D2 = 0). Para cuantificar los efectos de la temperatura no mediada por cambios en D2 (fig. S9B), utilizamos el mutante phyB (sin inhibición mediada por phyB) a 1 µmol m−2 s−1 (a esta irradiación, y a 30°C, el crecimiento es máximo, lo que indica que otros fotorreceptores no hacen una contribución fuerte). Para cuantificar la contribución de otros fotorreceptores (fig. S10), utilizamos el mutante phyB (sin inhibición mediada por phyB) en un rango de irradiancias a 30°C (sin inhibición del crecimiento a baja temperatura). La única interacción estadísticamente significativa entre estos términos fue entre D2 y efectos de temperatura no mediados por cambios en D2 (tabla S4). Por lo tanto, en el modelo final, el crecimiento se relacionó inversamente con términos que representan las acciones de D2, bajas temperaturas (no mediadas por cambios en D2), otros receptores fotosensoriales y la interacción sinérgica entre D2 y baja temperatura (no mediada por cambios en D2).

Luego nos ajustamos al crecimiento del modelo para todas las 200 combinaciones de luz, temperatura y genotipo. La relación entre los datos observados y predichos no mostró desviación sistemática de la correlación 1: 1 para la luz diferente (Fig. 3A), temperatura (Fig. 3B), o variantes genéticas con estabilidad de Pfr alterada (Fig. 3C). Los datos predichos se obtuvieron con valores de D2 afectados por la luz, la temperatura y el genotipo. Para probar la importancia de los efectos de temperatura mediados por cambios en el estado de phyB, se recalculó el crecimiento utilizando D2 modificado por luz y genotipo, pero no por temperatura (constante de 10°C). Este ajuste redujo la bondad de ajuste del modelo de crecimiento (Fig. 3B, recuadro), lo que indica que la contribución de los efectos de temperatura mediados por FIB en el crecimiento es estadísticamente significativa y no debe descuidarse. Porque estimamos el efecto de D2 usando datos de una sola temperatura (fig. S8), nuestro modelo de crecimiento no se basa en la suposición de que D2 cambia con la temperatura, lo que proporciona confianza en que esta última conclusión es genuina.

Utilizamos el modelo de crecimiento para comparar la contribución de cada uno de los tres términos dependientes de la temperatura a la inhibición del crecimiento por bajas temperaturas. Los efectos de la temperatura mediados por la FIB contribuyen a la respuesta general a la temperatura (Fig. 3D). Los efectos fueron grandes con irradiancias bajas, disminuyeron con irradiancias intermedias (las reacciones a la luz se vuelven cada vez más importantes) y aumentaron nuevamente con irradiancias más altas porque ahora D2 afecta el crecimiento con más fuerza.

Se descubrieron fitocromos y se han estudiado en base a su papel como receptores de luz en plantas (6, 7). Sin embargo, nuestras observaciones de que la temperatura altera la cantidad de D2 para phyB (Figs. 1 y 2) y su salida fisiológica de manera similar a la luz (Fig. 3) indicar que phyB también debe definirse como un receptor de señal de temperatura. phyB requiere luz para cumplir con esta función de temperatura al necesitar luz para generar inicialmente el estado Pfr inestable pero bioactivo. La temperatura afecta el estado Pfr de phyB principalmente a través de kr1 en la luz (Fig. 1) y a través de kr2 durante la noche (19). Los receptores a menudo se activan por sus ligandos; aunque el phyB se activa por la luz roja, se inactiva por la luz roja lejana y las altas temperaturas. Esta combinación de percepción de luz y temperatura serviría para integrar las señales que controlan la fotomorfogénesis y la termomorfogénesis de manera que optimicen el crecimiento de las plantas expuestas a una amplia gama de entornos.Corrección (17 de noviembre de 2016): Informe: «El fitocromo B integra señales de luz y temperatura en Arabidopsis» por M. Legris et al. (18 de noviembre de 2016, p. 897). Este artículo se publicó originalmente en línea como Primer lanzamiento el 27 de octubre de 2016. Esta información se ha restaurado al final del artículo.