kasveilla on kyky säätää kasvuaan ja kehitystään valon ja lämpötilan merkkien mukaan (1). Lämpötilantunnistus auttaa kasveja määrittämään milloin itää, säätämään kehonsa suunnitelmaa suojautuakseen epäsuotuisilta lämpötiloilta ja kukkimaan. Lämpimät lämpötilat sekä kasvullisesta varjosta johtuva valon väheneminen edistävät varren kasvua, jolloin taimet voivat välttää lämpöstressiä ja viereisten kasvien latvuskasvustoa. Katsoo, että valon havaitsemista ohjaa kokoelma tunnistettuja fotoreseptoreita-mukaan lukien punainen / kaukana punainen valoa absorboiva fytokromi; sininen / ultravioletti-A (UV–A) valoa absorboiva kryptokromi, fototropiinit ja Zeitlupe-perheen jäsenet; lisäksi UV-B-absorboivia UVR8 (2) – lämpötila-antureita ei ole vielä vahvistettu (3). Lämpötila-antureiden tunnisteiden (tai tunnisteiden) löytäminen olisi erityisen tärkeää ilmastonmuutoksen yhteydessä (4).

Fytokromi B (phyB) on tärkein fotoreseptori, joka säätelee kasvua erilaisissa varjooloissa altistuneissa Arabidopsis-taimissa (5). Muiden fytokromiperheen jäsenten tavoin phyB on homodimeerinen kromoproteiini, jossa jokaisessa alayksikössä on kovalenttisesti sitoutunut fytokromobiliinikromofori. phyB on olemassa kahdessa valokuva-interconvertible muodossa: punaista valoa absorboiva Pr – tila, joka on biologisesti inaktiivinen, ja kaukana punaista valoa absorboiva PFR-tila, joka on biologisesti aktiivinen (6, 7). Siinä missä Pr syntyy biliinin kanssa, PFR: n muodostuminen vaatii valoa, ja sen tasoihin vaikuttaa voimakkaasti punainen/kauko-punainen valosuhde. Koska fotosynteettiset pigmentit absorboivat punaista valoa, naapurikasvillisuuden varjovalo vaikuttaa voimakkaasti Pfr-pitoisuuksiin vähentämällä tätä suhdetta (8). phyB Pfr palautuu myös spontaanisti Takaisin Pr: ksi valosta riippumattomassa reaktiossa, jota kutsutaan termiseksi palautumiseksi (9-11). Perinteisesti termisen palautumisen on oletettu olevan valoreaktioihin nähden liian hidasta, jotta se vaikuttaisi fybin PFR-tilaan jopa luonnonympäristöistä löytyvissä kohtalaisissa säteilytasoissa, mutta kaksi havaintoa on ristiriidassa tämän näkemyksen kanssa. Ensinnäkin fybin ydinkappaleiden muodostumiseen, joka kuvastaa Pfr: n tilaa, vaikuttaa valo paljon odotettua suurempiin säteilytasoihin asti, jos lämpöherätys olisi hidasta (12). Toiseksi on nyt selvää, että terminen palautuminen tapahtuu kahdessa vaiheessa. Vaikka ensimmäinen vaihe, Pfr: PFR homodimeeri (D2) PFR:Pr heterodimeeri (D1), on hidas (kr2), toinen vaihe, PFR:Pr heterodimeeristä Pr:Pr homodimeeriin (D0), on lähes kaksi suuruusluokkaa nopeampi (kr1) (Fig. 1 A) (11).

fysiologisesti merkitykselliset lämpötilat voivat muuttaa kr1: n suuruutta ja siten vaikuttaa PFR-ja D2-tasoihin jopa valaistuksessa (Kuva. 1 A). Tämän hypoteesin testaamiseen käytettiin in vitro-ja In vivo-spektroskopiaa ja fybin ydinkappaleiden analysointia konfokaalimikroskopian avulla. Ensimmäistä näistä lähestymistavoista varten tuotimme rekombinanttia täyspitkää phybiä, jossa oli sen fytokromobiliinikromofori. Jatkuvassa punaisessa valossa säteilytettynä in vitro-absorbanssi 725 nm: ssä saavutti alhaisemmat arvot korkeammissa lämpötiloissa, mikä viittaa PFR: n pienempiin vakaan tilan pitoisuuksiin (Kuva. 1, B ja C). Laskimme tasaisen absorbanssispektrien erot pimeydessä ja jatkuvassa punaisessa valossa (∆absorbanssi). ∆ Absorbanssin enimmäis – ja vähimmäishuippujen välinen amplitudi, joka edustaa Pfr: n määrää, laski voimakkaasti 10-30°C: n välillä (Kuva. 1, D ja E). Tämä phybin ominaisuus eroaa entsyymien tyypillisestä käyttäytymisestä, sillä niillä on lisääntynyt aktiivisuus samalla lämpötila-alueella (13).

mittasimme myös in vivo-spektroskopialla phyb Pfr: n vakaan tilan tasot taimissa, joita säteilytettiin jatkuvalla punaisella tai valkoisella valolla eri lämpötiloissa (vain säteilytyksen aikana). Lämpötilan nousu pienensi sekä Pfr: n että D2: n kokonaisaltasta (Kuva. 1F ja fig. S1), jota pidetään fysiologisesti merkittävänä lajina fybille (11). Näiden tietojen avulla määritimme kr1: n, joka kasvoi lämpötilan myötä (kuva. 1G).

phyB-ydinkappaleen muodostuminen lisääntyy säteilyvoimakkuuden ja punaisen / kauko-punaisen valon suhteen (12, 14) myötä, koska se riippuu D2: sta (11). D2: n lämpötilavaikutuksen välityskeinona käytimme ydinrungon muodostumisen eroa phyb-9–null-mutantin linjoissa, jotka on pelastettu muokkaamattomalla phyB: llä tai jommallakummalla kahdesta kromoforitaskumutantista, jotka estävät PFR: n termisen palautumisen in vitro vähällä tai olemattomalla vaikutuksella fotokonversioon (phyBY361F-YFP ja phyBR582A-YFP) (15, 16). De-etiolated (vihreä) taimet siirrettiin eri valo-olosuhteissa (säteilytasot ja punainen/far-punainen valo suhde) edustava suodattamaton auringonvalo, katos varjossa, tai pilvisiä päiviä, yhdessä eri lämpötiloissa sovelletaan vain valohoitojen aikana (kuva. S2). Säteilyvoimakkuus ei vaikuttanut merkittävästi phyby361f-YFP: n ja phyBR582A-YFP: n ydinrungon kokoon (kuva. S3)ja voimakkaasti vaikuttaa punainen / far-punainen suhde (kuva. S4). Tämä on yhdenmukaista sen käsityksen kanssa, että säteilyvasteet riippuvat kr1: stä ja kr2: sta (11), jotka vaikuttavat mutantteihin. Fybin ydinkappaleiden koko vaihteli nelinkertaisesti lämpötilan mukaan ja oli suurin ~20°C: n lämpötilassa (Kuva. 2A ja kuva. S5). Testasimme hypoteesia, jonka mukaan tämän lämpötilan vasteen negatiivinen vaihe on tehostetun lämmön palautumisen vähentämisen D2: n ilmentymä. Tätä tavoitetta kohti mallinnimme phyby361f-YFP: n ja phyBR582A-YFP: n ydinkappaleiden keskikokoa (taulukot S1 ja S2) sekä D2: n (11) että lämpötilavaikutusten funktiona, jota D2: n muutokset eivät välittäneet (kuva. S6). Sitten käytimme tätä rajoitettua mallia ennustamaan D2-tasoja phyb-ydinrungon koosta wild – tyyppisillä viivoilla(Kuva. 2b). Villin tyypin näennäisen log D2: n ja phyBY361F: n ja phyBR582A: n log D2: n ero samassa valotilassa on esitetty kuviossa. 2C (keskiarvo kaikissa valo-olosuhteissa). Tulokset osoittavat, että korkeat lämpötilat vähentävät villin tyypin phybin näennäistä D2: ta monenlaisissa valo-olosuhteissa.

käyttämällä edellä mainittuja kolmea lähestymistapaa osoitimme, että fybin aktiivisuus vähenee lämpötilan noustessa (Figs. 1 ja 2), mikä viittaa kahteen mahdolliseen biologiseen lopputulokseen. Yksi on se, että phyb-signaloinnin muutokset alajuoksulla kompensoivat lämpötilavaikutusta. Vuorokausikello antaa esimerkin lämpötilakompensaatiosta (17). Toinen on se, että phyb-havainto lämpötilavihjeistä ohjaa fysiologista ulostuloa. Jälkimmäisen hypoteesin ennustus on, että fybin aktiivisuuden (D2) pitäisi vaikuttaa samalla tavalla kasvuun riippumatta siitä, muuttuuko se valon, lämpötilan tai fybiä stabiloivien mutaatioiden vaikutuksesta. Testataksemme tätä ennustetta viljelimme Arabidopsis-taimia (myös phyB-geenimuunnoksia) samalla säteilyvoimakkuudella ja lämpötilalla, lajitimme ne eri valo-ja lämpötilaympäristöihin (kuva. S2), ja mallinnettu kasvu näissä olosuhteissa (taulukko S3) D2: n funktiona.

kasvun vasteet lämpötilaan (kuva. S7) ja valo (18) eivät ole yksinomaan phyB: n (D2) välittämiä. Näin rakensimme mallin kahdessa vaiheessa: ensinnäkin on sovitettava yksivariatoriset alimallit, jotka kuvaavat kasvun ja yksittäisten tekijöiden välistä suhdetta (D2, lämpötilavaikutukset, jotka eivät ole D2: n muutosten välittämiä, ja muiden fotosensorireseptorien aktiivisuus), ja sitten yhdistettävä nämä komponentit lopullisessa mallissa. D2: n osuuden kvantifioimiseksi (kuva. S8), käytimme kasvua 30°C: ssa (ei matalan lämpötilan kasvun estoa) (kuva. S9) kaikista genotyypeistä, mukaan lukien stabiloidut phyB-muunnokset ja phyB-null-mutantti (D2 = 0). Kvantifioida lämpötilan vaikutukset, jotka eivät johdu D2: n muutoksista (kuva. S9B), käytimme phyB-mutanttia (ei phyB−välitteistä inhibitiota) 1 µmol m−2 s-1: ssä (tällä säteilyvoimakkuudella ja 30°C: ssa kasvu on maksimaalinen, mikä osoittaa, että muut fotoreseptorit eivät anna voimakasta vaikutusta). Kvantifioida muiden fotoreseptorien osuus (kuva. S10), käytimme phyB-mutanttia (ei phyB-välitteistä inhibitiota) säteilyalueella 30°C: ssa (ei matalan lämpötilan kasvun inhibitiota). Ainoa tilastollisesti merkitsevä vuorovaikutus näiden termien välillä oli D2: n ja lämpötilavaikutusten välillä, joita D2: n muutokset eivät välittäneet (taulukko S4). Näin ollen lopullisessa mallissa kasvu oli kääntäen yhteydessä termeihin, jotka edustivat D2: n vaikutusta, alhaisia lämpötiloja (eivät välittyneet D2: n muutoksista), muita valosensorireseptoreita sekä D2: n ja matalan lämpötilan välistä synergististä vuorovaikutusta (eivät välittyneet D2: n muutoksista).

tämän jälkeen sovitimme mallikasvun kaikille 200 valo-lämpötila-genotyyppi-yhdistelmälle. Havaitun ja ennustetun tiedon välinen suhde ei osoittanut järjestelmällistä poikkeamista 1: 1-korrelaatiosta eri valon osalta (Kuva. 3a), lämpötila (Kuva. 3B) tai geenimuunnokset, joiden PFR-stabiilisuus on muuttunut (kuva. 3C). Ennustetut tiedot saatiin D2-arvoilla, joihin valo, lämpötila ja genotyyppi vaikuttivat. Fybin tilan muutosten aiheuttamien lämpötilavaikutusten merkityksen testaamiseksi laskimme kasvun uudelleen käyttämällä valon ja genotyypin muokkaamaa D2: ta, mutta ei lämpötilan (vakio 10°c) mukaan. Tämä säätö vähensi kasvumallin hyvyyttä istuvuuden (Kuva. 3B, pikkukuva), mikä osoittaa, että fybivälitteisten lämpötilavaikutusten vaikutus kasvuun on tilastollisesti merkitsevä, eikä sitä pidä laiminlyödä. Koska arvioimme D2: n vaikutuksen käyttämällä yhden lämpötilan tietoja (Kuva. S8), kasvumallimme ei perustu olettamukseen, että D2 muuttuu lämpötilan mukana, mikä luo luottamusta siihen, että jälkimmäinen johtopäätös on aito.

vertailimme kasvumallin avulla kunkin kolmen lämpötilasta riippuvan termin osuutta alhaisten lämpötilojen kasvun estymiseen. lämpötilan fybivälitteiset vaikutukset vaikuttavat kokonaislämpötilavasteeseen (Kuva. 3D). Vaikutukset olivat suuria pienillä säteilytehoilla, vähenivät välillisillä säteilytehoilla (valoreaktiot ovat yhä tärkeämpiä) ja lisääntyivät taas suuremmilla säteilytehoilla, koska nyt D2 vaikuttaa voimakkaammin kasvuun.

Fytokromeja löydettiin ja niitä on tutkittu niiden roolin perusteella kasvien valoreseptoreina (6, 7). Kuitenkin havaintomme, että lämpötila muuttaa määrää D2 phyB (viikunat. 1 ja 2)ja sen fysiologinen tuotos samalla tavalla kuin valo (kuva. 3) osoittavat, että phyB olisi määriteltävä myös lämpötilan cue reseptori. phyB vaatii valoa tämän lämpötilafunktion noudattamiseksi, koska se tarvitsee valoa aluksi epävakaan mutta bioaktiivisen Pfr-tilan tuottamiseen. Lämpötila vaikuttaa phybin Pfr-tilaan pääasiassa kr1: n kautta valossa (Kuva. 1) ja Via kr2 yön aikana (19). Reseptorit aktivoituvat usein ligandiensa avulla; vaikka phyB aktivoituu punaisen valon vaikutuksesta, se inaktivoituu kaukopunaisessa valossa ja korkeissa lämpötiloissa. Tämä valon ja lämpötilan havaitsemisen yhdistelmä auttaisi integroimaan valo – ja termomorfogeneesiä säätelevät signaalit tavoilla, jotka optimoivat monenlaisissa ympäristöissä altistuvien kasvien kasvua.

Correction (17.marraskuuta 2016): Report: ”Phytochrome B integrates light and temperature signals in Arabidopsis” by M. Legris et al. Marraskuuta 2016, s. 897). Tämä paperi julkaistiin alun perin verkossa ensimmäisenä julkaisuna 27. lokakuuta 2016. Tämä tieto on palautettu artikkelin loppuun.