Les plantes ont la capacité d’ajuster leur croissance et leur développement en réponse aux signaux de lumière et de température (1). La détection de la température aide les plantes à déterminer quand germer, à ajuster leur plan corporel pour se protéger des températures défavorables et à fleurir. Les températures chaudes ainsi que la lumière réduite résultant de l’ombre végétative favorisent la croissance des tiges, permettant aux semis d’éviter le stress thermique et l’ombre de la canopée des plantes voisines. Considérant que la perception de la lumière est pilotée par une collection de photorécepteurs identifiés – y compris les phytochromes absorbant la lumière rouge / rouge lointain; les cryptochromes absorbant la lumière bleu / ultraviolet-A (UV-A), les phototropines et les membres de la famille Zeitlupe; et les capteurs de température UVR8 (2) absorbant les UV-B restent à établir (3). La recherche de l’identité (ou des identités) des capteurs de température serait particulièrement pertinente dans le contexte du changement climatique (4).

Le phytochrome B (phyB) est le principal photorécepteur contrôlant la croissance des plantules d’Arabidopsis exposées à différentes conditions d’ombre (5). Comme d’autres dans la famille des phytochromes, phyB est une chromoprotéine homodimérique, chaque sous-unité abritant un chromophore de phytochromobiline lié de manière covalente. phyB existe sous deux formes photo-interconvertibles: un état Pr absorbant la lumière rouge qui est biologiquement inactif et un état Pfr absorbant la lumière rouge lointain qui est biologiquement actif (6, 7). Alors que le Pr apparaît lors de l’assemblage avec la biline, la formation de Pfr nécessite de la lumière et ses niveaux sont fortement influencés par le rapport lumière rouge / rouge lointain. Par conséquent, comme la lumière rouge est absorbée par les pigments photosynthétiques, la lumière d’ombre de la végétation voisine a un fort impact sur les niveaux de Pfr en réduisant ce rapport (8). phyB Pfr revient également spontanément à Pr dans une réaction indépendante de la lumière appelée réversion thermique (9-11). Traditionnellement, on supposait que la réversion thermique était trop lente par rapport aux réactions lumineuses pour affecter le statut Pfr de phyB, même sous des irradiations modérées trouvées dans des environnements naturels, mais deux observations contredisent ce point de vue. Premièrement, la formation de corps nucléaires phyB, qui reflète l’état de la Pfr, est affectée par la lumière jusqu’à des irradiances beaucoup plus élevées que prévu si la réversion thermique était lente (12). Deuxièmement, il est maintenant clair que la réversion thermique se produit en deux étapes. Bien que la première étape, du Pfr: homodimère Pfr (D2) au Pfr:L’hétérodimère Pr (D1), est lent (kr2), la deuxième étape, de l’hétérodimère Pfr:Pr à l’homodimère Pr:Pr (D0), est presque deux ordres de grandeur plus rapide (kr1) (Fig. 1 BIS) (11).

Des températures physiologiquement pertinentes pourraient modifier la magnitude de kr1 et, par conséquent, affecter les niveaux de Pfr et de D2, même sous éclairage (Fig. 1 BIS). Pour tester cette hypothèse, nous avons utilisé la spectroscopie in vitro et in vivo et l’analyse des corps nucléaires phyB au moyen de la microscopie confocale. Pour la première de ces approches, nous avons produit du phyB pleine longueur recombinant portant son chromophore de phytochromobiline. Lorsqu’elle est irradiée sous une lumière rouge continue, l’absorbance in vitro à 725 nm a atteint des valeurs plus basses à des températures plus élevées, ce qui indique des niveaux réduits de Pfr à l’état d’équilibre (Fig. 1, B et C). Nous avons calculé les différences entre les spectres d’absorbance à l’état stationnaire dans l’obscurité et la lumière rouge continue ( absorb absorbance). L’amplitude entre les pics maximum et minimum de absorb absorbance, qui représente la quantité de Pfr, a fortement diminué entre 10 et 30°C (Fig. 1, D et E). Cette caractéristique de phyB diffère du comportement typique des enzymes, qui présentent une activité accrue sur la même plage de température (13).

Nous avons également mesuré par spectroscopie in vivo les niveaux de Pfr phyB à l’état d’équilibre dans des semis irradiés avec une lumière rouge ou blanche continue à différentes températures (appliquée uniquement pendant l’irradiation). L’augmentation des températures a réduit à la fois le pool total de Pfr et celui de D2 (Fig. 1F et fig. S1), qui est considérée comme l’espèce physiologiquement pertinente pour phyB(11). En utilisant ces données, nous avons déterminé kr1, qui augmentait avec la température (Fig. 1G).

La formation du corps nucléaire phyB augmente avec l’irradiance et le rapport lumière rouge/rouge lointain (12, 14) car elle dépend de D2 (11). Comme approximation de l’impact de la température sur D2, nous avons utilisé la différence de formation du corps nucléaire dans les lignées du mutant phyB-9–nul sauvé avec du phyB non modifié ou l’un des deux mutants de poche chromophores qui suppriment la réversion thermique de la Pfr in vitro avec peu ou pas d’effet sur la photoconversion (phyBY361F-YFP et phyBR582A-YFP) (15, 16). Les plantules détiolées (vertes) ont été transférées dans les différentes conditions de lumière (irradiances et rapports de lumière rouge / rouge lointain) représentatives de la lumière du soleil non filtrée, de l’ombre de la canopée ou des jours nuageux, en combinaison avec des températures différentes appliquées uniquement pendant les traitements de lumière (fig. S2). La taille du corps nucléaire de phyBY361F-YFP et de phyBR582A-YFP n’a pas été significativement affectée par l’irradiance (fig. S3) et fortement affecté par le rapport rouge/rouge lointain (fig. S4). Ceci est cohérent avec l’idée que les réponses d’irradiance dépendent de kr1 et kr2(11), qui sont affectés chez les mutants. La taille des corps nucléaires phyB variait quadratiquement avec la température et était la plus grande à ~ 20 ° C (Fig. 2A et fig. S5). Nous avons testé l’hypothèse que la phase négative de cette réponse à la température est la manifestation d’une réversion thermique accrue réduisant D2. Dans ce but, nous avons modélisé la taille moyenne des corps nucléaires phyBY361F-YFP et phyBR582A-YFP (tableaux S1 et S2) en fonction à la fois de D2 (11) et d’effets de température non médiés par les changements de D2 (fig. S6). Ensuite, nous avons utilisé ce modèle restreint pour prédire les niveaux de D2 à partir de la taille du corps nucléaire phyB dans les lignées de type sauvage (Fig. 2B). La différence entre le log apparent D2 de type sauvage et le log D2 de phyBY361F et de phyBR582A dans le même état de lumière est illustrée à la Fig. 2C (différence moyenne pour toutes les conditions d’éclairage). Les résultats indiquent que les températures élevées diminuent le D2 apparent pour le phyB de type sauvage dans une large gamme de conditions d’éclairage.

En utilisant les trois approches ci-dessus, nous avons montré que l’activité de phyB diminue avec l’augmentation de la température (Fig. 1 et 2), suggérant deux résultats biologiques possibles. La première est que les changements en aval de la signalisation phyB compensent l’effet de la température. L’horloge circadienne fournit un example de compensation de température (17). L’autre est que la perception phyB des indices de température contrôle la sortie physiologique. Une prédiction de cette dernière hypothèse est que l’activité phyB (D2) devrait également affecter la croissance indépendamment du fait qu’elle soit modifiée par la lumière, la température ou des mutations qui stabilisent phyB. Pour tester cette prédiction, nous avons cultivé des semis d’Arabidopsis (y compris des variantes génétiques phyB) à la même irradiance et à la même température, les avons triés selon les différents environnements de lumière et de température (fig. S2), et modélisé la croissance dans ces conditions (tableau S3) en fonction de D2.

Les réponses de croissance à la température (fig. S7) et la lumière (18) ne sont pas exclusivement médiées par phyB (D2). Ainsi, nous avons construit le modèle en deux étapes: tout d’abord, ajuster des sous-modèles univariés décrivant la relation entre la croissance et les facteurs individuels (D2, effets de température non médiés par les changements de D2 et activité d’autres récepteurs photo-sensoriels), puis combiner ces composants dans le modèle final. Pour quantifier la contribution de D2 (fig. S8), nous avons utilisé une croissance à 30°C (pas d’inhibition de la croissance à basse température) (fig. S9) de tous les génotypes, y compris les variants phyB stabilisés et le mutant phyB-nul (D2 = 0). Pour quantifier les effets de la température non médiée par les changements de D2 (fig. S9B), nous avons utilisé le mutant phyB (pas d’inhibition médiée par phyB) à 1 µmol m-2 s−1 (à cette irradiance, et à 30°C, la croissance est maximale, ce qui indique que les autres photorécepteurs n’apportent pas une forte contribution). Pour quantifier la contribution d’autres photorécepteurs (fig. S10), nous avons utilisé le mutant phyB (pas d’inhibition médiée par phyB) à une gamme d’irradiances à 30 ° C (pas d’inhibition de croissance à basse température). La seule interaction statistiquement significative entre ces termes était entre D2 et les effets de la température non médiés par les changements de D2 (tableau S4). Par conséquent, dans le modèle final, la croissance était inversement liée aux termes représentant les actions de D2, les basses températures (non médiées par les changements de D2), d’autres récepteurs photo-sensoriels et l’interaction synergique entre D2 et basse température (non médiée par les changements de D2).

Nous avons ensuite ajusté la croissance du modèle pour les 200 combinaisons lumière-température-génotype. La relation entre les données observées et prédites n’a montré aucun écart systématique par rapport à la corrélation 1:1 pour la lumière différente (Fig. 3A), la température (Fig. 3B), ou des variants génétiques avec une stabilité Pfr altérée (Fig. 3C). Les données prédites ont été obtenues avec des valeurs de D2 affectées par la lumière, la température et le génotype. Pour tester la signification des effets de température médiés par des changements dans le statut de phyB, nous avons recalculé la croissance en utilisant D2 modifié par la lumière et le génotype mais pas par la température (constante de 10 ° C). Cet ajustement a réduit la qualité d’ajustement du modèle de croissance (Fig. 3B, encart), indiquant que la contribution des effets de la température médiés par phyB sur la croissance est statistiquement significative et ne doit pas être négligée. Parce que nous avons estimé l’effet de D2 en utilisant les données d’une seule température (fig. S8), notre modèle de croissance n’est pas basé sur l’hypothèse que D2 change avec la température, ce qui donne l’assurance que cette dernière conclusion est authentique.

Nous avons utilisé le modèle de croissance pour comparer la contribution de chacun des trois termes dépendants de la température à l’inhibition de la croissance par les basses températures. Les effets de la température médiés par phyB contribuent à la réponse globale en température (Fig. 3D). Les effets étaient importants à de faibles irradiations, diminués avec des irradiations intermédiaires (les réactions lumineuses deviennent de plus en plus importantes) et augmentés à nouveau à des irradiations plus élevées, car maintenant le D2 affecte plus fortement la croissance.

Des phytochromes ont été découverts et ont été étudiés sur la base de leurs rôles de récepteurs de la lumière chez les plantes (6, 7). Cependant, nos observations que la température modifie la quantité de D2 pour phyB (Fig. 1 et 2) et sa sortie physiologique d’une manière similaire à la lumière (Fig. 3) indiquer que phyB doit également être défini comme un récepteur de signaux de température. phyB a besoin de lumière pour se conformer à cette fonction de température en ayant besoin de lumière pour générer initialement l’état Pfr instable mais bioactif. La température affecte le statut Pfr de phyB principalement via kr1 à la lumière (Fig. 1) et via kr2 pendant la nuit (19). Les récepteurs sont souvent activés par leurs ligands; bien que phyB soit activé par la lumière rouge, il est inactivé par la lumière rouge lointaine et les températures élevées. Cette combinaison de perception de la lumière et de la température servirait à intégrer les signaux contrôlant la photo- et la thermo-morphogenèse de manière à optimiser la croissance des plantes exposées à un large éventail d’environnements.

Correction (17 novembre 2016): Rapport : « Le Phytochrome B intègre les signaux lumineux et de température chez Arabidopsis » par M. Legris et al. (18 novembre 2016, p. 897). Cet article a été initialement publié en ligne en tant que Première version le 27 octobre 2016. Ces informations ont été restaurées à la fin de l’article.