planten kunnen hun groei en ontwikkeling aanpassen aan licht-en temperatuursignalen (1). Temperatuur-sensing helpt planten te bepalen wanneer te ontkiemen, hun lichaamsplan aan te passen om zichzelf te beschermen tegen ongunstige temperaturen, en bloem. Warme temperaturen en verminderd licht als gevolg van vegetatieve schaduw bevorderen de stengelgroei, waardoor zaailingen hittestress en bladerdak schaduw van naburige planten te voorkomen. Overwegende dat de waarneming van het licht wordt aangedreven door een verzameling van geïdentificeerde fotoreceptoren-waaronder de rood / verrood lichtabsorberende fytochromen; de blauw / ultraviolet-A (UV-A) lichtabsorberende cryptochromen, fototrofinen en leden van de Zeitlupe-familie; en de UV–B—absorberende uvr8 (2) – temperatuursensoren moeten nog worden vastgesteld (3). Het vinden van de identiteit (of identiteiten) van temperatuursensoren zou van bijzonder belang zijn in de context van klimaatverandering (4).

Fytochroom B (phyB) is de belangrijkste fotoreceptor die de groei regelt van Arabidopsis zaailingen blootgesteld aan verschillende schaduwomstandigheden (5). Net als anderen in de fytochrome familie, phyB is een homodimere chromoproteïne, met elke subeenheid herbergt een covalent gebonden phytochromobiline chromophore. phyB bestaat in twee foto-interconverteerbare vormen: een rood lichtabsorberende Pr-toestand die biologisch inactief is en een ver rood lichtabsorberende Pfr-toestand die biologisch actief is (6, 7). Terwijl Pr op assemblage met bilin ontstaat, vereist de vorming van Pfr licht, en zijn niveaus worden sterk beïnvloed door de rood/ver-rood lichtverhouding. Omdat rood licht wordt geabsorbeerd door fotosynthetische pigmenten, heeft schaduwlicht van naburige vegetatie een sterke invloed op Pfr-niveaus door deze verhouding te verlagen (8). phyB Pfr keert ook spontaan terug naar Pr in een lichtonafhankelijke reactie genaamd thermische reversie (9-11). Traditioneel werd aangenomen dat de thermische omkering te traag was ten opzichte van de lichtreacties om de PFR-status van phyB te beïnvloeden, zelfs bij matige bestralingen in natuurlijke omgevingen, maar twee waarnemingen spreken deze opvatting tegen. Ten eerste wordt de vorming van phyB-kernlichamen, die de status van Pfr weergeeft, beïnvloed door licht tot bestralingen die veel hoger zijn dan verwacht bij een langzame thermische omkering (12). Ten tweede is het nu duidelijk dat thermische omkering in twee stappen plaatsvindt. Hoewel de eerste stap, van de PFR: PFR homodimer (D2) naar de Pfr:Pr heterodimer (D1), is traag (kr2), de tweede stap, van de PFR:PR heterodimer naar de Pr:Pr homodimer (D0), is bijna twee ordes van grootte sneller (kr1) (Fig. 1A) (11).

fysiologisch relevante temperaturen kunnen de magnitude van kr1 veranderen en bijgevolg de PFR-en D2-niveaus beïnvloeden, zelfs onder verlichting (Fig. 1 bis). Om deze hypothese te testen, gebruikten we in vitro en in vivo spectroscopie en analyse van phyB nucleaire lichamen door middel van confocale microscopie. Voor de eerste van deze benaderingen, produceerden we recombinant full-length phyB met zijn fytochromobiline chromophore. Bij bestraling onder continu rood licht bereikte de in-vitroabsorptie bij 725 nm lagere waarden bij hogere temperaturen, hetgeen wijst op verminderde steady-state niveaus van Pfr (Fig. 1, B en C). We berekenden de verschillen tussen de steady-state absorptiespectra in duisternis en continu rood licht (∆ absorbance). De amplitude tussen de maximum – en minimumpieken van ∆ – absorptie, die de hoeveelheid Pfr vertegenwoordigt, verminderde sterk tussen 10 en 30°C (Fig. 1, D en E). Dit kenmerk van phyB verschilt van het typische gedrag van enzymen, die een verhoogde activiteit vertonen over hetzelfde temperatuurbereik (13).

met in vivo spectroscopie hebben we ook de steady-state niveaus van phyB Pfr gemeten bij zaailingen die bij verschillende temperaturen met continu rood of wit licht werden bestraald (alleen tijdens de bestraling). De stijgende temperaturen verminderden zowel de totale pool van Pfr als die van D2 (Fig. 1F en fig. S1), die als de fysiologisch relevante soort voor phyB (11) wordt beschouwd. Met behulp van deze gegevens hebben we kr1 bepaald, die steeg met de temperatuur (Fig. 1G).

de vorming van het phyB-kernlichaam neemt toe met de bestralingssterkte en de verhouding rood/far-rood licht (12, 14) omdat deze afhankelijk is van D2 (11). Als een proxy voor temperatuur impact op D2, gebruikten we het verschil in nucleaire lichaam vorming in lijnen van de phyB-9–null mutant gered met ongewijzigde phyB of een van twee chromophore zak mutanten die PFR thermische omkering in vitro onderdrukken met weinig tot geen effect op de fotoconversie (phyBY361F-YFP en phyBR582A-YFP) (15, 16). Ontetioleerde (groene) zaailingen werden overgebracht naar de verschillende lichtomstandigheden (bestralingsomstandigheden en verhouding rood/ver rood licht) die representatief zijn voor ongefilterd zonlicht, schaduw van de luifel of bewolkte dagen, in combinatie met verschillende temperaturen die alleen tijdens de lichtbehandelingen werden toegepast (fig. S2). De nucleaire lichaamsgrootte van phyBY361F-YFP en phyBR582A-YFP werd niet significant beïnvloed door bestralingssterkte (fig. S3) en sterk beïnvloed door de rood / ver-rood verhouding (fig. S4). Dit stemt overeen met de notie dat de bestralingsreacties afhankelijk zijn van kr1 en kr2 (11), die bij de mutanten worden beïnvloed. De grootte van phyB nucleaire lichamen varieerde Quadratisch met de temperatuur en was het grootst bij ~20°C (Fig. 2A en fig. S5). We testten de hypothese dat de negatieve fase van deze reactie op temperatuur de manifestatie is van verbeterde thermische omkering die D2 vermindert. In deze richting hebben we de gemiddelde grootte van de kernlichamen phyBY361F-YFP en phyBR582A-YFP gemodelleerd (tabellen S1 en S2) als functie van zowel D2 (11) als temperatuureffecten die niet worden gemedieerd door veranderingen in D2 (fig. S6). Vervolgens hebben we dit beperkte model gebruikt om D2 niveaus te voorspellen van phyB nucleaire lichaamsgrootte in wild-type lijnen (Fig. 2B). Het verschil tussen de schijnbare log D2 in wild-type en de log D2 van phyBY361F en phyBR582A in dezelfde lichtconditie wordt weergegeven in Fig. 2C (verschil gemiddeld voor alle lichtomstandigheden). De resultaten wijzen erop dat hoge temperaturen de schijnbare D2 voor de wild-type phyB verminderen onder een breed scala van lichtomstandigheden.

door gebruik te maken van de drie bovenstaande benaderingen, hebben we aangetoond dat de activiteit van phyB afneemt met toenemende temperatuur (Fig. 1 en 2), Wat twee mogelijke biologische uitkomsten suggereert. Een daarvan is dat stroomafwaartse veranderingen in phyB-signalering het temperatuureffect compenseren. De circadiane klok is een voorbeeld van temperatuurcompensatie (17). De andere is dat phyb-waarneming van temperatuursignalen de fysiologische output controleert. Een voorspelling van de laatste hypothese is dat phyB-activiteit (D2) op dezelfde manier de groei zou moeten beïnvloeden, onafhankelijk van of deze veranderd wordt door licht, temperatuur of mutaties die phyB stabiliseren. Om deze voorspelling te testen, hebben we Arabidopsis zaailingen (inclusief phyB genetische varianten) gecultiveerd met dezelfde bestralingssterkte en temperatuur, gesorteerd naar de verschillende licht-en temperatuuromgevingen (fig. S2), en gemodelleerde groei onder deze omstandigheden (tabel S3) als functie van D2.

De groeirespons op temperatuur (fig. S7) en licht (18) worden niet uitsluitend gemedieerd door phyB (D2). Zo bouwden we het model in twee stappen: eerst moeten univariate submodellen de relatie tussen groei en de individuele factoren beschrijven (D2, temperatuureffecten die niet worden gemedieerd door veranderingen in D2, en activiteit van andere foto-sensorische receptoren), en vervolgens deze componenten in het uiteindelijke model combineren. De bijdrage van D2 kwantificeren (fig. S8), gebruikten we groei bij 30°C (geen lage temperatuur remming van groei) (fig. S9) van alle genotypen, inclusief de gestabiliseerde phyB-varianten en de phyB-null-mutant (D2 = 0). Om de effecten van temperatuur niet gemedieerd door veranderingen in D2 te kwantificeren (fig. S9B), gebruikten we de phyB mutant (geen phyb-gemedieerde remming) bij 1 µmol m−2 s−1 (bij deze bestralingssterkte en bij 30°C is de groei maximaal, wat aangeeft dat andere fotoreceptoren geen sterke bijdrage leveren). Om de bijdrage van andere fotoreceptoren te kwantificeren (fig. S10) gebruikten we de phyB-mutant (geen phyb-gemedieerde remming) bij een bereik van bestralingsniveaus bij 30°C (Geen groeiremming bij lage temperatuur). De enige statistisch significante interactie tussen deze termen was tussen D2 en temperatuureffecten die niet gemedieerd werden door veranderingen in D2 (tabel S4). Daarom was in het uiteindelijke model de groei omgekeerd gerelateerd aan termen die de acties van D2, lage temperaturen (niet gemedieerd door veranderingen in D2), andere foto-sensorische receptoren, en de synergetische interactie tussen D2 en lage temperatuur (niet gemedieerd door veranderingen in D2) weergeven.

we pasten vervolgens het model groei voor alle 200 licht-temperatuur-genotype combinaties. De relatie tussen waargenomen en voorspelde gegevens toonde geen systematische afwijking van de 1: 1 correlatie voor het verschillende licht (Fig. 3A), temperatuur (vijg. 3B), of genetische varianten met veranderde PFR-stabiliteit (Fig. 3C). Voorspelde gegevens werden verkregen met D2-waarden die beïnvloed werden door licht, temperatuur en genotype. Om de significantie te testen van temperatuureffecten gemedieerd door veranderingen in de status van phyB, hebben we de groei herberekend met behulp van D2 gemodificeerd door licht en genotype, maar niet door temperatuur (constante 10°C). Deze aanpassing verminderde het groeimodel goedheid van pasvorm (Fig. 3B, inset), waaruit blijkt dat de bijdrage van FYB-gemedieerde temperatuureffecten op de groei statistisch significant is en niet mag worden verwaarloosd. Omdat we het effect van D2 schatten met behulp van gegevens van een enkele temperatuur (fig. S8), is ons groeimodel niet gebaseerd op de veronderstelling dat D2 verandert met de temperatuur, waardoor het vertrouwen wordt gegeven dat deze laatste conclusie echt is.

we hebben het groeimodel gebruikt om de bijdrage van elk van de drie temperatuurafhankelijke termen aan de remming van de groei door lage temperaturen te vergelijken. phyB-gemedieerde effecten van temperatuur dragen bij aan de totale temperatuurrespons (Fig. 3D). De effecten waren groot bij lage bestralingen, namen af bij gemiddelde bestralingen (lichtreacties worden steeds belangrijker) en namen weer toe bij hogere bestralingen omdat D2 nu de groei sterker beïnvloedt.

Fytochromen werden ontdekt en zijn bestudeerd op basis van hun rol als lichtreceptoren in planten (6, 7). Echter, onze waarnemingen dat de temperatuur verandert de hoeveelheid D2 voor phyB (Fig. 1 en 2) en zijn fysiologische output op een wijze vergelijkbaar met licht (Fig. 3) Geef aan dat phyB ook moet worden gedefinieerd als een temperatuur cue receptor. phyB vereist licht om aan deze temperatuurfunctie te voldoen door licht te vereisen om aanvankelijk de onstabiele maar bioactieve PFR-staat te produceren. Temperatuur beïnvloedt de PFR-status van phyB voornamelijk via kr1 in het licht (Fig. 1) en via kr2 tijdens de nacht (19). Receptoren worden vaak geactiveerd door hun liganden; hoewel phyB wordt geactiveerd door rood licht, wordt het geïnactiveerd door ver-rood licht en hoge temperaturen. Deze combinatie van licht-en temperatuurwaarneming zou dienen om de signalen die foto – en thermo-morfogenese regelen te integreren op manieren die de groei van planten die worden blootgesteld aan een breed scala van omgevingen optimaliseren.

correctie (17 November 2016): rapport: “Phytochrome B integreert licht-en temperatuursignalen in Arabidopsis” door M. Legris et al. (18 November 2016, blz. 897). Dit artikel werd oorspronkelijk online gepubliceerd als eerste uitgave op 27 oktober 2016. Deze informatie is hersteld aan het einde van het artikel.