a növények képesek arra, hogy növekedésüket és fejlődésüket a fény és a hőmérséklet jelzéseire reagálva állítsák be (1). A hőmérséklet-érzékelés segít a növényeknek meghatározni, mikor kell csírázni, módosítani a test tervét, hogy megvédjék magukat a kedvezőtlen hőmérsékletektől, és virágozni. A meleg hőmérséklet, valamint a vegetatív árnyékból származó csökkentett fény elősegíti a szár növekedését, lehetővé téve a palánták számára, hogy elkerüljék a hőterhelést és a szomszédos növények lombkorona árnyékát. Míg a fényérzékelést azonosított fotoreceptorok gyűjteménye vezérli—beleértve a vörös / távol-vörös fényelnyelő fitokrómokat; a kék / ultraibolya-A (UV-A) fényelnyelő kriptokrómokat, fototropinokat és a Zeitlupe család tagjait; és az UV-B-elnyelő UVR8 (2) – hőmérséklet érzékelők még be kell állítani (3). A hőmérséklet-érzékelők azonosságának (vagy azonosságainak) megállapítása különösen fontos lenne az éghajlatváltozás összefüggésében (4).

a Fitokróm B (phyB) a fő fotoreceptor, amely szabályozza a növekedést az Arabidopsis palántákban, amelyek különböző árnyékolási feltételeknek vannak kitéve (5). A fitokróm család többi tagjához hasonlóan a phyB is homodimer kromoprotein, minden alegységben kovalensen kötött fitokromobilin kromofor található. a phyB két fotó-átalakítható formában létezik: vörös fényelnyelő Pr állapot, amely biológiailag inaktív, és messze vörös fényelnyelő Pfr állapot, amely biológiailag aktív (6, 7). Míg a Pr a bilinnel való összeszereléskor keletkezik, a Pfr képződéséhez fényre van szükség, szintjét erősen befolyásolja a vörös/távol-vörös fény Arány. Következésképpen, mivel a vörös fényt a fotoszintetikus pigmentek abszorbeálják, a szomszédos növényzetből származó árnyékfény erősen befolyásolja a Pfr szintjét azáltal, hogy csökkenti ezt az arányt (8). a phyB Pfr spontán módon visszatér a Pr-be egy fényfüggetlen reakcióban, az úgynevezett termikus reverzióban (9-11). Hagyományosan, a termikus reverziót feltételezték, hogy túl lassú a fényreakciókhoz képest, hogy befolyásolja a phyB Pfr állapotát, még a természetes környezetben található mérsékelt besugárzások mellett is, de két megfigyelés ellentmond ennek a nézetnek. Először is, a phyB nukleáris testek képződését, amely tükrözi a Pfr állapotát, a vártnál sokkal nagyobb besugárzási fény befolyásolja, ha a termikus visszatérés lassú (12). Másodszor, most már világos, hogy a termikus visszatérés két lépésben történik. Bár az első lépés, a Pfr-től: Pfr homodimer (D2) a Pfr-ig:Pr heterodimer (D1), lassú (kr2), a második lépés, a Pfr:Pr heterodimer A Pr:Pr homodimer (D0), majdnem két nagyságrenddel gyorsabb (kr1) (ábra. 1A) (11).

a fiziológiailag releváns hőmérsékletek megváltoztathatják a kr1 nagyságát, következésképpen befolyásolhatják a Pfr és a D2 szinteket, még megvilágítás alatt is (ábra. 1A). Ennek a hipotézisnek a tesztelésére in vitro és in vivo spektroszkópiát és phyb nukleáris testek elemzését alkalmaztuk konfokális mikroszkóppal. Ezen megközelítések közül az elsőhöz rekombináns teljes hosszúságú phyB-t állítottunk elő, amely fitokromobilin-kromoforját viseli. Folyamatos vörös fényben történő besugárzás esetén az in vitro abszorbancia 725 nm-en magasabb hőmérsékleten alacsonyabb értékeket ért el, ami a PFR egyensúlyi állapotának csökkenését jelzi (ábra. (1) B és C). Kiszámoltuk a sötétségben lévő egyensúlyi állapotú abszorbancia spektrumok és a folytonos vörös fény közötti különbségeket (ons). A maximális és a minimális csúcsok közötti amplitúdó, amely a PFR mennyiségét jelenti, erősen csökkent 10 és 30 C között (ábra. 1, D és E). A phyB ezen jellemzője eltér az enzimek tipikus viselkedésétől, amelyek ugyanazon hőmérsékleti tartományban fokozott aktivitást mutatnak (13).

in vivo spektroszkópiával is megmértük a phyb Pfr állandósult szintjét a folyamatos vörös vagy fehér fénnyel besugárzott palántákban különböző hőmérsékleteken (csak a besugárzás során alkalmazva). A növekvő hőmérséklet csökkentette mind a Pfr, mind a D2 teljes medencéjét (ábra. 1F és fig. S1), amely a phyb szempontjából fiziológiailag releváns fajnak tekinthető (11). Ezen adatok felhasználásával meghatároztuk a kr1-et, amely a hőmérséklet növekedésével nőtt (ábra. 1 g).

a phyB nukleáris test képződése a besugárzással és a vörös/távol-vörös fény arányával (12, 14) növekszik, mert a D2-től (11) függ. A hőmérséklet D2-re gyakorolt hatásának proxyjaként a nukleáris testképződés különbségét használtuk a phyb–9-null mutáns vonalakban, amelyeket módosítatlan phyB-vel vagy két kromofor zsebmutánssal mentettek meg, amelyek In vitro elnyomják a PFR termikus reverzióját, kevés vagy semmilyen hatással a fotokonverzióra (phyBY361F-YFP és phyBR582A-YFP) (15, 16). De-etiolated (zöld) palánták átkerültek a különböző fényviszonyok (besugárzási és vörös/távol-vörös fény arányok) reprezentatív szűretlen napfény, lombkorona árnyékban, vagy felhős napok, kombinálva a különböző hőmérsékletek alkalmazott csak a fény kezelések (ábra. S2). A phyby361f-YFP és a phyBR582A-YFP nukleáris testméretét nem befolyásolta jelentősen a besugárzás (ábra. S3), és erősen befolyásolja a piros/távol-vörös Arány (ábra. S4). Ez összhangban van azzal az elképzeléssel, hogy a besugárzási válaszok a kr1-től és a kr2-től függenek (11), amelyeket a mutánsok befolyásolnak. A phyB nukleáris testek mérete kvadratikusan változott a hőmérséklettől függően, és a legnagyobb volt ~20 Kb C (ábra. 2A és fig. S5). Megvizsgáltuk azt a hipotézist, miszerint a hőmérsékletre adott válasz negatív fázisa a fokozott termikus reverzió redukáló megnyilvánulása D2. E cél elérése érdekében modelleztük a phyBY361F-YFP és phyBR582A-YFP nukleáris testek átlagos méretét (S1 és S2 táblázat) mind a D2 (11), mind a D2 változásai által nem közvetített hőmérsékleti hatások függvényében (ábra. S6). Ezután ezt a korlátozott modellt használtuk a D2 szintek előrejelzésére a phyb nukleáris testméretekből vad típusú vonalakban (ábra. 2B). A különbség a látszólagos log D2 vad típusú és a log D2 a phyBY361F és phyBR582A azonos fényviszonyok ábrán látható. 2C (az összes fényviszonyra átlagolt különbség). Az eredmények azt mutatják, hogy a magas hőmérséklet csökkenti a látszólagos D2 a vad típusú phyB széles fényviszonyok között.

a fenti három megközelítés alkalmazásával megmutattuk, hogy a phyB aktivitása a hőmérséklet növekedésével csökken (ábra. 1. és 2.), ami két lehetséges biológiai eredményre utal. Az egyik az, hogy a phyb jelzés későbbi változásai kompenzálják a hőmérsékleti hatást. A cirkadián óra példát mutat a hőmérséklet-kompenzációra (17). A másik az, hogy a hőmérsékleti jelek phyB-érzékelése szabályozza a fiziológiai kimenetet. Az utóbbi hipotézis előrejelzése az, hogy a phyB aktivitásnak (D2) hasonlóan kell befolyásolnia a növekedést, függetlenül attól, hogy a phyb-t stabilizáló fény, hőmérséklet vagy mutációk megváltoztatják-e. Ennek az előrejelzésnek a tesztelésére az Arabidopsis palántákat (beleértve a phyB genetikai variánsokat is) ugyanazon besugárzási és hőmérsékleti hőmérsékleten termesztettük, a különböző fény-és hőmérsékleti környezetekhez rendezve (ábra. S2), és modellezett növekedés ilyen körülmények között (S3 táblázat) a D2 függvényében.

a növekedés reakciói a hőmérsékletre (ábra. Az S7) és a fény (18) nem kizárólag a phyB (D2) által közvetített. Így két lépésben építettük fel a modellt: először egyváltozós almodellek illesztése, amelyek leírják a növekedés és az egyes tényezők közötti kapcsolatot (D2, a D2 változásai által nem közvetített hőmérsékleti hatások és más fotoszenzoros receptorok aktivitása), majd ezeket az összetevőket egyesítik a végső modellben. A D2 hozzájárulásának számszerűsítése (ábra. S8), a növekedést 30cc-nél használtuk (nincs alacsony hőmérsékletű növekedés gátlás) (ábra. S9), beleértve a stabilizált phyB variánsokat és a phyB-null mutánst (D2 = 0). A hőmérsékletnek a D2-ben bekövetkező változások által nem közvetített hatásainak számszerűsítése (ábra. S9B), a phyB mutánst (nincs phyB által közvetített gátlás) használtuk 1 MHz m-2 s−1−nél (ezen a besugárzásnál és 30 C-nél a növekedés maximális, ami azt jelzi, hogy más fotoreceptorok nem járulnak hozzá erősen). Más fotoreceptorok hozzájárulásának számszerűsítése (ábra. S10), a phyB mutánst (nincs phyB által közvetített gátlás) használtuk a besugárzási tartomány 30 Kb (nincs alacsony hőmérsékletű növekedés gátlás). Az egyetlen statisztikailag szignifikáns kölcsönhatás e kifejezések között a D2 és a D2 változásai által nem közvetített hőmérsékleti hatások között volt (S4 táblázat). Ezért a végső modellben a növekedés fordítottan kapcsolódott a D2, az alacsony hőmérsékletek (amelyeket nem a D2 változásai közvetítenek), más fotoszenzoros receptorok, valamint a D2 és az alacsony hőmérséklet közötti szinergikus kölcsönhatás (amelyeket nem a D2 változásai közvetítenek).

ezután illesztettük a modell növekedését mind a 200 fény-hőmérséklet-genotípus kombinációhoz. A megfigyelt és előrejelzett adatok közötti kapcsolat nem mutatott szisztematikus eltérést a különböző fény 1: 1 arányú korrelációjától (ábra. 3A), hőmérséklet (ábra. 3B), vagy genetikai variánsok megváltozott Pfr stabilitással (ábra. 3C). Az előrejelzett adatokat a fény, a hőmérséklet és a genotípus által befolyásolt D2 értékekkel nyertük. A phyB státuszában bekövetkező változások által közvetített hőmérséklethatások jelentőségének tesztelésére a növekedést a fény és a genotípus által módosított, de a hőmérséklet által nem módosított D2 alkalmazásával számoltuk újra (állandó 10cc). Ez a kiigazítás csökkentette a növekedési modell jóságát (ábra. 3B, inset), jelezve, hogy a phyB által közvetített hőmérsékleti hatások hozzájárulása a növekedéshez statisztikailag szignifikáns, és nem szabad elhanyagolni. Mivel a D2 hatását egyetlen hőmérsékletből származó adatok felhasználásával becsültük meg (ábra. S8), növekedési modellünk nem azon a feltételezésen alapul, hogy a D2 a hőmérséklet függvényében változik, ezáltal bizalmat adva az utóbbi következtetés valódiságának.

a növekedési modellt használtuk, hogy összehasonlítsuk a három hőmérsékletfüggő kifejezés hozzájárulását a növekedés alacsony hőmérsékleten történő gátlásához. a hőmérséklet phyB által közvetített hatásai hozzájárulnak az általános hőmérsékleti válaszhoz (ábra. 3D). A hatások alacsony besugárzásnál nagyok voltak, a közbenső besugárzásokkal csökkentek (a fényreakciók egyre fontosabbá válnak), és magasabb besugárzásnál ismét növekedtek, mert most a D2 erőteljesebben befolyásolja a növekedést.

Fitokrómokat fedeztek fel és tanulmányoztak a növényekben fényreceptorként betöltött szerepük alapján (6, 7). Megfigyeléseink szerint azonban a hőmérséklet megváltoztatja a phyB (füge) D2 mennyiségét. 1.és 2. ábra), valamint fiziológiai kimenete a fényhez hasonló módon (ábra. 3) jelölje meg, hogy a phyB-t hőmérsékleti cue-receptorként is meg kell határozni. a phyB-nek fényre van szüksége ahhoz, hogy megfeleljen ennek a hőmérsékleti funkciónak azáltal, hogy fényre van szüksége az instabil, de bioaktív Pfr állapot létrehozásához. A hőmérséklet befolyásolja a phyB Pfr állapotát, főleg a kr1-en keresztül a fényben (ábra. 1) és via kr2 az éjszaka folyamán (19). A receptorokat gyakran ligandumaik aktiválják; bár a phyB-t a vörös fény aktiválja, a távoli vörös fény és a magas hőmérséklet inaktiválja. A fény és a hőmérséklet érzékelésének ez a kombinációja a fotó – és termomorfogenezist vezérlő jelek integrálását szolgálná oly módon, hogy optimalizálja a növények növekedését, amelyek sokféle környezetnek vannak kitéve.

korrekció (17 November 2016): jelentés: “Phytochrome B integrálja a fény és a hőmérséklet jeleket Arabidopsis” M. Legris et al. (18 November 2016, p. 897). Ez a papír eredetileg megjelent online, mint az első kiadás október 27, 2016. Ezt az információt a cikk végén helyreállítottuk.