rośliny mają zdolność dostosowywania swojego wzrostu i rozwoju w odpowiedzi na Sygnały świetlne i temperaturowe (1). Wykrywanie temperatury pomaga roślinom określić, kiedy kiełkować, dostosować plan swojego ciała, aby chronić się przed niekorzystnymi temperaturami i kwitnąć. Ciepłe temperatury, a także zmniejszone światło wynikające z wegetatywnego cienia sprzyjają wzrostowi łodyg, umożliwiając sadzonkom uniknięcie stresu cieplnego i cienia baldachimu od sąsiednich roślin. Podczas gdy percepcja światła jest napędzana przez zbiór zidentyfikowanych fotoreceptorów-w tym fitochromy absorbujące światło czerwone/dalekiej Czerwieni; kryptochromy absorbujące światło niebieskie / ultrafioletowe a (UV-A), fototropiny i członkowie rodziny Zeitlupe; oraz czujniki temperatury absorbujące promieniowanie UV-B–uvr8 (2) pozostają do ustalenia (3). Znalezienie tożsamości (lub tożsamości) czujników temperatury miałoby szczególne znaczenie w kontekście zmian klimatycznych (4).

Fitochrom B (phyB) jest głównym fotoreceptorem kontrolującym wzrost sadzonek Arabidopsis narażonych na różne warunki cienia (5). Podobnie jak inne z rodziny fitochromów, phyB jest homodimeryczną chromoproteiną, a każda podjednostka zawiera kowalencyjnie związany chromofor fitochromobiliny. phyB występuje w dwóch formach foto-interkonwersywnych: stan PR pochłaniający światło czerwone, który jest biologicznie nieaktywny i stan Pfr pochłaniający światło czerwone, który jest biologicznie aktywny (6, 7). Podczas gdy Pr powstaje po montażu z bilinem, tworzenie Pfr wymaga światła, a jego poziomy są silnie uzależnione od stosunku światła czerwonego do dalekiej Czerwieni. W związku z tym, ponieważ światło czerwone jest absorbowane przez pigmenty fotosyntetyczne, światło cienia z sąsiedniej roślinności ma silny wpływ na poziom Pfr poprzez zmniejszenie tego współczynnika (8). Phyb Pfr samoistnie powraca do Pr w reakcji niezależnej od światła zwanej rewersją termiczną (9-11). Tradycyjnie przyjęto, że odwrócenie termiczne jest zbyt powolne w stosunku do reakcji światła, aby wpływać na stan Pfr phyB, nawet przy umiarkowanym natężeniu promieniowania występującym w środowiskach naturalnych, ale dwie obserwacje zaprzeczają temu poglądowi. Po pierwsze, na powstawanie ciał jądrowych phyB, które odzwierciedlają stan Pfr, wpływa światło do natężenia promieniowania znacznie wyższego niż oczekiwano, jeśli odwrócenie termiczne było powolne (12). Po drugie, jest teraz jasne, że rewersja termiczna występuje w dwóch etapach. Chociaż pierwszy krok, od Pfr: Pfr homodimer (D2) do Pfr:Heterodimer Pr (D1), jest powolny (kr2), drugi krok, od Heterodimeru Pfr:Pr do Homodimeru pr:Pr (D0), jest prawie dwa rzędy wielkości szybszy (kr1) (rys. 1a) (11).

fizjologicznie istotne temperatury mogą zmienić wielkość kr1 i w konsekwencji wpływać na poziomy Pfr i D2, nawet w warunkach oświetlenia (rys. 1a). Aby przetestować tę hipotezę, wykorzystaliśmy spektroskopię in vitro i In vivo oraz analizę ciał jądrowych phyB za pomocą mikroskopii konfokalnej. W przypadku pierwszego z tych podejść otrzymaliśmy rekombinowaną phyB pełnej długości z chromoforem fitochromobiliny. Po napromieniowaniu w ciągłym świetle czerwonym absorbancja in vitro przy 725 nm osiągała niższe wartości w wyższych temperaturach, co wskazuje na obniżone poziomy PFR w stanie stacjonarnym (Fig. 1, B I C). Obliczyliśmy różnice między widmami absorbancji w stanie stacjonarnym w ciemności a ciągłym światłem czerwonym (absorbancja∆). Amplituda pomiędzy maksymalnym i minimalnym pikiem absorbancji∆, stanowiącym Ilość Pfr, znacznie zmniejszyła się między 10 a 30°C (rys. 1, D i E). Ta cecha phyB różni się od typowego zachowania enzymów, które wykazują zwiększoną aktywność w tym samym zakresie temperatur (13).

mierzyliśmy również spektroskopią in vivo poziomy phyb Pfr w sadzonkach napromieniowanych ciągłym światłem czerwonym lub białym w różnych temperaturach (stosowane tylko podczas napromieniowania). Wzrost temperatury obniżył zarówno całkowitą pulę Pfr, jak i pulę D2 (rys. 1F i rys. S1), który jest uważany za gatunek fizjologicznie istotny dla phyB (11). Na podstawie tych danych określiliśmy kr1, który wzrastał wraz z temperaturą (rys. 1G).

tworzenie ciała jądrowego phyB zwiększa się wraz z natężeniem promieniowania i stosunkiem światła czerwonego do dalekiej Czerwieni (12, 14), ponieważ zależy od D2 (11). Jako pośrednik wpływu temperatury na D2, użyliśmy różnicy w tworzeniu ciała jądrowego w liniach mutanta phyB-9–null uratowanego z niezmodyfikowanym phyB lub dwóch chromoforowych mutantów kieszonkowych, które tłumią odwracanie termiczne Pfr in vitro z niewielkim lub zerowym wpływem na fotokonwersję (phyBY361F-YFP i phyBR582A-yfp) (15, 16). Pozbawione etioli (zielone) sadzonki zostały przeniesione do różnych warunków świetlnych (napromieniowanie i stosunek światła czerwonego/dalekiej Czerwieni) reprezentatywnych dla niefiltrowanego światła słonecznego, cienia baldachimu lub pochmurnych dni, w połączeniu z różnymi temperaturami stosowanymi tylko podczas obróbki światłem (rys. S2). Wielkość ciała jądrowego phyBY361F-YFP i phyBR582A-yfp nie miała znaczącego wpływu na natężenie promieniowania (fig. S3) i silnie wpływa na stosunek czerwony / daleko-czerwony (rys. S4). Jest to zgodne z poglądem, że reakcje na natężenie promieniowania zależą od kr1 i kr2 (11), na które oddziałują mutanty. Wielkość ciał jądrowych phyB różniła się kwadratowo w zależności od temperatury i była największa przy ~20°C (rys. 2A i rys. S5). Przetestowaliśmy hipotezę, że ujemna Faza tej reakcji na temperaturę jest przejawem zwiększonego odwracania termicznego redukującego D2. W tym celu modelowaliśmy średnią wielkość ciał jądrowych phyBY361F-YFP i phyBR582A-yfp (tabele S1 i S2)jako funkcję zarówno D2 (11), jak i efektów temperaturowych, w których nie pośredniczą zmiany D2 (rys. S6). Następnie użyliśmy tego ograniczonego modelu do przewidywania poziomów D2 na podstawie rozmiarów ciała jądrowego phyB w liniach typu dzikiego (rys. 2b). Różnica między pozornym logiem D2 w typie dzikim a logiem D2 phyBY361F i phyBR582A w tym samym stanie światła jest pokazana na Fig. 2C (różnica uśredniona dla wszystkich warunków oświetleniowych). Wyniki wskazują, że wysokie temperatury zmniejszają pozorną wartość D2 dla dzikiego typu phyB w szerokim zakresie warunków oświetleniowych.

stosując trzy powyższe podejścia, wykazaliśmy, że aktywność phyB zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury (Fig. 1 i 2), sugerując dwa możliwe wyniki biologiczne. Po pierwsze, zmiany w sygnalizacji phyB kompensują efekt temperatury. Zegar okołodobowy stanowi przykład kompensacji temperatury (17). Drugim jest to, że phyb postrzeganie sygnałów temperatury kontroluje wyjście fizjologiczne. Przewiduje się, że aktywność phyB (D2) powinna podobnie wpływać na wzrost niezależnie od tego, czy jest ona zmieniana przez światło, temperaturę lub mutacje, które stabilizują phyB. Aby przetestować tę prognozę, uprawialiśmy sadzonki Arabidopsis (w tym warianty genetyczne phyB) w tym samym natężeniu promieniowania i temperaturze, sortując je do różnych środowisk świetlnych i temperaturowych (rys. S2), a modelowany wzrost w tych warunkach (tabela S3) jako funkcja D2.

reakcje wzrostu na temperaturę (rys. S7) i światło (18) nie są wyłącznie mediowane przez phyB (D2). W ten sposób zbudowaliśmy model w dwóch krokach: po pierwsze, dopasowanie podmodeli univariate opisujących związek między wzrostem a poszczególnymi czynnikami (D2, efekty temperaturowe nie pośredniczone przez zmiany D2 i aktywność innych receptorów fotoczujnikowych), a następnie połączenie tych składników w modelu końcowym. W celu określenia ilościowego udziału D2 (rys. S8), zastosowaliśmy wzrost w temperaturze 30°C (Brak niskotemperaturowego hamowania wzrostu) (rys. S9) wszystkich genotypów, łącznie ze stabilizowanymi wariantami phyB i mutantem phyB-null (D2 = 0). W celu określenia ilościowego wpływu temperatury nie pośredniczącej w zmianach D2 (rys. S9B), użyliśmy mutanta phyB (brak hamowania mediowanego przez phyB) w 1 µmol m−2 s-1 (przy tym natężeniu promieniowania i w temperaturze 30°C wzrost jest maksymalny, co wskazuje, że inne fotoreceptory nie mają silnego udziału). W celu określenia ilościowego udziału innych fotoreceptorów (rys. S10), użyliśmy mutanta phyB (brak hamowania zależnego od phyB) w zakresie napromieniowania w temperaturze 30°C (brak hamowania wzrostu w niskiej temperaturze). Jedyną statystycznie istotną interakcją pomiędzy tymi pojęciami była interakcja pomiędzy D2 A wpływem temperatury nie spowodowanym zmianami w D2(tabela S4). Dlatego w modelu końcowym wzrost był odwrotnie związany z pojęciami reprezentującymi działanie D2, niskich temperatur (nie pośredniczonych przez zmiany D2), innych receptorów fotoczułych i synergistycznych interakcji między D2 a niską temperaturą (nie pośredniczonych przez zmiany D2).

następnie dopasowaliśmy model wzrostu dla wszystkich 200 kombinacji światło-temperatura-genotyp. Zależność między obserwowanymi i przewidywanymi danymi nie wykazała systematycznego odchylenia od korelacji 1: 1 dla różnych świateł (Fig. 3A), Temperatura (rys. 3b) lub warianty genetyczne ze zmienioną stabilnością Pfr (rys. 3C). Dane przewidywane uzyskano z wartościami D2 wpływającymi na światło, temperaturę i genotyp. Aby sprawdzić znaczenie efektów temperaturowych, w których pośredniczą zmiany stanu phyB, ponownie obliczyliśmy wzrost przy użyciu D2 zmodyfikowanego przez światło i genotyp, ale nie przez temperaturę (stała 10°C). To dostosowanie zmniejszyło dobroć modelu wzrostu dopasowania (rys. 3b, inset), wskazując, że wpływ temperatury pośredniczonej przez phyB na wzrost jest statystycznie istotny i nie należy go lekceważyć. Ponieważ oszacowaliśmy wpływ D2 na podstawie danych z pojedynczej temperatury (rys. S8), nasz model wzrostu nie opiera się na założeniu, że D2 zmienia się wraz z temperaturą, co daje pewność, że ten ostatni wniosek jest prawdziwy.

użyliśmy modelu wzrostu, aby porównać udział każdego z trzech terminów zależnych od temperatury w hamowaniu wzrostu przez niskie temperatury. wpływ temperatury za pośrednictwem fib przyczynia się do ogólnej reakcji temperaturowej (rys. 3D). Efekty były duże przy niskim natężeniu promieniowania, zmniejszyła się z pośrednim natężeniem promieniowania (reakcje świetlne stają się coraz ważniejsze) i wzrosła ponownie przy wyższym natężeniu promieniowania, ponieważ teraz D2 wpływa na wzrost silniej.

Fitochromy zostały odkryte i zostały zbadane na podstawie ich roli jako receptorów światła w roślinach (6, 7). Jednak nasze obserwacje, że temperatura zmienia ilość D2 dla phyB (Fig. 1 i 2) i jego fizjologiczne wyjście w sposób podobny do światła (rys. 3) wskazać, że phyB powinien być również zdefiniowany jako receptor cue temperatury. phyB wymaga światła, aby spełniało tę funkcję temperatury, ponieważ potrzebuje światła, aby początkowo wygenerować niestabilny, ale bioaktywny Stan Pfr. Temperatura wpływa na stan Pfr phyB głównie poprzez kr1 w świetle (rys. 1) i przez kr2 w nocy (19). Receptory są często aktywowane przez ich ligandy; chociaż phyB jest aktywowany przez światło czerwone, jest inaktywowany przez światło dalekiej czerwieni i wysokie temperatury. Ta kombinacja percepcji światła i temperatury posłużyłaby do zintegrowania sygnałów sterujących fotomorfogenezą i termo – morfogenezą w sposób optymalizujący wzrost roślin narażonych na działanie szerokiego zakresu środowisk.

korekta (17 listopada 2016): raport: „Phytochrome B integrates light and temperature signals in Arabidopsis” autorstwa M. Legris et al. (18 listopada 2016, s. 897). Artykuł ten został pierwotnie opublikowany w Internecie jako pierwsze wydanie w dniu 27 października 2016 roku. Informacje te zostały przywrócone na końcu artykułu.