plantele au capacitatea de a-și ajusta creșterea și dezvoltarea ca răspuns la indicii de lumină și temperatură (1). Detectarea temperaturii ajută plantele să determine când să germineze, să-și ajusteze planul corpului pentru a se proteja de temperaturile adverse și de flori. Temperaturile calde, precum și lumina redusă rezultată din umbra vegetativă promovează creșterea tulpinii, permițând răsadurilor să evite stresul termic și umbra baldachinului din plantele vecine. Întrucât percepția luminii este determinată de o colecție de fotoreceptori identificați-inclusiv fitocromii absorbanți de lumină roșie/roșie îndepărtată; criptocromii absorbanți de lumină albastră/ultravioletă (UV-a), fototropinele și membrii familiei Zeitlupe; și senzorii de temperatură uvr8 (2) absorbanți UV-B rămân de stabilit (3). Identificarea identității (sau identităților) senzorilor de temperatură ar avea o relevanță deosebită în contextul schimbărilor climatice (4).

Fitocromul B (phyB) este principalul fotoreceptor care controlează creșterea răsadurilor de Arabidopsis expuse la diferite condiții de umbră (5). La fel ca alții din familia fitocromului, fitoproteina este o cromoproteină homodimerică, fiecare subunitate adăpostind un cromofor de fitocromobilină legat covalent. phyB există în două forme foto-interconvertibile: o stare PR absorbantă de lumină roșie care este biologic inactivă și o stare Pfr absorbantă de lumină roșie care este biologic activă (6, 7). În timp ce Pr apare la asamblarea cu Bilina, formarea Pfr necesită lumină, iar nivelurile sale sunt puternic influențate de raportul de lumină roșu/roșu îndepărtat. În consecință, deoarece lumina roșie este absorbită de pigmenții fotosintetici, lumina de umbră din vegetația vecină are un impact puternic asupra nivelurilor Pfr prin reducerea acestui raport (8). phyB Pfr revine, de asemenea, spontan la Pr într-o reacție independentă de lumină numită Reversie termică (9-11). În mod tradițional, reversia termică a fost presupusă a fi prea lentă în raport cu reacțiile ușoare pentru a afecta starea Pfr a phyB, chiar și sub iradieri moderate găsite în medii naturale, dar două observații contrazic acest punct de vedere. În primul rând, formarea corpurilor nucleare phyB, care reflectă starea Pfr, este afectată de lumină până la iradieri mult mai mari decât se aștepta dacă reversia termică ar fi lentă (12). În al doilea rând, acum este clar că reversia termică are loc în două etape. Deși primul pas, de la Pfr: Pfr homodimer (D2) la Pfr:Heterodimerul Pr (D1), este lent (kr2), al doilea pas, de la heterodimerul Pfr:Pr la Homodimerul Pr:Pr (D0), este cu aproape două ordine de mărime mai rapid (kr1) (Fig. 1A) (11).

Temperaturile relevante din punct de vedere fiziologic ar putea modifica magnitudinea kr1 și, în consecință, ar afecta nivelurile Pfr și D2, chiar și în condiții de iluminare (Fig. 1A). Pentru a testa această ipoteză, am folosit spectroscopia in vitro și in vivo și analiza corpurilor nucleare phyB prin microscopie confocală. Pentru prima dintre aceste abordări, am produs phyb recombinant de lungime întreagă purtând cromoforul său de fitocromobilină. Când este iradiat sub lumină roșie continuă, absorbanța in vitro la 725 nm a atins valori mai scăzute la temperaturi mai ridicate, ceea ce indică niveluri reduse de Pfr la starea de echilibru (Fig. 1, B și C). S-au calculat diferențele dintre spectrele de absorbție la starea de echilibru în întuneric și lumina roșie continuă (absorbanța de la sută). Amplitudinea dintre vârfurile maxime și minime ale absorbanței de la SEC, care reprezintă cantitatea de Pfr, a scăzut puternic între 10 și 30 de la sec (Fig. 1, D și E). Această caracteristică a phyB diferă de comportamentul tipic al enzimelor, care prezintă o activitate crescută în același interval de temperatură (13).

am măsurat, de asemenea, cu spectroscopie in vivo, nivelurile de phyb Pfr la starea de echilibru la răsadurile iradiate cu lumină roșie sau albă continuă la diferite temperaturi (aplicate numai în timpul iradierii). Creșterea temperaturilor a redus atât bazinul total al Pfr, cât și cel al D2 (Fig. 1F și fig. S1), care este considerată a fi specia relevantă fiziologic pentru phyB (11). Folosind aceste date, am determinat kr1, care a crescut odată cu temperatura (Fig. 1G).

formarea corpului nuclear phyB crește odată cu iradianța și raportul de lumină roșu / roșu îndepărtat (12, 14), deoarece depinde de D2 (11). Ca proxy pentru impactul temperaturii asupra D2, am folosit diferența de formare a corpului nuclear în liniile mutantului phyB–9-nul salvat cu phyb nemodificat sau oricare dintre doi mutanți de buzunar cromofori care suprimă reversia termică Pfr in vitro cu puțin sau deloc efect asupra fotoconversiei (phyBY361F-YFP și phyBR582A-YFP) (15, 16). Răsadurile de-etiolate (verzi) au fost transferate în diferite condiții de lumină (iradianțe și raporturi de lumină roșu/roșu îndepărtat) reprezentative pentru lumina soarelui nefiltrată, umbra baldachinului sau zilele înnorate, în combinație cu temperaturi diferite aplicate numai în timpul tratamentelor de lumină (fig. S2). Dimensiunea corpului nuclear al phyBY361F-YFP și phyBR582A-YFP nu a fost afectată semnificativ de iradianță (fig. S3) și puternic afectat de raportul roșu / roșu îndepărtat (fig. S4). Acest lucru este în concordanță cu noțiunea că răspunsurile la iradiere depind de kr1 și kr2 (11), care sunt afectate la mutanți. Dimensiunea corpurilor nucleare fito-nucleare a variat în mod cvadratic cu temperatura și a fost cea mai mare la ~20 ct (Fig. 2A și fig. S5). Am testat ipoteza că faza negativă a acestui răspuns la temperatură este manifestarea unei inversiuni termice îmbunătățite care reduce D2. În acest scop, am modelat dimensiunea medie a corpurilor nucleare phyBY361F-YFP și phyBR582A-YFP (tabelele S1 și S2) în funcție atât de D2 (11), cât și de efectele de temperatură care nu sunt mediate de modificările D2 (fig. S6). Apoi, am folosit acest model restricționat pentru a prezice nivelurile D2 de la dimensiunile corpului nuclear phyB în linii de tip sălbatic (Fig. 2B). Diferența dintre Jurnalul aparent D2 în tip sălbatic și jurnalul D2 al phyBY361F și phyBR582A în aceeași stare de lumină este prezentată în Fig. 2C (diferența medie pentru toate condițiile de lumină). Rezultatele indică faptul că temperaturile ridicate scad D2 aparent pentru phyB de tip sălbatic într-o gamă largă de condiții de lumină.

folosind cele trei abordări de mai sus, am arătat că activitatea phyB scade odată cu creșterea temperaturii (Fig. 1 și 2), sugerând două posibile rezultate biologice. Una este că modificările din aval ale semnalizării phyB compensează efectul de temperatură. Ceasul circadian oferă un exemplu de compensare a temperaturii (17). Cealaltă este că percepția phyB a indicilor de temperatură controlează producția fiziologică. O predicție a acestei din urmă ipoteze este că activitatea phyB (D2) ar trebui să afecteze în mod similar creșterea, indiferent dacă este modificată de lumină, temperatură sau mutații care stabilizează phyB. Pentru a testa această predicție, am cultivat răsaduri de Arabidopsis (inclusiv variante genetice phyB) la aceeași iradiere și temperatură, le-am sortat la diferite medii de lumină și temperatură (fig. S2) și creșterea modelată în aceste condiții (tabelul S3) în funcție de D2.

răspunsurile de creștere la temperatură (fig. S7) și lumina (18) nu sunt mediate exclusiv de phyB (D2). Astfel, am construit modelul în două etape: în primul rând, montarea submodelelor univariate care descriu relația dintre creștere și factorii individuali (D2, efectele de temperatură care nu sunt mediate de modificările D2 și activitatea altor receptori fotosenzoriali) și apoi combinarea acestor componente în modelul final. Pentru a cuantifica contribuția D2 (fig. S8), s-a utilizat creșterea la 30 CTC (fără inhibare la temperatură scăzută a creșterii) (fig. S9) a tuturor genotipurilor, inclusiv variantele phyB stabilizate și mutantul phyB-nul (D2 = 0). Pentru a cuantifica efectele temperaturii care nu sunt mediate de modificările D2 (fig. S9B), s-a utilizat mutantul fito (fără inhibiție mediată de fito) la 1 centimol m−2 s−1 (la această iradiere, iar la 30 centimol C, creșterea este maximă, ceea ce indică faptul că alți fotoreceptori nu au o contribuție puternică). Pentru a cuantifica contribuția altor fotoreceptori (fig. S10), am utilizat mutantul phyB (fără inhibiție mediată de phyB) la un interval de iradianțe la 30 centicc (fără inhibiție de creștere la temperatură scăzută). Singura interacțiune semnificativă statistic între acești Termeni a fost între D2 și efectele de temperatură care nu au fost mediate de modificările D2 (tabelul S4). Prin urmare, în modelul final, creșterea a fost invers legată de termenii care reprezintă acțiunile D2, temperaturi scăzute (care nu sunt mediate de modificările D2), alți receptori fotosenzoriali și interacțiunea sinergică dintre D2 și temperatura scăzută (care nu sunt mediate de modificările D2).

ne-am adaptat apoi la creșterea modelului pentru toate cele 200 de combinații lumină-temperatură-genotip. Relația dintre datele observate și cele prezise nu a arătat nicio abatere sistematică de la corelația 1:1 pentru lumina diferită (Fig. 3A), temperatura (Fig. 3B) sau variante genetice cu stabilitate Pfr modificată (Fig. 3C). Datele prezise au fost obținute cu valori D2 afectate de lumină, temperatură și genotip. Pentru a testa semnificația efectelor de temperatură mediate de schimbările în starea phyB, am recalculat creșterea prin utilizarea D2 modificat de lumină și genotip, dar nu de temperatură (constantă 10 CTC). Această ajustare a redus bunătatea modelului de creștere a potrivirii (Fig. 3B, inset), indicând faptul că contribuția efectelor temperaturii mediate de phyB asupra creșterii este semnificativă statistic și nu trebuie neglijată. Deoarece am estimat efectul D2 folosind date de la o singură temperatură (fig. S8), modelul nostru de creștere nu se bazează pe presupunerea că D2 se schimbă odată cu temperatura, oferind astfel încredere că ultima concluzie este autentică.

am folosit modelul de creștere pentru a compara contribuția fiecăruia dintre cei trei termeni dependenți de temperatură la inhibarea creșterii prin temperaturi scăzute. efectele mediate de phyB ale temperaturii contribuie la răspunsul global la temperatură (Fig. 3D). Efectele au fost mari la iradieri scăzute, au scăzut cu iradieri intermediare (reacțiile la lumină devin din ce în ce mai importante) și au crescut din nou la iradieri mai mari, deoarece acum D2 afectează creșterea mai puternic.

Fitocromii au fost descoperiți și au fost studiați pe baza rolurilor lor de receptori de lumină în plante (6, 7). Cu toate acestea, observațiile noastre că temperatura modifică cantitatea de D2 pentru phyB (Fig. 1 și 2) și producția sa fiziologică într-un mod similar cu lumina (Fig. 3) indicați că phyB ar trebui, de asemenea, să fie definit ca un receptor de temperatură. phyB necesită lumină pentru a se conforma acestei funcții de temperatură, necesitând lumină pentru a genera inițial starea Pfr instabilă, dar bioactivă. Temperatura afectează starea Pfr a phyB în principal prin kr1 în lumină (Fig. 1) și prin kr2 în timpul nopții (19). Receptorii sunt adesea activați de liganzii lor; deși phyB este activat de lumina roșie, este inactivat de lumina roșie îndepărtată și de temperaturile ridicate. Această combinație de percepție a luminii și a temperaturii ar servi la integrarea semnalelor care controlează fotografia și termomorfogeneza în moduri care optimizează creșterea plantelor expuse la o gamă largă de medii.

corecție (17 noiembrie 2016): Raport: „Fitocromul B integrează semnalele de lumină și temperatură în Arabidopsis” de M. Legris și colab. (18 noiembrie 2016, p. 897). Această lucrare a fost publicată inițial online ca primă lansare pe 27 octombrie 2016. Aceste informații au fost restaurate la sfârșitul articolului.