¿Cómo sienten las plantas el calor durante el día?

Autor | Ye Lushu

Debido a que no pueden moverse, las plantas deben ser más sensibles a los cambios en el medio ambiente que los animales. Muchos estudios en el pasado han encontrado que las plantas, incluida la luz, la humedad y los minerales, pueden responder en un corto período de tiempo después de la detección.

En cuanto a la detección de cambios de temperatura, no está claro cómo las plantas perciben la temperatura y realizan cambios hasta hace años. A finales de 2016, dos laboratorios propusieron simultáneamente que el termosensor de las plantas es el fitocromo B: el fotosensibilizador original tiene dos configuraciones: una es la configuración Pfr activa que absorbe principalmente luz infrarroja. La otra es la configuración Pr, que está inactiva y absorbe principalmente la luz roja. La configuración Pfr absorbe la luz infrarroja y se convierte a la configuración Pr, mientras que la configuración Pr absorbe la luz roja y se convierte a la configuración Pfr. Además de la luz roja e infrarroja que puede cambiar la configuración de la fotofrin, la configuración de Pfr también puede volver a cambiar lentamente a la configuración de Pr, un proceso llamado reversión a la oscuridad. El tiempo necesario para la recuperación de la oscuridad no solo se ve afectado por la estabilidad de la proteína de Photofrin B en sí, sino que la temperatura también juega un papel muy importante. Las plantas vinculan la tasa de recuperación oscura de la fotosensitina B con la tasa de crecimiento, y el resultado es: dentro de un cierto rango, cuando la temperatura circundante aumenta, la planta crece más rápido.

En los últimos años, la investigación sobre Arabidopsis ha encontrado que el pico de crecimiento de Arabidopsis en días cortos (noche larga, 8 horas de luz / 16 horas de oscuridad) ocurre al final de la noche. Por la noche, debido a que no hay luz para convertir la fotofrin B de la configuración Pr a la configuración Pfr, la fotofrin B, que todavía está en la configuración Pfr antes de que la luz desaparezca, regresa lentamente a la Pr a través del mecanismo de recuperación oscura. estructura. Comparando Arabidopsis cultivada a 21 ° C y 27 ° C, se puede ver que la tasa de extensión del hipocótilo de Arabidopsis cultivada a 27 ° C es mucho más rápida; los resultados del estudio encontraron que la extensión del hipocótilo es principalmente a través de El papel del factor de interacción fotofrina PIF4. Resulta que la transcripción de PIF4 es inhibida por el «complejo vespertino» compuesto por tres proteínas, pero el complejo vespertino se ve afectado por la fotofrina B y también por la temperatura, por lo que cuando la larga noche está por terminar o la temperatura es más alta, Debido a que la mayor parte del fotosensibilizador B ha vuelto a la configuración Pr a través de la oscuridad o el complejo crepuscular se pierde debido a la temperatura, la transcripción de PIF4 ya no se inhibe y el hipocótilo comienza a crecer.

Los estudios en condiciones de días cortos han confirmado que las plantas crecerán rápidamente cuando la larga noche esté a punto de terminar, pero muchos estudios también han encontrado que las plantas también crecerán durante el día. Arabidopsis thaliana en condiciones de día largo (noche corta, 16 horas de luz / 8 horas de noche oscura), el pico de crecimiento cae durante el día en lugar de la noche y crece más rápido que 21 grados a 27 grados Celsius. Dado que las plantas crecen durante el día en condiciones de días largos, ¿cuál es el mecanismo de crecimiento durante el día? Los resultados de algunos estudios anteriores son muy diferentes: algunos crecen mucho más rápido a 27 grados que a 21 grados, y otros solo un poco más rápido. ¿Qué está pasando?

El equipo de investigación de la Universidad de California en Riverside Branch quería resolver el misterio de las plantas que crecen durante el día, sensibles a la temperatura, y ajustó la fuente de luz del experimento a «toda luz roja». ¿Por qué debería estar todo rojo? Resulta que muchos equipos de investigación usaron luz blanca en el pasado, y cuando las plantas están en un ambiente de luz blanca, además de la función de fotosensibilizadores, hay otro fotorreceptor: el criptocromo 1 (CRY1) también inhibe las plantas. Crecimiento (bueno, por supuesto que no necesita crecer más alto si tiene suficiente luz). Dado que CRY1 detecta principalmente la luz azul y la luz ultravioleta de onda larga (UVA), el equipo de investigación realizó una serie de experimentos primero y descubrió que CRY1 realmente interfiere con el crecimiento de hipocótilos, y el efecto de interferencia es bastante complicado, por lo que los experimentos de seguimiento Todos pasaron bajo la luz roja.

Primero, probaron una cepa mutante que carece de fitocromo B y confirmaron que el fitocromo B es indispensable para el crecimiento (sensible a la temperatura) de las plantas durante el día. Luego, sus ojos se volvieron hacia un activador de transcripción exclusivo de fotofrin: HEMERA (HMR). Además de que el HMR está relacionado con la formación de cuerpos nucleares de fotofrina B, también interactúa con los factores de interacción de fotofrina PIF1 y PIF3, provocando la descomposición de los dos últimos. Entonces, ¿la HMR también está relacionada con el crecimiento sensor de temperatura durante el día? El equipo de investigación observó cepas mutantes que carecen de HMR y confirmó que HMR está realmente relacionado con el crecimiento de plantas sensible a la temperatura durante el día.

Aunque parece que la HMR está relacionada, estudios anteriores sobre HMR han encontrado que, además de interactuar con los fotosensibilizadores, también afecta la síntesis de proteínas del cloroplasto. Para confirmar que los resultados experimentales que vieron no tenían nada que ver con los cloroplastos, utilizaron un reactivo que inhibe la síntesis de proteínas del cloroplasto (traducción) y aclararon la relación entre ellos: el efecto de HMR en el crecimiento sensible a la temperatura de las plantas no tiene nada que ver con el desarrollo de cloroplastos.

El equipo de investigación utilizó una combinación de muchas cepas mutantes diferentes para probar bajo luz roja con luz continua, día largo, día corto y otras condiciones, y encontró que el crecimiento original sensible a la temperatura de las plantas durante el día está relacionado con la fotofrina B y la fotofrina interactúa. El factor PIF4 también es indispensable, pero incluso si PIF4 está presente, mientras falta HMR, no funcionará; compare el triple mutante pif135 (fitocromo B, PIF4 y HMR restantes) y el cuádruple mutante pif135hmr-5 (fitocromo restante y B y PIF4), se encuentra que las cepas cuádruples mutantes de PIF4 y Fitocromo B casi han desaparecido, y se puede saber que solo quedan PIF4 y Fitocromo B, y la tarea de crecimiento sensible a la temperatura no se puede completar; esto También es más seguro por el fenómeno de que la expresión de genes PIF4 cadena abajo de cepas mutantes sin HMR se reduce en gran medida.

¿Cómo regula HMR PIF4? El equipo de investigación descubrió que HMR no afecta la transcripción del gen PIF4, pero afecta la acumulación de proteínas. Un experimento de «reducción» realizado por una investigación encontró que HMR puede afectar a PIF4 al interactuar con el motivo APB en el extremo amino de PIF4.

En general, aprendimos de este estudio que el crecimiento de plantas sensibles a la temperatura durante la noche solo está indirectamente relacionado con los fotosensibilizadores (porque los fotosensibilizadores pierden lentamente su actividad y aumentan la expresión de PIF4 y crecen); mientras que el crecimiento sensible a la temperatura durante el día , está directamente relacionado con la fotofrina B, y PIF4 y HMR también son indispensables. Antes se pensaba que las plantas solo crecen rápidamente cuando la larga noche está por terminar, esto en realidad es incorrecto, las plantas también crecen durante el día, pero la temperatura debería tener una mayor influencia que durante la noche, ¿verdad? ! Por supuesto, la interacción entre la fotofrin B, PIF4 y HMR durante el día aún necesita más investigación para aclararla.

referencias:

  1. Jae-Hoon Jung et. Al. Los fitocromos funcionan como termosensores en Arabidopsis. Science 27 de octubre de 2016: DOI: 10.1126 / science.aaf6005
  2. Martina Legris et. Al. El fitocromo B integra señales de luz y temperatura en Arabidopsis. Science 27 de octubre de 2016: DOI: 10.1126 / science.aaf5656
  3. Qiu Y. et. Al., 2019. La temperatura diurna es detectada por el fitocromo B en Arabidopsis a través de un activador transcripcional HEMERA. Nature Communications.


Autor: Leaf Green Departamento de Ciencias de la Vida Profesor Asistente de la Universidad Shu Tzu Chi, centro de educación y ciencia para escritores independientes, dedicado a la redacción de artículos de divulgación científica.


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