Photorezeptoren in pflanzen

Arabidopsis-Photorezeptoren, T

. Mockler, H. Yang, XuHong Yu, D. Parikh, Ying-chia Cheng, S. Dolan und C. Lin, 2002

Abstract von Ingvor Zetterlund

Einleitung

Photoperiodismus ist tageslängenabhängige saisonale Veränderungen der physiologischen oder entwicklungsbedingten Aktivität von Pflanzen.

Die photoperiodische Blüte bei Pflanzen wird durch photosensorische Rezeptoren reguliert, darunter der Rot-/Langwellen-Rotlichtrezeptor Phytochrom und der Blau-/UV-Lichtrezeptor Cryptochrom. Die molekularen Mechanismen von Photorezeptoren sind noch unzureichend erforscht. In dieser Arbeit wurden Studien zur tageslängenabhängigen Reaktion von Cryptochrom 2 (cry2) und Phytochrom A (phyA) und ihrer Rolle als Tageslängensensoren durchgeführt.

Die Mengen an cry2- und phyA-Proteinen zeigten einen zirkadianen Rhythmus in Pflanzen, der während der kurzen Zeit zunahm. Bedingungen, aber nicht bei Pflanzen, die unter Langzeitbedingungen gewachsen sind. Der Kurztag-spezifische zirkadiane Rhythmus von cry2 wird zunächst durch den blaulichtabhängigen Metabolismus von cry2 bestimmt. Ausgehend von der Prämisse, dass cry2 und phyA die wichtigsten Tageslängensensoren in Arabidopsis sind, zeigen die Forscher in diesem Experiment, dass phyA in langwelligem rotem Licht eine Blüte induziert, mit ähnlichen Effekten wie cry2.

Basierend auf diesen Ergebnissen und der Beobachtung, dass die photoperiodische Reaktion bei Pflanzen von der Lichtqualität abhängt, wurde ein Modell vorgeschlagen, um zu erklären, wie Phytochrom und Cryptochrom miteinander interagieren, um eine photoperiodische Reaktion in Arabidopsis zu erzeugen.

 

Die photoperiodische Blüte war das erste dokumentierte photoperiodische Phänomen bei Pflanzen. Die Blüte von Longday- (LD) oder Short-Day-Pflanzen (SD) tritt unter Longday- bzw.

Shortday-Bedingungen auf bzw. nimmt zu. Arabidopsis ist die fakultative LD-Pflanze, und die Regulation ihrer Die Blütezeit wurde intensiv untersucht. Der detaillierte Mechanismus, der für den Photoperiodismus von grundlegender Bedeutung ist, ist nicht gut verstanden, aber umfangreiche physiologische Studien an Pflanzen stützen eine Hypothese, die sich auf ein Modell der externen Koinzidenz bezieht. Je nach Hautbild muss das Lichtsignal mit der photoperiodischen rhythmischen Reaktion (PRR) der Zellaktivität während der entsprechenden Tagesstunden interagieren.

Die mRNA-Expression von Blühzeitgenen in Arabidopsis, einschließlich CO, GI und FT, zeigte, dass die zirkadianen Rhythmen bei Pflanzen, die unter LD- und SD-Bedingungen wuchsen, unterschiedlicher Art waren. Die zirkadiane Expression eines oder mehrerer Gene zur Blütezeit während des Tages kann ein Beispiel für PRR sein.

 

Arabidopsis verfügt über neun photosensorische Rezeptoren: fünf Phytochrome (phyA phyE), zwei Cryptochrome (cry1 und cry2) und zwei Phototropine (phot1 und phot2), um die meisten seiner Lichtreaktionen zu regulieren.

Phytochrom und Cryptochrom sind als Regulatoren von Die Blütezeit und die Mengen an Proteinen phyA und cry2 regle rennen mit Licht. Diese Studien zeigen, dass cry2 und phyA als signifikante Rezeptoren für die Tageslänge fungieren können. Die Übereinstimmung der Lichtwahrnehmung durch cry2 und phyA mit dem Höhepunkt der zirkadianen Expression des CO-Gens ist entscheidend für die Induktion der FT-Blütezeit, der Genexpression und der photoperiodischen Blüte.

 

Cry2 und phyA wurden untersucht, um Unterschiede in ihrer photoperiodischen Reaktion sowie den Mechanismus zu verstehen, der der photoperiodischen Blüte von Arabidopsis zugrunde liegt.

Pflanzenmaterial

Im Versuch wurden mehrere Ökotypen des Wildtyps wt Arabidopsis verwendet. Eine Vielzahl von Photorezeptormutanten wurde mit Hilfe von genetischen Screenings oder Kreuzungen präpariert.

An den Mutanten waren folgende Allele beteiligt: cry2-1, cry1-304, hy-B104, phyB-9 und phyA-211. Die Doppelmutante cry2-1/phyA-403 und die dreifach mutierte cry2-1 cry1-304 phyA-412 wurden aus Ethyl isoliert Methansulfonat-mutagenisierte CRY2-1- bzw. Fast-Neutronen-mutagenisierte CRY2-1/CRY1-304-Doppelmutanten-Seeds und zweimal mit dem Wildtyp (Col-4) rückgekreuzt.

Die Blütezeit und die Länge des Hypokotyles wurden gemessen und beschrieben. Die Tage bis zur Blüte waren die Tage zwischen dem Datum, an dem die Pflanzen unter Licht gesetzt wurden, und dem Datum, an dem die ersten Blütenknospen erschienen.

Lichtquellen und spektrale Messungen, Abmessungen

Die Pflanzen wurden mit fluoreszierendem kaltweißem Licht beleuchtet (sofern nicht anders angegeben).

Folgende Lampen wurden verwendet:

• Kaltweiße Leuchtstofflampen (F48T12/CW/HO, General Electric),
• Bili Blue Leuchtstofflampen, die blaue Filter aus Acryl hatten, rote
• Leuchtstofflampen, die rote Filter aus Acryl hatten, Infrarot-Leuchtstofflampen
• , die Infrarotfilter (RF) aus Acryl hatten.

Die Lichtspektren und die Strömungsgeschwindigkeit wurden mit dem Spektralradiometer LI-1800 gemessen.

Wellenlängen für Die Durchlassraten für die Filterung von blauem, rotem und FR-Licht lagen bei 449, 660 bzw. 750 nm.

Die photoperiodisch abhängige Oszillation von cry2 und phyA

Unter den fünf Phytochromen und zwei Cryptochromen in Arabidopsis sind phyA und cry2 die einzigen Photorezeptoren, deren Proteinspiegel durch lichtinduzierte Proteolyse reguliert wird. Die Menge an cry2 und phyA zeigt bei Pflanzen, die in SD wachsen, eine tägliche Schwankung.

Die Anzahl dieser Photorezeptoren nimmt im Laufe des Tages ab und nimmt im Laufe der Nacht zu. In Sämlingen, die im LD-Verhältnis wuchsen, wurden geringe Mengen an täglichen Wachstumscry2- und phyA-Proteinen beobachtet. Die Menge des cry1-Proteins, das nicht syntisch durch Licht reguliert wird, zeigt sowohl während der SD als auch während der LD eine geringe Oszillation. Die Schlussfolgerung ist, dass sich die Mengen an Proteinen cry2 und phyA zu verschiedenen Tageszeiten ändern und dass die tägliche Oszillation von cry2 und phyA von der Länge des Tages abhängt.

cry2-Oszillation ist abhängig von blauem Licht

Unter der Annahme, dass cry2 und phyA in Lichtsätzen geschwächt sind, kann man davon ausgehen, dass die tägliche Oszillation der beiden Photorezeptoren eher wie ein lichtabhängiger zirkadianer Rhythmus wirkt, als ein zirkadianer Rhythmus, der von der zirkadianen Uhr gesteuert wird. Insbesondere wurde die beobachtete cry2- und phyA-Oszillation bei Sämlingen, die in SD wuchsen, drastisch reduziert, wenn die Sämlinge von SD auf Dauerlicht umgestellt wurden, d.h.

die Menge an cry2 stieg in der subjektiven Nacht unter dem konstanten Lichtverhältnis kontinuierlich an. Um die Rolle von Licht und zirkadianem Rhythmus bei der Regulation der cry2-Oszillation von Proteinen besser zu verstehen, testeten sie, wie verschiedene Lichtwellenlängen die cry2-Expression beeinflussen können. Arabidopsis-Pflanzen, die periodisch 12 Stunden blaues Licht/12 Stunden Dunkelheit (12 hBL/12 hD) wuchsen, wurden entweder auf kontinuierliches rotes Licht oder kontinuierliches blaues Licht umpositioniert, und das cry2-Protein wurde vor und nach der Neupositionierung analysiert.

Die Cry2-Spiegel zeigten einen klaren zirkadianen Rhythmus in der flacher, trockener Anbau unter 12 hBL/12 hD-Bedingungen, aber nicht bei den Pflanzen, die in 12 Stunden weißem Licht/12 Stunden Dunkelheit oder 12 Stunden rotem Licht/12 Stunden Dunkelheit gewachsen sind. Die rhythmische Veränderung der Cry2-Abundanz, die bei 12 hBL/12 hD zu beobachten war, verschwand vollständig, als die Pflanzen auf kontinuierliches rotes Licht umgestellt wurden.

Abbildung 1

Die Oszillation der cry2-Proteinspiegel verschwand auch bei kontinuierlichem blauem Licht fast vollständig, obwohl ein leichter Anstieg der cry2-Spiegel in der subjektiven Nacht erkennbar war; die cry2-Proteinspiegel blieben bei Pflanzen, die auf kontinuierliches rotes Licht umgestellt wurden (Abbildung 1A), immer hoch oder bei Pflanzen, die auf kontinuierliches blaues Licht umpositioniert wurden, immer niedrig.

Diese Ergebnisse haben bestätigt, dass der zirkadiane Rhythmus von cry2 von blauem Licht abhängt.

• cry2 zeigt eine starke Oszillation für 9 Stunden weißes Licht/15 Stunden Dunkelheit (SD) oder 12 hBL/12 hD, aber nicht für 18 Stunden Licht/6 Stunden Dunkelheit (LD) oder 12 Stunden rotes Licht/12 Stunden dunkel;
• Die Cry2-Oszillation ist bei Sämlingen, die von periodischen auf kontinuierliche Lichtbedingungen umgestellt wurden, kaum nachweisbar;
• Cry2 ist im blauen Licht geschwächt, aber nicht im roten Licht,

Die obigen Beobachtungen führen zu der Schlussfolgerung, dass der zirkadiane Rhythmus der Cry2-Oszillation in SD durch den von blauem Licht abhängigen Cry2-Abfall bestimmt wird.

Zirkadianer Rhythmus und die tägliche Cry2-Oszillation

Wie oben erwähnt, stiegen die Cry2-Mengen bei Pflanzen, die von SD oder 12 hBL/12 hD auf konstantes Licht umgestellt wurden, in der subjektiven Nacht weiter leicht an.

Darüber hinaus stiegen die cry2-Spiegel bei Sämlingen an, die während der 12 hBL/12 hD-Perioden vor der subjektiven Nacht wuchsen. Während der 12 hBL/12 hD-Periode stieg der Spiegel des cry2-Proteins während der Lichtphase langsam an, was mit dem erwarteten Phänomen übereinstimmt, das oft mit dem zirkadianen Rhythmus verbunden ist. Diese Beobachtung stimmt mit der zirkadianen Die Rolle des Rhythmus bei der Regulation von Schreien2.

Diese Erwartung ist spezifisch für blaues Licht, da es bei Pflanzen nicht gefunden wurde, die 12 Stunden rotes Licht/12 Stunden Dunkelheit oder 9 Stunden weißes Licht/15 Stunden Dunkelheit aushielten. Diese Beobachtung scheint zu beweisen, dass der zirkadiane Rhythmus möglicherweise nicht direkt mit der cry2-Oszillation zusammenhängt, da der zirkadiane Rhythmus sowohl bei blauem als auch bei rotem Licht funktioniert.

Es ist möglich, dass cry2 die Blaulichtregulation eines spezifischen Ausgangswegs bewerkstelligen kann, der die CRY2-mRNA-Expression steuert. Alternativ kann eine cry2-Rückkopplungsregulation vorhanden sein, und Phytochrome können die Rückkopplungsregulation unterdrücken.

phyA fördert die Blüte in FR-Licht

Es wurde untersucht, wie phyA die Blüte in FR-Licht fördert, da phyA dafür bekannt ist, die Hypokotyl-Elongation in FR zu hemmen.

Die Sämlinge wurden in nährstoffreichem Medium unter kontinuierlichem FR-Licht gekeimt und die Blütezeiten verschiedener Phänotypen verglichen. P Da photosynthetische Pigmente hauptsächlich rotes und blaues Licht absorbieren, unterstützt FR-Licht die Photosynthese nicht. Arabidopsis-Pflanzen, die auf nährstoffreichem Medium wuchsen, konnten im Dunkeln und damit auch im FR-Licht blühen. Tatsächlich begannen Wildtyp-, Cry2- und phyB-Mutanten etwa 20 Tage nach der Pflanzung zu blühen.

Im Gegensatz dazu blühten phyA-Mutanten und Doppelmutanten, die phyA-Schäden aufwiesen, unter diesen Bedingungen 46 Tage lang nicht, bis das Experiment abgeschlossen war.

 

Die Tatsache, dass die phyA-Mutante nicht im FR-Licht geblüht hat, könnte zu der Schlussfolgerung führen, dass die Induktion der Blüte in FR mit phyA erfolgt. Infolge der phyA-Mutation könnten die Pflanzen einen grundlegenden Entwicklungsdefekt aufweisen.

Da der Blühbeginn in einem frühen Stadium der Keimpflanze bestimmt wird, ist es möglich, dass ein Mangel im phyA-abhängigen Prozess der Keimpflanze sowohl die Kontrolle der Blütezeit als auch andere Entwicklungsprozesse beeinflusst. Die Blütezeit wurde analysiert für Sämlinge, die in gemischtem Boden unter rotem + FR (R + FR) Licht wuchsen, was die Photosynthese unterstützt. phyA-Mutanten blühten signifikant später (> 40 Tage) als der Wildtyp (etwa 26 Tage) im R+FR-Lichtverhältnis, während phyA im kontinuierlichen Rotlicht nur geringfügig später blühte als wt.

Dieses Ergebnis stützt die Hypothese, dass phyA die Blüte bei FR-Licht fördert. Da die phyA-Mutante in FR nicht blühen konnte, konnte bewiesen werden, dass phyA unabhängig von anderen Photorezeptoren funktionieren kann.

 

Phytochrome sind photointerkonvertierbare Moleküle, die zwischen FR-absorbierendem Pfr und R-absorbierendem Phytochrom (Pr) umgerechnet werden. Pfr ist in der Regel die physiologisch aktive Form, während Pr die inaktive Form ist.

Diese Interpretation führt zu einer Schwierigkeit bei der Erklärung, wie phyA bei hell wachsenden, reifen Pflanzen, bei denen die phyA-Menge signifikant niedriger ist, eine FR-Reaktion erzielen kann als bei etiolierten Pflanzen. Kürzlich wurde jedoch berichtet, dass die aktive Die Form von phyA kann weder Pfr noch Pr sein. Stattdessen kann ein kurzlebiges Zwischenprodukt, das bei der Photokonversion von Pfr zu Pr erzeugt wird, die aktive Form sein.

cry1, cry2 und phyA wirken unabhängig voneinander, um die Blüte bei blauem Licht zu induzieren

Im Gegensatz zu anderen Phytochromen ist phyA dafür bekannt, die Elongation von Hypokotyledon bei blauem Licht zu hemmen. Um zu testen, ob phyA die Blütezeit regulieren kann, wurden die Blütezeiten von phyA-Mutanten und Cryptochrom-Mutanten verglichen, die in kontinuierlichem blauem Licht wuchsen. Die monogenen cry1-, cry2- oder phyA-Mutanten blühten etwa genauso lange wie wt; Doppelmutante, die in einem der drei FO-Torezeptoren oder cry1cry2phyA beschädigt war, blühte signifikant später.

Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die drei Photorezeptoren unabhängig voneinander die Blüte bei blauem Licht fördern.

 

Drei Photorezeptorwege regulieren die Blütezeit bei Arabidopsis

Es gibt drei Haupt-Photorezeptorwege in Arabidopsis: R, B und FR, die rote, blaue oder FR-Regionen des Sonnenlichtspektrums erfassen, um die Blütezeit zu regulieren. Der R-Signalweg (siehe Abbildung 2) wird von phyB reguliert, das sich mit phyD und phyE überschneidet, um die Blüte bei rotem Licht zu hemmen.

Der B-Signalweg wird hauptsächlich durch Cryptochrome, aber auch durch phyA erreicht. Im B-Signalweg spielt cry2 eine wichtige Rolle bei der Unterdrückung des R-Signalwegs bei blauem Licht, während cry1, cry2 und phyA unabhängig voneinander bei der Förderung der Blüte wirken. Der FR-Signalweg wird durch phyA reguliert, das auf zwei Arten wirkt: die Hemmung des R-Signalwegs und die Induktion der Blüte bei FR-Licht.

Abbildung 2

 

Gemäß dem Modell in Abbildung 2A sind die Signalwege B und FR im natürlichen Licht, das sowohl an blauen als auch an FR-Spektren reich ist, funktionell redundant.

Diese funktionelle Häufigkeit könnte eine rätselhafte Beobachtung der cry2-Mutante erklären. Es wurde gesagt, dass die Cry2-Mutante signifikant florierte später als wt, das in fluoreszierendem kaltweißem Licht (CW) wächst, das wenig FR enthält. Wenn die cry2-Mutante jedoch in FR-reichem Licht wuchs, blühte sie etwa zur gleichen Zeit wie wt. Eine Erklärung für diese Abweichung ist, dass die Funktion von cry2 auf die aktive Form von Phytochrom (Pft) zurückzuführen ist, die in Pflanzen reduziert ist, die in FR-reichem Licht wachsen.

Eine alternative Interpretation ist, dass der FR-Signalweg, den phyA erreicht, funktionell überflüssig ist, während der B-Signalweg hauptsächlich durch cry2 erreicht wird. Wenn cry2-Mutanten in einem FR-reichen Licht wachsen, ist der FR-Signalweg stark genug, um den geschwächten B-Signalweg zu kompensieren. Es wurde die Blütezeit der Sämlinge berechnet, die unter dem Verhältnis von CW+FR-Licht wuchsen.

Keine monogenen Photorezeptormutanten zeigten eine signifikante Veränderung der Blütezeit unter diesem Lichtverhältnis. Mutationen in zwei der drei Photorezeptorgene, darunter CRY1, CRY2 und PHYA, haben zu einer schwachen Verzögerung der Blüte. Die charakteristische cry1cry2phyA-Dreifachmutante zeigte die dramatischste Verzögerung in der Blüte: Es dauerte etwa doppelt so lange, bis die Blüte begann, als bei wt, die unter dem Verhältnis von CW+FR-Licht wuchs.

Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Ansicht, dass der cry2-abhängige B-Signalweg und der phyA-abhängige FR-Signalweg übermäßig ähnlich wirken, um die Blüteneinführung zu fördern.

 

Das vorgeschlagene modifizierte externe Koinzidenzmodell erklärt, wie die Photorezeptoren die photoperiodische Blüte regulieren. In Übereinstimmung mit diesem Modell kann die Signaltransduktion der B- und FR-Signalwege die Blüte fördern, wenn sie mit der empfindlichen Phase der PRR zusammenfällt.

Bei einer LD-Pflanze wie Arabidopsis ist das Zusammentreffen der B- und FR-Signalwege und der sensitiven Phase der PRR bei LD wahrscheinlicher als bei SD; Folglich blühen LD-Sämlinge bei LD früher als bei SD. Diese Hypothese scheint nicht nur Das Ergebnis genetischer Studien von Photorezeptormutanten, die bei kontinuierlichem Licht durchgeführt wurden, aber auch der Einfluss der Lichtqualität auf die photoperiodische Reaktion und die photoperiodische Blüte von Arabidopsis.

Die photoperiodische Empfindlichkeit von Arabidopsi hängt von der Lichtqualität

ab Das in Abbildung 2A vorgeschlagene Modell scheint die meisten Phänotypänderungen zu erklären, die bei Photorezeptormutanten beobachtet wurden, indem es verschiedene Variationen der Lichtverhältnisse analysiert.

Um die Kontrolle des Photorezeptors über den Photoperiodismus besser zu verstehen, wurde analysiert, wie sich die Lichtqualität auf die photoperiodische Blüte in Arabidopsis auswirkt. Die Blütezeit von drei der am weitesten verbreiteten Arabidopsis-Akzessionen (Col, Clay, WS), die in LD oder SD unter Beleuchtung mit Lichtern bestimmter Wellenlängen gezüchtet wurden, wurde verglichen. Alle Arabidopsis-Akzessionen zeigen die geringste lichtperiodische Empfindlichkeit bei rotem Licht: Der Unterschied in der Blütezeit zwischen SD und LD ist bei Rotlichtbeleuchtung am geringsten.

Auf der anderen Seite waren Pflanzen, die in blauem Licht wuchsen, sehr empfindlich gegenüber Photoperioden. Um die Abhängigkeit der Photoperiodenempfindlichkeit von der Lichtqualität zu erklären, wird im Rahmen der externen Koinzidenzhypothese drei Photorezeptorsignalwege neu interpretiert. In Übereinstimmung mit dem neuen Modell wird die Signaltransduktion der B- und FR-Signalwege durch PRR reguliert.

B- und FR-Signalwege fördern den Beginn der Blüte nur, wenn sie mit der sensitiven Phase der PRR übereinstimmen. Die Wirkung des B- und FR-Signalwegs auf die Blütephase ist in den unempfindlichen Phasen der PRR verringert. In Abwesenheit von blauem Licht und FR-Licht ist keiner der B- oder FR-Signalwege aktiv, so dass Sämlinge, die in rotem Licht wachsen, unempfindlich gegenüber Photoperioden sind und in LD und SD etwa zur gleichen Zeit blühen.

In Ermangelung des R-Signalwegs werden die B- und FR-Signalwege immer noch durch den PRR reguliert, der durch den zirkadianen Rhythmus gesteuert wird. Darüber hinaus sind cry2 und phyA, die wichtigsten Photorezeptoren, die die B- und FR-Signalwege vermitteln bzw. können die Länge des Tages unterscheiden, indem sie ihren Musterausdruck ändern. Folglich sind Pflanzen, die in Photoperioden wachsen, die mit blauem Licht beleuchtet werden (oder was auch immer ein Vollspektrum ist, das gegenüber B- oder FR-Signalwegen tolerant ist), immer noch empfindlich gegenüber Photoperioden.

Rotes Licht, wie es im Experiment verwendet wurde und dessen Länge im Strahlungsspektrum sich über 700 nm erstreckt, kann übrig gebliebene FR enthalten. Dies könnte erklären, warum in Ebenen, die in R-Photoperioden wachsen, übrig gebliebene photoperiodische Empfindlichkeit vorhanden ist, und warum Pflanzen, die in B+R-Photoperioden wachsen, eine ähnliche lichtperiodische Empfindlichkeit aufweisen wie Pflanzen, die in B+FR wachsen.