《Planta》：Phototropin monitors actual temperature, not temperature difference, to regulate temperature-dependent chloroplast movement via cis–trans autophosphorylation mode switching in Marchantia polymorpha
编辑推荐：
本研究针对植物如何感知温度变化调控叶绿体定位这一科学问题，通过研究地钱Marchantia polymorpha，发现向光蛋白phototropin通过LOV2结构域的光循环热回复速率感知绝对温度而非温差，在低温下从顺式自磷酸化切换为顺式与反式自磷酸化共同作用，从而触发叶绿体冷逃避反应。该研究揭示了植物光受体作为分子温度计的新机制，对理解植物环境适应策略具有重要意义。
在自然界中，植物无法像动物那样通过移动来躲避不利环境，但它们进化出了一套精妙的细胞器运动机制来应对环境变化。其中，叶绿体作为光合作用的场所，其在水乎细胞内的位置移动尤为关键。在适宜温度下，叶绿体会朝向弱蓝光照射的区域聚集（积累反应），以最大化光能捕获；然而，当温度降低时，叶绿体却会背向光照区域移动（冷逃避反应），以减少光损伤。这种依赖温度的叶绿体运动方向转换，由一种名为向光蛋白（phototropin, phot）的蓝光受体兼温度传感器介导。尽管已知phot的LOV2（Light-Oxygen-Voltage）结构域的热回复（thermal reversion）过程参与温度感知，但一个核心问题悬而未决：植物细胞是通过感知特定的绝对温度，还是感知温度的变化幅度（温差）来启动叶绿体冷逃避反应的？这项发表在《Planta》上的研究，通过对地钱（Marchantia polymorpha）的精细实验，给出了明确的答案。
为了回答上述问题，研究人员主要运用了几项关键技术：通过观察叶绿体荧光并计算叶绿体沿平周壁与垂周壁分布的比值（P/A ratio）来定量分析叶绿体运动；利用荧光光谱法测定重组Mpphot-LOV2蛋白在不同温度下的光活化比例；通过蛋白质免疫印迹和凝胶迁移位移实验（gel electrophoresis mobility shift assay）分析体内Mpphot蛋白的自磷酸化水平；并通过在野生型植株中表达激酶失活的Citrine（Cit）融合Mpphot蛋白（Mpphot-KI-Cit），特异性检测Mpphot的反式自磷酸化（trans-autophosphorylation）活性。
温度依赖的积累反应与冷逃避反应之间的转换
研究人员首先在25 μmol m-2s-1蓝光（BL25）条件下，将地钱幼株在不同温度（2°C, 7°C, 12°C, 17°C, 22°C）下培养。结果发现，在12°C、17°C和22°C时，叶绿体表现出积累反应（高P/A比值）；而在2°C和7°C时，则表现出冷逃避反应（低P/A比值），且2°C时的逃避程度比7°C更强。这表明，从22°C降温时，叶绿体运动方向的转换阈值介于12°C与7°C之间。
叶绿体运动响应绝对温度而非温度差异
为了区分叶绿体是对绝对温度（如7°C）还是对温度差异（如从22°C降至7°C，温差15°C）敏感，研究者设计了巧妙的实验。他们将植株分别从12°C降至7°C（温差5°C，条件1）和从27°C降至12°C（温差15°C，条件2）进行培养。结果显示，只有在条件1（绝对温度7°C）下诱导了冷逃避反应，而在条件2（绝对温度12°C，尽管温差更大）下则未诱导。这表明触发冷逃避反应的是达到特定的低温阈值（7°C），而非降温的幅度。
phot在体内感知绝对温度
研究表明，温度感知依赖于phot的LOV2结构域的光循环热回复速率：温度越低，热回复越慢，处于光活化状态的LOV2越多，从而增强激酶活性。研究人员利用一个LOV2结构域热回复速率加快的Mpphot突变体（MpphotV594T）进行了验证。在BL25条件下，该突变体在7°C时仍表现为积累反应（对低温不敏感），但当蓝光强度增强至100 μmol m-2s-1（BL100）以增加LOV2光活化数量时，该突变体在7°C也能正常诱导冷逃避反应。更重要的是，在此背景下重复上述温差实验，冷逃避反应同样仅在条件1（绝对温度7°C）下被诱导。这强有力地证明，phot通过LOV2结构域的热回复机制感知的是绝对温度。
光活化LOV2数量与Mpphot自磷酸化水平随温度降低而逐渐增加
体外实验显示，重组Mpphot-LOV2结构域的光活化比例随温度从22°C降至2°C而逐渐升高。相应地，体内蛋白质分析表明，在BL25条件下，Mpphot的总自磷酸化水平也随温度降低而逐渐增加。这说明温度信号通过LOV2域被phot连续监测，并转化为逐渐变化的蛋白磷酸化水平。
Mpphot的反式自磷酸化与冷逃避反应的诱导相吻合
尽管LOV2光活化和Mpphot总自磷酸化水平是渐变的，但叶绿体运动反应在7-12°C之间存在一个明显的开关式转换。之前研究发现Mpphot存在两种自磷酸化模式：顺式（cis-, 分子内）和反式（trans-, 分子间）。本研究通过分析激酶失活型Mpphot（Mpphot-KI-Cit）在野生型背景下的磷酸化（只能由内源野生型Mpphot通过反式磷酸化实现）发现，在诱导冷逃避反应的温度（2°C和7°C）下，可检测到明显的Mpphot反式自磷酸化；而在诱导积累反应的温度（≥12°C）下，则检测不到。这表明，温度降低至阈值以下时，Mpphot的自磷酸化模式从单纯的顺式转变为同时包含顺式和反式，这一转换正是触发叶绿体运动从积累反应转向冷逃避反应的关键分子开关。
本研究得出结论，地钱中的向光蛋白Mpphot作为一个分子温度计，通过其LOV2结构域的热回复速率持续监测环境的绝对温度，而非温度变化幅度。随着温度降低，Mpphot的自磷酸化水平逐渐增加，并在达到特定低温阈值时，其自磷酸化模式从顺式转换为顺式与反式并存。这种模式转换是启动叶绿体冷逃避反应所必需的，从而优化植物在波动温度环境下的光合效率。该研究不仅阐明了phot感知绝对温度的新机制，也揭示了自磷酸化模式转换在环境信号响应中的重要作用，为理解植物如何整合光温信号以适应环境提供了重要见解。该机制可能普遍存在于其他由phot介导的蓝光反应（如向光性、气孔开闭）以及其他光受体的温度感知过程中。
