Flowering of Arabidopsis is regulated by several environmental and endogenous signals. An important integrator of these inputs is the FLOWERING LOCUS T ( FT ) gene, which encodes a small, possibly mobile protein. A primary response to floral induction is the activation of FT RNA expression in leaves. Because flowers form at a distant site, the shoot apex, these data suggest that FT primarily controls the timing of flowering. Integration of temporal and spatial information is mediated in part by the bZIP transcription factor FD, which is already expressed at the shoot apex before floral induction. A complex of FT and FD proteins in turn can activate floral identity genes such as APETALA1 ( AP1 ).

Plants are highly sensitive to temperature and can perceive a difference of as little as 1°C. How temperature is sensed and integrated in development is unknown. In a forward genetic screen in Arabidopsis, we have found that nucleosomes containing the alternative histone H2A.Z are essential to perceiving ambient temperature correctly. Genotypes deficient in incorporating H2A.Z into nucleosomes phenocopy warm grown plants, and show a striking constitutive warm temperature transcriptome. We show that nucleosomes containing H2A.Z display distinct responses to temperature in vivo, independently of transcription. Using purified nucleosomes, we are able to show that H2A.Z confers distinct DNA-unwrapping properties on nucleosomes, indicating a direct mechanism for the perception of temperature through DNA-nucleosome fluctuations. Our results show that H2A.Z-containing nucleosomes provide thermosensory information that is used to coordinate the ambient temperature transcriptome. We observe the same effect in budding yeast, indicating that this is an evolutionarily conserved mechanism.

Hydra, first described by Anton van Leeuwenhoek in a letter to the Royal Society in 1702, has been studied by biologists for centuries and now is an important model for work on axial patterning, stem cell biology and regeneration. Its genome, over half of which is made up of mobile elements, has now been sequenced, as has the genome of a Curvibacter sp. bacterium stably associated with Hydra magnipapillata. Comparisons of the Hydra genome with those of other animals provide insights into the evolution of epithelia, contractile tissues, developmentally regulated transcription factors, pluripotency genes and the neuromuscular junction, as well as the Spemann–Mangold organizer, the region in the early embryo that establishes the embryo's axis. The freshwater cnidarian Hydra is a significant model for studies of axial patterning, stem cell biology and regeneration. Its (A+T)-rich genome has now been sequenced. Comparison of this genome with those of other animals provides insights into the evolution of epithelia, contractile tissues, developmentally regulated transcription factors, pluripotency genes and more. The freshwater cnidarian Hydra was first described in 17021 and has been the object of study for 300 years. Experimental studies of Hydra between 1736 and 1744 culminated in the discovery of asexual reproduction of an animal by budding, the first description of regeneration in an animal, and successful transplantation of tissue between animals2. Today, Hydra is an important model for studies of axial patterning3, stem cell biology4 and regeneration5. Here we report the genome of Hydra magnipapillata and compare it to the genomes of the anthozoan Nematostella vectensis6 and other animals. The Hydra genome has been shaped by bursts of transposable element expansion, horizontal gene transfer, trans-splicing, and simplification of gene structure and gene content that parallel simplification of the Hydra life cycle. We also report the sequence of the genome of a novel bacterium stably associated with H. magnipapillata. Comparisons of the Hydra genome to the genomes of other animals shed light on the evolution of epithelia, contractile tissues, developmentally regulated transcription factors, the Spemann–Mangold organizer, pluripotency genes and the neuromuscular junction.

Combining heat and light responses Plants integrate a variety of environmental signals to regulate growth patterns. Legris et al. and Jung et al. analyzed how the quality of light is interpreted through ambient temperature to regulate transcription and growth (see the Perspective by Halliday and Davis). The phytochromes responsible for reading the ratio of red to far-red light were also responsive to the small shifts in temperature that occur when dusk falls or when shade from neighboring plants cools the soil. Science , this issue p. 897 , p. 886 ; see also p. 832

Plants are sessile organisms and must respond to changes in environmental conditions. Flowering time is a key developmental switch that is affected by both day length and temperature. Environmental cues are sensed by the leaves while the responses occur at the apex, requiring long-range communication within the plant. For many years it has been known that leaves exposed to light can trigger the floral transition of a darkened shoot, and grafting experiments demonstrated that the floral stimulus travels long distances. This mobile signal was later termed "florigen," but its nature has been unclear. The gene FLOWERING LOCUS T (FT) is a major output of both the photoperiod and the vernalization pathways controlling the floral transition. FT protein acts at the shoot apex of the plant in concert with a transcription factor, FLOWERING LOCUS D (FD). A fundamental question is how FT transcription in the leaves leads to active FT protein at the apex. We have uncoupled FT protein movement from its biological function to show that FT protein is the mobile signal that travels from the leaves to the apex. To our knowledge, FT is the only known protein that serves as a long-range developmental signal in plants.

Plant growth and development are strongly affected by small differences in temperature. Current climate change has already altered global plant phenology and distribution, and projected increases in temperature pose a significant challenge to agriculture. Despite the important role of temperature on plant development, the underlying pathways are unknown. It has previously been shown that thermal acceleration of flowering is dependent on the florigen, FLOWERING LOCUS T (FT). How this occurs is, however, not understood, because the major pathway known to upregulate FT, the photoperiod pathway, is not required for thermal acceleration of flowering. Here we demonstrate a direct mechanism by which increasing temperature causes the bHLH transcription factor PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR4 (PIF4) to activate FT. Our findings provide a new understanding of how plants control their timing of reproduction in response to temperature. Flowering time is an important trait in crops as well as affecting the life cycles of pollinator species. A molecular understanding of how temperature affects flowering will be important for mitigating the effects of climate change.

At high ambient temperature, plants display dramatic stem elongation in an adaptive response to heat. This response is mediated by elevated levels of the phytohormone auxin and requires auxin biosynthesis, signaling, and transport pathways. The mechanisms by which higher temperature results in greater auxin accumulation are unknown, however. A basic helix-loop-helix transcription factor, PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 4 (PIF4), is also required for hypocotyl elongation in response to high temperature. PIF4 also acts redundantly with its homolog, PIF5, to regulate diurnal growth rhythms and elongation responses to the threat of vegetative shade. PIF4 activity is reportedly limited in part by binding to both the basic helix-loop-helix protein LONG HYPOCOTYL IN FAR RED 1 and the DELLA family of growth-repressing proteins. Despite the importance of PIF4 in integrating multiple environmental signals, the mechanisms by which PIF4 controls growth are unknown. Here we demonstrate that PIF4 regulates levels of auxin and the expression of key auxin biosynthesis genes at high temperature. We also identify a family of SMALL AUXIN UP RNA ( SAU R ) genes that are expressed at high temperature in a PIF4 -dependent manner and promote elongation growth. Taken together, our results demonstrate direct molecular links among PIF4, auxin, and elongation growth at high temperature.

Temperature controls plant growth and development, and climate change has already altered the phenology of wild plants and crops1. However, the mechanisms by which plants sense temperature are not well understood. The evening complex is a major signalling hub and a core component of the plant circadian clock2,3. The evening complex acts as a temperature-responsive transcriptional repressor, providing rhythmicity and temperature responsiveness to growth through unknown mechanisms2,4-6. The evening complex consists of EARLY FLOWERING 3 (ELF3)4,7, a large scaffold protein and key component of temperature sensing; ELF4, a small α-helical protein; and LUX ARRYTHMO (LUX), a DNA-binding protein required to recruit the evening complex to transcriptional targets. ELF3 contains a polyglutamine (polyQ) repeat8-10, embedded within a predicted prion domain (PrD). Here we find that the length of the polyQ repeat correlates with thermal responsiveness. We show that ELF3 proteins in plants from hotter climates, with no detectable PrD, are active at high temperatures, and lack thermal responsiveness. The temperature sensitivity of ELF3 is also modulated by the levels of ELF4, indicating that ELF4 can stabilize the function of ELF3. In both Arabidopsis and a heterologous system, ELF3 fused with green fluorescent protein forms speckles within minutes in response to higher temperatures, in a PrD-dependent manner. A purified fragment encompassing the ELF3 PrD reversibly forms liquid droplets in response to increasing temperatures in vitro, indicating that these properties reflect a direct biophysical response conferred by the PrD. The ability of temperature to rapidly shift ELF3 between active and inactive states via phase transition represents a previously unknown thermosensory mechanism.

Plant development is highly responsive to ambient temperature, and this trait has been linked to the ability of plants to adapt to climate change [1Fitter A.H. Fitter R.S. Rapid changes in flowering time in British plants.Science. 2002; 296: 1689-1691Crossref PubMed Scopus (1104) Google Scholar]. The mechanisms by which natural populations modulate their thermoresponsiveness are not known [2Willis C.G. Ruhfel B. Primack R.B. Miller-Rushing A.J. Davis C.C. Phylogenetic patterns of species loss in Thoreau’s woods are driven by climate change.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008; 105: 17029-17033Crossref PubMed Scopus (447) Google Scholar]. To address this, we surveyed Arabidopsis accessions for variation in thermal responsiveness of elongation growth and mapped the corresponding loci. We find that the transcriptional regulator EARLY FLOWERING3 (ELF3) controls elongation growth in response to temperature. Through a combination of modeling and experiments, we show that high temperature relieves the gating of growth at night, highlighting the importance of temperature-dependent repressors of growth. ELF3 gating of transcriptional targets responds rapidly and reversibly to changes in temperature. We show that the binding of ELF3 to target promoters is temperature dependent, suggesting a mechanism where temperature directly controls ELF3 activity.

Plants maximize their fitness by adjusting their growth and development in response to signals such as light and temperature. The circadian clock provides a mechanism for plants to anticipate events such as sunrise and adjust their transcriptional programmes. However, the underlying mechanisms by which plants coordinate environmental signals with endogenous pathways are not fully understood. Using RNA-sequencing and chromatin immunoprecipitation sequencing experiments, we show that the evening complex (EC) of the circadian clock plays a major role in directly coordinating the expression of hundreds of key regulators of photosynthesis, the circadian clock, phytohormone signalling, growth and response to the environment. We find that the ability of the EC to bind targets genome-wide depends on temperature. In addition, co-occurrence of phytochrome B (phyB) at multiple sites where the EC is bound provides a mechanism for integrating environmental information. Hence, our results show that the EC plays a central role in coordinating endogenous and environmental signals in Arabidopsis.