For  plants,  the  ability  to  accurately  sense  light  governs  everything  from  seed  germination,  photosynthesis  and  pigmentation  to  patterns  of  growth  and  flowering.  

Now,  for  the  first  time,  scientists  have  obtained  a  detailed  map  of  one  of  biology's  most  important  light  detectors,  a  protein  found  in  many  species  across  life's  plant,  fungal,  and  bacterial  kingdoms.  By  resolving  the  three-dimensional  structure  of  the  protein  known  as  phytochrome,  scientists  can  now  tease  out  the  secrets  of  how  plants,  in  particular,  react  to  light,  opening  the  door  for  a  host  of  manipulations  that  could  have  sweeping  implications  for  agriculture.  

Writing  in  the  Nov.  17  issue  of  the  journal  Nature,  a  team  of  scientists  from  UW-Madison  report  that  they  have  obtained  the  crystal  structure  of  a  phytochrome  from  a  bacterium,  the  first  such  light-gathering  structure  depicted  for  all  of  biology.  The  structure  of  the  bacterial  phytochrome,  according  to  the  report,  suggests  its  architecture  first  arose  a  billion  or  so  years  ago  in  a  common  ancestor  and  is  shared  among  not  only  bacteria,  but  also  by  plants  and  fungi.  

"This  is  probably  the  most  important  light  regulator  in  agriculture,"  says  Richard  Vierstra,  a  UW-Madison  plant  geneticist  and  one  of  two  collaborating  senior  authors  of  the  Nature  paper.  "It  tells  plants  when  to  germinate.  It  tells  them  where  to  grow  to  absorb  the  most  light  and  to  avoid  competition.  It  tells  them  when  to  flower.  It  tells  them  when  to  die  at  the  end  of  the  growing  season."  

The  accomplishment  of  the  Wisconsin  researchers,  including  first  author  graduate  student  Jeremiah  Wagner,  caps  a  30-year  quest  by  biologists  to  drill  down  to  the  inner  workings  of  how  plants,  fungi  and  bacteria  use  light  to  guide  their  development.  It  will  likely  spur  a  rush  by  scientists  to  capitalize  on  the  new  knowledge  and  may  one  day  lead  to  such  things  as  plants  whose  growth,  flowering  and  death  can  be  precisely  manipulated.