Primární funkcí mitochondrií je dýchání, při kterém je katabolismus substrátů spojen se syntézou adenosintrifosfátu (ATP) prostřednictvím oxidativní fosforylace (OxPhos). Organické kyseliny, jako je pyruvát a malát produkované v cytosolu, jsou v mitochondriích oxidovány v cyklu trikarboxylových kyselin (TCA) a následně v elektronovém transportním řetězci (ETC). Energie uvolněná touto oxidací se využívá k syntéze ATP, který je následně exportován do cytosolu pro využití v biosyntéze a růstu. U rostlin je složení mitochondrií poměrně složité a flexibilní a má specifické dráhy, které umožňují nepřetržité přežívání během vystavení abiotickému stresu a podporují fotosyntetické procesy v osvětlených listech.
Rostlinné mitochondrie jsou dvoumembránové organely, u nichž je vnitřní membrána invaginována a tvoří záhyby známé jako cristae, které zvětšují povrch membrány. Vnější membrána obsahuje relativně málo proteinů (<100) a je propustná pro většinu malých sloučenin (<Mr = 5 kDa) díky přítomnosti proteinu VDAC (napěťově závislý aniontový kanál), který tvoří póry a patří do rodiny porinových iontových kanálů. Vnitřní membrána je hlavní propustnou bariérou organely a řídí pohyb molekul pomocí řady přenašečových proteinů, z nichž mnohé jsou členy rodiny mitochondriálních přenašečů substrátů (MSCF). Ve vnitřní membráně se také nacházejí velké komplexy, které provádějí přenos elektronů ve dvou vzájemně propojených drahách, které jsou zakončeny dvěma koncovými oxidázami. Je také místem oxidativní fosforylace (OxPhos) a obsahuje nefosforylační bypass klasického ETC. Vnitřní membrána také uzavírá rozpustnou matrici, která obsahuje enzymy TCA cyklu a mnoho dalších rozpustných proteinů zapojených do nesčetných mitochondriálních funkcí.
Mitochondrie jsou poloautonomní organely s vlastní DNA, syntézou proteinů a odbouráváním. Proteiny kódované mitochondriálním genomem procházejí během své syntézy řadou posttranskripčních a posttranslačních zpracování. Mitochondriální genom také kóduje řadu genů souvisejících s pylovými potraty, které se podílejí na kontrole plodnosti rostlin v procesu známém jako cytoplazmatická samčí sterilita (CMS). Tyto CMS rostliny se používají k produkci hybridů, které těží z hybridní vitality neboli heterózy a produkují větší biomasu a výnosy. Mitochondriální genom však kóduje pouze malou část proteinů, které tvoří mitochondrii; zbytek je kódován jadernými geny a syntetizován v cytosolu. Tyto bílkoviny jsou pak transportovány do mitochondrie mechanismem pro import bílkovin a sestaveny s mitochondriálně syntetizovanými podjednotkami do velkých respiračních komplexů a dalších bílkovin.
Tolerance ke stresu je velmi komplexní vlastnost, která zahrnuje množství vývojových, fyziologických a biochemických procesů. Ve srovnání s jinými organelami se rostlinné mitochondrie neúměrně podílejí na stresové toleranci, pravděpodobně proto, že jsou místem sbližování metabolismu, signalizace a buněčného osudu . Mitochondrie jsou také místem produkce reaktivních forem kyslíku (ROS), přičemž hlavním místem produkce je pool ubichinonu a složky v komplexu I a komplexu III. Nedávno bylo také prokázáno, že komplex II produkuje významné množství superoxidu . Za normálních ustálených podmínek je produkce ROS řízena komplexem antioxidačních enzymů a malých molekul, které odstraňují ROS a omezují poškození mitochondrií a buněk. Za určitých podmínek však mohou být tyto obranné mechanismy přetíženy a ROS se hromadí, což vede k poškození proteinů, lipidů a DNA.
Počet mitochondrií na buňku se liší podle typu tkáně, přičemž aktivnější buňky s vysokými energetickými nároky, jako jsou buňky v rostoucích meristémech, jsou obecně vybaveny větším počtem mitochondrií na jednotku objemu buňky a obvykle vykazují vyšší rychlost dýchání. Výzkum rostlinných mitochondrií se v posledních několika desetiletích rychle rozvíjí díky dostupnosti sekvencí genomů široké škály modelových a kulturních rostlin. Mezi nejnovější významná témata výzkumu rostlinných mitochondrií patří propojení složení mitochondrií s reakcemi na stres prostředí a vliv tohoto oxidačního stresu na funkci mitochondrií. Podobně zájem o signalizační schopnost mitochondrií (role reaktivních forem kyslíku, retrográdní a anterográdní signalizace) odhalil transkripční změny genů reagujících na stres jako rámec pro definování specifických signálů vycházejících do mitochondrie a z ní. Značný zájem byl také věnován metabolickým procesům RNA v rostlinných mitochondriích, včetně transkripce RNA, editace RNA, sestřihu intronů skupiny I a skupiny II a degradace a translace RNA. Přestože byly rostlinné mitochondrie identifikovány před více než 100 lety, zůstávají významnou oblastí výzkumu v rostlinných vědách.
Tabulka 1
Přispěvatelé do zvláštního vydání „Rostlinné mitochondrie“.
| Autoři | Název | Téma | Typ |
|---|---|---|---|
| Arimura et al. | Působení chladu vyvolává přechodnou fragmentaci mitochondrií u Arabidopsis thaliana způsobem, který vyžaduje DRP3A, ale ne ELM1 nebo homolog podobný ELM1, ELM2 | Abiotický stres | Původní výzkum |
| Robles et al. | Charakterizace mutantů Arabidopsis mterf6 odhaluje novou roli mTERF6 v toleranci k abiotickému stresu | Abiotický stres | Původní výzkum |
| Rurek et al. | Stres chladem a teplem různorodě mění respiraci květáku i odlišné mitochondriální proteiny včetně komponent OXPHOS a matrixových enzymů | Abiotický stres | Původní výzkum |
| Rurek et al. | Mitochondriální biogeneze u různých odrůd květáku v podmínkách mírného a silného sucha. Narušená koordinace vybraných transkripčních a proteomických reakcí a regulace různých multifunkčních proteinů | Abiotický stres | Původní výzkum |
| Reddemann et al. | Rekombinační události zahrnující gen atp9 jsou spojeny se samčí sterilitou CMS PET2 u slunečnice | Cymiddlelasmická samčí sterilita | Původní výzkum |
| Štorchová et al. | Úloha nekódujících RNA v cymiddlelasmické samčí sterilitě u kvetoucích rostlin | Cymiddlelasmická samčí sterilita | Recenze |
| Mansilla et al. | Složitost mitochondriálního komplexu IV: Aktualizace biogeneze cytochrom c oxidázy u rostlin | Oxidativní fosforylace | Review |
| Podgórska et al. | Změny v centrálním metabolismu cukrů závislé na zdroji dusíku udržují sestavení buněčné stěny u mitochondriálního komplexu I defektního mrazu1 a sekundárně ovlivňují programovanou buněčnou smrt | OxPhos | Původní výzkum |
| Velada et al. | Členové genové podrodinyAOX1 u Olea europaea cv. „Galega Vulgar“ – charakterizace genů a exprese transkriptů během adventivního zakořeňování indukovaného IBA in vitro | OxPhos | Původní výzkum |
| Wanniarachchi et al. | Alternative Respiratory Pathway Component Genes (AOX and ND) in Rice and Barley and Their Response to Stress | OxPhos | Original Research |
| Podgórska et al. | Suprese externí NADPH dehydrogenázy-NDB1 u Arabidopsis thaliana zajišťuje lepší toleranci vůči toxicitě amoniaku prostřednictvím účinného glutathion/redoxního metabolismu | OxPhos | Original Research |
| Avelange-Macherel et al. | Decoding the Divergent Subcellular Location of Two Highly Similar Paralogous LEA Proteins | Protein Import | Original Research |
| Kolli et al. | Plant Mitochondrial Inner Membrane Protein Insertion | Protein Import | Review |
| Zhao et al. | The Roles of Mitochondrion in Intergenomic Gene Transfer in Plants: Zdroj a zásobárna | Inport proteinů | Původní výzkum |
| Dolzblasz et al. | Narušení proliferace meristému u rostlin postrádajících mitochondriální proteázu AtFTSH4 | Syntéza a degradace proteinů | Původní výzkum |
| Opalińska et al. | Identifikace fyziologických substrátů a vazebných partnerů rostlinné mitochondriální proteázy FTSH4 metodou trappingu | Syntéza a degradace proteinů | Původní výzkum |
| Robles et al. | Emerging Roles of Mitochondrial Ribosomal Proteins in Plant Development | Protein Synthesis and Degradation | Review |
| Zmudjak et al. | Analýza rolí proteinů Arabidopsis nMAT2 a PMH2 poskytla nové poznatky o regulaci sestřihu intronů skupiny II v mitochondriích suchozemských rostlin | Syntéza a degradace proteinů | Původní výzkum |
| Mao et al. | Oxid dusnatý reguluje růst semenáčků a reakce mitochondrií u stárnoucích semen ovsa | ROS &Antioxidanty | Původní výzkum |
Řada výzkumných článků v tomto zvláštním čísle byla zaměřena na reakce mitochondrií na abiotický stres, se studiemi, které se zabývaly tepelným stresem (horkým i chladným), zasolením a suchem. Arimura a kol. prokázali, že mitochondriální štěpení vyvolané chladem (o němž se dříve předpokládalo, že zahrnuje působení jak proteinu příbuzného dynaminu) DRP3A, tak dalšího rostlinně specifického faktoru ELM1, vyžaduje u Arabidopsis pouze DRP3A. Zároveň ukázali, že paralog ELM1 (ELM2) má zřejmě jen omezenou roli v mitochondriálním dělení u mutanta elm1, což naznačuje, že Arabidopsis má jedinečné, chladem indukované mitochondriální dělení, které zahrnuje pouze DRP3A pro kontrolu velikosti a tvaru mitochondrií. Mitochondriální transkripční terminační faktory (mTERF), které se podílejí na kontrole exprese organelárních genů (OGE), přičemž mutace některých charakterizovaných mTERF (jejichž výsledkem jsou rostliny se změněnou reakcí na sůl, vysoké osvětlení, teplo nebo osmotický stres) naznačují roli těchto proteinů v toleranci vůči abiotickému stresu. Robles a kol. zde ukázali, že mutant mterf6-2 se silnou ztrátou funkce byl během zakládání semenáčků přecitlivělý na NaCl a mannitol, zatímco mterf6-5 vykazoval větší citlivost na teplo v pozdější fázi vývoje. Rurek et al. představili dvojici výzkumných prací, které využívaly fyziologické, proteomické a transkriptové analytické přístupy ke zkoumání tepelných (horkých a chladných) a suchých reakcí mitochondrií květáku . V tepelných studiích identifikovali řadu proteinů, které reagovaly na teplotu, včetně složek OxPhos, fotorespirace, izoforem porinů a TCA cyklu. Podobně v analýze sucha, která zkoumá tři různé kultivary květáku, byly pozorovány změny v množství jak složek OxPhos, tak izoforem porinů, což naznačuje významný rozdílný dopad na biogenezi mitochondrií mezi třemi kultivary, což nám dává nový pohled na reakce rodu Brassica na abiotický stres.
Samčí sterilita znamená neschopnost rostliny vytvářet životaschopný pyl. Může být zprostředkována jadernými geny, což vede ke genové samčí sterilitě (GMS), nebo mitochondriálními proteiny interagujícími s jadernými geny, což vede k cytoplazmatické samčí sterilitě (CMS). Jak GMS, tak CMS se v zemědělské produkci hojně využívají k produkci hybridních plodin, které těží z heterózy. V tomto zvláštním čísle Štorchová předkládá ucelený přehled úlohy nekódujících RNA v CMS kvetoucích rostlin, zatímco Reddemann a Horn představili výzkum zkoumající úlohu atp9 v samčí sterilitě CMS PET2 u slunečnice. Zde ukázali, že CMS PET2, který má potenciál stát se alternativním zdrojem CMS pro komerční šlechtění, má duplikovaný atp9 s 271-bp-vložkou v 5′ oblasti jednoho z genů atp9, což vede ke dvěma unikátním otevřeným čtecím rámcům (orf288 a orf231). Snížená anther-specifická ko-transkripce těchto otevřených čtecích rámců u hybridů s obnovenou fertilitou podporuje jejich zapojení do samčí sterility u CMS PET2.
Předložili jsme celkem pět prací zkoumajících OxPhos, přičemž dvě z nich se zaměřují na identifikaci nefosforylujících bypassů klasické ETC. Wanniarachchi a kol. identifikovali a charakterizovali alternativní oxidasu (AOX) a NAD(P)H dehydrogenasy (NDs) typu II u rýže a ječmene, zatímco Velada a kol. charakterizovali podrodinu AOX1 u Olea europaea cv. Galega Vulgar (oliva evropská). Podgórska et al. zkoumali mutant Komplexu 1 fro1 (frostbite 1), který má bodovou mutaci v 8 kDa Fe-S podjednotce NDUFS4 pěstované na různých zdrojích dusíku. Když byly tyto rostliny pěstovány na NO3-, vykazovaly tok uhlíku směrem k asimilaci dusíku a produkci energie, zatímco integrace celulózy do buněčné stěny byla omezena. Naopak na NH4+ vykazovaly zlepšený růst a nedocházelo u nich k očekávanému syndromu amoniové toxicity. Podobně Podgórska et al. ukázali, že rostliny s vnějším vyřazením NADPH-dehydrogenázy (NDB1) byly odolné vůči působení NH4+ a měly mírnější příznaky oxidačního stresu s nižší akumulací ROS a indukcí enzymů podobných glutathionperoxidáze a antoxidantů peroxiredoxinů. Mansilla et al. poskytli ucelený přehled o složení a biogenezi terminálního akceptoru kyslíku cytochom c oxidázy (komplex IV) u kvasinek, savců a rostlin. Z toho vyplynulo, že rostliny sice zachovávají mnoho rysů biogeneze společných s ostatními organismy, ale zároveň se u nich vyvinuly rysy specifické pro rostliny.
Jelikož většina proteinů, které fungují v mitochondriích, je importována z jaderně kódovaných cytosolických syntetizovaných proteinů, je pro změnu mitochondriálních funkcí nezbytné studovat, jak je řízen a regulován proces importu mitochondriálních proteinů. Zde Zhao a spol. zkoumali intergenomický přenos (IGT) z široké evoluční perspektivy tím, že získali přístup k datům z jaderného, mitochondriálního a chloroplastového genomu 24 rostlin, a ukázali, že k mitochondriálnímu přenosu dochází u všech zkoumaných rostlin. Kromě toho Avelange-Macherel et al. použili dva paralogy pozdně embryogenních abundantních proteinů (LEA) (LEA38 (mitochondriální) a LEA2 (cytosolický)) ke zkoumání vlivu aminokyselinové sekvence mitochondriálních cílových sekvencí (MTS) na subcelulární lokalizaci. Ukázali, že kombinací substituce, invaze náboje a záměny segmentů se jim podařilo přesměrovat LEA2 do mitochondrií, což poskytlo vysvětlení ztráty mitochondriální lokalizace po duplikaci původního genu. Kolli et al. poskytli kompletní přehled unikátních aspektů vkládání proteinů do vnitřní membrány rostlin na příkladu komplexu IV, který odhalil využití Tat mechanismu pro vkládání membránového proteinu Rieske Fe/S.
Dvě práce zkoumaly mitochondriální proteázu FTSH4, jedna se zabývala vlivem mutantu ftsh4 na proliferaci meristému , druhá identifikovala fyziologické substráty a interakční partnery pomocí trappingového přístupu a hmotnostní spektrometrie. Dolzblasz a spol. ukázali, že rostliny s nedostatkem AtFTSH4 vykazují při pěstování při 30 °C zastavení růstu na vrcholových meristémech výhonů i kořenů a že toto zastavení je způsobeno dysregulací buněčného cyklu a ztrátou buněčné identity. Opalińska a kol. odhalili řadu nových předpokládaných cílů pro FTSH4, včetně mitochondriálního pyruvátového přenašeče 4 (MPC4), presequence translocase-associated motor 18 (PAM18) a podjednotek sukcinát dehydrogenázy (SDH). Dále prokázali, že FTSH4 je zodpovědná za degradaci oxidačně poškozených proteinů v mitochondriích. Rostlinné mitochondrie obsahují četné introny skupiny II, které se nacházejí v genech. Zmudjak a kol. zde ukázali, že maturaza nMAT2 a RNA helikáza PMH2 se spojují se svými intron-RNA cíli ve velkých ribonukleoproteinových částicích in vivo a účinnost sestřihu společných intronových cílů nMAT2 a PMH2 je silněji ovlivněna u dvojité mutantní linie nmat2/pmh2. To společně naznačuje, že tyto proteiny slouží jako součásti proto-spliceozomálního komplexu v rostlinných mitochondriích. Robles a kol. podávají důkladný přehled fenotypových účinků na vývoj rostlin, které vykazují mutanti mitoribosomálních proteinů (mitoRPs), a jak přispívají k objasnění funkce rostlinných mitoRPs, mechanismů, které řídí expresi genů organel, a jejich podílu na růstu a morfogenezi rostlin.
Mao a kol. zkoumali aplikaci 0,05 mM NO u zestárlých semen ovsa a pozorovali zlepšení vitality semen a zvýšení schopnosti vychytávat H2O2 v mitochondriích. Doprovázely to vyšší aktivity CAT, GR, MDHAR a DHAR v systému vychytávání AsA-GSH, zvýšená aktivita enzymů souvisejících s TCA cyklem (malátdehydrogenáza, sukcinát-CoA ligáza, fumaráthydráza) a aktivované alternativní dráhy.
Celkově lze říci, že 19 příspěvků publikovaných v tomto zvláštním čísle ilustruje pokroky v oblasti rostlinných mitochondrií, a těším se, že se s rostlinnou mitochondriální komunitou setkáme na příštím pololetním setkání v Ein Gedi v Izraeli (https://www.icpmb2019.com/)
.