Editorial for Special Issue "Plant Mitochondria" | Minions

Die Hauptfunktion der Mitochondrien ist die Atmung, bei der der Abbau von Substraten über die oxidative Phosphorylierung (OxPhos) an die Synthese von Adenosintriphosphat (ATP) gekoppelt ist. Im Zytosol produzierte organische Säuren wie Pyruvat und Malat werden in den Mitochondrien durch den Tricarbonsäurezyklus (TCA) und anschließend durch die Elektronentransportkette (ETC) oxidiert. Die durch diese Oxidation freigesetzte Energie wird zur Synthese von ATP verwendet, das dann zur Verwendung in der Biosynthese und im Wachstum in das Zytosol exportiert wird. In Pflanzen ist die Zusammensetzung der Mitochondrien relativ komplex und flexibel und verfügt über spezifische Wege, um ein kontinuierliches Überleben bei abiotischem Stress zu ermöglichen und die photosynthetischen Prozesse in beleuchteten Blättern zu unterstützen.

Pflanzenmitochondrien sind Doppelmembranorganellen, bei denen die innere Membran in Falten gelegt ist, die als Cristae bezeichnet werden, um die Oberfläche der Membran zu vergrößern. Die äußere Membran enthält relativ wenige Proteine (<100) und ist für die meisten kleinen Verbindungen (<Mr = 5 kDa) durchlässig, was auf das Vorhandensein des porenbildenden Proteins VDAC (spannungsabhängiger Anionenkanal) zurückzuführen ist, das zur Familie der Porine von Ionenkanälen gehört. Die innere Membran ist die Hauptpermeabilitätsbarriere der Organelle und steuert die Bewegung von Molekülen mit Hilfe einer Reihe von Trägerproteinen, von denen viele zur mitochondrialen Substratträgerfamilie (MSCF) gehören. Die innere Membran beherbergt auch die großen Komplexe, die den Elektronentransfer in zwei miteinander verbundenen Bahnen durchführen, die mit zwei terminalen Oxidasen enden. Sie ist auch der Ort der oxidativen Phosphorylierung (OxPhos) und enthält einen nicht-phosphorylierenden Bypass der klassischen ETC. Die innere Membran umschließt auch die lösliche Matrix, die die Enzyme des TCA-Zyklus und viele andere lösliche Proteine enthält, die an einer Vielzahl mitochondrialer Funktionen beteiligt sind.

Mitochondrien sind halbautonome Organellen mit einer eigenen DNA-, Proteinsynthese- und -abbaumaschinerie. Die vom mitochondrialen Genom kodierten Proteine durchlaufen während ihrer Synthese eine Reihe von posttranskriptionellen und posttranslationalen Prozessen. Das mitochondriale Genom kodiert auch für eine Reihe von Genen, die mit der Pollenabtreibung zusammenhängen und an der Kontrolle der Pflanzenfruchtbarkeit in einem Prozess beteiligt sind, der als cytoplasmatische männliche Sterilität (CMS) bekannt ist. Diese CMS-Pflanzen werden zur Erzeugung von Hybriden verwendet, die von der hybriden Vitalität oder Heterosis profitieren und mehr Biomasse und Ertrag liefern. Das mitochondriale Genom kodiert jedoch nur für einen kleinen Teil der Proteine, aus denen das Mitochondrium besteht; der Rest wird von Kerngenen kodiert und im Zytosol synthetisiert. Diese Proteine werden dann von der Protein-Importmaschinerie in das Mitochondrium transportiert und mit den in den Mitochondrien synthetisierten Untereinheiten zusammengebaut, um die großen Atmungskomplexe und andere Proteine zu bilden.

Stresstoleranz ist ein sehr komplexes Merkmal, das eine Vielzahl von entwicklungsbedingten, physiologischen und biochemischen Prozessen umfasst. Im Vergleich zu anderen Organellen sind die pflanzlichen Mitochondrien unverhältnismäßig stark an der Stresstoleranz beteiligt, wahrscheinlich weil sie ein Konvergenzpunkt zwischen Stoffwechsel, Signalübertragung und Zellschicksal sind. Mitochondrien sind auch der Ort, an dem reaktive Sauerstoffspezies (ROS) produziert werden, wobei der Ubichinon-Pool und die Komponenten von Komplex I und Komplex III die wichtigsten Produktionsstätten sind. Kürzlich wurde nachgewiesen, dass auch der Komplex II erhebliche Mengen an Superoxid produziert. Unter normalen, stabilen Bedingungen wird die ROS-Produktion durch eine Reihe von antioxidativen Enzymen und kleinen Molekülen kontrolliert, die ROS abfangen und mitochondriale und zelluläre Schäden begrenzen. Unter bestimmten Bedingungen können diese Abwehrkräfte jedoch überwältigt werden und ROS akkumulieren, was zu Schäden an Proteinen, Lipiden und DNA führt.

Die Anzahl der Mitochondrien pro Zelle variiert je nach Gewebetyp, wobei aktivere Zellen mit hohem Energiebedarf, wie z. B. in wachsenden Meristemen, im Allgemeinen mit einer größeren Anzahl von Mitochondrien pro Zellvolumeneinheit ausgestattet sind und typischerweise schnellere Atmungsraten aufweisen. Die Forschung über Pflanzenmitochondrien hat sich in den letzten Jahrzehnten mit der Verfügbarkeit von Genomsequenzen für ein breites Spektrum von Modell- und Nutzpflanzen rasch entwickelt. Zu den jüngsten prominenten Themen in der Pflanzenmitochondrienforschung gehört die Verknüpfung der mitochondrialen Zusammensetzung mit Umweltstressreaktionen und die Frage, wie sich dieser oxidative Stress auf die mitochondriale Funktion auswirkt. In ähnlicher Weise hat das Interesse an der Signalkapazität der Mitochondrien (die Rolle reaktiver Sauerstoffspezies, retrograder und anterograder Signalübertragung) die Transkriptionsveränderungen von stressempfindlichen Genen als Rahmen für die Definition spezifischer Signale, die vom und zum Mitochondrium ausgehen, offenbart. Auch die RNA-Stoffwechselprozesse in pflanzlichen Mitochondrien, einschließlich der RNA-Transkription, der RNA-Editierung, des Spleißens von Introns der Gruppen I und II sowie des RNA-Abbaus und der Translation, stoßen auf großes Interesse. Trotz ihrer Identifizierung vor mehr als 100 Jahren sind Pflanzenmitochondrien nach wie vor ein wichtiges Forschungsgebiet in den Pflanzenwissenschaften.

Eine Reihe von Forschungsartikeln in dieser Sonderausgabe konzentrierte sich auf die Reaktionen der Mitochondrien auf abiotischen Stress, In Studien wurden thermischer Stress (sowohl heiß als auch kalt), Salzgehalt und Trockenheit untersucht. Arimura et al. wiesen nach, dass die kälteinduzierte mitochondriale Spaltung (von der man bisher annahm, dass sie sowohl die Wirkung des Dynamin-verwandten Proteins DRP3A als auch eines anderen pflanzenspezifischen Faktors ELM1 erfordert) in Arabidopsis nur DRP3A benötigt. Gleichzeitig zeigten sie, dass ein ELM1-Paralog (ELM2) nur eine begrenzte Rolle bei der mitochondrialen Spaltung in einer elm1-Mutante zu spielen schien, was darauf hindeutet, dass Arabidopsis über eine einzigartige, kälteinduzierte mitochondriale Spaltung verfügt, bei der nur DRP3A die Größe und Form der Mitochondrien kontrolliert. Die mitochondrialen Transkriptionsterminationsfaktoren (mTERFs), die an der Kontrolle der organellaren Genexpression (OGE) beteiligt sind, wobei Mutationen in einigen charakterisierten mTERFs (die zu Pflanzen mit veränderten Reaktionen auf Salz, starkes Licht, Hitze oder osmotischen Stress führen) eine Rolle für diese Proteine bei der abiotischen Stresstoleranz nahelegen. Robles et al. zeigten, dass die Mutante mterf6-2 mit starkem Funktionsverlust während der Keimlingsentwicklung überempfindlich auf NaCl und Mannitol reagierte, während mterf6-5 später in der Entwicklung eine größere Empfindlichkeit gegenüber Hitze zeigte. Rurek et al. stellten zwei Forschungsarbeiten vor, in denen physiologische, proteomische und transkriptanalytische Ansätze verwendet wurden, um die Reaktionen von Blumenkohl-Mitochondrien auf Hitze (Hitze und Kälte) und Trockenheit zu untersuchen. In den thermischen Studien identifizierten sie eine Reihe von Proteinen, die auf die Temperatur reagieren, darunter Komponenten von OxPhos, Photorespiration, Porin-Isoformen und den TCA-Zyklus. In ähnlicher Weise wurden bei der Trockenheitsanalyse, bei der drei verschiedene Blumenkohlsorten untersucht wurden, sowohl OxPhos-Komponenten als auch Porin-Isoformen in ihrer Häufigkeit verändert, was auf eine signifikante unterschiedliche Auswirkung auf die mitochondriale Biogenese zwischen den drei Sorten hinweist und uns neue Einblicke in die abiotischen Stressreaktionen der Gattung Brassica gibt.

Männliche Sterilität bezieht sich auf die Unfähigkeit einer Pflanze, lebensfähige Pollen zu produzieren. Sie kann durch nukleare Gene vermittelt werden, was zu genischer männlicher Sterilität (GMS) führt, oder durch mitochondriale Proteine, die mit nuklearen Genen interagieren, was zu cytoplasmatischer männlicher Sterilität (CMS) führt. Sowohl GMS als auch CMS werden in der landwirtschaftlichen Produktion häufig zur Erzeugung von Hybridpflanzen eingesetzt, die von Heterosis profitieren. In dieser Sonderausgabe gibt Štorchová einen umfassenden Überblick über die Rolle der nicht-kodierenden RNA bei der CMS von Blütenpflanzen, während Reddemann und Horn Forschungsarbeiten vorstellten, die die Rolle von atp9 bei der männlichen Sterilität von CMS PET2 in Sonnenblumen untersuchten. Hier zeigten sie, dass CMS PET2, die das Potenzial hat, eine alternative CMS-Quelle für die kommerzielle Züchtung zu werden, ein dupliziertes atp9 mit einer 271-bp-Insertion in der 5′-Region eines der atp9-Gene aufweist, was zu zwei einzigartigen offenen Leserahmen (orf288 und orf231) führt. Die reduzierte anther-spezifische Co-Transkription dieser offenen Leserahmen in fertilitätserhaltenden Hybriden unterstützt ihre Beteiligung an der männlichen Sterilität in CMS PET2.

Insgesamt haben wir fünf Arbeiten zur Untersuchung von OxPhos eingereicht, von denen sich zwei auf die Identifizierung von nicht-phosphorylierenden Bypässen der klassischen ETC konzentrieren. Wanniarachchi et al. identifizierten und charakterisierten die alternative Oxidase (AOX) und die Typ-II-NAD(P)H-Dehydrogenasen (NDs) von Reis und Gerste, während Velada et al. die AOX1-Unterfamilie in Olea europaea cv. Galega Vulgar (Europäische Olive) charakterisierten. Podgórska et al. untersuchten die Complex 1-Mutante fro1 (frostbite 1), die eine Punktmutation in der 8 kDa Fe-S-Untereinheit NDUFS4 aufweist, bei Wachstum auf verschiedenen Stickstoffquellen. Wenn diese Pflanzen auf NO3- wuchsen, zeigten sie einen Kohlenstofffluss in Richtung Stickstoffassimilation und Energieproduktion, während der Einbau von Zellulose in die Zellwand eingeschränkt war. Im Gegensatz dazu zeigten sie unter NH4+ ein verbessertes Wachstum und nicht das erwartete Syndrom der Ammoniumtoxizität. In ähnlicher Weise zeigten Podgórska et al., dass Pflanzen, bei denen die externe NADPH-Dehydrogenase (NDB1) ausgeschaltet wurde, gegen eine NH4+-Behandlung resistent waren und mildere Symptome von oxidativem Stress aufwiesen, mit einer geringeren ROS-Akkumulation und einer Induktion von Glutathion-Peroxidase-ähnlichen Enzymen und Peroxiredoxinen als Antioxidantien. Mansilla et al. gaben einen umfassenden Überblick über die Zusammensetzung und Biogenese des terminalen Sauerstoffakzeptors Cytochom c-Oxidase (Komplex IV) in Hefe, Säugetieren und Pflanzen. Dabei zeigte sich, dass Pflanzen zwar viele Biogenesemerkmale, die anderen Organismen gemeinsam sind, beibehalten, aber auch pflanzenspezifische Merkmale entwickelt haben.

Da die meisten Proteine, die in den Mitochondrien funktionieren, aus nukleär kodierten, zytosolisch synthetisierten Proteinen importiert werden, sind Studien zum Verständnis des Prozesses, wie der mitochondriale Proteinimport kontrolliert und reguliert wird, von entscheidender Bedeutung für die Veränderung mitochondrialer Funktionen. Hier untersuchten Zhao et al. den intergenomischen Transfer (IGT) aus einer breiten evolutionären Perspektive, indem sie auf Daten von Kern-, Mitochondrien- und Chloroplastengenomen in 24 Pflanzen zugriffen, und zeigten, dass der mitochondriale Transfer in allen untersuchten Pflanzen stattfindet. Außerdem haben Avelange-Macherel et al. untersuchten anhand von zwei Paraloga der in der späten Embryogenese reichlich vorhandenen Proteine (LEA) (LEA38 (mitochondrial) und LEA2 (zytosolisch)) den Einfluss der Aminosäuresequenz von mitochondrialen Zielsequenzen (MTS) auf die subzelluläre Lokalisierung. Sie zeigten, dass sie durch die Kombination von Substitution, Ladungsinvasion und Segmentaustausch in der Lage waren, LEA2 in die Mitochondrien umzulenken, und lieferten damit eine Erklärung für den Verlust der mitochondrialen Lokalisierung nach der Duplikation des Vorgängergens. Kolli et al. gaben einen vollständigen Überblick über die einzigartigen Aspekte der Insertion von Proteinen in die innere Membran von Pflanzenmitochondrien, wobei sie den Komplex IV als Fallstudie verwendeten und die Verwendung der Tat-Maschinerie für die Membraninsertion des Rieske Fe/S-Proteins aufzeigten.

Zwei Arbeiten untersuchten die mitochondriale Protease FTSH4, wobei eine die Auswirkungen einer ftsh4-Mutante auf die Meristemproliferation untersuchte und eine andere physiologische Substrate und Interaktionspartner mit Hilfe eines Trapping-Ansatzes und Massenspektrometrie identifizierte. Dolzblasz et al. zeigten, dass Pflanzen, denen AtFTSH4 fehlt, bei einer Temperatur von 30 °C sowohl am Spross- als auch am Wurzelmeristem einen Wachstumsstillstand aufweisen, der auf eine Dysregulation des Zellzyklus und den Verlust der Zellidentität zurückzuführen ist. Opalińska et al. entdeckten eine Reihe neuer mutmaßlicher Angriffspunkte für FTSH4, darunter den mitochondrialen Pyruvat-Transporter 4 (MPC4), den presequence translocase-associated motor 18 (PAM18) und die Untereinheiten der Succinatdehydrogenase (SDH). Darüber hinaus zeigten sie, dass FTSH4 für den Abbau von oxidativ geschädigten Proteinen in Mitochondrien verantwortlich ist. Pflanzenmitochondrien enthalten zahlreiche Introns der Gruppe II, die sich in Genen befinden. Zmudjak et al. zeigten, dass die nMAT2-Maturase und die RNA-Helikase PMH2 mit ihren Intron-RNA-Zielen in großen Ribonukleoproteinpartikeln in vivo assoziieren und dass die Spleiß-Effizienz der gemeinsamen Intron-Ziele von nMAT2 und PMH2 in einer doppelten nmat2/pmh2-Mutantenlinie stärker beeinträchtigt ist. Zusammengenommen deutet dies darauf hin, dass diese Proteine als Komponenten eines proto-spliceosomalen Komplexes in Pflanzenmitochondrien dienen. Robles et al. geben einen gründlichen Überblick über die phänotypischen Auswirkungen auf die Pflanzenentwicklung, die von Mutanten mitoribosomaler Proteine (mitoRPs) gezeigt werden, und darüber, wie sie zur Aufklärung der Funktion pflanzlicher mitoRPs, der Mechanismen, die die Genexpression der Organellen kontrollieren, und ihres Beitrags zum Pflanzenwachstum und zur Morphogenese beitragen.

Mao et al. untersuchten die Anwendung von 0,05 mM NO in gealterten Hafersamen und stellten eine Verbesserung der Samenvitalität und eine erhöhte H2O2-Fangfähigkeit in Mitochondrien fest. Damit einher gingen höhere Aktivitäten von CAT, GR, MDHAR und DHAR im AsA-GSH-Fängersystem, verstärkte TCA-Zyklus-bezogene Enzyme (Malat-Dehydrogenase, Succinat-CoA-Ligase, Fumarat-Hydratase) und aktivierte alternative Stoffwechselwege.

Insgesamt veranschaulichen die 19 in dieser Sonderausgabe veröffentlichten Beiträge die Fortschritte auf dem Gebiet der Pflanzenmitochondrien, und ich freue mich darauf, die Gemeinschaft der Pflanzenmitochondrien bei der nächsten halbjährlichen Tagung in Ein Gedi, Israel (https://www.icpmb2019.com/), wiederzusehen.