A mitokondriumok elsődleges funkciója a légzés, ahol a szubsztrátok katabolizmusa oxidatív foszforiláción (OxPhos) keresztül adenozin-trifoszfát (ATP) szintézishez kapcsolódik. A citoszolban keletkező szerves savakat, például a piruvátot és a malátot a mitokondriumokban a trikarbonsav-ciklus (TCA-ciklus), majd az elektrontranszportlánc (ETC) oxidálja. Az oxidáció során felszabaduló energiát ATP szintézisére használják fel, amelyet aztán a citoszolba exportálnak a bioszintézisben és a növekedésben való felhasználásra. A növényekben a mitokondriumok összetétele viszonylag összetett és rugalmas, és specifikus útvonalakkal rendelkezik, hogy lehetővé tegye a folyamatos túlélést abiotikus stresszhatás alatt, és támogassa a fotoszintetikus folyamatokat a megvilágított levelekben.
A növényi mitokondriumok kettős membránnal rendelkező organellumok, ahol a belső membrán a membrán felületének növelése érdekében cristae néven ismert redőket alkotva be van vonva. A külső membrán viszonylag kevés fehérjét tartalmaz (<100), és a legtöbb kisméretű vegyület (<Mr = 5 kDa) számára permeábilis a VDAC (feszültségfüggő anioncsatorna) pórusképző fehérje jelenlétének köszönhetően, amely az ioncsatornák porin családjának tagja. A belső membrán az organellum fő permeabilitási gátja, és a molekulák mozgását egy sor hordozófehérje segítségével szabályozza, amelyek közül sokan a mitokondriális szubsztrát hordozó család (MSCF) tagjai. A belső membránban találhatók azok a nagy komplexek is, amelyek az elektrontranszfert végzik két egymással összekapcsolt útvonalon, amelyek két terminális oxidázzal végződnek. Ez az oxidatív foszforiláció (OxPhos) helyszíne is, és tartalmazza a klasszikus ETC nem foszforiláló megkerülését. A belső membrán magába zárja az oldható mátrixot is, amely a TCA-ciklus enzimjeit és számos más, a mitokondriumok számtalan funkciójában részt vevő oldható fehérjét tartalmazza.
A mitokondriumok félautonóm organellumok, saját DNS-sel, fehérjeszintézissel és lebontó gépezettel. A mitokondriális genom által kódolt fehérjék a szintézisük során számos poszttranszkripciós és poszttranszlációs feldolgozáson mennek keresztül. A mitokondriális genom számos, a pollen abortuszhoz kapcsolódó gént is kódol, amelyek részt vesznek a növényi termékenység szabályozásában a citoplazmatikus hímsterilitás (CMS) néven ismert folyamat során. Ezeket a CMS-növényeket hibridek előállítására használják, amelyek a hibrid életerő vagy heterózis előnyeit élvezik, nagyobb biomasszát és terméshozamot produkálva. A mitokondriális genom azonban a mitokondriumot alkotó fehérjéknek csak egy kis részét kódolja; a többit a nukleáris gének kódolják és a citoszolban szintetizálódnak. Ezeket a fehérjéket aztán a fehérjeimportáló gépezet szállítja a mitokondriumba, és a mitokondriumban szintetizált alegységekkel együtt a nagy légzőkomplexek és más fehérjék alkotják.
A stressztűrés nagyon összetett tulajdonság, amely számos fejlődési, fiziológiai és biokémiai folyamatot foglal magában. Más organellákhoz képest a növényi mitokondriumok aránytalanul nagy mértékben vesznek részt a stressztűrésben, valószínűleg azért, mert konvergenciapontot jelentenek az anyagcsere, a jelátvitel és a sejtsors között . A mitokondriumok a reaktív oxigénfajok (ROS) termelésének helyszínei is, a termelés fő helyszínei az ubikinonkészlet és az I. és III. komplex komponensek. A közelmúltban kimutatták, hogy a II. komplex is jelentős mennyiségű szuperoxidot termel. Normál, állandósult körülmények között a ROS-termelést antioxidáns enzimek és kis molekulák összetett csoportja szabályozza, amelyek elnyelik a ROS-t és korlátozzák a mitokondriumok és a sejtek károsodását. Bizonyos körülmények között azonban ezek a védelmi mechanizmusok túlterhelődhetnek, és a ROS-ok felhalmozódhatnak, ami a fehérjék, lipidek és a DNS károsodásához vezet.
A mitokondriumok sejtenkénti száma a szövet típusától függően változik, az aktívabb, nagy energiaigényű sejtek, mint például a növekvő merisztémák, általában nagyobb számú mitokondriummal rendelkeznek egységnyi sejttérfogatra vetítve, és jellemzően ezek gyorsabb légzési sebességet mutatnak. A növényi mitokondriumokkal kapcsolatos kutatások az elmúlt évtizedekben gyorsan fejlődtek, mivel számos modell- és kultúrnövény genomszekvenciája állt rendelkezésre. A növényi mitokondriumok kutatásának legújabb kiemelkedő témái közé tartozik a mitokondriumok összetételének a környezeti stresszre adott válaszokkal való összekapcsolása, valamint az, hogy ez az oxidatív stressz hogyan hat a mitokondriumok működésére. Hasonlóképpen, a mitokondriumok jelátviteli kapacitása iránti érdeklődés (a reaktív oxigénfajok, a retrográd és anterográd jelátvitel szerepe) feltárta a stresszre reagáló gének transzkripciós változásait, mint a mitokondriumba és a mitokondriumból kiinduló specifikus jelek meghatározásának keretét. Jelentős érdeklődés övezi a növényi mitokondriumokban zajló RNS-anyagcsere-folyamatokat is, beleértve az RNS-átírást, az RNS-szerkesztést, az I. és II. csoportú intronok splicingjét, valamint az RNS-degradációt és a transzlációt. Több mint 100 évvel ezelőtti azonosításuk ellenére a növényi mitokondriumok továbbra is jelentős kutatási területet jelentenek a növénytudományokban.
Táblázat 1
A “Növényi mitokondriumok” című különszám szerzői.
| Autors | Title | Topics | Type |
|---|---|---|---|
| Arimura et al. | A hidegkezelés átmeneti mitokondriális fragmentációt indukál Arabidopsis thaliana-ban olyan módon, amelyhez a DRP3A, de nem az ELM1 vagy egy ELM1-szerű homológ, az ELM2 szükséges | Abiotikus stressz | Original Research |
| Robles et al. | A Arabidopsis mterf6 mutánsok jellemzése az mTERF6 új szerepét tárja fel az abiotikus stresszel szembeni toleranciában | Abiotikus stressz | Original Research |
| Rurek et al. | Hideg- és hőstressz változatosan megváltoztatja mind a karfiol légzését, mind a megkülönböztetett mitokondriális fehérjéket, beleértve az OXPHOS komponenseket és a mátrix enzimeket | Abiotikus stressz | Original Research |
| Rurek et al. | Mitokondriális biogenezis különböző karfiolkultúrákban enyhe és súlyos szárazság alatt. A kiválasztott transzkript és proteomikus válaszok károsodott koordinációja és különböző multifunkcionális fehérjék szabályozása | Abiotikus stressz | Original Research |
| Reddemann et al. | Az atp9 gént érintő rekombinációs események összefüggnek a CMS PET2 hímsterilitással a napraforgóban | Cymiddlelasztikus hímsterilitás | Original Research |
| Štorchová et al. | A nem kódoló RNS-ek szerepe a cymiddlelasmikus hímsterilitásban a virágos növényekben | Cymidlelasmikus hímsterilitás | Közlemény |
| Mansilla et al. | The Complexity of Mitochondrial Complex IV: An Update of Cytochrome c Oxidase Biogenesis in Plants | Oxidative Phosphorylation | Review |
| Podgórska et al. | A központi cukoranyagcsere nitrogénforrástól függő változásai fenntartják a sejtfal összeszerelését mitokondriális komplex I-defektív frostbite1-ben és másodlagosan befolyásolják a programozott sejthalált | OxPhos | Original Research |
| Velada et al. | AOX1-alcsaládbeli gének tagjai Olea europaea cv. “Galega Vulgar”-ban -gének jellemzése és a transzkriptek expressziója az IBA által indukált in vitro adventív gyökeresedés során | OxPhos | Original Research |
| Wanniarachchi et al. | Alternatív légzési útvonal komponens génjei (AOX és ND) rizsben és árpában és stresszre adott válaszuk | OxPhos | Original Research |
| Podgórska et al. | A külső NADPH dehidrogenáz-NDB1 szuppressziója Arabidopsis thaliana-ban javított toleranciát biztosít az ammónium toxicitással szemben a hatékony glutation/redox anyagcserén keresztül | OxPhos | Original Research |
| Avelange-Macherel et al. | Két nagyon hasonló paralóg LEA fehérje eltérő szubcelluláris elhelyezkedésének dekódolása | Proteinimport | 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: A Source and a Pool | Protein Import | Original Research |
| Dolzblasz et al. | A merisztéma proliferációjának károsodása olyan növényekben, amelyekből hiányzik az AtFTSH4 mitokondriális proteáz | Proteinsynthesis and Degradation | Original Research |
| Opalińska et al. | A növényi mitokondriális proteáz FTSH4 fiziológiai szubsztrátjainak és kötőpartnereinek azonosítása csapdázásos megközelítéssel | Proteinszintézis és lebontás | Original Research |
| Robles et al. | Emerging Roles of Mitochondrial Ribosomal Proteins in Plant Development | Protein Synthesis and Degradation | Review |
| Zmudjak et al. | Az Arabidopsis nMAT2 és PMH2 fehérjék szerepének elemzése új betekintést nyújtott a II. csoportú intron splicing szabályozásába a szárazföldi növények mitokondriumaiban | Fehérjeszintézis és lebontás | Eredeti kutatás |
| Mao et al. | Nitric Oxide Regulates Seedling Growth and Mitochondrial Responses in Aged Oat Seeds | ROS & Antioxidants | Original Research |
A különszámban több kutatási cikk is a mitokondriumok abiotikus stresszre adott válaszaival foglalkozott, olyan tanulmányokkal, amelyek a hőstresszt (a hideget és a meleget egyaránt), a sótartalmat és a szárazságot vizsgálták. Arimura és munkatársai kimutatták, hogy a hideg indukálta mitokondriális hasadás (amelyről korábban úgy gondolták, hogy egy dinaminnal kapcsolatos fehérje) DRP3A és egy másik növényspecifikus faktor, az ELM1 hatását is magában foglalja, Arabidopsisban csak a DRP3A-t igényli. Ugyanakkor kimutatták, hogy egy ELM1 paralóg (ELM2) csak korlátozott szerepet játszott a mitokondriális hasadásban egy elm1 mutánsban, ami arra utal, hogy az Arabidopsisnak van egy egyedi, hidegindukált mitokondriális hasadása, amely csak a DRP3A-t vonja be a mitokondriumok méretének és alakjának szabályozásába. A mitokondriális transzkripciós terminációs faktorok (mTERF-ek), amelyek részt vesznek az organelláris génexpresszió (OGE) szabályozásában, néhány jellemzett mTERF mutációjával (amelyek olyan növényeket eredményeznek, amelyek megváltozott válaszokat adnak a sóra, a magas fényre, a hőre vagy az ozmotikus stresszre), ami arra utal, hogy ezek a fehérjék szerepet játszanak az abiotikus stressztűrésben. Itt Robles és munkatársai kimutatták, hogy az erős funkcióvesztéses mterf6-2 mutáns NaCl-ra és mannitra túlérzékeny volt a csíranövények beindulása során, míg az mterf6-5 a fejlődés későbbi szakaszában nagyobb hőérzékenységet mutatott. Rurek és munkatársai egy pár kutatási cikket mutattak be, amelyek fiziológiai, proteomikai és transzkript-elemzési megközelítéseket alkalmaztak a karfiol mitokondriumainak termikus (meleg és hideg) és szárazságra adott válaszainak vizsgálatára. A termikus vizsgálatok során számos olyan fehérjét azonosítottak, amelyek hőmérsékletre reagáltak, beleértve az OxPhos, a fotorespiráció, a porin izoformák és a TCA-ciklus komponenseit. Hasonlóképpen, a három különböző karfiolkultúrát vizsgáló szárazságelemzés során mind az OxPhos komponensek, mind a porin izoformák mennyiségének változását tapasztalták, ami a mitokondriális biogenezisre gyakorolt jelentős eltérő hatást jelzi a három fajta között, új betekintést nyújtva a Brassica nemzetség abiotikus stresszre adott válaszaira.
A hímsterilitás azt jelenti, hogy a növény nem képes életképes pollent termelni. Ezt közvetíthetik nukleáris gének, ami genikus hímsterilitáshoz (GMS) vagy nukleáris génekkel kölcsönhatásba lépő mitokondriális fehérjék, ami citoplazmatikus hímsterilitáshoz (CMS) vezet. Mind a GMS-t, mind a CMS-t széles körben használják a mezőgazdasági termelésben a heterózis előnyeit élvező hibrid növények előállítására. Ebben a különszámban Štorchová átfogó áttekintést ad a nem kódoló RNS-ek szerepéről a virágos növények CMS-ében, míg Reddemann és Horn az atp9 szerepét a napraforgóban a CMS PET2 hímsterilitásában vizsgáló kutatásokat mutatják be. Itt kimutatták, hogy a CMS PET2, amely potenciálisan alternatív CMS-forrássá válhat a kereskedelmi nemesítésben, egy duplikált atp9-et tartalmaz, amely az egyik atp9 gén 5′ régiójában egy 271 bp-s inszerciót tartalmaz, ami két egyedi nyitott olvasókeretet (orf288 és orf231) eredményez. Ezeknek a nyílt leolvasási kereteknek a termékenység-helyreállított hibridekben tapasztalt csökkent antspecifikus ko-transzkripciója alátámasztja a CMS PET2 hímsterilitásban való részvételüket.
Az OxPhos vizsgálatát összesen öt közleményt nyújtottunk be, ezek közül kettő a klasszikus ETC nem-foszforiláló kerülőútjainak azonosítására összpontosított. Wanniarachchi és munkatársai a rizs és az árpa alternatív oxidázát (AOX) és II-es típusú NAD(P)H dehidrogenázait (ND) azonosították és jellemezték, míg Velada és munkatársai az AOX1 alcsaládot jellemezték az Olea europaea cv. Galega Vulgar (európai olajbogyó) olajfajtában. Podgórska és munkatársai a különböző nitrogénforrásokon termesztett fro1 (frostbite 1) komplex 1 mutánst vizsgálták, amely a 8 kDa Fe-S alegység NDUFS4 pontmutációjával rendelkezik. Amikor ezeket a növényeket NO3-on termesztették, a nitrogénasszimiláció és az energiatermelés felé irányuló szénáramlást mutattak, míg a cellulóz sejtfalba való beépülése korlátozott volt. Ezzel szemben NH4+ -on jobb növekedést mutattak, és nem a várt ammónium-toxicitási szindrómát. Hasonlóképpen, Podgórska és munkatársai kimutatták, hogy a külső NADPH-dehidrogenáz (NDB1) kiütéssel rendelkező növények ellenálltak az NH4+ kezelésnek, és enyhébb oxidatív stressz tüneteket mutattak, alacsonyabb ROS-akkumulációval és a glutation-peroxidáz-szerű enzimek és a peroxidoxiredoxin antoxidánsok indukciójával. Mansilla és munkatársai átfogó áttekintést adtak a terminális oxigénakceptor citokom c oxidáz (Komplex IV) összetételéről és biogeneziséről élesztőben, emlősökben és növényekben. Ebből kiderült, hogy bár a növények számos, más szervezetekkel közös biogenezis-jellemzőt megtartottak, ugyanakkor növényspecifikus jellemzőket is kialakítottak.
Mivel a mitokondriumokban működő fehérjék többségét a nukleárisan kódolt citoszolikusan szintetizált fehérjékből importálják, a mitokondriális fehérjeimport irányításának és szabályozásának folyamatát megértő vizsgálatok létfontosságúak a mitokondriális funkciók megváltoztatásához. Itt Zhao és munkatársai 24 növény nukleáris, mitokondriális és kloroplasztisz genomjának adataihoz hozzáférve széles evolúciós perspektívából vizsgálták az intergenomiális transzfert (IGT), és kimutatták, hogy a mitokondriális transzfer minden vizsgált növényben előfordul. Emellett Avelange-Macherel et al. a késői embriogenezisben nagy mennyiségben előforduló fehérjék (LEA) két paralógját (LEA38 (mitokondriális) és LEA2 (citoszolikus)) használták fel annak vizsgálatára, hogy a mitokondriális célszekvenciák (MTS) aminosav-szekvenciája milyen hatással van a szubcelluláris lokalizációra. Kimutatták, hogy a szubsztitúció, a töltésinvázió és a szegmenscsere kombinálásával képesek voltak a LEA2-t átirányítani a mitokondriumba, ami magyarázatot ad a mitokondriális lokalizáció elvesztésére az ősi gén duplikációja után. Kolli és munkatársai a növényi mitokondriális belső membránfehérje-beillesztés egyedi aspektusainak teljes áttekintését adták a Complex IV-et esettanulmányként használva, amely feltárta a Rieske Fe/S fehérje membránbeillesztésének Tat gépezetét.
Két cikk vizsgálta a mitokondriális FTSH4 proteázt, az egyik egy ftsh4 mutáns hatását vizsgálta a merisztéma proliferációjára , a másik pedig fiziológiai szubsztrátokat és interakciós partnereket azonosított egy csapdázó megközelítés és tömegspektrometria segítségével. Dolzblasz és munkatársai kimutatták, hogy az AtFTSH4-et nélkülöző növények 30 °C-on termesztve mind a hajtás, mind a gyökér apikális merisztémáknál növekedési leállást mutatnak, és hogy ezt a leállást a sejtciklus diszregulációja és a sejtidentitás elvesztése okozza. Opalińska és munkatársai az FTSH4 számos új feltételezett célpontját mutatták ki, köztük a mitokondriális piruvát-hordozó 4 (MPC4), a preszekvenciális transzlokáz-asszociált motor 18 (PAM18) és a szukcinát-dehidrogenáz (SDH) alegységeket. Emellett kimutatták, hogy az FTSH4 felelős az oxidatívan károsodott fehérjék lebontásáért a mitokondriumokban. A növényi mitokondriumok számos II. csoportú intront tartalmaznak, amelyek a génekben találhatóak. Itt Zmudjak és munkatársai kimutatták, hogy az nMAT2 maturáz és a PMH2 RNS helikáz in vivo nagy ribonukleoprotein részecskében asszociál az intron-RNS célpontjaikkal, és az nMAT2 és a PMH2 közös intron célpontjainak splicing hatékonysága erősebben érintett egy kettős nmat2/pmh2 mutáns-vonalban. Mindez együttesen arra utal, hogy ezek a fehérjék egy proto-spliceoszomális komplex komponenseként szolgálnak a növényi mitokondriumokban. Robles és munkatársai alapos áttekintést adnak a mitoriboszómális fehérjék (mitoRP-k) mutánsai által a növényi fejlődésre gyakorolt fenotípusos hatásokról, és arról, hogy hogyan járulnak hozzá a növényi mitoRP-k működésének, az organellák génexpresszióját szabályozó mechanizmusoknak, valamint a növényi növekedéshez és morfogenezishez való hozzájárulásuknak a tisztázásához.
Mao és munkatársai 0,05 mM NO alkalmazását vizsgálták idős zabmagban, és a magok életerejének javulását és a mitokondriumok H2O2-fogó képességének növekedését tapasztalták. Ezt kísérte a CAT, GR, MDHAR és DHAR magasabb aktivitása az AsA-GSH tisztító rendszerben, a TCA-ciklussal kapcsolatos enzimek (malát-dehidrogenáz, szukcinát-CoA ligáz, fumarát-hidratáz) fokozódása és az alternatív útvonalak aktiválódása.
Az ebben a különszámban megjelent 19 közlemény összességében jól illusztrálja a növényi mitokondriumok területén elért eredményeket, és alig várom, hogy a következő, kétévente megrendezésre kerülő találkozón, az izraeli Ein Gediben (https://www.icpmb2019.com/) találkozhassak a növényi mitokondriumok közösségével.