Editorial for Special Issue "Plant Mitochondria" | Minions

La funzione primaria dei mitocondri è la respirazione, dove il catabolismo dei substrati è accoppiato alla sintesi di adenosina trifosfato (ATP) attraverso la fosforilazione ossidativa (OxPhos). Gli acidi organici come il piruvato e il malato prodotti nel citosol sono ossidati nei mitocondri dal ciclo dell’acido tricarbossilico (TCA) e successivamente dalla catena di trasporto degli elettroni (ETC). L’energia rilasciata da questa ossidazione viene utilizzata per sintetizzare l’ATP, che viene poi esportato nel citosol per essere utilizzato nella biosintesi e nella crescita. Nelle piante, la composizione mitocondriale è relativamente complessa e flessibile e ha percorsi specifici per consentire la sopravvivenza continua durante l’esposizione allo stress abiotico e per sostenere i processi fotosintetici nelle foglie illuminate.

I mitocondri delle piante sono organelli a doppia membrana in cui la membrana interna è invaginata a formare pieghe note come cristae per aumentare la superficie della membrana. La membrana esterna contiene relativamente poche proteine (<100) ed è permeabile alla maggior parte dei piccoli composti (<Mr = 5 kDa) grazie alla presenza della proteina formatrice di pori VDAC (voltage dependent anion channel), che è un membro della famiglia delle porine dei canali ionici. La membrana interna è la principale barriera di permeabilità dell’organello e controlla il movimento delle molecole per mezzo di una serie di proteine trasportatrici, molte delle quali sono membri della famiglia dei trasportatori di substrati mitocondriali (MSCF). La membrana interna ospita anche i grandi complessi che effettuano il trasferimento di elettroni in due percorsi interconnessi che terminano con due ossidasi terminali. È anche il sito della fosforilazione ossidativa (OxPhos) e contiene un bypass non fosforilante dell’ETC classico. La membrana interna racchiude anche la matrice solubile che contiene gli enzimi del ciclo TCA e molte altre proteine solubili coinvolte in una miriade di funzioni mitocondriali.

I mitocondri sono organelli semi-autonomi con il proprio DNA, la propria sintesi proteica e i propri macchinari di degradazione. Le proteine codificate dal genoma mitocondriale subiscono una serie di elaborazioni post-trascrizionali e post-traslazionali durante la loro sintesi. Il genoma mitocondriale codifica anche una serie di geni legati all’aborto del polline coinvolti nel controllo della fertilità delle piante in un processo noto come maschiosterilità citoplasmatica (CMS). Queste piante CMS sono utilizzate per produrre ibridi che beneficiano del vigore ibrido o eterosi, producendo maggiore biomassa e resa. Tuttavia, il genoma mitocondriale codifica solo una piccola parte delle proteine che compongono il mitocondrio; il resto è codificato da geni nucleari e sintetizzato nel citosol. Queste proteine sono poi trasportate nel mitocondrio dal macchinario di importazione delle proteine e assemblate con le subunità sintetizzate nel mitocondrio per formare i grandi complessi respiratori e altre proteine.

La tolleranza allo stress è un tratto molto complesso, che coinvolge una moltitudine di processi di sviluppo, fisiologici e biochimici. Rispetto ad altri organelli, i mitocondri delle piante sono sproporzionatamente coinvolti nella tolleranza allo stress, probabilmente perché sono un punto di convergenza tra metabolismo, segnalazione e destino cellulare. I mitocondri sono anche il sito di produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS), con il pool di ubichinone e i componenti del Complesso I e del Complesso III i principali siti di produzione. Recentemente, il Complesso II ha anche dimostrato di produrre superossido significativo. In condizioni normali di stato stazionario, la produzione di ROS è controllata da una complessa serie di enzimi antiossidanti e piccole molecole che eliminano i ROS e limitano i danni mitocondriali e cellulari. Tuttavia, in alcune condizioni queste difese possono essere sopraffatte e i ROS si accumulano, portando al danneggiamento di proteine, lipidi e DNA.

Il numero di mitocondri per cellula varia con il tipo di tessuto, con le cellule più attive con elevate richieste di energia, come quelle nei meristemi in crescita, generalmente dotate di un maggior numero di mitocondri per unità di volume cellulare e tipicamente queste mostrano tassi di respirazione più veloci. La ricerca sui mitocondri delle piante si è sviluppata rapidamente negli ultimi decenni con la disponibilità di sequenze del genoma per una vasta gamma di piante modello e piante coltivate. I recenti temi di rilievo nella ricerca sui mitocondri delle piante includono il collegamento della composizione mitocondriale alle risposte di stress ambientale e come questo stress ossidativo ha un impatto sulla funzione mitocondriale. Allo stesso modo, l’interesse per la capacità di segnalazione dei mitocondri (il ruolo delle specie reattive dell’ossigeno, la segnalazione retrograda e anterograda) ha rivelato i cambiamenti trascrizionali dei geni sensibili allo stress come quadro per definire i segnali specifici che emanano da e verso il mitocondrio. C’è stato anche un notevole interesse nei processi metabolici dell’RNA nei mitocondri delle piante, compresa la trascrizione dell’RNA, l’editing dell’RNA, lo splicing degli introni di gruppo I e II, la degradazione e la traduzione dell’RNA. Nonostante la loro identificazione più di 100 anni fa, i mitocondri delle piante rimangono un’area significativa di ricerca nelle scienze vegetali.

Un certo numero di articoli di ricerca in questo numero speciale si è concentrato sulle risposte dei mitocondri allo stress abiotico, con studi che hanno esaminato lo stress termico (sia caldo che freddo), la salinità e la siccità. Arimura et al. hanno dimostrato che la fissione mitocondriale indotta dal freddo (che in precedenza si pensava coinvolgesse l’azione sia di una proteina legata alla dinamina) DRP3A che di un altro fattore specifico delle piante ELM1, richiede solo DRP3A in Arabidopsis. Allo stesso tempo, hanno dimostrato che un paralogo di ELM1 (ELM2) sembra avere solo un ruolo limitato nella fissione mitocondriale in un mutante elm1, suggerendo che l’Arabidopsis ha un’unica fissione mitocondriale indotta dal freddo che coinvolge solo DRP3A per controllare la dimensione e la forma dei mitocondri. I fattori di terminazione della trascrizione mitocondriale (mTERFs) che sono coinvolti nel controllo dell’espressione genica organellare (OGE) con mutazioni in alcuni mTERFs caratterizzati (risultanti in piante che hanno risposte alterate al sale, all’alta luce, al calore o allo stress osmotico) suggerendo un ruolo per queste proteine nella tolleranza allo stress abiotico. Qui Robles et al. hanno mostrato che la forte perdita di funzione del mutante mterf6-2 era ipersensibile al NaCl e al mannitolo durante la formazione delle piantine, mentre mterf6-5 ha mostrato una maggiore sensibilità al calore più tardi nello sviluppo. Rurek et al. hanno presentato un paio di ricerche che hanno utilizzato approcci fisiologici, proteomici e di analisi delle trascrizioni per esaminare le risposte termiche (caldo e freddo) e alla siccità dei mitocondri del cavolfiore. Negli studi termici hanno identificato un certo numero di proteine che erano sensibili alla temperatura, compresi i componenti di OxPhos, la fotorespirazione, le isoforme delle porine e il ciclo TCA. Allo stesso modo, nell’analisi della siccità, che esamina tre diverse cultivar di cavolfiore, sia i componenti di OxPhos che le isoforme della porina sono stati visti cambiare in abbondanza, indicando un impatto differenziale significativo sulla biogenesi mitocondriale tra le tre cultivar, dandoci nuove informazioni sulle risposte allo stress abiotico del genere Brassica.

La sterilità maschile si riferisce all’incapacità di una pianta di produrre polline vitale. Può essere mediata da geni nucleari che portano alla maschiosterilità genica (GMS) o da proteine mitocondriali che interagiscono con geni nucleari, portando alla maschiosterilità citoplasmatica (CMS). Sia la GMS che la CMS sono ampiamente utilizzate nella produzione agricola per la produzione di colture ibride che beneficiano dell’eterosi. In questo numero speciale Štorchová presenta una revisione completa del ruolo degli RNA non codificanti nel CMS delle piante da fiore, mentre Reddemann e Horn hanno presentato una ricerca che esamina il ruolo di atp9 nella sterilità maschile del CMS PET2 nel girasole. Qui hanno mostrato che CMS PET2, che ha il potenziale per diventare una fonte alternativa di CMS per l’allevamento commerciale, ha un atp9 duplicato con un’inserzione di 271 bp nella regione 5′ di uno dei geni atp9 che risulta in due cornici di lettura aperte uniche (orf288 e orf231). La ridotta co-trascrizione antero-specifica di queste cornici di lettura aperte negli ibridi ripristinati per la fertilità supporta il loro coinvolgimento nella sterilità maschile in CMS PET2.

Un totale di cinque articoli che abbiamo presentato esaminando OxPhos, con due di questi focalizzati sull’identificazione di bypass non fosforilanti dell’ETC classico. Wanniarachchi et al. hanno identificato e caratterizzato l’ossidasi alternativa (AOX) e le deidrogenasi NAD(P)H di tipo II (NDs) di riso e orzo, mentre Velada et al. hanno caratterizzato la sottofamiglia AOX1 in Olea europaea cv. Galega Vulgar (oliva europea). Podgórska et al. hanno esaminato il mutante Complex 1 fro1 (frostbite 1) che ha una mutazione puntiforme nella subunità 8 kDa Fe-S NDUFS4 coltivata su diverse fonti di azoto. Quando queste piante sono state coltivate su NO3- hanno mostrato un flusso di carbonio verso l’assimilazione dell’azoto e la produzione di energia, mentre l’integrazione della cellulosa nella parete cellulare era limitata. Al contrario, hanno mostrato una migliore crescita su NH4+ e non l’attesa sindrome da tossicità dell’ammonio. Allo stesso modo, Podgórska et al. hanno dimostrato che le piante con knockdown della NADPH-deidrogenasi esterna (NDB1) erano resistenti al trattamento con NH4+ e avevano sintomi di stress ossidativo più lievi con un minore accumulo di ROS e l’induzione di enzimi simili alla glutatione perossidasi e antossine perossidanti. Mansilla et al. hanno fornito una revisione completa della composizione e della biogenesi dell’accettore di ossigeno terminale citocoma c ossidasi (Complesso IV) nel lievito, nei mammiferi e nelle piante. Questo ha rivelato che mentre le piante mantengono molte caratteristiche di biogenesi comuni ad altri organismi, hanno anche sviluppato caratteristiche specifiche delle piante.

Come la maggior parte delle proteine che funzionano nei mitocondri sono importate da proteine sintetizzate citosoliche codificate nucleari, gli studi che comprendono il processo di come l’importazione della proteina mitocondriale è controllata e regolata è vitale per modificare le funzioni mitocondriali. Qui Zhao et al. hanno esaminato il trasferimento intergenomico (IGT) da un’ampia prospettiva evolutiva accedendo ai dati dei genomi nucleari, mitocondriali e del cloroplasto in 24 piante, e hanno dimostrato che il trasferimento mitocondriale avviene in tutte le piante esaminate. Inoltre, Avelange-Macherel et al. hanno utilizzato due paraloghi delle proteine abbondanti della tarda embriogenesi (LEA) (LEA38 (mitocondriale) e LEA2 (citosolico)) per esaminare l’influenza della sequenza aminoacidica delle sequenze di targeting mitocondriale (MTS) sulla localizzazione subcellulare. Hanno dimostrato che combinando la sostituzione, l’invasione di carica e la sostituzione del segmento, sono stati in grado di reindirizzare LEA2 ai mitocondri, fornendo una spiegazione per la perdita della localizzazione mitocondriale dopo la duplicazione del gene ancestrale. Kolli et al. hanno fornito una revisione completa degli aspetti unici dell’inserimento delle proteine di membrana interna mitocondriale delle piante utilizzando il Complesso IV come caso di studio, che ha rivelato l’uso del macchinario Tat per l’inserimento di membrana della proteina Rieske Fe/S.

Due articoli hanno esaminato la proteasi mitocondriale FTSH4, uno guardando l’impatto di un mutante ftsh4 sulla proliferazione del meristema, e un altro identificando substrati fisiologici e partner di interazione utilizzando un approccio trapping e la spettrometria di massa. Dolzblasz et al. hanno dimostrato che le piante prive di AtFTSH4 mostrano un arresto della crescita sia al germoglio che ai meristemi apicali delle radici quando vengono coltivate a 30 °C, e che questo arresto è causato dalla disregolazione del ciclo cellulare e dalla perdita di identità cellulare. Opalińska et al. hanno rivelato una serie di nuovi obiettivi putativi per FTSH4 tra cui il trasportatore piruvato mitocondriale 4 (MPC4), il motore 18 (PAM18), e le subunità della succinato deidrogenasi (SDH). Inoltre, hanno dimostrato che FTSH4 è responsabile della degradazione delle proteine danneggiate dall’ossidazione nei mitocondri. I mitocondri delle piante contengono numerosi introni di gruppo II che risiedono nei geni. Qui Zmudjak et al. hanno dimostrato che la maturasi nMAT2 e l’elicasi RNA PMH2 si associano con i loro obiettivi intron-RNA in grandi particelle ribonucleoproteiche in vivo e le efficienze di splicing degli obiettivi intronici congiunti di nMAT2 e PMH2 sono più fortemente colpite in una doppia linea mutante nmat2/pmh2. Tutto ciò suggerisce che queste proteine servono come componenti di un complesso proto-splicosomico nei mitocondri delle piante. Robles et al. forniscono una rassegna completa degli effetti fenotipici sullo sviluppo delle piante mostrati dai mutanti delle proteine mitoribosomiali (mitoRPs) e come essi contribuiscono a chiarire la funzione delle mitoRPs delle piante, i meccanismi che controllano l’espressione genica dell’organello e il loro contributo alla crescita e alla morfogenesi delle piante.

Mao et al. hanno esaminato l’applicazione di 0,05 mM NO nei semi di avena invecchiati e hanno visto un miglioramento del vigore dei semi e un aumento della capacità di scavenging di H2O2 nei mitocondri. A ciò si accompagnavano attività più elevate di CAT, GR, MDHAR e DHAR nel sistema di scavenging AsA-GSH, enzimi potenziati legati al ciclo TCA (malato deidrogenasi, succinato-CoA ligasi, fumarato idratasi) e vie alternative attivate.

Nell’insieme, i 19 contributi pubblicati in questo numero speciale illustrano i progressi nel campo dei mitocondri delle piante e non vedo l’ora di raggiungere la comunità mitocondriale delle piante al prossimo incontro biennale di Ein Gedi, Israele (https://www.icpmb2019.com/).