De voornaamste functie van mitochondriën is ademhaling, waarbij katabolisme van substraten wordt gekoppeld aan synthese van adenosinetrifosfaat (ATP) via oxidatieve fosforylering (OxPhos). Organische zuren zoals pyruvaat en malaat, die in het cytosol worden geproduceerd, worden in de mitochondriën geoxideerd door de tricarbonzuurcyclus (TCA-cyclus) en vervolgens door de elektronentransportketen (ETC). De bij deze oxidatie vrijkomende energie wordt gebruikt om ATP te synthetiseren, dat vervolgens naar het cytosol wordt geëxporteerd voor gebruik bij de biosynthese en de groei. Bij planten is de samenstelling van de mitochondriën betrekkelijk complex en flexibel en vertonen zij specifieke trajecten om te kunnen overleven bij blootstelling aan abiotische stress en om fotosyntheseprocessen in verlichte bladeren te ondersteunen.
Mitochondriën van planten zijn dubbelmembraanorganellen waarbij het binnenmembraan is ingeagineerd om plooien te vormen die cristae worden genoemd om het oppervlak van het membraan te vergroten. Het buitenmembraan bevat relatief weinig eiwitten (<100) en is permeabel voor de meeste kleine verbindingen (<Mr = 5 kDa) door de aanwezigheid van het porievormende eiwit VDAC (spanningsafhankelijk anionkanaal), dat lid is van de porin familie van ionenkanalen. Het binnenmembraan is de belangrijkste barrière voor de permeabiliteit van het organel en regelt de verplaatsing van moleculen door middel van een reeks dragereiwitten, waarvan er vele lid zijn van de mitochondriale substraatdragersfamilie (MSCF). Het binnenmembraan herbergt ook de grote complexen die zorgen voor de elektronenoverdracht in twee onderling verbonden banen die eindigen met twee terminale oxidases. Het is ook de plaats van oxidatieve fosforylering (OxPhos) en bevat een niet-fosforylerende bypass van de klassieke ETC. Het binnenmembraan omsluit ook de oplosbare matrix die de enzymen van de TCA-cyclus bevat en vele andere oplosbare eiwitten die betrokken zijn bij een groot aantal mitochondriale functies.
Mitochondriën zijn semi-autonome organellen met hun eigen DNA, eiwitsynthese, en afbraakmachines. De door het mitochondriale genoom gecodeerde eiwitten ondergaan tijdens hun synthese een reeks post-transcriptionele en post-translationele bewerkingen. Het mitochondriaal genoom codeert ook een aantal aan pollenabortus gerelateerde genen die betrokken zijn bij het controleren van de vruchtbaarheid van planten in een proces dat bekend staat als cytoplasmatische mannelijke steriliteit (CMS). Deze CMS-planten worden gebruikt om hybriden te produceren die profiteren van hybride kracht of heterosis, waardoor een grotere biomassa en opbrengst wordt geproduceerd. Het mitochondriaal genoom codeert echter slechts voor een klein deel van de eiwitten waaruit het mitochondrium is opgebouwd; de rest wordt gecodeerd door nucleaire genen en gesynthetiseerd in het cytosol. Deze eiwitten worden vervolgens naar het mitochondrium getransporteerd door de eiwitimportmachine en samengevoegd met de mitochondrisch gesynthetiseerde subeenheden om de grote ademhalingscomplexen en andere eiwitten te vormen.
Stresstolerantie is een zeer complexe eigenschap, waarbij een veelheid van ontwikkelings-, fysiologische en biochemische processen betrokken is. Vergeleken met andere organellen zijn plantenmitochondriën onevenredig betrokken bij stresstolerantie, waarschijnlijk omdat zij een convergentiepunt zijn tussen metabolisme, signalering en celbestemming. Mitochondriën zijn ook de plaats waar reactieve zuurstofspecies (ROS) worden geproduceerd, waarbij de ubiquinonpool en componenten in Complex I en Complex III de belangrijkste productieplaatsen zijn. Onlangs is ook aangetoond dat Complex II een aanzienlijke hoeveelheid superoxide produceert. Onder normale stabiele omstandigheden wordt de ROS-productie beheerst door een complex geheel van antioxidant-enzymen en kleine moleculen die de ROS opvangen en de schade aan de mitochondriën en de cellen beperken. Onder bepaalde omstandigheden kunnen deze verdedigingsmechanismen echter worden overweldigd en stapelen de ROS zich op, wat leidt tot beschadiging van eiwitten, lipiden en DNA.
Het aantal mitochondriën per cel varieert met het weefseltype, waarbij actievere cellen met een hoge energiebehoefte, zoals die in groeiende meristemen, doorgaans zijn uitgerust met grotere aantallen mitochondriën per eenheid celvolume en deze doorgaans een snellere ademhaling vertonen. Het onderzoek naar plantenmitochondriën heeft zich de laatste decennia snel ontwikkeld dankzij de beschikbaarheid van genoomsequenties voor een breed scala van model- en gewasplanten. Recente prominente thema’s in het mitochondriaal onderzoek bij planten zijn onder meer het koppelen van de mitochondriale samenstelling aan milieustressreacties en de wijze waarop deze oxidatieve stress van invloed is op de mitochondriale functie. Evenzo heeft de belangstelling voor de signaleringscapaciteit van mitochondriën (de rol van reactieve zuurstofspecies, retrograde en anterograde signalering) de transcriptionele veranderingen van stressgevoelige genen aan het licht gebracht als een kader om specifieke signalen te definiëren die uitgaan van en naar het mitochondrium. Er is ook veel belangstelling voor RNA-metabolische processen in plantenmitochondriën, met inbegrip van RNA-transcriptie, RNA-editing, de splitsing van groep I en groep II introns, en RNA-degradatie en translatie. Ondanks hun identificatie meer dan 100 jaar geleden blijven plantenmitochondriën een belangrijk onderzoeksgebied in de plantenwetenschappen.
Tabel 1
Bijdragers aan de speciale uitgave “Plant Mitochondria”.
| Auteurs | Titel | Topics | Type |
|---|---|---|---|
| Arimura et al. | Koude behandeling induceert voorbijgaande mitochondriale fragmentatie in Arabidopsis thaliana op een manier die DRP3A vereist maar niet ELM1 of een ELM1-achtig homoloog, ELM2 | Abiotische stress | Original Research |
| Robles et al. | De karakterisering van Arabidopsis mterf6 mutanten onthult een nieuwe rol voor mTERF6 in tolerantie voor abiotische stress | Abiotische stress | Original onderzoek |
| Rurek et al. | Koude- en hittestress wijzigen op diverse manieren de ademhaling van bloemkool en verschillende mitochondriale eiwitten, waaronder OXPHOS-componenten en matrixenzymen | Abiotische stress | Origineel onderzoek |
| Rurek et al. | Mitochondriale Biogenese in Diverse Bloemkool Cultivars onder Milde en Ernstige Droogte. Impaired Coordination of Selected Transcript and Proteomic Responses, and Regulation of Various Multifunctional Proteins | Abiotic stress | Original Research |
| Reddemann et al. | Recombination Events Involving the atp9 Gene Are Associated with Male Sterility of CMS PET2 in Sunflower | Cymiddlelasmic Male Sterility | Original Research |
| Štorchová et al. | The Role of Non-Coding RNAs in Cymiddlelasmic Male Sterility in Flowering Plants | Cymiddlelasmic Male Sterility | Review |
| Mansilla et al. | The Complexity of Mitochondrial Complex IV: An Update of Cytochrome c Oxidase Biogenesis in Plants | Oxidative Phosphorylation | Review |
| Podgórska et al. | Nitrogen Source Dependent Changes in Central Sugar Metabolism Maintain Cell Wall Assembly in Mitochondrial Complex I-Defective frostbite1 and Secondarily Affect Programmed Cell Death | OxPhos | Original Research |
| Velada et al. | AOX1-Subfamily Gene Members in Olea europaea cv. “Galega Vulgar”-Gene Characterization and Expression of Transcripts during IBA-Induced In Vitro Adventitious Rooting | OxPhos | Original Research |
| 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. | Suppressie van Externe NADPH Dehydrogenase-NDB1 in Arabidopsis thaliana verschaft verbeterde tolerantie voor ammoniumtoxiciteit via efficiënt glutathion/Redox-metabolisme | 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: A Source and a Pool | Protein Import | Original Research |
| Dolzblasz et al. | Aantasting van de meristeemproliferatie bij planten die het mitochondriale protease AtFTSH4 missen | Proteïnesynthese en -degradatie | Original Research |
| Opalińska et al. | Identification of Physiological Substrates and Binding Partners of the Plant Mitochondrial Protease FTSH4 by the Trapping Approach | Protein Synthesis and Degradation | Original Research |
| Robles et al. | Emerging Roles of Mitochondrial Ribosomal Proteins in Plant Development | Protein Synthesis and Degradation | Review |
| Zmudjak et al. | Analysis of the Roles of the Arabidopsis nMAT2 and PMH2 Proteins Provided with New Insights into the Regulation of Group II Intron Splicing in Land-Plant Mitochondria | Protein Synthesis and Degradation | Original Research |
| Mao et al. | Nitric Oxide Reguleert Zaailing Groei en Mitochondriale Reacties in Verouderde Haverzaden | ROS &Antioxidanten | Original Onderzoek |
Een aantal onderzoeksartikelen in deze Special Issue richtte zich op de reacties van mitochondriën op abiotische stress, met studies die thermische stress (zowel warm als koud), zoutgehalte en droogte onderzochten. Arimura et al. toonden aan dat koude geïnduceerde mitochondriale splijting (waarvan eerder werd gedacht dat die de actie van zowel een dynamin-gerelateerd eiwit) DRP3A als een andere plantspecifieke factor ELM1 impliceerde, alleen DRP3A in Arabidopsis vereist. Tegelijkertijd toonden zij aan dat een ELM1-paraloog (ELM2) slechts een beperkte rol leek te spelen bij de mitochondriale splijting in een elm1-mutant, hetgeen suggereert dat Arabidopsis een unieke, door koude geïnduceerde mitochondriale splijting heeft waarbij alleen DRP3A betrokken is om de grootte en vorm van mitochondriën te controleren. De mitochondriale transcriptiebeëindigingsfactoren (mTERF’s) die betrokken zijn bij de controle van organellaire genexpressie (OGE) met mutaties in sommige gekarakteriseerde mTERF’s (resulterend in planten met een veranderde respons op zout, veel licht, warmte of osmotische stress) suggereren een rol voor deze eiwitten in abiotische stresstolerantie. Robles et al. toonden aan dat de sterk verlieslatende mutant mterf6-2 overgevoelig was voor NaCl en mannitol tijdens de zaailingontwikkeling, terwijl mterf6-5 later in de ontwikkeling een grotere gevoeligheid vertoonde voor hitte. Rurek et al. presenteerden een tweetal onderzoekspublicaties waarin fysiologische, proteomische en transcript analyse benaderingen werden gebruikt om de thermische (warm en koud) en droogte reacties van bloemkool mitochondriën te onderzoeken. In de thermische studies identificeerden zij een aantal eiwitten die temperatuurgevoelig waren, waaronder componenten van OxPhos, fotorespiratie, porine-isovormen, en de TCA-cyclus. Ook in de droogte analyse, waarbij drie verschillende bloemkool cultivars werden onderzocht, bleken zowel OxPhos componenten als porine isovormen in abundantie te veranderen, wat duidt op een significante differentiële impact op mitochondriale biogenese tussen de drie cultivars, wat ons nieuwe inzichten geeft in de abiotische stress reacties van het Brassica geslacht.
Male steriliteit verwijst naar het onvermogen van een plant om levensvatbaar stuifmeel te maken. Het kan worden gemedieerd door nucleaire genen, wat leidt tot genische mannelijke steriliteit (GMS) of door mitochondriale eiwitten die interageren met nucleaire genen, wat leidt tot cytoplasmatische mannelijke steriliteit (CMS). Zowel GMS als CMS worden op grote schaal gebruikt in de landbouwproductie voor de productie van hybride gewassen die voordeel halen uit heterosis. In dit speciale nummer presenteert Štorchová een uitgebreid overzicht van de rol van niet-coderende RNA in het CMS van bloeiende planten, terwijl Reddemann en Horn onderzoek presenteerden waarin ze de rol van atp9 in de mannelijke steriliteit van CMS PET2 in zonnebloem onderzochten. Hier toonden ze aan dat CMS PET2, dat het potentieel heeft om een alternatieve CMS bron te worden voor commerciële veredeling, een gedupliceerde atp9 heeft met een 271-bp-insertie in de 5′ regio van één van de atp9 genen wat resulteert in twee unieke open leesramen (orf288 en orf231). De verminderde anter-specifieke co-transcriptie van deze open leesramen in fertiliteitsherstelde hybriden ondersteunt hun betrokkenheid bij mannelijke steriliteit in CMS PET2.
In totaal hebben we vijf papers ingediend waarin OxPhos onderzocht wordt, waarvan er twee gericht zijn op het identificeren van niet-fosforylerende bypasses van de klassieke ETC. Wanniarachchi et al. identificeerden en karakteriseerden het alternatieve oxidase (AOX) en de type II NAD(P)H dehydrogenases (NDs) van rijst en gerst, terwijl Velada et al. de AOX1 subfamilie karakteriseerden in Olea europaea cv. Galega Vulgar (Europese olijf). Podgórska et al. onderzochten de Complex 1 mutant fro1 (frostbite 1) die een puntmutatie heeft in de 8 kDa Fe-S subeenheid NDUFS4 gekweekt op verschillende stikstofbronnen. Wanneer deze planten werden gekweekt op NO3- vertoonden zij een koolstofflux in de richting van stikstofassimilatie en energieproductie, terwijl de cellulose-integratie in de celwand werd beperkt. Daarentegen vertoonden zij een verbeterde groei op NH4+ en niet het verwachte ammoniumtoxiciteitssyndroom. Podgórska et al. toonden eveneens aan dat planten met externe NADPH-dehydrogenase (NDB1) knockdown resistent waren tegen NH4+ behandeling en mildere oxidatieve stress symptomen vertoonden met lagere ROS accumulatie en inductie van glutathione peroxidase-achtige enzymen en peroxiredoxines antoxidanten. Mansilla et al. gaven een uitgebreid overzicht van de samenstelling en biogenese van de eindzuurstofacceptor cytochoom c oxidase (Complex IV) in gist, zoogdieren en planten. Hieruit bleek dat, terwijl planten behouden veel biogenese kenmerken gemeenschappelijk zijn met andere organismen, ze hebben ook ontwikkeld plant-specifieke functies.
Aangezien de meerderheid van de eiwitten die functioneren in mitochondriën worden geïmporteerd uit nucleair gecodeerde cytosol gesynthetiseerde eiwitten, studies inzicht in het proces van hoe mitochondriale eiwitimport wordt gecontroleerd en gereguleerd is van vitaal belang om mitochondriale functies te veranderen. Zhao et al. onderzochten de intergenomische overdracht (IGT) vanuit een breed evolutionair perspectief door toegang te krijgen tot gegevens van nucleaire, mitochondriale en chloroplast genomen in 24 planten, en toonden aan dat mitochondriale overdracht voorkomt in alle onderzochte planten. Bovendien hebben Avelange-Macherel et al. gebruikten twee paralogen van late embryogenesis abundant proteins (LEA) (LEA38 (mitochondriaal) en LEA2 (cytosolisch)) om de invloed van aminozuursequentie van mitochondriale targeting sequenties (MTS) op subcellulaire lokalisatie te onderzoeken. Zij toonden aan dat door een combinatie van substitutie, ladingsinvasie en segmentvervanging, zij in staat waren LEA2 naar mitochondriën te heroriënteren, en zo een verklaring te geven voor het verlies van mitochondriale localisatie na duplicatie van het voorouderlijke gen. Kolli et al. gaven een volledig overzicht van unieke aspecten van plantaardige mitochondriale binnenmembraaneiwit insertie met Complex IV als casestudy, die het gebruik van Tat-machines voor membraan insertie van het Rieske Fe/S eiwit onthulde.
Twee artikelen onderzochten het mitochondriale protease FTSH4, een kijkend naar de impact van een ftsh4 mutant op meristeem proliferatie , en een andere identificeerde fysiologische substraten en interactie partners met behulp van een trapping aanpak en massaspectrometrie. Dolzblasz et al. toonden aan dat planten zonder AtFTSH4 een groeistop vertonen aan zowel de scheut- als de wortelapicale meristemen wanneer ze gekweekt worden bij 30°C, en dat deze stilstand veroorzaakt wordt door een ontregeling van de celcyclus en het verlies van celidentiteit. Opalińska et al. onthulden een aantal nieuwe mogelijke doelwitten voor FTSH4, waaronder de mitochondriale pyruvaatdrager 4 (MPC4), presequentie translocase-geassocieerde motor 18 (PAM18), en succinaatdehydrogenase (SDH) subeenheden. Bovendien toonden zij aan dat FTSH4 verantwoordelijk is voor de afbraak van oxidatief beschadigde eiwitten in mitochondriën. Plantenmitochondria bevatten talrijke groep II introns die zich in genen bevinden. Zmudjak et al. toonden aan dat nMAT2 maturase en het RNA helicase PMH2 associëren met hun intron-RNA targets in grote ribonucleoproteïne deeltjes in vivo en dat de splicing efficienties van de gezamenlijke intron targets van nMAT2 en PMH2 sterker zijn aangetast in een dubbele nmat2/pmh2 mutant-lijn. Samen suggereert dit dat deze eiwitten dienen als componenten van een proto-spliceosomaal complex in planten mitochondriën. Robles et al. geven een grondig overzicht van de fenotypische effecten op de ontwikkeling van planten die worden vertoond door mutanten van mitoribosomale eiwitten (mitoRP’s) en hoe zij bijdragen tot de opheldering van de functie van mitoRP’s in planten, de mechanismen die de genexpressie van organellen regelen, en hun bijdrage tot plantengroei en morfogenese.
Mao et al. onderzochten de toepassing van 0,05 mM NO in verouderde haverzaden en zagen een verbetering van de zaadkracht en een verhoogd H2O2-vangstvermogen in mitochondriën. Dit ging gepaard met hogere activiteiten van CAT, GR, MDHAR en DHAR in het AsA-GSH-vangsysteem, verbeterde TCA-cyclus-gerelateerde enzymen (malaatdehydrogenase, succinaat-CoA-ligase, fumaraathydratase), en geactiveerde alternatieve routes.
Over het geheel genomen illustreren de 19 bijdragen die in deze speciale uitgave zijn gepubliceerd de vooruitgang op het gebied van plantenmitochondriën en ik kijk ernaar uit om de plantenmitochondriale gemeenschap te ontmoeten op de volgende tweejaarlijkse bijeenkomst in Ein Gedi, Israël (https://www.icpmb2019.com/).