Podstawową funkcją mitochondriów jest oddychanie, w którym katabolizm substratów jest sprzężony z syntezą adenozynotrójfosforanu (ATP) poprzez fosforylację oksydacyjną (OxPhos). Kwasy organiczne, takie jak pirogronian i jabłczan, produkowane w cytozolu są utleniane w mitochondriach w cyklu kwasu trójkarboksylowego (TCA), a następnie w łańcuchu transportu elektronów (ETC). Energia uwolniona w wyniku tego utleniania jest wykorzystywana do syntezy ATP, który jest następnie eksportowany do cytozolu w celu wykorzystania w biosyntezie i wzroście. W roślinach skład mitochondriów jest stosunkowo złożony i elastyczny oraz posiada specyficzne szlaki umożliwiające ciągłe przetrwanie podczas narażenia na stres abiotyczny oraz wspierające procesy fotosyntezy w oświetlonych liściach.
Roślinne mitochondria są organellami dwumembranowymi, w których błona wewnętrzna jest inwazyjna, tworząc fałdy znane jako cristae w celu zwiększenia powierzchni błony. Błona zewnętrzna zawiera stosunkowo niewiele białek (<100) i jest przepuszczalna dla większości małych związków (<Mr = 5 kDa) dzięki obecności białka tworzącego pory VDAC (voltage dependent anion channel), które jest członkiem rodziny porin kanałów jonowych. Błona wewnętrzna stanowi główną barierę przepuszczalności organelli i kontroluje ruch cząsteczek za pomocą szeregu białek nośnikowych, z których wiele należy do rodziny nośników substratów mitochondrialnych (MSCF). Błona wewnętrzna zawiera również duże kompleksy, które przenoszą elektrony w dwóch połączonych ze sobą szlakach, kończących się dwoma terminalnymi oksydazami. Jest to również miejsce fosforylacji oksydacyjnej (OxPhos) i zawiera niefosforyluj±ce obej¶cie klasycznego ETC. Błona wewnętrzna zamyka również rozpuszczalną matrycę, która zawiera enzymy cyklu TCA i wiele innych rozpuszczalnych białek zaangażowanych w niezliczone funkcje mitochondrialne.
Mitochondria są półautonomicznymi organellami z własnym DNA, syntezą białek i mechanizmami degradacji. Białka kodowane przez genom mitochondrialny przechodzą szereg posttranskrypcyjnych i posttranslacyjnych procesów przetwarzania podczas ich syntezy. Genom mitochondrialny koduje również szereg genów związanych z aborcją pyłku, zaangażowanych w kontrolę płodności roślin w procesie znanym jako cytoplazmatyczna męska sterylność (CMS). Te rośliny CMS są wykorzystywane do produkcji mieszańców, które korzystają z wigoru hybrydowego lub heterozji, produkując większą biomasę i plony. Genom mitochondrialny koduje jednak tylko niewielką część białek wchodzących w skład mitochondrium; reszta jest kodowana przez geny jądrowe i syntetyzowana w cytozolu. Białka te są następnie transportowane do mitochondrium przez maszynerię importu białek i łączone z podjednostkami syntetyzowanymi w mitochondrium w celu utworzenia dużych kompleksów oddechowych i innych białek.
Tolerancja na stres jest cechą bardzo złożoną, obejmującą wiele procesów rozwojowych, fizjologicznych i biochemicznych. W porównaniu z innymi organellami, mitochondria roślinne są nieproporcjonalnie zaangażowane w tolerancję na stres, prawdopodobnie dlatego, że są punktem zbieżnym pomiędzy metabolizmem, sygnalizacją i losem komórki. Mitochondria są również miejscem produkcji reaktywnych form tlenu (ROS), z pulą ubichinonu oraz składnikami Kompleksu I i Kompleksu III jako głównymi miejscami produkcji. Ostatnio wykazano, że Kompleks II wytwarza również znaczne ilości superoksydów. W normalnych warunkach stanu ustalonego, produkcja ROS jest kontrolowana przez kompleks enzymów antyoksydacyjnych i małych cząsteczek, które wymiatają ROS i ograniczają uszkodzenia mitochondrialne i komórkowe. Jednakże, w niektórych warunkach te mechanizmy obronne mogą zostać przeciążone i ROS gromadzą się, prowadząc do uszkodzenia białek, lipidów i DNA.
Liczba mitochondriów na komórkę różni się w zależności od rodzaju tkanki, przy czym bardziej aktywne komórki o wysokim zapotrzebowaniu na energię, takie jak te w rosnących merystemach, są zazwyczaj wyposażone w większą liczbę mitochondriów na jednostkę objętości komórki i zazwyczaj wykazują szybsze tempo oddychania. Badania nad mitochondriami roślin rozwinęły się gwałtownie w ciągu ostatnich kilku dekad, dzięki dostępności sekwencji genomowych dla szerokiej gamy roślin modelowych i uprawnych. Ostatnie ważne tematy w badaniach nad mitochondriami roślin obejmują powiązanie składu mitochondriów z reakcjami na stres środowiskowy oraz to, jak stres oksydacyjny wpływa na funkcje mitochondriów. Podobnie, zainteresowanie zdolnościami sygnalizacyjnymi mitochondriów (rola reaktywnych form tlenu, sygnalizacja retrogradowa i anterrogradowa) ujawniło zmiany transkrypcyjne genów reagujących na stres jako ramy do zdefiniowania specyficznych sygnałów płynących do i z mitochondrium. Duże zainteresowanie wzbudziły również procesy metabolizmu RNA w mitochondriach roślinnych, w tym transkrypcja RNA, redagowanie RNA, splicing intronów grupy I i grupy II oraz degradacja i translacja RNA. Pomimo ich identyfikacji ponad 100 lat temu mitochondria roślinne pozostają ważnym obszarem badań w naukach o roślinach.
Tabela 1
Współautorzy wydania specjalnego „Plant Mitochondria”.
| Autorzy | Tytuł | Tematyka | Typ |
|---|---|---|---|
| Arimura i wsp. | Cold Treatment Induces Transient Mitochondrial Fragmentation in Arabidopsis thaliana in a Way that Requires DRP3A but not ELM1 or an ELM1-Like Homologue, ELM2 | Abiotic stress | Original Research |
| Robles et al. | The Characterization of Arabidopsis mterf6 Mutants Reveals a New Role for mTERF6 in Tolerance to Abiotic Stress | Abiotic stress | Original Research |
| Rurek et al. | Cold and Heat Stress Diversely Alter Both Cauliflower Respiration and Distinct Mitochondrial Proteins Including OXPHOS Components and Matrix Enzymes | Stres biotyczny | Original Research |
| Rurek et al. | Mitochondrial Biogenesis in Diverse Cauliflower Cultivars under Mild and Severe Drought. 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. | Suppression of External NADPH Dehydrogenase-NDB1 in Arabidopsis thaliana Confers Improved Tolerance to Ammonium Toxicity via Efficient Glutathione/Redox Metabolism | 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. | Impairment of Meristem Proliferation in Plants Lacking the Mitochondrial Protease AtFTSH4 | Protein Synthesis and Degradation | 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 Regulates Seedling Growth and Mitochondrial Responses in Aged Oat Seeds | ROS & Antioxidants | Original Research |
Liczba artykułów badawczych w tym wydaniu specjalnym skupiła się na odpowiedzi mitochondriów na stres abiotyczny, Badania dotyczyły stresu termicznego (zarówno gorącego jak i zimnego), zasolenia i suszy. Arimura i wsp. wykazali, że indukowane zimnem rozszczepianie mitochondriów (które, jak wcześniej sądzono, wymaga działania zarówno białka związanego z dynaminą) DRP3A, jak i innego specyficznego dla roślin czynnika ELM1, w Arabidopsis wymaga tylko DRP3A. Jednocze¶nie wykazali, że paralog ELM1 (ELM2) wydaje się mieć ograniczon± rolę w rozszczepianiu mitochondriów w mutancie elm1, co sugeruje, że Arabidopsis posiada unikalny, indukowany zimnem proces rozszczepiania mitochondriów, który angażuje tylko DRP3A do kontroli rozmiaru i kształtu mitochondriów. Mitochondrialne czynniki zakończenia transkrypcji (mTERFs), które s± zaangażowane w kontrolę ekspresji genów organellarnych (OGE) z mutacjami w niektórych scharakteryzowanych mTERFs (skutkuj±cymi ro¶linami, które maj± zmienion± reakcję na sól, wysokie ¶wiatło, ciepło lub stres osmotyczny) sugeruj± rolę tych białek w tolerancji na stres abiotyczny. Robles i wsp. wykazali, że mutant mterf6-2 z silną utratą funkcji był nadwrażliwy na NaCl i mannitol podczas zawiązywania siewek, podczas gdy mterf6-5 wykazywał większą wrażliwość na ciepło w późniejszym okresie rozwoju. Rurek i wsp. przedstawili dwie prace badawcze, w których wykorzystali metody analizy fizjologicznej, proteomicznej i transkryptomicznej do zbadania odpowiedzi mitochondriów kalafiora na temperaturę (ciepło i zimno) i suszę. W badaniach termicznych zidentyfikowano szereg białek, które były wrażliwe na temperaturę, w tym komponenty OxPhos, fotorespiracji, izoformy porin i cyklu TCA. Podobnie, w analizie suszy, która bada trzy różne odmiany kalafiora, zarówno komponenty OxPhos jak i izoformy porin zmieniały się w obfitości, wskazując na znaczący wpływ na biogenezę mitochondrialną pomiędzy trzema odmianami, co daje nam nowy wgląd w odpowiedzi na stres abiotyczny w rodzaju Brassica.
Męska sterylność odnosi się do niezdolności rośliny do tworzenia zdolnego do życia pyłku. Może być pośredniczona przez geny jądrowe, prowadząc do genowej męskiej sterylności (GMS) lub przez białka mitochondrialne oddziałujące z genami jądrowymi, prowadząc do cytoplazmatycznej męskiej sterylności (CMS). Zarówno GMS jak i CMS są szeroko stosowane w produkcji rolniczej do produkcji roślin mieszańcowych, które korzystają z heterozji. W niniejszym numerze specjalnym Štorchová prezentuje kompleksowy przegląd roli niekodującego RNA w CMS roślin kwitnących, natomiast Reddemann i Horn przedstawili badania dotyczące roli atp9 w męskiej sterylności CMS PET2 u słonecznika. Wykazali oni, że CMS PET2, który może stać się alternatywnym źródłem CMS dla hodowli komercyjnej, posiada zduplikowany atp9 z 271-bp-insercją w 5′ regionie jednego z genów atp9, co skutkuje dwoma unikalnymi otwartymi ramkami odczytu (orf288 i orf231). Zmniejszona pylnikowo-specyficzna ko-transkrypcja tych otwartych ramek odczytu w mieszańcach o przywróconej płodności wspiera ich udział w męskiej sterylności w CMS PET2.
Złożyliśmy w sumie pięć prac badających OxPhos, przy czym dwie z nich koncentrowały się na identyfikacji niefosforylujących obejść klasycznego ETC. Wanniarachchi i wsp. zidentyfikowali i scharakteryzowali alternatywną oksydazę (AOX) oraz dehydrogenazy NAD(P)H typu II (NDs) ryżu i jęczmienia, natomiast Velada i wsp. scharakteryzowali podrodzinę AOX1 w Olea europaea cv. Galega Vulgar (oliwka europejska). Podgórska i wsp. badali mutanta Complex 1 fro1 (frostbite 1), który posiada mutację punktową w 8 kDa podjednostce Fe-S NDUFS4, uprawianego na różnych źródłach azotu. Kiedy rośliny te były uprawiane na NO3- wykazywały przepływ węgla w kierunku asymilacji azotu i produkcji energii, podczas gdy integracja celulozy ze ścianą komórkową była ograniczona. Natomiast na NH4+ wykazywały lepszy wzrost, a nie spodziewany zespół toksyczności amonowej. Podobnie Podgórska i wsp. wykazali, że rośliny z zewnętrznym knockdownem dehydrogenazy NADPH (NDB1) były odporne na traktowanie NH4+ i miały łagodniejsze objawy stresu oksydacyjnego z niższą akumulacją ROS i indukcją enzymów podobnych do peroksydazy glutationowej oraz antyoksydantów peroksiredoksyn. Mansilla i wsp. przedstawili kompleksowy przegląd składu i biogenezy terminalnego akceptora tlenu – oksydazy cytochromu c (Complex IV) u drożdży, ssaków i roślin. Ujawniło to, że podczas gdy rośliny zachowują wiele cech biogenezy wspólnych dla innych organizmów, rozwinęły one również cechy specyficzne dla roślin.
Jako że większość białek funkcjonujących w mitochondriach jest importowana z kodowanych jądrowo białek syntetyzowanych w cytozolu, badania rozumiejące proces, w jaki sposób import białek mitochondrialnych jest kontrolowany i regulowany, są niezbędne do zmiany funkcji mitochondriów. Tutaj Zhao i wsp. zbadali transfer międzygenomowy (IGT) z szerokiej perspektywy ewolucyjnej poprzez dostęp do danych z genomów jądrowych, mitochondrialnych i chloroplastowych 24 roślin i wykazali, że transfer mitochondrialny występuje u wszystkich badanych roślin. Dodatkowo, Avelange-Macherel i in. wykorzystali dwa paralogi obfitych białek późnej embriogenezy (LEA) (LEA38 (mitochondrialny) i LEA2 (cytozolowy)) do zbadania wpływu sekwencji aminokwasowych sekwencji celujących do mitochondriów (MTS) na lokalizację subkomórkową. Wykazali, że łącząc substytucję, inwazję ładunku i wymianę segmentów, byli w stanie przekierować LEA2 do mitochondriów, dostarczając wyjaśnienia dla utraty lokalizacji mitochondrialnej po duplikacji genu przodka. Kolli i wsp. przedstawili kompletny przegląd unikalnych aspektów wstawiania białek błony wewnętrznej mitochondriów roślinnych, używając Kompleksu IV jako studium przypadku, co ujawniło wykorzystanie maszyn Tat do wstawiania białka Rieske Fe/S.
Dwie prace badały mitochondrialną proteazę FTSH4, jedna analizowała wpływ mutanta ftsh4 na proliferację merystemu, a druga identyfikowała fizjologiczne substraty i partnerów interakcji przy użyciu podejścia pułapkowego i spektrometrii mas. Dolzblasz i wsp. wykazali, że rośliny pozbawione AtFTSH4 wykazują zatrzymanie wzrostu zarówno w merystemie wierzchołkowym pędu, jak i korzenia, gdy rosną w temperaturze 30°C, oraz że zatrzymanie to jest spowodowane dysregulacją cyklu komórkowego i utratą tożsamości komórek. Opalińska i wsp. ujawnili szereg nowych, potencjalnych celów dla FTSH4, w tym mitochondrialne transportery pirogronianu 4 (MPC4), presekwencyjny translokator 18 (PAM18) i podjednostki dehydrogenazy bursztynianowej (SDH). Ponadto wykazali, że FTSH4 jest odpowiedzialny za degradację białek uszkodzonych oksydacyjnie w mitochondriach. Mitochondria roślinne zawierają liczne introny grupy II, które rezydują w genach. Zmudjak i wsp. wykazali, że maturaza nMAT2 i helikaza RNA PMH2 wiążą się ze swoimi celami intronowymi-RNA w dużej cząsteczce rybonukleoproteinowej in vivo, a wydajność splicingu wspólnych celów intronowych nMAT2 i PMH2 jest silniej zaburzona w podwójnej linii mutantów nmat2/pmh2. Łącznie sugeruje to, że białka te służą jako składniki kompleksu proto-spliceosomalnego w mitochondriach roślinnych. Robles i wsp. przedstawiają dokładny przegląd efektów fenotypowych w rozwoju roślin wykazywanych przez mutanty białek mitoribosomalnych (mitoRPs) i jak przyczyniają się one do wyjaśnienia funkcji roślinnych mitoRPs, mechanizmów kontrolujących ekspresję genów organelli i ich udziału we wzroście roślin i morfogenezie.
Mao i wsp. badali zastosowanie 0,05 mM NO w starzejących się nasionach owsa i zaobserwowali poprawę wigoru nasion i zwiększoną zdolność do wymiatania H2O2 w mitochondriach. Towarzyszyły temu wyższe aktywności CAT, GR, MDHAR i DHAR w systemie wymiatania AsA-GSH, wzmocnione enzymy związane z cyklem TCA (dehydrogenaza jabłczanowa, ligaza bursztynianowo-CoA, hydrataza fumaranu) i aktywowane szlaki alternatywne.
Ogółem, 19 prac opublikowanych w tym numerze specjalnym ilustruje postępy w dziedzinie mitochondriów roślinnych i z niecierpliwością czekam na spotkanie ze społecznością mitochondrialną roślin na następnym, odbywającym się co dwa lata spotkaniu w Ein Gedi, Izrael (https://www.icpmb2019.com/).