La función principal de las mitocondrias es la respiración, en la que el catabolismo de los sustratos se acopla a la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP) mediante la fosforilación oxidativa (OxPhos). Los ácidos orgánicos como el piruvato y el malato producidos en el citosol se oxidan en las mitocondrias mediante el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA) y, posteriormente, mediante la cadena de transporte de electrones (ETC). La energía liberada por esta oxidación se utiliza para sintetizar ATP, que luego se exporta al citosol para su uso en la biosíntesis y el crecimiento. En las plantas, la composición mitocondrial es relativamente compleja y flexible y tiene vías específicas para permitir la supervivencia continua durante la exposición al estrés abiótico y para apoyar los procesos fotosintéticos en las hojas iluminadas.
Las mitocondrias de las plantas son orgánulos de doble membrana en los que la membrana interna está invaginada para formar pliegues conocidos como cristae para aumentar la superficie de la membrana. La membrana externa contiene relativamente pocas proteínas (<100) y es permeable a la mayoría de los compuestos pequeños (<Mr = 5 kDa) debido a la presencia de la proteína formadora de poros VDAC (canal aniónico dependiente de voltaje), que es un miembro de la familia de porinas de los canales iónicos. La membrana interna es la principal barrera de permeabilidad del orgánulo y controla el movimiento de las moléculas mediante una serie de proteínas transportadoras, muchas de las cuales son miembros de la familia de transportadores de sustratos mitocondriales (MSCF). La membrana interna también alberga los grandes complejos que realizan la transferencia de electrones en dos vías interconectadas que terminan con dos oxidasas terminales. También es el lugar de la fosforilación oxidativa (OxPhos) y contiene una derivación no fosforilante del ETC clásico. La membrana interna también encierra la matriz soluble que contiene las enzimas del ciclo TCA y muchas otras proteínas solubles implicadas en una miríada de funciones mitocondriales.
Las mitocondrias son orgánulos semiautónomos con su propia maquinaria de ADN, síntesis y degradación de proteínas. Las proteínas codificadas por el genoma mitocondrial se someten a una serie de procesamientos postranscripcionales y postraduccionales durante su síntesis. El genoma mitocondrial también codifica una serie de genes relacionados con el aborto del polen que participan en el control de la fertilidad de las plantas en un proceso conocido como esterilidad masculina citoplasmática (CMS). Estas plantas CMS se utilizan para producir híbridos que se benefician del vigor híbrido o heterosis, produciendo mayor biomasa y rendimiento. Sin embargo, el genoma mitocondrial sólo codifica una pequeña parte de las proteínas que componen la mitocondria; el resto está codificado por genes nucleares y se sintetiza en el citosol. Estas proteínas son transportadas a la mitocondria por la maquinaria de importación de proteínas y se ensamblan con las subunidades sintetizadas en la mitocondria para formar los grandes complejos respiratorios y otras proteínas.
La tolerancia al estrés es un rasgo muy complejo, que implica una multitud de procesos de desarrollo, fisiológicos y bioquímicos. En comparación con otros orgánulos, las mitocondrias de las plantas están desproporcionadamente implicadas en la tolerancia al estrés, probablemente porque son un punto de convergencia entre el metabolismo, la señalización y el destino celular . Las mitocondrias son también el lugar de producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), siendo la reserva de ubiquinona y los componentes del Complejo I y del Complejo III los principales lugares de producción. Recientemente, se ha demostrado que el Complejo II también produce una cantidad significativa de superóxido. En condiciones normales, la producción de ROS está controlada por un complejo conjunto de enzimas antioxidantes y pequeñas moléculas que eliminan las ROS y limitan el daño mitocondrial y celular. Sin embargo, en algunas condiciones estas defensas pueden verse desbordadas y las ROS se acumulan, provocando daños en las proteínas, los lípidos y el ADN.
El número de mitocondrias por célula varía con el tipo de tejido, con células más activas con altas demandas de energía, como las de los meristemos en crecimiento, generalmente equipadas con un mayor número de mitocondrias por unidad de volumen celular y típicamente éstas muestran tasas de respiración más rápidas. La investigación sobre las mitocondrias de las plantas se ha desarrollado rápidamente en las últimas décadas con la disponibilidad de las secuencias del genoma de una amplia gama de plantas modelo y de cultivo. Entre los temas recientes más destacados en la investigación sobre las mitocondrias de las plantas se encuentra la vinculación de la composición mitocondrial con las respuestas al estrés ambiental y cómo este estrés oxidativo repercute en la función mitocondrial. Del mismo modo, el interés por la capacidad de señalización de las mitocondrias (el papel que desempeñan las especies reactivas del oxígeno y la señalización retrógrada y anterógrada) ha revelado los cambios transcripcionales de los genes que responden al estrés como marco para definir las señales específicas que emanan hacia y desde la mitocondria. También ha habido un interés considerable en los procesos metabólicos del ARN en las mitocondrias de las plantas, incluyendo la transcripción del ARN, la edición del ARN, el empalme de los intrones del grupo I y del grupo II, y la degradación y traducción del ARN. A pesar de su identificación hace más de 100 años las mitocondrias de las plantas siguen siendo un área importante de investigación en las ciencias vegetales.
Tabla 1
Contribuidores del número especial «Mitocondrias vegetales».
| Autores | Título | Temas | Tipo |
|---|---|---|---|
| Arimura et al. | El tratamiento con frío induce la fragmentación mitocondrial transitoria en Arabidopsis thaliana de una manera que requiere DRP3A pero no ELM1 o un homólogo similar a ELM1, ELM2 | Estreses bióticos | Investigación original |
| Robles et al. | La caracterización de los mutantes mterf6 de Arabidopsis revela un nuevo papel de mTERF6 en la tolerancia al estrés abiótico | Estrés abiótico | Investigación original |
| Rurek et al. | El estrés por frío y calor alteran de forma diversa tanto la respiración de la coliflor como distintas proteínas mitocondriales, incluyendo los componentes de la OXPHOS y las enzimas de la matriz | Estreses bióticos | Investigación original |
| Rurek et al. | Biogénesis mitocondrial en diversos cultivos de coliflor bajo sequía leve y severa. Deterioro de la coordinación de respuestas transcripcionales y proteómicas seleccionadas, y regulación de varias proteínas multifuncionales | Estresión antibiótica | Investigación original |
| Reddemann et al. | Los eventos de recombinación que implican al gen atp9 están asociados con la esterilidad masculina de CMS PET2 en girasol | Esterilidad masculina cimidlásmica | Investigación original |
| Štorchová et al. | El papel de los ARN no codificantes en la esterilidad masculina cimidlásmica en plantas con flores | Esterilidad masculina cimidlásmica | Revisión |
| Mansilla et al. | La complejidad del complejo IV mitocondrial: una actualización de la biogénesis de la citocromo c oxidasa en las plantas | Fosforilación oxidativa | Revisión |
| Podgórska et al. | Cambios dependientes de la fuente de nitrógeno en el metabolismo central de los azúcares mantienen el ensamblaje de la pared celular en la congelación del complejo I mitocondrial defectuoso1 y afectan secundariamente a la muerte celular programada | OxPhos | Investigación original |
| Velada et al. | Miembros del gen de la subfamilia AOX1 en Olea europaea cv. «Galega Vulgar»-Caracterización genética y expresión de transcritos durante el enraizamiento adventicio inducido por IBA | OxPhos | Investigación original |
| Wanniarachchi et al. | Genes componentes de la vía respiratoria alternativa (AOX y ND) en arroz y cebada y su respuesta al estrés | OxPhos | Investigación original |
| Podgórska et al. | La supresión de la NADPH deshidrogenasa externa-NDB1 en Arabidopsis thaliana confiere una mayor tolerancia a la toxicidad del amonio a través de un eficiente metabolismo glutatión/redox | OxPhos | Investigación original |
| Avelange-Macherel et al. | Decodificación de la localización subcelular divergente de dos proteínas LEA paralógicas muy similares | Importación de proteínas | Investigación original |
| Kolli et al. | Inserción de proteínas en la membrana interna de las plantas | Importación de proteínas | Revisión |
| Zhao et al. | Las funciones de la mitocondria en la transferencia intergenómica de genes en las plantas: Una fuente y una reserva | Importación de proteínas | Investigación original |
| Dolzblasz et al. | Deterioro de la proliferación de meristemos en plantas que carecen de la proteasa mitocondrial AtFTSH4 | Síntesis y degradación de proteínas | Investigación original |
| Opalińska et al. | Identificación de sustratos fisiológicos y socios de unión de la proteasa mitocondrial vegetal FTSH4 mediante el enfoque de captura | Síntesis y degradación de proteínas | Investigación original |
| Robles et al. | Roles emergentes de las proteínas ribosomales mitocondriales en el desarrollo de las plantas | Síntesis y degradación de proteínas | Revisión |
| Zmudjak et al. | Un análisis de las funciones de las proteínas nMAT2 y PMH2 de Arabidopsis proporciona nuevos conocimientos sobre la regulación del empalme de intrones del grupo II en las mitocondrias de plantas terrestres | Síntesis y degradación de proteínas | Investigación original |
| Mao et al. | El óxido nítrico regula el crecimiento de las plántulas y las respuestas mitocondriales en las semillas de avena envejecidas | ROS &Antioxidantes | Investigación original |
Varios artículos de investigación de este número especial se centraron en las respuestas de las mitocondrias al estrés abiótico, con estudios que examinaron el estrés térmico (tanto el frío como el calor), la salinidad y la sequía. Arimura et al. demostraron que la fisión mitocondrial inducida por el frío (que anteriormente se pensaba que implicaba la acción tanto de una proteína relacionada con la dinamina) DRP3A como de otro factor específico de la planta ELM1, sólo requiere DRP3A en Arabidopsis. Al mismo tiempo, demostraron que un parálogo de ELM1 (ELM2) parecía tener sólo un papel limitado en la fisión mitocondrial en un mutante elm1, lo que sugiere que Arabidopsis tiene una fisión mitocondrial única, inducida por el frío, que implica sólo a DRP3A para controlar el tamaño y la forma de las mitocondrias. Los factores de terminación de la transcripción mitocondrial (mTERFs) que están implicados en el control de la expresión de genes organolépticos (OGE) con mutaciones en algunos mTERFs caracterizados (resultando en plantas que tienen respuestas alteradas a la sal, la luz alta, el calor o el estrés osmótico) sugieren un papel para estas proteínas en la tolerancia al estrés abiótico. Aquí Robles et al. mostraron que el mutante de pérdida de función fuerte mterf6-2 era hipersensible al NaCl y al manitol durante el establecimiento de las plántulas, mientras que mterf6-5 mostraba una mayor sensibilidad al calor más tarde en el desarrollo. Rurek et al. presentaron un par de trabajos de investigación que utilizaron enfoques fisiológicos, proteómicos y de análisis de transcripciones para examinar las respuestas térmicas (frío y calor) y a la sequía de las mitocondrias de la coliflor. En los estudios térmicos identificaron una serie de proteínas que respondían a la temperatura, incluyendo componentes de OxPhos, fotorrespiración, isoformas de porinas y el ciclo TCA. Del mismo modo, en el análisis de la sequía, que examina tres cultivares diferentes de coliflor, se observó que tanto los componentes de OxPhos como las isoformas de porina cambiaban en abundancia, lo que indica un impacto diferencial significativo en la biogénesis mitocondrial entre los tres cultivares, lo que nos da nuevas ideas sobre las respuestas al estrés abiótico del género Brassica.
La esterilidad masculina se refiere a la incapacidad de una planta para hacer polen viable. Puede estar mediada por genes nucleares que conducen a la esterilidad masculina genérica (GMS) o por proteínas mitocondriales que interactúan con genes nucleares, lo que conduce a la esterilidad masculina citoplásmica (CMS). Tanto la GMS como la CMS se utilizan ampliamente en la producción agrícola para la producción de cultivos híbridos que se benefician de la heterosis. En este número especial, Štorchová presenta una revisión exhaustiva del papel de los ARN no codificantes en la CMS de las plantas con flores, mientras que Reddemann y Horn presentan una investigación que examina el papel de atp9 en la esterilidad masculina de la CMS PET2 en el girasol. Aquí mostraron que el CMS PET2, que tiene el potencial de convertirse en una fuente alternativa de CMS para la cría comercial, tiene un atp9 duplicado con una inserción de 271 pb en la región 5′ de uno de los genes atp9 que da lugar a dos marcos de lectura abiertos únicos (orf288 y orf231). La reducción de la co-transcripción específica de estos marcos de lectura abiertos en los híbridos de fertilidad restaurada apoya su implicación en la esterilidad masculina en el CMS PET2.
Se han presentado un total de cinco trabajos que examinan OxPhos, y dos de ellos se centran en la identificación de derivaciones no fosforilantes del ETC clásico. Wanniarachchi et al. identificaron y caracterizaron la oxidasa alternativa (AOX) y las NAD(P)H deshidrogenasas de tipo II del arroz y la cebada, mientras que Velada et al. caracterizaron la subfamilia AOX1 en Olea europaea cv. Galega Vulgar (olivo europeo). Podgórska et al. examinaron el mutante del Complejo 1 fro1 (frostbite 1) que tiene una mutación puntual en la subunidad Fe-S de 8 kDa NDUFS4 cultivada en diferentes fuentes de nitrógeno. Cuando estas plantas fueron cultivadas en NO3- mostraron un flujo de carbono hacia la asimilación de nitrógeno y la producción de energía, mientras que la integración de la celulosa en la pared celular estaba restringida. En cambio, mostraron un mejor crecimiento en NH4+ y no el esperado síndrome de toxicidad por amonio. De forma similar, Podgórska et al. mostraron que las plantas con la eliminación de la NADPH-deshidrogenasa externa (NDB1) eran resistentes al tratamiento con NH4+ y presentaban síntomas de estrés oxidativo más leves, con menor acumulación de ROS e inducción de enzimas similares a la glutatión peroxidasa y antoxidantes peroxiredoxinas. Mansilla et al. proporcionaron una revisión exhaustiva de la composición y biogénesis del aceptor terminal de oxígeno citocoma c oxidasa (Complejo IV) en levaduras, mamíferos y plantas. Esto reveló que, aunque las plantas conservan muchas características de biogénesis comunes a otros organismos, también han desarrollado características específicas de las plantas.
Como la mayoría de las proteínas que funcionan en las mitocondrias se importan a partir de proteínas sintetizadas citosólicas codificadas nuclearmente, los estudios que comprenden el proceso de cómo se controla y regula la importación de proteínas mitocondriales es vital para alterar las funciones mitocondriales. Aquí Zhao et al. examinaron la transferencia intergenómica (IGT) desde una amplia perspectiva evolutiva accediendo a los datos de los genomas nuclear, mitocondrial y del cloroplasto en 24 plantas, y mostraron que la transferencia mitocondrial ocurre en todas las plantas examinadas. Además, Avelange-Macherel et al. utilizaron dos paralogos de las proteínas abundantes de la embriogénesis tardía (LEA) (LEA38 (mitocondrial) y LEA2 (citosólica)) para examinar la influencia de la secuencia de aminoácidos de las secuencias de orientación mitocondrial (MTS) en la localización subcelular. Demostraron que combinando la sustitución, la invasión de carga y el reemplazo de segmentos, fueron capaces de redirigir LEA2 a la mitocondria, proporcionando una explicación para la pérdida de la localización mitocondrial después de la duplicación del gen ancestral. Kolli et al. proporcionaron una revisión completa de los aspectos únicos de la inserción de proteínas en la membrana interna mitocondrial de las plantas, utilizando el Complejo IV como caso de estudio, que reveló el uso de la maquinaria Tat para la inserción en la membrana de la proteína Rieske Fe/S.
Dos trabajos examinaron la proteasa mitocondrial FTSH4, uno de los cuales analizaba el impacto de un mutante ftsh4 en la proliferación del meristemo , y otro identificaba sustratos fisiológicos y socios de interacción utilizando un enfoque de captura y espectrometría de masas . Dolzblasz et al. demostraron que las plantas que carecen de AtFTSH4 muestran un cese del crecimiento tanto en los meristemos apicales de los brotes como de las raíces cuando se cultivan a 30 °C, y que esta detención está causada por la desregulación del ciclo celular y la pérdida de la identidad celular. Opalińska et al. revelaron una serie de nuevas dianas putativas para FTSH4, entre ellas el transportador mitocondrial de piruvato 4 (MPC4), el motor 18 asociado a la presecuencia de la translocasa (PAM18) y las subunidades de la succinato deshidrogenasa (SDH). Además, demostraron que FTSH4 es responsable de la degradación de las proteínas dañadas por la oxidación en las mitocondrias. Las mitocondrias de las plantas contienen numerosos intrones del grupo II que residen en los genes. Aquí, Zmudjak et al. demostraron que la maturasa nMAT2 y la ARN helicasa PMH2 se asocian con sus objetivos de ARN intrón en la gran partícula de ribonucleoproteína in vivo y que las eficiencias de empalme de los objetivos intrón conjuntos de nMAT2 y PMH2 están más fuertemente afectadas en una línea mutante doble nmat2/pmh2. Todo esto sugiere que estas proteínas sirven como componentes de un complejo proto-spliceosomal en las mitocondrias de las plantas. Robles et al. ofrecen una revisión exhaustiva de los efectos fenotípicos en el desarrollo de las plantas que muestran los mutantes de las proteínas mitoribosómicas (mitoRPs) y cómo contribuyen a la elucidación de la función de las mitoRPs de las plantas, los mecanismos que controlan la expresión de los genes de los orgánulos y su contribución al crecimiento y la morfogénesis de las plantas.
Mao et al. examinaron la aplicación de 0,05 mM de NO en semillas de avena envejecidas y observaron una mejora en el vigor de las semillas y un aumento de la capacidad de eliminación de H2O2 en las mitocondrias. Acompañando a esto había mayores actividades de CAT, GR, MDHAR y DHAR en el sistema de barrido de AsA-GSH, mayores enzimas relacionadas con el ciclo TCA (malato deshidrogenasa, succinato-CoA ligasa, fumarato hidratasa) y vías alternativas activadas.
En general, las 19 contribuciones publicadas en este número especial ilustran los avances en el campo de las mitocondrias de las plantas y espero ponerme al día con la comunidad mitocondrial de las plantas en la próxima reunión bianual en Ein Gedi, Israel (https://www.icpmb2019.com/).