A função primária da mitocôndria é a respiração, onde o catabolismo dos substratos é acoplado à síntese de adenosina trifosfato (ATP) via fosforilação oxidativa (OxPhos). Os ácidos orgânicos como o piruvato e o malato produzidos no citosol são oxidados nas mitocôndrias pelo ciclo do ácido tricarboxílico (TCA) e posteriormente pela cadeia de transporte de electrões (ETC). A energia libertada por esta oxidação é utilizada para sintetizar o ATP, que é depois exportado para o citosol para utilização em biossíntese e crescimento. Nas plantas, a composição mitocondrial é relativamente complexa e flexível e tem vias específicas para permitir a sobrevivência contínua durante a exposição a estresse abiótico e para suportar processos fotossintéticos em folhas iluminadas.
As mitocôndrias vegetais são organelas de membrana dupla onde a membrana interna é invaginada para formar dobras conhecidas como cristae para aumentar a área da superfície da membrana. A membrana externa contém relativamente poucas proteínas (<100) e é permeável à maioria dos pequenos compostos (<Mr = 5 kDa) devido à presença da proteína formadora de poros VDAC (canal aniônico dependente de tensão), que é um membro da família de canais de íons poros. A membrana interna é a principal barreira de permeabilidade da organela e controla o movimento das moléculas por meio de uma série de proteínas portadoras, muitas das quais são membros da família de portadores de substrato mitocondrial (MSCF). A membrana interna também abriga os grandes complexos que realizam a transferência de elétrons em duas vias interligadas que terminam com duas oxidases terminais. É também o local da fosforilação oxidativa (OxPhos) e contém um bypass não fosforilante do clássico ETC. A membrana interna também envolve a matriz solúvel que contém as enzimas do ciclo TCA e muitas outras proteínas solúveis envolvidas em uma miríade de funções mitocondriais.
Mitocôndrias são organelas semi-autônomas com seu próprio DNA, síntese de proteínas e mecanismos de degradação. As proteínas codificadas pelo genoma mitocondrial sofrem uma gama de processamento pós-tradução e pós-tradução durante sua síntese. O genoma mitocondrial também codifica uma série de genes relacionados ao aborto do pólen envolvidos no controle da fertilidade das plantas em um processo conhecido como esterilidade masculina citoplasmática (CMS). Estas plantas CMS são usadas para produzir híbridos que se beneficiam do vigor híbrido ou heterose, produzindo maior biomassa e rendimento. Entretanto, o genoma mitocondrial codifica apenas uma pequena porção das proteínas que compõem a mitocôndria; as demais são codificadas por genes nucleares e sintetizadas no citosol. Estas proteínas são então transportadas para as mitocôndrias pelos mecanismos de importação de proteínas e montadas com as subunidades mitocondriais sintetizadas para formar os grandes complexos respiratórios e outras proteínas.
Tolerância ao estresse é um traço muito complexo, envolvendo uma multiplicidade de processos de desenvolvimento, fisiológicos e bioquímicos. Em comparação com outras organelas, as mitocôndrias vegetais estão desproporcionalmente envolvidas na tolerância ao estresse, provavelmente porque são um ponto de convergência entre metabolismo, sinalização e destino celular. As mitocôndrias são também o local de produção de espécies reativas de oxigênio (ROS), sendo a ubiquinona e os componentes do Complexo I e do Complexo III os principais locais de produção. Recentemente, o Complexo II também demonstrou produzir superóxido significativo . Sob condições normais de estado estável, a produção de ROS é controlada por um complexo conjunto de enzimas antioxidantes e pequenas moléculas que procuram ROS e limitam os danos mitocondriais e celulares. No entanto, sob algumas condições, essas defesas podem se tornar sobrecarregadas e as ROS se acumulam, levando a danos de proteínas, lipídios e DNA.
O número de mitocôndrias por célula varia com o tipo de tecido, com células mais ativas com alta demanda de energia, como aquelas em meristemas em crescimento, geralmente equipadas com maior número de mitocôndrias por unidade de volume celular e tipicamente estas apresentam taxas respiratórias mais rápidas. A pesquisa sobre mitocôndrias vegetais desenvolveu-se rapidamente nas últimas décadas com a disponibilidade de sequências de genoma para uma vasta gama de plantas modelo e de cultivo. Temas recentes de destaque na pesquisa de mitocôndrias vegetais incluem a ligação da composição mitocondrial a respostas de estresse ambiental e como esse estresse oxidativo afeta a função mitocondrial. Da mesma forma, o interesse na capacidade de sinalização das mitocôndrias (o papel das espécies reativas de oxigênio, retrógradas e anterógradas de sinalização) revelou as mudanças transcripcionais dos genes sensíveis ao estresse como uma estrutura para definir sinais específicos que emanam de e para as mitocôndrias. Também tem havido um interesse considerável nos processos metabólicos do RNA nas mitocôndrias vegetais, incluindo a transcrição do RNA, a edição do RNA, a emenda dos introns dos grupos I e II, e a degradação e tradução do RNA. Apesar da sua identificação há mais de 100 anos, as mitocôndrias vegetais continuam sendo uma importante área de pesquisa nas ciências vegetais.
Quadro 1
Contribuintes da Edição Especial “Mitocôndrias Vegetais”.
| Autores | Título | Tópicos | Tipo | |
|---|---|---|---|---|
| Arimura et al. | Tratamento a frio induz fragmentação mitocondrial transitória em Arabidopsis thaliana de uma forma que requer DRP3A mas não ELM1 ou um ELM1-Like Homologue, ELM2 | Tensão abiótica | Pesquisa original | |
| Robles et al. | A Caracterização dos Mutantes arábidos mterf6 Revela um Novo Papel para mTERF6 na Tolerância ao Stress Abiótico | Tensão Abiótica | Pesquisa Original | |
| Rurek et al. | Estres térmicos e frios alteram de forma diversa tanto a respiração da couve-flor como as distintas proteínas mitocondriais, incluindo os componentes OXPHOS e as enzimas matriciais | Tensão biótica | Envestigação original | |
| Rurek et al. | Biogênese Mitocondrial em Diversos Cultivares de Couve-flor sob Seca Suave e Grave. Impaired Coordination of Selected Transcript and Proteomic Responses, and Regulation of Various Multifunctional Proteins | Abiotic stress | Original Research | |
| Reddemann et al. | Eventos de recombinação envolvendo os atp9 Gene estão associados com a esterilidade masculina do CMS PET2 em Girassol | Esterilidade masculina do CMS PET2 em Girassol | Esterilidade masculina do CMS PET2 em Girassol | Pesquisa original |
| Storchová et al. | O papel dos RNAs não codificadores na Esterilidade Masculina Cymiddlelasmic em Plantas Florescentes | Esterilidade Masculina Cymiddlelasmic | Revisão | |
| Mansilla et al. | A Complexidade do Complexo Mitocondrial IV: Uma Atualização da Biogênese do Citocromo c Oxidase em Plantas | Fosforilação Oxidativa | Revisão | |
| Podgórska et al. | Mudanças dependentes da fonte de nitrogênio no Metabolismo Central do Açúcar Manter a montagem da parede celular no Complexo Mitocondrial I-Defetivo de congelamento1 e Secondarily Affect Programmed Cell Death | OxPhos | Pesquisa Original | |
| 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. | Percurso Respiratório Alternativo Componentes da Via Respiratória (AOX e ND) em Arroz e Cevada e sua Resposta ao Estresse | OxPhos | Pesquisa Original | |
| Podgórska et al. | Supressão da Dehidrogenase-NDB1 Externa NADPH em Arabidopsis thaliana Confere Maior Tolerância à Toxicidade do Amônio via Glutationa Eficiente/Redox Metabolismo | OxPhos | Pesquisa Original | |
| Avelange-Macherel et al. | Descodificação da Localização Subcelular Divergente de Duas Proteínas de LEA Altamente Parecidas | Importação de Proteínas | Pesquisa Original | |
| Kolli et al. | Inserção de Proteína Mitocondrial Interna de Membrana Vegetal | Importação de Proteínas | Revisão | |
| Zhao et al. | Os Papéis da Mitocondrion na Transferência Genética Intergenômica em Plantas: 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. | Identificação de Substratos Fisiológicos e Parceiros Ligantes da Protease Mitocondrial Vegetal FTSH4 pela Abordagem de Armadilha | Síntese e Degradação de Proteína | Pesquisa Original | |
| Robles et al. | Papéis Emergentes de Proteínas Ribossomais Mitocondriais no Desenvolvimento Vegetal | Síntese e Degradação de Proteínas | Revisão | |
| Zmudjak et al. | Análise dos Papéis da Arabidopsis nMAT2 e PMH2 Proteínas Fornecidas com Novas Descobertas na Regulação da Emenda Intron do Grupo II na Mitocôndria da Planta da Terra | Síntese e Degradação das Proteínas | Pesquisa Original | |
| Mao et al. | Óxido Nítrico Regula o Crescimento de Sementes e Respostas Mitocondriais em Sementes de Aveia Idosa | ROS & Antioxidantes | Pesquisa Original |
Um número de artigos de pesquisa neste número especial focalizou as respostas das mitocôndrias ao estresse abiótico, com estudos que examinaram o stress térmico (tanto quente como frio), a salinidade e a seca. Arimura et al. demonstraram que a fissão mitocondrial induzida pelo frio (que anteriormente se pensava envolver a ação tanto de uma proteína relacionada à dinamina) DRP3A quanto de outro fator específico da planta ELM1, só requer DRP3A em Arabidopsis. Ao mesmo tempo, eles mostraram que um parálogo ELM1 (ELM2) parecia ter apenas um papel limitado na fissão mitocondrial em um olmeiro1 mutante, sugerindo que a Arabidopsis tem uma fissão mitocondrial única, induzida pelo frio, que envolve apenas a DRP3A para controlar o tamanho e a forma das mitocôndrias. Os fatores de terminação da transcrição mitocondrial (mTERFs) que estão envolvidos no controle da expressão do gene organelar (OGE) com mutações em algumas mTERFs caracterizadas (resultando em plantas que têm respostas alteradas ao sal, alta luz, calor ou estresse osmótico) sugerindo um papel para estas proteínas na tolerância ao estresse abiótico. Aqui Robles et al. mostraram que a forte perda da função mutante mterf6-2 foi hipersensível ao NaCl e manitol durante o estabelecimento das mudas, enquanto o mterf6-5 mostrou uma maior sensibilidade ao calor mais tarde no desenvolvimento. Rurek et al. apresentaram um par de trabalhos de pesquisa que utilizaram abordagens de análise fisiológica, proteômica e transcript para examinar as respostas térmicas (quente e frio) e de seca das mitocôndrias de couve-flor. Nos estudos térmicos eles identificaram um número de proteínas que responderam à temperatura, incluindo componentes de OxPhos, fotorrespiração, isoformas porosas e o ciclo TCA. Da mesma forma, na análise da seca, que examina três cultivares diferentes de couve-flor, tanto os componentes da OxPhos como as isoformas porosas foram vistos a mudar em abundância, indicando um impacto diferencial significativo na biogénese mitocondrial entre as três cultivares, dando-nos novos conhecimentos sobre as respostas abióticas ao stress do género Brassica.
A esterilidade masculina refere-se à incapacidade de uma planta em fazer pólen viável. Pode ser mediada por genes nucleares levando à esterilidade gênica masculina (GMS) ou por proteínas mitocondriais interagindo com genes nucleares, levando à esterilidade citoplásmica masculina (CMS). Tanto o GMS como o CMS são amplamente utilizados na produção agrícola para a produção de culturas híbridas que se beneficiam da heterose. Nesta edição especial, a empresa apresenta uma revisão abrangente do papel do RNA não codificador no CMS de plantas floríferas, enquanto Reddemann e Horn apresentaram pesquisas examinando o papel do atp9 na esterilidade masculina do CMS PET2 no girassol. Aqui eles mostraram que o CMS PET2, que tem o potencial de se tornar uma fonte alternativa de CMS para reprodução comercial, tem um atp9 duplicado com uma inserção de 271-bp na região de 5′ de um dos genes atp9 que resulta em dois quadros de leitura abertos únicos (orf288 e orf231). A co-transcrição reduzida de anteras específicas desses quadros de leitura abertos em híbridos restauradores de fertilizantes suporta seu envolvimento na esterilidade masculina no CMS PET2.
Um total de cinco trabalhos que submetemos examinando OxPhos, sendo dois deles focados na identificação de derivações não fosforilizantes do ETC clássico. Wanniarachchi et al. identificaram e caracterizaram a oxidase alternativa (AOX) e a desidrogenase tipo II NAD(P)H (ND) de arroz e cevada, enquanto Velada et al. caracterizaram a subfamília AOX1 em Olea europaea cv. Galega Vulgar (azeitona europeia). Podgórska et al. examinaram o Complexo 1 mutante de 1 (queimadura de frio 1) que tem uma mutação pontual na subunidade 8 kDa Fe-S NDUFS4 cultivada em diferentes fontes de nitrogênio. Quando estas plantas foram cultivadas em NO3- elas mostraram um fluxo de carbono para a assimilação de nitrogênio e produção de energia, enquanto que a integração da celulose na parede celular foi restrita. Em contraste, elas mostraram um melhor crescimento em NH4+ e não a esperada síndrome de toxicidade do amônio. Da mesma forma, Podgórska et al. mostraram que plantas com derrubada externa de NADPH-dehydrogenase (NDB1) eram resistentes ao tratamento com NH4+ e tinham sintomas mais leves de estresse oxidativo com menor acúmulo de ROS e indução de peroxidase de glutatião e antoxidantes peroxiredoxinas. Mansilla et al. fizeram uma revisão abrangente da composição e biogénese da citoquome c oxidase (Complexo IV) aceite de oxigénio terminal em leveduras, mamíferos e plantas. Isso revelou que enquanto as plantas retêm muitas características de biogênese comuns a outros organismos, elas também desenvolveram características específicas de plantas.
Como a maioria das proteínas que funcionam nas mitocôndrias são importadas de proteínas sintetizadas citosólicas codificadas nucleares, estudos compreendendo o processo de como a importação de proteína mitocondrial é controlada e regulada é vital para alterar as funções mitocondriais. Aqui Zhao et al. examinaram a transferência intergenômica (IGT) a partir de uma ampla perspectiva evolutiva, acessando dados dos genomas nuclear, mitocondrial e cloroplástico em 24 plantas, e mostraram que a transferência mitocondrial ocorre em todas as plantas examinadas. Além disso, Avelange-Macherel et al. utilizou dois parálogos de proteínas abundantes na embriogênese tardia (LEA) (LEA38 (mitocondrial) e LEA2 (citosólica)) para examinar a influência da sequência de aminoácidos das sequências de alvos mitocondriais (MTS) na localização subcelular. Mostraram que, ao combinar substituição, invasão de carga e substituição de segmento, foram capazes de redirecionar a LEA2 para mitocôndria, fornecendo uma explicação para a perda da localização mitocondrial após a duplicação do gene ancestral. Kolli et al. fizeram uma revisão completa dos aspectos únicos da inserção da proteína da membrana mitocondrial interna da planta usando o Complexo IV como estudo de caso, que revelou o uso de maquinaria Tat para a inserção da proteína Rieske Fe/S.
Dois artigos examinaram a protease mitocondrial FTSH4, um analisando o impacto de um mutante ftsh4 na proliferação do meristema, e outro identificando substratos fisiológicos e parceiros de interação usando uma abordagem de armadilha e espectrometria de massa. Dolzblasz et al. mostraram que plantas sem AtFTSH4 mostram uma interrupção do crescimento tanto no rebento como nos meristemas apicais radiculares quando cultivadas a 30 °C, e que esta interrupção é causada pela desregulação do ciclo celular e pela perda da identidade celular. Opalińska et al. revelaram uma série de novos alvos putativos para o FTSH4, incluindo o portador pirúvio mitocondrial 4 (MPC4), a presequência do motor associado à transloca 18 (PAM18), e as subunidades succinato desidrogenase (SDH). Além disso, mostraram que o FTSH4 é responsável pela degradação das proteínas danificadas oxidativamente nas mitocôndrias. As mitocôndrias vegetais contêm inúmeros introns do grupo II que residem em genes. Aqui Zmudjak et al. mostraram que a maturase nMAT2 e o helicóptero RNA PMH2 associam-se com seus alvos intron-RNA em grandes partículas de ribonucleoproteínas in vivo e as eficiências de emenda dos alvos intron articulares de nMAT2 e PMH2 são mais fortemente afetados em uma linha mutante dupla nmat2/pmh2. Juntas, isto sugere que estas proteínas servem como componentes de um complexo proto-solidário em mitocôndrias vegetais. Robles et al. fornecem uma revisão completa dos efeitos fenotípicos no desenvolvimento das plantas exibidos pelos mutantes das proteínas mitoribossômicas (mitoRPs) e como elas contribuem para a elucidação da função das mitoRPs vegetais, os mecanismos que controlam a expressão do gene organela e sua contribuição para o crescimento e morfogênese das plantas.
Mao et al. examinaram a aplicação de 0,05 mM NO em sementes envelhecidas de aveia e viram uma melhora no vigor da semente e aumento da capacidade de absorção de H2O2 nas mitocôndrias. Acompanhando isto, houve maior atividade de CAT, GR, MDHAR, e DHAR no sistema de remoção de AsA-GSH, aumento das enzimas relacionadas ao ciclo TCA (malato desidrogenase, succinato-CoA ligase, fumarata-hidratase), e ativação de vias alternativas.
Overall, as 19 contribuições publicadas neste número especial ilustram os avanços no campo das mitocôndrias vegetais e estou ansioso para alcançar a comunidade mitocondrial vegetal na próxima reunião bianual em Ein Gedi, Israel (https://www.icpmb2019.com/).