Regulation of mitochondrial gene copy number in plants and the influence of impaired chloroplast function on mitochondrial motility

Abstract

Das mitochondriale Genom der Pflanze weist mit einer heterogenen Population linearer, häufig auch verzweigten und zusätzlichen kleineren, zirkulären Molekülen eine komplexe Struktur auf. Um Einblicke in die mitochondrialen Genkopienzahl und deren Regulation sowohl unter normalen als auch unter Stressbedingungen zu erhalten, wurde die Kopienzahl pro Zelle vier repräsentativer Gene mittels qRT-PCR und Durchflusszytometrie ermittelt. Die Bestimmung der mitochondrialen Genkopienzahl in unterschiedlichen Spezies sowie in Organen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zeigte, dass die Kopienzahl mitochondrialer Gene sich nicht nur in den unterschiedlichen Spezies, sondern auch zwischen den unterschiedlichen Organen unterschied, wobei die höchsten Werte in der Wurzelspitze erreicht wurden. In Arabidopsis Keimlingen, welche zur Unterdrückung der plastidären Translation auf Spectinomycin-haltigem Medium angezogen wurden, wurde im Vergleich zu Kontrollpflanzen ein dreifacher Anstieg der Genkopienzahl festgestellt. Dieser Effekt erwies sich als spezifisch für Blatt- bzw. Kotyledonengewebe und warr unabhängig vom Licht. Mutanten mit Defekten in der Respiration zeigten ebenfalls erhöhte Genkopienzahlen, die durch Anzucht der Pflanzen auf Spectinomycin noch erhöht werden konnten. Dieses Ergebnis legt ein komplexes, regulatorisches Netzwerk nahe, in welchem sowohl Respiration als auch Photosynthese die Aufrechterhaltung einer stabilen Genkopienzahl innerhalb der Pflanzenzelle beeinflussen. Die Untersuchungen einer Spectinomycin-behandelter mt-GFP Arabidopsis Pflanzenlinie mittels CLSM zeigten einen Stillstand der Motilität der Mitochondrien in den epidermalen Zellen der weißen Kotyledonen, obwohl eine TEM Analyse eine normale, interne Morphologie ergab. Weitere Untersuchungen führten zu der Schlussfolgerung, dass es auch hier die Stärke der plastidären Beeinträchtigung, welche zu einem gelb-weißen Phänotyp führt, für den Arrest der Mobilität verantwortlich ist.

The plant mitochondrial genome has a complex structure. It exists in the form of a heterogeneous population of linear, often branched molecules with smaller than genome-size circular molecules being present in low abundance. In order to study the mitochondrial genome abundance and its regulation in plants under both standard and stress conditions, we determined the gene copy number of four representative mitochondrial genes using quantitative real-time PCR and flow-cytometry. Determination of mitochondrial gene copy number in different plant species and in organs of the model plant Arabidopsis thaliana showed that the copy number of the four investigated genes varied between species and also between different organs, having the highest values in the root tips. The growth of Arabidopsis seedlings on MS medium containing spectinomycin (a plastid translation inhibitor) led to a three-fold increase in the copy number in white versus green seedlings, an effect that is leaf/cotyledon specific and light-independent. Respiration deficient mutants also showed an increase in the gene copy number, this effect being further amplified when the mutants were grown on spectinomycin. The data suggest a complex regulatory network in which both photosynthesis and respiration influence the maintenance of a stable mitochondrial gene copy number within plant cells. CLSM investigations of a spectinomycin-treated mt-GFP line showed that in epidermal cells of white cotyledons most of the mitochondria are not motile with TEM analysis presenting normal internal morphology. Further investigations led to the conclusion that the threshold level of chloroplast impairment that leads to a motility arrest is represented by the appearance of a yellow-white cotyledon phenotype. These results point to a new regulatory mechanism of mitochondrial dynamics that is directly influenced by impaired chloroplast development under standard growth conditions.