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Tipo: Tese
Título: Deciphering the carbon starvation response in Arabidopsis thaliana: autophagy, alternative respiration and beyond
Decifrando a resposta à limitação de carbono em Arabidopsis thaliana: autofagia, respiração alternativa e além
Autor(es): Barros, Jessica Aline Sousa
Abstract: Throughout their life, plants are constantly challenged with environmental changes that compromises carbohydrate production. Energy deprivation triggers massive reprogramming of transcription, which further supports cellular energetic homeostasis. Therefore, catabolic pathways are generally activated leading to the catabolism of protein, lipid, and chlorophyll. Although our current understanding of plant mechanisms to overcome low energy conditions has significantly enhanced, there are still many open questions to be addressed. This thesis is therefore largely focused on understanding (i) the importance of autophagy as a mechanism of lipids and chloroplast recycling; and (ii) the transcriptional regulation of respiratory alternative pathways during low energy stress. Compelling evidence demonstrated that autophagy and amino acid catabolism are important factors of plant response to energy deprivation. This fact aside, the importance of autophagy on the remobilization of lipid substrates to sustain energy production remains unclear. Thus, we first summarized and discussed novel findings demonstrating the multifaceted roles of autophagy in lipid metabolism. Next, we provided experimental evidence of autophagy requirement to ensure lipid homeostasis during energy starvation conditions. Our findings revealed that autophagy disruption affects proper membrane mobilization and activates a general chloroplast lipid degradation program while failing to produce cytosolic lipid droplets. The degradation of chloroplasts is a hallmark of natural and stress-induced senescence, and a key role of autophagy in this process has been demonstrated elsewhere. Notably, the marked degradation of chloroplast components in mutants with disruption of autophagy (atg mutants) reported by several previous studies, raised the question whether other pathways of chloroplast degradation may also have a role in the remobilization of chloroplast components. It has been previously reported that the chloroplast vesiculation (CV) pathway is highly induced in atg mutants contributing with their early senescence phenotype during energy starvation. Thus, in the second part of this thesis the importance of CV and its coordination with autophagy under extended darkness was investigated. By using CV RNAi lines it was demonstrated that CV pathway plays a relatively minor role on Arabidopsis starvation response. However, further characterization of double mutants for CV and autophagy pathways highlighted the requirement of CV for chloroplast remodeling of atg mutants under darkness. Within the last chapter novel insights concerning the regulatory components that modulates plant survival under low energetic conditions are shown. To this end, the WRKY45 transcription factor was identified as a potential regulator of metabolic reprogramming, by precisely adjusting amino acid and organic acid response via a possible regulation of mitochondrial stress signaling components. Collectively, the results obtained here describe novel mechanisms underlying plant responses to low energy conditions. These findings are discussed in the context of our current knowledge concerning energetic metabolism, autophagy, and senescence in plants. Keywords: Autophagy. Energetic stress. Lipids. Metabolism. Senescence.
Durante seu ciclo de vida, plantas são constantemente expostas a mudanças ambientais que comprometem a produção de carboidratos. A depleção de energia resulta em acentuada reprogramação transcricional que sustenta a manutenção da homeostase energética. Dessa forma, vias catabólicas são geralmente ativadas levando a degradação de proteínas, lipideos e clorofila. Embora nossa compreensão atual acerca dos mecanismos que compõem a resposta de plantas ao déficit de energia tenha melhorado significativamente, ainda há muitas questões a serem abordadas. Portanto, essa tese é amplamente focada na compreensão (i) da autofagia como mecanismo de reciclagem de lipídeos e cloroplastos, (ii) da regulação transcricional das vias respiratórias alternativas durante condições de déficit de energia. Evidências tem demonstrado que a autofagia e o catabolismo de aminoácidos são peças- chaves na resposta de plantas à privação de energia. Apesar disso, pouco se sabe acerca do papel da autofagia na remobilização de substratos lipídicos para sustentar a produção de energia. Assim, primeiramente, sumarizamos estudos recentes que demonstram as múltiplas funções da autofagia no metabolismo lipídico. Em seguida, fornecemos evidências experimentais da importância da autofagia para a homeostase lipídica durante condições de déficit de energia. Nossos resultados demonstram que a ausência da autofagia afeta a mobilização de lipídeos de membrana e ativa degradação de lipídeos do cloroplasto, ao mesmo tempo que a produção de corpos lipídicos no citosol é comprometida. A degradação de cloroplastos é uma característica marcante da senescência natural e induzida por estresse, e o papel central da autofagia nesse processo foi amplamente caracterizado. Notavelmente, a degradação acentuada de componentes do cloroplasto em mutantes da autofagia (mutantes atg) reportada em vários estudos anteriores, sugere que outras vias de degradação do cloroplasto também atuem na remobilização dos componentes do cloroplasto. Dessa forma, foi observado anteriormente que a via de vesiculação do cloroplasto (CV) é altamente induzida em mutantes atg, contribuindo para seu fenótipo de senescência precoce durante condições de déficit de energia. Portanto, na segunda parte desta tese investigou-se a importância da via CV e sua coordenação com a autofagia durante condições de escuro prolongado. Assim, usando linhas mutantes RNAi para o gene CV, foi demonstrado que essa via desempenha um papel minoritário na resposta ao déficit de energia em Arabidopsis. A caracterização adicional de duplos mutantes para as vias CV e autofagia revelou a importância de CV na remodelação estrutural do cloroplasto de mutantes atg no escuro prolongado. No último capítulo, novas informações sobre componentes regulatórios que modulam a sobrevivência das plantas em condições de baixa energia foram revelados. Nesse contexto, o fator de transcrição WRKY45 foi identificado como um potencial componente da reprogramação metabólica sob escuro prolongado, atuando nos níveis de aminoácidos e ácidos orgânicos por meio de vias relacionadas ao estresse mitocondrial. Coletivamente, os dados obtidos descrevem novos mecanismos inerentes às respostas de plantas a condições de baixa energia. Os resultados são discutidos no contexto do conhecimento atual acerca metabolismo energético, autofagia e senescência em plantas. Palavras-chave: Autofagia. Estresse energético. Lipídeos. Metabolismo. Senescência.
Palavras-chave: Autofagia
Metabolismo energético
Senescência
CNPq: Fisiologia Vegetal
Editor: Universidade Federal de Viçosa
Titulação: Doutor em Fisiologia Vegetal
Citação: BARROS, Jessica Aline Sousa. Deciphering the carbon starvation response in Arabidopsis thaliana: autophagy, alternative respiration and beyond. 2020. 133 f. Tese (Doutorado em Fisiologia Vegetal) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa. 2020.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://locus.ufv.br//handle/123456789/28068
Data do documento: 18-Nov-2020
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