Unraveling the roles of autophagy in proteome dynamics and energy metabolism in plants under abiotic stress

Abstract

Abiotic stresses impose major constraints on plant growth and productivity by disrupting cellular homeostasis, energy metabolism, and resource allocation. These challenges are further intensified by climate change, which increases the frequency, duration, and severity of environmental stresses. Because stress adaptation requires extensive metabolic reprogramming, mechanisms that maintain energetic balance and cellular integrity are critical for plant survival. Autophagy, a conserved intracellular recycling pathway, contributes to the degradation and remobilization of cellular constituents, providing substrates for energy production while maintaining organelle and proteome quality. Despite increasing recognition of its importance, the contribution of autophagy to energetic metabolism under prolonged abiotic stress remains incompletely understood. This thesis investigated the role of autophagy in maintaining plant energy homeostasis under two major abiotic constraints, high temperature and phosphate (Pi) starvation, using Arabidopsis thaliana as a model system. In Chapter 1, a comprehensive review synthesized current knowledge on the role of autophagy in plant heat-stress responses, highlighting its functions in thermotolerance, thermomemory, recovery, proteostasis, organelle quality control, and reproductive resilience. In Chapter 2, experimental analyses subsequently demonstrated that autophagy is essential for acclimation to prolonged warming, sustaining thermomorphogenic growth, photosynthetic performance, water conservation, and metabolic coordination. Proteomic and metabolic evidence revealed that autophagy preserves organelle integrity, promotes proteome stability, and prevents maladaptive activation of alternative catabolic pathways during chronic heat exposure. The role of autophagy in nutrient stress was investigated through mitochondrial and whole-plant responses to Pi starvation. In chapter 3, under Pi limitation, autophagy-deficient mutants exhibited accelerated depletion of intracellular Pi pools, impaired respiratory acclimation, and extensive remodeling of the mitochondrial proteome, indicating a critical role for autophagy in maintaining mitochondrial energetic competence. In chapter 4, at the whole-plant level, autophagy-deficient mutants showed disrupted root-to-shoot Pi redistribution, promoted Pi retention in roots and depletion in shoots, altered biomass allocation, and induced tissue-specific metabolic reprogramming. Proteomic analyses further revealed that autophagy regulates the transition from plastidial carbon assimilation to glycolytic and respiratory energy production during prolonged Pi deprivation. Collectively, the results presented in this thesis establish autophagy as a regulator of energetic homeostasis under abiotic stress. Rather than functioning solely as a degradative recycling mechanism, autophagy emerges as a multi-scale homeostatic system that integrates nutrient recycling, organelle maintenance, proteome remodeling, and metabolic flexibility to sustain plant acclimation under prolonged environmental stress. These findings advance our understanding of the physiological and molecular mechanisms underlying stress resilience and identify autophagy as a promising target for the development of crops better adapted to future climatic and nutritional challenges. Keywords: autophagy; energetic metabolism; proteomics; phosphate limitation; prolonged warming; Arabidopsis thaliana.

Os estresses abióticos impõem grandes restrições ao crescimento e à produtividade das plantas ao comprometer a homeostase celular, o metabolismo energético e a alocação de recursos. Esses desafios são ainda mais intensificados pelas mudanças climáticas, que aumentam a frequência, a duração e a severidade dos estresses ambientais. Como a adaptação ao estresse requer ampla reprogramação metabólica, mecanismos capazes de manter o equilíbrio energético e a integridade celular são essenciais para a sobrevivência das plantas. A autofagia, uma via conservada de reciclagem intracelular, contribui para a degradação e remobilização de constituintes celulares, fornecendo substratos para a produção de energia e, ao mesmo tempo, preservando a qualidade das organelas e do proteoma. Apesar do crescente reconhecimento de sua importância, a contribuição da autofagia para o metabolismo energético sob estresses abióticos prolongados ainda não é completamente compreendida. Esta tese investigou o papel da autofagia na manutenção da homeostase energética vegetal sob duas importantes restrições abióticas, altas temperaturas e deficiência de fosfato inorgânico (Pi), utilizando Arabidopsis thaliana como sistema modelo. No Capítulo 1, uma revisão abrangente sintetizou o conhecimento atual sobre o papel da autofagia nas respostas das plantas ao estresse térmico, destacando suas funções na termotolerância, memória térmica, recuperação pós-estresse, proteostase, controle de qualidade de organelas e resiliência reprodutiva. No Capítulo 2, análises experimentais demonstraram que a autofagia é essencial para a aclimatação ao aquecimento prolongado, sustentando o crescimento termomorfogênico, o desempenho fotossintético, o controle da perda de água, e a coordenação metabólica. Evidências proteômicas e metabólicas revelaram que a autofagia preserva a integridade das organelas, promove a estabilidade do proteoma e previne a ativação inadequada de vias catabólicas alternativas durante a exposição crônica ao calor. O papel da autofagia sob estresse nutricional foi investigado por meio de respostas mitocondriais e da planta inteira à privação de Pi. No Capítulo 3, sob limitação de Pi, mutantes deficientes em autofagia apresentaram depleção acelerada dos estoques intracelulares de Pi, comprometimento da aclimatação respiratória e extensiva remodelação do proteoma mitocondrial, indicando um papel crítico da autofagia na manutenção da competência energética mitocondrial. No Capítulo 4, em escala de planta inteira, mutantes deficientes em autofagia apresentaram redistribuição comprometida de Pi entre raízes e parte aérea, promovendo retenção de Pi nas raízes e depleção de Pi na parte aérea, além de alterações na alocação de biomassa e reprogramação metabólica específica de tecido. As análises proteômicas revelaram ainda que a autofagia regula a transição da assimilação plastidial de carbono para a produção de energia via glicólise e respiração durante a privação prolongada de Pi. Coletivamente, os resultados apresentados nesta tese estabelecem a autofagia como uma reguladora da homeostase energética sob estresses abióticos. Em vez de atuar apenas como um mecanismo degradativo de reciclagem, a autofagia emerge como um sistema homeostático em múltiplas escalas, integrando reciclagem de nutrientes, manutenção de organelas, remodelação do proteoma e flexibilidade metabólica para sustentar a aclimatação das plantas sob estresses ambientais prolongados. Esses resultados ampliam nossa compreensão dos mecanismos fisiológicos e moleculares que sustentam a resiliência ao estresse e identificam a autofagia como um alvo promissor para o desenvolvimento de culturas mais adaptadas aos futuros desafios climáticos e nutricionais. Palavras-chave: autofagia; metabolismo energético; proteômica; limitação de fosfato; calor prolongado; Arabidopsis thaliana.