Functional analysis of the thioredoxin system during seed germination in Arabidopsis thaliana

Abstract

A series of processes occurs during seed formation, including remarkable changes from early development to the end of germination. The changes associated with processes initiated mainly after seed imbibition are usually characterized by extensive changes in redox state of seed reserve proteins and of pivotal enzymes for protein mobilization and usage. Such changes in redox state are often mediated by Thioredoxins (Trxs), which are protein oxiredutases capable of catalyzing the reduction of disulfide bonds in target proteins, thereby regulating their structure and function. Here, we analyzed the previously characterized mutants of NADPH-dependent Trx reductase A and B (ntra ntrb), two independent mutant lines of mitochondrial thioredoxin o1 (trxo1) and two mutant thioredoxin h2 (trxh2) mutant lines. Our results indicate that plants deficient for the NADPH-dependent thioredoxin system are able to mobilize their reserves, but at least partially fail to use these reserves during germination, thereby leading to lower availability of energy substrates than wild type seeds. Trx mutants also show decreased activity of regulatory systems needed to maintain cellular homeostasis. Moreover, we observed reduced respiration in mutant seeds and seedlings, which in parallel with an impaired energy metabolism, disrupts core biological processes responsible for proper germination and early development of Trx mutants. In conclusion, the results suggest that the lack of thioredoxin induces a substantial adaptation in seeds and seedlings, which undergo a metabolic reprogramming to adapt to a new redox state.

Uma série de processos ocorre durante a formação de sementes, incluindo mudanças notáveis que se estendem desde o início do desenvolvimento até o final da germinação. As mudanças associadas a processos iniciados principalmente após a embebição das sementes são geralmente caracterizadas por extensas alterações no estado redox das proteínas de reserva de sementes e de enzimas essenciais para mobilização e uso de proteínas. Tais alterações no estado redox são frequentemente mediadas por tiorredoxinas (Trxs), que são oxiredutases proteicas capazes de catalisar a redução de ligações dissulfureto em proteínas alvo, regulando assim a sua estrutura e função. Aqui, analisamos os mutantes previamente caracterizados de Trx redutase A e B (ntra ntrb) dependentes de NADPH, duas linhas mutantes independentes de tiorredoxina o1 mitocondrial (trxo1) e duas linhagens mutantes tiorredoxina h2 (trxh2) mutantes. Nossos resultados indicam que as plantas deficientes para o sistema de tiorredoxina dependente de NADPH são capazes de mobilizar suas reservas, mas são parcialmente falhas no uso destas reservas durante a germinação, o que leva a uma menor disponibilidade de substratos energéticos comparado ao controle, o tipo selvagem. Trx mutantes também mostraram diminuição da atividade dos sistemas regulatórios necessários para manter a homeostase celular. Além disso, observou-se uma baixa respiração em sementes e plântulas mutantes, que paralelamente a um metabolismo energético comprometido, prejudicam os processos biológicos centrais responsáveis pela germinação adequada e pelo desenvolvimento precoce de mutantes Trx. Em conclusão, os resultados sugerem que a falta de tiorredoxina induz à uma adaptação substancial em sementes e plântulas, envolvendo uma reprogramação metabólica para se adaptarem a um novo estado redox.