Biochemical and physiological characterization of two isoforms of mitochondrial ADP/ATP carriers in Arabidopsis

Abstract

Mitochondria are essential for respiration and energy production in eukaryotic cells, where ATP drives numerous energy-dependent processes. The exchange of adenylates(AMP, ADP, ATP) between the mitochondrial matrix and cytosol is facilitated by mitochondrial carrier proteins (MCFs), including ADP/ATP carriers (AACs). In Arabidopsis thaliana, three genes encode AAC carriers: AAC1, AAC2, and AAC3. While AAC1 has been linked to plant respiration and growth, the functions of AAC2 and AAC3 are poorly understood. This study aimed to elucidate the metabolic roles of AAC1 and AAC2 by characterizing single and double mutant lines with low expression of these carriers. Four A. thaliana genotypes were studied: wild type (WT), low AAC1 expression (aac1), low AAC2 expression (aac2), and the double mutant (aac1:aac2). Plants were exposed to short-day photoperiod for metabolic and biometric analyses and long-day for evaluation of reproductive traits. Under short-day condition, mutant plants displayed reduced root growth and respiratory activity, alongside an accumulation of sugars, total free amino acids, and organic acids. These findings suggest disruptions in the TCA cycle and unbalanced carbon-nitrogen metabolisms. Although photosynthetic parameters remained unchanged, pigment depletion and altered chlorophyll ratios indicated possible photoprotective responses. Under long-day conditions, alterations in reproductive traits were observed, including increased branching and seed production, hinting at a compensatory mechanism to maintain reproduction under energy deficiency. These results underscore the critical roles of AAC1 and AAC2 in energy metabolism, root development, and reproductive plasticity, offering insights into how plants adapt to mitochondrial dysfunction. Keywords: Mitochondria; Respiration; Adenylates carriers; MetabolismAs mitocôndrias são essenciais para a respiração e a produção de energia em células eucarióticas, onde o ATP impulsiona vários processos dependentes de energia. A troca de adenilatos (AMP, ADP, ATP) entre a matriz mitocondrial e o citosol é facilitada por proteínas transportadoras (MCFs), incluindo transportadores de ADP/ATP (AACs). Em Arabidopsis thaliana, três genes codificam transportadores AACs: AAC1, AAC2 e AAC3. Enquanto o AAC1 tem sua função associada à respiração e ao crescimento das plantas, as funções do AAC2 e do AAC3 ainda são pouco conhecidas. O objetivo deste estudo foi elucidar os papéis metabólicos do AAC1 e do AAC2, caracterizando linhas com mutações simples e dupla associadas com baixa expressão dos transportadores. Foram estudados quatro genótipos de A. thaliana: tipo selvagem (WT), baixa expressão de AAC1 (aac1), baixa expressão de AAC2 (aac2) e o mutante duplo (aac1:aac2). As plantas foram expostas a fotoperíodo de dia curto para análises metabólicas e biométricas e de dia longo para análise de parâmetros reprodutivos. Em condições de dias curtos, os mutantes apresentaram crescimento radicular reduzido e baixa atividade respiratória, além de acúmulo de açúcares, aminoácidos livres totais e ácidos orgânicos. Os resultados obtidos sugerem alterações na atividade do ciclo TCA e desequilíbrios entre os metabolismos do carbono e do nitrogênio. Embora os parâmetros fotossintéticos tenham permanecido inalterados, verificou-se depleção de pigmentos e alterações nas proporções de clorofilas a e b indicando possíveis respostas fotoprotetoras. Em condições de dias longos, foram observadas alterações em características reprodutivas, incluindo maior ramificação e produção de sementes, sugerindo um mecanismo compensatório para manter a reprodução sob estresse energético. Esses resultados destacam as funções essenciais do AAC1 e do AAC2 no metabolismo energético, no desenvolvimento da raiz e na plasticidade reprodutiva, oferecendo informações sobre adaptações das plantas mediante disfunção mitocondrial. Palavras-chave: Mitocôndrias; Respiração; Transportadores de adenilatos; Metabolismo