plik do pobrania - Wydział Biologii UW

Katarzyna Kuźma (Łukawska)
Zakład Bioenergetyki Roślin
Instytut Biologii Eksperymentalnej Roślin, Wydział Biologii UW
Autoreferat rozprawy doktorskiej
Wpływ mutacji mitochondrialnej na metabolizm reaktywnych form tlenu w liściach mutanta
ogórka (Cucumis sativus L.) MSC16
Promotor:
prof. dr hab. Anna M. Rychter
Recenzenci: prof. dr hab. Agnieszka Mostowska (Zakład Anatomii i Cytologii Roślin, Instytut
Biologii Eksperymentalnej Roślin, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski)
dr hab. Elżbieta Kuźniak, prof. nadzw. UŁ (Katedra Fizjologii i Biochemii Roślin,
Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Łódzki)
Ostatnie lata przyniosły rozwój badao nad rolą mitochondriów w regulacji stanu
oksydoredukcyjnego komórek. Sygnały redoks (m. in. w postaci ROS) pochodzące z kompleksów
mitochondrialnego łaocucha transportu elektronów regulują ekspresję genów jądrowych i
mitochondrialnych zaangażowanych w podstawowe szlaki metaboliczne. Subtelna rearanżacja w
genomie mitochondrialnym MSC16 prowadzi do obniżonej aktywności kompleksu I
mitochondrialnego łaocucha transportu elektronów (Juszczuk i wsp. 2007, 2009), powodując
poważne zaburzenia w całym metabolizmie oksydoredukcyjnym komórki a także wywołując silny
efekt fenotypowy, m. in. zahamowany wzrost, opóźniony rozwój oraz mozaikowatośd liści.
Zmieniony status energetyczny komórek liści mógł zaburzyd równowagę ROS/antyoksydanty oraz
wywoład zmiany w aktywności szeregu specyficznych białek regulujących procesy wzrostu, takich
jak np. oksydaza NADPH i oksydaza askorbinianu.
Celem pracy było:
 wyjaśnienie, czy obserwowane zmiany fenotypowe u mutanta MSC16 są wynikiem stresu
oksydacyjnego wywołanego zaburzeniami w funkcjonowaniu mitochondriów
 określenie wpływu mutacji mitochondrialnej na wytwarzanie oraz lokalizację reaktywnych
form tlenu, a także aktywnośd systemów antyoksydacyjnych w tkankach mutanta MSC16
 porównanie zmian w funkcjonowaniu komórki wywołanych dysfunkcją mitochondriów ze
zmianami powstałymi na skutek działania stresu chłodu – rola mitochondrium jako integratora
odpowiedzi roślin na stres
 wyjaśnienie funkcji apoplastu oraz roli H 2O2 w powstawaniu fenotypu MSC16
W liściach mutanta MSC16 stwierdzono obniżoną zawartośd nadtlenku wodoru, podobnie jak
u mutanta tytoniu CMSII, z dysfunkcją kompleksu I. Zmiany w funkcjonowaniu mitochondriów pod
wpływem rearanżacji genomu mutanta MSC16 lub po traktowaniu chłodem roślin kontrolnych
powodowały zwiększone wydzielanie H 2O2 do przestrzeni perimitochondrialnej. Stosując techniki
mikroskopii elektronowej wykazano istotne różnice w dystrybucji H2O2 na terenie komórki,
podwyższoną jego zawartośd na zewnątrz mitochondriów i obniżoną w apoplaście.
Prawdopodobnie H2O2, wytwarzany w zwiększonej ilości na zewnątrz mitochondrium, może byd
przekaźnikiem informacji o zmianach w funkcjonowaniu łaocucha oddechowego.
Percepcja ROS, przekazywanie sygnału oraz wywołane aktywnością ROS modyfikacje białek
podlegają kontroli i regulacji przez szereg antyoksydantów. W organizmach roślinnych główną rolę
w obronie przeciw uszkodzeniom oksydacyjnym pełni askorbinian. Całkowita zawartośd
askorbinianu (forma utleniona i zredukowana) oznaczona w homogenatach liściowych z roślin
MSC16 była wyższa w stosunku do WT. Wyższe stężenie askorbinianu w tkankach mutanta
wywołane było głównie wzrostem zawartości dehydroaskorbinianu (DHA) - formy utlenionej. W
ekstraktach z liści mutanta MSC16 oznaczono także wyższą w stosunku do kontroli aktywnośd
peroksydaz oraz niektórych izoform dysmutazy ponadtlenkowej. Podobny schemat aktywności
przeciwutleniaczy enzymatycznych obserwowano u innych mutantów mitochondrialnych: tytoniu
CMSII oraz kukurydzy NCS2. Askorbinian stanowi również istotny element złożonej sieci kontroli i
współdziałania czynników regulujących procesy wzrostu. Podziały komórkowe są niezwykle
wrażliwe na zmiany stężenia AsA, MDHA i DHA w apoplaście. Jednym z enzymów zaangażowanych
w metabolizm AsA jest zlokalizowana w apoplaście oksydaza askorbinianowa (AO), regulująca
także wzrost elongacyjny komórek. W tkankach MSC16 oznaczono wyższą w stosunku do WT
aktywnośd AO. Wykazano także, że apoplastyczna pula ROS zaangażowana w procesy rozwojowe
jest produkowana głównie przez związaną z plazmalemmą oksydazę NADPH. Obniżona zawartośd
nadtlenku wodoru na terenie apoplastu w tkankach MSC16 wynika prawdopodobnie z obniżonej
produkcji spowodowanej niższą aktywnością oksydazy NADPH i jednocześnie wzmożonej
detoksyfikacji związanej z podwyższoną zawartością askorbinianu na terenie apoplastu.
Przeprowadzone badania wykazały, że wywołane mutacją zmiany w funkcjonowaniu
mitochondrialnego łaocucha transportu elektronów pociągają za sobą istotne zaburzenia w
statusie redoks całej komórki. Oznaczona podwyższona aktywnośd antyoksydantów
enzymatycznych, niższy stopieo utlenienia przeciwutleniaczy niskocząsteczkowych oraz brak
wzrostu peroksydacji lipidów w tkankach mutanta MSC16 sugerują, że nie występuje tam zjawisko
stresu antyoksydacyjnego. Stwierdzono jednak zachwianie równowagi ROS/antyoksydanty.
Zaobserwowane różnice mogą mied kluczowe znaczenie dla procesów fizjologicznych
zachodzących w komórce powodując ich zakłócenie, co może byd przyczyną powstawania
fenotypu MSC16. Niższe tempo wzrostu oraz deformacja liści MSC16 spowodowane są
prawdopodobnie niskim poziomem apoplastycznej puli ROS, istotnej dla prawidłowego wzrostu i
rozwoju organów. Obserwowane większe rozmiary komórek mezofilu liści mutanta mogą wynikad
ze wzmożonego wzrostu elongacyjnego komórek, połączonego z zaburzeniami usztywniania
struktury ściany komórkowej.
Publikacje:
Szal B, Łukawska K, Zdolioska I, Rychter AM. 2009. Chilling stress and mitochondrial genome r earrangement in the
MSC16 cucumber mutant affect the alternative oxidase and antioxidant defence system to a similar extent.
Physiologia Plantarum 137: 435-445.
Łukawska K, Podgórska A, Rychter AM. 2010. Plasma membrane-generated ROS and their role in leaf cell growth of
cucumber (Cucumis sativus) MSC16 mitochondrial mutant. Praca złożona do recenzji w Journal of Plant Physiology
Doniesienia zjazdowe:
Łukawska K, Zdolioska I, Rychter AM “Oxidant/antioxidant balance in MSC16 cucumber mitochondrial mutant“, III
Konferencja Polskiego Towarzystwa Biologii Eksperymentalnej Roślin, Warszawa , 26-30.08.2007
Szal B, Kulka M, Łukawska K, Podgórska A, Wołoszyn M, Leśniak K, Koza K, Rychter AM “Changes of nitrogen
metabolism in cucumber MSC16 mitochondrial mutant“, XVI Congr ess of the Federation of European Societies of Plant
Biology (FESPB 2008), Tamper e, Finlandia, 17-22.08.2008
Szal B, Łukawska K, Zdolioska I, Rychter AM “AOX and stress in cucumber MSC16 mitochondrial mutant”, First
International AOX Symposium 2008, Evora, Alentejo, Portugalia, 23 -27.10.2008
Łukawska K, Podgórska A, Rychter AM “Plasma membrane-generated ROS and their role in cell growth of cucumber
mitochondrial mutant”, Plant ROS 2009, Helsinki, Finlandia 8 -10.07.2009
Łukawska K, Podgórska A, Rychter AM “Altered growth as the effect of changed ROS/antioxidants equilibrium in the
apoplast of cucumber mitochondrial mutant”, IV Konfer encja Polskiego Towarzystwa Biologii Eksperymentalnej Roślin,
Kraków, 21-25.09.2009
Szal B, Łukawska K, Rychter AM “Respiratory chain generated ROS in retrograde signaling”, First International
Conference on Retrograde Signaling in Plants, Berlin, Niemcy, 01 -03.10.2009