Molecular and metabolic responses associated with the lack of autophagy following energy deprivation in Arabidopsis thaliana

Abstract

The oxidation of carbohydrate in mitochondria is the primary energy source for cellular metabolism. However, during energy-limited conditions alternative substrates are required to support respiration. The oxidation of amino acids plays a key role in this process by generating electrons that can be transferred to mitochondrial electron transport chain via the electron transfer flavoprotein/ ubiquinone oxireductase (ETF/ETFQO) system. Compelling evidence has demonstrated the close association of autophagy in providing alternative substrates for power generation under carbohydrate-limited conditions; however, how and to which extent autophagy and primary metabolism interact to support respiration remains unclear. To obtain a comprehensive picture of the metabolic importance of autophagy during development and extended darkness Arabidopsis thaliana mutants with impairments in autophagy were used. atg mutants showed reduction of growth and seed production. Following extended darkness atg mutants were characterized by early signs of senescence as well as decreased chlorophyll content and maximum photochemical efficiency of PSII (Fv/Fm). Metabolite profile of dark-treated leaves revealed an extensive metabolic reprogramming in which increases in amino acids contents were partially compromised and thus limiting their utilization as substrate to sustain respiration in atg mutants. Additionally, transcript levels of genes involved in alternative pathways of respiration, amino acid catabolism, and chloroplast vesiculation (CV) were up-regulated in atg mutants. Our results thus suggest that autophagy contributes to energy availability by supplying amino acids for alternative pathways of respiration. Furthermore, our finding demonstrated the potential role of CV as a compensatory protein degradation pathway under C-limiting conditions when autophagy is impaired .

A oxidação de carboidratos na mitocôndria é a principal fonte de energia para metabolismo celular. Contudo, em condições de limitação energética, substratos alternativos são necessários para a manutenção da respiração. A oxidação de aminoácidos tem papel fundamental nesse processo gerando elétrons que podem ser transferidos para cadeia de transporte de elétrons mitocondrial através do sistema flavoproteína de transferência de elétrons/ flavoproteína de transferência de elétrons oxidoredutase da ubiquinona (ETF/ETFQO). A associação entre autofagia e o fornecimento de substratos alternativos para geração de energia tem sido relatada, porém pouco se sabe acerca do papel da autofagia no metabolismo primário para a manutenção do processo respiratório. Com intuito de se investigar a importância metabólica da autofagia durante o desenvolvimento e em condições de senescência induzida pela escuro, plantas mutantes de Arabidopsis thaliana com comprometimento do processo autofágico foram utilizadas. Mutantes atg apresentaram redução no crescimento e na produção de sementes. Sob escuro prolongado, fenótipos de senescência antecipada assim como redução no conteúdo de clorofila e na eficiência fotoquímica máxima do FSII (Fv/Fm) foram observados nos mutantes atg. A análise do perfil metabólico revelou uma extensa reprogramação metabólica em que o aumento do conteúdo de aminoácidos foi parcialmente comprometido, limitando seu uso como substrato para suprir a respiração nos mutantes atg. Adicionalmente, níveis de transcritos de genes envolvidos em vias de catabolismo de aminoácidos e degradação do cloroplasto (CV) foram induzidos nesses genótipos. Em conjunto, os resultados obtidos demonstram uma potencial função compensatória de CV como processo de degradação de proteínas em condições de limitação de carbono, particularmente quando o processo autofágico é comprometido.