Multiparametric real-time sensing of cytosolic physiology links hypoxia responses to mitochondrial electron transport

Wagner S, Steinbeck J, Fuchs P, Lichtenauer S, Elsässer M, Schippers JHM, Nietzel T, Ruberti C, Van Aken O, Meyer AJ, Van Dongen JT, Schmidt RR, Schwarzländer M

Forschungsartikel (Zeitschrift) | Peer reviewed

Zusammenfassung

Hypoxia regularly occurs during plant development and can be induced by the environment through, for example, flooding. To understand how plant tissue physiology responds to progressing oxygen restriction, we aimed to monitor subcellular physiology in real time and in vivo. We establish a fluorescent protein sensor-based system for multiparametric monitoring of dynamic changes in subcellular physiology of living Arabidopsis thaliana leaves and exemplify its applicability for hypoxia stress. By monitoring cytosolic dynamics of magnesium adenosine 5'-triphosphate, free calcium ion concentration, pH, NAD redox status, and glutathione redox status in parallel, linked to transcriptional and metabolic responses, we generate an integrated picture of the physiological response to progressing hypoxia. We show that the physiological changes are surprisingly robust, even when plant carbon status is modified, as achieved by sucrose feeding or extended night. Inhibition of the mitochondrial respiratory chain causes dynamics of cytosolic physiology that are remarkably similar to those under oxygen depletion, highlighting mitochondrial electron transport as a key determinant of the cellular consequences of hypoxia beyond the organelle. A broadly applicable system for parallel in vivo sensing of plant stress physiology is established to map out the physiological context under which both mitochondrial retrograde signalling and low oxygen signalling occur, indicating shared upstream stimuli.

Details zur Publikation

FachzeitschriftNew Phytologist
Jahrgang / Bandnr. / Volume1
StatusVeröffentlicht
Veröffentlichungsjahr2019 (07.08.2019)
Sprache, in der die Publikation verfasst istEnglisch
DOI10.1111/nph.16093
Link zum Volltexthttps://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/nph.16093

Autor*innen der Universität Münster

Elsässer, Marlene
Professur für Allgemeine Botanik mit dem Schwerpunkt auf Pflanzen/Umwelt-Interaktionen (Prof. Schwarzländer)
Lichtenauer, Sophie
Professur für Allgemeine Botanik mit dem Schwerpunkt auf Pflanzen/Umwelt-Interaktionen (Prof. Schwarzländer)
Nietzel, Thomas Jürgen Uwe
Professur für Allgemeine Botanik mit dem Schwerpunkt auf Pflanzen/Umwelt-Interaktionen (Prof. Schwarzländer)
Ruberti, Cristina
Professur für Allgemeine Botanik mit dem Schwerpunkt auf Pflanzen/Umwelt-Interaktionen (Prof. Schwarzländer)
Schwarzländer, Markus
Professur für Allgemeine Botanik mit dem Schwerpunkt auf Pflanzen/Umwelt-Interaktionen (Prof. Schwarzländer)
Steinbeck, Maren Janina
Professur für Allgemeine Botanik mit dem Schwerpunkt auf Pflanzen/Umwelt-Interaktionen (Prof. Schwarzländer)
Wagner, Stephan
Professur für Allgemeine Botanik mit dem Schwerpunkt auf Pflanzen/Umwelt-Interaktionen (Prof. Schwarzländer)