Metabolizm oksydacyjny Arabidopsis thaliana w warunkach deficytu siarki

Siarka (S) jest dla roślin niezbędnym makroelementem, wchodzącym między innymi w skład białek (w resztach aminokwasów siarkowych oraz klasterach żelazowo-siarkowych), sulfolipidów błonowych i glutationu. Deficyt S powoduje ograniczenie wzrostu i rozwoju roślin. Dotychczasowe badania roślin z deficytem S, koncentrujące się głównie na analizie transkryptomu i metabolomu, wskazywały na możliwe modyfikacje metabolizmu energetycznego. Brakowało badań biochemicznych charakteryzujących zachodzące zmiany. Celem badań w przedstawionej rozprawie doktorskiej była analiza funkcjonowania i struktury łańcucha oddechowego oraz udziału mitochondriów w metabolizmie reaktywnych form tlenu (ROS) w roślinach Arabidopsis thaliana rosnących w warunkach długotrwałego deficytu S. Wykazano, że deficyt S powodował zmiany funkcjonowania roślinnego łańcucha oddechowego, prowadząc do obniżenia aktywności kompleksów białkowych (I i IV) łańcucha oddechowego. Analiza dodatkowych enzymów roślinnego łańcucha oddechowego wykazała wzrost aktywności zewnętrznych dehydrogenaz NADH typu II oraz niezmienioną aktywność oksydazy alternatywnej i wewnętrznych dehydrogenaz NADH typu II. Plastyczność roślinnego łańcucha oddechowego umożliwiła roślinom przeżycie w warunkach deficytu S w wyniku ustalenia się nowej homeostazy energetycznej i oksydoredukcyjnej, wyrażającej się spadkiem poziomu ATP oraz wzrostem stanu redukcji nukleotydów pirydynowych. Nie stwierdzono wpływu deficytu S na strukturę systemu fosforylacji oksydacyjnej. Deficyt S powodował zwiększenie wytwarzania anionorodnika ponadtlenkowego w mitochondriach oraz wzrost stężenia nadtlenku wodoru w liściach i korzeniach. Poziom przeciwutleniaczy drobnocząsteczkowych, glutationu i askorbinianu, był niższy, a poziom antocyjanów wyższy niż w roślinach kontrolnych. Podwyższona zawartość ROS prowadziła do aktywacji systemów enzymatycznej obrony antyoksydacyjnej. W liściach A. thaliana z deficytem S stwierdzono jednak występowanie stresu oksydacyjnego, którego markerem był wzrost poziomu karbonylacji białek. Wzrost zawartości białek karbonylowanych obserwowano głównie w chloroplastach. W mitochondriach, poziom białek karbonylowanych był podobny jak w roślinach kontrolnych, prawdopodobnie na skutek podwyższonej aktywności mitochondrialnej izoformy dysmutazy ponadtlenkowej oraz wyższej aktywności proteaz usuwających białka utlenione. Deficyt S prowadził do obniżenia poziomu tioli niebiałkowych, natomiast poziom tioli białkowych pozostał niezmieniony. Preferencyjne wbudowywanie S w białka jest prawdopodobnie istotne dla przeżycia roślin z deficytem S. W rozprawie doktorskiej dyskutowana jest rola mitochondriów w adaptacji roślin A. thaliana do deficytu S.

Sulphur (S) is an essential macronutrient for plants as a constituent of proteins (in sulphur-containing amino acid residues or iron-sulphur clusters), membrane sulpholipids, glutathione and many other compounds. Sulphur deficiency affects plant growth and development. Previous studies of S-deficient plants were focused mainly on transcriptomic and metabolomic analyses and indicated possible modifications of energy metabolism. Biochemical studies characterizing these changes were scarce. The aim of the presented thesis was to analyze the structure and functioning of the respiratory chain and the role of mitochondria in cellular reactive oxygen species (ROS) metabolism in Arabidopsis thaliana grown under long-term sulphur deficiency. It has been shown that S deficiency altered the functioning of the mitochondrial electron transport chain, leading to a lower activity of protein complexes (I and IV). The studies of additional components of the plant respiratory chain indicated an increased activity of type II external NADH dehydrogenases and an unchanged activity of alternative oxidase and type II internal NADH dehydrogenases. The plasticity of the plant respiratory chain allowed to survive S deficiency, however it has also led to a new energy and redox homeostasis expressed by a lower ATP level and a higher reduction state of pyridine nucleotides. There was no effect of S deficiency on the structure of oxidative phosphorylation system. S deficiency resulted in increased production of superoxide anion in mitochondria and higher levels of hydrogen peroxide in leaves and roots. The levels of low-molecular-mass antioxidants, glutathione and ascorbate, were lower than those in control plants, while the anthocyanin level was higher. The increased content of ROS led to the activation of enzymatic antioxidant defence systems. However, the oxidative stress was present in leaves of S-deficient