In den Zellen scheinbar statischer Pflanzen befinden sich lebhafte Populationen beweglicher Organellen. Hunderte von Mitochondrien, Energielieferanten der Zelle, bewegen sich auf ihren eigenen individuellen Reisen und interagieren dabei miteinander. Sie machen kleine Schritte, um ihren lokalen Zellbereich zu erkunden, und benutzen „Autobahnen“ in der Zelle (Filamente aus Aktinprotein), um schnell große Entfernungen zu überwinden. Obwohl diese Bewegung im Laufe der Jahre gut charakterisiert wurde, bleibt das Rätsel bestehen: Warum investiert die Pflanze Energie, um diese Kraftpakete zu bewegen?

An der Oberfläche haben pflanzliche Mitochondrien eine unmögliche Aufgabe. Einerseits ist es gut für sie, sich zu treffen. Sie können mitochondriale DNA (mtDNA), Proteine ​​und andere Chemikalien fusionieren und austauschen, in einer kontinuierlichen Zusammenarbeit, die für die Pflanze wichtig ist. Wenn diese gemeinsame Nutzung beeinträchtigt ist, zum Beispiel durch Mutationen in der verantwortlichen Maschinerie, wachsen Pflanzen weniger schnell und weniger grün und können steril sein und andere Probleme erfahren. Andererseits ist es gut für die Mitochondrien, getrennt zu bleiben. Eine gleichmäßige Verteilung der Mitochondrien durch die Zelle gewährleistet eine gleichmäßige Energieversorgung, begrenzt die lokale Ansammlung schädlicher Chemikalien und ermöglicht es den Mitochondrien, sich mit anderen Zellmaschinen zu treffen. Wir dachten, dass die mitochondriale Bewegung eine Möglichkeit sein könnte, das Beste aus beiden Welten zu bekommen - ermöglicht gelegentliche Treffen, hält aber auch die Mitochondrien gut in der Zelle verteilt. Aber um diese Idee zu untersuchen, mussten wir sowohl verstehen, wie sich Mitochondrien in echten Pflanzen bewegen, als auch, wie verschiedene Bewegungsarten dazu beitragen könnten, diesen Kompromiss zu lösen.

Wie tauchen wir in diese Gemeinschaften innerhalb von Pflanzenzellen ein? Beginnen wir damit, wie sich Mitochondrien bewegen. In unserem Labor an der University of Birmingham (unsere Gruppe hat ihren Sitz an der University of Bergen, aber wir sind international!) verwenden wir Live-Cell-Lasermikroskopie, um Mitochondrien in Sämlingen von zu beobachten Arabidopsis, eine beliebte Pflanze für Laborexperimente. Prof. David Logan, der das Gebiet der mitochondrialen Dynamik von Pflanzen geprägt hat, hat eine Reihe von Pflanzen mit fluoreszierenden Proteinen an ihren Mitochondrien hergestellt und uns freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Daraus können wir Videos der mitochondrialen Dynamik machen, wie den Zeitraffer unten von einer einzelnen Zelle im Hypokotyl (früher Stamm).

Aus diesen Videos können wir Algorithmen verwenden, um die Positionen aller einzelnen Mitochondrien im Laufe der Zeit zu verfolgen. Der Computer meldet dann ihre Geschwindigkeit, die Winkel, in denen sie sich bewegen, die Entfernungen zwischen ihnen und das Gebiet, das sie zurücklegen.

Wie wirkt sich diese Bewegung auf ihre Fähigkeit aus, sich zu treffen und Inhalte auszutauschen? Die Antwort kam aus einer vielleicht überraschenden Perspektive - soziale Netzwerke. Soziale Netzwerke beschreiben Interaktionen zwischen Individuen - normalerweise Menschen, aber wir haben die Idee auf Mitochondrien angewendet. Wenn ein Mitochondrium auf einen kleinen Abstand zu einem anderen kommt (ungefähr ein Mikrometer, was die Länge eines typischen Mitochondriums ist), zeichnen wir diese „Begegnung“ auf. Diese „Begegnungen“ geben den Mitochondrien die Möglichkeit, Inhalte und genetische Informationen zu verschmelzen und auszutauschen. Diese Begegnungen bauen sich im Laufe der Zeit auf und können als „soziales“ Netzwerk der Bevölkerung dargestellt werden. Knoten im Netzwerk sind einzelne Mitochondrien, und Kanten zwischen ihnen entsprechen Begegnungen zwischen diesen Organellen. Da die Theorie solcher Netzwerke so gut entwickelt ist, können wir etablierte Theorien verwenden, um unsere Fragen zu beantworten, darunter: Wie gut sind die Individuen in dieser Zelle verbunden? Bilden Mitochondrien „Cliquen“ (eng verbundene soziale Gruppen)? Wie viel „soziale“ Variation gibt es zwischen den Mitochondrien? Und wie effizient sind diese Netzwerke bei der Weitergabe von Informationen?

Wir haben diese Netzwerke für gebaut Arabidopsis Sämlinge und verglich sie mit einer Vielzahl von Computersimulationen, um zu untersuchen, was die Pflanze theoretisch mit unterschiedlichen Mitochondrienbewegungen erreichen könnte. Diese Simulationen zeigen, dass es tatsächlich eine Gratwanderung gibt: eine Spannung zwischen gleichmäßig verteilten Mitochondrien und hoher sozialer Vernetzung. Keine Pflanzenzelle, auch nicht in einer Simulation, kann beides gleichzeitig leisten. Aber im Laufe der Zeit fanden wir heraus, dass Pflanzenzellen eine Lösung für dieses Spannungsverhältnis finden, die genauso oder effizienter ist als jede unserer Simulationen. Die „Effizienz“ dieser sozialen Netzwerke - ein Maß dafür, wie einfach Inhalte zwischen Einzelpersonen geteilt werden können - ist im Vergleich zum theoretischen Verhalten bemerkenswert hoch. Dies deutet darauf hin, dass sich die Dynamik pflanzlicher Mitochondrien entwickelt hat, um Inhalte effizient zu teilen - ohne ihre gleichmäßige Ausbreitung durch die Zelle und damit ihre Fähigkeit, eine gleichmäßige Energieversorgung zu liefern, zu opfern, lokale Anhäufungen von schädlichen Chemikalien zu vermeiden und andere zelluläre Maschinen zu treffen.

Um diese Ergebnisse zu untermauern, untersuchten wir Mitochondrien in einer Mutante Arabidopsis Leitung angerufen freundlich (so genannt, weil in dieser Pflanzenlinie die Mitochondrien sehr „freundlich“ werden, länger zusammen bleiben, was die gleichmäßige Ausbreitung der Mitochondrien in der Zelle stört). Prof. Logan hat auch Pflanzen dieser Linie geschaffen und uns mit Pflanzen versorgt. In diesen Pflanzen bilden geclusterte Mitochondrien eng verbundene Cliquen, die sich zunächst nicht oft mit anderen Clustern treffen, was ihre Fähigkeit zum Informationsaustausch einschränkt. Aber interessanterweise wurde diese Herausforderung an die sozial-physikalische Auflösung nicht über die Zeit aufrechterhalten. Wir haben beobachtet, dass sehr soziale (beliebte) Mitochondrien von Cluster zu Cluster, von Clique zu Clique wandern, diese Gemeinschaften verbinden und schließlich dem Gesamtnetzwerk eine ähnliche Effizienz wie im nicht-mutierten Fall verleihen.

Die Beobachtung der sozialen Konnektivität dieser dynamischen Organellen hat uns geholfen, einen Kompromiss aufzudecken, mit dem die Mitochondrien fertig werden müssen, und zu zeigen, dass sie ihre bemerkenswerte Bewegung nutzen, um sowohl physisch gut verteilt zu sein (für eine gleichmäßige Energieabgabe) als auch das Beste zu haben Buddying (um den nützlichen Austausch von Inhalten zu ermöglichen), wenn es nötig ist. In Zukunft betrachten wir die Auswirkungen dieses Kompromisses sowohl für den Pflanzenstoffwechsel (wo die mitochondriale Positionierung das Übersprechen mit anderen Organellen prägt, die für die Photosynthese und Photorespiration unerlässlich sind) als auch für die Genetik (wo der mitochondriale Austausch die Aufrechterhaltung und Vererbung von mtDNA beeinflusst). ). Diese Themen sind sowohl von grundlegendem biologischem Interesse als auch von landwirtschaftlicher Bedeutung, da der Pflanzenstoffwechsel die Welt ernährt und mtDNA-Merkmale eine wichtige Rolle in der Hybridpflanzenproduktion spielen.

Weitere Informationen und einen bunteren Einblick in die Welt der pflanzlichen Mitochondrien finden Sie hierwww.mitochondriamove.com, und lesen Sie das Papier zu dieser Arbeit hier: https://www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(21)00133-2 

Joanna und Iain interessieren sich für die Dynamik, Genetik und Evolution von Organellen im Laufe des Lebens und insbesondere von Pflanzen. Die Stochastic Biology Group, die Iain leitet, arbeitet mit einer Mischung aus experimentellen Daten und Modellierungsansätzen, um komplexe und stochastische biologische Systeme zu verstehen. Joanna ist Doktorandin an der University of Birmingham, UK, und eine begeisterte Wissenschaftskommunikatorin. Iain ist außerordentlicher Professor an der Universität Bergen, Norwegen. Folge Johanna, @ChusteckiSci, und Iain, @mitomat, auf Twitter und erfahren Sie hier mehr über die Stochastic Biology Group:https://org.uib.no/stochasticbiology/people.html. Mehr ihrer Videos findet ihr hier auf ihrem YouTube-Kanal: https://www.youtube.com/channel/UCp-q3_8CbR2Lh5PcaCYSfNQ.