Umeå universitets logga

The adequate execution of the final developmental stage of a leaf, leaf senescence, is crucial to the long-term survival of the plant. During senescence cellular structures like membranes, proteins, lipids and macromolecules are degraded and released nutrients are relocated to developing parts of the plant, such as young leaves, stems, flowers, siliques and ultimately seeds that are dependent on this nutrient remobilization. The first visible sign of senescence is the yellowing of leaves indicating the degradation of chlorophyll and the dismantling of chloroplasts. As a consequence, senescing leaves cannot perform photosynthesis anymore and the delivery of energy from the chloroplast is compromised. As chloroplasts lose their function, the course of the senescence program requires a stable alternative energy sources that support nutrient remobilization while simultaneously ensuring a basic metabolism.

To study leaf senescence I used the model plant Arabidopsis thaliana and applied different experimental approaches: Developmental Leaf Senescence (DLS), individual darkened leaves (IDL), completely darkened plants (DP) and a stay-green mutant which displays a delayed senescence phenotype during IDL. Using a combination of physiological, microscopic, transcriptomic and metabolomic analyses similarities and differences between these experimental setups were investigated with focus on the functions of mitochondria during leaf senescence.

The catabolism of amino acids and the subsequent release of glutamate into the mitochondrial matrix seem to play an important role for nitrogen remobilization during DLS and IDL. Glutamate is then transported to the cytoplasm and transformed into glutamine, which can serve as long distance nitrogen export metabolite in the plant. Furthermore, senescing leaves in IDL are not only source tissues for nutrient remobilization in the plant, but we also detected labelled carbon in the darkened leaves, indicating a communication between the IDL and leaves in light. In contrary to the senescence inducing systems of DLS and IDL, in DP and the stay-green mutant investigated here, senescence is not induced by dark treatment. In both experimental setups we measured an accumulation of amino acids in the darkened leaves, in particular those with high N content. This could make reduced carbon available as alternative energy source during darkness. In this thesis we observed that mitochondria play an important role in nutrient reallocation processes during leaf senescence. The overall energy status of senescing tissues depends on mitochondria and especially amino acid metabolism seems to have a vital role during the senescence processes both for energy supply and nutrient reallocation.

Den process som sker när blad gulnar kallas senescens och är den sista fasen i dess utveckling som slutar med att bladet dör. Ett ändamålsenligt förlopp för denna process är avgörande för en växts långsiktiga överlevnad då viktiga näringsämnen, främst kväve, tas tillvara och återanvänds. Under senescesen degraderas cellulära strukturer och makromolekyler och de näringsämnen som frigörs omfördelas till lagring eller till utvecklande delar av växten. Speciellt för produktion av livskraftiga frön är denna remobilisering av resurser ytterst viktig. Att bladen gulnar under denna process beror på att kloroplasterna med deras gröna pigment, klorofyll, bryts ner. Som en konsekvens av detta tappar de gulnande bladen sin kapacitet till fotosyntes när kloroplasternas förmåga att omvandla ljusenergi till kemisk energi avtar. För att processen ska bli effektiv behövs en annan stabil energikälla både för att driva basal metabolism och omfördelning av näringsämnen. Det är här som min favoritorganell, mitokondrien, kommer in i bilden. Mitokondrierna står för cellandningen där reducerade föreningar kan brytas ner för att producera energi och ärden viktigaste komponenten i cellens energi metabolism vid sidan av kloroplasterna.

För att studera vad som händer när blad gulnar och hur mitokondrierna bidrar till denna process har jag använt modellväxten Arabidopsis thaliana, ett litet ogräs som på svenska heter backtrav. Senescensen kan induceras både av ålder och av yttre stimuli (t.ex. långvarigt mörker) och detta har jag utnyttjat i mina experiment. Speciellt snabbt går gulnandet om bara ett blad mörkläggs medan de andra får fortsätta att vara i ljus. Om däremot hela växten ställs i mörker behåller bladen sin gröna färg mycket längre. Vi har även isolerat en mutant där inte heller mörkläggning av individuella blad inducerar gulnande på samma sätt som i kontrollväxter. Genom att använda en kombination av fysiologiska metoder, mikroskopi, mätning av genuttryck och mätning av metabolitinnehåll analyserades likheter och skillnader mellan de olika experimentella angreppssätten med fokus på mitokondriella funktioner. Ända till den allra sista fasen av senescensen var mitokondrierna intakta och funktionella och energinåvån behölls hög i de gulnande bladen. Många mitokondriella reaktioner kopplade till nedbrytning av aminosyror visade sig resultera i produktion av aminosyran glutamat. Efter transport ut ur mitokondrien till cytoplasman kan denna ta upp ytterligare ett kväve och ge glutamin, en aminosyra med hög N/C kvot som anses viktig för transport av kväve till andra delar av växten. Resultat med inmärkt kol indikerade även att transport av kolhydrater eller andra föreningar kan ske från blad i ljus till de mörklagda bladen och att detta kan bidra till att effektivisera återvinningen av kväve. Till skillnad från åldrande blad och individuellt mörklagda blad gulnade inte blad från helt mörklagda växter eller den mutant som studerades. I båda dessa fall kunde vi i stället mäta en ackumulering av aminosyror i de mörklagda bladen, speciellt gällde detta för aminosyror med högt kväveinnehåll i förhållande till kol. På detta sätt skulle reducerat kol kunna frigöras som alternativ energikälla under mörkerbehandlingen tillsammans med andra nedbrytningsprodukter från den nedmontering av cellerna som sker. Sammanfattningsvis har jag alltså visat att mitokondrierna spelar en central roll för återvinningen och omfördelningen av näringsämnen kopplat till att bladen gulnar. Aktiva mitokondrier bidrar till denna process både genom att tillhandahålla den energi som krävs och de metaboliska reaktioner som behövs för att processen ska fungera optimalt. En detaljerad kunskap om den process som växten genomgår under senescensen kan på sikt få praktiska tillämpningar t.ex. för produktion av biomassa samt för ökad hållbarhet av t.ex. grönsaker vid lagring.