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Mitochondrial respiration is essential for photosynthesis-dependent ATP supply of the plant cytosol

光合作用 胞浆 呼吸 线粒体 生物 细胞呼吸 化学渗透 生物化学 ATP合酶 电子传输链 三磷酸腺苷 选择性氧化酶 细胞生物学 叶绿体 植物 基因
作者
Antoni M. Vera‐Vives,Piero Novel,Ke Zheng,Shun‐ling Tan,Markus Schwarzländer,Alessandro Alboresi,Tomas Morosinotto
标识
DOI:10.1101/2024.01.09.574809
摘要

Abstract Plants rely on solar energy to synthesize ATP and NADPH for photosynthetic carbon fixation. Since a substantial proportion of cellular ATP is consumed in the cytosol, photosynthesis-derived ATP needs to be supplied there. While the triose phosphate shuttle and mitochondrial respiration can both deliver ATP to the cytosol, the significance of the different mechanisms in vivo has been difficult to assess. Although mitochondrial respiration is essential in plants, whether this is due to heterotrophic bottlenecks during plant development or rather a need for respiration in photosynthetically active cells, has not been resolved. In this study, we examined in vivo changes of cytosolic ATP concentration in response to light, employing a biosensing strategy in the moss Physcomitrium patens . Our measurements revealed increased cytosolic ATP concentration caused by photosynthetic activity. Moss tissue depleted of respiratory complex I showed decreased cytosolic ATP accumulation, highlighting a critical role of mitochondrial respiration in light-dependent ATP supply of the cytosol. Consistently, targeting mitochondrial ATP production directly, through the construction of mutants deficient in mitochondrial ATPase (complex V), led to drastic growth reduction, despite only minor alterations in photosynthetic electron transport activity. Since P. patens is photoautotrophic throughout its development, we conclude that heterotrophic bottlenecks cannot account for the indispensable role of mitochondrial respiration in plants. Instead, our results offer compelling evidence that mitochondrial respiration is essential for ATP provision to the cytosol in actively photosynthesizing cells. Mitochondrial respiration provides metabolic integration, ensuring a reliable supply of cytosolic ATP essential for supporting plant growth and development.
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