Mitochondria are central to cellular metabolism and energy conversion. In plants they also enable photosynthesis through additional components and functional flexibility. A majority of those processes relies on the assembly of individual proteins to larger protein complexes, some of which operate as large molecular machines. There has been a strong interest in the makeup and function of mitochondrial protein complexes and protein-protein interactions in plants, but the experimental approaches used typically suffer from selectivity or bias. Here, we present a complexome profiling analysis for leaf mitochondria of the model plant Arabidopsis thaliana for the systematic characterization of protein assemblies. Purified organelle extracts were separated by 1D Blue native (BN) PAGE, a resulting gel lane was dissected into 70 slices (complexome fractions) and proteins in each slice were identified by label free quantitative shot-gun proteomics. Overall, 1359 unique proteins were identified, which were, on average, present in 17 complexome fractions each. Quantitative profiles of proteins along the BN gel lane were aligned by similarity, allowing us to visualize protein assemblies. The data allow re-annotating the subunit compositions of OXPHOS complexes, identifying assembly intermediates of OXPHOS complexes and assemblies of alternative respiratory oxidoreductases. Several protein complexes were discovered that have not yet been reported in plants, such as a 530 kDa Tat complex, 460 and 1000 kDa SAM complexes, a calcium ion uniporter complex (150 kDa) and several PPR protein complexes. We have set up a tailored online resource (https://complexomemap.de/at_mito_leaves) to deposit the data and to allow straightforward access and custom data analyses.

Growth and development of plants is ultimately driven by light energy captured through photosynthesis. ATP acts as universal cellular energy cofactor fuelling all life processes, including gene expression, metabolism, and transport. Despite a mechanistic understanding of ATP biochemistry, ATP dynamics in the living plant have been largely elusive. Here, we establish MgATP2- measurement in living plants using the fluorescent protein biosensor ATeam1.03-nD/nA. We generate Arabidopsis sensor lines and investigate the sensor in vitro under conditions appropriate for the plant cytosol. We establish an assay for ATP fluxes in isolated mitochondria, and demonstrate that the sensor responds rapidly and reliably to MgATP2- changes in planta. A MgATP2- map of the Arabidopsis seedling highlights different MgATP2- concentrations between tissues and within individual cell types, such as root hairs. Progression of hypoxia reveals substantial plasticity of ATP homeostasis in seedlings, demonstrating that ATP dynamics can be monitored in the living plant.

Abstract A characteristic feature of most plants is their ability to perform photosynthesis, which ultimately provides energy and organic substrates to most life. Photosynthesis dominates chloroplast physiology but represents only a fraction of the tightly interconnected metabolic network that spans the entire cell. Here, we explore how photosynthetic activity affects the energy physiological status in cell compartments beyond the chloroplast. We develop precision live monitoring of subcellular energy physiology under illumination to investigate pH, MgATP 2− and NADH/NAD + dynamics at dark-light transitions by confocal imaging of genetically encoded fluorescent protein biosensors in Arabidopsis leaf mesophyll. We resolve the in vivo signature of stromal alkalinisation resulting from photosynthetic proton pumping and observe a similar pH signature also in the cytosol and the mitochondria suggesting that photosynthesis triggers an ‘alkalinisation wave’ that affects the pH landscape of large parts of the cell. MgATP 2− increases in the stroma at illumination, but no major effects on MgATP 2− concentrations in the cytosol were resolved. Photosynthetic activity triggers a signature of substantial NAD reduction in the cytosol that is driven by photosynthesis-derived electron export. Strikingly, cytosolic NAD redox status was deregulated in mutants of chloroplastic NADP- and mitochondrial NAD-dependent malate dehydrogenases even at darkness, pinpointing the participation of the chloroplasts and mitochondria in shaping cytosolic redox metabolism in vivo with a dominant function of malate metabolism. Our data illustrate how profoundly and rapidly changes in photosynthetic activity affect the physiological and metabolic landscape throughout green plant cells. One-sentence summary: Dark-light transitions trigger profound re-orchestration of subcellular pH and NAD redox physiology not only in the chloroplast but also beyond, in the cytosol and the mitochondria, as revealed by precision live-monitoring using fluorescent protein biosensors.

Abstract Class I glutaredoxins (GRXs) are catalytically active oxidoreductases and considered key proteins mediating reversible glutathionylation and deglutathionylation of protein thiols during development and stress responses. To narrow in on putative target proteins, it is mandatory to know the subcellular localization of the respective GRXs and to understand their catalytic activities and putative redundancy between isoforms in the same compartment. We show that GRXC1 and GRXC2 are cytosolic proteins with GRXC1 being attached to membranes through myristoylation. GRXC3 and GRXC4 are identified as type II membrane proteins along the early secretory pathway with their enzymatic function on the luminal side. Comparison of all four studied GRXs for their oxidoreductase function highlights biochemical diversification with GRXC1 and GRXC2 being better reductants than GRXC3 and GRXC4 with bis(2-hydroxyethyl) disulfide and oxidized roGFP2 as substrates. Vice versa , GRXC3 and GRXC4 are better oxidants of reduced roGFP2 in the reverse reaction. Analysis of electrostatic surface potentials mirrors the phylogenetic classification of class I GRXs but cannot fully account for the observed kinetic differences in their interaction with roGPF2. Despite localization of two class I GRXs each in the cytosol and the endomembrane system, the respective double null mutants are viable without obvious phenotypes. Summary statement We identify Arabidopsis glutaredoxins GRXC3 and GRXC4 as type II membrane proteins in the secretory pathway and GRXC1 as attached to membranes through N-terminal myristoylation. Cytosolic GRXC1 and GRXC2 and luminal GRXC3 and GRXC4 display distinct biochemical properties in their redox activities.

Iron-sulfur (Fe-S) clusters are ubiquitous cofactors in all life and are used in a wide array of diverse biological processes, including electron transfer chains and several metabolic pathways. Biosynthesis machineries for Fe-S clusters exist in plastids, the cytosol and mitochondria. A single monothiol glutaredoxin (GRX) has been shown to be involved in Fe-S cluster assembly in mitochondria of yeast and mammals. In plants, the role of the mitochondrial homologue GRXS15 has only partially been characterized. Arabidopsis grxs15 null mutants are not viable, but mutants complemented with the variant GRXS15 K83A develop with a dwarf phenotype. In an in-depth metabolic analysis, we show that most Fe-S cluster-dependent processes are not affected, including biotin biosynthesis, molybdenum cofactor biosynthesis and the electron transport chain. Instead, we observed an increase in most TCA cycle intermediates and amino acids, especially pyruvate, 2-oxoglutarate, glycine and branched-chain amino acids (BCAAs). The most pronounced accumulation occurred in branched-chain α-keto acids (BCKAs), the first degradation products resulting from deamination of BCAAs. In wild-type plants, pyruvate, 2-oxoglutarate, glycine and BCKAs are all metabolized through decarboxylation by four mitochondrial lipoyl cofactor-dependent dehydrogenase complexes. Because these enzyme complexes are very abundant and the biosynthesis of the lipoyl cofactor depends on continuous Fe-S cluster supply to lipoyl synthase, this could explain why lipoyl cofactor-dependent processes are most sensitive to restricted Fe-S supply in GRXS15 K83A mutants.

Seeds preserve a far developed plant embryo in a quiescent state. Seed metabolism relies on stored resources and is re-activated to drive germination when the external conditions are favorable. Since the switchover from quiescence to re-activation provides a remarkable case of a cell physiological transition we investigated the earliest events in energy and redox metabolism of Arabidopsis seeds at imbibition. By developing fluorescent protein biosensing in intact seeds, we observed ATP accumulation and oxygen uptake within minutes, indicating rapid activation of mitochondrial respiration, which coincided with a sharp transition from an oxidizing to a more reducing thiol redox environment in the mitochondrial matrix. To identify individual operational protein thiol switches, we captured the fast release of metabolic quiescence in organello and devised quantitative iodoacetyl tandem mass tag-based (iodoTMT) thiol redox proteomics. The redox state across all Cys-peptides was shifted towards reduction from 27.1 % to 13.0 %. A large number of Cys-peptides (412) were redox-switched, representing central pathways of mitochondrial energy metabolism, including the respiratory chain and each enzymatic step of the tricarboxylic acid cycle (TCA). Active site Cys-peptides of glutathione reductase 2, NADPH-thioredoxin reductase a/b and thioredoxin-o1 showed the strongest responses. Germination of seeds lacking those redox proteins was associated with markedly enhanced respiration and deregulated TCA cycle dynamics suggesting decreased resource efficiency of energy metabolism. Germination in aged seeds was strongly impaired. We identify a global operation of thiol redox switches that is required for optimal usage of energy stores by the mitochondria to drive efficient germination.

Growth and development of plants is ultimately driven by light energy captured through photosynthesis. ATP acts as universal cellular energy cofactor fuelling all life processes, including gene expression, metabolism, and transport. Despite a mechanistic understanding of ATP biochemistry, ATP dynamics in the living plant have been largely elusive. Here we establish live ATP assessment in plants using the fluorescent protein biosensor ATeam1.03-nD/nA. We generate Arabidopsis sensor lines and investigate the sensor in vitro under conditions appropriate for the plant cytosol. We establish an assay for ATP fluxes in isolated mitochondria, and demonstrate that the sensor responds rapidly and reliably to ATP changes in planta. An ATP map of the Arabidopsis seedling highlights different ATP concentrations between tissues and in individual cell types, such as root hairs. Progression of hypoxia reveals substantial plasticity of ATP homeostasis in seedlings, demonstrating that ATP biochemistry can be monitored at work in the living plant.

Abstract Iron–sulfur (Fe–S) cluster are vital cofactors in all domains of life. Mitochondrial Fe–S cluster assembly occurs in two major steps to first build [2Fe–2S] clusters and subsequently assemble these into [4Fe–4S] clusters. The two assembly machineries are interconnected by glutaredoxin S15 (GRXS15) that transfers [2Fe–2S] clusters to the second machinery. Diminished cluster transfer activity of GRXS15 in Arabidopsis mitochondria causes specific defects associated with lipoyl synthase (LIP1) activity. Conversely, overexpression of LIP1 in wild-type plants causes the release of toxic amounts of sulfide that can be detoxified by increasing the capacity for sulfide fixation through overexpression of O -acetylserine-(thiol)-lyase. The release of sulfide by lipoyl synthase causes a disturbance of mitochondrial sulfide homeostasis resulting in distinct and readily observable macroscopic phenotypes. These phenotypes enable a direct readout of consequences resulting from defects in Fe–S cluster assembly or targeted modulation of Fe–S cluster flux in mitochondria.