ABSTRACT Metabolic fluctuations in chloroplasts and mitochondria can trigger retrograde signals to modify nuclear gene expression. Mobile signals likely to be involved are reactive oxygen species (ROS), which can operate protein redox switches by oxidation of specific cysteine residues. Redox buffers such as the highly reduced glutathione pool serve as reservoirs of reducing power for several ROS scavenging and ROS-induced damage repair pathways. Formation of glutathione disulfide (GSSG) and a shift of the glutathione redox potential ( E GSH ) towards less negative values is considered a hallmark of several stress conditions. Here we used the herbicide methyl viologen (MV) to generate ROS locally in chloroplasts of intact Arabidopsis seedlings and recorded dynamic changes in E GSH and H 2 O 2 levels with the genetically-encoded biosensors Grx1-roGFP2 (for E GSH ) and roGFP2-Orp1 (for H 2 O 2 ) targeted to chloroplasts, the cytosol or mitochondria. Treatment of seedlings with MV caused a rapid oxidation in chloroplasts and subsequently also in the cytosol and mitochondria. The MV-induced oxidation was significantly boosted by illumination with actinic light and largely abolished by inhibitors of photosynthetic electron transport. In addition, MV also induced an autonomous oxidation in the mitochondrial matrix in an electron transport chain activity-dependent manner that was milder than the oxidation triggered in chloroplasts by the combination of MV and light. In vivo redox biosensing resolves the spatiotemporal dynamics of compartmental responses to local ROS generation and provide a basis for understanding how compartment-specific redox dynamics may operate in retrograde signaling and stress acclimation in plants. One sentence summary Methyl viologen-induced photooxidative stress causes an increase of H 2 O 2 and oxidation of glutathione in chloroplasts, cytosol and mitochondria as well as autonomous oxidation in mitochondria.

Cytoplasmic male sterility (CMS) is of major agronomical relevance in hybrid breeding. In gametophytic CMS, abortion of pollen is determined by the grain genotype, while in sporophytic CMS, it is determined by the mother plant genotype. While several CMS mechanisms have been dissected at the molecular level, gametophytic CMS has not been straightforwardly accessible. We used the gametophytic Sha-CMS in Arabidopsis to characterize the cause and process of pollen abortion by implementing in vivo biosensing in single pollen and mitoTALEN mutagenesis. We obtained conclusive evidence that orf117Sha is the CMS-causing gene, despite distinct characteristics from other CMS-genes. We measured the in vivo cytosolic ATP content in single pollen, followed pollen development and analyzed pollen mitochondrial volume in two genotypes that differed only by the presence of the orf117Sha locus. Our results show that the Sha-CMS is not triggered by ATP deficiency. Instead, we observed desynchronization of a pollen developmental program. Pollen death occurred independently in pollen grains at diverse stages and was preceded by mitochondrial swelling. We conclude that pollen death is grain-autonomous in Sha-CMS and propose that mitochondrial permeability transition, which was previously described as a hallmark of developmental and environmental-triggered cell death programs, precedes pollen death in Sha-CMS.

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.

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.