Energy balance, organellar redox status, and acclimation to environmental stress

摘要

In plants and algal cells, changes in light intensity can induce intrachloroplastic and retrograde regulation of gene expression in response to changes in the plastoquinone redox status. We review the evidence in support of the thesis that the chloroplast acts as a general sensor of cellular energy imbalance sensed through the plastoquinone pool. Alteration in cellular energy balance caused by chloroplast or mitochondrial metabolism can induce intracellular signalling to affect chloroplastic and nuclear gene expression in response, not only to light intensity, but to a myriad of abiotic stresses. In addition, this chloroplastic redox sensing also appears to have a broader impact, affecting long-distance systemic signalling related to plant growth and development. The organization of the respiratory electron transport chains of mitochondria and heterotrophic prokaryotes is comparable to that of chloroplast thylakoid membranes, and the redox state of the respiratory ubiquinone pool is a well-documented cellular energy sensor. Thus, modulation of electron transport component redox status by abiotic stress regulates organellar as well as nuclear gene expression. From the evidence presented, we suggest that the photosynthetic and respiratory machinery in prokaryotic and eukaryotic organisms have a dual function: primary cellular energy transformation, and global environmental sensing.Chez les cellules des plantes et des algues, les changements d'intensité de la lumière peuvent induire une régulation intrachloroplastique rétrograde des gènes, en réaction aux changements du statut redox des plastoquinones. Les auteurs revoient la preuve qui supporte la thèse à l'effet que le chloroplaste agisse comme senseur général du débalancement de l'énergie cellulaire, perçu par le pool de plastoquinones. Une altération de la balance de l'énergie cellulaire, causée par le métabolisme chloroplastique ou mitochondrial, peut induire des signaux intracellulaires qui affectent l'expression des gènes chloroplastiques et nucléiques, en réaction non seulement à l'intensité lumineuses, mais aussi à une myriade de stress abiotiques. De plus, ce senseur chloroplastique redox semble avoir un impact plus large, affectant les signalements systémiques à longue distance, reliés à la croissance et au développement de la plante. L'organisation des chaînes de transport des électrons respiratoires des mitochondries et des procaryotes hétérotrophes se compare à celle des membranes thylakoïdes des chloroplastes; on sait très bien que l'état redox du pool d'ubiquinones respiratoires agit comme senseur de l'énergie cellulaire. Ainsi, la modulation du statut des composantes redox du transport des électrons par des stress abiotiques règle l'expression des gènes des organelles et du noyau. Sur la base des preuves présentées, les auteurs suggèrent que la machinerie photosynthétique et respiratoire chez les organismes procaryotes et eucaryotes ont une double fonction; transformation énergétique cellulaire primaire, et senseur global de l'environnement.