Mitochondrial biogenesis during seed germination of Arabidopsis thaliana is dependent on mitochondrial dynamics and mitophagy

by Gaël Paszkiewicz

Doctoral thesis in Biologie cellulaire et moléculaire végétale

Under the supervision of David Logan and David Macherel.

defended on 16-02-2017

in Angers , under the authority of École doctorale Végétal-Environnement-Nutrition-Agro-Alimentaire-Mer (Angers) , in a partnership with 10 - IRHS (Institut de Recherche en horticulture et semences) (laboratoire) and UMR1345 IRHS (laboratoire) .

Thesis committee President: Hakim Mireau.

Examiners: Ralf Reski, Philippe Giegé.


  • Abstract

    Mitochondrial dynamics underpin their function and maintenance. In dry seeds, all cellular processes are in stasis due to a low water content. Thus, the developmental switch leading to germination necessarily involves a reactivation of cellular dynamics. In order tobetter understand the role played by mitochondrial dynamics during germination we used Arabidopsis as a model for a bioimaging approach to investigate the rapid reactivation of mitochondria that is required in order to provide ATP to support germination. Bioenergetic reactivation, visualised as the presence of a mitochondrial membrane potential, is almost immediate upon rehydration. However, the reactivation of mitochondrial dynamics only occurs after several hours of rehydration. The reactivation of mitochondrialbioenergetics and dynamics lead to a dramatic reorganisation of the chondriome involving massive fusion and membrane biogenesis to form a perinuclear tubuloreticular structure enabling mixing of previously discrete mtDNA nucleoids. Mitophagy, an indicator of mitochondrial quality, is reactivated concomitant with a reactivation of mitochondrial dynamics, but is repressed at time of mitochondrial biogenesis. The end of germination coincides with fragmentation of the tubular chondriome leading to a doubling of mitochondrialnumber and heterogeneous redistribution of the nucleoids amongst the mitochondria, generating a population of mitochondria tailored to seedling growth. This thesis provides strong evidence for the tight interweaving of mitochondrial dynamics, mitochondrialbiogenesis and mitochondrial quality control that is required to ensure effective germination and the transition to autotrophy.

  • Alternative Title

    La biogenèse mitochondriale durant la germination d'Arabidopsis thaliana est dépendante de la dynamique mitochondriale et de la mitophagy


  • Abstract

    La dynamique mitochondriale est impliquée dans la maintenance et la fonction des mitochondries. Dans les graines sèches tout les processus cellulaires sont arrêtés du fait de la faible teneur en eau des tissues, et la transition développementale que représente la germination requiert la réactivation de la dynamique cellulaire. Une approche de bio-imagerie sur la plante modèle Arabidopsis a été utilisée afin d’étudier la réactivation des mitochondries nécessaire à la germination. La réactivation bioénergétique des mitochondries, mesurée par la présence du potentiel membranaire, intervient dès le début de l’hydratation des tissus. Cependant les mitochondries restent statiques et la dynamique mitochondriale ne reprend que plus tardivement. La réactivation des mitochondries provoque une réorganisation du chondriome impliquant la biogenèse de membranes et une fusion massive menant à la formation de structures réticulaires et périnucléaires, qui permet le mélange des nucléoïdes d’ADNmt précédemment isolés en unités discrètes. La mitophagie, un indicateur de la qualité mitochondriale, est réactivée de manière concomitante à la dynamique, alors qu’elle est réprimée durant la biogenèse des mitochondries. La fin de la germination coïncide avec la fragmentation du chondriome tubulaire, menant au doublement du nombre de mitochondrie et à une redistribution hétérogène des nucléoïdes dans le chondriome, générant une population de mitochondrie adaptée à la croissance des plantules. Cette thèse met en évidence l’imbrication des processus de dynamique mitochondriale, de biogenèse et de contrôle qualité des mitochondries requis pour la germination et pour la transition vers l’autotrophie.


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