Investigando a compatibilidade entre as fotossínteses C4 e CAM em um mesmo indivíduo: mudanças no perfil transcricional global, regulação hormonal e localização tecidual da maquinaria C4 e CAM em Portulaca oleracea

Resumo

Os ciclos C4 e CAM são os dois mecanismos concentradores de carbono conhecidos, que evoluíram da fotossíntese C3 em diferentes linhagens vegetais. Apresentam semelhanças bioquímicas, mas representam adaptações ecológicas diferentes: C4 garante à planta um melhor desempenho fotossintético em altas temperaturas e intensidades luminosas; e CAM aumenta a tolerância à seca e provê maior eficiência no uso da água. Em algumas linhagens, o C4 e o CAM surgiram independentemente várias vezes, indicando que suas trajetórias evolutivas podem apresentar etapas em comum. Pensava-se que estas duas síndromes eram incompatíveis entre si, mas algumas espécies do gênero Portulaca, capazes de realizar fotossíntese C4 e CAM em uma mesma folha, indicam que nosso conhecimento ainda é incompleto. Trabalhos recentes sugerem que o ancestral de Portulaca realizava CAM facultativo sobre o qual evoluiu um sistema C4 funcional, mas mantendo sua capacidade de realizar CAM. Nosso laboratório selecionou P. oleracea como um modelo para explorar a regulação bioquímica, fisiológica e genética da expressão de CAM. Nossos resultados revelaram que esta espécie opera a transição C4-CAM nas folhas e C3-CAM nos caules, os quais não apresentam anatomia Kranz. Recentemente, desenvolvemos um protocolo de transformação estável para esta espécie, permitindo que manipulações genéticas e análises funcionais sejam feitas em genes de interesse no futuro. Deste modo, P. oleracea representa um modelo único para explorar a base bioquímica e genética que garantem o funcionamento de C3, C4 e CAM em um mesmo organismo. A pesquisa aqui proposta irá explorar os fatores-chave deste cenário fotossintético complexo e, assim, contribuir para o estabelecimento de Portulaca como um modelo para o estudo de ambas as síndromes C4 e CAM. Este projeto tem como objetivos principais: 1) identificar a(s) subespécie(s) do complexo P. oleracea com maior plasticidade na expressão de CAM, a partir da comparação entre atributos fisiológicos e anatômicos de folhas e caules; 2) utilizar análises de RNA-seq para identificar os componentes chave dos mecanismos C4 e CAM, assim como os elementos regulatórios responsáveis pelo controle das transições entre C3, C4 e CAM; 3) explorar os eventos de sinalização responsáveis pelos ajustes na expressão do CAM em caules e folhas em resposta à variações na disponibilidade hídrica; 4) caracterizar a configuração espacial dos ciclos C4 e CAM dentro da folha, utilizando hibridização in-situ com sondas de RNAm específicas para genes-chave associados às síndromes CAM e C4. Desenvolvemos três hipóteses que serão testadas: 1) Por ser uma espécie cosmopolita, P. oleracea apresentaria elevada plasticidade na expressão do CAM ao compararmos subespécies oriundas de ambientes contrastantes; 2) A evolução do ciclo C4 a partir de um organismo que já realizava CAM pode ter ocorrido com o recrutamento de isogenes específicos para C4, que podem ser regulados por sinais ambientais e/ou endógenos diferentes daqueles envolvidos na regulação do CAM; 3) Os mecanismos C4 e CAM operam na mesma folha devido a um sistema inovador envolvendo duas células, em que ácidos orgânicos são produzidos e estocados nas células do mesofilo durante a noite e transportados para as células da bainha vascular para descarboxilação; ou, então, C4 e CAM ocorreriam dentro de uma mesma célula do mesofilo por meio de alterações ainda mais profundas no padrão clássico de funcionamento desses metabolismos. Finalmente, cabe ressaltar que C4 e CAM representam interessantes adaptações fisiológicas do ponto de vista funcional e evolutivo, e são mecanismos importantes para o homem por ocorrerem em cultivares usados na produção de alimentos e biocombustíveis. Portanto, explorar a complexidade de Portulaca representa uma oportunidade única de desvendar um mapa genético para o desenvolvimento futuro via engenharia genética de super-cultivares que possam intercalar C4 e CAM conforme a disponibilidade de recursos no ambiente.