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

• Processo: 16/04755-4
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Data de Início da vigência: 01 de julho de 2016
• Data de Término da vigência: 31 de agosto de 2021
• Área de conhecimento: Ciências Biológicas - Botânica - Fisiologia Vegetal
• Pesquisador responsável: Luciano Freschi
• Beneficiário: Renata Callegari Ferrari
• Instituição Sede: Instituto de Biociências (IB). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Auxílio(s) vinculado(s): 20/11456-9 - Explorando a plasticidade C4-CAM no complexo Portulaca oleracea, PUB.ART
• Assunto(s): Fotossíntese Fixação do carbono Estresse hídrico Análise de sequência de RNA Portulacaceae
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: adaptação fotossintética | Estresse Hídrico | Fotossíntese C4 | metabolismo ácido das crassuláceas (CAM) | RNA-seq | Sinalização Hormonal | Fotossíntese

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. (AU)

Publicações científicas

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(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

FERRARI, RENATA C.; BITTENCOURT, PRISCILA P.; RODRIGUES, MARIA A.; MORENO-VILLENA, JOSE J.; ALVES, FREDERICO R. R.; GASTALDI, VINICIUS D.; BOXALL, SUSANNA F.; DEVER, LOUISA V.; DEMARCO, DIEGO; ANDRADE, SONIA C. S.; et al. C-4 and crassulacean acid metabolism within a single leaf: deciphering key components behind a rare photosynthetic adaptation. NEW PHYTOLOGIST, v. 225, n. 4, p. 1699-1714, FEB 2020. (16/04755-4)

FERRARI, RENATA CALLEGARI; CRUZ, BRUNA COELHO; GASTALDI, VINICIUS DAGUANO; STORL, THALYSON; FERRARI, ELISA CALLEGARI; BOXALL, SUSANNA F.; HARTWELL, JAMES; FRESCHI, LUCIANO. Exploring C-4-CAM plasticity within the Portulaca oleracea complex. SCIENTIFIC REPORTS, v. 10, n. 1, AUG 28 2020. (16/04755-4)

FERRARI, RENATA CALLEGARI; KAWABATA, ALINE BASTOS; FERREIRA, SAVIO SIQUEIRA; HARTWELL, JAMES; FRESCHI, LUCIANO. A matter of time: regulatory events behind the synchronization of C-4 and crassulacean acid metabolism in Portulaca oleracea. Journal of Experimental Botany, v. N/A, p. 19-pg., 2022-04-19. (16/04755-4)

FERRARI, RENATA CALLEGARI; BITTENCOURT, PRISCILA PIRES; NAGUMO, PAULA YUMI; OLIVEIRA, WILLIAN SILVA; RODRIGUES, MARIA AURINEIDE; HARTWELL, JAMES; FRESCHI, LUCIANO. Developing Portulaca oleracea as a model system for functional genomics analysis of C-4/CAM photosynthesis. FUNCTIONAL PLANT BIOLOGY, v. 48, n. 7, DEC 2020. (16/04755-4)

Publicações acadêmicas

(Referências obtidas automaticamente das Instituições de Ensino e Pesquisa do Estado de São Paulo)

FERRARI, Renata Callegari. Fotossíntese C4 e metabolismo ácido das crassuláceas (CAM) em uma mesma folha: elucidando os componentes, a plasticidade e a sinalização por trás de uma rara adaptação fotossintética. 2021. Tese de Doutorado - Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Biociências (IBIOC/SB) São Paulo.