As plantas desenvolveram muitas maneiras de usar a luz solar para converter água e dióxido de carbono em açúcares e oxigênio ricos em energia (fotossíntese). Mas quando a água é escassa, este processo pode tornar-se ainda mais difícil.
Pesquisadores liderados por Wolfram Weckworth, da Universidade de Viena, descobriram agora como uma forma de fotossíntese (CAM) particularmente eficiente em termos de água evoluiu de múltiplas maneiras dentro de uma única espécie de árvores tropicais. Ao comparar os genomas dos três Clúsia espécies, a equipe explorou como extensos rearranjos genéticos após a duplicação do genoma antigo ajudaram a produzir diferentes formas de CAM. As descobertas foram publicadas recentemente comunicação da natureza.
Um mistério da fotossíntese de 200 anos
Por volta de 1800, Alexander von Humboldt notou algo incomum enquanto estudava uma árvore tropical. Ele colocou uma de suas folhas na água e descobriu que, mesmo sob a luz do sol, ela não produzia as bolhas de oxigênio que ele havia visto antes.
A explicação para isso está na programação diária incomum da planta. Seus estômatos, pequenos poros que normalmente absorvem CO2 e liberam oxigênio durante o dia, fechando quando o sol nasce, reduzindo assim a perda de água por evaporação. Em vez disso, a planta absorve CO2 À noite, liga-se quimicamente e armazena-o como ácido málico.
Esta estratégia é conhecida como ‘fotossíntese CAM’ (Metabolismo do Ácido Crassuláceo). Embora os cientistas já saibam há muito tempo como o CAM funciona, como exatamente ele evoluiu dentro do gênero ClúsiaE por que diferentes espécies o utilizam de maneiras diferentes ainda não está claro.
Comparando três genomas de árvores tropicais
Para investigar, os pesquisadores analisaram o genoma de três Clúsia Espécies com diferentes fenótipos CAM: Clúsia rósea, Clúsia menor, E Clúsia Maior. Eles combinaram dados moleculares com medições de como as plantas funcionam em condições ambientais realistas.
Linhagem Clúsia É particularmente valioso para estudar a evolução da fotossíntese porque contém as únicas árvores conhecidas que utilizam CAM. Suas espécies apresentam uma gama incomumente ampla de estratégias fotossintéticas, que vão desde o tradicional C3 A fotossíntese, na qual o dióxido de carbono é absorvido durante o dia, resulta em CAM muito forte.
Essa diversidade dá aos cientistas uma rara oportunidade de examinar como as plantas podem fazer a transição entre diferentes formas de fotossíntese.
A duplicação do genoma antigo reviveu a fotossíntese
A análise genômica revelou que todos os três Clúsia A espécie é poliplóide antiga. Em algum momento de sua história evolutiva, seus genomas foram multiplicados (poliploidização). A longo prazo, esses genomas ampliados são então reorganizados e remodelados (diploidização).
“Neste processo, as cópias dos genes são perdidas, tornam-se inativadas ou assumem novas funções”, explica o autor principal Hannes Cramml, do Departamento de Biologia de Sistemas Moleculares, Ecologia Funcional e Evolutiva da Universidade de Viena.
O segundo autor principal, Johannes Herpel, diz: “Os genes são importantes para o CO à noite2 “O armazenamento é particularmente afetado no metabolismo CAM”.
Em vez de simplesmente transportar cópias extras do mesmo gene, as plantas transformaram gradualmente esses genomas duplicados em algo diferente.
“Os genomas não se multiplicaram simplesmente; ao longo de milhões de anos, eles foram reorganizados, reduzidos e recombinados funcionalmente. Esta enorme plasticidade explica a diversidade fisiológica das CAMs no gênero Clúsia” explica o líder do estudo Wolfram Weckworth.
Árvores diferentes usam CAM de maneiras diferentes
Os pesquisadores examinaram então como essas diferenças genéticas afetaram as plantas. Eles monitoraram as árvores em condições naturais de estufa ao longo do dia, variando a quantidade de água disponível.
A equipe combinou medições de fisiologia vegetal com análises de atividade genética, proteínas e produtos metabólicos.
As três espécies mostraram atitudes surpreendentemente diferentes. clusia rosea Utiliza CAM forte e armazena quantidades substanciais de dióxido de carbono na forma de ácido málico durante a noite. clusia menor CAM é ativado principalmente quando passa por situações estressantes. Clúsia MaiorEnquanto isso, uma estratégia híbrida é usada combinando C3 Fotossíntese e CAM.
Essas diferenças fisiológicas também foram visíveis nos padrões de atividade genética e metabolismo, permitindo aos investigadores vincular o comportamento das plantas às alterações genómicas que identificaram.
Os resultados mostram que o CAM dentro Clúsia Não foi criado por nenhum evento evolutivo único. Em vez disso, repetidas rondas de rearranjos genómicos geraram diferentes versões de estratégias de poupança de água, ajudando espécies individuais a adaptarem-se a nichos ecológicos muito diferentes.
Pistas para culturas mais resistentes à seca
Os resultados poderiam, em última análise, ter implicações além das árvores tropicais.
As plantas CAM requerem significativamente menos água do que as plantas que dependem apenas de formas mais tradicionais de fotossíntese, tornando-as modelos potencialmente úteis para o desenvolvimento de culturas resilientes ao clima.
Informações genômicas recentemente disponíveis podem ajudar os pesquisadores a identificar processos metabólicos envolvidos na eficiência do CO2 Programação e alta eficiência no uso da água. A longo prazo, esse conhecimento poderá ajudar os cientistas a desenvolver culturas mais bem adaptadas às condições ambientais secas.
