Genetic and phenotypic diversity in Cleomaceae family to understand carbon concentrating mechanisms

Abstract

Population growth and climate change, such as droughts and high temperatures, are challenging food production. To address these challenges, it is necessary to develop sustainable strategies that increase plant productivity and promote environmental adaptation. An interesting strategy in this regard is the optimization of photosynthesis. Photosynthesis, mediated by the enzyme RuBisCO, faces a limitation due to its oxygenase activity, which generates 2-phosphoglycolate (2PG), a toxic metabolite that reduces photosynthetic efficiency. To eliminate 2PG, the plant needs to expend energy in the photorespiration process, which compromises the efficiency of the process. In order to mitigate the negative effects of photorespiration, some plants have de-veloped carbon concentrating mechanisms, such as plants with a C4 photosynthetic mechanism that have high photosynthetic efficiency. In this context, the Cleomaceae family has great poten-tial as a model for studying the evolution of the C4 photosynthetic mechanism in eudicots. The main objective was to understand how species of the Cleomaceae family can provide new insights into the establishment of the C4 mechanism. Chapter I focuses on the species Tarenaya siliculifera, which, despite being described as C3, has morphological and physiological characteristics that suggest an intermediate C3-C4 photosynthetic mechanism. Comparison with Gynandropsis gynandra (C4) and Tarenaya longicarpa (C3) indicated that T. siliculifera shares anatomical traits and photosynthetic responses typical of intermediate plants, suggesting the presence of a C3-C4 mechanism. In Chapter II, the viability of interspecific hybridization within the family was investigated. The combination of T. longicarpa (C3) and G. gynandra (C4) re- sulted in viable and fertile hybrids with intermediate characteristics. These hybrids showed anatomical and biochemical adaptations and a reduction in the CO2 compensation point, indicating an early stage of transition to C4 photosynthesis known as the proto-Kranz phenotype. Finally, Chapter III details the selfing and backcrossing experiments of the interspecific hybrids, with the aim of understanding the inheritance of the C4 photosynthetic mechanism. The results showed high diversity in the F2 populations, allowing analysis of genetic segregation of characters related to leaf anatomy, CO2 transport and expression of key enzymes of the C4 pathway. These studies offer new opportunities to understand how environmental factors interact with the ex-pression of C4 genes. Taken together, the research contributes to understanding the establish-ment of the C4 photosynthetic mechanism in eudicots, with implications for improving photosynthetic efficiency in agricultural crops and advancing knowledge about the evolution of photosynthetic mechanisms. Keywords: Interspecific hybridization; C3-C4 intermediate mechanisms; Tarenaya longicarpa; Tarenaya siliculifera; Gynandropsis gynandra

O crescimento populacional e as mudanças climáticas, como secas e altas temperaturas, desafiam a produção de alimentos. Para enfrentar esses desafios, é necessário desenvolver estratégias sustentáveis que aumentem a produtividade das plantas e promovam a adaptação ambiental. Uma estratégia interessante nesse sentido é a otimização da fotossíntese. A fotossíntese, mediada pela enzima RuBisCO, enfrenta uma limitação devido à sua atividade oxigenase, que gera 2- fosfoglicolato (2PG), um metabolito tóxico que reduz a eficiência fotossintética. Para eliminar 2PG, a planta precisa gastar energia no processo de fotorrespiração, o que compromete a eficiência do processo. Visando mitigar os efeitos negativos da fotorrespiração, algumas plantas desenvolveram mecanismos concentradores de carbono, como é o caso das plantas com mecanismo fotossintético C4 que possuem uma alta eficiência fotossintética. Nesse contexto, a família Cleomaceae apresenta um grande potencial como modelo para estudar a evolução do mecanismo fotossintético C4 em eudicotiledôneas. O objetivo principal deste trabalho foi entender como as espécies da família Cleomaceae podem fornecer novas informações sobre os diferentes está-gios de desenvolvimento do mecanismo C4 a partir de espécies C3. O Capítulo I trata-se de uma descrição detalhada da espécie Tarenaya siliculifera. A comparação com Gynandropsis gynandra (C4) e Tarenaya longicarpa (C3) sugere que T. siliculifera compartilha traços anatômicos e fisiológicos semelhantes aos observados em espécies que apresentam um mecanismo fotossintético intermediário C3-C4. No Capítulo II, foi investigada a viabilidade da hibridação interespecífica dentro da família Cleomaceae. Para isso foi realizado o cruzamento de T. longicarpa (espécie com mecanismo fotossintético C3) e G. gynandra (espécie com mecanismo concentrador de CO2 do tipo C4). Plantas produzidas a partir dos cruzamentos realizados resultaram em linhas híbridas viáveis e férteis. Essas linhas híbridas apresentaram adaptações anatômicas, semelhantes ao fenótipo proto-Kranz, e bioquímicas, ambas associadas a redução no ponto de compensação de CO2 porém sem alterações na discriminação isotópica do Carbono. Visando entender a herança de características anatômicas e fisiológicas, o Capítulo III descreve a geração e caracterização de híbridos provenientes de autofecundação e retrocruzamentos. Os resultados indicam alta diversidade nas progênies, permitindo análises de segregação genética de caracteres relacionados à anatomia foliar, transporte de CO2 e fixação de carbono. As progênies obtidas de autofecundação e retrocruzamentos oferecem boas oportunidades para seleção de genótipos com características de interesse e a sucessão de cruzamentos pode ser uma ferramenta interessante para selecionar genes candidatos a introgressão de características C4 em espécies C3. Em conjunto, a pesquisa contribui para o entendimento da instalação do mecanismo fotossintético C4 em eudicotiledôneas, com implicações para a melhoria da eficiência fotossintética em culturas agrícolas e o avanço do conhecimento sobre a evolução dos mecanismos fotossintéticos. Palavras-chave: Hibridação interespecífica; Mecanismos intermediários C3-C4; Tarenaya longicarpa; Tarenaya siliculifera; Gynandropsis gynandra