Introdução de características do mecanismo fotossintético C4 em espécies C3 da família Cleomaceae

Abstract

Cleomaceae é uma família de plantas interessante para estudos de evolução do mecanismo fotossintético C4 , uma vez que contém representantes dos três mecanismos (C3, C4 e C3 -C4 ). O mecanismo fotossintético C4 evoluiu independentemente da fotossíntese C3 . Para estabelecimento do mecanismo C4 ocorreram adaptações morfofisiológicas nas plantas, tais como a diferenciação de células da bainha do feixe vascular, alterações da maquinaria enzimática e aumento do transporte de metabólitos, gerando um mecanismo com maior eficiência fotossintética. Neste trabalho foram gerados híbridos interespecíficos entre duas espécies C3 (T. hassleriana e T. longicarpa) e uma espécie C4 (G. gynandra), ambas da família Cleomaceae., a fim de promover interações genômicas que resultam em fenótipos distintos dos observados nos parentais em relação ao mecanismo fotossintético. Os híbridos e parentais foram avaliados em termos de características anatômicas, bioquímicas e fisiológicas. As linhas híbridas obtidas entre o cruzamento de T. longicarpa e G. gynandra apresentaram anatomia proto-Kranz, caracterizadas por aumento na largura das células da bainha do feixe vascular, aumento na densidade de venação, e redução na distância internerval, além de apresentarem redução de aproximadamente 20% no ponto de compensação de CO2 em relação a T. longicarpa. O perfil metabólico em folhas dessas mesmas linhas híbridas apresentou mínimas diferenças, porém capazes de diferenciar híbridos e parentais em uma análise de componentes principais. Em termos de viabilidade de sementes verificou-se que os cruzamentos entre T. longicarpa e G. gynandra produziram sementes viáveis e descendentes férteis, apresentando potencial para seguir com estudos na população F2. Portanto, os resultados obtidos demonstram o potencial da hibridação interespecífica utilizando espécies da família Cleomaceae em oferecer novas perspectivas para estudos de mecanismos concentradores de CO2 em plantas. Palavras-chave: Cleomaceae. Hibridação interespecífica. Mecanismos concentradores de CO2 . Metabolismo.

Cleomaceae family contains representatives of three photosynthetic mechanisms (C3, C4 and C3-C4 ). Thus, this is an interesting family of plants for studies on evolution of C4 photosynthetic mechanism. The C4 photosynthetic mechanism evolved independently from C3 photosynthesis. For establishment of C4 mechanism, morphophysiological adaptations have occurred in plants, such as differentiation of bundle sheath cells, alterations of enzymatic machinery and increase of metabolic transport, generating a mechanism with greater photosynthetic efficiency. In this work, we generated interspecific hybrids of the C3 species Tarenaya hassleriana and Tarenaya longicarpa and the species C4 Gynandropsis gynandra, all from Cleomaceae family, in order to promote genomic interactions that result in distinct phenotypes from the ones observed in parents. The hybrids and the parents were evaluated in terms of anatomic, biochemical and physiological traits. The obtained hybrid lines exhibited proto-Kranz like anatomy, characterized by increased number of bundle sheath cells, higher venation density, and reduction in internerval distance. The hybrid genotypes exhibited about 20% lower CO2 compensation point in relation to the C3 parental T. longicarpa. Illuminated leaf metabolite profile of hybrid genotypes showed mild alterations, but yet capable of differentiating hybrids and parents in a principal component analysis. In terms of seed viability, it was found that crosses between T. longicarpa and G. gynandra produced viable seeds and fertile descendants, with potential to continue with studies in the F2 population. Therefore, the obtained results demonstrate the potential of interspecific hybridization using species from Cleomaceae family to offer new perspectives for studies of CO2 concentrator mechanisms in plants. Keywords: Cleomaceae. Interspecific hybridization. CO2 concentrating mechanisms. Metabolism.