Enhanced photosynthetic efficiency in a Solanum pennellii chromosome 2 QTL

Abstract

Photosynthesis, one of the most important physiological processes, may be limited both by variations in diffusive and biochemical properties. Several studies have demonstrated that the genetic variation in these properties possibility to increase rates of carbon assimilation and plant yield. In a previous study utilizing a Solanum pennellii introgression lines (IL) population of 71 lines, the IL 2-5 and 2-6 displayed photosynthetic rates increased by up to 22% in comparison with control plants. However, understanding the genetic and physiological basis of potential mechanisms involved in the enhanced CO 2 assimilation exhibited by these lines is essential for further biotechnological applications. Thus, this study aimed to uncover the physiological factors involved in the up regulation of photosynthesis in the IL 2-5 and IL 2-6. The ILs have increased photosynthetic capacity followed by higher biomass production when compared to M82. Despite the higher photosynthetic capacity, any difference in relation to stomatal and mesophyll conductance was observed. Nevertheless, the maximum carboxylation velocity, maximum electron transport capacity and chloroplastidic CO 2 concentration correlated positively with carbon isotope composition. Further metabolite analysis also revealed that the higher photosynthetic capacity was associated with higher levels of Rubisco as well as of starch. Analysis of Western blot and data from A/C i curve confirmed that biochemical properties are involved in genetic variation on chromosome 2 which has been related to positive effects on photosynthesis and carbon metabolism.

A fotossíntese, um dos processos fisiológicos mais importantes, pode ser limitada tanto por variações nas propriedades difusivas quanto bioquímicas. Vários estudos têm demonstrado que a variação genética nestas características possibilita aumentar as taxas de assimilação de carbono e produtividade das plantas. Em um estudo anterior utilizando uma população de 71 linhas de introgressão de Solanum pennellii (IL), as ILs 2-5 e 2-6 apresentaram aumento nas taxas fotossintéticas em até 22% em comparação com plantas controle. Não obstante, a compreensão das bases genéticas e fisiológicas dos potenciais mecanismos envolvidos na maior assimilação de CO 2 apresentada por essas linhas é essencial para aplicações biotecnológicas futuras. Assim, este estudo teve por objetivo investigar os fatores fisiológicos envolvidos na regulação positiva da fotossíntese nas IL 2-5 e IL 2-6. As duas ILs apresentaram aumento na capacidade fotossintética seguido por maior produção de biomassa quando comparadas ao M82. Apesar da maior capacidade fotossintética, não foram observadas diferenças em relação à condutância estomática e mesofílica. No entanto, a velocidade máxima de carboxilação, a capacidade de transporte de elétrons e a concentração de CO 2 cloroplastídico correlacionaram-se positivamente com a composição isotópica de carbono. Análises metabólicas revelaram também que a maior capacidade fotossintética das ILs foi associada a elevados níveis de Rubisco, bem como de amido. A análise do Western blot e dos dados da curva A / C i confirmou que propriedades bioquímicas estão envolvidas na variação genética no cromossomo 2 o qual tem sido relacionado a efeitos positivos na fotossíntese e metabolismo do carbono.