Variaciones en el ciclo Calvin-Benson: presiones de selección y optimización?

El ciclo Calvin-Benson es la base de la fijación del carbono en todos los organismos fotosintéticos. Sin embargo, se sabe relativamente poco sobre la medida en que su funcionamiento varía entre especies. Utilizando un enfoque de perfiles de metabolitos, se descubrieron diferencias en los niveles de los intermediarios clave del ciclo de Calvin-Benson entre las especies C3 y C4. Estas diferencias en los grupos de metabolitos se observaron entre las especies C3, así como entre las plantas C3 y C4. Este trabajo plantea la interesante posibilidad de que las distintas presiones de selección sobre los componentes del ciclo de Calvin-Benson hayan conducido a su optimización independiente entre especies.

En 1954, Melvin Calvin, Andrew Benson y James Bassham publicaron la vía metabólica utilizada para fijar el CO2 atmosférico: el ciclo de Calvin-Benson (Bassham et al., 1954). Sus descubrimientos fundamentales se basaron en la alimentación del alga Chlorella con CO2 marcado con 14C y en el seguimiento del etiquetado de los metabolitos a lo largo del tiempo (Bassham et al., 1954; Sharkey 2018). Descubrieron que el ciclo se compone de tres fases: en primer lugar, la enzima ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa (Rubisco) fija el CO2 utilizando la ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP) como aceptor, produciendo dos moléculas de 3 carbonos, el 3-fosfoglicerato (3-PGA). En segundo lugar, el ATP y el NADPH generados durante la cadena de transporte de electrones fotosintética (las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis) se utilizan para fosforilar y, posteriormente, reducir la 3-PGA a fosfato de triosa (triosa-P). En tercer lugar, el aceptor de CO2 RuBP se regenera mediante una serie de reacciones (Cuadro 1). La mayoría de las enzimas implicadas en este ciclo se descubrieron antes o poco después (Horecker et al. 1951; Racker et al., 1953; Mayoudan et al., 1957). Desde entonces, en general se ha asumido que el funcionamiento del ciclo Calvin-Benson está muy conservado entre las diferentes especies de plantas.

Cuadro 1.

El ciclo Calvin-Benson

El ciclo Calvin-Benson se compone de tres fases: (1) fijación del carbono, (2) reducción y (3) regeneración del aceptor de CO2.

La carboxilación se realiza a través de la ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa (Rubisco), que fija el CO2 utilizando la ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP) como aceptor y al hacerlo produce dos moléculas de 3 carbonos de 3-fosfoglicerato (3-PGA). El 3-PGA es posteriormente fosforilado por la fosfoglicerato quinasa (PGK) y reducido a triosa fosfato (triosa-P) por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) en la fase de reducción. El ciclo utiliza 3 ATP y 2 NADPH por cada molécula de CO2 fijada. La triosa-P puede ser transportada fuera del cloroplasto para producir sacarosa en el citosol. La fructosa 1,6-bisfosfato aldolasa (FBP ald) puede convertir la triosa-P en fructosa-6-fosfato (F6P), el intermediario utilizado para producir almidón. Además, la triosa-P puede convertirse en RuBP en una serie de reacciones de regeneración para fijar más moléculas de CO2.

Abstáculos: fructosa-1,6-bisfosfato (FBP), fructosa-1,6-bisfosfatasa (FBPase), eritrosa-4-fosfato (E4P), sedoheptulosa 1,7-bisfosfato aldolasa (SBP ald), sedoheptulosa-1,7-bisfosfato (SBP), sedoheptulosa-1,7-bisfosfatasa (SBPase), sedoheptulosa-7-fosfato (S7P), transketolasa (TK), ribosa-5-fosfato (R5P), xilulosa-5-fosfato (Xu5P), ribosa-5-fosfato isomerasa (RPI), ribulosa-5-fosfato epimerasa (RPE), ribulosa-5-fosfato (Ru5P), fosforibulocinasa (PRK). Las enzimas que catalizan reacciones irreversibles están resaltadas con una flecha gruesa en negrita (es decir, Rubisco, FBPasa, SBPasa y PRK).

En la gran mayoría de las plantas terrestres, junto con las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis, el ciclo de Calvin-Benson se lleva a cabo principalmente en las células del mesófilo de las hojas. Sin embargo, la Rubisco discrimina mal entre el CO2 y el O2 (Bowes et al., 1971) y la fijación de una molécula de O2 en lugar de CO2 da lugar a la fotorrespiración, una vía de recuperación energéticamente cara para recuperar la RuBP. Después de que la concentración atmosférica de CO2 disminuyera drásticamente hace 2.300 millones de años (Bekker et al., 2004), evolucionaron dos mecanismos de concentración de carbono que limitaron la cantidad de fotorrespiración. Estas modificaciones del proceso fotosintético básico, la fotosíntesis C4 y el metabolismo ácido crasuláceo (CAM), surgieron cada una de ellas en múltiples ocasiones (Sage et al., 2011). La fotosíntesis C4 implica la separación espacial de la fotosíntesis de manera que los componentes de las reacciones dependientes de la luz y el ciclo de Calvin-Benson ocurren en las células del mesófilo y de la vaina del haz (Cuadro 2). A pesar de las diferencias en la localización anatómica de la fijación del carbono, hasta ahora se sabía poco sobre cómo el funcionamiento del ciclo de Calvin-Benson puede ser diferente en las plantas C4 frente a las C3 y también entre las plantas C3.

Cuadro 2.

El mecanismo de concentración de carbono en las plantas C4

En 1966, Hal Hatch y Roger Slack descubrieron la fotosíntesis C4 (Hatch y Slack, 1966), que implica un mecanismo de concentración de carbono añadido a la vía regular de fijación del carbono C3. Utilizaron el etiquetado con 14C para demostrar que el CO2 en las hojas de la caña de azúcar se fijaba primero en un ácido de 4 carbonos, en lugar de en 3-fosfoglicerato (3-PGA) como en las plantas C3. Las plantas C4 utilizan la fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEPC) como enzima fijadora de carbono inicial en las células del mesófilo. El ácido de 4 carbonos (malato o aspartato según el tipo de fotosíntesis C4) producido en las células del mesófilo entra entonces en las células de la vaina del haz, donde se descarboxila y se libera CO2. Este mecanismo de concentración de carbono permite a la Rubisco actuar casi exclusivamente como carboxilasa durante el ciclo Calvin-Benson dentro de las células de la vaina del haz. Además de una reconfiguración de las enzimas metabólicas existentes, la vía C4 requiere el desarrollo de una anatomía foliar especializada (anatomía de Kranz) que incluye un aumento del espacio entre las venas y del tamaño de las células de la vaina del haz. Clásicamente, se han reconocido tres tipos diferentes de fotosíntesis C4, denominados según la enzima principal responsable de la reacción de descarboxilación en las células de la vaina del haz: NAD-ME, NADP-ME o tipo PEPCK. Abreviaturas: anhidrasa carbónica (CA), oxaloacetato (OA), malato deshidrogenasa dependiente de NADP (NADP-MDH), malato (M), enzima málica dependiente de NADP (NADP-ME), piruvato (Pyr), piruvato, ortofosfato diquinasa (PPDK), fosfoenolpiruvato (PEP).

Variación de los metabolitos del ciclo de Calvin-Benson entre especies

El ciclo de Calvin-Benson es, sin duda, una de las vías bioquímicas más críticas del planeta, ya que es la vía de asimilación del carbono en las plantas, el corazón de la fotosíntesis. Pero, ¿todas las especies vegetales realizan esta vía de la misma manera? Arrivault et al. (2019) perfilaron la abundancia de metabolitos del ciclo Calvin-Benson de cinco plantas C3 (incluyendo Arabidopsis y varios cultivos importantes como el arroz, el trigo y la yuca) y cuatro plantas C4 (incluyendo el maíz). Los metabolitos totales se extrajeron de hojas maduras y se midieron mediante cromatografía líquida en fase inversa acoplada a espectrometría de masas en tándem (LC-MS/MS). Para una cuantificación fiable, las muestras se enriquecieron con estándares de metabolitos internos marcados con isótopos; el 3-PGA se cuantificó enzimáticamente. Los perfiles de metabolitos de las diferentes especies de plantas se compararon mediante un análisis de componentes principales.

Sorprendentemente, Arrivault et al. (2019) descubrieron diferencias sustanciales en los perfiles de metabolitos de los intermediarios del ciclo de Calvin-Benson entre las cinco especies C3 que estudiaron. Los intermediarios que más variaron fueron los niveles absolutos de 3-PGA, triosa-P, ribulosa-5-fosfato (Ru5P) y xilulosa-5-fosfato (Xu5P). Los niveles relativos de RuBP comparados con los niveles de los intermediarios implicados en la regeneración de RuBP fueron variables entre las especies. Además, los autores demostraron variabilidad en los niveles relativos de pares de metabolitos como la fructosa-1,6-bisfosfato (FBP) y la fructosa-6-fosfato (F6P), que se unen a través de la reacción irreversible de la FBPasa; y en el par de metabolitos sedoheptulosa-1,7-bisfosfato (SBP) y sedoheptulosa-7-fosfato (S7P), que son interconvertidos irreversiblemente por la SBPasa. En la mayoría de los casos, las cinco especies C3 se separaron claramente unas de otras en el análisis de componentes principales. El grado de separación dependía de si los datos se normalizaban según el peso fresco, el contenido de clorofila o el contenido de proteínas. La variación de estos intermedios dentro de las cinco especies C3 apunta a diferencias en la forma en que las plantas ejecutan la misma vía de fijación del carbono. Esta información tiene consecuencias para las estrategias destinadas a mejorar la fotosíntesis. Por ejemplo, la SBPasa puede limitar la tasa de fotosíntesis (Zhu et al., 2007) y su sobreexpresión puede aumentar la eficiencia fotosintética (Lefebvre et al., 2005; Feng et al. 2007; Ding et al., 2016; Driever et al., 2017). Por lo tanto, la alteración de la actividad de una sola enzima en el ciclo de Calvin-Benson puede influir en la tasa de fotosíntesis y, posteriormente, en la biomasa y el rendimiento. Sin embargo, se sabe que la eficacia de este enfoque varía entre especies. Por lo tanto, la variación preexistente en los niveles de los metabolitos SBP y S7P entre las especies C3 reportada por Arrivault et al. (2019) es importante y puede proporcionar una visión de la respuesta variable de la fotosíntesis al aumento de las cantidades de SBPasa.

Dado que el mecanismo de concentración de carbono de las plantas C4 limita la fotorrespiración, fue quizás menos sorprendente que el primer producto de la fotorrespiración, el 2-fosfoglicolato (2-PG), fuera menos abundante en las especies C4 que en las especies C3. Además, las plantas C4 tenían niveles más bajos de RuBP que las plantas C3, en consonancia con su menor inversión en Rubisco. Sin embargo, incluso cuando los niveles de 2-PG y RuBP se omitieron del conjunto de datos, los niveles de metabolitos de C3 y C4 casi siempre se separaron en el análisis de componentes principales. Estas diferencias eran consistentes, independientemente de si los datos se normalizaban con respecto al peso fresco, el contenido de clorofila o el contenido de proteínas, por lo que los cambios indican que las enzimas responsables de generar los metabolitos están llevando a cabo la catálisis a diferentes ritmos en las distintas especies. Los autores acuñan el término «modo de funcionamiento» del ciclo de Calvin-Benson para describir estas diferencias, de modo que el ciclo está funcionando de forma diferente entre las especies aunque estén implicadas las mismas enzimas, lo que conduce a las alteraciones observadas en los niveles relativos de productos intermedios. Por lo tanto, proponen que las diferencias en el ciclo de Calvin-Benson entre las plantas C3 y C4 son más amplias que una simple reubicación espacial en las células de la vaina del haz en estas últimas, e implican una adaptación en el modo de funcionamiento del ciclo.

Perspectivas futuras

Establecer que el modo de funcionamiento del ciclo de Calvin-Benson puede variar es interesante, especialmente si se tiene en cuenta que la estructura de la vía (en términos de enzimas implicadas y su secuencia de reacción dentro del ciclo) se ha conservado en gran medida. Sin embargo, a lo largo de los millones de años transcurridos desde la aparición del ciclo, la relación entre el O2 y el CO2 en la atmósfera ha cambiado drásticamente. Se cree que estos cambios han contribuido a que algunas especies vegetales hayan desarrollado mecanismos de concentración de carbono. Los autores proponen ahora que los bajos niveles de CO2 en combinación con condiciones ambientales específicas pueden haber llevado al desarrollo de diferentes modos de funcionamiento del ciclo Calvin-Benson. Así, la variación en los perfiles de metabolitos observada podría reflejar distintas presiones de selección sobre cómo se regula el ciclo de Calvin-Benson en diferentes linajes de plantas. El enfoque utilizado por los autores para analizar los intermediarios del ciclo de Calvin-Benson podría aplicarse ahora a más especies, lo que sería especialmente interesante si éstas abarcaran una gama más amplia de familias de plantas en diversos entornos. Esto podría revelar si la variación sigue estrictamente a los taxones filogenéticos o a los entornos específicos a los que se han adaptado las plantas.

Además, las plantas C4 analizadas en Arrivault et al. llevan a cabo todas el tipo de fotosíntesis NADP-ME de C4. Por lo tanto, una línea prometedora de estudio adicional sería explorar si se observan cambios similares en los intermediarios del ciclo de Calvin-Benson en los tres tipos de metabolismo C4, o si son específicos del tipo NADP-ME.

Este trabajo es un excelente punto de partida para descubrir cómo se controlan estos diferentes modos del ciclo de Calvin-Benson a nivel molecular. Mientras que la elaboración de perfiles de metabolitos permite un enfoque no sesgado para evaluar la variación en los niveles de intermedios entre diferentes especies, las causas subyacentes de estas diferencias quedan por determinar. La variación entre especies podría ser el resultado de las diferencias en la expresión de los genes y las subsiguientes actividades de las proteínas, la variación en la secuencia de aminoácidos que repercute en la cinética o la regulación postraduccional de las enzimas. En particular, casi todas las enzimas del ciclo de Calvin-Benson están sujetas al menos a alguna forma de regulación redox, principalmente a través del sistema tiorredoxina (TRX)/ferredoxina (Fd) (Buchanan y Palmer, 2005; Michelet et al. 2013). La integración de estos datos de transcripción, abundancia de proteínas y actividad enzimática a los niveles de metabolitos puede revelar la base molecular de la variación. Además, las variaciones observadas en los grupos de metabolitos también pueden estar relacionadas con las demandas de ciertos intermedios, en particular los que se retiran del ciclo de Calvin-Benson. Por ejemplo, el flujo a través del ciclo puede estar influenciado por las vías de salida para permitir la síntesis de almidón (a través de F6P), sacarosa e isoprenoides (a través de triosa-P), aminoácidos a través de la vía del shikimato (a través de E4P), así como tiamina y nucleótidos (a través de R5P) (Raines, 2011).

Arrivault et al. (2019) informan de una interesante variación en cómo operan los componentes del ciclo Calvin-Benson en diferentes especies de plantas. Esto seguramente catalizará nuevos estudios sobre cómo las plantas han adaptado esta fundamental y antigua vía de fijación del carbono a diferentes entornos.