Variations in the Calvin-Benson cycle: selection pressures and optimization?

Cykl Calvina-Bensona jest podstawą wiązania węgla u wszystkich organizmów fotosyntetyzujących. Jednakże stosunkowo niewiele wiadomo na temat tego, w jakim stopniu jego działanie różni się pomiędzy gatunkami. Wykorzystując metodę profilowania metabolitów, odkryliśmy różnice w poziomach kluczowych intermediatów cyklu Calvina-Bensona wśród gatunków C3 i C4. Te różnice w pulach metabolitów zaobserwowano pomiędzy gatunkami C3, jak również pomiędzy roślinami C3 i C4. Praca ta podnosi interesującą możliwość, że różne naciski selekcyjne na składniki cyklu Calvina-Bensona doprowadziły do jego niezależnej optymalizacji między gatunkami.

W 1954 roku Melvin Calvin, Andrew Benson i James Bassham opublikowali szlak metaboliczny wykorzystywany do wiązania atmosferycznego CO2 – cykl Calvina-Bensona (Bassham et al., 1954). Ich fundamentalne odkrycia opierały się na karmieniu algi Chlorella CO2 znakowanym 14C i śledzeniu znakowania metabolitów w czasie (Bassham i in., 1954; Sharkey 2018). Odkryli oni, że cykl składa się z trzech faz: po pierwsze, enzym karboksylaza/oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanowa (Rubisco) wiąże CO2 używając rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP) jako akceptora, wytwarzając dwie 3-węglowe cząsteczki, 3-fosfoglicerynian (3-PGA). Po drugie, ATP i NADPH generowane podczas fotosyntetycznego łańcucha transportu elektronów (zależne od światła reakcje fotosyntezy) są wykorzystywane do fosforylacji, a następnie redukcji 3-PGA do fosforanu triozy (triozo-P). Po trzecie, akceptor CO2 RuBP jest regenerowany poprzez serię reakcji (Ramka 1). Większość enzymów biorących udział w tym cyklu została odkryta wcześniej lub wkrótce potem (Horecker i in. 1951; Racker i in., 1953; Mayoudan i in., 1957). Od tego czasu powszechnie przyjmuje się, że działanie cyklu Calvina-Bensona jest silnie konserwowane wśród różnych gatunków roślin.

Pudełko 1.

Cykl Calvina-Bensona

Cykl Calvina-Bensona składa się z trzech faz: (1) wiązanie węgla, (2) redukcja i (3) regeneracja akceptora CO2.

Karboksylacja zachodzi za pośrednictwem karboksylazy/oksygenazy rybulozo-1,5-bisfosforanowej (Rubisco), która wiąże CO2 przy użyciu rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP) jako akceptora, wytwarzając przy tym dwie 3-węglowe cząsteczki 3-fosfoglicerynianu (3-PGA). 3-PGA jest następnie fosforylowany przez kinazę fosfoglicerynianową (PGK) i redukowany do fosforanu triozy (triozo-P) przez dehydrogenazę gliceraldehydo-3-fosforanową (GAPDH) w fazie redukcji. Cykl ten zużywa 3 ATP i 2 NADPH na cząsteczkę utrwalonego CO2. Trioza-P może być transportowana z chloroplastu w celu wytworzenia sacharozy w cytozolu. Aldolaza fruktozo-1,6-bisfosforanu (FBP ald) może przekształcić triozę-P w fruktozo-6-fosforan (F6P), półprodukt używany do produkcji skrobi. Ponadto, trioza-P może być przekształcona w RuBP w serii reakcji regeneracyjnych w celu wiązania większej ilości cząsteczek CO2.

Skróty: fructose-1,6-bisphosphate (FBP), fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase), erythrose-4-phosphate (E4P), sedoheptulose 1,7-bisphosphate aldolase (SBP ald), sedoheptulose-1,7-bisphosphate (SBP), sedoheptulose-1,7-bisphosphatase (SBPase), sedoheptulozo-7-fosforan (S7P), transketolaza (TK), rybozo-5-fosforan (R5P), ksylulozo-5-fosforan (Xu5P), izomeraza rybozo-5-fosforanu (RPI), epimeraza rybulozo-5-fosforanu (RPE), rybulozo-5-fosforan (Ru5P), fosforybo-5-fosforynaza (PRK). Enzymy katalizujące reakcje nieodwracalne zaznaczone są grubą pogrubioną strzałką (tj. Rubisco, FBPaza, SBPaza i PRK).

grafika

W zdecydowanej większości roślin lądowych, wraz z zależnymi od światła reakcjami fotosyntezy, cykl Calvina-Bensona prowadzony jest głównie w komórkach mezofilu liści. Jednakże Rubisco słabo rozróżnia CO2 i O2 (Bowes i in., 1971) i wiązanie cząsteczki O2 zamiast CO2 powoduje fotorespirację – energetycznie kosztowną ścieżkę ratunkową w celu odzyskania RuBP. Po tym jak atmosferyczne stężenie CO2 gwałtownie spadło 2,3 miliarda lat temu (Bekker i in., 2004), wyewoluowały dwa mechanizmy koncentracji węgla, ograniczając ilość fotorespiracji. Każda z tych modyfikacji podstawowego procesu fotosyntezy, fotosyntezy C4 i metabolizmu kwasów trawiennych (CAM), powstała wielokrotnie (Sage i in., 2011). Fotosynteza C4 polega na przestrzennym rozdzieleniu fotosyntezy w taki sposób, że składniki zarówno reakcji zależnych od światła, jak i cyklu Calvina-Bensona zachodzą w komórkach mezofilu i osłonek wiązek (Ramka 2). Pomimo różnic w anatomicznej lokalizacji wiązania węgla, do tej pory niewiele było wiadomo o tym, jak działanie cyklu Calvina-Bensona może się różnić u roślin C4 w porównaniu z roślinami C3, a także pomiędzy roślinami C3.

Ramka 2.

Mechanizm koncentracji węgla u roślin C4

W 1966 roku Hal Hatch i Roger Slack odkryli fotosyntezę C4 (Hatch i Slack, 1966), która obejmuje mechanizm koncentracji węgla dodany do regularnej ścieżki wiązania węgla C3. Wykorzystali oni znakowanie 14C do wykazania, że CO2 w liściach trzciny cukrowej był najpierw wiązany do kwasu 4-węglowego, a nie do 3-fosfoglicerynianu (3-PGA), jak w roślinach C3. Rośliny C4 używają karboksylazy fosfoenolopirogronianowej (PEPC) jako początkowego enzymu wiążącego węgiel w komórkach mezofilu. Kwas 4-węglowy (jabłczan lub asparaginian w zależności od typu fotosyntezy C4) produkowany w komórkach mezofilu dostaje się do komórek osłonek wiązek, gdzie jest dekarboksylowany i uwalniany jest CO2. Ten mechanizm koncentracji węgla pozwala Rubisco działać prawie wyłącznie jako karboksylaza podczas cyklu Calvina-Bensona w komórkach osłonki wiązki. Oprócz rekonfiguracji istniejących enzymów metabolicznych, ścieżka C4 wymaga rozwoju wyspecjalizowanej anatomii liścia (anatomia Kranza), która obejmuje zwiększenie odstępów między żyłkami i rozmiaru komórek osłonki wiązki. Klasycznie wyróżnia się trzy różne typy fotosyntezy C4, których nazwy pochodzą od podstawowego enzymu odpowiedzialnego za reakcję dekarboksylacji w komórkach osłonki wiązkowej: NAD-ME, NADP-ME lub typ PEPCK. Skróty: anhydraza węglanowa (CA), oksalooctan (OA), NADP-zależna dehydrogenaza jabłczanowa (NADP-MDH), jabłczan (M), NADP-zależny enzym jabłkowy (NADP-ME), pirogronian (Pyr), dikinaza pirogronianowo-ortofosforanowa (PPDK), fosfoenolopirogronian (PEP).

grafika

Zmienność metabolitów cyklu Calvina-Bensona między gatunkami

Cykl Calvina-Bensona jest bez wątpienia jednym z najbardziej krytycznych szlaków biochemicznych na Ziemi, jako droga asymilacji węgla u roślin – serce fotosyntezy. Ale czy wszystkie gatunki roślin przebiegają tą ścieżką w ten sam sposób? Arrivault i wsp. (2019) sprofilowali obfitość metabolitów cyklu Calvina-Bensona z pięciu roślin C3 (w tym Arabidopsis i kilku ważnych roślin uprawnych, takich jak ryż, pszenica i maniok) oraz czterech roślin C4 (w tym kukurydzy). Całkowite metabolity były ekstrahowane z dojrzałych liści i mierzone przy użyciu chromatografii cieczowej w odwróconej fazie sprzężonej z tandemową spektrometrią mas (LC-MS/MS). W celu zapewnienia wiarygodnej kwantyfikacji, do próbek dodawano wzorce metabolitów wewnętrznych znakowanych izotopami; 3-PGA był kwantyfikowany enzymatycznie. Profile metabolitów różnych gatunków roślin zostały porównane przy użyciu analizy głównych składowych.

Uderzająco, Arrivault et al. (2019) odkryli znaczące różnice w profilach metabolitów intermediatów cyklu Calvina-Bensona wśród pięciu gatunków C3, które badali. Intermediaty, które najbardziej się różniły, obejmowały bezwzględne poziomy 3-PGA, triozę-P, rybulozo-5-fosforan (Ru5P) i ksylulozo-5-fosforan (Xu5P). Względne poziomy RuBP w porównaniu z poziomami intermediatów biorących udział w regeneracji RuBP były różne u poszczególnych gatunków. Ponadto, autorzy wykazali zmienność względnych poziomów par metabolitów, takich jak fruktozo-1,6-bisfosforan (FBP) i fruktozo-6-fosforan (F6P), które są połączone poprzez nieodwracalną reakcję FBPazy; oraz pary metabolitów sedoheptulozo-1,7-bisfosforanu (SBP) i sedoheptulozo-7-fosforanu (S7P), które są nieodwracalnie przekształcane przez SBPazę. W większości przypadków, pięć gatunków C3 wyraźnie oddzielało się od siebie w analizie składowych głównych. Stopień ich oddzielenia zależał od tego, czy dane były normalizowane do świeżej masy, zawartości chlorofilu czy zawartości białka. Zróżnicowanie tych półproduktów w obrębie pięciu gatunków C3 wskazuje na różnice w sposobie prowadzenia przez rośliny tej samej ścieżki wiązania węgla. Ta informacja ma konsekwencje dla strategii, które mają na celu poprawę fotosyntezy. Na przykład, SBPaza może ograniczać tempo fotosyntezy (Zhu i in., 2007), a nadekspresja może zwiększać wydajność fotosyntezy (Lefebvre i in., 2005; Feng i in. 2007; Ding i in., 2016; Driever i in., 2017). Tak więc, zmiana aktywności pojedynczego enzymu w cyklu Calvina-Bensona może wpłynąć na tempo fotosyntezy, a następnie na biomasę i plon. Wiadomo jednak, że skuteczność tego podejścia jest różna u poszczególnych gatunków. Istniejące wcześniej zróżnicowanie poziomów metabolitów SBP i S7P między gatunkami C3 zgłoszone przez Arrivault et al. (2019) jest zatem ważne i może zapewnić wgląd w zmienną odpowiedź fotosyntezy na zwiększenie ilości SBPazy.

Ponieważ mechanizm koncentracji węgla roślin C4 ogranicza fotorespirację, być może mniej zaskakujące było to, że pierwszy produkt fotorespiracji, 2-fosfoglikolan (2-PG), był mniej obfity u gatunków C4 niż u gatunków C3. Co więcej, rośliny C4 miały niższy poziom RuBP niż rośliny C3, co jest zgodne z ich niższym poziomem inwestycji w Rubisco. Jednakże, nawet gdy pominięto poziomy 2-PG i RuBP z zestawu danych, poziomy metabolitów C3 i C4 prawie zawsze były rozdzielone w analizie składowych głównych. Różnice te były stałe, niezależnie od tego czy dane były normalizowane do świeżej masy, zawartości chlorofilu czy zawartości białka, a więc zmiany te wskazują, że enzymy odpowiedzialne za generowanie metabolitów podejmują katalizę w różnym tempie u różnych gatunków. Autorzy używają terminu „tryb pracy” cyklu Calvina-Bensona, aby opisać te różnice – cykl działa inaczej u różnych gatunków, nawet jeśli zaangażowane są te same enzymy, co prowadzi do obserwowanych zmian we względnych poziomach produktów pośrednich. Dlatego proponują, że różnice w cyklu Calvina-Bensona między roślinami C3 i C4 są szersze niż proste przestrzenne przeniesienie do komórek osłonki wiązki w tych ostatnich, i obejmują adaptację w trybie działania cyklu.

Perspektywy na przyszłość

Ustalenie, że tryb działania cyklu Calvina-Bensona może się różnić jest interesujące, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że struktura szlaku (pod względem zaangażowanych enzymów i ich sekwencji reakcji w cyklu) jest wysoce konserwowana. Jednak w ciągu milionów lat, jakie upłynęły od pojawienia się cyklu, stosunek O2 do CO2 w atmosferze dramatycznie się zmienił. Uważa się, że zmiany te przyczyniły się do tego, że niektóre gatunki roślin wykształciły mechanizmy koncentracji węgla. Autorzy proponują, że niski poziom CO2 w połączeniu ze specyficznymi warunkami środowiskowymi mógł doprowadzić do rozwoju różnych trybów pracy cyklu Calvina-Bensona. W ten sposób obserwowane różnice w profilach metabolitów mogą odzwierciedlać różne naciski selekcyjne na sposób regulacji cyklu Calvina-Bensona w różnych liniach rozwojowych roślin. Podej¶cie zastosowane przez autorów do analizy intermediatów cyklu Calvina-Bensona może być teraz zastosowane do większej liczby gatunków, a byłoby to szczególnie interesuj±ce, gdyby obejmowało szerszy zakres rodzin ro¶lin w różnych ¶rodowiskach. Mogłoby to ujawnić, czy zróżnicowanie jest ściśle związane z taksonami filogenetycznymi, czy ze specyficznymi środowiskami, do których rośliny się przystosowały.

Również, rośliny C4 analizowane w Arrivault i in. prowadzą fotosyntezę C4 typu NADP-ME. Tak więc, obiecującą linią dalszych badań byłoby sprawdzenie, czy podobne zmiany w intermediatach cyklu Calvina-Bensona są obserwowane we wszystkich trzech typach metabolizmu C4, czy też są one specyficzne dla typu NADP-ME.

Ta praca jest doskonałym punktem wyjścia do odkrycia, jak te różne tryby cyklu Calvina-Bensona są kontrolowane na poziomie molekularnym. Podczas gdy profilowanie metabolitów umożliwia bezstronne podejście do oceny różnic w poziomach intermediatów pomiędzy różnymi gatunkami, przyczyny leżące u podstaw tych różnic pozostają do ustalenia. Różnice między gatunkami mogą wynikać z różnic w ekspresji genów i późniejszej aktywności białek, różnic w sekwencji aminokwasów wpływających na kinetykę lub potranslacyjnej regulacji enzymów. Warto zauważyć, że prawie wszystkie enzymy cyklu Calvina-Bensona podlegają przynajmniej pewnej formie regulacji redoks, głównie poprzez system tioredoksyna (TRX)/ferredoksyna (Fd) (Buchanan i Palmer, 2005; Michelet et al. 2013). Integracja tych danych dotyczących transkryptów, obfitości białek i aktywności enzymów z poziomami metabolitów może ujawnić molekularne podstawy zmienności. Co więcej, obserwowane wahania w pulach metabolitów mogą być również związane z zapotrzebowaniem na pewne intermediaty, szczególnie te, które są wycofywane z cyklu Calvina-Bensona. Na przykład, na strumień przez cykl mogą wpływać ścieżki wyjścia umożliwiające syntezę skrobi (poprzez F6P), sacharozy i izoprenoidów (poprzez triozę-P), aminokwasów poprzez szlak shikimatu (poprzez E4P), a także tiaminy i nukleotydów (poprzez R5P) (Raines, 2011).

Arrivault i wsp. (2019) donoszą o interesującym zróżnicowaniu w sposobie działania komponentów cyklu Calvina-Bensona u różnych gatunków roślin. To z pewnością będzie katalizatorem dalszych badań nad tym, jak rośliny dostosowały tę fundamentalną i starożytną ścieżkę wiązania węgla do różnych środowisk.

Arrivault
S

,

Moraes
TA

,

Obata
T

,

Medeiros
DB

,

Fernie
AR

,

Boulouis
A

,

Ludwig
M

,

Lunn
JE

,

Borghi
GL

,

Schlereth
A

,

Guenther
M

,

Stitt
M

.

2019

.

Metabolite profiles reveal inter-specific variation in operation of the Calvin-Benson cycle in both C4 and C3 plants

.

Journal of Experimental Botany
70

,

1843

1858

.

Bassham
JA

,

Benson
AA

,

Kay
LD

,

Harris
AZ

,

Wilson
AT

,

Calvin
M

.

1954

.

Droga węgla w fotosyntezie. XXI. Cykliczna regeneracja akceptora dwutlenku węgla

.

Journal of the American Chemical Society
76

,

1760

1770

.

Bekker
A

,

Holland
HD

,

Wang
PL

,

Rumble
D

3rd,

Stein
HJ

,

Hannah
JL

,

Coetzee
LL

,

Beukes
NJ

.

2004

.

Datowanie powstania tlenu atmosferycznego

.

Nature
427

,

117

120

.

Bowes
G

,

Ogren
WL

,

Hageman
RH

.

1971

.

Produkcja fosfoglikolanu katalizowana przez karboksylazę difosforanu rybulozy

.

Biochemical and Biophysical Research Communications
45

,

716

722

.

Buchanan
BB

,

Balmer
Y

.

2005

.

Regulacja redoks: poszerzający się horyzont

.

Annual Review of Plant Biology
56

,

187

220

.

Ding
F

,

Wang
M

,

Zhang
S

,

Ai
X

.

2016

.

Changes in SBPase activity influence photosynthetic capacity, growth, and tolerance to chilling stress in transgenic tomato plants

.

Scientific Reports
6

,

32741

.

Driever
SM

,

Simkin
AJ

,

Alotaibi
S

,

Fisk
SJ

,

Madgwick
PJ

,

Sparks
CA

,

Jones
HD

,

Lawson
T

,

Parry
MAJ

,

Raines
CA

.

2017

.

Increased SBPase activity improves photosynthesis and grain yield in wheat grown in greenhouse conditions

.

Philosophical Transactions of the Royal Society B
372

,

20160384

.

Feng
L

,

Wang
K

,

Li
Y

,

Tan
Y

,

Kong
J

,

Li
H

,

Li
Y

,

Zhu
Y

.

2007

.

Overexpression of SBPase enhances photosynthesis against high temperature stress in transgenic rice plants

.

Plant Cell Reports
26

,

1635

1646

.

Hatch
MD

.

1987

.

C4 fotosynteza: unikalna mieszanka zmodyfikowanej biochemii, anatomii i ultrastruktury

.

Biochimica et Biophysica Acta
895

,

81

106

.

Hatch
MD

,

Slack
CR

.

1966

.

Fotosynteza przez liście trzciny cukrowej. Nowa reakcja karboksylacji i droga powstawania cukru

.

The Biochemical journal
101

,

103

111

.

Horecker
BL

,

Smyrniotis
PZ

,

Seegmiller
JE

.

1951

.

Ezymatyczna konwersja 6-fosfoglukonianu do rybulozo-5-fosforanu i rybozo-5-fosforanu

.

The Journal of Biological Chemistry
193

,

383

396

.

Lefebvre
S

,

Lawson
T

,

Zakhleniuk
OV

,

Lloyd
JC

,

Raines
CA

,

Fryer
M

.

2005

.

Zwiększona aktywność sedoheptulozo-1,7-bisfosfatazy w transgenicznych roślinach tytoniu stymuluje fotosyntezę i wzrost od wczesnego etapu rozwoju

.

Fizjologia roślin
138

,

451

460

.

Mayaudon
J

.

1957

.

Badania nad związkiem między główną nukleoproteiną zielonych liści a karboksydysmutazą

.

Enzymologia
18

,

343

354

.

Michelet
L

,

Zaffagnini
M

,

Morisse
S

, et al.

2013

.

Redoksowa regulacja cyklu Calvina-Bensona: coś starego, coś nowego

.

Frontiers in Plant Science
4

,

470

.

Racker
E

,

Haba
GDL

,

Leder
IG

.

1953

.

Pirofosforan tiaminy, koenzym transketolazy

.

Journal of the American Chemical Society
75

,

1010

1011

.

Raines
CA

.

2011

.

Increasing photosynthetic carbon assimilation in C3 plants to improve crop yield: current and future strategies

.

Fizjologia roślin
155

,

36

42

.

Sage
RF

,

Christin
PA

,

Edwards
EJ

.

2011

.

Linie roślinne C(4) na planecie Ziemia

.

Journal of Experimental Botany
62

,

3155

3169

.

Szarka
T

.

2018

.

Odkrycie kanonicznego cyklu Calvina-Bensona

.

Photosynthesis Research

. doi: .

Zhu
XG

,

de Sturler
E

,

Long
SP

.

2007

.

Optimizing the distribution of resources between enzymes of carbon metabolism can dramatically increase photosynthetic rate: a numerical simulation using an evolutionary algorithm

.

Plant Physiology
145

,

513

526

.

© The Author(s) 2019. Published by Oxford University Press on behalf of the Society for Experimental Biology.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/), which permits non-commercial re-use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. W celu komercyjnego ponownego wykorzystania prosimy o kontakt: [email protected]

.

Dodaj komentarz