Come aggirare la fotorespirazione?

L’equilibrio CO2 - Carbonato Atmosfera Acqua CO2 + H2O  H2CO3 Acido carbonico Relativamente lenta in assenza di enzima H2CO3  H+ + HCO3- bicarbonato Velocissime e pH dipendenti HCO3-  H+ + CO32- carbonato

La concentrazione delle varie specie dipende dal pH K1 K2 CO2 + H2O  HCO3- + H+  CO32- + 2H+ bicarbonato carbonato Bjerrum Plot: pH = 8.1 T = 250C, S = 35 [CO2] : [HCO3-] : [CO3=]  0.5% : 86.5% : 13% Hydration: CO2 + H2O -> H2CO3 is the slow step E-folding time for a perturbation of CO2 is ~25s Per una soluzione a pH 8 all’equilibrio, la specie HCO3- è molto più abbondante della CO2 (Zeebe & Wolf-Gladrow, 2002)

Meccanismi di concentrazione della CO2 (CCM) L’accumulo HCO3- nel cytosol avviene per mezzo di sistemi di assunzione per CO2 o HCO3- , diversi a seconda dell’alga. Meccanismi di concentrazione della CO2 (CCM) Carbossisoma: microcorpo proteico che contiene la CA e la maggior parte della Rubisco In alcune alghe sono presenti i carbossisomi in cui è presente la Rubisco e l’anidrasi carbonica (CA) e che mostrano una resistenza alla diffusione della CO2

Anatomia piante C4 Guaina del fascio (Kranz=corona) Il substrato della reazione di carbossilazione è HCO3- Anatomia piante C4 Guaina del fascio (Kranz=corona) Schema generale del metabolismo C4

NAD+ME Miglio NADP+ME Canna da zucchero, mais 1 NADPH viene trasprtato di fatto insieme al malato

GAP NADPH NADP+ 3-PGA Cloroplasti del mesofillo In questo modo l’O2 viene prodotto non dove funziona il ciclo di Calvin GAP CO2 + RuBP Cloroplasto della guaina del fascio (BSC) (poca attività di PSII) Dimorfismo dei cloroplasti delle piante C4. Il trasporto e la decarbossil. del malato con NADP+ ME equivalgono a trasportare NADPH nelle BSC. Parte del 3PGA potrebbe essere ridotto nel mesofillo (anche in altre C4)

http://webpub. allegheny http://webpub.allegheny.edu/dept/bio/bio220/Milt_lectures/Photosynthesis/kranzanatomy2.JPG In NAD-ME-type C4 species, an aspartate C4 cycle is predominant in which reductive power is not required, nor transferred, from M to BS cells. Both chloroplasts have grana;

Panicum maximum PEP-CK La decarbossilazione e la rigenerazione del PEP avvengono insieme PEP-CK Panicum maximum Le varianti differiscono per: * Acido trasportato nella guaina del fascio (aspartato o malato) * Enzima decarbossilante * Localizzazione della decarbossilasi (compartimento)

Classificazione in base alla localizzazione della decarbossilasi Mi trascino dietro potere riducente Cloroplasto Mitocondrio Dimorfismo dei cloroplasti non come nelle C4 con NADP+-ME

Citosol Mitocondrio

Importanza dell’equilibrio CO2  HCO3- Qui la Anidrasi Carbonica (CA) deve essere PRESENTE per aumentare il flusso verso HCO3- Le pareti tra mesofillo e BSC sono in genere inspessite e suberificate per ridurre la diffusione della CO2. I plasmodesmi sono numerosi per permettere la diffusione dei composti carichi Qui la CA deve essere ASSENTE per evitare un ciclo futile di riconversione in HCO3- che, non potendo essere fissato, può diffondere ed essere rifissato dalla PEP-C nel mesofillo. Flaveria che esprime la CA nella guaina mostra una saturazione a bassa luce della fotosintesi e una perdita di HCO3-

Una costante dei vari tipi di C4 è la necessità di un grande flusso di metaboliti tra il mesofillo e la guaina del fascio  sono presenti abbondanti perforazioni che mettono in comunicazione i citoplasmi

Anche il metab. C4 richiede regolazione NADP+ ME Alcune reazioni avvengono solo alla luce: la carbossilazione del PEP è incompatibile con la glicolisi perchè consumerebbe il PEP Forma inattiva

Le caratteristiche essenziali del Metabolismo C4 possono essere riprodotte in una sola cellula Edwards et al., (2004) SINGLE-CELL C4 PHOTOSYNTHESIS VERSUS THE DUAL-CELL (KRANZ) PARADIGM Ann Rev. Plant Biology 55:173-196

Single cell C4 Confocal fluorescence of a chlorenchyma cell of Borszczowia aralocaspica (A) and Bienertia cycloptera (B) illustrating the chloroplasts in the two cytoplasmic compartments. The broken white lines show the outline of a single cell. Scale bars = 20 μm. I cloroplasti nelle cellule sono concentrati nella zona più lontana dalla zona esposta all’atmosfera. Edwards et al., (2004)

Electron microscopy of Borszczowia aralocaspica (A) and Bienertia cycloptera (B) with overlayed schemes of the C4 cycle. Edwards et al., (2004)

CAM: Crassulacean Acid Metabolism Nelle piante CAM esiste una separazione temporale invece che spaziale delle reazioni di carbossilazione primaria (C4) e finale (C3). Questo comporta l’accumulo del malato durante la notte  basso assimilazione a causa della ridotta capacità di immagazzinare malato nel vacuolo Amido  glicolisi  GAP  Amido Alcune piante producono saccarosio invece di amido e lo accumulano nel vacuolo

CAM al buio: stomi aperti e produzione di malato CAM alla luce: stomi chiusi e rilascio del malato dal vacuolo, decarbossilazione e sintesi degli zuccheri Molte piante (es. portulaca) posssono passare dal metabolismo C3 a quello CAM quando l’acqua scarseggia

Diurnal cycle for a typical CAM plant like Agave desertii. Le fotosintesi CAM è associata ad una serie di caratteristiche anatomiche che minimizzano la perdita di acqua (cuticola, rapporto superficie volume http://webpub.allegheny.edu/dept/bio/bio220/Milt_lectures/Photosynthesis/Photosynthesis2SummaryFigs.ppt (per altre immagini)

7-10 160-990 Caratteristiche Tipo primario di fissazione della CO2 (*) Rubisco C4 Crassulacee Punto Comp CO2 (ppm) 30-70 0-10 0-5 Rapporto di traspiraz. (g H2O/ g dw) 450 - 950 250 - 350 50 - 55 Tasso max di fotosint (mg CO2 /hr/dm2 foglia) 15 – 35 40 – 80 0.5 – 0.7 Temperatura diurna ottimale per fissaz. CO2 15 – 25 °C 30 – 45 °C 35 °C Tasso di crescita (g dw/dm2 leaf area /d) 0.5 – 2 3 – 5 0.015 – 0.018 Fotorespirazione (ossidazione glicolato) presente presente (quasi non rilevabile) Risposta della fotosint. netta all’aumento di luce Saturabile a bassa intensità Difficile da saturare [CO2]i a livello della Rubisco (μM) 7-10 160-990 * Paragone fatto a 21 % O2 0.03 % CO2

Luce e fotosintesi Come varia la fotosintesi in funzione della luce? Come viene misurata la luce? Potenza (W=J/s) al m2 PAR (se consideriamo solo i fotoni con lunghezza d’onda 400-700 nm) Moli di fotoni al m2 PPFD (solo 400-700 nm) In condizioni ottimali (all’equatore a mezzogiorno con il cielo limpido) il massimo è 1.3 kW /m2 (0.9 di PAR) In termini di PFD 2000 μmol fotoni/m2 ∙ s

Punto di compensazione della luce Pendenza iniziale = Resa quantica massima Amax (Capacità fotosintetica) In condizioni normali solo il 5% dell’energia luminosa è convertita in energia chimica (zuccheri) Intercetta con Y = dark respiration rate (Rd) Intercetta con X è il punto di compensazione della luce

Acclimatazione alla quantità di luce: anatomia e fisiologia della foglia dipendono dalla quantità di luce che sperimentano (in particolare durante lo sviluppo). Piante crescite ad alta luce hanno foglie spesse e alta capacità fotosintetica, ma crescono male a bassa intensità Sun leaf Shade leaf

PC luce: C3 con e senza O2 2% O2 In standard air, 21% O2. Sopprimendo la fotoresp. con 2% di O2 cosa si ottiene?  un aumento dell’assimilazione

PC luce: C3 vs. C4 Corn Corn vs. bean Lower QY Bean 2. Higher max. photosynthesis 3. Higher light saturation 4. O2 insensitive

QY, Quantum Yield (Resa quantica) Extra ATP is needed to regenerate PEP, meaning that CO2 fixation by C4 plants requires more light energy than C3 photosynthesis. Symptoms of this added cost: Quantum yield of C4 < C3 Extra ATP (light) cost is not a problem in high light environments, but is in low light environments. Few C4 “shade” plants.

moles CO2 fixed / moles of PAR absorbed Quantum Yield (resa quantica) Quanti utilizzati per fotochimica Numero di quanti assorbiti totali QUANTUM YIELD: f = In cloroplasti funzionali in luce debole, f per la fotochimica è circa 0.95. La resa quantica della fluorescenza è 0.05 or meno moles CO2 fixed / moles of PAR absorbed Quantum yield of carbon fixation: For O2 production the measured maximum quantum yield is approximately 0.1, meaning that 10 quanta are absorbed for each O2 molecule released. Notate che la quantum yield è l’inverso della “quantum efficiency” – The term “quantum requirement” is sometimes used instead of “quantum efficiency”.

Nothing is for free!

Il metabolismo C4 è complicato: difficile ingegnerizzarlo in una C3 Journal of Experimental Botany February 18, 2011. Kajala et al. Strategies for engineering a two-celled C4 photosynthetic pathway into rice

Assimilazione netta della CO2 Le C4 presentano un massimo a temperatura più alta: Sono piante che crescono meglio nei climi caldi

Rising CO2

L’aumento di CO2 cosa comporta per le piante?  amento di driving force La CO2 prodotta a partire dai combustibili fossili viene in parte assorbita dalle piante e dal mare Quanto l’aumento di CO2 stimola la fotosintesi? La fotosintesi non è limitata dalla sola CO2

Punto di compensazione della CO2 In esperimenti di laboratorio, un raddoppio della concentrazione della CO2 stimola la fotosintesi nelle piante C3 del 30-60%

FACE: Free Air CO2 Enrichment Sembra che l’effetto positivo dell’aumento di CO2 per le C3 sia minore rispetto a quello misurato in condizioni di laboratorio Four FACE rings surrounding deciduous forest trees at the Oak Ridge National Laboratory. http://www.rmrs.nau.edu/USAMAB/images/southern-appalacian_aerial-Aug00.jpg

Cosa succede quando la Rubisco è al 50%? Cosa succede se riduco la quantità di Rubisco? Quantità rubisco Riduce la velocità di incorporazione di CO2, (flusso entrante di CO2 = flusso fotosintetico). All’inizio la riduzione è molto piccola (non è proporzionale alla riduzione nella quantità di enzima). Cosa succede quando la Rubisco è al 50%?

La transketolasi è ben più limitante... CO2 amb., light at 220, 350, 700 μE CO2 amb., light 170 μE Satur, CO2 Satur. light Come per l’aldolasi, l’entità della limitazione da transketolasi dipende dai fattori ambientali.

Bibliografia Metabolismo C4 e CAM e punti di compensazione (luce e CO2): qualsiasi testo dignitoso di Fisiologia Vegetale (es. Taiz Zeiger). Pompe HCO3- : Badger e Price (2003) CO2 concentrating mechanisms in cyanobacteria: molecular components, their diversity and evolution. J Exp Bot. 54:609-22. C4 senza anatomia Kranz: Edwards et al., (2004) SINGLE-CELL C4 PHOTOSYNTHESIS VERSUS THE DUAL-CELL (KRANZ) PARADIGM Ann Rev. Plant Biology 55:173-196 C3-C4 (piante capaci di entrambi i metabolismi): Leegood (2002) C(4) photosynthesis: principles of CO(2) concentration and prospects for its introduction into C(3) plants. J Exp Bot. 53:581-90. Long S.P. Et al., (2006) Food for Thought: Lower-Than-Expected Crop Yield Stimulation with Rising CO2 Concentrations. Science 312:1918-1921 Long S.P., Ainsworth E.A., Rogers A, Ort DR 2004. Rising atmospheric carbon dioxide; plants FACE the future. Annual Review Plant Biology 55:591–628.