Revista Chapingo. Serie ciencias forestales y del ambienteUniversidad Autnoma Chapingorforest@correo.chapingo.mx ISSN (Versin impresa): 0186-3231MXICO

2008 J. C. Raya Prez / C. L. Aguirre Mancilla

APARICIN Y EVOLUCIN DE LA FOTOSNTESIS C4 Revista Chapingo. Serie ciencias forestales y del ambiente, enero-junio, ao/vol. 14,

nmero 001 Universidad Autnoma Chapingo

Chapingo, Mxico pp. 45-50

Red de Revistas Cientficas de Amrica Latina y el Caribe, Espaa y Portugal

Universidad Autnoma del Estado de Mxico

http://redalyc.uaemex.mx

45

Revista Chapingo Serie Ciencias Forestales y del Ambiente 14(1): 45-50, 2008.Recibido: 15 de marzo, 2007Aceptado: 6 de diciembre, 2007

APARICIN Y EVOLUCINDE LA FOTOSNTESIS C4

J. C. Raya-Prez1; C. L. Aguirre-Mancilla2

1Centro de Investigacin Aplicadadel Instituto Tecnolgico Superior de Uruapan (CIA-ITESU).

Carretera Uruapan-Carapan Nm. 5555, Colonia La Basilia,Uruapan, Michoacn. C. P. 60015.

Autor para correspondencia. Correo-e: jraya@tecuruapan.com.mx.2Instituto Tecnolgico de Roque, Km 8, Carretera Celaya-J. Rosas. Celaya, Gto.

Apdo. Postal 508, C. P. 38110.

RESUMEN

La fotosntesis C4 surgi hace unos 7-5 millones de aos y tiene un origen polifiltico. La disminucin en la concentracin atmosfricade CO2 a menos de 500 partes por milln (ppm) propici la aparicin de un mecanismo para concentrar este gas en la zona dondeacta la Rubisco (ribulosa bifosfato carboxilasa/oxigenasa), evitando as su actividad de oxigenasa. El anlisis de los genes quecodifican para las enzimas usadas en la va C4, as como la caracterizacin bioqumica de algunas de estas enzimas, permitenentrever algunos de los cambios que han sufrido a fin de adaptarse a una nueva funcin, la de concentrar el CO2 a fin de que seautilizado por la Rubisco.

PALABRAS CLAVE: fotosntesis, enzima mlico, fosfoenolpiruvato carboxilasa, piruvato ortofosfato dicinasa, malato deshidrogenasa,Flaveria, Amaranthus, Zea mays.

APPEARANCE AND EVOLUTIONOF C4 PHOTOSYNTHESIS

SUMMARY

The photosynthesis type C4 had its origin 7-5 millions years ago in several genera of plants. The atmospheric diminution of CO2concentration leads to a concentrative mechanism. Some studies of genes and enzymes than participate in this pathway shownseveral changes than have occurred in DNA and proteins in order to adapt them for a new function, CO2 concentrating mechanism.This mechanism avoid Rubiscos oxygenase function.

KEY WORDS: photosynthesis, malic enzyme, phosphoenolpyruvate carboxylase, pyruvate ortophosphate dikinase, malate dehydro-genase, Flaveria, Amaranthus, Zea mays.

INTRODUCCIN

La evolucin de la fotosntesis C4 es un tema muyinteresante, tanto por ser un proceso vivo, actual, en el quevemos a la evolucin actuando, como por las implicacionesque tiene para la pretensin humana de crear supercultivosque gasten poca agua y fijen mucho carbono.

Aunque todas las plantas finalmente fijan el CO2mediante la va de Calvin (hacindolo reaccionar con unazcar de cinco carbonos para producir luego dos molculasde tres carbonos, la dihidroxiacetona-fosfato y elgliceraldehdo-3-fosfato) las C4 lo fijan primero mediante un

compuesto de cuatro carbonos (oxaloacetato) en las clulasdel mesfilo y este compuesto es traslocado a las clulasde la vaina del haz, donde el compuesto es descarboxiladopara liberar el CO2 y as ser fijado mediante el ciclo de Calvin(Drincovich et al., 1998).

Ms del 90 % de las plantas terrestres son C3 y deellas se derivan las C4 y las CAM o MAC, (metabolismocido de las crasulceas). La va fotosinttica C4 existe tantoen plantas monocotiledneas como en dicotiledneas ytiene un origen polifiltico. La existencia de plantas acuticascon metabolismo MAC, o con fotosntesis C4 indica que

46

Aparicin y evolucin...

ambas formas evolucionaron para lograr un mecanismomediante el cual concentrar el CO2., paso limitante en lafijacin del carbono. Cuando la concentracin de CO2 caepor debajo de 190 (ppm) no hay fijacin neta de este gas enlas plantas C3. Incluso en los microorganismos fotosintticosse induce un mecanismo concentrador de CO2 cuando laconcentracin de ste cae por debajo de la Km de la Rubisco(Wang y Spalding, 2006) (La Km es la concentracin desubstrato necesario para que la enzima trabaje a la mitadde su velocidad mxima). La va C4 apareci comoconsecuencia de la baja en la concentracin de CO2, a menosde 500 ppm, hace entre 7 y 5 millones de aos (ma), afinales del Mioceno y principios del Plioceno. La composicinde los istopos del carbono en los dientes de los mamferosde aqul periodo indica que los ecosistemas con plantas C4tuvieron una expansin muy importante hace 7-5 ma, enque se registr un cambio significativo en la fauna a lo anchodel mundo, lo que indica que hubo un cambio climtico glo-bal. La fosfoenolpiruvato carboxilasa, que es la primeraenzima que fija el carbono en las plantas C4 tiene una menordiscriminacin que la Rubisco contra los istopos 13C delcarbono, por lo que este istopo se acumula ms en las C4.Esto se refleja en la composicin del esmalte de los dientesde los herbvoros pues al alimentarse de material vegetalrico en 13C, acumulan tambin ms de este istopo en sustejidos. Las MAC tienen valores intermedios, entre las C3 yC4, en cuanto al contenido de

13C (Cerling et al., 1997;Beerling y Berner, 2005).

Las enzimas implicadas en la ruta C4 manifiestanadaptaciones que las adecuan para usarse en esta va ysurgieron a partir de enzimas no utilizadas en la fotosntesispero preexistentes en las plantas C3 (Drincovich et al., 1998).

Las C4 superan la baja en la concentracin atmosfricade CO2 concentrndolo en el sitio donde acta la Rubiscoque en trigo (C3) y maz (C4) tiene una especificidad relativasemejante para funcionar como oxigenasa o carboxilasa.Esta enzima, la Rubisco, es la enzima ms abundante enla biosfera y tiene como substrato a la Ribulosa bifosfato,que una vez unida a la enzima se convierte en un enediolmuy reactivo que puede tener muchos destinos: puede formarxilulosa difosfato, un inhibidor que se une fuertemente a laenzima; perder el fosfato del carbono 1 o reaccionar conelectrfilos gaseosos. La Rubisco maneja al intermediariode tal manera que maximiza la reaccin de carboxilacin. Ala concentracin actual de gases el oxigeno debera ganar25:1 de tal manera que slo 4 % del enediol seracarboxilado. Una Rubisco tpica de C3 dirige 75 % del enediolhacia la carboxilacin, lo que indica claramente la influenciade la enzima sobre la reaccin. Se ha postulado que unincremento en la selectividad de la Rubisco hacia lacarboxilacin mejorara el rendimiento de los cultivos. Perotambin se cree que las mejoras que se puedan introduciren la enzima por diseo es improbable que excedan lasvariantes superiores que han evolucionado de forma natural,como la del alga roja Griffithsia monilis (Gutteridge y Pierce,2006).

Las C4 primero hidratan el CO2 usando anhidrasacarbnica (AC), enseguida lo convierten a un compuesto decuatro carbonos mediante la fosfoenolpiruvato carboxilasa(PEPC) y lo descarboxilan mediante el uso de una a tresenzimas: el enzima mlico dependiente de NADP (EM-NADP), o dependiente de NAD (EM-NAD) o fosfoenolpiruvatocarboxicinasa (PEP Carboxicinasa). La caa de azcar, elmaz y el sorgo usan EM-NADP pero lo ms comn esencontrar combinaciones como EM-NAD-/EM-NADP y EM-NADP/PEP Carboxicinasa; el uso de una sola enzimadescarboxilante es raro.

Para poder llevar a cabo este tipo de fotosntesis lasplantas han desarrollado la anatoma tipo Kranz o de co-rona, en la que ocurre la separacin espacial entre la fijacindel carbono por parte de la PEPC y su reutilizacin porparte de la Rubisco. La fijacin del CO2 ocurre primero enlas clulas del mesfilo mediante la PEPC, (que no tieneactividad de oxigenasa) y produce oxaloacetato que esreducido a malato y transportado a las clulas de la vainadel haz, donde es descarboxilado por la ME-NAPD. El CO2as liberado es usado por la Rubisco para fijarlo mediante elciclo de Calvin o C3 y formar carbohidratos. La concentracinde CO2 en las clulas de la vaina puede ser tres o cuatroveces mayor que la atmosfrica y as se evita en buenamedida la actividad de oxigenasa de la Rubisco y, por lotanto, la fotorrespiracin. Los cloroplastos de las clulas dela vaina del haz son grandes y tienen gran cantidad deRubisco en el estroma, pero no tienen grana y sondeficientes en fotosistema II (PSII), lo que evita la liberacinde O2 en el sitio donde cataliza la Rubisco. Adems, enmuchas especies las clulas de la vaina del haz presentanuna pared celular muy gruesa, incluso con una bandasuberizada que las hace impermeables, lo que evita lasfugas de CO2 y, en cierta medida, las asla de la atmsfera.Estas caractersticas, adems, resaltan la importancia delos traslocadores de malato y piruvato, a fin de propiciar elpaso de metabolitos de un tipo de clula a otra. Las clulasdel mesfilo no tienen Rubisco, pero presentan alta actividadde ambos fotosistemas y en ellas es regenerado elfosfoenolpiruvato (PEP) mediante la piruvato-ortofosfato-dicinasa (PPDK). A diferencia de las clulas de la vaina, lasclulas del mesfilo tienen una pared celular delgada, loque facilita la difusin del CO2.

Los arreglos anatmicos y organulares son muydiversos y demuestran el origen polifiltico de las C4. Unaespecie del gnero Borszczowia tiene valores isotpicossemejantes a las de las C4 y cloroplastos diferenciados enlos polos de clulas largas arregladas radialmente. En lasChenopodiaceas los arreglos son tambin muy variados yen el gnero Flaveria hay especies C3, formas intermediasC3- C4 y otras netamente C4. En general, las C4 tienen mayoreficiencia en el uso del agua y de los nutrientes como elnitrgeno y la fotorrespiracin es mucho ms baja que enlas C3 (Dai et al., 1993; Ku et al., 1996; Cowling, 1999).

47

Revista Chapingo Serie Ciencias Forestales y del Ambiente 14(1): 45-50, 2008.

La regulacin de la expresin de los genes de la vaC4

Los anlisis de las secuencias de promotores degenes, los estudios de plantas mutantes y transgnicas,sugieren que no hay un mecanismo universal regulando losdistintos genes C4, pero necesariamente hay cambios comola expresin especfica en un determinado tipo celular(clulas de la vaina del haz o del mesfilo), como en el casode la anhidrasa carbnica. La duplicacin de genes yadquisicin de promotores fuertes para un nivel alto deexpresin. Tambin cambia la cintica y propiedadesreguladoras de la enzima (PEPC). Por ejemplo la PPDK,que tiene una alta expresin de las isoformas cloroplastdicasen clulas especficas (Edwards et al., 2001).

En hojas de maz cultivado en la oscuridad la Rubiscoest presente a muy bajos niveles en las clulas de la vainay del mesfilo, sin poderse detectar las enzimas de la vaC4, pero el enverdecimiento por exposicin a la luz, confinala expresin de la Rubisco a las clulas de la vaina y seinicia la expresin de las de la va C4 (Nomura et al., 2000b)

En Amaranthus hypochondriacus los genes C4 sonregulados de una forma independiente durante el desarrolloy la diferenciacin celular. La regulacin a nivelpostranscripcional determina los patrones especficos deexpresin durante el desarrollo temprano de la hoja,independientemente de la luz (Tsuchida et al., 2001). EnFlaveria trinervia la expresin de la PEPC y la PPDK enmesfilo es posterior a la expresin de la subunidad pequeade la Rubisco en clulas de la vaina del haz; esto ha sidotambin observado en hojas jvenes de maz, amaranto yAtriplex rosea y podra deberse a que la vaina ya estdelimitada antes de que cesen las divisiones celulares en elmesfilo; es decir, mientras unas clulas, las de la vaina,ya adquirieron su identidad, otras, las del mesfilo, an noterminan de dividirse (Drincovich et al.,1998).

LA PEPC fosfoenol piruvato carboxilasa

La fosfoenol piruvato carboxilasa de Flaveria trinerviaes activada por luz debido a que es fosforilada por la fosfoenolpiruvato carboxilasa protein cinasa; la forma fosforilada tieneuna Vmax mayor y una sensibilidad menor a la inhibicin pormalato. En la oscuridad es desfoforilada por una fosfatasatipo PP2A. Cuando reciben luz las clulas del mesfilo sealcalinizan, permitiendo una mejor solubilizacin delbicarbonato en el citosol y se calcula que alcanza unaconcentracin de 80 M a pH 7.4. En hojas iluminadas LaKm de la enzima por el HCO3

- es de 0.011 mM y su Vmax esde 0.064 molmin-1 por mg de protena. En hojas noexpuestas a la luz la Km es de 0.031 mM y la Vmax 0.16Molmin-1 por mg de protena (Shu et al., 1999).

En maz hay al menos cuatro genes que codifican paraesta enzima. Tres son expresados principalmente en raz y

el otro tiene un alto nivel de expresin en hojas verdes,incluidas las del totomoxtle (Hojas que recubren la mazorca)(Dai et al., 1993). El promotor del gen PPCZm1 dirige laexpresin especfica del gen reportero GUS en clulas delmesfilo de arroz y maz. La expresin del gen GUS, adems,es influida por el estado de desarrollo, luz, glucosa, acetatoy probablemente tambin por la biognesis del cloroplasto.El efecto de la luz podra deberse a los cambios en eldesarrollo inducidos por la seal luminosa ms que a unefecto directo. El factor de transcripcin Dof 1 regulaespecficamente al promotor del gen PPCZm1, que codificapara la fosfoenolpiruvato carboxilasa en protoplastos demesfilo de maz (Drincovich et al., 1998; Tsuchida et al.,2001). La comparacin entre los genes de Flaveria trinervia(C4) y F. pringlei (C3) sugiere que unas pocas alteracionesen la regin promotora del gen son las responsables para laalta tasa de expresin de la forma C4 y stas incluyen unpotenciador o enhancer especfico de hoja. La reginpromotora del gen PPCA1 (la forma C4) de F. trinervia essuficiente para conferir la expresin especfica en mesfilode F. bidentis (una C4) transformada con este gen. En F.trinervia el RNA mensajero que codifica para la PEPC seacumula a altos niveles a los cuatro das de desarrollo delos cotiledones, disminuye a los cinco das y alcanza elnivel estacionario a los siete das (Drincovich et al., 1998).

Anhidrasa carbnica (AC)

La anhidrasa carbnica, convierte el CO2 a HCO3-, este

ltimo, es el substrato de la PEPC. En hojas iluminadas deF. trinervia la actividad de la AC es diez veces ms alta queen hojas no iluminadas (Shu et al., 1999). En el maz (C4)20-60 % de la actividad de esta enzima se encuentralocalizada en la membrana plasmtica, liberando el HCO3

-

en el citosol. En el trigo (C3) la actividad presente en lamembrana plasmtica es de 1-3 %. Las formas presentesen el cloroplasto y en el citosol evolucionaron a partir de ungen ancestral, antes de la divergencia entre plantasdicotiledneas y monocotiledneas (Dai et al., 1993).

EM-NADP, la enzima mlica dependiente de NADP

En Flaveria hay tres y tal vez cuatro genes quecodifican para esta enzima; una de las formas, Me1, esexpresada en tejido fotosinttico C4 y la otra, Me2, pareceser constitutiva; ambas se localizan en plantas C3 y C4 yparecen haber surgido por duplicacin de un gen ancestral.Las C3 presentan baja actividad de esta enzima, atribuible auna forma de peso molecular alto; la forma de bajo pesomolecular est tambin presente, pero su actividad es anmenor. La EM-NADP de trigo tiene mayor peso molecular ymenor actividad que la de maz. El maz expresa esa mismaisoforma, pero lo hace en raz y hojas etioladas; la de bajopeso molecular la utiliza en la fotosntesis C4.

La enzima de 72 kDa es la de alto peso y es expresadade manera constitutiva en hojas, tallos y races de plantas

48

Aparicin y evolucin...

C3 y C4. La de 62 kDa, y otra forma menos abundante de 64kDa, aparece slo en las hojas verdes de C4. Las formas deFlaveria, con caractersticas de C3 y C4, tienen enzimas de62, 64 y 72 kDa. La forma presente en las especies C3 deFlaveria parece tener una Km mayor por el NADP que laforma presente en las especies C4 de Flaveria, donde selocaliza principalmente en los cloroplastos de la vaina delhaz, pero en las formas intermedias aparece tambin en loscloroplastos del mesfilo. Los genes Me1 y Me2 de F.bidentis estn presentes en especies C3 y C4 y ambos tienenpptidos de trnsito para dirigir la protena al cloroplasto, loque sugiere que son parlogos que surgieron por duplicacingentica. Me1 aparece en los cloroplastos de la vaina, esespecfico de hoja, su expresin depende de luz y se expresaen C4 solamente. El gen Me2, que codifica para la forma de72 kDa, se expresa constitutivamente y aparece en plastidiosde hojas, tallos y races de C3 y C4. En maz transgnico lasobreexpresin, inducida, de EM-NADP en races provocauna reduccin en la actividad del PSII y reduce la granaapilada, lo que indica co-regulacin de genes no relacionados(Edwards et al. 2001).

En cloroplastos de arroz transformado, la acumulacinde EM-NADP de maz tiene efectos negativos sobre elcrecimiento de las plantas cultivadas bajo luz natural;presentaron caquexia y supresin del crecimiento, consntomas ms severos conforme aumenta la actividad de laenzima en hojas. La concentracin de malato fue muchoms alta en las hojas caquxicas, que tuvieron menorcontenido de protena soluble y de Rubisco. En las plantastransformadas con la EM-NADP del propio arroz no seobservaron sntomas deletreos, a pesar de que hubo plantascon cinco veces ms actividad enzimtica con respecto alas plantas no transformadas. A pH 7.5 la isoforma de laenzima de arroz (C3) tiene una Vmax que es menor al 10 % dela isoforma de maz. Los efectos negativos sobre las plantasde arroz transformadas, a altas intensidades luminosas,podran explicarse por el hecho de que la EM-NADP muestraun incremento de su actividad bajo iluminacin al aumentarel pH y la concentracin de Mg2+ en el estroma. Otrasposibilidades son que consuma el NADP+ y exponga loscloroplastos a la fotoinhibicin, o por la consuncin delmalato por descarboxilacin (Nomura et al., 2000a).

La PPDK piruvato ortofosfato dicinasa

Esta enzima, la piruvato ortofosfato dicinasa, regenerael fosfoenolpiruvato en las clulas del mesfilo. El gen quecodifica para esta enzima es llamado pdk y su transcripcinpuede iniciarse a partir de dos promotores, en dos sitiosdistintos. Uno de los transcritos lleva el exn 1, que codificapara un pptido de trnsito que dirige a la enzima alcloroplasto; esta es la enzima tipo C4. El mARN de menortamao no lleva la parte que codifica para el exn 1 y laenzima es enviada al citosol. En F. trinervia (C4) y en arroz(C3) tambin hay dos promotores en el gen, pero el gen demaz tiene elementos en cis (es decir, que se hallan en la

secuencia del DNA) que le confieren una expresin muyalta dependiente de luz; el gen de arroz no los tiene; sinembargo, la enzima de maz se parece ms a la de arrozque a la de Flaveria (C4). Los genes que codifican para lasenzimas de Flaveria y de maz seran ortlogos, tienen unancestro comn y realizan la misma funcin en organismosdistintos (Drincovich et al., 1998).

En plantas de arroz transformadas con el gen reporteroGUS bajo el control del promotor del gen pdk de mazmuestran el mismo patrn de tincin para GUS que el quepresentan las plantas de arroz transformadas con el genGUS bajo el control del propio promotor de arroz, luego de24 h de exposicin a la luz, pero las que llevan el promotorde maz tienen una tincin mucho ms intensa. En plantasde maz transformadas con el gen GUS bajo el control delpromotor de arroz la actividad de la enzima se observaadems en rganos no fotosintetizadores. El arroztransformado con la enzima GUS bajo el control del promo-tor de maz muestra tincin slo en las clulas del mesfilo.Estos resultados indican que la regulacin de la expresindel gen pdk es distinta en arroz y maz. Sin embargo, laexpresin inducida con el promotor de arroz es compatiblecon la de maz pero la expresin inducida con el promotorde maz no lo es con la de arroz (Nomura et al., 2000b).

RbcS subunidad pequea de la Rubisco

La Rubisco consta de ocho subunidades grandes (55kDa) y ocho pequeas (13 kDa). En el genoma de arroz haytres o cuatro genes que codifican para la subunidad pequeay en hojas verdes 64 % del mARN son transcritosprovenientes del gen tipo I y 33 % provienen del gen tipo II.Esta protena es expresada especficamente en las clulasdel mesfilo en las plantas C3. En las C4 se expresa en lasclulas de la vaina del haz pero no en mesfilo. En el mazla represin del gen ocurre, bajo condiciones de luz en clulasdel mesfilo que estn hasta tres clulas ms all de unavena. A pesar de las diferencias en expresin la estructuradel gen en la regin que codifica para la protena est muyconservada en el arroz y el maz. En plantas de arroztransgnico la expresin del gen reportero GUS bajo el con-trol del promotor de maz del gen de la rbcS (subunidadpequea de la rubisco), es dependiente de luz y se expresaslo en mesfilo. Este patrn de expresin es igual al quepresenta el gen endgeno de arroz. En cambio, las plantasde maz transformadas con el gen GUS bajo el control delpromotor de arroz tambin expresan el gen en las clulasdel mesfilo, adems de las clulas de la vaina del haz. Elpromotor de maz induce la expresin del gen GUSespecficamente en las clulas de la vaina del haz; el dearroz en toda la hoja. Sin embargo, cuando las hojas deplntulas etioladas son expuestas a la luz, la expresin delgen GUS se observa despus de ocho horas de exposicina la luz, con cualquiera de los dos promotores. Dada laconservacin de las secuencias entre los dos genes losautores concluyen que las diferencias en los patrones de

49

Revista Chapingo Serie Ciencias Forestales y del Ambiente 14(1): 45-50, 2008.

expresin se deben a elementos actuando en trans (protenasque se unen al DNA) (Parvathi et al., 2000).

Perspectivas

El estudio de los genes que participan en la fotosntesisC4, es algo que sin duda continuar y ayudar a entendercomo evolucion y cmo se regula en las especies. Aunquede lo hallado hasta ahora, se podra concluir que ser muydifcil hacer generalizaciones pues, como hemos visto,algunos genes se han modificado a nivel de promotor, enotros casos las enzimas han sufrido cambios en residuosde aminocidos y tambin, se hace uso de factores detranscripcin al parecer no presentes en las C3, o pudieraser que all reconocieran secuencias diferentes. Otrosaspectos importantes e interesantes son el estudiobioqumico de las distintas enzimas de la va y de lostransportadores de malato y piruvato. Es de esperarse quecon la clonacin de los genes se obtenga protena pura encantidad suficiente para hacer los estudios bioqumicos ypoder comparar entre las enzimas de especies C4 y C3,adems de investigar cmo se regula la diferenciacin celular(entre clulas de la vaina del haz y clulas del mesfilo).Respecto a este tema, se sabe que la posicin de la clulaes muy importante para determinar cual ser su destino. Laclonacin del gen SbRLK1 (Kaplan et al., 2001), que codificapara un receptor con actividad de cinasa, permite especularsobre la posibilidad que intervenga en procesos especficosde las clulas del mesfilo, que es donde se observa sumayor expresin. La existencia de plasmodesmos entre lasclulas del mesfilo y de la vaina del haz, deja abierta laposibilidad de que haya transferencia de protenas, talescomo factores de transcripcin (protenas que permiten laexpresin de genes), que ayuden a regular la expresinespecfica de genes en las clulas. Esto ltimo ha sidoobservado en el caso del desarrollo de rganos florales enarabidopsis (Kaplan et al., 2001; Annen y Stockhaus, 1999).

Si alguien hubiera podido predecir, hace 5-7 ma, quelas plantas, ante la cada en la concentracin de CO2atmosfrico, desarrollaran mecanismos concentradores deeste gas, hubiera acertado. Ahora se pretende introducircaractersticas de las C4 a cultivos C3 como el arroz. Sinduda, habr que considerar que tan viable es esto desde unpunto de vista tcnico y tambin ambiental, toda vez que elincremento en la temperatura y en la concentracin de CO2podra favorecer a las C3. Los registros fsiles indican quelas primeras plantas terrestres experimentaronconcentraciones altas de CO2 en el Devoniano, y eran plantaspequeas desprovistas de hojas. Durante los siguientes 40millones de aos una cada en el CO2 atmosfrico provocun aumento en la densidad estomatal y un mximo en laanchura de la hoja en varios grupos independientes que llevanal desarrollo de rboles y forman bosques estratificados,con sistemas de races profundos. La remocin de CO2 du-rante este periodo es evidenciado por los enormes depsitosde carbn de los periodos Mississipico y Prmico. Debe

considerarse que esto se dio a lo largo de millones de aosy la humanidad est interesada en prever qu va a pasar enel corto plazo (Beerling y Berner, 2005).

Se est trabajando intensamente en tratar de obtenermutantes en la Rubisco a fin de disminuir su actividad deoxigenasa; en este aspecto, se est tratando de seguir uncamino distinto al que siguieron las plantas para respondera la baja en la concentracin ambiental de CO2; es decir,desarrollar un mecanismo concentrador. Otra posibilidad esla de introducir el gen que codifica para la Rubisco del algaGriffithsia monilis y convencer a los cultivos de que trabajencon esta enzima. Aunque es difcil hacer prediccionesrespecto a las tendencias evolutivas de los organismos.

LITERATURA CITADAANNEN, F.; STOCKHAUS J. 1999. SbRLK1, a receptor-like protein ki-

nase of Sorghum bicolor (L.) Moench that is expressed inmesophill cells. Planta 208: 420-425.

BEERLING, D. J.; BERNER, R. A. 2005. Feedbacks and the coevolution ofplants and atmospheric. Proc. Natl. Acad Sci 102: 1302-1305.

CERLING, T. E.; HARRIS, J. M.; MCFADDEN, B. J.; LEAKEY, M. G.; QUADE,J.; EISENMANN V.; EHLERINGER, J. R. 1997. Global vegeta-tion change through the Miocene/Pliocene boundary. Na-ture 389: 153-158.

COWLING, S. A. 1999. Plants and temperature-CO2 uncoupling. Science285: 1500-1501.

DAI, Z.; KU, M. S. B.; EDWARDS, G. E. 1993. C4 Photosynthesis. PlantPhysiol 103: 83-90.

DRINCOVICH, M. F.; CASATI, P.; ANDREO, C. S.; CHESSIN, S. J.;FRANCESCHI, V. R.; EDWARDS, G. E.; KU, M. S. B. 1998.Evolution of C4 photosynthesis in Flaveria species. PlantPhysiol 117: 733-744.

EDWARDS, G. E.; FURBANK, R. T.; HATCH, M. D.; OSMOND, C. B. 2001.What does it take to be C4? Lessons from the evolution ofC4 photosynthesis. Plant Physiol 125: 46-49.

GUTTERIDGE,S.; PIERCE,J. 2006. A unified theory for the basis of thelimitations of the primary reaction of photosynthetic fixa-tion: was Dr Pangloss right? Proc. Natl. Acad. Sci. 103:7203-7204.

KAPLAN, A. Y.; HELMAN, D.; TCHERNOV, L.; REINHOLD. 2001. Acclima-tion of photosynthetic microorganisms to changing ambi-ent CO2 concentration. PNAS 98: 4817-4818.

KU, M. S. B.; KANO-MURAKAMI, Y.; MATSUOKA, M. 1996. Evolution andexpression of C4 photosynthesis genes. Plant Physiol 111:949-957.

NOMURA, M.; SENTOKU, N.; NISHIMURA, A.; LIN, J. H.; HONDA, C.;TANIGUCHI, M.; ISHIDA, Y.; OHTA, S.; KOMARI, T.; MIYAO-TOKUTOMI, M.; KANO-MURAKAMI, Y.; TAJIMA, S.; KU, M.S. B.; MATSUOKA, M. 2000a. The evolution of C4 plants:acquisition of cis-regulatory sequences in the promotor ofC4type pyruvate, orthophosphate dikinase gene. Plant J22:211-221.

NOMURA, M.; KATAYAMA, K.; NISHIMURA, A.; ISHIDA, Y.; OHTA, S.;KOMARI, T.; MIYAO-TOKUTOMI, M.; TAJIMA, S.;MATSUOKA, M. 2000b. The promotor of rbcS in a C3 plant(rice) directs organ-specific, light-dependent expressionin a C4 plant (maize), but does not confer bundle sheathcell-specific expression. Plant Mol Biol. 44: 99-106.

50

Aparicin y evolucin...

PARVATHI, K.; BHAGWAT, A. S.; UENO, Y.; IZUI, K.; RAGHAVENDRA, A.S. 2000. Illumination increases the affinity of phospho-enolpyruvate carboxylase to bicarbonate in leaves of a C4plant, Amaranthus hypochondriacus. Plant Cell Physiol 41:905-910.

SHU, G.; PONTIERI, V.; DENGLER, N. G.; METS, L. J. 1999. Light inductionof cell type differentiation and cell-type-specific gene ex-pression in cotyledons of a C4 plant, Flaveria trinervia.Plant Physiol. 121: 731-741.

TSUCHIDA, H.; TAMAI, T.; FUKAYAMA, H.; AGARIE, S.; NOMURA, M.;

ONODERA, H.; ONO, K.; NISHIZAWA, Y.; LEE, B. H.; HIROSE,S.; TOKI, S.; KU, M. S. B.; MATSUOKA, M.; MIYAO, M. 2001.High level expression of C4specific NADP-malic enzymein leaves and impairment of photoautotrophic growth in aC3 plant, rice. Plant Cell Physiol. 42: 138-145.

WANG, Y.; SPALDING, M. H. 2006. An inorganic carbon transport sys-tem responsible for acclimation specific to air levels of CO2in Chlamydomonas reinhardtii Proc Natl Acad Sci 103:10110-10115.