Resumen de Implications of the rubisco molecular and biochemical variability in the carbon acquisition and assimilation capacity of marine macrophytes
- español
Introducción: La Rubisco (D-ribulosa 1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa) es la enzima que sustenta la mayoría de las cadenas alimenticias de la Biosfera, fijando el CO2 y siendo el vínculo fundamental entre la materia orgánica e inorgánica en la Tierra. La Rubisco también utiliza O2 como sustrato, una doble función que dificulta su actividad carboxilativa en las condiciones atmosféricas actuales. La Rubisco también está limitada por su baja tasa de carboxilación y baja afinidad por el CO2, lo que requiere que los organismos fotosintéticos tengan que sintetizarla en grandes cantidades. Por este motivo, la Rubisco es la proteína más abundante del planeta.
La caracterización de las propiedades catalíticas de la Rubisco solo ha sido evaluada en una ínfima parte de la biodiversidad de los organismos fotosintéticos, y principalmente en plantas vasculares terrestres, hecho que oculta la potencial diversidad que puede existir en los organismos marinos apenas representados en la literatura. Los ambientes marinos son propicios para la evolución de la Rubisco, ya que el suministro de CO2 hacia la enzima está restringido por la lenta difusión de gases y la baja disponibilidad de CO2 de estos ambientes. En consecuencia, la mayoría de los organismos fotosintéticos acuáticos han desarrollado mecanismos de concentración del CO2 (MCC). La co-adaptación de estos MCC biofísicos con la Rubisco ha sido poco explorada, y uno de los grupos más prometedores para evaluar esta co-evolución son los macrófitos marinos, un grupo de organismos ecológicamente muy relevantes y que incluye a especies de macroalgas pardas (Ochrophyta), rojas (Rhodophyta) y verdes (Chlorophyta), así como plantas vasculares marinas (Streptophyta). Estos grupos de macrófitos marinos expresan diferentes formas de Rubisco y la mayoría poseen MCC, dando como resultado una coexistencia que puede haber evolucionado la Rubisco hacia propiedades cinéticas que desafían sus restricciones catalíticas. Por estas razones, el objetivo general de esta Tesis es explorar la variabilidad bioquímica y molecular de la Rubisco en los principales grupos de macrófitos marinos y su relación con sus mecanismos de adquisición de carbono.
Contenido de la investigación: Los resultados de esta Tesis han revelado una amplia variabilidad en el funcionamiento y efectividad para concentrar CO2 de los MCC en los macrófitos estudiados. Las fanerógamas marinas presentaron unos MCC más eficaces que sus parientes de agua dulce y salobre, obteniendo una efectividad similar a los MCC de macroalgas marinas. Se observó una relación inversa entre la eficacia de los MCC y la eficiencia de carboxilación de la Rubisco en las especies de macrófitos estudiadas, lo que demostró una convergencia evolutiva entre las propiedades cinéticas de su Rubisco y sus MCC. Se encontró una baja eficiencia de carboxilación de la Rubisco en los macrófitos marinos analizados, posiblemente debido a una reducción en la eficiencia de oxigenación de su Rubisco, ya que el oxígeno se acumula dentro de sus células durante la fotosíntesis. La forma ID de la Rubisco presentó una relación catalítica más relajada entre las afinidades de CO2 y O2 que la forma IB, lo que indica una mejor adaptación de la forma ID a la alta proporción intracelular de O2/CO2 que se encuentra en las células de los macrófitos marinos y explica sus valores más altos de especificidad por el CO2.
Conclusión: Esta tesis proporciona una visión fundamental de cómo ha evolucionado la Rubisco en ambientes marinos, revelando un patrón general de co-adaptación de la enzima con los MCC a través de diferentes grupos de macrófitos marinos. Los datos cinéticos proporcionados demuestran una relajación de las relaciones comprometidas entre los parámetros catalíticos de la Rubisco, lo que revela una maleabilidad en la catálisis de Rubisco oculta por unos datos cinéticos sesgados e incompletos.
- català
Introducció: La Rubisco (D-ribulosa 1,5-bisfosfat carboxilasa/oxigenasa) és l'enzim que sustenta la majoria de les cadenes alimentàries de la biosfera, ja que fixa el CO2 i és el vincle fonamental entre la matèria orgànica i inorgànica a la Terra. La Rubisco també utilitza l’O2 com a substrat, una doble funció que dificulta la seva activitat carboxilativa en les condicions atmosfèriques actuals. La Rubisco també es veu limitada per una baixa taxa de carboxilació i baixa afinitat pel CO2, i això fa que s’hagi de sintetitzar en grans quantitats en els organismes fotosintètics. Per això, la Rubisco és la proteïna més abundant del planeta.
La caracterització de les propietats catalítiques de la Rubisco només ha estat avaluada en una ínfima part de la biodiversitat dels organismes fotosintètics, i majoritàriament en plantes vasculars terrestres, fet que oculta la potencial diversitat que pot existir en els organismes marins poc representats a la literatura. Els ambients marins afavoreixen l'evolució de la Rubisco, ja que el subministrament del CO2 cap a l'enzim està restringit per la lenta difusió dels gasos i la baixa disponibilitat de CO2 d’aquests ambients. Per tant, la majoria dels organismes fotosintètics marins han desenvolupat mecanismes de concentració del CO2 (MCC) per mantenir taxes de carboxilació efectives sota l'aigua. La coadaptació d'aquests MCC amb la Rubisco ha estat poc explorada, i un dels grups més prometedors per avaluar-la són els macròfits marins, un grup d'organismes molt rellevants ecològicament i que inclou espècies de macroalgues marrons (Ochrophyta), vermelles (Rhodophyta) i verdes (Chlorophyta) i plantes vasculars marines (Streptophyta). Aquests organismes expressen diferents formes de Rubisco i la majoria tenen MCC, fet que dona lloc a una coexistència que podria haver evolucionat la Rubisco cap a propietats cinètiques que desafien els seus compromisos catalítics. Per aquestes raons, l'objectiu general d'aquesta Tesi és explorar la variabilitat bioquímica i molecular de la Rubisco als principals grups de macròfits marins i la seva relació amb els mecanismes d'adquisició de carboni.
Contingut de la investigació: Els resultats d'aquesta Tesi han revelat una àmplia variabilitat en el funcionament i efectivitat per concentrar CO2 dels MCC en els macròfits estudiats. Els MCC de les fanerògames marines varen ser més efectius concentrant el CO2 que els dels seus parents d'aigua dolça i salobre i amb una efectivitat similar als MCC de les macroalgues marines. Es va observar una relació inversa entre l'eficàcia dels MCC i l'eficiència de carboxilació de la Rubisco a totes les espècies de macròfits estudiades, fet que demostrà una convergència evolutiva entre les propietats cinètiques de la Rubisco i els MCC en els macròfits marins. Es va trobar una baixa eficiència carboxilativa de la Rubisco en els macròfits marins analitzats, possiblement a causa d’una reducció en l'eficiència d'oxigenació de la seva Rubisco, adaptació per fer front a l’acumulació d'oxigen dins les cèl·lules durant la fotosíntesis sota l’aigua. La forma ID de la Rubisco va presentar una relació catalítica més relaxada entre les afinitats de CO2 i O2 que la forma IB, fet que indica una millor adaptació de la forma ID a l'alta proporció intracel·lular d'O2/CO2 que es troba als teixits dels macròfits marins i explica els seus valors més alts d'especificitat pel CO2.
Conclusió: Aquesta tesi proporciona una visió fonamental de com ha evolucionat la Rubisco en ambients marins, i revela un patró general de coadaptació de l'enzim amb els MCC a través dels diferents grups de macròfits marins. Les dades cinètiques proporcionades demostren una relaxació de les relacions compromeses entre els paràmetres catalítics de la Rubisco, de manera que es demostra una mal·leabilitat en la catàlisi de Rubisco oculta per dades cinètiques sobre l’enzim esbiaixades i incompletes.
- English
Introduction: Rubisco (D-ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) is the enzyme that sustains most of the food chains in the biosphere, catalyzing the fixation of CO2 and being the fundamental link between organic and inorganic matter on Earth. Rubisco also uses O2 as a substrate, a dual role that hampers its carboxylation activity under current atmospheric conditions due to a disproportionate abundance of O2 relative to CO2. Rubisco performance is also limited by its low carboxylation turnover rate and low affinity for CO2, requiring large amounts of Rubisco in photosynthetic organisms in order to sustain effective net carbon assimilation rates, thus explaining why Rubisco is the most abundant protein in the world.
The characterisation of Rubisco catalytic properties has only been assessed in a tiny part of the estimated biodiversity of photosynthetic organisms, mainly focused on terrestrial vascular plants. This lack of knowledge hides the potential diversity in the Rubisco catalytic properties of marine organisms, which are barely represented in the literature. Aquatic environments, and especially marine ones, are propitious for Rubisco kinetic evolution, as the supply of CO2 to Rubisco is restricted by the slow gas diffusion and the low CO2 availability of these environments. Consequently, most aquatic photosynthetic organisms had developed biophysical CO2-concentrating mechanisms (CCMs) that allow them to sustain effective carboxylation rates underwater. However, the coadaptation of these biophysical CCMs with Rubisco has been poorly explored, missing an important step in the Rubisco kinetic evolution. One of the most promising groups of organisms for assessing this coevolution are marine macrophytes, an ecologically relevant group of organisms that includes species of brown (Ochrophyta), red (Rhodophyta) and green (Chlorophyta) macroalgae and seagrasses (Streptophyta). Different Rubisco types are expressed among these groups of marine macrophytes and most of them possess biophysical CCMs, resulting in a coexistence that may evolve Rubisco towards kinetic profiles that can challenge its so-called catalytic trade-offs. For these reasons, the general objective of this Thesis is to explore the biochemical and molecular variability of Rubisco in the main groups of marine macrophytes and its relationship with their carbon acquisition mechanisms.
Content of the investigation: The results of this Thesis revealed a wide variability in the operation of the biophysical components conforming CCMs in aquatic macrophytes, which resulted in different effectiveness to concentrate CO2 at their Rubisco active sites. Seagrasses presented a higher CCMs effectiveness than their brackish water and freshwater counterparts due to the low CO2 availability in seawater, resulting in a similar CCMs effectiveness than seaweeds. An inverse relationship between CCMs effectiveness and Rubisco carboxylation efficiency was observed across all macrophytes species studied, demonstrating a Rubisco kinetic convergence across marine macrophytes to the CO2 concentration provided by biophysical CCMs. Lower Rubisco carboxylation efficiency was found in all analysed marine macrophytes relative to terrestrial angiosperms expressing CCMs, possibly due to an evolutionary reduction in the Rubisco oxygenation efficiency, since oxygen is accumulated inside photosynthetic cells as a consequence of the low gas diffusion in water. A more relaxed catalytic constraint between CO2 and O2 affinities of ID Rubisco indicates a better adaptation of this form to the high intracellular O2/CO2 ratio found in algae cells, explaining the higher Rubisco specificity values of form ID relative to form IB.
Conclusion: This thesis provides valuable insights into the evolution of Rubisco in marine environments, presenting a general pattern of co-adaptation between Rubisco and biophysical CCMs across the polyphyletic groups of marine macrophytes. The Rubisco kinetic data provided here demonstrate a more relaxed relationship across Rubisco catalytic parameters than previously reported, revealing a potential malleability of the Rubisco catalysis that has been previously hidden by a biased and uncompleted Rubisco kinetic’s dataset.
