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DISTANCIA EVOLUTIVA EN PLANAS TIPO C3, C3-C4 Y C4 Andrés Alejandro Camargo Parra (aacamargo@tux.uis.edu.co) Resumen Los mecanismo de carboxilacion es una de las herramientas para clasificar y categorizar las distribución de especies vegetales; algunos autores postulan una visión gradualista para evolución de los diferentes mecanismos de carboxilacion basados en caracteres morfológicos y fisiológicos, por lo que en el presente estudio se evalúa la evolución del gen ppc implicado en los procesos de carboxilacion en plantas C3, C3-C4 y C4. los resultados demuestran que existe una evolución gradualista en la expresión y funcionalidad génica de plantas C3 a C4, la cual debe ser interpretada en niveles de jerarquías cercanas. 1. Introducción La enzima fosfoenol piruvato carbolixilasa (PPC), es la encargada de la fijación primaria de CO2 y regulación del pH intracelular en plantas tipo C3, C3-C4 y C4(1) .Esta enzima se localiza en las células del mesófilo esponjoso, principalmente citosol, lugar donde se da la expresión del gen ppc y del cual depende la incorporación del CO2 al ciclo de Calvin(2). La clasificación y distribución ecológica de este grupo de plantas esta dado por características morfológica y fisiológica únicas en cada uno de estos grupos(3), Cushman (2001)(4) propone que estas características son evidencias de innovaciones evolutivas que indican una dirección gradualista de plantas C3 (ancestrales), C3-C4 (intermedios) y C4 (total), como consecuencia de una especialización en la colonización de nuevos ecosistemas (principalmente áridos) y a una plasticidad en la captura de CO2, que ha permitido la tolerancia de ciertas especies a condiciones de estrés(4,5); esta asunción discrimina diferentes mecanismos evolutivos, que han permitido la regulación enzimatica en cada uno de estos grupos. Por lo en que el presente estudio se evalúa la evolución del gen ppc en plantas tipo C3, C3-C4 y C4, y si es consistente con la dirección gradualista propuesta por Cushman (2001). 2. Metodología Los análisis filogenéticos fueron realizados usando el gen ppc, para 17 taxas (outgrout, isoforma funcional ppcA: Pisum sativum), dentro de los cuales se encuentran plantas tipo C3, C3-C4 y C4 (Tabla 1). El alineamiento se realizó, utilizando POY versión 3.0.4(6); se realizaron implied alignment variando los parámetros, indel costos transversión, transición, utilizaron 6 combinaciones de los indel, 1:1:1, 1:1:2; 1:2:1, 2:1:1, 2:1:2 y 4:1:2, se calculo por parsimonia los árboles con diferentes costos y se selecciono el árbol con menos costos. Para el análisis de ML, el modelo de sustitución de nucleótidos fue TrN (Tamura Nei), para el gen ppc, fueron utilizados posteriormente al probar inicialmente con Modeltest 3.7 (7) .Para el análisis de distancia nucleótidos, se utilizo una matrix de distancia generada bajo el modelo K2P (Kimura 2 parametros) y posteriormente se reconstruyo la topología utilizando NJ en el programa MEGA 4.0(8) 3. Resultados y discusión Una búsqueda heurística, de los diferentes taxas, demuestra dos árboles posibles con una longitud de 3846 pasos, donde se agrupan por grupos según el tipo de carboxilacion y la ausencia de una relación filogenética (Figura 1). Estos resultados son consistentes con el postulado por Cushman (2001), quien propone una dirección gradualita de C3 hasta C4, que indicaría cambios progresivos a nivel morfológicos y fisiológicos en algunas estructuras particulares de la planta (mesófilo principalmente) y en algunos mecanismo de expresión genética que conllevarían a la diferenciación según el tipo de metabolismo de carboxilacion (9, 10), estos resultado son consistentes con los obtenidos en el análisis de distancia nucleotidica, que indicarían diferentes eventos en la tasa de sustitución, frecuencias nucleotidicas y diferentes mecanismos mutacionales que estarían dados por distintos procesos de colonización a nuevos habitats, principalmente áridos(4,5). Las diferentes distancias observadas son congruentes con los resultados observados por Besnard et al., (2002) (11) , quien concluye que los eventos de micro-evolutivos en plantas C4, que han diferenciado a plantas C3-C4 y C3-CAM son relativamente recientes, debido a la capacidad plasticidad en la captura de CO2 en algunas familias donde se encuentran Poaceae Asteraceae y Amaranthaceae, como se observo en este trabajo (Figura 3). Un análisis más robusto de la evolución del gen ppc en ML, demuestra evolución gradualista como se ha observado en algunos caracteres morfológicos y fisiológicos (3), como se observo en este trabajo dentro de la familia Asteraceae; una transición de especie C3 (Flaveria trinervia), a plantas tipo C3-C4 (Flaveria linearis, Flaveria chloraefolia, Flaveria pubescens, Flaveria floridana, Flaveria palmeri) y de estas a plantas C4, que este caso seria la asunción mas correcta debería ser concebida una mayor expresión génica funcional del gen ppc y no como un proceso de transformación de estructuras, que pueden ser evidencias de forma mas clara a nivel familia genero o especie (12). Bibliografía citada 1. CHOLLET, R., VIDAL, J., O’LEARY, M.H. 1996. Phosphoenolpyruvate carboxylase: A ubiquitous, highly regulated enzyme in plants. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant mol. Biol. 47: 273-298. 2. LARCHER W. 1995. Physiological pl 336 ant ecology: ecophysiology and stress physiology of function groups (3rd edition). Springer Verlag. Berlin-Heidelberg. 3. CUSHMAN J, BOHNERT HJ. 1997. Molecular Genetics of Crassulacean Acid Metabolism. Plant Physiol.113:667-676. 4. CUSHMAN J. 2001Crassulacean Acid Metabolism. A Plastic Photosynthetic Adaptation to Arid Environments. Plant Physiol.127:1439-1448. 5. BASTIDE B, SIPES D, HANN J, TING P. 1993. Effect of Severe Water Stress on Aspects of Crassulacean Acid Metabolism in Xerosicyos. Plant Physiol.103: 1089-1096. 6. LÜTTGE U. 2002. Co2-Concentrating: Consequences in Crassulacean Acid Metabolism. J Exp Bot. 53: 2131-2142. 7. WHEELER, W.C., DE LAET, J., GLADSTEIN, D.S., 2002. POY: The Optimization of Alignment Characters. Version 3.0.4. Program and Documentation. New York, NY. Available at ftp.amnh.org/pub/molecular. Documentation by D. Janies and W.C. Wheeler. 8. POSADA, D. & K. A. CRANDALL, 1998. MODELTEST: testing the model of DNA substitution. 9. TAMURA, K., DUDLEY, J., NEI, M & KUMAR S. Phylogenetic and molecular evolutionary analyses were conducted using MEGA version 4.0 (2006). 10. RAVEN JA, SPICER RA. 1996.The Evolution of Crassulacean Acid Metabolism. In: Winter K, Smith JAC, Editores. Crassulacean Acid Metabolism. Biochemistry Ecophysiology and Evolution. Berlin: Springer-Verlag. p. 360-385. 11. G. BESNARD. B. OFFMANN · C. ROBERT · C. ROUCH F. CADET. 2002. Assessment of the C4 phosphoenolpyruvate carboxylase gene diversity in grasses (Poaceae). Theor Appl Genet. 105:404–412 12. WORD, T. C., CAVANAUGH, D. P. 2001. A baraminological analysis of subtribe flaveriinae (asteraceae: helenieae) and the origin of biological complexity. Origins 52:7-27 Tabla 1: Clasificación de especies por familia y por tipo de carboxilación Especie Familia Pisum sativum (outgrout) Leguminosae Tipo C3 Physcomitrella patens Funariaceae C3 Flaveria pringlei Asteraceae C4 Flaveria trinervia Asteraceae C3 Flaveria linearis Asteraceae C3-C4 Flaveria chloraefolia Asteraceae C3-C4 Flaveria pubescens Asteraceae C3-C4 Flaveria floridana Asteraceae C3-C4 Flaveria palmeri Asteraceae C3-C4 Oplismenus compositum Poaceae C4 Holcus lanatus Poaceae C4 Alternanthera sessilis Amaranthaceae C3 Alternanthera ficoidea Amaranthaceae C4 Alternanthera pungens Amaranthaceae C4 Saccharum officinarum Poaceae C4 Sorghum verticilliflorum Poaceae C4 Zea mays Poaceae C4 Cynodon dactylon Poaceae C4 C3 C3-C4 C4 C3-C4 Figura 1: Análisis de parsimonia para plantas tipo C3, C3-C4 y C4 (Longitud del árbol: 3846). C3 C3-C4 C4 C3-C4 Figura 3: Análisis de distancia nucleotidica, plantas tipo C3, C3-C4 y C4 Pisum sativum C3 Flaveria trinervia Physcomitrella patens Flaveria pringlei Alternanthera sessilis C3-C4 Alternanthera ficoidea Alternanthera pungens Saccharum officinarum Zea mays Holcus anatus Oplismenus compositus Sorghum verticilliflorum Cynodon dactylon Flaveria linearis Flaveria floridana Flaveria chloraefolia C3-C4 Flaveria pubescens Flaveria palmeri 0.1 Figura 2: Análisis de ML, para el gen ppc en plantas tipo C3, C3-C4 y C4. C4