Evolutionary insights on C4 photosynthetic subtypes in grasses from genomics and phylogenetics

In plants, an oligogene family encodes NADP-malic enzymes (NADP-me), which are responsible for various functions and exhibit different kinetics and expression patterns. In particular, a chloroplast isoform of NADP-me plays a key role in one of the three biochemical subtypes of C4 photosynthesis, an adaptation to warm environments that evolved several times independently during angiosperm diversification. By combining genomic and phylogenetic approaches, this study aimed at identifying the molecular mechanisms linked to the recurrent evolutions of C4-specific NADP-me in grasses (Poaceae). Genes encoding NADP-me (nadpme) were retrieved from genomes of model grasses and isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Genomic and phylogenetic analyses showed that 1) the grass nadpme gene family is composed of four main lineages, one of which is expressed in plastids (nadpme-IV), 2) C4-specific NADP-me evolved at least five times independently from nadpme-IV, and 3) some codons driven by positive selection underwent parallel changes during the multiple C4 origins. The C4 NADP-me being expressed in chloroplasts probably constrained its recurrent evolutions from the only plastid nadpme lineage and this common starting point limited the number of evolutionary paths toward a C4 optimized enzyme, resulting in genetic convergence. In light of the history of nadpme genes, an evolutionary scenario of the C4 phenotype using NADP-me is discussed.

C4 Photosynthesis evolved in grasses via parallel adaptive genetic changes.

Phenotypic convergence is a widespread and well-recognized evolutionary phenomenon. However, the responsible molecular mechanisms remain often unknown mainly because the genes involved are not identified. A well-known example of physiological convergence is the C4 photosynthetic pathway, which evolved independently more than 45 times [1]. Here, we address the question of the molecular bases of the C4 convergent phenotypes in grasses (Poaceae) by reconstructing the evolutionary history of genes encoding a C4 key enzyme, the phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC). PEPC genes belong to a multigene family encoding distinct isoforms of which only one is involved in C4 photosynthesis [2]. By using phylogenetic analyses, we showed that grass C4 PEPCs appeared at least eight times independently from the same non-C4 PEPC. Twenty-one amino acids evolved under positive selection and converged to similar or identical amino acids in most of the grass C4 PEPC lineages. This is the first record of such a high level of molecular convergent evolution, illustrating the repeatability of evolution. These amino acids were responsible for a strong phylogenetic bias grouping all C4 PEPCs together. The C4-specific amino acids detected must be essential for C4 PEPC enzymatic characteristics, and their identification opens new avenues for the engineering of the C4 pathway in crops.

Dinâmica de foliação e perfilhamento de duas gramíneas C4 e uma C3 nativas do Cerrado

Este estudo comparou a fenologia de três gramíneas nativas do Cerrado em dois níveis estruturais: variação do número de folhas por perfilho (colmo) e do número de perfilhos por planta. As espécies C4 Axonopus marginatus (Trin.) Chase e Trachypogon marginatus (L.f.) Kuntze e a C3 Echinolaena inflexa (Poir.) Chase foram estudadas na Reserva Ecológica do IBGE em Brasília, Distrito Federal, entre novembro de 1996 e junho de 1998. A fenologia de perfilhos foi comparada em três comunidades vegetais: cerrado denso protegido de fogo por 26 anos, campo sujo protegido de fogo por 22 anos e campo sujo queimado bienalmente. A fenologia de folhas foi estudada apenas no cerrado denso. O número de folhas da espécie C3 foi sempre maior que das C4. A área foliar foi constante durante todo o período na espécie C3, mas decresceu nas espécies C4 durante a estação seca. Para as espécies A. marginatus e E. inflexa, o número de perfilhos foi maior no campo sujo protegido, seguido de cerrado denso protegido e do campo sujo queimado. O número de perfilhos de T. spicatus no campo sujo protegido foi o dobro do encontrado no campo sujo queimado; o campo sujo queimado, não diferiu do cerrado denso. As diferenças fenológicas foram mais claras no nível foliar que no de perfilhos. O fogo promoveu a simplificação da arquitetura da planta nas três espécies.

Karta öfver Finland (Sektionen C4)

1 kartta :, vär. ;, 51,3 x 43,1 cm, lehti 58 x 50,4 cm

Respuesta inflamatoria y de fase aguda en el absceso hepático amibiano mediante el estudio de leucotrienos B4, C4, E4 y D4 e interleucina1 beta, interleucina 6 y factor de necrosis tumoral alfa

Tesis (Doctorado en Ciencias con Especialidad en Química Biomédica) UANL

The Edge C4 Graph of a Graph

Abstract. The edge C4 graph E4(G) of a graph G has all the edges of Gas its vertices, two vertices in E4(G) are adjacent if their corresponding edges in G are either incident or are opposite edges of some C4. In this paper, characterizations for E4(G) being connected, complete, bipartite, tree etc are given. We have also proved that E4(G) has no forbidden subgraph characterization. Some dynamical behaviour such as convergence, mortality and touching number are also studied

Molekulare Systematik der Gattung Suaeda (Chenopodiaceae) und Evolution des C4-Photosynthesesyndroms

Mit der vorliegenden Arbeit wird eine Synthese aus molekularer Phylogenie und Merkmalsentwicklung für die Unterfamilie Suaedoideae der Chenopodiaceae präsentiert. Anhand von rekonstruierten Stammbäumen aus den Sequenzunterschieden von DNA-Abschnitten zweier unabhängiger Genome (Kern, Chloroplast) werden monophyletische Gruppen herausgearbeitet und die Variabilität der molekularen Merkmale in Bezug auf die bekannten Arten diskutiert. Insgesamt wurden für alle molekularen Analysen 294 Sequenzen ausgewertet. Mit 254 Sequenzen von Arten der Unterfamilie Suaedoideae und 18 Sequenzen von Arten der Unterfamilie Salicornioideae wurde eine vergleichende molekulare Analyse mit den DNA-Regionen ITS, atpB-rbcL und psbB-psbH durchgeführt. Mit der Einbeziehung von ca. 65 bekannten Suaeda-Arten sind damit je nach Artauffassung bis zu 80% aller Arten der Gattung berücksichtigt. Mittels Fossildaten werden die wichtigsten Divergenzereignisse zeitlich fixiert. Die molekularen Stammbäume dienen weiterhin als Grundlage für die Bewertung der Arten sowie ihrer morphologischen und anatomischen Merkmale. Ein wichtiger Aspekt bildet dabei die Entwicklung der C4-Photosynthese mit den zugehörigen Blatttypen. Die folgenden vier Themenkomplexe bzw. Fragestellungen sollten bearbeitet werden (für ausführliche Darstellung vgl. Kap. 1.3): 1. Monophyletische Gruppen und ihre Beziehungen 2. Prinzipien der Evolution und Artbildung in der untersuchten Gruppe, Abgrenzung der Arten. 3. Entwicklung des C4-Photosynthesesyndroms 4. Entwicklung und Variabilität systematisch relevanter Merkmale Die Ergebnisse der auf vergleichender DNA-Sequenzierung beruhenden molekularen Analyse und die Synthese mit weiteren Daten führen als Resultat der vorliegenden Arbeit zusammenfassend zu folgenden Ergebnissen: 1.) Die drei sequenzierten DNA-Regionen ITS, atpB-rbcL und psbB-psbH zeigen im Vergleich eine sehr unterschiedliche Variabilität, ITS ist die variabelste aller Regionen. Die in den Alignments gefundenen Merkmale in Form von Punkt- und Längenmutationen zwischen den Einzelsequenzen waren zahlenmäßig ausreichend und qualitativ geeignet, um mit den drei Verfahren Maximum Parsimony, Maximum Likelihood und Bayes’scher Analyse aussagekräftige und in wesentlichen Aussagen kongruente molekulare Phylogenien zu rekonstruieren. Die Chloroplasten-Daten wurden für die Berechnungen kombiniert. 2.) Die beiden DNA-Regionen ITS und atpB-rbcL evolvieren mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die mit der Glättungsmethode PL berechneten durchschnittlichen Substitutionsraten weisen für ITS eine 5,5fach höhere Substitutionsrate gegenüber atpB-rbcL nach. Die ITS-Sequenzen sind daher wesentlich diverser und für einige Sippen, bei identischen atpB-rbcL-Sequenzen, unterschiedlich. Eine direkte Homologisierung von molekularer und morphologischer Variabilität oder die molekulare Limitierung von Arten ist daher nur in einigen Fällen möglich. 3.) Die Gattungen Suaeda, Alexandra und Borszczowia bilden eine monophyletische Gruppe, die den Salicornioideae als Schwestergruppe gegenübersteht. Dies bestätigt die Ergebnisse der Phylogenie der Chenopodiaceae (Kadereit et al. 2003). Im traditionellen Verständnis ist damit die Gattung Suaeda paraphyletisch. Durch taxonomische Umkombination (Schütze et al. 2003. Kapralov et al. 2006) werden die Gattungen Alexandra und Borszczowia in Suaeda eingegliedert, womit das Monophylie-Kriterium für die Gattung wieder erfüllt ist. Die molekularen Daten unterstützen diese nomenklatorische Neubewertung. Der nachfolgend verwendete Gattungsname Suaeda bezieht sich auf die neue Fassung. 4.) Bienertia gehört nicht in die unter 2.) beschriebene monophyletische Gruppe. Die Stellung dieser Gattung ist intermediär. Im ITS-Baum bildet sie die Schwestergruppe zu den Salicornioideae, im Chloroplasten-Baum diejenige zu Suaeda. Da Bienertia aufgrund morphologischer Merkmale Suaeda ähnlicher ist als den Salicornioideae wird sie in die intern neu gegliederte Unterfamilie der Suaedoideae einbezogen, die weitgehend der in Ulbrich (1934) vertretenen Auffassung entspricht. 5.) Suaeda teilt sich in zwei sehr deutlich getrennte Gruppen, die in einer neuen Gliederung als Untergattungen Brezia und Suaeda definiert werden. Die Trennung datiert mit etwa 30 Mio. Jahren in das Oligozän. Zur Untergattung Brezia gehören alle Arten der Sektion Brezia nach bisheriger taxonomischer Auffassung, die Untergattung Suaeda vereint alle übrigen Arten und wird in weitere Sektionen untergliedert. 6.) Die Untergattung bzw. Sektion Brezia zeigt im ITS-Baum eine deutliche Dreigliederung in 3 Subclades, die allerdings von den Chloroplasten-Bäumen nicht verifiziert wird und auch durch morphologische Merkmale nicht zu rechtfertigen ist. Die Subclades der Untergattung Suaeda entsprechen in Grundzügen den bisherigen Sektionen und sind durch synapomorphe Merkmale gekennzeichnet. Für die Gattung Suaeda leiten sich nach monophyletischen Gruppen oder singulären Linien folgende Sektionen ab: Brezia, Alexandra, Borszczowia, Schanginia, Schoberia Salsina (inkl. der früheren Sektionen Limbogermen, Immersa und Macrosuaeda), Suaeda, Physophora und Glauca (neu). 7.) Hybridisierung und Polyploidisierung sind wichtige Prozesse der sympatrischen Artbildung innerhalb der Suaedoideae und waren wahrscheinlich immer mit Arealerweiterungen gekoppelt. Mehrere Linien sind durch Vervielfachung des Chromosomensatzes charakterisiert, wobei auch die recht seltene Form der Dekaploidie erreicht wird. Vieles spricht dafür, dass sowohl Auto- als auch Allopolyploidie eine Rolle spielt. Auf Autopolyplodie beruhen höchstwahrscheinlich die unterschiedlichen Chromosomenrassen von S. corniculata. Durch Inkongruenzen zwischen Chloroplasten- und ITS (Kern)-Stammbäumen konnten einige Arten mit hoher Wahrscheinlichkeit als etablierte, allopolyploide Hybridsippen identifiziert werden (Suaeda kulundensis, S. sibirica). Es ist damit erwiesen, dass die Diversifizierung durch retikulate Evolution beeinflusst wird. 8.) Die Ergebnisse der molekularen Phylogenien belegen sehr deutlich, dass sich die C4-Photosynthese innerhalb der Suaedoideae viermal unabhängig mit vier vollkommen unterschiedlichen Blatttypen entwickelt hat. Dazu gehören zwei Blatttypen mit single cell C4-photosynthesis, ein bis vor kurzem bei Landpflanzen unbekanntes Phänomen. Innerhalb der Sektionen Schoberia, Salsina und Borszczowia datiert die Entstehung in das späte Miozän, bei Bienertia entstand die C4-Photosynthese möglicherweise noch früher. 9.) Als systematisch äußerst bedeutsame Merkmale haben sich die schon von Iljin (1936a) benutzten Pistill-Formen sowie spezifische Blattmerkmale herausgestellt. Mit diesen Merkmalen können Sektionen, die auf monophyletischen Gruppen beruhen, gut definiert werden. Synapomorphe Merkmale des Pistills sind die Zahl und Ausbildung der Narben sowie die Form ihrer Insertion im Ovar. Bei den Blatttypen sind es vor allem die vier histologisch hoch differenzierten C4-Blatttypen, die als gemeinsam abgeleitetes Merkmal rezenter, teilweise aufgespaltener Linien gewertet werden. 10.) Die früher z.T. überbewerteten Merkmale des Perianths (Verwachsungen, Flügel, Anhänge und Umbildungen) können nur zur Beschreibung einzelner Sippen oder lokaler Gruppen herangezogen werden. Ebenso ist das Merkmal der Lebensformen (Therophyten, Chamaephyten) kaum zur Charakterisierung von Gruppen geeignet. Wie das Beispiel Brezia sehr deutlich zeigt, kam es allein in dieser Gruppe mehrfach zur Entwicklung ausdauernder, verholzender Sippen. Der umgekehrte Prozess fand bei der Entstehung der annuellen S. aegyptiaca und S. arcuata statt. Mit Hilfe von DNA-basierten Stammbäumen ist es in der vorliegenden Arbeit möglich geworden, die evolutionäre Geschichte der Gattung nachzuzeichnen und eine auf monophyletischen Gruppen basierende Gliederung abzuleiten. Damit wird eine Grundlage für ein verbessertes Artkonzept der Gattung Suaeda geschaffen. Für die praktische Taxonomie ist dies aber nur teilweise bedeutend. Die morphologisch nachvollziehbare Abgrenzung von Arten bleibt, gerade in den diversen Sektionen Brezia und Salsina, umstritten und kaum nachvollziehbar. Ein Großteil der Arten hat offenbar keine interspezifischen Kompatibilitätsschranken, es handelt sich daher um Morpho- oder Semispecies, möglicherweise sogar nur geographische Rassen, die allerdings mit schnell evolvierenden DNA-Regionen wie ITS differenzierbar sind. Ausgehend von den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit verbleibt genügend Raum für weiterführende, vertiefende systematische und populationsbiologische Studien.

Cultivating C4 crops in a changing climate: sugarcane in Ghana

Over the next few decades, it is expected that increasing fossil fuel prices will lead to a proliferation of energy crop cultivation initiatives. The environmental sustainability of these activities is thus a pressing issue—particularly when they take place in vulnerable regions, such as West Africa. In more general terms, the effect of increased CO2 concentrations and higher temperatures on biomass production and evapotranspiration affects the evolution of the global hydrological and carbon cycles. Investigating these processes for a C4 crop, such as sugarcane, thus provides an opportunity both to extend our understanding of the impact of climate change, and to assess our capacity to model the underpinning processes. This paper applies a process-based crop model to sugarcane in Ghana (where cultivation is planned), and the São Paulo region of Brazil (which has a well-established sugarcane industry). We show that, in the Daka River region of Ghana, provided there is sufficient irrigation, it is possible to generate approximately 75% of the yield achieved in the São Paulo region. In the final part of the study, the production of sugarcane under an idealized temperature increase climate change scenario is explored. It is shown that doubling CO2 mitigates the degree of water stress associated with a 4 °C increase in temperature.

In vitro evaluation of the fermentation properties and potential probiotic activity of Lactobacillus plantarum C4 in batch culture systems

Lactobacillus plantarum C4 has been tested in in vitro pH-controlled anaerobic faecal batch cultures as compared to Lactobacillus rhamnosus GG to determine changes caused to the composition of faecal bacteria. Effects upon major groups of the microbiota and levels of short-chain fatty acids (SCFA) were assessed over 24 h. Concomitantly, hydrophobic character and ability of both bacterial cells to adhere in vitro to Caco-2 cells were investigated. Quantitative analysis of bacterial populations revealed that there was a significant increase in Lactobacillus/Enterococcus numbers in vessels with probiotic supplemented with fructooligosaccharides (FOS), compared to the negative control. L. plantarum C4 showed to have more hydrophilic behaviour and fulfilled better adhesive properties, compared to L. rhamnosus GG. Thus, L. plantarum C4 can modulate the intestinal microbiota in vitro, promoting changes in some numerically and metabolically relevant microbial populations and shifts in the production of SCFA.

Competição entre gramíneas C3 e C4 nativas no Rio Grande do Sul

Os objetivos do trabalho foram: compara as respostas eco-fisiológicas entre espécies de gramíneas nativas de rota metabólica C4 e C3, em diferentes níveis de disponibilidade de nitrogenio; obter respostas eco-fisiológicas relacionadas ao crescimento, como a fotossintese, o peso especifico de folha, a produção de biomassa aérea e de raízes; determinar o mecanismo da intereação competitiva entre as espécies C3 e C4; apontar a espécie melhor competidora atráves do modelo de competição R* de Tilman (1988).

Nitrogen washing from C3 and C4 cover grasses residues by rain

Crop species with the C-4 photosynthetic pathway are more efficient in assimilating N than C-3 plants, which results in different N amounts prone to be washed from its straw by rain water. Such differences may affect N recycling in agricultural systems where these species are grown as cover crops. In this experiment, phytomass production and N leaching from the straw of grasses with different photosynthetic pathways were studied in response to N application. Pearl millet (Pennisetum glaucum) and congo grass (Brachiaria ruziziensis) with the C-4 photosynthetic pathway, and black oat (Arena Strigosa) and triticale (X Triticosecale), with the C-3 photosynthetic pathway, were grown for 47 days. After determining dry matter yields and N and C contents, a 30 mm rainfall was simulated over 8 t ha(-1) of dry matter of each plant residue and the leached amounts of ammonium and nitrate were determined. C-4 grasses responded to higher fertilizer rates, whereas N contents in plant tissue were lower. The amount of N leached from C-4 grass residues was lower, probably because the C/N ratio is higher and N is more tightly bound to organic compounds. When planning a crop rotation system it is important to take into account the difference in N release of different plant residues which may affect N nutrition of the subsequent crop.

Molecular orbital calculation for the model compounds of kainoid amino acids, agonists of excitatory amino acid receptors. Does the kainoid C4-substituent directly interact with the receptors?

Kainoid amino acids are agonists of the AMPA/kainate receptors and exhibit highly potent neuroexcitatory activity. From the results of extensive structure-activity relationship studies, we previously postulated that the C4-substituent of the kainoid amino acids interacts with an allosteric site of the glutamate receptor with electron-donating character. In order to investigate the mode of action in more detail, molecular orbital calculation for model compounds of the kainoid were performed. The results indicated that the HOMO energy level of the C4-substituent is involved in the potent neuroexcitatory activity, thus supporting our hypothesis. (C) 2002 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

Caracterização sistêmica de alterações em redes fisiológicas de plantas C3 e C4 submetidas à deficiência hídrica

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Avaliação metabólica de dietas de C3 e C4 na formação do ovo (gema e albúmen) pelo uso da técnica dos isótopos estáveis do carbono

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Comparação dos algoritmos C4.5 e MLP usados na avaliação da segurança dinâmica e no auxílio ao controle preventivo no contexto da estabilidade transitória de sistemas de potência

Esse trabalho compara os algoritmos C4.5 e MLP (do inglês “Multilayer Perceptron”) aplicados a avaliação de segurança dinâmica ou (DSA, do inglês “Dynamic Security Assessment”) e em projetos de controle preventivo, com foco na estabilidade transitória de sistemas elétricos de potência (SEPs). O C4.5 é um dos algoritmos da árvore de decisão ou (DT, do inglês “Decision Tree”) e a MLP é um dos membros da família das redes neurais artificiais (RNA). Ambos os algoritmos fornecem soluções para o problema da DSA em tempo real, identificando rapidamente quando um SEP está sujeito a uma perturbação crítica (curto-circuito, por exemplo) que pode levar para a instabilidade transitória. Além disso, o conhecimento obtido de ambas as técnicas, na forma de regras, pode ser utilizado em projetos de controle preventivo para restaurar a segurança do SEP contra perturbações críticas. Baseado na formação de base de dados com exaustivas simulações no domínio do tempo, algumas perturbações críticas específicas são tomadas como exemplo para comparar os algoritmos C4.5 e MLP empregadas a DSA e ao auxílio de ações preventivas. O estudo comparativo é testado no sistema elétrico “New England”. Nos estudos de caso, a base de dados é gerada por meio do programa PSTv3 (“Power System Toolbox”). As DTs e as RNAs são treinada e testadas usando o programa Rapidminer. Os resultados obtidos demonstram que os algoritmos C4.5 e MLP são promissores nas aplicações de DSA e em projetos de controle preventivo.