Implications of the Rubisco molecular and biochemical variability in the carbon acquisition and assimilation capacity of marine macrophytes

Abstract

[eng] 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. 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. This thesis provides valuable insights into the evolution of Rubisco in marine environments, presenting a general pattern of co-adaptation between Rubisco and Summary 1 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.

[cat] 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 catalitza la fixació del 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 a causa d'una abundància desproporcionada d'O2 vers el CO2. El rendiment de la Rubisco també es veu limitat per una baixa taxa de carboxilació i baixa afinitat pel CO2, fet que requereix grans quantitats de l'enzim en els organismes fotosintètics per mantenir unes taxes efectives d'assimilació neta de carboni, fet que explica per què 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 principalment enfocada a plantes vasculars terrestres. Aquesta manca de coneixement oculta la diversitat potencial que pot existir en les propietats catalítiques de l'enzim en els organismes marins, ja que aquests estan poc representats a la literatura. Els ambients aquàtics, i especialment els marins, són propicis per a l'evolució de la Rubisco, pel fet 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 aquàtics han desenvolupat mecanismes de concentració del CO2 (MCC) biofísics que els permeten mantenir taxes de carboxilació efectives sota l'aigua. Tot i això, la coadaptació d'aquests MCC biofísics amb la Rubisco ha estat poc explorada, de manera que s’omet un pas important de la història evolutiva de la Rubisco. Un dels grups d'organismes més prometedors per avaluar aquesta coevolució 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 grups de macròfits marins expressen diferents tipus de Rubisco i la majoria tenen MCC biofísics, fet que dona lloc a una coexistència que pot haver evolucionat la Rubisco cap a propietats cinètiques que desafien els compromisos catalítics de l'enzim observats fins ara. 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. Els resultats d'aquesta Tesi han revelat una àmplia variabilitat en el funcionament dels components biofísics que conformen els MCC dels macròfits aquàtics i, per tant, en una diferent efectivitat per concentrar CO2 en els llocs actius de la Rubisco. Les fanerògames marines van presentar uns MCC més efectius que els seus parents d'aigua dolça i salobre a causa de la baixa disponibilitat de CO2 a l'aigua de mar, fet que va resultar en una efectivitat dels seus MCC similar a la trobada a 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, de manera que es demostrà una convergència evolutiva de les propietats cinètiques de la Rubisco dels macròfits marins a la concentració de CO2 proporcionada pels seus MCC. Es va trobar una baixa eficiència de carboxilació de la Rubisco a tots els macròfits marins analitzats, especialment respecte a les angiospermes terrestres amb MCC, possiblement a causa d'una reducció en l'eficiència d'oxigenació de la Rubisco, ja que l'oxigen s'acumula dins les seves cèl·lules fotosintètiques a conseqüència de la baixa difusió dels gasos dins l'aigua. La forma ID de la Rubisco va presentar una relació catalítica més relaxada entre les afinitats de CO2 i O2, fet que indica una millor adaptació d'aquesta forma a l'alta proporció intracel·lular Summary 3 d'O2/CO2 que es troba a les cèl·lules d'algues, fet que explica els valors més alts d'especificitat de la Rubisco pel CO2 en la forma ID pel que fa a la forma IB. Aquesta tesi proporciona una visió fonamental de com ha evolucionat la Rubisco en ambients marins, elucidant un patró general de coadaptació de l'enzim amb els MCC biofísics a través dels diferents grups polifilètics de macròfits marins. Les dades cinètiques proporcionades en aquesta tesi demostren una relaxació de les compromeses relacions entre els paràmetres catalítics de Rubisco reportades anteriorment, de manera que es revela una mal·leabilitat en la catàlisi de Rubisco que havia estat oculta per un conjunt de dades cinètiques sobre l’enzim esbiaixat i incomplet.

[spa] La Rubisco (D-ribulosa 1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa) es la enzima que sustenta la mayoría de las cadenas alimenticias de la Biosfera, catalizando la fijación del 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 debido a una abundancia desproporcionada de O2 con respecto al CO2. El rendimiento de la Rubisco también está limitado por su baja tasa de carboxilación y baja afinidad por el CO2, lo que requiere de grandes cantidades de la enzima en los organismos fotosintéticos para mantener tasas efectivas de asimilación neta de carbono, hecho que explica por qué la Rubisco es la proteína más abundante en el mundo. 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 ha estado principalmente enfocada en plantas vasculares terrestres. Esta falta de conocimiento oculta la diversidad potencial que puede existir en las propiedades catalíticas de dicha enzima en organismos marinos, ya que éstos apenas están representados en la literatura. Los ambientes acuáticos, y especialmente los 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) biofísicos que les permiten mantener tasas de carboxilación efectivas bajo el agua. Sin embargo, la co-adaptación de estos MCC biofísicos con la Rubisco ha sido poco explorada, omitiéndose un paso importante de la historia evolutiva de la Rubisco. Uno de los grupos de organismos más prometedores para evaluar esta co-evolución son los macrófitos marinos, un grupo de organismos ecológicamente muy relevantes que incluye especies de macroalgas pardas (Ochrophyta), rojas (Rhodophyta) y verdes (Chlorophyta), así como plantas vasculares marinas (Streptophyta). Estos grupos de macrófitos marinos expresan diferentes tipos de Rubisco y la mayoría de ellos poseen MCC biofísicos, dando como resultado una coexistencia que puede haber dirigido la evolución de la Rubisco hacia propiedades cinéticas que desafían las restricciones catalíticas de la enzima hasta ahora observadas. 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. Los resultados de esta Tesis han revelado una amplia variabilidad en el funcionamiento de los componentes biofísicos que conforman los MCC de los macrófitos acuáticos, resultando en una diferente efectividad para concentrar CO2 alrededor de los sitios activos de la Rubisco. Las fanerógamas marinas presentaron unos MCC más efectivos que sus parientes de agua dulce y salobre debido a la baja disponibilidad de CO2 en el agua de mar, lo que resultó en una efectividad de sus MCC similar a la encontrada en macroalgas marinas. Se observó una relación inversa entre la eficacia de los MCC y la eficiencia de carboxilación de Rubisco en todas las especies de macrófitos estudiadas, lo que demuestra una convergencia evolutiva de las propiedades cinéticas de la Rubisco de los macrófitos marinos a la concentración de CO2 proporcionada por sus MCC. Se ha encontrado una menor eficiencia de carboxilación de la Rubisco en todos los macrófitos marinos analizados con respecto a las angiospermas terrestres con MCC, posiblemente debido a una reducción en la eficiencia de oxigenación de Rubisco de los primeros, ya que el oxígeno se acumula dentro de sus células fotosintéticas como consecuencia de la baja difusión de los gases en el agua. La forma ID de la Rubisco presentó una relación catalítica más relajada entre las afinidades de CO2 y O2, lo que indica una mejor adaptación de esta forma de Rubisco a la alta proporción intracelular de O2/CO2 que se encuentra en las células de algas, hecho que explica los valores significativamente más altos de especificidad por el CO2 de la Rubisco en la forma ID con respecto a la forma IB. Esta tesis proporciona una visión fundamental de como ha evolucionado la Rubisco en ambientes marinos, elucidando un patrón general de co-adaptación de la enzima con los MCC biofísicos a través de los grupos polifiléticos de macrófitos marinos. Los datos cinéticos proporcionados en esta tesis demuestran una relajación de las relaciones entre los parámetros catalíticos de la Rubisco reportadas anteriormente, lo que revela una maleabilidad en la catálisis de Rubisco que había permanecido oculta por un conjunto de datos cinéticos sesgado e incompleto.