Gian Luca Borghi

• In C3 plants, CO2 diffuses into the leaf and is assimilated by the Calvin-Benson cycle in the mesophyll cells. It leaves Rubisco open to its side reaction with O2, resulting in a wasteful cycle known as photorespiration. A sharp fall in atmospheric CO2 levels about 30 million years ago have further increased the side reaction with O2. The pressure to reduce photorespiration led, in over 60 plant genera, to the evolution of a CO2-concentrating mechanism called C4 photosynthesis; in this mode, CO2 is initially incorporated into 4-carbon organic acids, which diffuse to the bundle sheath and are decarboxylated to provide CO2 to Rubisco. Some genera, like Flaveria, contain several species that represent different steps in this complex evolutionary process. However, the majority of terrestrial plant species did not evolve a CO2-concentrating mechanism and perform C3 photosynthesis. This thesis compares photosynthetic metabolism in several species with C3, C4 and intermediate modes of photosynthesis. Metabolite profiling and stable isotopeIn C3 plants, CO2 diffuses into the leaf and is assimilated by the Calvin-Benson cycle in the mesophyll cells. It leaves Rubisco open to its side reaction with O2, resulting in a wasteful cycle known as photorespiration. A sharp fall in atmospheric CO2 levels about 30 million years ago have further increased the side reaction with O2. The pressure to reduce photorespiration led, in over 60 plant genera, to the evolution of a CO2-concentrating mechanism called C4 photosynthesis; in this mode, CO2 is initially incorporated into 4-carbon organic acids, which diffuse to the bundle sheath and are decarboxylated to provide CO2 to Rubisco. Some genera, like Flaveria, contain several species that represent different steps in this complex evolutionary process. However, the majority of terrestrial plant species did not evolve a CO2-concentrating mechanism and perform C3 photosynthesis. This thesis compares photosynthetic metabolism in several species with C3, C4 and intermediate modes of photosynthesis. Metabolite profiling and stable isotope labelling were performed to detect inter-specific differences changes in metabolite profile and, hence, how a pathway operates. The results obtained were subjected to integrative data analyses like hierarchical clustering and principal component analysis, and were deepened by correlation analyses to uncover specific metabolic features and reaction steps that were conserved or differed between species. The main findings are that Calvin-Benson cycle metabolite profiles differ between C3 and C4 species and between different C3 species, including a very different response to rising irradiance in Arabidopsis and rice. These findings confirm Calvin-Benson cycle operation diverged between C3 and C4 species and, most unexpectedly, even between different C3 species. Moreover, primary metabolic profiles supported the current C4 evolutionary model in the genus Flaveria and also provided new insights and opened up new questions. Metabolite profiles also point toward a progressive adjustment of the Calvin-Benson cycle during the evolution of C4 photosynthesis. Overall, this thesis point out the importance of a metabolite-centric approach to uncover underlying differences in species apparently sharing the same photosynthetic routes and as a valid method to investigate evolutionary transition between C3 and C4 photosynthesis.…
• Bei C3-Pflanzen diffundiert CO2 in das Blatt und wird durch den Calvin-Benson-Zyklus in den Mesophyllzellen assimiliert. Dies lässt Rubisco für seine Nebenreaktion mit O2 offen, was zu einem verschwenderischen Kreislauf führt, der als Photorespiration bekannt ist. Ein starker Rückgang der atmosphärischen CO2-Konzentration vor etwa 30 Millionen Jahren hat die Nebenreaktion mit O2 weiter verstärkt. Der Druck, die Photorespiration zu reduzieren, hat in über 60 Pflanzengattungen zur Entwicklung eines CO2-Konzentrationsmechanismus namens C4-Photosynthese geführt. In diesem Mechanismus wird CO2 zunächst in organische C4-Kohlenstoffsäuren eingebaut, die zur Bündelscheide diffundieren und dort decarboxyliert werden, um CO2 für Rubisco bereitzustellen. Einige Gattungen, wie z.B. Flaveria, enthalten mehrere Arten, die verschiedene Schritte dieses komplexen Evolutionsprozesses darstellen. Die Mehrheit der terrestrischen Pflanzenarten hat jedoch keinen CO2-Konzentrationsmechanismus entwickelt und betreibt C3-Photosynthese. Diese ArbeitBei C3-Pflanzen diffundiert CO2 in das Blatt und wird durch den Calvin-Benson-Zyklus in den Mesophyllzellen assimiliert. Dies lässt Rubisco für seine Nebenreaktion mit O2 offen, was zu einem verschwenderischen Kreislauf führt, der als Photorespiration bekannt ist. Ein starker Rückgang der atmosphärischen CO2-Konzentration vor etwa 30 Millionen Jahren hat die Nebenreaktion mit O2 weiter verstärkt. Der Druck, die Photorespiration zu reduzieren, hat in über 60 Pflanzengattungen zur Entwicklung eines CO2-Konzentrationsmechanismus namens C4-Photosynthese geführt. In diesem Mechanismus wird CO2 zunächst in organische C4-Kohlenstoffsäuren eingebaut, die zur Bündelscheide diffundieren und dort decarboxyliert werden, um CO2 für Rubisco bereitzustellen. Einige Gattungen, wie z.B. Flaveria, enthalten mehrere Arten, die verschiedene Schritte dieses komplexen Evolutionsprozesses darstellen. Die Mehrheit der terrestrischen Pflanzenarten hat jedoch keinen CO2-Konzentrationsmechanismus entwickelt und betreibt C3-Photosynthese. Diese Arbeit vergleicht den Photosynthese-Metabolismus in mehreren Spezies mit C3-, C4- und intermediären Arten der Photosynthese. Metaboliten-Profiling und stabile Isotopenmarkierung wurden durchgeführt, um interspezifische Unterschiede im Metabolitenprofil und damit die Funktionsweise der Stoffwechselwege zu erkennen. Die Ergebnisse wurden integrativen Datenanalysen wie hierarchischem Clustering und Hauptkomponentenanalyse unterzogen und durch Korrelationsanalysen vertieft, um spezifische metabolische Merkmale und Reaktionsschritte aufzudecken, die konserviert oder zwischen Spezies verschieden sind. Die wichtigsten Ergebnisse sind, dass sich die Metabolitenprofile des Calvin-Benson-Zyklus zwischen C3- und C4-Spezies und zwischen verschiedenen C3-Spezies unterscheiden, einschließlich einer sehr unterschiedlichen Reaktion auf steigende Strahlungsintensität bei Arabidopsis und Reis. Diese Ergebnisse bestätigen, dass der Calvin-Benson-Zyklus zwischen C3- und C4-Spezies und, höchst unerwartet, sogar zwischen verschiedenen C3-Spezies divergiert. Darüber hinaus unterstützen die primären Stoffwechselprofile das aktuelle C4-Evolutionsmodell in der Gattung Flaveria, liefern auch neue Erkenntnisse und eröffnen neue Fragen. Die Metabolitenprofile weisen auch auf eine fortschreitende Anpassung des Calvin-Benson-Zyklus während der Evolution der C4-Photosynthese hin. Insgesamt unterstreicht diese Dissertation die Bedeutung eines metabolitenzentrierten Ansatzes, um Unterschiede in Arten aufzudecken, die anscheinend dieselben Photosynthesewege teilen, und als valide Methode zur Untersuchung des evolutionären Übergangs zwischen C3- und C4-Photosynthese.…