The genetic transformation of chloroplast seeking to increase the photosynthesis efficiency in tobacco (Nicotiana tabacum)

Ribulose-1,5-Bifsfosfato (RuBP) carboxilase/oxigenase (RuBisCO) é a enzima chave para a fixação do carbono atmosférico e para a produtividade das plantas. Não há, até o momento, uma metodologia estabelecida para otimizar o processo de fixação do CO2 nas diferentes espécies de plantas. Entretanto, a disponibilidade de um protocolo de transformação genética de cloroplasto de tabaco permite tentativas de manipulação da enzima RuBisCO visando aumento da eficiência fotossintética. Nas plantas, esta proteína é formada por 8 subunidades menores codificadas pelo gene rbcS localizado no genoma nuclear e por 8 subunidades maiores codificadas pelo gene rbcL localizado no genoma de cloroplastos. Neste trabalho, dois genes rbcL-sintéticos, um com a substituição da alanina (A) 378 por uma valina (V) (A378V) e outro sem a substituição foram utilizados para a construção dos vetores pTT629, pTT630, pTT632 e pTT633. Estes vetores foram usados para transformar o cloroplasto de folhas de tabaco, pelo método de biolística. Um total de 35 plantas transplastômicas se desenvolveram sob seleção dos antibióticos espectinomicina (500 mg/L) e estreptomicina (500 mg/L) e a análise molecular dos sítios de restrição AccI, EcoRI, NdeI e NsiI, de fragmentos amplificados da sequência codante atpB::rbcL:: aadA:: accD demonstrou a integração dos genes rbcL-sintéticos em 11 linhagens transplastômicas. Sementes F1 destas plantas demonstraram ser homoplásmicas pela germinação na presença do antibiótico espectinomicina (500 mg/L). Análises fisiológicas das taxas de fotossíntese (A), condutância estomática (gs) e de transpiração (E) das plantas transplastômicas (A378V) mantidas em casa-de-vegetação produziram valores maiores e significativos, quando comparados com as plantas sem a mutação e controle não transgênicos. O aumento da taxa de fotossíntese das linhagens transplastômicas indicam a possibilidade de aumento da atividade catalítica da RuBisCO. A compreensão da interação fotossintética com a atividade fotorrespiratória poderá permitir explorar e estender possíveis benefícios, como o aumento da produtividade em cultivares de interesse agronômico.Ribulose-1,5-Bifsfosfato (RuBP) carboxylase/ oxygenase (RuBisCO) is the key enzyme for the fixation of atmospheric carbon and productivity of plants. At moment, no single solution to optimize the CO2 fixing process by the different species of plants. The availability of a few efficient chloroplast transformation protocols for all cultivars also directs attempts to manipulate the larger and small subunit of RuBisCO. In plants, this protein consists of coding form eight smaller subunits encoding the rbcS gene and 8 larger subunits of the rbcL gene respectively located in the nucleus and chloroplasts. Using two rbcL-synthetic genes, with an alanine (Ala) 378 substituting a valine (Val) (A378V) and another one without the replacement were used in the construction of pTT629, pTT630, pTT632 and pTT633 vectors, which were used in the method of biolistic to driving these transgenes into the chloroplast genome of tobacco. A total of 35 transplastomic plants were grown under selection of antibiotics spectinomycin (500mg/ L) and streptomycin (500mg/ L) and the molecular analysis using restriction sites AccI, EcoRI, NdeI and NsiI from the amplified fragments of atpB::rbcL:: aadA:: accD sequence displayed the rbcL-synthetic genes integrated into the plastome of the 11 transplastomic lines. The F1 seeds of these plants were shown to be homoplasmic from germinating in the presence of the antibiotic spectinomycin (500mg / L). The physiology analyzes of photosynthesis (A), stomatal conductance (gs) and transpiration (E) rates of these transplastomic lines (A378V) plants kept in green-house produced the highest and significant values when when compared to the control plants without the mutation and non-transgenic control. The increase of the photosynthesis rate form transplastomic lines indicates the possibility of increasing the catalytic activity of RuBisCO. The understanding of the photosynthetic interaction with photorespiration activity may allow explore more the potential benefits, such as increased productivity in crops of agronomic interest