O ciclo C4 e o metabolismo ácido das Crassuláceas (CAM) são dois mecanismos concentradores de carbono (CCM) prevalentes em plantas vasculares. Apresentam semelhanças bioquímicas, mas representam adaptações ecológicas bem diferentes, resultado de diferenças evolutivas, regulatórias e estruturais. Acreditava-se que seriam incompatíveis entre si, porém o gênero Portulaca desafia esta definição, visto que apresenta espécies C3-C4 intermediárias e C4 capazes de alternar para CAM de acordo com a disponibilidade hídrica. Os mecanismos genéticos e regulatórios que possibilitam a ocorrência desta rara adaptação fotossintética são pouco conhecidos. Portanto, o objetivo desta tese de doutorado foi investigar a transição C4 para CAM em P. oleracea do ponto de vista fisiológico e molecular. Após uma introdução geral ao tema, o capítulo I contextualiza e propõe a espécie como modelo de estudo da transição C4-CAM. O capítulo II caracteriza a maquinaria genética básica envolvida em ambos os CCMs em P. oleracea a partir de dados de transcriptoma associados a análises filogenéticas e fisiológicas. O capítulo III explora a plasticidade morfo-fisiológica da espécie, caracterizando o CAM em diferentes subespécies provenientes de diferentes lugares do mundo. O capítulo IV discute as melhores estratégias e protocolos moleculares para explorar P. oleracea como um modelo C4-CAM. Finalmente, o capítulo V caracteriza a sinalização molecular e hormonal durante a transição do C4 para o CAM e sua reversão, bem como a influência do relógio circadiano sobre o funcionamento de ambos CCMs. No contexto de mudanças climáticas, este trabalho visou ressaltar que C4 e CAM não representam apenas interessantes adaptações fisiológicas do ponto de vista funcional ou evolutivo, mas também são mecanismos importantes para o desenvolvimento da sociedade, por ocorrerem separadamente em cultivares utilizados na produção de alimentos e biocombustíveis. Desse modo, este trabalho trouxe informações que possibilitam explorar a complexidade de Portulaca como um mapa genético para o desenvolvimento futuro via engenharia genética de cultivares que possam intercalar C4 e CAM em um mesmo organismo, conforme a disponibilidade de recursos no ambiente.

The C4 cycle and crassulacean acid metabolism (CAM) are two common carbon concentrating mechanisms (CCM) in vascular plants. They have biochemical similarities, but represent very different ecological adaptations, as a result of evolutionary, regulatory and structural differences. It was believed they were incompatible to occur in a single organism, but the genus Portulaca challenges this assumption, as it presents intermediate C3-C4 and C4 species capable of switching to CAM according to water availability. However, the genetic and regulatory mechanisms that enable this rare photosynthetic adaptation to occur are still poorly understood. Therefore, the aim of this doctoral thesis was to investigate the C4 to CAM transition in P. oleracea from a physiological and molecular point of view. After a brief introduction to the subject, chapter I contextualizes and proposes the species as a model for studying the C4-CAM transition. Chapter II characterized the central genetic machinery involved in both CCMs in P. oleracea using transcriptome data associated with phylogenetic and physiological analyses. Chapter III explored the morphophysiological plasticity of the species, characterizing CAM in different subspecies originated in different parts of the world. Chapter IV discusses the best optimized molecular strategies and protocols enabling the use of P. oleracea as a C4-CAM model. Finally, Chapter V characterizes the molecular and hormonal signaling during the C4-to-CAM transition and reversion and brings insights into the influence of the circadian clock on both CCMs' functioning. In general, and most importantly in the global context of climate change, this work aimed to emphasize that C4 and CAM not only represent interesting physiological adaptations from both a functional and evolutionary point of view, but are also important mechanisms for the development of society, as they occur separately in cultivars used in food production and biofuels. Thus, this work provides information that makes it possible to explore the complexity of Portulaca as a blueprint for future development via genetic engineering of cultivars that can intercalate C4 and CAM in a single organism according to the availability of resources in the environment.