C3-, C4- og CAM-planter: Tilpasning til klimaændringer

Globale klimaforandringer resulterer i stigninger i daglige, sæsonbestemte og årlige gennemsnitstemperaturer og stigninger i intensitet, hyppighed og varighed af unormalt lave og høje temperaturer. Temperatur- og andre miljømæssige variationer har en direkte indflydelse på plantevækst og er væsentlig afgørende faktorer i plantefordelingen. Da mennesker er afhængige af planter - direkte og indirekte - en afgørende fødekilde, er det vigtigt at vide, hvor godt de er i stand til at modstå og / eller akklimatisere sig til den nye miljøordning.

Alle planter indtager atmosfærisk kuldioxid og konverter det til sukker og stivelse gennem processen med fotosyntese men de gør det på forskellige måder. Den specifikke fotosyntesemetode (eller -vej), der bruges af hver planteklasse, er en variation af et sæt kemiske reaktioner kaldet Calvin Cycle. Disse reaktioner påvirker antallet og typen af ​​kulstofmolekyler, en plante skaber, de steder, hvor disse molekyler er opbevaret, og mest vigtigt for undersøgelsen af ​​klimaændringer, en plantes evne til at modstå atmosfære med lavt kulstofindhold, højere temperaturer og reduceret vand og nitrogen.

Disse fotosynteseprocesser - udpeget af botanikere som C3, C4 og CAM - er direkte relevante for globale klimaforandringer undersøgelser, fordi C3- og C4-planter reagerer forskelligt på ændringer i atmosfærisk kuldioxidkoncentration og ændringer i temperatur og vandtilgængelighed.

Mennesker er i øjeblikket afhængige af plantearter, der ikke trives under varmere, tørretumbler og mere uberegnelige forhold. Når planeten fortsætter med at varme op, er forskerne begyndt at undersøge måder, hvorpå planter kan tilpasses det skiftende miljø. Ændring af fotosynteseprocesserne kan være en måde at gøre det på.

Langt de fleste landplanter, vi er afhængige af til fødevarer og energi til mennesker, bruger C3-stien, som er den ældste af veje til kulstoffiksering, og den findes i planter i alle taksonomier. Næsten alle eksisterende ikke-menneskelige primater på tværs af alle kropsstørrelser, inklusive prosimianere, nye og gamle verden aber, og alle aber - også dem, der bor i regioner med C4- og CAM-planter - er afhængige af C3-planter for næring.

• Arter: Korn, som ris, hvede, sojabønner, rug og byg; grøntsager såsom cassava, kartofler, spinat, tomater og yams; træer som æble, fersken og eukalyptus
• Enzym: Ribulosebisphosphat (RuBP eller Rubisco) carboxylase oxygenase (Rubisco)
• Behandle: Konverter CO2 til en 3-carbonforbindelse 3-phosphoglycerinsyre (eller PGA)
• Hvor kul er fast: Alle bladmesophyllceller
• Biomasse-priser: -22% til -35%, med et gennemsnit på -26,5%

Mens C3-stien er den mest almindelige, er den også ineffektiv. Rubisco reagerer ikke kun med CO2, men også O2, hvilket fører til fotorespiration, en proces, der spilder assimileret kulstof. Under aktuelle atmosfæriske forhold undertrykkes potentiel fotosyntesen i C3-planter med ilt op til 40%. Omfanget af denne undertrykkelse øges under stressforhold som tørke, højt lys og høje temperaturer. Efterhånden som de globale temperaturer stiger, vil C3-planter kæmpe for at overleve - og da vi er afhængige af dem, så gør vi det også.

Kun ca. 3% af alle landplantearter bruger C4-stien, men de dominerer næsten alle græsarealer i troperne, subtroperne og varme tempererede zoner. C4-planter inkluderer også meget produktive afgrøder, såsom majs, sorghum og sukkerrør. Selvom disse afgrøder fører marken for bioenergi, er de ikke helt egnede til konsum. Majs er undtagelsen, det er dog ikke rigtigt fordøjeligt, medmindre det formales til et pulver. Majs og andre afgrødeplanter bruges også som dyrefoder, hvilket omdanner energien til kød - en anden ineffektiv anvendelse af planter.

• Arter: Almindelig i græsarealer med lavere breddegrader, majs, sorghum, sukkerrør, fonio, tef og papyrus
• Enzym: Phosphoenolpyruvat (PEP) carboxylase
• Behandle: Konverter CO2 til 4-carbon-mellemprodukt
• Hvor kul er fast: Mesophyllcellerne (MC) og bundtkappe-cellerne (BSC). C4'er har en ring af BSC'er, der omgiver hver vene, og en ydre ring af MC'er, der omgiver bundtkappen, kendt som Kranz-anatomi.
• Biomasse-priser: -9 til -16%, med et gennemsnit på -12,5%.

C4-fotosyntesen er en biokemisk modifikation af C3-fotosynteseprocessen, hvor C3-stilcyklus kun forekommer i de indre celler i bladet. Omkring bladene findes mesophyllceller, der indeholder et meget mere aktivt enzym kaldet phosphoenolpyruvat (PEP) carboxylase. Som et resultat trives C4-planter i lange vækstsæsoner med masser af adgang til sollys. Nogle er endda salt-tolerante, så forskere kan overveje, om områder, der har oplevet saltvand, der er resultatet af tidligere kunstvandingsbestræbelser, kan gendannes ved at plante salttolerant C4 arter.

CAM-fotosyntesen blev navngivet til ære for den plantefamilie, hvori Crassulacean, stonecrop-familien eller orpine-familien, blev først dokumenteret. Denne type fotosyntese er en tilpasning til lav vandtilgængelighed og forekommer i orkideer og saftige plantearter fra tørre regioner.

I planter, der anvender fuld CAM-fotosyntese, lukkes stomaten i bladene i dagtimerne for at mindske evapotranspiration og åbne om natten for at optage kuldioxid. Nogle C4-planter fungerer også mindst delvist i C3- eller C4-tilstand. Der er faktisk endda en plante kaldet Agave Angustifolia der skifter frem og tilbage mellem tilstande, som det lokale system dikterer.

• Arter: Kaktusser og andre sukkulenter, Clusia, tequila agave, ananas.
• Enzym: Phosphoenolpyruvat (PEP) carboxylase
• Behandle: Fire faser, der er bundet til tilgængeligt sollys, CAM-planter opsamle CO2 i løbet af dagen og fikser derefter CO2 natten som et 4-carbon-mellemprodukt.
• Hvor kul er fast: vakuoler
• Biomasse-priser: Priserne kan falde i enten C3- eller C4-intervaller.

CAM-planter udviser den højeste vandanvendelseseffektivitet i planter, som gør dem i stand til at klare sig godt i vandbegrænsede miljøer, såsom halvtørre ørkener. Med undtagelser fra ananas og nogle få agave arter, såsom tequila agave, er CAM-planter relativt uudnyttet med hensyn til menneskelig brug af mad og energiressourcer.

Global fødevaresikkerhed er allerede et ekstremt akut problem, hvilket gør den fortsatte afhængighed af ineffektiv mad og energi kilder til en farlig bane, især når vi ikke ved, hvordan plantecyklusser vil blive påvirket, når vores atmosfære bliver mere carbonrige. Reduktionen i atmosfærisk CO2 og tørringen af ​​Jordens klima menes at have fremmet C4- og CAM-udviklingen, som rejser den alarmerende mulighed for, at forhøjet CO2 kan vende de forhold, der favoriserede disse alternativer til C3 fotosyntese.

Bevis fra vores forfædre viser, at hominider kan tilpasse deres kost til klimaændringer. Ardipithecus ramidus og Ar anamensis var begge afhængige af C3-planter, men da en klimaændring ændrede det østlige Afrika fra skovklædte regioner til savanne for omkring fire millioner år siden, overlevede arten -Australopithecus afarensis og Kenyanthropus platyops—Var blandede C3 / C4-forbrugere. For 2,5 millioner år siden havde to nye arter udviklet sig: Paranthropus, hvis fokus skiftede til C4 / CAM madkilder og tidligt Homo sapiens der konsumerede både C3 og C4 plantesorter.

Den evolutionære proces, der ændrede C3-planter til C4-arter, har ikke fundet sted en gang, men mindst 66 gange i de sidste 35 millioner år. Dette evolutionære trin førte til forbedret fotosyntetisk ydeevne og øget effektivitet ved brug af vand og nitrogen.

Som et resultat har C4-planter dobbelt så stor fotosyntetisk kapacitet som C3-planter og kan klare højere temperaturer, mindre vand og tilgængeligt nitrogen. Det er af disse grunde, biokemikere forsøger i øjeblikket at finde måder at flytte C4- og CAM-egenskaber (proceseffektivitet, tolerance for høj temperaturer, højere udbytter og modstand mod tørke og saltholdighed) i C3-planter som en måde at udligne miljøændringer, som de globale opvarmning.

I det mindste antages nogle C3-modifikationer mulige, fordi sammenlignende undersøgelser har vist, at disse planter allerede har nogle rudimentære gener, der svarer til funktionen hos C4-planternes. Mens hybrider af C3 og C4 er blevet forfulgt i mere end fem årtier, er chromosomfejlpasning og hybridsterilitet succes ude af rækkevidde.

Potentialet til at øge fødevare- og energisikkerheden har ført til markante stigninger i forskning i fotosyntesen. Fotosyntesen leverer vores fødevare- og fiberforsyning såvel som de fleste af vores energikilder. Selv banken af carbonhydrider der bor i jordskorpen blev oprindeligt oprettet ved fotosyntesen.

Idet fossile brændstoffer udtømmes - eller bør mennesker begrænse brugen af ​​fossilt brændstof til at undgå den globale opvarmning - står verden overfor udfordringen med at erstatte denne energiforsyning med vedvarende ressourcer. Det er ikke praktisk at forvente, at menneskets udvikling følger med klimaændringerne i de næste 50 år. Forskere håber, at planter med brug af forbedret genomik vil være en anden historie.

• Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. "C3 og C4-fotosyntese" i "Encyclopedia of Global Environmental Change", Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J.G., redaktører. s. 186-190. John Wiley og sønner. London. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H. Bassüner, B.; Bauwe, H. "C2-fotosyntesen genererer ca. 3 gange forhøjede CO2-niveauer i bladene i de mellemliggende arter C3 – C4 i Journal of Experimental Botany 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; Fukayama, H. Miyao, M. "Molekylær konstruktion af c4-fotosyntesen"ind Årlig gennemgang af plantefysiologi og plantemolekylærbiologi. s. 297–314. 2014.
• Sage, R.F. "Fotosyntetisk effektivitet og kulstofkoncentration i terrestriske planter: C4- og CAM-løsningen " i Journal of Experimental Botany 65 (13), pp. 3323–3325. 2014
• Schoeninger, M.J. "Stabil isotopanalyser og udviklingen af ​​menneskelige diæter " i Årlig gennemgang af antropologi 43, pp. 413–430. 2014
• Sponheimer, M.; Alemseged, Z.; Cerling, T.E.; Grine, F.E.; Kimbel, W.H.; Leakey, M.G.; Lee-Thorp, J.A.; Manthi, F.K.; Reed, K.E.; Wood, B.A.; et al. "Isotopisk bevis for tidlige hominin-diæter " i Forløb fra National Academy of Sciences 110 (26), pp. 10513–10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Kulstofisotoper, fotosyntese og arkæologi" i Amerikansk videnskabsmand 70, s. 596–606. 1982