C3-, C4- und CAM-Pflanzen: Anpassungen an den Klimawandel

Der globale Klimawandel führt zu einem Anstieg der täglichen, saisonalen und jährlichen Durchschnittstemperaturen sowie zu einem Anstieg der Intensität, Häufigkeit und Dauer ungewöhnlich niedriger und hoher Temperaturen. Temperatur- und andere Umweltschwankungen wirken sich direkt auf das Pflanzenwachstum aus und sind wichtige bestimmende Faktoren für die Pflanzenverteilung. Da Menschen direkt und indirekt auf Pflanzen angewiesen sind, die eine wichtige Nahrungsquelle darstellen, ist es entscheidend zu wissen, wie gut sie der neuen Umweltordnung standhalten und / oder sich daran gewöhnen können.

Alle Pflanzen nehmen auf atmosphärisches Kohlendioxid und wandeln es in Zucker und Stärke durch den Prozess von Photosynthese aber sie machen es auf verschiedene Arten. Die spezifische Photosynthesemethode (oder der spezifische Photosyntheseweg), die von jeder Pflanzenklasse verwendet wird, ist eine Variation einer Reihe chemischer Reaktionen, die als Calvin-Zyklus

Diese Photosyntheseprozesse - von Botanikern als C3, C4 und CAM bezeichnet - sind für direkt relevant Globaler Klimawandel Studien, weil C3- und C4-Pflanzen unterschiedlich auf Änderungen der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentration sowie auf Änderungen der Temperatur und der Wasserverfügbarkeit reagieren.

Der Mensch ist derzeit auf Pflanzenarten angewiesen, die unter heißeren, trockeneren und unregelmäßigeren Bedingungen nicht gedeihen. Während sich der Planet weiter erwärmt, haben Forscher begonnen, nach Wegen zu suchen, wie Pflanzen an die sich verändernde Umgebung angepasst werden können. Das Modifizieren der Photosyntheseprozesse kann eine Möglichkeit sein, dies zu tun.

Die überwiegende Mehrheit der Landpflanzen, auf die wir uns für die menschliche Ernährung und Energie verlassen, nutzt den C3-Weg, den ältesten der Wege zur Kohlenstofffixierung, und er kommt in Pflanzen aller Taxonomien vor. Fast alle noch vorhandenen nichtmenschlichen Primaten in allen Körpergrößen, einschließlich Prosimianern, der neuen und der alten Welt Affen und alle Affen - auch diejenigen, die in Regionen mit C4- und CAM-Pflanzen leben - sind auf C3-Pflanzen angewiesen Nahrung.

• Spezies: Getreidegetreide wie Reis, Weizen, Sojabohnen, Roggen und Gerste; Gemüse wie Maniok, Kartoffeln, Spinat, Tomaten und Yamswurzeln; Bäume wie Apfel, Pfirsich und Eukalyptus
• Enzym: Ribulosebisphosphat (RuBP oder Rubisco) Carboxylase Oxygenase (Rubisco)
• Prozess: Umwandlung von CO2 in eine 3-Kohlenstoff-Verbindung 3-Phosphoglycerinsäure (oder PGA)
• Wo Kohlenstoff fixiert ist: Alle Blattmesophyllzellen
• Biomasse-Raten: -22% bis -35% mit einem Mittelwert von -26,5%

Während der C3-Weg der häufigste ist, ist er auch ineffizient. Rubisco reagiert nicht nur mit CO2, sondern auch mit O2 und führt zu Photorespiration, einem Prozess, bei dem assimilierter Kohlenstoff verschwendet wird. Unter den gegenwärtigen atmosphärischen Bedingungen wird die potenzielle Photosynthese in C3-Pflanzen durch Sauerstoff bis zu 40% unterdrückt. Das Ausmaß dieser Unterdrückung nimmt unter Stressbedingungen wie Trockenheit, starkem Licht und hohen Temperaturen zu. Wenn die globalen Temperaturen steigen, werden C3-Pflanzen ums Überleben kämpfen - und da wir auf sie angewiesen sind, werden wir es auch tun.

Nur etwa 3% aller Landpflanzenarten nutzen den C4-Weg, aber sie dominieren fast alle Graslandschaften in den Tropen, Subtropen und warmen gemäßigten Zonen. Zu den C4-Pflanzen gehören auch hochproduktive Pflanzen wie Mais, Sorghum und Zuckerrohr. Während diese Pflanzen das Feld für Bioenergie anführen, sind sie nicht vollständig für den menschlichen Verzehr geeignet. Mais ist die Ausnahme, er ist jedoch nur dann wirklich verdaulich, wenn er zu Pulver gemahlen wird. Mais und andere Kulturpflanzen werden ebenfalls als Tierfutter verwendet, um die Energie in Fleisch umzuwandeln - eine weitere ineffiziente Verwendung von Pflanzen.

• Spezies: Häufig bei Futtergräsern niedrigerer Breiten, Mais, Sorghum, Zuckerrohr, Fonio, Tef und Papyrus
• Enzym: Phosphoenolpyruvat (PEP) -Carboxylase
• Prozess: CO2 in 4-Kohlenstoff-Zwischenprodukt umwandeln
• Wo Kohlenstoff fixiert ist: Die Mesophyllzellen (MC) und die Bündelhüllenzellen (BSC). C4s haben einen Ring von BSCs, die jede Vene umgeben, und einen äußeren Ring von MCs, der die Bündelhülle umgibt, die als Kranz-Anatomie bekannt ist.
• Biomasseraten: -9 bis -16% mit einem Mittelwert von -12,5%.

Die C4-Photosynthese ist eine biochemische Modifikation des C3-Photosyntheseprozesses, bei der der Zyklus im C3-Stil nur in den inneren Zellen des Blattes stattfindet. Um die Blätter herum befinden sich Mesophyllzellen, die ein viel aktiveres Enzym namens Phosphoenolpyruvat (PEP) -Carboxylase enthalten. Infolgedessen gedeihen C4-Pflanzen in langen Vegetationsperioden mit viel Zugang zu Sonnenlicht. Einige sind sogar salztolerant, so dass Forscher überlegen können, ob Bereiche, die Erfahrung haben Die Versalzung aufgrund früherer Bewässerungsbemühungen kann durch Einpflanzen von salztolerantem C4 wiederhergestellt werden Spezies.

Die CAM-Photosynthese wurde zu Ehren der Pflanzenfamilie benannt, in der Crassulacean, die Stonecrop-Familie oder die Orpine-Familie, wurde zuerst dokumentiert. Diese Art der Photosynthese ist eine Anpassung an die geringe Wasserverfügbarkeit und kommt bei Orchideen und Sukkulenten aus ariden Regionen vor.

In Pflanzen mit vollständiger CAM-Photosynthese werden die Stomata in den Blättern bei Tageslicht geschlossen, um die Evapotranspiration zu verringern, und nachts geöffnet, um Kohlendioxid aufzunehmen. Einige C4-Anlagen funktionieren auch zumindest teilweise im C3- oder C4-Modus. In der Tat gibt es sogar eine Pflanze namens Agave Angustifolia das wechselt zwischen den Modi hin und her, wie es das lokale System vorschreibt.

• Spezies: Kakteen und andere Sukkulenten, Clusia, Tequila-Agave, Ananas.
• Enzym: Phosphoenolpyruvat (PEP) -Carboxylase
• Prozess: Vier Phasen, die an verfügbares Sonnenlicht gebunden sind, CAM-Anlagen Sammeln Sie tagsüber CO2 und fixieren Sie nachts CO2 als 4-Kohlenstoff-Zwischenprodukt.
• Wo Kohlenstoff fixiert ist: Vakuolen
• Biomasseraten: Die Preise können entweder in den Bereich C3 oder C4 fallen.

CAM-Pflanzen weisen die höchsten Wassernutzungseffizienzen in Pflanzen auf, die es ihnen ermöglichen, in wasserarmen Umgebungen wie halbtrockenen Wüsten gute Ergebnisse zu erzielen. Mit Ausnahme von Ananas und einigen Agave Arten wie die Tequila-Agave und CAM-Pflanzen sind im Hinblick auf die menschliche Nutzung für Nahrungsmittel und Energieressourcen relativ ungenutzt.

Die globale Ernährungsunsicherheit ist bereits ein äußerst akutes Problem, weshalb weiterhin auf ineffiziente Lebensmittel und Energie angewiesen ist Quellen ein gefährlicher Verlauf, insbesondere wenn wir nicht wissen, wie die Pflanzenzyklen beeinflusst werden, wenn unsere Atmosphäre mehr wird kohlenstoffreich. Es wird angenommen, dass die Reduzierung des atmosphärischen CO2 und die Trocknung des Erdklimas die C4- und CAM-Evolution gefördert haben, die erhöht die alarmierende Möglichkeit, dass erhöhtes CO2 die Bedingungen umkehren kann, die diese Alternativen zu C3 begünstigten Photosynthese.

Die Beweise unserer Vorfahren zeigen, dass Hominiden ihre Ernährung an den Klimawandel anpassen können. Ardipithecus Ramidus und Ar anamensis waren beide auf C3-Pflanzen angewiesen, aber als ein Klimawandel Ostafrika vor etwa vier Millionen Jahren von bewaldeten Regionen in Savannen verwandelte, überlebten die Arten -Australopithecus afarensis und Kenyanthropus platyops- waren gemischte C3 / C4-Verbraucher. Vor 2,5 Millionen Jahren hatten sich zwei neue Arten entwickelt: Paranthropus, deren Fokus verlagerte sich früh auf C4 / CAM-Nahrungsquellen Homo sapiens das verbrauchte sowohl C3- als auch C4-Pflanzensorten.

Der Evolutionsprozess, der C3-Pflanzen in C4-Arten verwandelte, hat in den letzten 35 Millionen Jahren nicht nur einmal, sondern mindestens 66 Mal stattgefunden. Dieser Evolutionsschritt führte zu einer verbesserten Photosyntheseleistung und einer erhöhten Effizienz der Wasser- und Stickstoffnutzung.

Infolgedessen haben C4-Pflanzen die doppelte Photosynthesekapazität wie C3-Pflanzen und können höhere Temperaturen, weniger Wasser und verfügbaren Stickstoff bewältigen. Aus diesen Gründen versuchen Biochemiker derzeit, Wege zu finden, um C4- und CAM-Merkmale (Prozesseffizienz, Toleranz gegenüber hohen Werten) zu verschieben Temperaturen, höhere Erträge und Beständigkeit gegen Trockenheit und Salzgehalt) in C3-Pflanzen, um die Umweltveränderungen, denen die Welt ausgesetzt ist, auszugleichen Erwärmen.

Zumindest einige C3-Modifikationen werden für möglich gehalten, da vergleichende Studien gezeigt haben, dass diese Pflanzen bereits einige rudimentäre Gene besitzen, deren Funktion denen von C4-Pflanzen ähnelt. Während Hybride von C3 und C4 seit mehr als fünf Jahrzehnten verfolgt werden, ist der Erfolg aufgrund von Chromosomenfehlanpassung und hybrider Sterilität unerreichbar geblieben.

Das Potenzial zur Verbesserung der Ernährungs- und Energiesicherheit hat zu einem deutlichen Anstieg der Photosyntheseforschung geführt. Die Photosynthese liefert unsere Nahrungsmittel- und Faserversorgung sowie die meisten unserer Energiequellen. Sogar die Bank von Kohlenwasserstoffe die in der Erdkruste liegen, wurde ursprünglich durch Photosynthese erzeugt.

Wenn fossile Brennstoffe aufgebraucht sind - oder wenn Menschen den Einsatz fossiler Brennstoffe einschränken, um der globalen Erwärmung zuvorzukommen -, wird die Welt vor der Herausforderung stehen, diese Energieversorgung durch erneuerbare Ressourcen zu ersetzen. Es ist nicht praktikabel, die Entwicklung des Menschen zu erwarten, um in den nächsten 50 Jahren mit der Geschwindigkeit des Klimawandels Schritt zu halten. Wissenschaftler hoffen, dass Pflanzen durch den Einsatz verbesserter Genomik eine andere Geschichte werden.

• Ehleringer, J. R.; Cerling, T.E. "C3- und C4-Photosynthese" in "Encyclopedia of Global Environmental Change", Munn, T.; Mooney, H. A.; Canadell, J.G., Herausgeber. S. 186–190. John Wiley und Söhne. London. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H. "Die C2-Photosynthese erzeugt in den C3-C4-Zwischenspezies etwa dreifach erhöhte Blatt-CO2-Werte im Zeitschrift für experimentelle Botanik 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R. T.; Fukayama, H.; Miyao, M. "Molekulares Engineering der c4-Photosynthese" im Jahresrückblick Pflanzenphysiologie und Pflanzenmolekularbiologie. S. 297–314. 2014.
• Sage, R.F. ""Photosyntheseeffizienz und Kohlenstoffkonzentration in Landpflanzen: die C4- und CAM-Lösungen " im Zeitschrift für experimentelle Botanik 65 (13), pp. 3323–3325. 2014
• Schöninger, M.J.Stabile Isotopenanalysen und die Entwicklung der menschlichen Ernährung " im Jahresrückblick Anthropologie 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. "Isotopenbeweise für frühe Hominin-Diäten " im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften 110 (26), pp. 10513–10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Kohlenstoffisotope, Photosynthese und Archäologie" in Amerikanischer Wissenschaftler 70, S. 596–606. 1982