Rastline C3, C4 in CAM: Prilagoditve podnebnim spremembam

Globalne podnebne spremembe povzročajo zvišanje dnevnih, sezonskih in letnih srednjih temperatur ter povečanje intenzivnosti, pogostosti in trajanja nenormalno nizkih in visokih temperatur. Temperatura in druge spremembe okolja neposredno vplivajo na rast rastlin in so glavni odločilni dejavniki pri distribuciji rastlin. Ker se ljudje zanašamo na rastline - neposredno in posredno - na pomemben vir hrane, je ključno vedeti, kako dobro se lahko vzdržijo in / ali prilagodijo novemu okolju.

Vse rastline zaužijejo atmosferski ogljikov dioksid in ga pretvorimo v sladkorje in škrob s postopkom fotosinteza vendar to počnejo na različne načine. Specifična metoda fotosinteze (ali poti), ki jo uporablja vsak rastlinski razred, je variacija nabora kemijskih reakcij, imenovanih Calvin cikel. Te reakcije vplivajo na število in vrsto ogljikovih molekul, ki jih rastlina ustvarja, na mesta, kjer so te molekule shranjene, in, v večini pomembno za preučevanje podnebnih sprememb, sposobnost rastline, da prenese nizkoogljično atmosfero, višje temperature in znižano vodo in dušik.

Ti procesi fotosinteze - ki jih botaniki označujejo za C3, C4 in CAM - so neposredno pomembni za globalne podnebne spremembe Študije, ker se rastline C3 in C4 odzivajo različno na spremembe koncentracije ogljikovega dioksida v atmosferi in spremembe temperature in razpoložljivosti vode.

Ljudje so trenutno odvisni od rastlinskih vrst, ki ne uspevajo v bolj vročih, sušilnih in bolj navadnih pogojih. Ko se planet še naprej segreva, so raziskovalci začeli raziskovati načine, kako lahko rastline prilagodimo spreminjajočemu se okolju. Spreminjanje postopkov fotosinteze je lahko eden od načinov za to.

Velika večina kopenskih rastlin, na katere se zanašamo za človeško hrano in energijo, uporablja pot C3, ki je najstarejša od poti za fiksacijo ogljika, najdemo pa jo v rastlinah vseh taksonomij. Skoraj vsi nečloveški primati po vseh telesnih velikostih, vključno s promizijanci, novim in starim svetom opice in vsi opici - tudi tisti, ki živijo v regijah s C4 in CAM rastlinami - so odvisni od rastlin C3 za preživljanje.

• Vrste: Žitna žita, kot je riž, pšenica, soja, rž in ječmen; zelenjava, kot je kasava, krompir, špinača, paradižnik in jams; drevesa, kot so jabolko, breskev in evkaliptus
• Encim: Ribuloza bisfosfat (RuBP ali Rubisco) karboksilaza oksigenaza (Rubisco)
• Proces: Pretvorimo CO2 v 3-fosfoglicerno kislino (ali PGA) s 3-ogljikovo spojino
• Kjer je ogljik fiksiran: Vse celice listov mezofila
• Stopnje biomase: -22% do -35%, s srednjo vrednostjo od -26,5%

Čeprav je pot C3 najpogostejša, je tudi neučinkovita. Rubisco ne reagira le s CO2, ampak tudi z O2, kar vodi do fotorespiracije, procesa, ki izgublja asimilirani ogljik. V trenutnih atmosferskih pogojih potencialno fotosintezo v rastlinah C3 zavira s kisikom kar 40%. Obseg zatiranja narašča v stresnih pogojih, kot so suša, velika svetloba in visoke temperature. Ko se bodo svetovne temperature dvigovale, se bodo rastline C3 borile za preživetje - in ker smo na njih odvisni, bomo tudi mi.

Le približno 3% vseh vrst kopenskih rastlin uporablja pot C4, vendar prevladujejo na skoraj vseh travinjih v tropskih, subtropskih in toplih zmernih conah. C4 rastline vključujejo tudi zelo produktivne kulture, kot so koruza, sirek in sladkorni trs. Čeprav te pridelke vodijo v polje za bioenergijo, niso povsem primerne za prehrano ljudi. Koruza je izjema, vendar ni resnično prebavljiva, razen če zmleti v prah. Koruza in druge poljščine se uporabljajo tudi kot krma za živali, ki energijo pretvorijo v meso - še ena neučinkovita uporaba rastlin.

• Vrsta: Pogosto v krmnih travah nižjih širin, koruza, sirek, sladkorna trsa, fonio, tef in papirus
• Encim: Fosfoenolpiruvat (PEP) karboksilaza
• Postopek: Pretvarjanje CO2 v 4-ogljik vmesni
• Kje je določen ogljik: Mezofilne celice (MC) in celične ovojne celice (BSC). C4 imajo obroč BSC, ki obdaja vsako žilo, in zunanji obroč MC-jev, ki obdaja plašč snopa, znan kot Kranzova anatomija.
• Cene biomase: Od -9 do -16%, s srednjo vrednostjo -12,5%.

Fotosinteza C4 je biokemična sprememba procesa fotosinteze C3, pri katerem se cikel v slogu C3 pojavlja le v notranjih celicah znotraj lista. Okoli listov so mezofilne celice, ki vsebujejo veliko bolj aktivni encim, imenovan fosfoenolpiruvat (PEP) karboksilaza. Kot rezultat, rastline C4 uspevajo v dolgih rastnih obdobjih z veliko dostopa do sončne svetlobe. Nekateri so celo na solno toleranco, kar raziskovalcem omogoča, da razmislijo o tem, ali so bila območja, ki so jih imela soljenje, ki je posledica predhodnih namakalnih naporov, je mogoče obnoviti s saditvijo solno odpornega C4 vrste.

Fotosinteza CAM je bila poimenovana v čast rastlinske družine, v kateri Crassulacean, je bila prvič dokumentirana družina stonecrop ali družina orpine. Ta vrsta fotosinteze je prilagoditev nizki razpoložljivosti vode in se pojavlja v orhidejah in sočnih rastlinskih vrstah iz sušnih regij.

V rastlinah, ki uporabljajo popolno fotosintezo CAM, se želodčni listi v dnevnem času zaprejo, da se evapotranspiracija zmanjša, in se ponoči odpirajo, da bi lahko zaužili ogljikov dioksid. Nekatere C4 naprave vsaj deloma delujejo tudi v načinu C3 ali C4. V resnici obstaja celo rastlina, imenovana Agave Angustifolia ki preklopi naprej in nazaj med načini, kot narekuje lokalni sistem.

• Vrsta: Kaktusi in drugi sukulenti, Clusia, tekila agava, ananas.
• Encim: Fosfoenolpiruvat (PEP) karboksilaza
• Postopek: Štiri faze, ki so vezane na razpoložljivo sončno svetlobo, CAM rastline čez dan zbirajte CO2 in nato ponoči pritrdite CO2 kot vmesnik s 4 ogljiki.
• Kje je določen ogljik: Vakuoli
• Cene biomase: Cene lahko padejo v C3 ali C4.

CAM rastline imajo najvišjo izkoristek vode v obratih, ki jim omogočajo dobro delovanje v okolicah z omejenim številom voda, kot so polsušne puščave. Z izjemo ananasa in nekaj agave vrste, na primer tekila agava, rastline CAM, so razmeroma neizkoriščene v smislu človeške uporabe za hrano in energetske vire.

Globalna prehranska negotovost je že izredno akutna težava, zaradi česar se nenehno zanaša na neučinkovito hrano in energijo povzroča nevaren potek, zlasti kadar ne vemo, kako bodo vplivali rastlinski cikli, ko bo naše ozračje vedno več ogljik bogat. Zmanjšanje atmosferskega CO2 in sušenje podnebja na Zemlji naj bi spodbudilo razvoj C4 in CAM, kar vzbuja zaskrbljujočo možnost, da bi povišani CO2 lahko spremenil pogoje, ki so bili ugodni za te alternative C3 fotosinteza.

Dokazi naših prednikov kažejo, da lahko hominidi svojo prehrano prilagodijo podnebnim spremembam. Ardipitek ramidus in Ar anamensis Obe sta odvisni od rastlin C3, ko pa so podnebne spremembe pred približno štirimi milijoni let spremenile vzhodno Afriko iz gozdnih regij v savano,Australopithecus afarensis in Kentythropus platyops—Je bili mešani potrošniki C3 / C4. Pred 2,5 milijona let sta se razvili dve novi vrsti: Paranthropus, katerih poudarek se je preusmeril na vire hrane C4 / CAM in na zgodnje Homo sapiens ki je zaužil tako C3 kot C4 rastlinske sorte.

Evolucijski proces, ki je rastline C3 spremenil v vrste C4, se je v zadnjih 35 milijonih let zgodil ne enkrat, ampak vsaj 66-krat. Ta evolucijski korak je omogočil izboljšanje fotosintetskih lastnosti in povečanje učinkovitosti rabe vode in dušika.

Posledično imajo rastline C4 dvakrat večjo fotosintetsko zmogljivost kot rastline C3 in se lahko spoprimejo z višjimi temperaturami, manj vode in razpoložljivim dušikom. Zaradi tega razloga biokemiki trenutno poskušajo najti načine za premikanje lastnosti C4 in CAM (učinkovitost procesa, toleranca visokega temperature, višji donos in odpornost proti suši in slanosti) v rastlinah C3 kot način za izravnavo okoljskih sprememb, s katerimi se soočajo globalne ogrevanje.

Vsaj nekatere C3 modifikacije so mnenja, da so možne, ker primerjalne študije kažejo, da imajo te rastline že nekaj rudimentarnih genov, ki so po funkciji podobni kot pri rastlinah C4. Medtem ko se hibridi C3 in C4 zasledujejo več kot pet desetletij, zaradi neusklajenosti kromosomov in hibridne sterilnosti uspeh še vedno ni dosegljiv.

Potencial za povečanje zanesljivosti preskrbe s hrano in energijo je povzročil izrazito povečanje raziskav fotosinteze. Fotosinteza zagotavlja oskrbo s hrano in vlakninami ter večino naših virov energije. Tudi na banki ogljikovodiki ki se nahajajo v Zemljini skorji, je bila prvotno ustvarjena s fotosintezo.

Ko bodo fosilna goriva izčrpana - ali bi morali ljudje omejiti uporabo fosilnih goriv, ​​da bi preprečili globalno segrevanje - se bo svet spopadel z izzivom nadomeščanja oskrbe z energijo z obnovljivimi viri. Pričakovanje razvoja človeka, da bo sledil stopnji podnebnih sprememb v naslednjih 50 letih, ni praktično. Znanstveniki upajo, da bodo z uporabo izboljšane genomike rastline druga zgodba.

• Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. "C3 in C4 fotosinteza" v "Enciklopedija globalnih okoljskih sprememb", Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J. G., uredniki. str. 186–190. John Wiley in sinovi. London. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H. "Fotosinteza C2 ustvarja približno 3-kratno povišano raven CO2 v listih v vmesnih vrstah C3 – C4 v Časopis za eksperimentalno botaniko 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; Fukayama, H.; Miyao, M. "Molekularni inženiring fotosinteze c4"v Letni pregled fiziologije rastlin in molekularne biologije rastlin. str. 297–314. 2014.
• Sage, R.F. "Fotosintetska učinkovitost in koncentracija ogljika v kopenskih rastlinah: rešitev C4 in CAM " v Časopis za eksperimentalno botaniko 65 (13), str. 3323–3325. 2014
• Schoeninger, M. J.Stabilne izotopske analize in razvoj človeške prehrane " v Letni pregled antropologije 43, str. 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. "Izotopični dokazi o zgodnji prehrani s homininom " v Zbornik Nacionalne akademije znanosti 110 (26), str. 10513–10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Izotopi, fotosinteza in arheologija ogljika" v Ameriški znanstvenik 70, str. 596–606. 1982