Rastliny C3, C4 a CAM: Prispôsobenie sa zmene klímy

Globálna zmena podnebia má za následok zvýšenie denných, sezónnych a ročných priemerných teplôt a zvýšenie intenzity, frekvencie a trvania abnormálne nízkych a vysokých teplôt. Teplota a iné zmeny prostredia majú priamy vplyv na rast rastlín a sú hlavnými určujúcimi faktormi v distribúcii rastlín. Pretože sa ľudia spoliehajú na rastliny - priamo a nepriamo - zásadný zdroj potravy, je nevyhnutné vedieť, ako dobre sú schopní odolávať a / alebo aklimatizovať na nový environmentálny poriadok.

Všetky rastliny prijímajú oxid uhličitý v atmosfére a pomocou tohto postupu sa prevádzajú na cukry a škroby fotosyntéza ale robia to rôznymi spôsobmi. Špecifická metóda fotosyntézy (alebo cesta) použitá v každej triede rastlín je variáciou súboru chemických reakcií nazývaných Calvinov cyklus. Tieto reakcie ovplyvňujú počet a typ molekúl uhlíka, ktoré rastlina vytvára, miesta, kde sa tieto molekuly ukladajú, a najviac dôležité pre štúdium zmeny podnebia, schopnosť rastlín vydržať atmosféru s nízkym obsahom uhlíka, vyššie teploty a zníženú vodu a dusík.

Tieto procesy fotosyntézy - označené botanikmi ako C3, C4 a CAM - sú priamo relevantné pre globálna zmena podnebia štúdie, pretože rastliny C3 a C4 reagujú rozdielne na zmeny koncentrácie oxidu uhličitého v atmosfére a na zmeny teploty a dostupnosti vody.

Ľudia sú v súčasnosti závislí od druhov rastlín, ktoré sa v horúcich, sušiacich a nevyspytateľnejších podmienkach nevy daria. Ako sa planéta ďalej zahrieva, vedci začali skúmať spôsoby, ako je možné rastliny prispôsobiť meniacemu sa prostrediu. Jedným zo spôsobov, ako to dosiahnuť, môže byť úprava procesov fotosyntézy.

Prevažná väčšina rastlinných rastlín, na ktoré sa spoliehame v prípade potravín a energie ľudí, využíva cestu C3, ktorá je najstaršou cestou fixácie uhlíka, a nachádza sa v rastlinách všetkých taxonómií. Takmer všetky jestvujúce primáty okrem všetkých veľkostí tela, vrátane prosimiánov, nového a starého sveta opíc a všetkých opíc - dokonca aj tých, ktoré žijú v regiónoch s rastlinami C4 a CAM - závisí od rastlín C3 výživu.

• druh: Obilné zrná, ako je ryža, pšenica, sójové bôby, raž a jačmeň; zelenina, ako je kasava, zemiaky, špenát, paradajky a priadze; stromy ako jablko, broskyňa a eukalyptus
• enzým: Ribulóza bisfosfát (RuBP alebo Rubisco) karboxyláza oxygenáza (Rubisco)
• proces: Premena CO2 na 3-uhlíkovú zlúčeninu, 3-fosfoglycerínovú kyselinu (alebo PGA)
• Kde je uhlík fixovaný: Všetky bunky mezofylových listov
• Ceny biomasy: -22% až -35%, s priemerom -26,5%

Aj keď je cesta C3 najbežnejšia, je tiež neefektívna. Rubisco reaguje nielen s CO2, ale aj s kyslíkom, čo vedie k fotodpirácii, procesu, ktorý premrhá asimilovaný uhlík. Za súčasných atmosférických podmienok je potenciálna fotosyntéza v rastlinách C3 potlačená kyslíkom až o 40%. Rozsah tohto potlačenia sa zvyšuje v stresových podmienkach, ako sú sucho, vysoké svetlo a vysoké teploty. Ako globálne teploty stúpajú, rastliny C3 sa budú snažiť prežiť - a keďže sme od nich závislí, tak aj my.

Len asi 3% všetkých rastlinných druhov využíva cestu C4, ale dominujú takmer všetkým trávnym porastom v trópoch, subtropoch a teplých miernych pásmach. K rastlinám C4 patria tiež vysoko produktívne plodiny, ako je kukurica, cirok a cukrová trstina. Aj keď tieto plodiny vedú pole pre bioenergiu, nie sú úplne vhodné na ľudskú spotrebu. Kukurica je výnimkou, nie je však skutočne stráviteľná, pokiaľ nie je rozomletá na prášok. Kukurica a iné plodiny sa používajú aj ako krmivo pre zvieratá a premieňajú energiu na mäso - ďalšie neefektívne využívanie rastlín.

• druh: Bežné v krmovinových trávach nižších zemepisných šírok, kukurica, cirok, cukrová trstina, fonio, tef a papyrus
• enzým: Fosfoenolpyruvát (PEP) karboxyláza
• postup: Preveďte CO2 na 4-uhlíkový medziprodukt
• Kde je uhlík fixovaný: Bunky mezofylu (MC) a bunky plášťového obalu (BSC). C4 majú kruh BSC obklopujúci každú žilu a vonkajší kruh MC obklopujúci plášť zväzku, známy ako Kranzova anatómia.
• Ceny biomasy: -9 až -16%, s priemerom -12,5%.

Fotosyntéza C4 je biochemická modifikácia procesu fotosyntézy C3, pri ktorej sa cyklus C3 štýlu vyskytuje iba vo vnútorných bunkách listu. Okolo listov sú bunky mezofylu, ktoré obsahujú oveľa aktívnejší enzým nazývaný fosfoenolpyruvát (PEP) karboxyláza. Výsledkom je, že rastliny C4 prosperujú v dlhých vegetačných obdobiach s veľkým prístupom k slnečnému žiareniu. Niektoré z nich dokonca tolerujú fyziologický roztok, čo umožňuje vedcom zvážiť, či oblasti, ktoré zažili zasolenie, ktoré je výsledkom minulého úsilia o zavlažovanie, sa dá obnoviť vysadením C4 tolerantného voči soli druhy.

Fotosyntéza CAM bola pomenovaná na počesť rodiny rastlín, v ktorej Crassulacean, rodina rozchodníkov alebo rodina orpínov, bola prvýkrát dokumentovaná. Tento typ fotosyntézy je adaptáciou na nízku dostupnosť vody a vyskytuje sa v orchideách a sukulentných druhoch rastlín z vyprahnutých oblastí.

V rastlinách využívajúcich úplnú fotosyntézu CAM sú stomatá v listoch počas denných hodín uzavreté, aby sa znížila evapotranspirácia a otvárajú sa v noci, aby sa prijal oxid uhličitý. Niektoré zariadenia C4 tiež fungujú aspoň čiastočne v režime C3 alebo C4. V skutočnosti existuje dokonca aj rastlina nazývaná Agave Angustifolia ktorý prepína tam a späť medzi režimami podľa pokynov miestneho systému.

• druh: Kaktusy a iné sukulenty, Clusia, tequila agáve, ananás.
• enzým: Fosfoenolpyruvát (PEP) karboxyláza
• postup: Štyri fázy, ktoré sú spojené s dostupným slnečným žiarením, CAM rastliny zhromažďujte CO2 počas dňa a potom fixujte CO2 v noci ako medziprodukt so 4 uhlíkmi.
• Kde je uhlík fixovaný: vakuoly
• Ceny biomasy: Sadzby môžu spadať do rozsahu C3 alebo C4.

Rastliny CAM vykazujú najvyššiu účinnosť využívania vody v rastlinách, ktoré im umožňujú dobre sa dariť v prostrediach obmedzených vodou, ako sú napríklad polosuché púšte. S výnimkou ananásu a pár agáve druhy, ako je tequila agáve, sú rastliny CAM relatívne nevyužité, pokiaľ ide o ľudské použitie na potravinové a energetické zdroje.

Globálna potravinová neistota je už teraz mimoriadne akútnym problémom a spôsobuje, že sa stále spolieha na neefektívne potraviny a energiu Zdroje nebezpečný kurz, najmä keď nevieme, ako budú cykly rastlín ovplyvňované tým, ako sa bude zvyšovať naša atmosféra bohaté na uhlík. Predpokladá sa, že zníženie atmosférického CO2 a sušenie zemskej klímy podporilo vývoj C4 a CAM, čo upozorňuje na alarmujúcu možnosť, že zvýšený CO2 môže zvrátiť podmienky, ktoré uprednostňovali tieto alternatívy k C3 fotosyntéza.

Dôkazy od našich predkov ukazujú, že hominidi dokážu svoju stravu prispôsobiť zmene klímy. Ardipithecus ramidus a Ar anamensis boli závislé od rastlín C3, ale keď zmena klímy zmenila východnú Afriku z lesných oblastí na savanu asi pred štyrmi miliónmi rokov, druh, ktorý prežil -Australopithecus afarensis a Platyops kenyanthropus- boli zmiešaní spotrebitelia C3 / C4. Pred 2,5 miliónmi rokov sa vyvinuli dva nové druhy: parantrop, ktorých zameranie sa presunulo na potravinové zdroje C4 / CAM a čoskoro Homo sapiens ktoré konzumovali odrody rastlín C3 a C4.

Evolučný proces, ktorý zmenil rastliny C3 na C4, sa za posledných 35 miliónov rokov nevyskytol raz, ale najmenej 66-krát. Tento vývojový krok viedol k zlepšeniu fotosyntetického výkonu a zvýšenej účinnosti využívania vody a dusíka.

Výsledkom je, že C4 rastliny majú dvojnásobnú fotosyntetickú kapacitu ako C3 rastliny a dokážu zvládnuť vyššie teploty, menej vody a dostupný dusík. Z týchto dôvodov sa biochemici v súčasnosti snažia nájsť spôsoby, ako presunúť vlastnosti C4 a CAM (efektívnosť procesu, vysoká tolerancia) teploty, vyššie výnosy a odolnosť voči suchu a slanosti) do rastlín C3 ako spôsob na kompenzáciu environmentálnych zmien, ktorým čelia globálne zmeny otepľovanie.

Verí sa, že sú možné aspoň niektoré modifikácie C3, pretože porovnávacie štúdie ukázali, že tieto rastliny už majú niektoré základné gény podobné vo funkcii génov C4 rastlín. Kým hybridy C3 a C4 boli sledované už viac ako päť desaťročí, úspech v dôsledku nesprávneho párovania chromozómov a úspechu hybridnej sterility zostal mimo dosah.

Potenciál zvýšiť potravinovú a energetickú bezpečnosť viedol k výraznému nárastu výskumu vo fotosyntéze. Fotosyntéza poskytuje zásoby potravín a vlákniny, ako aj väčšinu našich energetických zdrojov. Dokonca aj banka uhľovodíkov ktoré žijú v zemskej kôre, boli pôvodne vytvorené fotosyntézou.

Keďže sa fosílne palivá vyčerpávajú - alebo ak by ľudia mali obmedziť používanie fosílnych palív na zabránenie globálneho otepľovania -, svet bude čeliť výzve nahradiť túto dodávku energie obnoviteľnými zdrojmi. Očakávať, že vývoj humansto bude držať krok s tempom zmeny klímy v nasledujúcich 50 rokoch, nie je praktický. Vedci dúfajú, že vďaka vylepšenej genomike budú rastliny ďalším príbehom.

• Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. „Fotosyntéza C3 a C4“ v „Encyklopédia globálnych zmien životného prostredia“, Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J.G., editori. str. 186 - 190. John Wiley a synovia. London. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H. "Fotosyntéza C2 generuje asi 3-násobne zvýšené hladiny CO2 v listoch u medziproduktov C3-C4 v Žurnál experimentálnej botaniky 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; Fukayama, H.; Miyao, M. "Molekulárne inžinierstvo fotosyntézy c4"v Ročný prehľad o fyziologii rastlín a molekulárnej biológii rastlín. str. 297 až 314. 2014.
• Sage, R.F. "Fotosyntetická účinnosť a koncentrácia uhlíka v suchozemských rastlinách: riešenia C4 a CAM “ v Žurnál experimentálnej botaniky 65 (13), str. 3323–3325. 2014
• Schoeninger, M.J. "Analýzy stabilných izotopov a vývoj ľudskej výživy “ v Ročný prehľad antropológie 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.; a kol. "Izotopový dôkaz skorej hominínovej stravy " v Zborník Národnej akadémie vied 110 (26), str. 10513–10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Uhlíkové izotopy, fotosyntéza a archeológia" v Americký vedec 70, str. 596 - 606. 1982