Aanpassingen aan klimaatverandering in C3-, C4- en CAM-fabrieken

Globale klimaatverandering resulteert in stijgingen van de dagelijkse, seizoensgebonden en jaarlijkse gemiddelde temperaturen en toename van de intensiteit, frequentie en duur van abnormaal lage en hoge temperaturen. Temperatuur en andere omgevingsvariaties hebben een directe invloed op de plantengroei en zijn belangrijke bepalende factoren bij de plantendistributie. Omdat mensen afhankelijk zijn van planten - direct en indirect - een cruciale voedselbron, is het cruciaal om te weten hoe goed ze in staat zijn om de nieuwe milieuorde te weerstaan ​​en / of eraan te wennen..

Milieu-impact op fotosynthese

Alle planten nemen atmosferisch koolstofdioxide op en zetten het om in suikers en zetmelen door het proces van fotosynthese, maar ze doen het op verschillende manieren. De specifieke fotosynthesemethode (of -route) die door elke plantklasse wordt gebruikt, is een variatie op een reeks chemische reacties die de Calvin-cyclus wordt genoemd. Deze reacties hebben invloed op het aantal en het type koolstofmoleculen die een plant creëert, de plaatsen waar die moleculen worden opgeslagen, en vooral voor het onderzoek naar klimaatverandering, het vermogen van een plant om koolstofarme atmosferen, hogere temperaturen en minder water en stikstof te weerstaan.

Deze fotosyntheseprocessen die door botanici worden aangeduid als C3, C4 en CAM, zijn direct relevant voor wereldwijde studies naar klimaatverandering omdat C3- en C4-planten anders reageren op veranderingen in de concentratie koolstofdioxide in de atmosfeer en veranderingen in temperatuur en waterbeschikbaarheid.

Mensen zijn momenteel afhankelijk van plantensoorten die niet gedijen in heter, droger en meer grillige omstandigheden. Terwijl de planeet opwarmt, zijn onderzoekers begonnen manieren te onderzoeken waarop planten kunnen worden aangepast aan de veranderende omgeving. Het aanpassen van de fotosyntheseprocessen kan een manier zijn om dat te doen. 

C3 planten

De overgrote meerderheid van landplanten waarop we vertrouwen voor voedsel en energie voor mensen maakt gebruik van het C3-pad, het oudste van de paden voor koolstoffixatie, en het wordt gevonden in planten van alle taxonomieën. Bijna alle bestaande niet-menselijke primaten in alle lichaamsgroottes, inclusief prosimians, nieuwe en oude wereldapen, en alle apen - zelfs degenen die in regio's met C4- en CAM-planten leven - zijn afhankelijk van C3-planten voor voedselvoorziening.

• Soorten: Granen zoals rijst, tarwe, sojabonen, rogge en gerst; groenten zoals cassave, aardappelen, spinazie, tomaten en yams; bomen zoals appel, perzik en eucalyptus
• Enzym: Ribulosebisfosfaat (RuBP of Rubisco) carboxylase-oxygenase (Rubisco)
• Werkwijze: Zet CO2 om in een 3-koolstofverbinding 3-fosfoglycerinezuur (of PGA)
• Waar koolstof vast zit: Alle blad-mesofylcellen
• Biomassatarieven: -22% tot -35%, met een gemiddelde van -26,5%

Hoewel het C3-pad het meest voorkomt, is het ook inefficiënt. Rubisco reageert niet alleen met CO2 maar ook met O2, wat leidt tot fotorespiratie, een proces dat geassimileerde koolstof verspilt. Onder de huidige atmosferische omstandigheden wordt potentiële fotosynthese in C3-planten maar liefst 40% onderdrukt door zuurstof. De mate van onderdrukking neemt toe onder stressomstandigheden zoals droogte, veel licht en hoge temperaturen. Terwijl de mondiale temperaturen stijgen, zullen C3-planten moeite hebben om te overleven - en aangezien we ervan afhankelijk zijn, zullen wij dat ook doen.

C4 planten

Slechts ongeveer 3% van alle landplanten gebruikt het C4-pad, maar ze domineren bijna alle graslanden in de tropen, subtropen en warme gematigde zones. C4-planten omvatten ook zeer productieve gewassen zoals maïs, sorghum en suikerriet. Hoewel deze gewassen het veld leiden voor bio-energie, zijn ze niet helemaal geschikt voor menselijke consumptie. Maïs is de uitzondering, maar het is niet echt verteerbaar tenzij het tot poeder wordt gemalen. Maïs en andere gewassen worden ook gebruikt als diervoeder, waarbij de energie wordt omgezet in vlees - nog een inefficiënt gebruik van planten.

• Soorten: Veel voorkomend in voedergewassen van lagere breedtegraden, maïs, sorghum, suikerriet, fonio, tef en papyrus
• Enzym: Phosphoenolpyruvate (PEP) carboxylase
• Werkwijze: Zet CO2 om in 4-koolstof intermediair
• Waar koolstof is opgelost: De mesofylcellen (MC) en de bundelmantelcellen (BSC). C4's hebben een ring van BSC's die elke ader omringen en een buitenring van MC's die de bundelkoker omringen, bekend als de Kranz-anatomie.
• Biomassa tarieven: -9 tot -16%, met een gemiddelde van -12,5%.

C4-fotosynthese is een biochemische modificatie van het C3-fotosyntheseproces waarbij de C3-stijlcyclus alleen plaatsvindt in de inwendige cellen in het blad. Rondom de bladeren bevinden zich mesofylcellen die een veel actiever enzym bevatten, fosfoenolpyruvaat (PEP) -carboxylase. Als gevolg hiervan gedijen C4-planten in lange groeiseizoenen met veel toegang tot zonlicht. Sommige zijn zelfs zouttolerant, waardoor onderzoekers kunnen overwegen of gebieden met verzilting als gevolg van eerdere irrigatie-inspanningen kunnen worden hersteld door zouttolerante C4-soorten te planten.

CAM-planten

CAM-fotosynthese werd genoemd ter ere van de plantenfamilie waarin Crassulacean, de muurpeper familie of de orpine familie, werd eerst gedocumenteerd. Dit type fotosynthese is een aanpassing aan de lage beschikbaarheid van water en komt voor in orchideeën en succulente plantensoorten uit droge gebieden.

In planten met volledige CAM-fotosynthese worden de huidmondjes in de bladeren gesloten tijdens daglichturen om evapotranspiratie te verminderen en 's nachts geopend om kooldioxide op te nemen. Sommige C4-planten werken ook ten minste gedeeltelijk in C3- of C4-modus. In feite wordt er zelfs een plant genoemd Agave Angustifolia die heen en weer schakelt tussen modi zoals het lokale systeem dicteert.

• Soorten: Cactussen en andere vetplanten, Clusia, tequila agave, ananas.
• Enzym: Phosphoenolpyruvate (PEP) carboxylase
• Werkwijze: Vier fasen die gebonden zijn aan beschikbaar zonlicht, CAM-planten verzamelen overdag CO2 en fixeren vervolgens 's nachts CO2 als een tussenproduct van 4 koolstofatomen.
• Waar koolstof is opgelost: vacuolen
• Biomassa tarieven: Tarieven kunnen in C3- of C4-bereik vallen.

CAM-planten vertonen de hoogste watergebruiksefficiëntie in planten waardoor ze het goed kunnen doen in omgevingen met weinig water, zoals semi-droge woestijnen. Met uitzondering van ananas en enkele agavesoorten, zoals de tequila agave, zijn CAM-planten relatief onbenut in termen van menselijk gebruik voor voedsel en energiebronnen.

Evolutie en mogelijke engineering

Wereldwijde voedselonzekerheid is al een extreem acuut probleem, waardoor de voortdurende afhankelijkheid van inefficiënte voedsel- en energiebronnen een gevaarlijke loop is, vooral als we niet weten hoe plantencycli worden beïnvloed naarmate onze atmosfeer koolstofrijker wordt. Aangenomen wordt dat de vermindering van atmosferische CO2 en het drogen van het klimaat op aarde de ontwikkeling van C4 en CAM heeft bevorderd, wat de alarmerende mogelijkheid oproept dat verhoogde CO2 de omstandigheden kan omkeren die deze alternatieven voor C3-fotosynthese begunstigden.

Uit gegevens van onze voorouders blijkt dat mensachtigen hun dieet kunnen aanpassen aan de klimaatverandering. Ardipithecus ramidus en Ar anamensis waren allebei afhankelijk van C3-planten, maar toen een klimaatverandering oost-Afrika veranderde van beboste gebieden naar savanne ongeveer vier miljoen jaar geleden, de soort die overleefde-Australopithecus afarensis en Kenyanthropus platyops-waren gemengde C3 / C4-consumenten. 2,5 miljoen jaar geleden waren er twee nieuwe soorten ontstaan: Paranthropus, wiens focus verschoof naar C4 / CAM voedselbronnen, en vroeg Homo sapiens die zowel C3- als C4-plantensoorten consumeerde.

C3 tot C4 aanpassing

Het evolutieproces dat C3-planten in C4-soorten veranderde, heeft de afgelopen 35 miljoen jaar niet één keer maar minstens 66 keer plaatsgevonden. Deze evolutionaire stap leidde tot verbeterde fotosynthetische prestaties en verhoogde efficiëntie van water- en stikstofgebruik.

Als gevolg hiervan hebben C4-planten tweemaal de fotosynthetische capaciteit als C3-planten en kunnen ze hogere temperaturen, minder water en beschikbare stikstof aan. Om deze redenen proberen biochemici momenteel manieren te vinden om C4- en CAM-kenmerken (procesefficiëntie, tolerantie van hoge temperaturen, hogere opbrengsten en weerstand tegen droogte en zoutgehalte) naar C3-fabrieken te verplaatsen als een manier om de ecologische veranderingen waarmee wereldwijde verwarming.

Ten minste enkele C3-modificaties worden mogelijk geacht omdat vergelijkende studies hebben aangetoond dat deze planten al enkele rudimentaire genen bezitten die vergelijkbaar zijn in functie met die van C4-planten. Hoewel hybriden van C3 en C4 meer dan vijf decennia zijn nagestreefd, is chromosoommismatching en hybride steriliteitsucces buiten bereik gebleven.

De toekomst van fotosynthese

Het potentieel om voedsel- en energiezekerheid te verbeteren heeft geleid tot een duidelijke toename van het onderzoek naar fotosynthese. Fotosynthese levert onze voedsel- en vezelvoorziening, evenals de meeste van onze energiebronnen. Zelfs de bank van koolwaterstoffen die zich in de aardkorst bevindt, is oorspronkelijk gemaakt door fotosynthese.

Omdat fossiele brandstoffen op zijn - of als mensen het gebruik van fossiele brandstoffen beperken om de opwarming van de aarde te voorkomen - zal de wereld voor de uitdaging staan ​​om die energievoorziening te vervangen door hernieuwbare hulpbronnen. De evolutie van mensen verwachtenHet is niet praktisch om het tempo van de klimaatverandering in de komende 50 jaar bij te houden. Wetenschappers hopen dat met het gebruik van verbeterde genomics planten een ander verhaal zullen zijn.

bronnen:

• Ehleringer, J.R .; Cerling, T.E. "C3 en C4 fotosynthese" in "Encyclopedia of Global Environmental Change", Munn, T .; Mooney, H.A .; Canadell, J.G., redactie. pp 186-190. John Wiley and Sons. Londen. 2002
• Keerberg, O .; Pärnik, T .; Ivanova, H .; Bassüner, B .; Bauwe, H. "C2-fotosynthese genereert ongeveer 3-voudige verhoogde CO2-bladniveaus in de C3-C4 intermediaire soort in Journal of Experimental Botany 65 (13): 3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M .; Furbank, R.T .; Fukayama, H .; Miyao, M. "Moleculaire engineering van c4 fotosynthese" in Jaaroverzicht van plantenfysiologie en plantenmoleculaire biologie. pp 297-314. 2014.
• Sage, R.F. "Fotosynthetische efficiëntie en koolstofconcentratie in terrestrische planten: de C4- en CAM-oplossingen" in Journal of Experimental Botany 65 (13), pp. 3323-3325. 2014
• Schoeninger, M.J. "Stabiele isotopenanalyses en de evolutie van menselijke voeding" in Jaaroverzicht antropologie 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. "Isotopisch bewijs van vroege mensachtige diëten" in Proceedings van de National Academy of Sciences 110 (26), pp. 10513-10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Carbon Isotopes, Photosynthesis and Archaeology" in Amerikaanse wetenschapper 70, pp 596-606. 1982