Anpassningar till klimatförändringar i växter C3, C4 och CAM

Globala klimatförändringar resulterar i ökningar i dagliga, säsongs- och årliga medeltemperaturer och ökar intensiteten, frekvensen och varaktigheten av onormalt låga och höga temperaturer. Temperatur- och andra miljövariationer har en direkt påverkan på växternas tillväxt och är viktiga avgörande faktorer för växtfördelningen. Eftersom människor förlitar sig på växter - direkt och indirekt - en avgörande livsmedelskälla, är det viktigt att veta hur väl de kan motstå och / eller anpassa sig till den nya miljöordningen..

Miljöpåverkan på fotosyntesen

Alla växter tar upp atmosfärisk koldioxid och omvandlar den till socker och stärkelse genom fotosyntesprocessen, men de gör det på olika sätt. Den specifika fotosyntesmetoden (eller -vägen) som används av varje växtklass är en variation av en uppsättning kemiska reaktioner som kallas Calvin Cycle. Dessa reaktioner påverkar antalet och typen av kolmolekyler som en växt skapar, de platser där dessa molekyler lagras, och, viktigast av allt för att studera klimatförändringar, en växts förmåga att motstå atmosfär med låg kolhalt, högre temperaturer och reducerat vatten och kväve.

Dessa fotosyntesprocesser som betecknats av botaniker som C3, C4 och CAM, är direkt relevanta för globala klimatförändringsstudier eftersom C3- och C4-växter svarar annorlunda på förändringar i atmosfärisk koldioxidkoncentration och förändringar i temperatur och vattentillgänglighet.

Människor är för närvarande beroende av växtarter som inte trivs i varmare, torktumlare och mer ojämna förhållanden. När planeten fortsätter att värma upp har forskare börjat utforska sätt på vilka växter kan anpassas till den föränderliga miljön. Att ändra fotosyntesprocesserna kan vara ett sätt att göra det. 

C3 Växter

Den stora majoriteten av landväxter som vi litar på för livsmedel och energi för människor använder C3-vägen, som är den äldsta av vägarna för kolfixering, och den finns i växter i alla taxonomier. Nästan alla befintliga icke-mänskliga primater över alla kroppsstorlekar, inklusive prosimier, apor i den nya och gamla världen, och alla apor - även de som bor i regioner med C4- och CAM-växter - är beroende av C3-växter för underhåll.

• Arter: Spannmål som ris, vete, sojabönor, råg och korn; grönsaker såsom kassava, potatis, spenat, tomater och yams; träd som äpple, persika och eukalyptus
• Enzym: Ribulosabisfosfat (RuBP eller Rubisco) karboxylasoxygas (Rubisco)
• Bearbeta: Konvertera CO2 till en 3-kolförening 3-fosfoglycerinsyra (eller PGA)
• Där kol är fixat: Alla bladmesofyllceller
• Biomassa-priser: -22% till -35%, med ett medelvärde av -26,5%

Medan C3-vägen är den vanligaste är den också ineffektiv. Rubisco reagerar inte bara med CO2 utan också O2, vilket leder till fotorespiration, en process som slösar bort assimilerat kol. Under nuvarande atmosfäriska förhållanden undertrycks potentiell fotosyntes i C3-växter av syre upp till 40%. Omfattningen av det undertrycket ökar under stressförhållanden som torka, högt ljus och höga temperaturer. När globala temperaturer stiger kommer C3-växter att kämpa för att överleva - och eftersom vi är beroende av dem, så kommer vi också att göra det.

C4 växter

Endast cirka 3% av alla landväxtarter använder C4-vägen, men dominerar nästan alla gräsmarker i tropikerna, subtroperna och varma tempererade zoner. C4-växter inkluderar också mycket produktiva grödor som majs, sorghum och sockerrör. Även om dessa grödor leder fältet för bioenergi, är de inte helt lämpliga för konsumtion. Majs är undantaget, men det är inte riktigt smältbart om det inte mals till ett pulver. Majs och andra grödor används också som djurfoder, vilket omvandlar energin till kött - en annan ineffektiv användning av växter.

• Arter: Vanligt i fodergräs med lägre breddegrader, majs, sorghum, sockerrör, fonio, tef och papyrus
• Enzym: Fosfoenolpyruvat (PEP) karboxylas
• Bearbeta: Konvertera CO2 till 4-kol-mellanprodukt
• Där kol är fixat: Mesofyllcellerna (MC) och buntmantelcellerna (BSC). C4: er har en ring av BSC: er som omger varje ven och en yttre ring av MC som omger buntmanteln, känd som Kranz-anatomi.
• Biomassa: -9 till -16%, med ett medelvärde av -12,5%.

C4-fotosyntes är en biokemisk modifiering av C3-fotosyntesprocessen där C3-stilcykeln endast sker i de inre cellerna i bladet. Runt bladen finns mesofyllceller som innehåller ett mycket mer aktivt enzym som kallas fosfoenolpyruvat (PEP) karboxylas. Som ett resultat trivs C4-växter under långa växtsäsonger med mycket tillgång till solljus. En del är till och med saltlösande, vilket gör det möjligt för forskare att överväga om områden som har upplevt saltlösning till följd av tidigare bevattningsinsatser kan återställas genom att plantera salttoleranta C4-arter.

CAM-växter

CAM-fotosyntes utsågs till ära för växtfamiljen där Crassulacean, stonecrop-familjen eller orpine-familjen, dokumenterades först. Denna typ av fotosyntes är en anpassning till låg vatten tillgänglighet och förekommer i orkidéer och saftiga växtarter från torra regioner.

I växter som använder full CAM-fotosyntes stängs stomaten i bladen under dagsljus för att minska evapotranspiration och öppna på natten för att ta in koldioxid. Vissa C4-växter fungerar också åtminstone delvis i C3- eller C4-läge. I själva verket finns det till och med en växt som heter Agave Angustifolia som växlar fram och tillbaka mellan lägen som det lokala systemet dikterar.

• Arter: Kaktusar och andra suckulenter, Clusia, tequila agave, ananas.
• Enzym: Fosfoenolpyruvat (PEP) karboxylas
• Bearbeta: Fyra faser som är bundna till tillgängligt solljus, CAM-växter samlar upp CO2 under dagen och fixar sedan CO2 på natten som en 4 kol-mellanprodukt.
• Där kol är fixat: vakuoler
• Biomassa: Priserna kan falla inom antingen C3- eller C4-intervall.

CAM-växter uppvisar den högsta effektiviteten för vattenanvändning i växter som gör det möjligt för dem att klara sig bra i vattenbegränsade miljöer, såsom halvtora öknar. Med undantag för ananas och några få agavearter, såsom tequila agave, är CAM-växter relativt outnyttjade när det gäller mänskligt bruk för mat och energiresurser.

Evolution och möjlig teknik

Global matförsäkerhet är redan ett extremt akut problem, vilket gör det fortsatta förlitandet på ineffektiva livsmedel och energikällor till en farlig kurs, särskilt när vi inte vet hur växtcykler kommer att påverkas när vår atmosfär blir mer kolrika. Minskningen av atmosfärisk koldioxid och torkningen av jordens klimat tros ha främjat C4- och CAM-utvecklingen, vilket ger den oroväckande möjligheten att förhöjd CO2 kan vända förhållandena som gynnade dessa alternativ till C3-fotosyntes..

Bevis från våra förfäder visar att hominider kan anpassa sin diet till klimatförändringar. Ardipithecus ramidus och Ar anamensis var båda beroende av C3-växter men när en klimatförändring förändrade östra Afrika från trädbevuxna regioner till savann för cirka fyra miljoner år sedan, överlevde arten som överlevde-Australopithecus afarensis och Kenyanthropus platyops-var blandade C3 / C4-konsumenter. För 2,5 miljoner år sedan hade två nya arter utvecklats: Paranthropus, vars fokus skiftades till C4 / CAM matkällor och tidigt Homo sapiens som konsumerade både C3 och C4 växtsorter.

C3 till C4 Anpassning

Den utvecklingsprocess som förändrade C3-växter till C4-arter har inte skett en gång utan åtminstone 66 gånger under de senaste 35 miljoner åren. Detta evolutionära steg ledde till förbättrad fotosyntetisk prestanda och ökad effektivitet för användning av vatten och kväve.

Som ett resultat har C4-växter dubbelt så fotosyntetisk kapacitet som C3-växter och klarar högre temperaturer, mindre vatten och tillgängligt kväve. Det är av dessa skäl som biokemister för närvarande försöker hitta sätt att flytta C4- och CAM-egenskaper (processeffektivitet, tolerans för höga temperaturer, högre utbyten och motstånd mot torka och salthalt) till C3-anläggningar som ett sätt att kompensera för miljöförändringar som globala möter uppvärmningen.

Åtminstone vissa C3-modifikationer tros vara möjliga eftersom jämförande studier har visat att dessa växter redan har några rudimentära gener som är liknande som funktionen hos C4-växter. Medan hybrider av C3 och C4 har bedrivits mer än fem decennier, har på grund av kromosomöverensstämmelse och hybridsterilitetsframgång förblivit utom räckhåll.

Framtiden för fotosyntes

Potentialen för att förbättra livsmedels- och energisäkerheten har lett till markanta ökningar av forskning om fotosyntes. Fotosyntesen tillhandahåller vår mat- och fiberförsörjning, liksom de flesta av våra energikällor. Till och med banken av kolväten som finns i jordskorpan skapades ursprungligen av fotosyntes.

Eftersom fossila bränslen tappas - eller borde människor begränsa användningen av fossilt bränsle för att undvika den globala uppvärmningen - kommer världen att möta utmaningen att ersätta den energiförsörjningen med förnybara resurser. Förväntar sig utvecklingen hos människorAtt hålla jämna steg med klimatförändringarna under de kommande 50 åren är inte praktiskt. Forskare hoppas att växter kommer att bli en annan historia med förbättrad genomik.

källor:

• Ehleringer, J.R .; Cerling, T.E. "C3 och C4 Fotosyntes" i "Encyclopedia of Global Environmental Change", Munn, T .; Mooney, H.A .; Canadell, J.G., redaktörer. sid 186-190. John Wiley och söner. London. 2002
• Keerberg, O .; Pärnik, T .; Ivanova, H .; Bassüner, B .; Bauwe, H. "C2-fotosyntes genererar ungefär 3-faldiga förhöjda CO2-nivåer i blad i C3-C4 mellanprodukten i Journal of Experimental Botany 65 (13): 3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R.T .; Fukayama, H.; Miyao, M. "Molecular engineering of c4-fotosyntes" i Årlig översyn av växtfysiologi och växtmolekylärbiologi. sid 297-314. 2014.
• Sage, R.F. "Fotosyntetisk effektivitet och kolkoncentration i markanläggningar: C4- och CAM-lösningarna" i Journal of Experimental Botany 65 (13), s. 3323-3325. 2014
• Schoeninger, M. J. "Stabil isotopanalyser och utvecklingen av mänskliga dieter" i Årlig granskning av antropologi 43, sid 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. "Isotopiska bevis på tidiga hominin-dieter" i Fortsättningar från National Academy of Sciences 110 (26), s. 10513-10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Kolisotoper, fotosyntes och arkeologi" i Amerikansk forskare 70, sid 596-606. 1982