Anpassung an den Klimawandel in C3-, C4- und CAM-Pflanzen

Der globale Klimawandel führt zu einem Anstieg der täglichen, saisonalen und jährlichen Durchschnittstemperaturen sowie zu einem Anstieg der Intensität, Häufigkeit und Dauer von ungewöhnlich niedrigen und hohen Temperaturen. Temperatur- und andere Umweltschwankungen wirken sich direkt auf das Pflanzenwachstum aus und sind wichtige bestimmende Faktoren für die Pflanzenverteilung. Da der Mensch direkt und indirekt auf Pflanzen als wichtige Nahrungsquelle angewiesen ist, ist es von entscheidender Bedeutung, zu wissen, wie gut er der neuen Umweltordnung standhält und / oder sich an sie gewöhnt.

Auswirkungen der Umwelt auf die Photosynthese

Alle Pflanzen nehmen atmosphärisches Kohlendioxid auf und wandeln es durch Photosynthese in Zucker und Stärke um, aber sie tun es auf unterschiedliche Weise. Die spezifische Photosynthesemethode (oder der spezifische Photosyntheseweg), die von jeder Pflanzenklasse verwendet wird, ist eine Variation einer Reihe chemischer Reaktionen, die als Calvin-Zyklus bezeichnet werden. Diese Reaktionen wirken sich auf die Anzahl und Art der Kohlenstoffmoleküle aus, die Orte, an denen diese Moleküle gespeichert sind, und vor allem auf die Fähigkeit einer Pflanze, kohlenstoffarmen Atmosphären, höheren Temperaturen sowie reduziertem Wasser- und Stickstoffgehalt standzuhalten.

Diese von den Botanikern als C3, C4 und CAM bezeichneten Photosyntheseprozesse sind für Studien zum globalen Klimawandel direkt relevant, da C3- und C4-Pflanzen unterschiedlich auf Änderungen der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentration sowie 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, Möglichkeiten zu erforschen, wie Pflanzen an die sich verändernde Umgebung angepasst werden können. Das Ändern der Photosyntheseprozesse kann eine Möglichkeit sein, dies zu tun. 

C3 Pflanzen

Die überwiegende Mehrheit der Landpflanzen, auf die wir uns für die menschliche Ernährung und Energie stützen, verwendet den C3-Weg, den ältesten der Wege zur Kohlenstoffbindung, und kommt in Pflanzen aller Taxonomien vor. Nahezu alle noch vorhandenen nichtmenschlichen Primaten in allen Körpergrößen, einschließlich Prosimianer, Neu- und Altweltaffen und alle Affen - auch diejenigen, die in Regionen mit C4- und CAM-Pflanzen leben - sind auf C3-Pflanzen angewiesen.

• Spezies: Getreide 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
• Biomassepreise: -22% bis -35%, mit einem Durchschnitt von -26,5%

Der C3-Weg ist zwar am häufigsten, aber auch ineffizient. Rubisco reagiert nicht nur mit CO2, sondern auch mit O2, was zur Photoatmung führt, einem Prozess, bei dem assimilierter Kohlenstoff verschwendet wird. Unter den gegenwärtigen atmosphärischen Bedingungen wird die mögliche Photosynthese in C3-Pflanzen durch Sauerstoff zu 40% unterdrückt. Das Ausmaß dieser Unterdrückung nimmt unter Stressbedingungen wie Dürre, 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.

C4 Pflanzen

Nur etwa 3% aller Landpflanzenarten nutzen den C4-Weg, sie dominieren jedoch fast alle Wiesen in den Tropen, Subtropen und warmen gemäßigten Zonen. Zu den C4-Pflanzen gehören auch hochproduktive Pflanzen wie Mais, Sorghum und Zuckerrohr. Diese Pflanzen sind zwar führend auf dem Gebiet der Bioenergie, sie sind jedoch nicht vollständig für den menschlichen Verzehr geeignet. Mais ist die Ausnahme, jedoch nur dann wirklich verdaulich, wenn er zu Pulver gemahlen wird. Mais und andere Kulturpflanzen werden auch als Tierfutter verwendet und wandeln die Energie in Fleisch um - eine weitere ineffiziente Verwendung von Pflanzen.

• Spezies: Häufig in Futtergräsern niedriger 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 Bündelhüllzellen (BSC). C4s haben einen Ring von BSCs, die jede Vene umgeben, und einen äußeren Ring von MCs, die die Bündelhülle umgeben, die als Kranz-Anatomie bekannt ist.
• Biomassepreise: -9 bis -16%, mit einem Durchschnitt von -12,5%.

Die C4-Photosynthese ist eine biochemische Modifikation des C3-Photosyntheseprozesses, bei der der C3-Zyklus nur in den inneren Zellen des Blattes stattfindet. Die Blätter sind von Mesophyllzellen umgeben, die ein viel aktiveres Enzym namens Phosphoenolpyruvat (PEP) Carboxylase enthalten. Infolgedessen gedeihen C4-Pflanzen in langen Vegetationsperioden mit viel Zugang zum Sonnenlicht. Einige sind sogar salztolerant, sodass die Forscher überlegen können, ob Gebiete, in denen Versalzung aufgrund früherer Bewässerungsbemühungen aufgetreten ist, durch das Anpflanzen salztoleranter C4-Arten wiederhergestellt werden können.

CAM Pflanzen

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

Bei Pflanzen mit vollständiger CAM-Photosynthese werden die Stomata in den Blättern tagsüber 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 schaltet 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: In vier Phasen, die an das verfügbare Sonnenlicht gebunden sind, sammeln CAM-Pflanzen tagsüber CO2 und binden dann nachts CO2 als 4-Kohlenstoff-Zwischenprodukt.
• Wo Kohlenstoff fixiert ist: Vakuolen
• Biomassepreise: Die Kurse können entweder in C3- oder C4-Bereiche fallen.

CAM-Pflanzen weisen die höchsten Wassereffizienzen in Pflanzen auf, die es ihnen ermöglichen, in wasserarmen Umgebungen, wie halbtrockenen Wüsten, gute Ergebnisse zu erzielen. Mit Ausnahme von Ananas und einigen wenigen Agavenarten, wie der Tequila-Agave, werden CAM-Pflanzen im Hinblick auf den menschlichen Verbrauch für Nahrungsmittel und Energieressourcen relativ wenig genutzt.

Evolution und mögliche Technik

Die weltweite Ernährungsunsicherheit ist bereits ein äußerst akutes Problem, was das weitere Vertrauen in ineffiziente Nahrungsmittel- und Energiequellen zu einem gefährlichen Kurs werden lässt, insbesondere wenn wir nicht wissen, wie sich die Auswirkungen auf den Pflanzenzyklus auswirken werden, wenn unsere Atmosphäre kohlenstoffreicher wird. Die Reduzierung des atmosphärischen CO2 und die Austrocknung des Erdklimas haben vermutlich die C4- und CAM-Entwicklung gefördert, was die alarmierende Möglichkeit eröffnet, dass erhöhtes CO2 die Bedingungen umkehren könnte, die diese Alternativen zur C3-Photosynthese begünstigten.

Nachweise 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 vor etwa vier Millionen Jahren Ostafrika von bewaldeten Regionen in die Savanne verwandelte, überlebten diese Arten-Australopithecus afarensis und Kenyanthropus platyops-waren gemischte C3 / C4-Verbraucher. Vor 2,5 Millionen Jahren hatten sich zwei neue Arten entwickelt: Paranthropus, deren Schwerpunkt auf C4 / CAM-Nahrungsquellen verlagert wurde, und zwar früh Homo sapiens das konsumierte sowohl C3 als auch C4 Pflanzensorten.

C3 bis C4 Anpassung

Der Evolutionsprozess, bei dem C3-Pflanzen in C4-Arten umgewandelt wurden, hat in den letzten 35 Millionen Jahren mindestens 66-mal stattgefunden. Dieser Evolutionsschritt führte zu einer verbesserten Photosyntheseleistung und einer verbesserten Effizienz bei der Verwendung von Wasser und Stickstoff.

Infolgedessen haben C4-Pflanzen die doppelte Photosynthesekapazität wie C3-Pflanzen und können mit höheren Temperaturen, weniger Wasser und verfügbarem Stickstoff umgehen. Aus diesen Gründen versuchen Biochemiker derzeit, Wege zu finden, um C4- und CAM-Merkmale (Prozesseffizienz, Toleranz gegenüber hohen Temperaturen, höhere Erträge sowie Resistenz gegen Trockenheit und Salzgehalt) in C3-Pflanzen zu übertragen, um Umweltveränderungen auszugleichen, denen sich die Welt gegenübersieht Erwärmen.

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

Die Zukunft der Photosynthese

Das Potenzial zur Verbesserung der Lebensmittel- und Energiesicherheit hat zu einem deutlichen Anstieg der Forschung zur Photosynthese geführt. Die Photosynthese liefert unsere Nahrung und Ballaststoffe sowie die meisten unserer Energiequellen. Sogar die Kohlenwasserstoffbank, die sich in der Erdkruste befindet, wurde ursprünglich durch Photosynthese hergestellt.

Da fossile Brennstoffe erschöpft sind - oder der Mensch den Einsatz fossiler Brennstoffe einschränken sollte, um der globalen Erwärmung zuvorzukommen -, wird sich die Welt der Herausforderung stellen, diese Energieversorgung durch erneuerbare Ressourcen zu ersetzen. Die Evolution des Menschen erwartenMit der Geschwindigkeit des Klimawandels in den nächsten 50 Jahren Schritt zu halten, ist nicht praktikabel. Die Wissenschaftler hoffen, dass mit dem Einsatz von Enhanced Genomics Pflanzen eine andere Geschichte werden.

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