C3, C4 és CAM növények: alkalmazkodás az éghajlatváltozáshoz

A globális éghajlatváltozás növeli a napi, szezonális és éves átlaghőmérsékleteket, és növeli a rendkívül alacsony és magas hőmérsékletek intenzitását, gyakoriságát és időtartamát. A hőmérséklet és más környezeti ingadozások közvetlen hatással vannak a növények növekedésére, és a növény eloszlásában meghatározó tényezők. Mivel az emberek a növényekre - közvetlenül és közvetetten - támaszkodnak a kulcsfontosságú élelmiszer-forrásra, kritikus fontosságú annak ismerete, mennyire képesek ellenállni és / vagy hozzászokni az új környezeti rendhez.

Minden növény lenyel légköri szén-dioxid és átalakítja cukrássá és keményítővé a fotoszintézis de különböző módon teszik. Az egyes növényosztályok által alkalmazott speciális fotoszintézis módszer (vagy útvonal) a kémiai reakciók sorozatának variációja Calvin ciklus. Ezek a reakciók befolyásolják a növény által létrehozott szénmolekulák számát és típusát, a molekulák tárolásának helyeit, és leginkább ami az éghajlatváltozás tanulmányozása szempontjából fontos, egy növénynek képes ellenállni az alacsony széntartalmú atmoszférának, a magasabb hőmérsékleteknek és a csökkentett víznek és nitrogén.

Ezek a fotoszintézis folyamatok - amelyeket a botanikusok C3, C4 és CAM-nak jelöltek - közvetlenül relevánsak globális éghajlatváltozás tanulmányok, mivel a C3 és C4 növények eltérően reagálnak a légköri szén-dioxid-koncentráció változására, valamint a hőmérséklet és a víz rendelkezésre állásának változására.

Az emberek jelenleg azon növényfajoktól függenek, amelyek nem melegebbek, szárazabbak és szélsőségesebb feltételek mellett. Ahogy a bolygó tovább melegszik, a kutatók megkezdték annak feltárását, hogy a növényeket hogyan lehet alkalmazkodni a változó környezethez. Ennek egyik módja lehet a fotoszintézis folyamatainak módosítása.

A szárazföldi növények túlnyomó többségében, amelyre emberi táplálékra és energiára támaszkodunk, a C3 útvonalat használja, amely a legrégebbi a szén-dioxid-rögzítési útvonalak közül, és az összes taxonómia növényében megtalálható. Szinte az összes nem emlős főemlős, minden testméretben, beleértve a prosimistákat, az új és a régi világot is majmok, és az összes majom - még azok is, akik a C4 és CAM növényekkel rendelkező régiókban élnek - a C3 növényektől függnek fenntartás.

• Faj: Gabonafélék, például rizs, búza, szójabab, rozs és árpa; zöldségek, például kasszava, krumpli, spenót, paradicsom és jamgyökér; fák, mint például alma, őszibarack és eukaliptusz
• Enzim: Ribulóz-biszfoszfát (RuBP vagy Rubisco) karboxiláz-oxigenáz (Rubisco)
• Folyamat: A CO2 átalakítása 3-szén vegyületté 3-foszfo-glicerinsavvá (vagy PGA-ként)
• Ahol a szén rögzítve van: Minden levél mezofill sejt
• Biomassza tarifák: -22% -35%, átlag -26,5%

Noha a C3-út a leggyakoribb, szintén nem hatékony. A Rubisco nemcsak a CO2-vel, hanem az O2-vel is reagál, fotoreszpirációhoz vezet, amely folyamat az asszimilált szén pazarlása. A jelenlegi légköri körülmények között a C3 növényekben a potenciális fotoszintézist 40% -ig elnyomja az oxigén. Az elnyomás mértéke növekszik olyan stresszhelyzetekben, mint az aszály, a magas fény és a magas hőmérséklet. Ahogy a globális hőmérséklet emelkedik, a C3-növények küzdenek a túlélésért - és mivel ezekre támaszkodunk, úgy fogunk.

Az összes szárazföldi növényfajnak csak körülbelül 3% -a használja a C4 útvonalat, ám szinte az összes trópusi, szubtrópusi és meleg mérsékelt éghajlati gyepen uralja őket. A C4 növények magukban foglalják a nagyon termékeny növényeket is, mint például a kukorica, a cirok és a cukornád. Noha ezek a növények vezetik a bioenergia területét, nem teljesen alkalmasak emberi fogyasztásra. Kivétel a kukorica, azonban nem igazán emészthető, ha nem őrlik porrésszel. A kukoricát és más növényeket állati takarmányként is felhasználják, így az energiát húsra alakítják - ez a növények további nem hatékony felhasználása.

• Faj: Általános az alacsonyabb szélességű takarmányfűben, kukorica, cirok, cukornád, fonio, tef és papirusz
• Enzim: Foszfoenolpiruvát (PEP) karboxiláz
• Folyamat: Konvertálja a CO2-t 4-szénatomos közbenső termékré
• Ahol a szén rögzítve van: A mezofill sejtek (MC) és a kötegköpeny sejtek (BSC). A C4-eknek az egyes vénákat körülvevő BSC-gyűrű és a kötegköpenyt körülvevő MC-k külső gyűrűje, a Kranz-anatómia néven ismert.
• Biomassza ára: -9 -16%, átlag -12,5%.

A C4 fotoszintézis a C3 fotoszintézisének biokémiai módosítása, amelyben a C3 stílus ciklusa csak a levél belsejében zajlik. A leveleket mezofill sejtek veszik körül, amelyek sokkal aktívabb enzimet, azaz foszfoenolpiruvát (PEP) karboxilázt tartalmaznak. Ennek eredményeként a C4 növények hosszú növekedési időszakban virágzik, sok hozzáféréssel a napfényhez. Néhányan sós toleránsok is, amelyek lehetővé teszik a kutatók számára, hogy mérlegeljék azokat a területeket, amelyekben tapasztaltak a korábbi öntözési erőfeszítések eredményeként kialakult sóképződést sótoleráns C4 ültetésével lehet helyreállítani faj.

A CAM fotoszintézist annak a növénycsaládnak a tiszteletére nevezték el, amelyben Crassulacean, a kőkoprop családot vagy az orpi családot először dokumentálták. Ez a fajta fotoszintézis az alacsony vízellátáshoz való alkalmazkodás, és orchideákban és száraz régiók nedvdús növényfajaiban történik.

A teljes CAM fotoszintézist alkalmazó növényekben a levelekben lévő sztómákat nappali órákban zárják le az evapotranszferáció csökkentése érdekében, és éjszaka nyitva tartják a szén-dioxid bevétele céljából. Néhány C4 növény legalább részben C3 vagy C4 üzemmódban is működik. Valójában van még egy növény, úgynevezett Agave Angustifolia amely a helyi rendszer által diktált módok között oda-vissza vált.

• Faj: Kaktuszok és egyéb pozsgás növények, Clusia, tequila agave, ananász.
• Enzim: Foszfoenolpiruvát (PEP) karboxiláz
• Folyamat: Négy szakasz, amely a rendelkezésre álló napfényhez kapcsolódik, CAM növények gyűjtsük össze a CO2-t napközben, majd rögzítsük a CO2-t éjszaka 4 széntartalmú közbenső termékként.
• Ahol a szén rögzítve van: vacuolumok
• Biomassza ára: Az árak C3 vagy C4 tartományba eshetnek.

A CAM növények a vízfelhasználás szempontjából a legnagyobb hatékonysággal bírnak, ami lehetővé teszi számukra a vízszennyezett környezetben, például félszáraz sivatagokban a jól működést. Az ananász és néhány kivételével agávé a fajok, például a tequila agave, a CAM növényeket viszonylag kihasználatlanul használják fel emberi táplálék- és energiaforrások felhasználására.

A globális élelmezésbiztonság már rendkívül akut probléma, és továbbra is támaszkodik a nem hatékony élelmiszerekre és energiára veszélyes út forrása, főleg akkor, ha nem tudjuk, hogyan befolyásolja a növényi ciklusokat a légkörünk egyre növekvő hőmérséklete szénben gazdag. A légköri CO2 csökkentése és a Föld éghajlatának kiszáradása feltételezhetően elősegítette a C4 és CAM fejlődését, amelyek felhívja a figyelmet arra, hogy a megnövekedett CO2 visszafordíthatja azokat a feltételeket, amelyek a C3 ezen alternatíváit részesítették előnyben fotoszintézis.

Az őseinkből származó bizonyítékok azt mutatják, hogy a hominidek alkalmazkodhatnak étrendjükhöz az éghajlatváltozáshoz. Ardipithecus ramidus és Ar anamensis mindkettő támaszkodott a C3 növényekre, de amikor az éghajlatváltozás Afrika keleti részét erdős régiókról savannára változtatta körülbelül négy millió évvel ezelőtt, a túlélő fajok -Australopithecus afarensis és Kenyanthropus platyops- vegyes C3 / C4 fogyasztók voltak. 2,5 millió évvel ezelőtt két új faj fejlődött ki: Paranthropus, akiknek fókuszában a C4 / CAM élelmezési források álltak, és már korán Homo sapiens amelyek mind C3, mind C4 növényfajtákat fogyasztottak.

Az evolúciós folyamat, amely a C3 növényeket C4 fajokká változtatta, az elmúlt 35 millió évben nem egyszer, hanem legalább 66 alkalommal történt. Ez az evolúciós lépés fokozottabb fotoszintézis-teljesítményhez, valamint fokozott víz- és nitrogénfelhasználási hatékonysághoz vezetett.

Ennek eredményeként a C4 növények kétszer olyan fotoszintetikus képességgel rendelkeznek, mint a C3 növények, és képesek megbirkózni a magasabb hőmérsékletekkel, kevesebb vízzel és a rendelkezésre álló nitrogéntel. Ezen okok miatt a biokémikusok jelenleg próbálják megtalálni a C4 és CAM tulajdonságok mozgatásának módját (a folyamat hatékonysága, a magas hőmérsékletek, magasabb terméshozamok, valamint az aszály- és sóállóság) a C3 növényekbe, így ellensúlyozva a globális környezeti változásokat melegítés.

Legalább néhány C3 módosítás lehetségesnek tartható, mivel az összehasonlító vizsgálatok azt mutatták, hogy ezeknek a növényeknek már vannak olyan kezdetleges géneik, amelyek funkciójuk hasonló a C4 növényekéhez. Míg a C3 és C4 hibridjeit több mint öt évtizede folytattak, a kromoszóma-eltérések és a hibrid sterilitás miatt a siker nem volt elérhető.

Az élelmiszer- és energiabiztonság javításának lehetősége a fotoszintézis kutatásának jelentős növekedését eredményezte. A fotoszintézis biztosítja az élelmiszer- és rostellátást, valamint a legtöbb energiaforrást. Még a bank szénhidrogének melyeket a földkéregben találtak, eredetileg fotoszintézis hozta létre.

Amint a fosszilis tüzelőanyagok kimerülnek - vagy ha az emberek korlátoznák a fosszilis tüzelőanyagok felhasználását a globális felmelegedés megakadályozására -, a világnak kihívással kell szembenéznie, hogy ezt az energiaellátást megújuló erőforrásokkal cserélje ki. Nem praktikus elvárni, hogy az emberek fejlődése lépést tartson az éghajlatváltozás ütemével. A tudósok abban reménykednek, hogy a továbbfejlesztett genomika használatával a növények egy másik történet.

• Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. "C3 és C4 fotoszintézis" az "Encyclopedia of Global Environmental Change", Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J. G., szerkesztők. 186–190. John Wiley és fiai. London. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H. "A C2 fotoszintézise körülbelül háromszor magasabb levél-CO2-szintet generál a C3 – C4 közbenső fajokban ban ben Kísérleti Botanika Folyóirata 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R. T.; Fukayama, H.; Miyao, M. "A c4 fotoszintézis molekuláris tervezése" ban ben A növényi élettan és a növényi molekuláris biológia éves áttekintése. 297–314. 2014.
• Sage, R.F. "Fotoszintézis hatékonyság és szénkoncentráció a szárazföldi növényekben: C4 és CAM oldatok " ban ben Kísérleti Botanika Folyóirata 65 (13), pp. 3323–3325. 2014
• Schoeninger, M.J. "Stabil izotóp-elemzések és az emberi étrend alakulása " ban ben Az antropológia éves áttekintése 43. o. 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. "A korai hominin étrend izotópos bizonyítéka " ban ben A Nemzeti Tudományos Akadémia kiadványai 110 (26), 1. o. 10513–10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Szén - izotópok, fotoszintézis és régészet" Amerikai tudós 70, 596–606. 1982