Plante C3, C4 și CAM: adaptări la schimbările climatice

Schimbările climatice globale au ca rezultat creșteri ale temperaturilor medii zilnice, sezoniere și anuale și creșterea intensității, frecvenței și duratei temperaturilor anormal de scăzute și ridicate. Temperatura și alte variații de mediu au un impact direct asupra creșterii plantelor și sunt factori determinanți majori în distribuția plantelor. Deoarece oamenii se bazează pe plante - direct și indirect - o sursă de hrană crucială, știind cât de bine sunt capabili să reziste și / sau să se aclimeze la noua ordine de mediu este crucial.

Toate plantele ingeresc dioxid de carbon atmosferic și transformați-l în zaharuri și amidonuri prin procesul de fotosinteză dar o fac în diferite moduri. Metoda de fotosinteză specifică (sau calea) folosită de fiecare clasă de plante este o variație a unui set de reacții chimice numit Ciclul Calvin. Aceste reacții influențează numărul și tipul de molecule de carbon pe care o plantă le creează, locurile în care sunt depozitate acele molecule și, cel mai mult important pentru studiul schimbărilor climatice, capacitatea unei plante de a rezista în atmosfera scăzută de carbon, temperaturi mai ridicate și apă redusă și azot.

Aceste procese de fotosinteză - desemnate de botaniști drept C3, C4 și CAM - sunt direct relevante pentru schimbările climatice globale studii deoarece plantele C3 și C4 reacționează diferit la modificările concentrației de dioxid de carbon atmosferice și la modificările temperaturii și disponibilității apei.

Oamenii sunt în prezent dependenți de speciile de plante care nu prosperă în condiții mai calde, mai uscate și mai neregulate. Pe măsură ce planeta continuă să se încălzească, cercetătorii au început să exploreze modalități prin care plantele pot fi adaptate mediului în schimbare. Modificarea proceselor de fotosinteză poate fi o modalitate de a face acest lucru.

Marea majoritate a plantelor terestre pe care ne bazăm pentru alimente umane și energie utilizează calea C3, care este cea mai veche dintre căile de fixare a carbonului și se găsește în plante cu toate taxonomiile. Aproape toate primatele non-umane existente pe toate dimensiunile corpului, inclusiv prosimienii, lumea nouă și veche maimuțe și toate maimuțele - chiar și cele care locuiesc în regiuni cu plante C4 și CAM - depind de plantele C3 pentru subzistenţă.

• specie: Cereale din cereale, cum ar fi orez, grâu, soia, secară și orz; legume, cum ar fi manișa, cartofi, spanac, rosii si iaurturi; copaci cum ar fi măr, piersic și eucalipt
• Enzimă: Bifosfat de ribuloză (RuBP sau Rubisco) carboxilază oxigenază (Rubisco)
• Proces: Convertiți CO2 într-un compus 3-carbon 3-acid fosfogliceric (sau PGA)
• Unde este fixat carbonul: Toate celulele mezofilei frunzelor
• Rata biomasei: De la -22% la -35%, cu o medie de -26,5%

În timp ce calea C3 este cea mai frecventă, ea este, de asemenea, ineficientă. Rubisco reacționează nu numai cu CO2, ci și cu O2, ceea ce duce la fotorepirație, un proces care risipește carbon asimilat. În condițiile actuale ale atmosferei, fotosinteza potențială la plantele C3 este suprimată de oxigen până la 40%. Măsura acestei suprimări crește în condiții de stres, cum ar fi secetă, lumină ridicată și temperaturi ridicate. Pe măsură ce temperaturile globale vor crește, plantele C3 se vor lupta să supraviețuiască - și, întrucât suntem dependenți de ele, așa vom face și noi.

Doar aproximativ 3% din toate speciile de plante terestre utilizează calea C4, dar domină aproape toate pășunile din tropice, subtropice și zone cu temperaturi calde. Plantele C4 includ, de asemenea, culturi extrem de productive, precum porumb, sorg și trestie de zahăr. În timp ce aceste culturi conduc domeniul bioenergiei, acestea nu sunt în întregime potrivite pentru consumul uman. Totuși, porumbul este o excepție, nu este cu adevărat digerabil decât dacă este măcinat într-o pulbere. Porumbul și alte plante de cultură sunt de asemenea folosite ca hrană pentru animale, transformând energia în carne - o altă utilizare ineficientă a plantelor.

• Specii: Frecvent în ierburile furajere de latitudini mai mici, porumb, sorg, cana de zahăr, fonio, tef și papirus
• Enzimă: Fosfenolpiruvat (PEP) carboxilază
• Proces: Transformă CO2 în 4-carbon intermediar
• Unde este fixat carbonul: Celulele mezofilei (MC) și celulele tecii din pachet (BSC). C4-urile au un inel de BSC-uri care înconjoară fiecare venă și un inel exterior de MC-uri care înconjoară teaca mănunchiului, cunoscut sub numele de anatomia Kranz.
• Tarife de biomasă: -9 până la -16%, cu o medie de -12,5%.

Fotosinteza C4 este o modificare biochimică a procesului de fotosinteză C3 în care ciclul stilului C3 apare numai în celulele interioare din frunză. În jurul frunzelor se află celule mezofile care conțin o enzimă mult mai activă numită fosfenolpiruvat (PEP) carboxilază. Drept urmare, plantele C4 prosperează pe sezoane de creștere îndelungată, cu mult acces la lumina soarelui. Unele sunt chiar tolerante la soluția salină, permițând cercetătorilor să ia în considerare dacă zonele au experimentat salinizarea rezultată din eforturile de irigație anterioare poate fi restaurată prin plantarea C4 tolerantă la sare specii.

Fotosinteza CAM a fost numită în onoarea familiei de plante în care Crassulacean, familia stonecrop sau familia orpină, a fost prima dată documentată. Acest tip de fotosinteză este o adaptare la disponibilitatea redusă a apei și apare la orhidee și specii de plante suculente din regiunile aride.

La plantele care utilizează fotosinteza CAM completă, stomatele din frunze sunt închise în timpul orei de zi pentru a diminua evapotranspirația și se deschid noaptea pentru a lua dioxid de carbon. Unele instalații C4 funcționează, de asemenea, cel puțin parțial în modul C3 sau C4. De fapt, există chiar și o plantă numită Agave Angustifolia care comută înainte și înapoi între moduri așa cum dictează sistemul local.

• Specii: Cactuse și alte suculente, Clusia, tequila agave, ananas.
• Enzimă: Fosfenolpiruvat (PEP) carboxilază
• Proces: Patru faze care sunt legate de lumina solară disponibilă, Plante CAM colectați CO2 în timpul zilei și apoi fixați CO2 noaptea ca un intermediar de carbon.
• Unde este fixat carbonul: vacuole
• Tarife de biomasă: Tarifele se pot încadra în intervale C3 sau C4.

Plantele CAM prezintă cea mai mare eficiență de utilizare a apei în plante care le permite să se descurce bine în medii cu apă limitată, cum ar fi deșerturile semi-aride. Cu excepția ananasului și câteva agavă specii, cum ar fi teacaua, plantele CAM sunt relativ neexploatate din punct de vedere al utilizării umane pentru resurse alimentare și energetice.

Insiguranța alimentară globală este deja o problemă extrem de acută, ceea ce face dependența continuă de energie și energie ineficiente sursa un curs periculos, mai ales atunci când nu știm cum ciclurile plantelor vor fi afectate, deoarece atmosfera noastră devine din ce în ce mai mare bogate în carbon. Reducerea CO2 atmosferic și uscarea climatului Pământului se crede că au promovat evoluția C4 și CAM, care ridică posibilitatea alarmantă de creștere de CO2 poate inversa condițiile care au favorizat aceste alternative la C3 fotosinteză.

Dovada strămoșilor noștri arată că hominidii își pot adapta dieta la schimbările climatice. Ardipithecus ramidus și Ar anamensis ambele erau dependente de plantele C3, dar când o schimbare climatică a modificat Africa de Est de la regiunile împădurite la savană acum aproximativ patru milioane de ani, speciile care au supraviețuit ...Australopithecus afarensis și Kenyanthropus platyops- au fost consumatori de C3 / C4 mixt. Până la 2,5 milioane de ani în urmă, două specii noi evoluaseră: Paranthropus, a cărui concentrare s-a orientat către sursele de alimentație C4 / CAM și din timp Homo sapiens care a consumat atât soiuri de plante C3, cât și C4.

Procesul evolutiv care a schimbat plantele C3 în specii C4 a avut loc nu o dată, dar de cel puțin 66 de ori în ultimele 35 de milioane de ani. Această etapă evolutivă a dus la îmbunătățirea performanței fotosintetice și la creșterea eficienței consumului de apă și azot.

Ca urmare, plantele C4 au capacitatea fotosintetică de două ori mai mare decât plantele C3 și pot face față temperaturilor mai ridicate, mai puțină apă și azotului disponibil. Din aceste motive, biochimiștii încearcă în prezent să găsească modalități de a muta trăsăturile C4 și CAM (eficiența procesului, toleranța ridicată temperaturi, randamente mai mari și rezistență la secetă și salinitate) în plantele C3 ca o modalitate de a compensa schimbările de mediu cu care se confruntă global încălzire.

Cel puțin unele modificări ale C3 sunt considerate posibile, deoarece studii comparative au arătat că aceste plante posedă deja unele gene rudimentare similare în funcție de cele ale plantelor C4. În timp ce hibrizii de C3 și C4 au fost urmăriți de mai bine de cinci decenii, din cauza nepotrivirii cromozomilor și a succesului steril al hibridului a rămas la îndemână.

Potențialul de a spori securitatea alimentară și energetică a dus la creșteri semnificative ale cercetării asupra fotosintezei. Fotosinteza asigură aprovizionarea cu alimente și fibre, precum și cea mai mare parte a surselor noastre de energie. Chiar și banca din hidrocarburi care rezidă în scoarța terestră a fost creată inițial prin fotosinteză.

Pe măsură ce combustibilii fosili s-au epuizat - sau ar trebui ca oamenii să limiteze utilizarea combustibililor fosili la încălzirea globală a pădurilor - lumea se va confrunta cu provocarea de a înlocui această sursă de energie cu resurse regenerabile. Așteptarea evoluției umanului să țină pasul cu ritmul schimbărilor climatice în următorii 50 de ani nu este practică. Oamenii de știință speră că, odată cu utilizarea genomicii îmbunătățite, plantele vor fi o altă poveste.

• Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. "Photosynthesis C3 și C4" în "Enciclopedia schimbărilor ecologice globale", Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J.G., editori. pp. 186–190. John Wiley and Sons. Londra. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H. "Fotosinteza C2 generează aproximativ 3 ori niveluri ridicate de CO2 din frunze la speciile intermediare C3-C4 în Journal of Experimental Botany 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M..; Furbank, R.T.; Fukayama, H.; Miyao, M. "Ingineria moleculară a fotosintezei c4„în Revizuirea anuală a fiziologiei plantelor și a biologiei moleculare a plantelor. pp. 297–314. 2014.
• Sage, R.F. "Eficiența fotosintetică și concentrația de carbon în plantele terestre: soluțiile C4 și CAM " în Journal of Experimental Botany 65 (13), pag. 3323–3325. 2014
• Schoeninger, M.J. "Analize de izotopi stabile și evoluția dietelor umane " în Revizuirea anuală a antropologiei 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.; și colab. "Dovezi izotopice ale dietelor precoce cu hominină " în Procesul Academiei Naționale de Științe 110 (26), pag. 10513–10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Izotopi de carbon, fotosinteză și arheologie" în Savant american 70, pp. 596–606. 1982