Rostliny C3, C4 a CAM: Přizpůsobení změně klimatu

Globální změna klimatu má za následek zvýšení denních, sezónních a ročních průměrných teplot a zvýšení intenzity, frekvence a trvání abnormálně nízkých a vysokých teplot. Teplota a jiné změny prostředí mají přímý dopad na růst rostlin a jsou hlavními určujícími faktory distribuce rostlin. Protože se lidé spoléhají na rostliny - přímo i nepřímo - zásadní zdroj potravy, je důležité vědět, jak dobře jsou schopni odolávat a / nebo aklimatizovat na nový environmentální řád.

Všechny rostliny přijímají atmosférický oxid uhličitý a přeměňte jej na cukry a škroby procesem fotosyntéza ale dělají to různými způsoby. Specifická metoda fotosyntézy (nebo cesta) použitá v každé třídě rostlin je variace souboru chemických reakcí nazývaných Calvinův cyklus. Tyto reakce ovlivňují počet a typ molekul uhlíku, které rostlina vytváří, místa, kde jsou tyto molekuly uloženy, a nejvíce důležité pro studium změny klimatu, schopnost rostliny vydržet nízkouhlíkovou atmosféru, vyšší teploty a sníženou vodu a dusík.

Tyto procesy fotosyntézy - označované botaniky jako C3, C4 a CAM - jsou přímo relevantní globální změna klimatu studie, protože rostliny C3 a C4 reagují odlišně na změny v koncentraci oxidu uhličitého v atmosféře a na změny teploty a dostupnosti vody.

Lidé jsou v současné době závislí na rostlinných druzích, které se v horších, sušších a nevyzpytatelnějších podmínkách nedaří. Jak se planeta dále zahřívá, vědci začali zkoumat způsoby, jak lze rostliny přizpůsobit měnícímu se prostředí. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, může být úprava procesů fotosyntézy.

Drtivá většina rostlin, na které se spoléháme, pro lidské jídlo a energii, používá cestu C3, která je nejstarší z cest pro fixaci uhlíku, a nachází se v rostlinách všech taxonomií. Téměř všechny existující primáty nelidské napříč všemi velikostmi těla, včetně prosimiánů, nového i starého světa opic a všech lidoopů - dokonce i těch, kteří žijí v regionech s rostlinami C4 a CAM - závisí na rostlinách C3 výživa.

• Druh: Obiloviny jako rýže, pšenice, sojové boby, žito a ječmen; zelenina, jako je kasava, brambory, špenát, rajčata a příze; stromy jako jablko, broskev a eukalyptus
• Enzym: Ribulóza bisfosfát (RuBP nebo Rubisco) karboxyláza oxygenáza (Rubisco)
• Proces: Převést CO2 na 3-uhlíkovou sloučeninu, 3-fosfoglycerovou kyselinu (nebo PGA)
• Kde je uhlík fixován: Všechny buňky mezofylových listů
• Ceny biomasy: -22% až -35%, s průměrem -26,5%

Ačkoli je cesta C3 nejběžnější, je také neefektivní. Rubisco reaguje nejen s CO2, ale také s O2, což vede k fotorezi, což je proces, který plýtvá asimilovaným uhlíkem. Za současných atmosférických podmínek je potenciální fotosyntéza v rostlinách C3 potlačena kyslíkem až o 40%. Rozsah tohoto potlačení se zvyšuje za stresových podmínek, jako je sucho, vysoké světlo a vysoké teploty. Jak se globální teploty zvyšují, rostliny C3 se budou snažit přežít - a protože se na ně spoléháme, budeme také.

Pouze asi 3% všech rostlinných druhů používají cestu C4, ale dominují téměř všem travním porostům v tropech, subtropech a teplých mírných pásmech. Rostliny C4 také zahrnují vysoce produktivní plodiny, jako je kukuřice, čirok a cukrová třtina. Zatímco tyto plodiny vedou pole pro bioenergii, nejsou zcela vhodné pro lidskou spotřebu. Výjimkou je kukuřice, není však skutečně stravitelná, pokud není rozdrcena na prášek. Kukuřice a další plodiny se také používají jako krmivo pro zvířata, přeměňují energii na maso - další neefektivní využití rostlin.

• Druh: Běžné u pícnin trávy nižších šířek, kukuřice, čirok, cukrová třtina, fonio, tef a papyrus
• Enzym: Fosfoenolpyruvát (PEP) karboxyláza
• Proces: Převod CO2 na 4-uhlíkový meziprodukt
• Kde je uhlík fixován: Buňky mezofylu (MC) a buňky svazkového pláště (BSC). C4 mají kruh BSC obklopující každou žílu a vnější prstenec MC obklopující plášť svazku, známý jako anatomie Kranze.
• Ceny biomasy: -9 až -16%, s průměrem -12,5%.

Fotosyntéza C4 je biochemická modifikace procesu fotosyntézy C3, ve kterém se cyklus stylu C3 vyskytuje pouze ve vnitřních buňkách listu. Okolo listů jsou buňky mezofylu, které obsahují mnohem aktivnější enzym nazývaný fosfoenolpyruvát (PEP) karboxyláza. Výsledkem je, že rostliny C4 se daří v dlouhých vegetačních obdobích se spoustou přístupu ke slunečnímu záření. Některé dokonce tolerují fyziologický roztok, což vědcům umožňuje zvážit, zda oblasti, které zažily salinizaci, která je výsledkem minulého úsilí o zavlažování, lze obnovit výsadbou C4 tolerantní vůči soli druh.

Fotosyntéza CAM byla pojmenována na počest rodiny rostlin, ve které Crassulacean, rodina rozchodníků nebo rodina orpínů, byla poprvé zdokumentována. Tento typ fotosyntézy je adaptací na nízkou dostupnost vody a vyskytuje se v orchidejích a sukulentních druzích rostlin z vyprahlých oblastí.

U rostlin, které využívají plnou fotosyntézu CAM, jsou stomaty v listech uzavřeny během denního světla, aby se snížilo evapotranspirace a otevřeny v noci, aby bylo možné přijímat oxid uhličitý. Některé rostliny C4 také fungují alespoň částečně v režimu C3 nebo C4. Ve skutečnosti existuje dokonce i rostlina zvaná Agave Angustifolia které přepíná tam a zpět mezi režimy, jak vyžaduje místní systém.

• Druh: Kaktusy a další sukulenty, Clusia, tequila agáve, ananas.
• Enzym: Fosfoenolpyruvát (PEP) karboxyláza
• Proces: Čtyři fáze, které jsou vázány na dostupné sluneční světlo, CAM rostliny sbírejte CO2 během dne a poté opravte CO2 v noci jako meziprodukt se 4 uhlíky.
• Kde je uhlík fixován: Vakuoly
• Ceny biomasy: Sazby mohou spadat do rozmezí C3 nebo C4.

Rostliny CAM vykazují nejvyšší účinnost využití vody v rostlinách, které jim umožňují dobře se v prostředích s omezeným množstvím vody, jako jsou například polosuché pouště. S výjimkou ananasu a několika agáve druhy, jako je například tequila agáve, jsou rostliny CAM relativně nevyužívané z hlediska lidského využití pro potravinové a energetické zdroje.

Globální potravinová nejistota je již mimořádně akutním problémem, což způsobuje pokračující spoléhání se na neefektivní potraviny a energii Zdroje nebezpečný kurz, zejména když nevíme, jak budou ovlivněny cykly rostlin, protože naše atmosféra bude stále více bohatý na uhlík. Předpokládá se, že snížení atmosférického CO2 a sušení zemského klimatu podporovalo vývoj C4 a CAM, což zvyšuje alarmující možnost, že zvýšený CO2 může zvrátit podmínky, které upřednostňovaly tyto alternativy k C3 fotosyntéza.

Důkazy od našich předků ukazují, že hominidové mohou přizpůsobit svou stravu změnám klimatu. Ardipithecus ramidus a Ar anamensis oba se spoléhali na rostliny C3, ale když změna klimatu změnila východní Afriku ze zalesněných oblastí na savanu asi před čtyřmi miliony let, druh, který přežil -Australopithecus afarensis a Platyops kenyanthropus- byli smíšení zákazníci C3 / C4. Před 2,5 miliony let se vyvinuly dva nové druhy: Paranthropus, jehož zaměření se přesunulo na potravinové zdroje C4 / CAM a brzy Homo sapiens který konzumoval jak odrůdy rostlin C3, tak C4.

Evoluční proces, který změnil rostliny C3 na C4, se v posledních 35 miliónech let nevyskytl ani jednou, ale nejméně 66krát. Tento vývojový krok vedl ke zvýšení fotosyntetického výkonu a ke zvýšení účinnosti využití vody a dusíku.

Výsledkem je, že rostliny C4 mají dvojnásobnou fotosyntetickou kapacitu než rostliny C3 a mohou se vypořádat s vyššími teplotami, méně vody a dostupného dusíku. Z těchto důvodů se biochemici v současné době snaží najít způsoby, jak posunout vlastnosti C4 a CAM (účinnost procesu, vysoká tolerance) teploty, vyšší výnosy a odolnost vůči suchu a slanosti) rostlinám C3 jako způsob kompenzace změn životního prostředí, kterým čelí globální oteplování.

Předpokládá se, že jsou možné alespoň některé modifikace C3, protože srovnávací studie ukázaly, že tyto rostliny již mají některé základní geny podobné ve funkci jako rostliny C4. Zatímco hybridy C3 a C4 byly sledovány více než pět desetiletí, kvůli neshodě chromozomů a hybridní sterilitě úspěch zůstal mimo dosah.

Potenciál pro zvýšení bezpečnosti potravin a energie vedl ke značnému nárůstu ve výzkumu fotosyntézy. Fotosyntéza zajišťuje zásobování potravinami a vlákny, stejně jako většinu našich zdrojů energie. Dokonce i banka uhlovodíky která sídlí v zemské kůře, byla původně vytvořena fotosyntézou.

Vzhledem k tomu, že fosilní paliva jsou vyčerpána - nebo pokud by lidé měli omezit používání fosilních paliv k zabránění globálního oteplování -, bude svět čelit výzvě nahrazení tohoto zdroje energie obnovitelnými zdroji. Očekávat, že vývoj humansto bude držet krok s mírou změny klimatu v příštích 50 letech, není praktický. Vědci doufají, že s využitím vylepšené genomiky budou rostliny dalším příběhem.

• Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. "Fotosyntéza C3 a C4" v "Encyklopedie globální změny životního prostředí", Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J.G., editoři. str. 186–190. John Wiley a synové. Londýn. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H. "Fotosyntéza C2 generuje asi 3krát zvýšené hladiny CO2 v listech u meziproduktů C3-C4 v Žurnál experimentální botaniky 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; Fukayama, H.; Miyao, M. "Molekulární inženýrství fotosyntézy c4" v Roční přehled fyziologie rostlin a molekulární biologie rostlin. str. 297–314. 2014.
• Sage, R.F. "Fotosyntetická účinnost a koncentrace uhlíku v suchozemských rostlinách: řešení C4 a CAM “ v Žurnál experimentální botaniky 65 (13), str. 3323–3325. 2014
• Schoeninger, M.J. "Analýzy stabilních izotopů a vývoj lidské stravy " v Roční přehled antropologie 43, str. 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. "Izotopový důkaz časné homininové stravy " v Sborník Národní akademie věd 110 (26), str. 10513–10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Uhlíkové izotopy, fotosyntéza a archeologie" v Americký vědec 70, str. 596–606. 1982