Sozialwissenschaften

C3-, C4- und CAM-Pflanzen: Anpassungen an den Klimawandel

Der globale Klimawandel führt zu einem Anstieg der täglichen, saisonalen und jährlichen Durchschnittstemperaturen sowie zu einem Anstieg der Intensität, Häufigkeit und Dauer ungewöhnlich niedriger und hoher Temperaturen. Temperatur- und andere Umweltschwankungen wirken sich direkt auf das Pflanzenwachstum aus und sind wichtige bestimmende Faktoren für die Pflanzenverteilung. Da Menschen direkt und indirekt auf Pflanzen angewiesen sind, die eine wichtige Nahrungsquelle darstellen, ist es entscheidend zu wissen, wie gut sie der neuen Umweltordnung standhalten und / oder sich daran gewöhnen können.

Umweltauswirkungen auf die Photosynthese

Alle Pflanzen nehmen atmosphärisches Kohlendioxid auf und wandeln es durch Photosynthese in Zucker und Stärke um, aber sie tun dies 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 von einer Pflanze erzeugten Kohlenstoffmoleküle, die Orte, an denen diese Moleküle gespeichert sind, und vor allem für die Untersuchung des Klimawandels auf die Fähigkeit einer Pflanze aus, kohlenstoffarmen Atmosphären, höheren Temperaturen sowie reduziertem Wasser und Stickstoff standzuhalten .

Diese Photosyntheseprozesse, die von Botanikern als C3, C4 und CAM bezeichnet werden, sind für globale Studien zum Klimawandel direkt relevant, da C3- und C4-Pflanzen unterschiedlich auf Änderungen der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentration sowie auf 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, nach Wegen zu suchen, wie Pflanzen an die sich verändernde Umgebung angepasst werden können. Das Modifizieren 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 verlassen, nutzt den C3-Weg, den ältesten der Wege zur Kohlenstoffbindung, und er kommt in Pflanzen aller Taxonomien vor. Fast alle noch vorhandenen nichtmenschlichen Primaten in allen Körpergrößen, einschließlich Prosimianer, Affen der neuen und alten Welt und aller Affen – auch diejenigen, die in Regionen mit C4- und CAM-Pflanzen leben – sind auf C3-Pflanzen angewiesen, um sich zu ernähren.

  • Arten : Getreidegetreide 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
  • Biomasse-Raten : -22% bis -35% mit einem Mittelwert von -26,5%

Der C3-Weg ist zwar der häufigste, aber auch ineffizient. Rubisco reagiert nicht nur mit CO2, sondern auch mit O2 und führt zu Photorespiration, einem Prozess, bei dem assimilierter Kohlenstoff verschwendet wird. Unter den gegenwärtigen atmosphärischen Bedingungen wird die potenzielle Photosynthese in C3-Pflanzen durch Sauerstoff um bis zu 40% unterdrückt. Das Ausmaß dieser Unterdrückung nimmt unter Stressbedingungen wie Trockenheit, 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, aber sie dominieren fast alle Graslandschaften in den Tropen, Subtropen und warmen gemäßigten Zonen. Zu den C4-Pflanzen gehören auch hochproduktive Pflanzen wie Mais, Sorghum und Zuckerrohr. Während diese Pflanzen das Feld für Bioenergie anführen, sind sie nicht vollständig für den menschlichen Verzehr geeignet. Mais ist die Ausnahme, aber es ist nicht wirklich verdaulich, wenn es nicht zu Pulver gemahlen wird. Mais und andere Kulturpflanzen werden ebenfalls als Tierfutter verwendet, um die Energie in Fleisch umzuwandeln – eine weitere ineffiziente Verwendung von Pflanzen.

  • Art: Häufig in Futtergräsern niedrigerer 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 Bündelhüllenzellen (BSC). C4s haben einen Ring von BSCs, die jede Vene umgeben, und einen äußeren Ring von MCs, der die Bündelhülle umgibt, die als Kranz-Anatomie bekannt ist.
  • Biomasse-Raten: -9 bis -16% mit einem Mittelwert von -12,5%.

Die C4-Photosynthese ist eine biochemische Modifikation des C3-Photosyntheseprozesses, bei der der Zyklus im C3-Stil nur in den inneren Zellen des Blattes stattfindet. Um die Blätter herum befinden sich Mesophyllzellen, die ein viel aktiveres Enzym namens Phosphoenolpyruvat (PEP) -Carboxylase enthalten. Infolgedessen gedeihen C4-Pflanzen in langen Vegetationsperioden mit viel Zugang zu Sonnenlicht. Einige sind sogar salztolerant, sodass Forscher überlegen können, ob Gebiete, in denen aufgrund früherer Bewässerungsbemühungen eine Versalzung aufgetreten ist, durch 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 Orpine-Familie erstmals dokumentiert wurde. Diese Art der Photosynthese ist eine Anpassung an die geringe Wasserverfügbarkeit und kommt bei Orchideen und Sukkulenten aus ariden Regionen vor.

In Pflanzen mit vollständiger CAM-Photosynthese werden die Stomata in den Blättern bei Tageslicht geschlossen, um die Evapotranspiration zu verringern, und nachts geöffnet, um Kohlendioxid aufzunehmen. Einige C4-Anlagen funktionieren auch zumindest teilweise im C3- oder C4-Modus. Tatsächlich gibt es sogar eine Pflanze namens Agave Angustifolia , die je nach lokalem System zwischen den Modi hin und her wechselt.

  • 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-Anlagen tagsüber CO2 und binden nachts CO2 als 4-Kohlenstoff-Zwischenprodukt.
  • Wo Kohlenstoff fixiert ist: Vakuolen
  • Biomasse-Raten: Die Raten können entweder in C3- oder C4-Bereiche fallen.

CAM-Pflanzen weisen die höchsten Wassernutzungseffizienzen in Pflanzen auf, die es ihnen ermöglichen, in wasserarmen Umgebungen wie halbtrockenen Wüsten gute Ergebnisse zu erzielen. Mit Ausnahme von Ananas und einigen Agavenarten wie der Tequila-Agave sind CAM-Pflanzen im Hinblick auf die menschliche Nutzung für Lebensmittel und Energieressourcen relativ ungenutzt.

Evolution und mögliche Technik

Die globale Ernährungsunsicherheit ist bereits ein äußerst akutes Problem, das die anhaltende Abhängigkeit von ineffizienten Nahrungsmitteln und Energiequellen zu einem gefährlichen Kurs macht, insbesondere wenn wir nicht wissen, wie sich die Pflanzenzyklen auswirken werden, wenn unsere Atmosphäre kohlenstoffreicher wird. Es wird angenommen, dass die Verringerung des atmosphärischen CO2 und die Trocknung des Erdklimas die C4- und CAM-Entwicklung gefördert haben, was die alarmierende Möglichkeit aufwirft, dass erhöhtes CO2 die Bedingungen umkehren könnte, die diese Alternativen zur C3-Photosynthese begünstigten.

Die Beweise 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 Ostafrika vor etwa vier Millionen Jahren von bewaldeten Regionen in Savannen verwandelte, waren die überlebenden Arten – Australopithecus afarensis und Kenyanthropus platyops – gemischte C3 / C4-Konsumenten. Vor 2,5 Millionen Jahren hatten sich zwei neue Arten entwickelt: Paranthropus, dessen Schwerpunkt sich auf C4 / CAM-Nahrungsquellen verlagerte, und der frühe Homo sapiens , der sowohl C3- als auch C4-Pflanzensorten konsumierte.

Anpassung von C3 an C4

Der Evolutionsprozess, der C3-Pflanzen in C4-Arten verwandelte, fand in den letzten 35 Millionen Jahren nicht nur einmal, sondern mindestens 66 Mal statt. Dieser Evolutionsschritt führte zu einer verbesserten Photosyntheseleistung und einer erhöhten Effizienz der Wasser- und Stickstoffnutzung.

Infolgedessen haben C4-Pflanzen die doppelte Photosynthesekapazität wie C3-Pflanzen und können höhere Temperaturen, weniger Wasser und verfügbaren Stickstoff bewältigen. Aus diesen Gründen versuchen Biochemiker derzeit, Wege zu finden, um C4- und CAM-Merkmale (Prozesseffizienz, Toleranz gegenüber hohen Temperaturen, höhere Erträge und Beständigkeit gegen Trockenheit und Salzgehalt) in C3-Pflanzen zu verlagern, um Umweltveränderungen auszugleichen, denen die Welt ausgesetzt ist Erwärmen.

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

Die Zukunft der Photosynthese

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

Wenn fossile Brennstoffe aufgebraucht sind – oder wenn Menschen den Einsatz fossiler Brennstoffe einschränken, um der globalen Erwärmung zuvorzukommen -, wird die Welt vor der Herausforderung stehen, diese Energieversorgung durch erneuerbare Ressourcen zu ersetzen. Es ist nicht praktikabel, zu erwarten, dass die Evolution des Menschen in den nächsten 50 Jahren mit der Geschwindigkeit des Klimawandels Schritt hält. Wissenschaftler hoffen, dass Pflanzen durch den Einsatz verbesserter Genomik eine andere Geschichte werden.

Quellen:

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