Biljke C3, C4 i CAM: Prilagodbe klimatskim promjenama

Globalne klimatske promjene rezultiraju povećanjem dnevnih, sezonskih i godišnjih srednjih temperatura te porastom intenziteta, učestalosti i trajanja nenormalno niskih i visokih temperatura. Temperatura i druge promjene u okolišu izravno utječu na rast biljaka i glavni su odlučujući faktori u distribuciji biljaka. Budući da se ljudi oslanjaju na biljke - izravno i neizravno - ključni izvor hrane, presudno je znati koliko dobro mogu izdržati i / ili prilagoditi se novom okolišnom poretku.

Sve biljke gutaju atmosferski ugljični dioksid i pretvoriti ga u šećere i škrobe tijekom procesa fotosinteza ali to rade na različite načine. Specifična metoda fotosinteze (ili putanja) koju koristi svaka biljna klasa je varijacija skupa kemijskih reakcija nazvanih Calvin ciklus. Te reakcije utječu na broj i vrstu ugljikovih molekula koje biljka stvara, mjesta na kojima su te molekule pohranjene i, najviše važno za proučavanje klimatskih promjena, sposobnost biljke da podnosi atmosferu niskog ugljika, veće temperature i smanjenu vodu i dušik.

Ovi procesi fotosinteze - koje su botaničari označili kao C3, C4 i CAM - su izravno relevantni za globalne klimatske promjene studije jer biljke C3 i C4 različito reagiraju na promjene u atmosferskoj koncentraciji ugljičnog dioksida i promjene temperature i dostupnosti vode.

Ljudi su trenutno ovisni o biljnim vrstama koje ne uspijevaju u toplijim, sušnim i jačim uvjetima. Kako se planet i dalje zagrijava, istraživači su započeli istraživanje načina na koje se biljke mogu prilagoditi promjenjivom okruženju. Modifikacija procesa fotosinteze može biti jedan od načina da se to postigne.

Velika većina kopnenih biljaka na koje se oslanjamo u ljudskoj hrani i energiji koristi stazu C3, koja je najstarija od staza za fiksaciju ugljika, a nalazi se u biljkama svih taksonomija. Gotovo svi postojeći neljudski primati po svim tjelesnim veličinama, uključujući prosimije, novi i stari svijet majmuni i svi majmuni - čak i oni koji žive u regijama sa C4 i CAM biljkama - ovise o biljkama C3 za hranjivost.

• Vrsta: Žitarice žitarica poput riže, pšenica, soja, raži i jedva; povrće poput kasave, krumpir, špinat, rajčica i yams; drveća kao što su jabuka, breskve i eukaliptusa
• Enzim: Ribuloza bisfosfat (RuBP ili Rubisco) karboksilaza oksigenaza (Rubisco)
• Postupak: Pretvori CO2 u 3-fosfoglicerinsku kiselinu (ili PGA) s 3 ugljika
• Gdje je ugljik fiksiran: Sve stanice lisnih mezofila
• Stope biomase: -22% do -35%, sa srednjom vrijednosti od -26.5%

Iako je put C3 najčešći, on je i neučinkovit. Rubisco reagira ne samo sa CO2 nego i s O2, što dovodi do fotorespiracije, procesa koji troši asimilirani ugljik. U trenutnim atmosferskim uvjetima potencijalna fotosinteza u biljkama C3 potiskuje se kisikom čak 40%. Opseg tog suzbijanja povećava se u stresnim uvjetima kao što su suša, visoka svjetlost i visoke temperature. Kako globalne temperature rastu, biljke C3 borit će se za opstanak - a budući da smo mi oslonjeni na njih, tako ćemo i mi.

Samo oko 3% svih kopnenih biljnih vrsta koristi stazu C4, ali oni dominiraju u gotovo svim travnjacima u tropskim, suptropskim i toplim umjerenim zonama. C4 biljke uključuju i vrlo produktivne kulture poput kukuruza, sireva i šećerne trske. Iako ove kulture vode polje za bioenergiju, nisu u potpunosti pogodne za prehranu ljudi. Kukuruz je izuzetak, međutim, nije stvarno probavljiv ako nije mljeven u prah. Kukuruz i druge usjeve biljaka također se koriste kao hrana za životinje, pretvarajući energiju u meso - još jedna neučinkovita uporaba biljaka.

• Vrsta: Uobičajeno za krmne trave nižih širina, kukuruz, sirka, šećerne trske, fonio, tef i papirus
• Enzim: Fosfoenolpiruvat (PEP) karboksilaza
• Postupak: Pretvorite CO2 u intermedijar s 4 ugljika
• Gdje je ugljik fiksiran: Stanice mezofila (MC) i stanice omotača snopa (BSC). C4 imaju prsten BSC-a koji okružuje svaku venu i vanjski prsten MC-a koji okružuje omotač snopa, poznat kao Kranzova anatomija.
• Cijene biomase: -9 do -16%, sa srednjom vrijednosti -12.5%.

Fotosinteza C4 biokemijska je izmjena procesa fotosinteze C3 u kojem se ciklus stila C3 događa samo u unutarnjim stanicama unutar lista. Oko listova su stanice mezofila koje sadrže mnogo aktivniji enzim zvan fosfoenolpiruvat (PEP) karboksilaza. Kao rezultat toga, biljke C4 uspijevaju u dugim sezonama rasta s puno pristupa sunčevoj svjetlosti. Neki su čak otporni na fiziološku otopinu, što omogućuje istraživačima da razmotre jesu li područja koja su doživjela soljenje uslijed prethodnih navodnjavanja može se obnoviti sadnjom soli otporne na sol vrsta.

CAM fotosinteza je dobila ime u čast biljne obitelji u kojoj Crassulacean, obitelj stonecrop ili obitelj orpin, prvo je dokumentirana. Ova vrsta fotosinteze prilagodba je maloj dostupnosti vode i javlja se u orhidejama i sočnim biljnim vrstama iz sušnih područja.

U biljkama koje koriste potpunu fotosintezu CAM-a, stomati se u listovima zatvaraju tijekom dnevnog vremena kako bi se smanjila evapotranspiracija i otvaraju noću kako bi se uzeo ugljični dioksid. Neke C4 biljke također djeluju barem djelomično u načinu C3 ili C4. Zapravo čak postoji biljka koja se zove Agave Angustifolia koja se prebacuje naprijed i natrag između načina rada kako diktira lokalni sustav.

• Vrsta: Kaktusi i drugi supkulenti, Clusia, tekila agava, ananas.
• Enzim: Fosfoenolpiruvat (PEP) karboksilaza
• Postupak: Četiri faze koje su vezane za dostupnu sunčevu svjetlost, CAM biljke prikupljati CO2 tijekom dana, a zatim fiksirati CO2 noću kao međuprodukt 4 ugljika.
• Gdje je ugljik fiksiran: vakuole
• Cijene biomase: Cijene mogu pasti u C3 ili C4.

CAM biljke pokazuju najveću učinkovitost u upotrebi vode u postrojenjima koja im omogućavaju da se dobro snađu u okruženjima ograničenim vodama, poput polusušnih pustinja. Uz iznimke ananasa i nekoliko agava vrste, poput tekile agave, CAM biljke su relativno neiskorištene u pogledu ljudske uporabe za hranu i energetske resurse.

Globalna nesigurnost u hrani već je izuzetno akutni problem zbog kojeg se i dalje oslanjaju na neučinkovitu hranu i energiju stvara opasan tijek, posebno kada ne znamo kako će biljni ciklusi utjecati na atmosferu ugljik-bogat. Smatra se da smanjenje atmosferskog CO2 i isušivanje Zemljine klime potiču evoluciju C4 i CAM, što podiže alarmantnu mogućnost da povišen CO2 može preokrenuti uvjete koji su pogodovali tim alternativama C3 fotosinteza.

Dokazi naših predaka pokazuju da hominidi mogu prilagoditi svoju prehranu klimatskim promjenama. Ardipithecus ramidus i Ar anamensis obje su ovisne o biljkama C3, ali kad su klimatske promjene promijenile istočnu Afriku iz šumovitih regija u savane prije oko četiri milijuna godina, vrste su preživjele -Australopithecus afarensis i Kentythropus platyops—Potrošani C3 / C4. Prije 2,5 milijuna godina razvile su se dvije nove vrste: Paranthropus, čiji se fokus preusmjerio na izvore hrane C4 / CAM, i rane Homo sapiens koji su konzumirali i C3 i C4 biljne sorte.

Evolucijski proces koji je C3 biljke promijenio u C4 vrste dogodio se ne jednom, ali barem 66 puta u posljednjih 35 milijuna godina. Ovaj evolucijski korak doveo je do poboljšanih fotosintetskih performansi i povećane učinkovitosti upotrebe vode i dušika.

Kao rezultat toga, biljke C4 imaju dvostruko veći fotosintetski kapacitet od biljaka C3 i mogu se nositi s višim temperaturama, manje vode i dostupnim dušikom. Iz tih razloga, biohemičari trenutno pokušavaju pronaći načine za pomicanje C4 i CAM svojstava (učinkovitost procesa, tolerancija visokih temperature, veći prinosi i otpornost na sušu i slanost) u biljkama C3 kao način kompenzacije promjena u okolišu s kojima se suočavaju globalne zagrijavanje.

Bar se vjeruje da su neke izmjene C3 moguće jer usporedne studije pokazuju da ove biljke već posjeduju neke rudimentarne gene slične po funkciji kao i biljke C4. Iako se hibridi C3 i C4 progonili više od pet desetljeća, zbog neusklađenosti kromosoma i hibridne sterilnosti uspjeh je ostao nedostupan.

Mogućnost poboljšanja sigurnosti hrane i energije dovela je do značajnog porasta istraživanja fotosinteze. Fotosinteza osigurava opskrbu hranom i vlaknima, kao i većinu naših izvora energije. Čak i banka od ugljikovodici koje se nalaze u Zemljinoj kori izvorno su stvorene fotosintezom.

Kako će se fosilna goriva potrošiti - ili bi ljudi trebali ograničiti upotrebu fosilnog goriva da bi spriječili globalno zagrijavanje - svijet će se suočiti s izazovom zamjene ove opskrbe energijom obnovljivim izvorima. Očekivanje evolucije čovjeka za praćenje stope klimatskih promjena u sljedećih 50 godina nije praktično. Znanstvenici se nadaju da će s korištenjem poboljšane genomike biljke biti druga priča.

• Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. "C3 i C4 fotosinteza" u "Enciklopedija globalnih promjena okoliša", Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J. G., urednici. pp 186–190. John Wiley i sinovi. London. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H. "Fotosinteza C2 stvara oko 3-puta povišenu razinu CO2 u listovima u intermedijarnoj vrsti C3-C4 u Časopis za eksperimentalnu botaniku 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; Fukayama, H.; Miyao, M. "Molekularni inženjering fotosinteze c4"u Godišnji pregled fiziologije bilja i molekularne biologije biljaka. pp. 297–314. 2014.
• Sage, R.F. "Fotosintetska učinkovitost i koncentracija ugljika u zemaljskim biljkama: rješenja C4 i CAM " u Časopis za eksperimentalnu botaniku 65 (13), str. 3323–3325. 2014
• Schoeninger, M. J. "Stabilne analize izotopa i evolucija ljudske prehrane " u Godišnji pregled antropologije 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.; i sur. "Izotopski dokaz rane homininske dijete " u Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti 110 (26), str. 10513–10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Izotopi ugljika, fotosinteza i arheologija" u Američki znanstvenik 70, pp 596–606. 1982