Adaptări la schimbările climatice în plantele C3, C4 și CAM

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 aclimateze la noua ordine de mediu este crucial.

Impactul asupra mediului asupra fotosintezei

Toate plantele ingeră dioxid de carbon atmosferic și îl transformă în zaharuri și amidon prin procesul de fotosinteză, dar îl 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 se depozitează acele molecule și, cel mai important pentru studiul schimbărilor climatice, capacitatea unei plante de a rezista în atmosfera scăzută de carbon, temperaturi mai ridicate și apă și azot reduse.

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

Oamenii depind în prezent de speciile de plante care nu prospera 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. 

C3 plante

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 prosimii, maimuțele lumii noi și vechi, și toate maimuțele - chiar și cele care trăiesc în regiuni cu plante C4 și CAM - depind de plantele C3 pentru sustinere..

• specie: Cereale din cereale, cum ar fi orez, grâu, soia, secară și orz; legume precum manuca, cartofi, spanac, roșii și iaurturi; copaci precum 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%. Amploarea 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.

C4 plante

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 ierburi furajere de latitudini mai mici, porumb, sorg, canană 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 săruri, permițând cercetătorilor să analizeze dacă zonele care au experimentat salinizarea rezultate în urma eforturilor de irigație anterioare pot fi restaurate prin plantarea speciilor C4 tolerante la sare..

Plante CAM

Fotosinteza CAM a fost numită în onoarea familiei de plante în care Crassulacean, a fost documentată prima dată familia stonecrop sau familia orpină. 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: Cactusi si alte suculente, Clusia, tequila agave, ananas.
• Enzimă: Fosfenolpiruvat (PEP) carboxilază
• Proces: Patru faze care sunt legate de lumina solară disponibilă, plantele CAM colectează CO2 în timpul zilei și apoi fixează 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 a câtorva specii de agave, precum agavea tequila, plantele CAM sunt relativ neexploatate din punct de vedere al utilizării umane pentru resurse alimentare și energetice..

Evoluție și inginerie posibilă

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

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.

Adaptare de la C3 la 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 în utilizarea apei și a azotului.

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 la temperaturi ridicate, randamente mai mari și rezistența 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.

Viitorul fotosintezei

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 de hidrocarburi care se află în scoarța terestră a fost creată inițial prin fotosinteză.

Deoarece 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 acest furnizor de energie cu resurse regenerabile. Așteptând evoluția oamenilora fi la curent cu ritmul schimbărilor climatice în următorii 50 de ani nu este practic. Oamenii de știință speră că, odată cu utilizarea genomicii îmbunătățite, plantele vor fi o altă poveste.

surse:

• Ehleringer, J.R .; Cerling, T.E. "Photosynthesis C3 și C4" în "Enciclopedia schimbărilor globale de mediu", Munn, T .; Mooney, H.A .; Canadell, J.G., editori. p. 186-190. John Wiley and Sons. Londra. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H. "fotosinteza C2 generează aproximativ 3 ori nivelurile ridicate de CO2 din frunze la speciile intermediare C3-C4 din 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), p. 3323-3325. 2014
• Schoeninger, M.J. „Analize de izotopi stabile și evoluția dietelor umane” în Revizuirea anuală a antropologiei 43, p. 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), p. 10513-10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Izotopi de carbon, fotosinteză și arheologie" în Savant american 70, p. 596-606. 1982