C3, C4 и CAM растения: адаптиране към изменението на климата

Глобалните климатични промени водят до увеличаване на средните дневни, сезонни и годишни температури и увеличаване на интензивността, честотата и продължителността на необичайно ниски и високи температури. Температурните и други промени в околната среда имат пряко влияние върху растежа на растенията и са основни определящи фактори за разпространението на растенията. Тъй като хората разчитат на растенията - пряко и косвено - основен хранителен източник, знаейки колко добре те могат да издържат и / или се приспособяват към новия ред на околната среда е от решаващо значение.

Всички растения поглъщат атмосферен въглероден диоксид и да го превърне в захари и нишесте чрез процеса на фотосинтеза но го правят по различни начини. Специфичният метод на фотосинтеза (или път), използван от всеки растителен клас, е разновидност на набор от химични реакции, наречени Цикъла на Калвин. Тези реакции влияят върху броя и вида въглеродни молекули, които растението създава, местата, където тези молекули се съхраняват, и най-вече важно за изследването на изменението на климата, способността на растението да издържа на нисковъглеродни атмосфери, по-високи температури и намалени води и азот.

Тези процеси на фотосинтеза - определени от ботаниците като C3, C4 и CAM - са пряко свързани с глобални климатични промени проучвания, защото растенията С3 и С4 реагират различно на промените в атмосферната концентрация на въглероден диоксид и промените в температурата и наличността на вода.

В момента хората са зависими от растителните видове, които не виреят в по-горещи, сушилни и по-хаотични условия. Докато планетата продължава да се затопля, изследователите започват да проучват начини, по които растенията могат да се адаптират към променящата се среда. Промяната на процесите на фотосинтеза може да бъде един от начините за това.

По-голямата част от сухоземните растения, на които разчитаме за човешка храна и енергия, използват пътя C3, който е най-старият от пътеките за фиксиране на въглерод и се среща в растения от всички таксономии. Почти всички съществуващи нечовешки примати във всички телесни размери, включително прозимианци, нов и стар свят маймуни и всички маймуни - дори и тези, които живеят в региони с C4 и CAM растения - зависят от растенията C3 за препитание.

• вид: Зърнени зърнени култури като ориз, пшеница, соя, ръж и ечемик; зеленчуци като маниока, картофи, спанак, домати и ямс; дървета като ябълка, праскова и евкалипт
• ензим: Рибулоза бисфосфат (RuBP или Rubisco) карбоксилаза оксигеназа (Rubisco)
• процес: Преобразувайте CO2 в 3-фосфоглицеринова киселина (или PGA) с 3-въглеродно съединение
• Където е фиксиран въглеродът: Всички листни мезофилни клетки
• Цени на биомаса: -22% до -35%, със средна стойност от -26.5%

Въпреки че пътят на C3 е най-често срещаният, той също е неефективен. Rubisco реагира не само с CO2, но и с O2, което води до фотоспирация, процес, който губи асимилиран въглерод. При настоящите атмосферни условия потенциалната фотосинтеза в растенията С3 се потиска от кислорода до 40%. Степента на това потискане се увеличава при стресови условия като суша, висока светлина и високи температури. С нарастването на глобалните температури растенията C3 ще се борят за оцеляване - и тъй като ние разчитаме на тях, така и ние.

Само около 3% от всички сухопътни растителни видове използват пътя на С4, но те доминират в почти всички тревни площи в тропиците, субтропиците и топлите умерени зони. C4 растенията също включват високопродуктивни култури като царевица, сорго и захарна тръстика. Въпреки че тези култури водят полето за биоенергия, те не са напълно подходящи за консумация от човека. Царевицата е изключение, но не е наистина смилаема, освен ако се смила на прах. Царевицата и другите културни растения също се използват като храна за животни, превръщайки енергията в месо - друга неефективна употреба на растенията.

• Вид: Често срещан при фуражни треви на по-ниски ширини, царевица, сорго, захарна тръстика, фонио, теф и папирус
• Ензим: Фосфоенолпируват (PEP) карбоксилаза
• Процес: Преобразувайте CO2 в междинен 4-въглерод
• Къде е фиксиран въглеродът: Мезофилните клетки (MC) и клетките на обвивката на снопа (BSC). С4 имат пръстен от BSC, заобикалящ всяка вена, и външен пръстен от MCs, обграждащ обвивката на снопа, известен като анатомия на Кранц.
• Цени на биомаса: От -9 до -16%, със средна стойност от -12.5%.

Фотосинтезата на С4 е биохимична модификация на процеса на фотосинтеза на С3, при който цикълът в стил С3 се среща само във вътрешните клетки в листата. Около листата са мезофилните клетки, които съдържат много по-активен ензим, наречен фосфоенолпируват (PEP) карбоксилаза. В резултат растенията C4 процъфтяват през дългите вегетационни сезони с много достъп до слънчева светлина. Някои дори са устойчиви на физиологичен разтвор, което позволява на изследователите да преценят дали области, които са имали опит осоляването, получено в резултат на предишни усилия за напояване, може да бъде възстановено чрез засаждане на сол-толерантен С4 видове.

CAM фотосинтезата е наречена в чест на семейството на растенията, в което Crassulacean, фамилията канечни или семейството на орпините е документирана за първи път. Този тип фотосинтеза е адаптация към ниската наличност на вода и се среща при орхидеи и сочни растителни видове от засушливи региони.

В растения, използващи пълна CAM фотосинтеза, стомасите в листата се затварят през деня, за да се намали евапотранспирацията и се отварят през нощта, за да се поеме въглероден диоксид. Някои C4 растения също функционират поне частично в режим C3 или C4. Всъщност има дори едно растение, наречено Agave Angustifolia който превключва напред и назад между режимите, както диктува местната система.

• Вид: Кактуси и други сукуленти, Clusia, текила агава, ананас.
• Ензим: Фосфоенолпируват (PEP) карбоксилаза
• Процес: Четири фази, които са обвързани с наличната слънчева светлина, CAM растения събирайте CO2 през деня и след това фиксирайте CO2 през нощта като 4 въглероден междинен продукт.
• Къде е фиксиран въглеродът: вакуоли
• Цени на биомаса: Цените могат да попаднат в C3 или C4.

CAM растенията проявяват най-висока ефективност на използване на водата в растенията, което им позволява да се справят добре в среда с ограничена вода, като например полусухи пустини. С изключенията на ананаса и няколко столетник видове, като текилата агава, CAM растенията са сравнително неизползвани по отношение на човешката употреба за храна и енергийни ресурси.

Глобалната хранителна несигурност вече е изключително остър проблем, който води до непрекъснато разчитане на неефективната храна и енергия създава опасен курс, особено когато не знаем как ще бъдат повлияни растителните цикли, тъй като атмосферата ни става повече богати на въглерод. Смята се, че намаляването на атмосферния CO2 и изсушаването на климата на Земята са допринесли за развитието на C4 и CAM, които повдига тревожната възможност повишеният CO2 да обърне условията, благоприятстващи тези алтернативи на С3 фотосинтеза.

Доказателствата на нашите предци показват, че хоминидите могат да адаптират диетата си към климатичните промени. Ardipithecus и? и Ar anamensis и двете са разчитали на растения С3, но когато изменението на климата променя Източна Африка от гористи региони до савана преди около четири милиона години, видовете оцеляват -Australopithecus afarensis и Кениентропни платиопи—Е бяха смесени потребители на C3 / C4. До преди 2,5 милиона години два нови вида са се развили: Paranthropus, чийто фокус се измести към източници на храна C4 / CAM, и по-рано Homo sapiens които консумираха както С3, така и С4 сортове растения.

Еволюционният процес, който промени C3 растенията в C4 видове, се е случил не веднъж, а поне 66 пъти през последните 35 милиона години. Тази еволюционна стъпка доведе до подобрени фотосинтетични характеристики и повишена ефективност на използването на вода и азот.

В резултат растенията С4 имат два пъти по-голям фотосинтетичен капацитет от растенията С3 и могат да се справят с по-високи температури, по-малко вода и наличен азот. Поради тези причини биохимиците в момента се опитват да намерят начини за преместване на C4 и CAM черти (ефективност на процеса, толерантност към високо температури, по-високи добиви и устойчивост на суша и соленост) в растенията C3 като начин за компенсиране на промените в околната среда, пред които са изправени глобалните затопляне.

Смята се, че поне някои модификации на С3 са възможни, тъй като сравнителните проучвания показват, че тези растения вече притежават някои рудиментарни гени, подобни по функция на тези на C4 растенията. Докато хибридите на С3 и С4 са преследвани повече от пет десетилетия, поради несъответствие на хромозоми и хибридна стерилност успехът остава извън обсега.

Потенциалът за засилване на продоволствената и енергийната сигурност доведе до забележими увеличения в изследванията за фотосинтезата. Фотосинтезата осигурява нашата храна и фибри, както и повечето от нашите източници на енергия. Дори банката на въглеводороди които се намират в земната кора първоначално са създадени чрез фотосинтеза.

Тъй като изкопаемите горива се изчерпват - или хората трябва да ограничат използването на изкопаеми горива, за да предотвратят глобалното затопляне - светът ще бъде изправен пред предизвикателството да замени енергийните доставки с възобновяеми ресурси. Очакването на развитието на човека да бъде в крак с темпа на изменението на климата през следващите 50 години не е практично. Учените се надяват, че с използването на засилена геномика, растенията ще бъдат друга история.

• Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. "C3 и C4 фотосинтеза" в "Енциклопедия на глобалните промени в околната среда", Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J. G., редактори. стр. 186–190. Джон Уайли и синове. Лондон. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; Иванова, Н.; Bassüner, B.; Bauwe, H. "С2 фотосинтезата генерира около 3 пъти повишени нива на CO2 в листата при междинните видове C3 – C4 в Списание за експериментална ботаника 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; Фукаяма, Н.; Мияо, М. "Молекулярно инженерство на c4 фотосинтеза"в Годишен преглед на физиологията на растенията и растителната молекулярна биология. стр. 297–314. 2014.
• Sage, R.F. "Фотосинтетична ефективност и концентрация на въглерод в наземните растения: C4 и CAM решенията " в Списание за експериментална ботаника 65 (13), стр. 3323–3325. 2014
• Schoeninger, M.J. "Стабилни изотопни анализи и еволюцията на човешките диети " в Годишен преглед на антропологията 43, стр. 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.; Рийд, К.Е.; Wood, B.A.; и др. "Изотопни доказателства за ранни диети с хоминин " в Сборник на Националната академия на науките 110 (26), стр. 10513–10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Въглеродни изотопи, фотосинтеза и археология" в Американски учен 70, с. 596–606. 1982