Prilagoditve na podnebne spremembe v rastlinah C3, C4 in CAM
Ali lahko sprememba fotosinteze rastlin izravna vpliv globalnega segrevanja?
Daisuke Kishi / Getty Images
Globalne podnebne spremembe povzročajo zvišanje povprečnih dnevnih, sezonskih in letnih temperatur ter povečanje intenzivnosti, pogostosti in trajanja nenormalno nizkih in visokih temperatur. Temperatura in druge okoljske razlike neposredno vplivajo na rast rastlin in so glavni odločilni dejavniki pri porazdelitvi rastlin. Ker so ljudje neposredno in posredno odvisni od rastlin, ki so ključni vir hrane, je ključnega pomena vedeti, kako dobro so sposobne prenesti nov okoljski red in/ali se nanj prilagoditi.
Vpliv okolja na fotosintezo
Vse rastline zaužijejo atmosferski ogljikov dioksid in ga s procesom pretvori v sladkorje in škrob fotosinteza vendar to počnejo na različne načine. Posebna metoda (ali pot) fotosinteze, ki jo uporablja vsak razred rastlin, je različica niza kemičnih reakcij, imenovanih Calvinov cikel . Te reakcije vplivajo na število in vrsto molekul ogljika, ki jih ustvari rastlina, na mesta, kjer so te molekule shranjene, in, kar je najpomembneje za preučevanje podnebnih sprememb, na sposobnost rastline, da prenese atmosfero z nizko vsebnostjo ogljika, višje temperature ter zmanjšano količino vode in dušika. .
Ti procesi fotosinteze, ki jih botaniki označujejo kot C3, C4 in CAM, so neposredno pomembni za študije globalnih podnebnih sprememb, ker se rastline C3 in C4 različno odzivajo na spremembe koncentracije ogljikovega dioksida v ozračju ter spremembe temperature in razpoložljivosti vode.
Ljudje smo trenutno odvisni od rastlinskih vrst, ki ne uspevajo v bolj vročih, suhih in bolj nestalnih razmerah. Medtem ko se planet še naprej segreva, so raziskovalci začeli raziskovati načine, kako se lahko rastline prilagodijo spreminjajočemu se okolju. Spreminjanje procesov fotosinteze je lahko eden od načinov za to.
C3 Rastline
Velika večina kopenskih rastlin, ki jih uporabljamo za človeško hrano in energijo, uporablja pot C3, ki je najstarejša od poti za fiksacijo ogljika in jo najdemo v rastlinah vseh taksonomij. Skoraj vsi obstoječi nečloveški primati vseh telesnih velikosti, vključno s prosimijci, opicami novega in starega sveta ter vsemi opicami – tudi tisti, ki živijo v regijah z rastlinami C4 in CAM – so odvisni od rastlin C3 za preživetje.
- Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. 'Fotosinteza C3 in C4' v 'Enciklopediji globalnih okoljskih sprememb', Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J.G., uredniki. str. 186–190. John Wiley in sinovi. London. 2002
- Keerberg, O.; Parnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H.' Fotosinteza C2 ustvari približno 3-kratno povišano raven CO2 v listih v vmesnih vrstah C3–C4 v Journal of Experimental Botany 65(13):3649-3656. 2014 Flaveria pubescens '
- Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; Fukayama, H.; Miyao, M. ' Molekularni inženiring fotosinteze c4 'noter Letni pregled rastlinske fiziologije in rastlinske molekularne biologije . str. 297–314. 2014.
- Sage, R.F. ' Učinkovitost fotosinteze in koncentracija ogljika v kopenskih rastlinah: rešitve C4 in CAM v Journal of Experimental Botany 65(13), str. 3323–3325. 2014
- Schoeninger, M.J. ' Analize stabilnih izotopov in razvoj človeških diet v Annual Review of Anthropology 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. ' Izotopski dokazi zgodnjih homininskih diet v Zbornik Nacionalne akademije znanosti 110(26), str. 10513–10518. 2013
- Van der Merwe, N. 'Izotopi ogljika, fotosinteza in arheologija' v ameriški znanstvenik 70, str. 596–606. 1982
Čeprav je pot C3 najpogostejša, je tudi neučinkovita. Rubisco ne reagira samo s CO2, temveč tudi z O2, kar vodi do fotorespiracije, procesa, ki izgublja asimilirani ogljik. V trenutnih atmosferskih razmerah potencialno fotosintezo v rastlinah C3 kisik zavre za kar 40 %. Obseg tega zatiranja se poveča v stresnih razmerah, kot so suša, močna svetloba in visoke temperature. Ko se globalne temperature dvignejo, se bodo rastline C3 borile za preživetje – in ker smo odvisni od njih, bomo tudi mi.
C4 Rastline
Samo približno 3 % vseh kopenskih rastlinskih vrst uporablja pot C4, vendar prevladujejo na skoraj vseh travnikih v tropih, subtropih in toplih zmerno toplih pasovih. Rastline C4 vključujejo tudi visoko produktivne poljščine, kot so koruza, sirek in sladkorni trs. Čeprav so ti pridelki vodilni na področju bioenergije, niso povsem primerni za prehrano ljudi. Koruza je izjema, vendar ni zares prebavljiva, razen če je zmleta v prah. Koruza in druge poljščine se uporabljajo tudi kot krma za živali, pri čemer se energija pretvarja v meso – še ena neučinkovita uporaba rastlin.
Fotosinteza C4 je biokemična modifikacija procesa fotosinteze C3, pri kateri se cikel sloga C3 pojavlja le v notranjih celicah v listu. Okoli listov so mezofilne celice, ki vsebujejo veliko bolj aktiven encim, imenovan fosfoenolpiruvat (PEP) karboksilaza. Posledično rastline C4 uspevajo v dolgih rastnih sezonah z veliko dostopa do sončne svetlobe. Nekatera so celo odporna na slano vodo, kar raziskovalcem omogoča, da razmislijo, ali je mogoče območja, ki so doživela zasoljevanje zaradi preteklih prizadevanj za namakanje, obnoviti s sajenjem vrst C4, odpornih na sol.
Rastline CAM
Fotosinteza CAM je bila poimenovana v čast družine rastlin, v kateri Crassulacean , družina kamenčkov ali družina orpinovk, je bila prvič dokumentirana. Ta vrsta fotosinteze je prilagoditev na nizko razpoložljivost vode in se pojavlja pri orhidejah in vrstah sukulentnih rastlin iz sušnih regij.
Pri rastlinah, ki uporabljajo polno fotosintezo CAM, so stomati v listih podnevi zaprti, da zmanjšajo izhlapevanje, ponoči pa odprti, da sprejmejo ogljikov dioksid. Nekatere naprave C4 vsaj delno delujejo tudi v načinu C3 ali C4. Pravzaprav obstaja celo rastlina, imenovana Agave Angustifolia ki preklaplja naprej in nazaj med načini, kot narekuje lokalni sistem.
Rastline CAM izkazujejo največjo učinkovitost porabe vode v rastlinah, kar jim omogoča dobro delovanje v okoljih z omejeno količino vode, kot so polsuhe puščave. Z izjemo ananasa in nekaj agava vrste, kot je tekila agava, so rastline CAM razmeroma neizkoriščene v smislu človekove rabe za hrano in energetske vire.
Evolucija in možni inženiring
Globalna nezanesljiva preskrba s hrano je že zelo pereč problem, zaradi česar je nadaljnja odvisnost od neučinkovitih virov hrane in energije nevarna, zlasti če ne vemo, kako bo to vplivalo na rastlinske cikle, ko bo naše ozračje postalo bolj bogato z ogljikom. Zmanjšanje atmosferskega CO2 in sušenje zemeljskega podnebja naj bi spodbudilo razvoj C4 in CAM, kar vzbuja zaskrbljujočo možnost, da lahko povišan CO2 obrne pogoje, ki so bili naklonjeni tem alternativam fotosintezi C3.
Dokazi naših prednikov kažejo, da lahko hominidi prilagodijo svojo prehrano podnebnim spremembam. Ardipithecus ramidus in Ar anamensis obe sta bili odvisni od rastlin C3, a ko so podnebne spremembe spremenile vzhodno Afriko iz gozdnatih območij v savane pred približno štirimi milijoni let, so vrste, ki so preživele... Australopithecus afarensis in Kenyanthropus platyops — so bili mešani porabniki C3/C4. Pred 2,5 milijona let sta se razvili dve novi vrsti: parantrop, katerih fokus se je preusmeril na vire hrane C4/CAM, in zgodaj Moder človek ki so zaužili rastlinske sorte C3 in C4.
Prilagoditev C3 na C4
Evolucijski proces, ki je rastline C3 spremenil v vrste C4, se ni zgodil enkrat, ampak vsaj 66-krat v zadnjih 35 milijonih let. Ta evolucijski korak je vodil do izboljšane fotosintetske učinkovitosti in povečane učinkovitosti porabe vode in dušika.
Posledično imajo rastline C4 dvakrat večjo fotosintetično zmogljivost kot rastline C3 in se lahko spopadejo z višjimi temperaturami, manj vode in razpoložljivega dušika. Zaradi teh razlogov biokemiki trenutno poskušajo najti načine za premik lastnosti C4 in CAM (učinkovitost procesa, toleranca na visoke temperature, večji donos in odpornost na sušo in slanost) v rastline C3 kot način za izravnavo okoljskih sprememb, s katerimi se sooča globalna segrevanje.
Menijo, da so možne vsaj nekatere modifikacije C3, ker so primerjalne študije pokazale, da te rastline že imajo nekatere rudimentarne gene, ki so po funkciji podobni tistim iz rastlin C4. Medtem ko so hibride C3 in C4 iskali več kot pet desetletij, je zaradi neujemanja kromosomov in hibridne sterilnosti uspeh ostal nedosegljiv.
Prihodnost fotosinteze
Potencial za izboljšanje prehranske in energetske varnosti je privedel do izrazitega povečanja raziskav fotosinteze. Fotosinteza zagotavlja našo oskrbo s hrano in vlakninami ter večino naših virov energije. Celo banka ogljikovodiki ki prebivajo v zemeljski skorji, so prvotno nastale s fotosintezo.
Ko bo fosilnih goriv izčrpano – ali pa bi morali ljudje omejiti uporabo fosilnih goriv, da bi preprečili globalno segrevanje – se bo svet soočil z izzivom zamenjave te oskrbe z energijo z obnovljivimi viri. Pričakovanje evolucije ljudi slediti stopnji podnebnih sprememb v naslednjih 50 letih ni praktično. Znanstveniki upajo, da bodo z uporabo izboljšane genomike rastline druga zgodba.