Anpassungen an den Klimawandel in C3-, C4- und CAM-Pflanzen
Kann die Veränderung der pflanzlichen Photosynthese die Auswirkungen der globalen Erwärmung ausgleichen?
Daisuke Kishi / Getty Images
Der globale Klimawandel führt zu einem Anstieg der täglichen, saisonalen und jährlichen Durchschnittstemperaturen sowie zu einer Zunahme 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 bei der Pflanzenverteilung. Da Menschen direkt und indirekt auf Pflanzen als wichtige Nahrungsquelle angewiesen sind, ist es entscheidend zu wissen, wie gut sie der neuen Umweltordnung standhalten und/oder sich daran gewöhnen können.
Umwelteinflüsse auf die Photosynthese
Alle Pflanzen nehmen auf atmosphärisches Kohlendioxid und wandeln es durch den Prozess in Zucker und Stärke um Photosynthese aber sie tun es auf unterschiedliche Weise. Die spezifische Photosynthesemethode (oder der Weg), die von jeder Pflanzenklasse verwendet wird, ist eine Variation einer Reihe chemischer Reaktionen, die als die bezeichnet werden Calvin-Zyklus . Diese Reaktionen beeinflussen die Anzahl und Art der Kohlenstoffmoleküle, die eine Pflanze erzeugt, die Orte, an denen diese Moleküle gespeichert werden, und, was für die Untersuchung des Klimawandels am wichtigsten ist, die Fähigkeit einer Pflanze, kohlenstoffarmen Atmosphären, höheren Temperaturen und weniger Wasser und Stickstoff standzuhalten .
Diese Prozesse der Photosynthese – von Botanikern als C3, C4 und CAM bezeichnet – sind direkt relevant für Studien zum globalen Klimawandel, da C3- und C4-Pflanzen unterschiedlich auf Änderungen der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentration und Änderungen der Temperatur und 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 damit begonnen, Möglichkeiten zu erforschen, wie Pflanzen an die sich verändernde Umwelt angepasst werden können. Die Modifizierung der Photosyntheseprozesse könnte eine Möglichkeit sein, dies zu tun.
C3-Pflanzen
Die überwiegende Mehrheit der Landpflanzen, auf die wir uns für menschliche Nahrung und Energie verlassen, nutzt den C3-Weg, der der älteste der Wege zur Kohlenstofffixierung ist und in Pflanzen aller Taxonomien vorkommt. Fast alle noch existierenden nichtmenschlichen Primaten aller Körpergrößen, einschließlich Halbaffen, Neu- und Altweltaffen und alle Menschenaffen – selbst diejenigen, die in Regionen mit C4- und CAM-Pflanzen leben – sind für ihre Ernährung auf C3-Pflanzen angewiesen.
- Ehleringer, J. R.; Cerling, T.E. „C3- und C4-Photosynthese“ in „Encyclopedia of Global Environmental Change“, Munn, T.; Mooney, H. A.; Canadell, J. G., Herausgeber. S. 186–190. John Wiley und Söhne. London. 2002
- Keerberg, O.; Parnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H.' Die C2-Photosynthese erzeugt etwa 3-fach erhöhte Blatt-CO2-Spiegel in den C3-C4-Zwischenarten in Zeitschrift für experimentelle Botanik 65(13):3649-3656. 2014 Flaveria pubescens '
- Matsuoka, M.; Furbank, R. T.; Fukayama, H.; Miyao, M. ' Molekulares Engineering der c4-Photosynthese ' in Jahresrückblick auf Pflanzenphysiologie und Pflanzenmolekularbiologie . S. 297–314. 2014.
- Salbei, R.F. ' Photosyntheseeffizienz und Kohlenstoffkonzentration in Landpflanzen: die C4- und CAM-Lösungen in Zeitschrift für experimentelle Botanik 65(13), S. 3323–3325. 2014
- Schöninger, M. J. ' Stabile Isotopenanalysen und die Evolution der menschlichen Ernährung in Jahresrückblick der Anthropologie 43, S. 413–430. 2014
- Sponheimer, M.; Alemseged, Z.; Cerling, T. E.; Grine, F. E.; Kimbel, W. H.; Leakey, M. G.; Lee-Thorp, JA; Manthi, F. K.; Reed, K. E.; Holz, BA; et al. ' Isotopische Beweise für frühe Hominin-Diäten in Proceedings of the National Academy of Sciences 110(26), S. 10513–10518. 2013
- Van der Merwe, N. 'Kohlenstoffisotope, Photosynthese und Archäologie' in Amerikanischer Wissenschaftler 70, S. 596–606. 1982
Obwohl der C3-Weg der häufigste ist, ist er auch ineffizient. Rubisco reagiert nicht nur mit CO2, sondern auch mit O2, was zur Photorespiration führt, einem Prozess, der assimilierten Kohlenstoff verschwendet. 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 das auch tun.
C4-Pflanzen
Nur etwa 3 % aller Landpflanzenarten nutzen den C4-Weg, aber sie dominieren fast alle Grasländer in den Tropen, Subtropen und warmen gemäßigten Zonen. Zu den C4-Pflanzen gehören auch hochproduktive Nutzpflanzen 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, er ist jedoch nicht wirklich verdaulich, es sei denn, er wird zu einem Pulver gemahlen. Mais und andere Nutzpflanzen werden auch als Tierfutter verwendet und wandeln die Energie in Fleisch um – eine weitere ineffiziente Verwendung von Pflanzen.
Die C4-Photosynthese ist eine biochemische Modifikation des C3-Photosyntheseprozesses, bei dem der C3-Stil-Zyklus nur in den inneren Zellen innerhalb 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, was es den Forschern ermöglicht, zu prüfen, ob Gebiete, die aufgrund früherer Bewässerungsbemühungen versalzt wurden, durch die Anpflanzung salztoleranter C4-Arten wiederhergestellt werden können.
CAM-Anlagen
Die CAM-Photosynthese wurde zu Ehren der Pflanzenfamilie benannt, in der Crassulacean , die Familie der Fetthenne oder der Familie der Orpinen, wurde erstmals urkundlich erwähnt. Diese Art der Photosynthese ist eine Anpassung an geringe Wasserverfügbarkeit und kommt bei Orchideen und sukkulenten Pflanzenarten aus Trockengebieten vor.
Bei Pflanzen mit vollständiger CAM-Photosynthese sind die Stomata in den Blättern tagsüber geschlossen, um die Evapotranspiration zu verringern, und nachts geöffnet, um Kohlendioxid aufzunehmen. Einige C4-Anlagen funktionieren zumindest teilweise auch im C3- oder C4-Modus. Tatsächlich gibt es sogar eine Pflanze namens Agave Angustifolia das zwischen den Modi hin und her wechselt, wie es das lokale System vorschreibt.
CAM-Pflanzen weisen die höchsten Wassernutzungseffizienzen in Pflanzen auf, die es ihnen ermöglichen, in wasserbegrenzten Umgebungen, wie z. B. halbtrockenen Wüsten, gut zu funktionieren. Mit Ausnahme von Ananas und ein paar Agave Arten wie der Tequila-Agave sind CAM-Pflanzen im Hinblick auf die menschliche Nutzung als Nahrungs- und Energieressourcen relativ unerschlossen.
Evolution und mögliches Engineering
Die globale Ernährungsunsicherheit ist bereits ein äußerst akutes Problem, das die fortgesetzte Abhängigkeit von ineffizienten Nahrungs- 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 Austrocknung des Erdklimas die Entwicklung von C4 und CAM gefördert haben, was die alarmierende Möglichkeit aufwirft, dass erhöhtes CO2 die Bedingungen umkehren könnte, die diese Alternativen zur C3-Photosynthese begünstigten.
Beweise unserer Vorfahren zeigen, dass Hominiden ihre Ernährung an den Klimawandel anpassen können. Ardipithecus ramidus und Ar anamsis waren beide auf C3-Pflanzen angewiesen, aber als ein Klimawandel Ostafrika vor etwa vier Millionen Jahren von bewaldeten Regionen in Savannen verwandelte, überlebten die Arten, die überlebten – Australopithecus afarensis und Kenyanthropus-Platyops — gemischte C3/C4-Verbraucher waren. Vor 2,5 Millionen Jahren hatten sich zwei neue Arten entwickelt: Paranthrop, dessen Fokus sich früh auf C4/CAM-Nahrungsquellen verlagerte Ein weiser Mann die sowohl C3- als auch C4-Pflanzensorten verbrauchten.
C3-zu-C4-Anpassung
Der evolutionäre Prozess, der C3-Pflanzen in C4-Arten verwandelt hat, hat in den letzten 35 Millionen Jahren nicht nur einmal, sondern mindestens 66 Mal stattgefunden. Dieser Evolutionsschritt führte zu einer verbesserten Photosyntheseleistung und einer erhöhten Wasser- und Stickstoffnutzungseffizienz.
Infolgedessen haben C4-Pflanzen eine doppelt so hohe Photosynthesekapazität wie C3-Pflanzen und können mit höheren Temperaturen, weniger Wasser und verfügbarem Stickstoff fertig werden. Aus diesen Gründen versuchen Biochemiker derzeit, Wege zu finden, um C4- und CAM-Merkmale (Prozesseffizienz, Toleranz gegenüber hohen Temperaturen, höhere Erträge und Resistenz gegen Dürre und Salzgehalt) in C3-Pflanzen zu verschieben, um Umweltveränderungen auszugleichen, mit denen globale Erwärmen.
Zumindest einige C3-Modifikationen werden für möglich gehalten, da Vergleichsstudien gezeigt haben, dass diese Pflanzen bereits einige rudimentäre Gene besitzen, die in ihrer Funktion denen von C4-Pflanzen ähneln. Während Hybride von C3 und C4 mehr als fünf Jahrzehnte lang verfolgt wurden, blieb der Erfolg aufgrund von Chromosomenfehlpaarungen und Hybridsterilität unerreichbar.
Die Zukunft der Photosynthese
Das Potenzial zur Verbesserung der Ernährungs- und Energiesicherheit hat zu einem deutlichen Anstieg der Forschung zur Photosynthese geführt. Die Photosynthese liefert unsere Nahrungs- und Faserversorgung sowie die meisten unserer Energiequellen. Sogar die Bank von Kohlenwasserstoffe die sich in der Erdkruste befinden, wurde ursprünglich durch Photosynthese erzeugt.
Wenn die fossilen Brennstoffe erschöpft sind – oder sollten die Menschen die Verwendung fossiler Brennstoffe einschränken, um der globalen Erwärmung vorzubeugen – wird die Welt vor der Herausforderung stehen, diese Energieversorgung durch erneuerbare Ressourcen zu ersetzen. Erwartung der Evolution des Menschen mit der Geschwindigkeit des Klimawandels in den nächsten 50 Jahren Schritt zu halten, ist nicht praktikabel. Wissenschaftler hoffen, dass Pflanzen mit dem Einsatz verbesserter Genomik eine andere Geschichte sein werden.