Tilpasninger til klimaendringer i C3-, C4- og CAM-anlegg
Kan endring av planters fotosyntese oppveie virkningen av global oppvarming?
Daisuke Kishi / Getty Images
Globale klimaendringer resulterer i økninger i daglige, sesongmessige og årlige middeltemperaturer, og økninger i intensiteten, frekvensen og varigheten av unormalt lave og høye temperaturer. Temperatur og andre miljøvariasjoner har en direkte innvirkning på planteveksten og er viktige bestemmende faktorer i plantedistribusjonen. Siden mennesker er avhengige av planter - direkte og indirekte - en avgjørende matkilde, er det avgjørende å vite hvor godt de er i stand til å motstå og/eller akklimatisere seg til den nye miljøordenen.
Miljøpåvirkning på fotosyntese
Alle planter får i seg atmosfærisk karbondioksid og konverter det til sukker og stivelse gjennom prosessen med fotosyntese men de gjør det på forskjellige måter. Den spesifikke fotosyntesemetoden (eller banen) som brukes av hver planteklasse er en variant av et sett med kjemiske reaksjoner kalt Calvin syklus . Disse reaksjonene påvirker antallet og typen karbonmolekyler en plante skaper, stedene hvor disse molekylene er lagret, og, viktigst av alt for studiet av klimaendringer, en plantes evne til å motstå lavkarbon atmosfærer, høyere temperaturer og redusert vann og nitrogen. .
Disse fotosynteseprosessene – utpekt av botanikere som C3, C4 og CAM – er direkte relevante for globale klimaendringer fordi C3- og C4-planter reagerer forskjellig på endringer i atmosfærisk karbondioksidkonsentrasjon og endringer i temperatur og vanntilgjengelighet.
Mennesker er for tiden avhengige av plantearter som ikke trives under varmere, tørrere og mer uberegnelige forhold. Mens planeten fortsetter å varmes opp, har forskere begynt å utforske måter planter kan tilpasses til det skiftende miljøet. Å endre fotosynteseprosessene kan være en måte å gjøre det på.
C3 Planter
De aller fleste landplanter vi er avhengige av for menneskelig mat og energi bruker C3-banen, som er den eldste av banene for karbonfiksering, og den finnes i planter av alle taksonomier. Nesten alle eksisterende ikke-menneskelige primater på tvers av alle kroppsstørrelser, inkludert prosimianere, aper i den nye og gamle verden, og alle apene – selv de som bor i regioner med C4- og CAM-planter – er avhengige av C3-planter for næring.
- Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. 'C3 and C4 Photosynthesis' i 'Encyclopedia of Global Environmental Change', Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J.G., redaktører. s. 186–190. John Wiley og sønner. London. 2002
- Keerberg, O.; Parnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H.' C2-fotosyntese genererer omtrent 3 ganger forhøyede blad-CO2-nivåer i C3–C4-mellomartene i Journal of Experimental Botany 65(13):3649-3656. 2014 Flaveria pubescens '
- Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; Fukayama, H.; Miyao, M. ' Molekylær konstruksjon av c4-fotosyntese ' inn Årlig gjennomgang av plantefysiologi og plantemolekylærbiologi . s. 297-314. 2014.
- Sage, R.F. ' Fotosyntetisk effektivitet og karbonkonsentrasjon i landplanter: C4- og CAM-løsningene i Journal of Experimental Botany 65(13), s. 3323–3325. 2014
- Schoeninger, M.J. ' Stabile isotopanalyser og utviklingen av menneskelige dietter i Årlig gjennomgang av antropologi 43, s. 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. ' Isotopiske bevis på tidlige hominin-dietter i Proceedings of the National Academy of Sciences 110(26), s. 10513–10518. 2013
- Van der Merwe, N. 'Karbonisotoper, fotosyntese og arkeologi' i Amerikansk vitenskapsmann 70, s. 596–606. 1982
Mens C3-banen er den vanligste, er den også ineffektiv. Rubisco reagerer ikke bare med CO2, men også O2, noe som fører til fotorespirasjon, en prosess som sløser assimilert karbon. Under dagens atmosfæriske forhold undertrykkes potensiell fotosyntese i C3-planter av oksygen så mye som 40 %. Omfanget av den undertrykkelsen øker under stressforhold som tørke, høyt lys og høye temperaturer. Når den globale temperaturen stiger, vil C3-planter slite med å overleve – og siden vi er avhengige av dem, vil vi også gjøre det.
C4 Planter
Bare omtrent 3 % av alle landplantearter bruker C4-banen, men de dominerer nesten alle gressletter i tropene, subtropene og varme tempererte soner. C4-planter inkluderer også svært produktive avlinger som mais, sorghum og sukkerrør. Mens disse avlingene leder feltet for bioenergi, er de ikke helt egnet for konsum. Mais er unntaket, men den er ikke virkelig fordøyelig med mindre den males til et pulver. Mais og andre avlingsplanter brukes også som dyrefôr, og omdanner energien til kjøtt - en annen ineffektiv bruk av planter.
C4-fotosyntese er en biokjemisk modifikasjon av C3-fotosynteseprosessen der C3-stilsyklusen bare forekommer i de indre cellene i bladet. Rundt bladene er mesofyllceller som inneholder et mye mer aktivt enzym kalt fosfoenolpyruvat (PEP) karboksylase. Som et resultat trives C4-planter i lange vekstsesonger med mye tilgang til sollys. Noen er til og med saltvanntolerante, noe som lar forskere vurdere om områder som har opplevd salinisering som følge av tidligere vanningsarbeid kan gjenopprettes ved å plante salttolerante C4-arter.
CAM-anlegg
CAM-fotosyntese ble navngitt til ære for plantefamilien der Crassulacean , steinfruktfamilien eller orpinfamilien, ble først dokumentert. Denne typen fotosyntese er en tilpasning til lav vanntilgjengelighet og forekommer i orkideer og sukkulente plantearter fra tørre områder.
I planter som bruker full CAM-fotosyntese, er stomata i bladene lukket i løpet av dagslyset for å redusere evapotranspirasjon og åpne om natten for å ta inn karbondioksid. Noen C4-anlegg fungerer også i det minste delvis i C3- eller C4-modus. Faktisk er det til og med en plante som heter Agave Angustifolia som bytter frem og tilbake mellom moduser som det lokale systemet tilsier.
CAM-anlegg viser den høyeste vannbrukseffektiviteten i planter som gjør dem i stand til å gjøre det bra i vannbegrensede miljøer, for eksempel halvtørre ørkener. Med unntak av ananas og noen få agave arter, som tequila-agave, CAM-planter er relativt uutnyttede når det gjelder menneskelig bruk for mat og energiressurser.
Evolusjon og mulig ingeniørkunst
Global matusikkerhet er allerede et ekstremt akutt problem, noe som gjør den fortsatte avhengigheten av ineffektive mat- og energikilder til en farlig kurs, spesielt når vi ikke vet hvordan plantesyklusene vil bli påvirket ettersom atmosfæren vår blir mer karbonrik. Reduksjonen i atmosfærisk CO2 og uttørkingen av jordens klima antas å ha fremmet C4- og CAM-utviklingen, noe som øker den alarmerende muligheten for at forhøyet CO2 kan reversere forholdene som favoriserte disse alternativene til C3-fotosyntese.
Bevis fra våre forfedre viser at hominider kan tilpasse kostholdet sitt til klimaendringer. Ardipithecus ramidus og Ar anamensis var begge avhengige av C3-planter, men da en klimaendring endret Øst-Afrika fra skogkledde områder til savanne for omtrent fire millioner år siden, var arten som overlevde— Australopithecus afarensis og Kenyanthropus platyops — var blandede C3/C4-forbrukere. For 2,5 millioner år siden hadde to nye arter utviklet seg: Paranthropus, hvis fokus flyttet til C4/CAM matkilder, og tidlig En klok mann som konsumerte både C3 og C4 plantesorter.
C3 til C4 tilpasning
Den evolusjonære prosessen som endret C3-planter til C4-arter har skjedd ikke én gang, men minst 66 ganger i løpet av de siste 35 millioner årene. Dette evolusjonære trinnet førte til forbedret fotosyntetisk ytelse og økt vann- og nitrogenbrukseffektivitet.
Som et resultat har C4-planter dobbelt så fotosyntetisk kapasitet som C3-planter og kan takle høyere temperaturer, mindre vann og tilgjengelig nitrogen. Det er av disse grunnene at biokjemikere for tiden prøver å finne måter å flytte C4- og CAM-egenskaper (prosesseffektivitet, toleranse for høye temperaturer, høyere utbytte og motstand mot tørke og saltholdighet) inn i C3-anlegg som en måte å kompensere for miljøendringer globalt står overfor. oppvarming.
Minst noen C3-modifikasjoner antas mulige fordi sammenlignende studier har vist at disse plantene allerede har noen rudimentære gener som ligner på funksjonene til C4-planter. Mens hybrider av C3 og C4 har blitt forfulgt i mer enn fem tiår, har suksess på grunn av kromosommismatching og hybridsterilitet holdt seg utenfor rekkevidde.
Fotosyntesens fremtid
Potensialet for å øke mat- og energisikkerheten har ført til markant økning i forskning på fotosyntese. Fotosyntese sørger for mat- og fiberforsyningen vår, så vel som de fleste av våre energikilder. Selv banken av hydrokarboner som ligger i jordskorpen ble opprinnelig skapt ved fotosyntese.
Ettersom fossilt brensel er oppbrukt – eller bør mennesker begrense bruken av fossilt brensel for å forhindre global oppvarming – vil verden møte utfordringen med å erstatte denne energiforsyningen med fornybare ressurser. Forventer utviklingen av mennesker å holde tritt med klimaendringene de neste 50 årene er ikke praktisk. Forskere håper at med bruk av forbedret genomikk vil planter være en annen historie.