Адаптация к изменению климата растений C3, C4 и CAM
Глобальное изменение климата приводит к увеличению суточных, сезонных и годовых средних температур, а также к увеличению интенсивности, частоты и продолжительности аномально низких и высоких температур. Температурные и другие колебания окружающей среды напрямую влияют на рост растений и являются основными определяющими факторами при распространении растений. Поскольку люди прямо или косвенно полагаются на растения, являющиеся важным источником пищи, знание того, насколько хорошо они способны противостоять и/или адаптироваться к новому экологическому порядку, имеет решающее значение.
Воздействие окружающей среды на фотосинтез
Все растения поглощают атмосферный углекислый газ и превращают его в сахар и крахмал в процессе фотосинтеза, но делают это по-разному. Конкретный метод (или путь) фотосинтеза, используемый каждым классом растений, представляет собой разновидность набора химических реакций, называемых циклом Кальвина. Эти реакции влияют на количество и тип молекул углерода, которые создает растение, на места, где эти молекулы хранятся, и, что наиболее важно для изучения изменения климата, на способность растения противостоять атмосфере с низким содержанием углерода, более высоким температурам и пониженному содержанию воды и азота. .
Эти процессы фотосинтеза, обозначенные ботаниками как C3, C4 и CAM, имеют прямое отношение к исследованиям глобального изменения климата, поскольку растения C3 и C4 реагируют на в отличие от изменений концентрации углекислого газа в атмосфере, а также изменений температуры и доступности воды.
В настоящее время люди зависят от видов растений, которые не растут в более жарких и сухих, и более неустойчивые условия. По мере того как планета продолжает нагреваться, исследователи начали изучать способы адаптации растений к изменяющейся окружающей среде. Одним из способов сделать это может быть изменение процессов фотосинтеза.
C3-растения
Подавляющее большинство наземных растений, от которых мы получаем пищу и энергию, используют путь C3, который самый старый из путей фиксации углерода, он обнаружен у растений всех таксономий. Почти все существующие нечеловеческие приматы с любым размером тела, включая прозимианов, обезьян нового и старого мира и всех обезьян – даже тех, которые живут в регионах с растениями C4 и CAM, – зависят от растений C3 для пропитания.
- Виды : зерновые, такие как рис, пшеница, соя, рожь и ячмень; овощи, такие как маниока, картофель, шпинат, помидоры и ямс; деревья, такие как яблоко, персик и эвкалипт.
- Фермент : рибулоза бисфосфат (RuBP или Rubisco) карбоксилаза оксигеназа (Rubisco)
- Процесс : преобразование CO2 в 3-углеродное соединение 3-фосфоглицериновую кислоту (или PGA).
- Где зафиксирован углерод : Все клетки мезофилла листа.
- Уровень биомассы : от -22% до -35%, в среднем -26,5%
Хотя путь C3 является наиболее распространенным, он также неэффективен. Rubisco вступает в реакцию не только с CO2, но и с O2, что приводит к фотодыханию – процессу, при котором ассимилированный углерод расходуется впустую. В нынешних атмосферных условиях потенциальный фотосинтез у растений C3 подавляется кислородом на 40%. Степень этого подавления увеличивается в стрессовых условиях, таких как засуха, яркий свет и высокие температуры. По мере повышения глобальной температуры растениям C3 будут изо всех сил пытаться выжить – и, поскольку мы зависим от них, мы тоже.
Растения C4
Только около 3% всех видов наземных растений используют путь C4, но они доминируют почти на всех пастбищах в тропиках, субтропиках и умеренно-теплых зонах. Растения C4 также включают высокопродуктивные культуры, такие как кукуруза, сорго и сахарный тростник. Хотя эти культуры являются лидерами в области биоэнергетики, они не совсем подходят для потребления человеком. Кукуруза является исключением, однако она не усваивается по-настоящему, если ее не измельчить в порошок. Кукуруза и другие культурные растения также используются в качестве корма для животных, превращая энергию в мясо – еще одно неэффективное использование растений.
- Виды: часто встречается в кормовых травах более низких широт, кукуруза, сорго, сахарный тростник, фонио, теф и папирус.
- Фермент: фосфоенолпируват ( PEP) карбоксилаза
- Процесс: преобразование CO2 в 4-углеродный промежуточный продукт
- Где фиксированный углерод: Клетки мезофилла (MC) и клетки оболочки пучка (BSC). C4 имеют кольцо BSC, окружающее каждую вену, и внешнее кольцо MC, окружающее оболочку пучка, известное как анатомия Кранца.
- Уровни биомассы: от -9 до -16%, в среднем -12,5%.
Фотосинтез C4 – это биохимическая модификация процесса фотосинтеза C3, в которой стиль C3 цикл происходит только во внутренних ячейках листа. Листья окружены клетками мезофилла, которые содержат гораздо более активный фермент, называемый фосфоенолпируват (PEP) карбоксилазой. В результате растения C4 процветают в течение длительного вегетационного периода с большим доступом к солнечному свету. Некоторые из них даже устойчивы к засолению, что позволяет исследователям решить, можно ли восстановить участки, подвергшиеся засолению в результате прошлых усилий по орошению, посадкой солеустойчивых видов C4.
CAM-растения
CAM-фотосинтез был назван в честь семейства растений, в котором впервые были задокументированы Crassulacean , семейство очитков или семейство орпиновых. Этот тип фотосинтеза является адаптацией к низкой доступности воды и встречается у орхидей и суккулентов из засушливых регионов.
У растений, использующих полный фотосинтез CAM, устьица листья закрыты в дневное время, чтобы уменьшить эвапотранспирацию, и открываются ночью для поглощения углекислого газа. Некоторые растения C4 также хотя бы частично функционируют в режиме C3 или C4.. Фактически, есть даже растение под названием Агава Ангустифолистная , которое переключается между режимами, как диктует локальная система.
- Виды: кактусы и другие суккуленты, Clusia, агава текила, ананас.
- Фермент: фосфоенолпируват ( PEP) карбоксилаза
- Процесс: Четыре фазы, которые связаны с доступным солнечным светом, растения CAM собирают CO2 в течение дня, а затем фиксируют CO2 ночью как промежуточный 4-углеродный .
- Где зафиксирован углерод: вакуоли
- Уровни биомассы: Уровни могут упасть до диапазоны C3 или C4.
Установки CAM демонстрируют наивысшую эффективность использования воды в растениях, что позволяет им хорошо себя вести в условиях ограниченного количества воды. , например, в полузасушливых пустынях. За исключением ананаса и нескольких видов агав, таких как агава текила, растения CAM относительно не используются с точки зрения использования человеком в качестве пищевых и энергетических ресурсов.
Эволюция и возможное проектирование
Отсутствие продовольственной безопасности в мире уже является чрезвычайно острой проблемой, из-за которой постоянная зависимость от неэффективных источников продовольствия и энергии становится опасной, особенно когда мы не знаем, какими будут циклы растений. затронуты тем, что наша атмосфера становится более углеродистой. Считается, что уменьшение содержания CO2 в атмосфере и высыхание климата Земли способствовали эволюции C4 и CAM, что повышает тревожную возможность того, что повышенный уровень CO2 может изменить условия, благоприятствовавшие этим альтернативам фотосинтезу C3.
Данные наших предков показывают, что гоминиды могут адаптировать свою диету к изменению климата. Ardipithecus ramidus и Ar anamensis зависели от растений C3, но когда изменение климата изменило восточную Африку из лесных регионов в саванну около четырех миллионов лет назад, вид выжившие – Australopithecus afarensis и Kenyanthropus platyops – были смешанными потребителями C3/C4. 2,5 миллиона лет назад возникли два новых вида: Paranthropus , внимание которого сместилось на источники пищи C4/CAM, и ранний Homo sapiens , который потреблял и C3 и сорта растений C4.
Адаптация C3 к C4
Эволюционный процесс, превративший растения C3 в виды C4, происходил не раз но по крайней мере 66 раз за последние 35 миллионов лет. Этот эволюционный шаг привел к улучшенным фотосинтетическим характеристикам и повышению эффективности использования воды и азота.
В результате, C4-растения обладают вдвое большей фотосинтетической способностью, чем C3. растения и могут справляться с более высокими температурами, меньшим количеством воды и доступным азотом. Именно по этим причинам биохимики в настоящее время пытаются найти способы перенести черты C4 и CAM (эффективность процесса, устойчивость к высоким температурам, более высокая урожайность и устойчивость к засухе и засолению) в растения C3 как способ компенсировать изменения окружающей среды, с которыми сталкиваются глобальные потепление.
По крайней мере, некоторые модификации C3 считаются возможными, потому что сравнительные исследования показали, что эти растения уже обладают некоторыми рудиментарными генами, сходными по функциям с генами растений C4. В то время как гибриды C3 и C4 разрабатывались более пяти десятилетий, из-за несоответствия хромосом и гибридной стерильности успех оставался недосягаемым.
Будущее фотосинтеза
Возможность повышения продовольственной и энергетической безопасности привела к заметному увеличению исследований фотосинтеза. Фотосинтез обеспечивает нас пищей и клетчаткой, а также большинством наших источников энергии. Даже банк углеводородов, который находится в земной коре, был первоначально создан в результате фотосинтеза.
Поскольку ископаемое топливо истощается или люди должны ограничить использование ископаемого топлива чтобы предотвратить глобальное потепление – мир столкнется с проблемой замены этого энергоснабжения возобновляемыми ресурсами. Ожидать, что эволюция человека будет идти в ногу с темпами изменения климата в течение следующих 50 лет, нецелесообразно. Ученые надеются, что с использованием усовершенствованной геномики растения станут совсем другой историей.
Источники:
- Элерингер, младший; Серлинг, Т. «Фотосинтез C3 и C4» в «Энциклопедии глобального изменения окружающей среды», Munn, T .; Mooney, H.A .; Канаделл, Дж. Г., редакторы. С. 186–190. Джон Вили и сыновья. Лондон. 2002
- Керберг, О .; Пярник, Т .; Иванова, Х .; Bassüner, B .; Бауве, Х. «Фотосинтез C2 генерирует примерно в 3 раза повышенные уровни CO2 в листьях у промежуточных видов C3 – C4 в Journal of Experimental Botany 65 (13): 3649-3656. 2014 Flaveria pubescens “
- Matsuoka, M .; Furbank, R.T .; Fukayama, H .; Мияо, М. «Молекулярная инженерия фотосинтеза c4» в Ежегодном обзоре физиологии растений и молекулярной биологии растений . pp 297–314. 2014.
- Сейдж Р.Ф. «Эффективность фотосинтеза и концентрация углерода в наземных растениях: растворы C4 и CAM» в Журнале экспериментальной ботаники 65 (13), стр. 3323–3325. 2014
- Schoeninger, MJ «Анализ стабильных изотопов и эволюция рациона человека» в Annual Review of Anthropology 43, стр. 413–430. 2014
- Sponheimer, M .; Alemseged, Z .; Cerling, T.E .; Grine, F.E .; Kimbel, W.H .; Лики, М.Г .; Lee-Thorp, J.A .; Manthi, F.K .; Reed, K.E .; Wood, B.A .; и другие. «Изотопные доказательства ранних диет гомининов» в Proceedings of the National Academy of Sciences 110 (26), pp. 10513–10518. 2013
- Ван дер Мерве, Н. «Изотопы углерода, фотосинтез и археология» в American Scientist 70, pp 596– 606. 1982
Источник