Impianti C3, C4 e CAM: adattamenti ai cambiamenti climatici

Il cambiamento climatico globale sta causando aumenti delle temperature medie giornaliere, stagionali e annuali e aumenti dell'intensità, della frequenza e della durata delle temperature anormalmente basse e alte. La temperatura e altre variazioni ambientali hanno un impatto diretto sulla crescita delle piante e sono i principali fattori determinanti nella distribuzione delle piante. Poiché gli esseri umani fanno affidamento sulle piante, direttamente e indirettamente, una fonte di cibo cruciale, è fondamentale sapere quanto sono in grado di resistere e / o adattarsi al nuovo ordine ambientale.

Tutte le piante ingeriscono anidride carbonica atmosferica e convertirlo in zuccheri e amidi attraverso il processo di fotosintesi ma lo fanno in diversi modi. Il metodo (o via) di fotosintesi specifico utilizzato da ciascuna classe di piante è una variazione di una serie di reazioni chimiche chiamate Ciclo di Calvin. Queste reazioni influenzano il numero e il tipo di molecole di carbonio che una pianta crea, i luoghi in cui sono immagazzinate tali molecole e, soprattutto soprattutto per lo studio dei cambiamenti climatici, la capacità di una pianta di resistere a basse atmosfere di carbonio, temperature più elevate e acqua ridotta e azoto.

Questi processi di fotosintesi — designati dai botanici come C3, C4 e CAM — sono direttamente rilevanti per cambiamento climatico globale studia perché le piante C3 e C4 rispondono in modo diverso ai cambiamenti nella concentrazione atmosferica di anidride carbonica e ai cambiamenti di temperatura e disponibilità di acqua.

Gli esseri umani dipendono attualmente da specie vegetali che non prosperano in condizioni più calde, più secche e più irregolari. Mentre il pianeta continua a scaldarsi, i ricercatori hanno iniziato a esplorare i modi in cui le piante possono essere adattate al cambiamento dell'ambiente. La modifica dei processi di fotosintesi può essere un modo per farlo.

La stragrande maggioranza delle piante terrestri su cui facciamo affidamento per l'alimentazione umana e l'energia utilizza il percorso C3, che è il più antico dei percorsi per la fissazione del carbonio, ed è presente in piante di tutte le tassonomie. Quasi tutti i primati non umani esistenti in tutte le dimensioni del corpo, compresi i prosimiani, il nuovo e il vecchio mondo le scimmie e tutte le scimmie, anche quelle che vivono in regioni con piante C4 e CAM, dipendono dalle piante C3 per sostentamento.

• Specie: Cereali a grani come riso, Grano, soia, segale e orzo; verdure come la manioca, patate, spinaci, pomodori e patate dolci; alberi come Mela, pesca ed eucalipto
• Enzima: Ribulosio bisfosfato (RuBP o Rubisco) carbossilasi ossigenasi (Rubisco)
• Processi: Converti CO2 in un acido 3-fosfoglicerico composto di 3 carboni (o PGA)
• Dove viene riparato il carbonio: Tutte le cellule della mesofilla fogliare
• Tariffe della biomassa: Da -22% a -35%, con una media di -26,5%

Mentre il percorso C3 è il più comune, è anche inefficiente. Rubisco reagisce non solo con CO2 ma anche con O2, portando alla fotorespirazione, un processo che spreca carbonio assimilato. Nelle attuali condizioni atmosferiche, la potenziale fotosintesi nelle piante C3 è soppressa dall'ossigeno fino al 40%. L'entità di tale soppressione aumenta in condizioni di stress come siccità, alta luce e alte temperature. Con l'aumentare della temperatura globale, le piante C3 faranno fatica a sopravvivere e, dal momento che facciamo affidamento su di esse, anche noi.

Solo circa il 3% di tutte le specie di piante terrestri utilizza il percorso C4, ma domina quasi tutte le praterie nei tropici, subtropici e zone temperate calde. Le piante C4 includono anche colture altamente produttive come mais, sorgo e canna da zucchero. Mentre queste colture sono all'avanguardia nel campo della bioenergia, non sono del tutto adatte al consumo umano. Il mais è un'eccezione, tuttavia, non è veramente digeribile se non viene macinato in polvere. Il mais e altre piante coltivate vengono anche utilizzate come mangime per animali, convertendo l'energia in carne, un altro uso inefficiente delle piante.

• Specie: Comune nelle erbe foraggere di latitudini più basse, mais, sorgo, canna da zucchero, fonio, tef e papiro
• Enzima: Carbossilasi di fosfoenolpiruvato (PEP)
• Processi: Converti CO2 in intermedio a 4 atomi di carbonio
• Dove il carbonio è fisso: Le cellule della mesofilla (MC) e le cellule della guaina del fascio (BSC). I C4 hanno un anello di BSC che circonda ciascuna vena e un anello esterno di MC che circonda la guaina del fascio, nota come anatomia di Kranz.
• Tariffe della biomassa: Da -9 a -16%, con una media di -12,5%.

La fotosintesi C4 è una modifica biochimica del processo di fotosintesi C3 in cui il ciclo di stile C3 si verifica solo nelle cellule interne all'interno della foglia. Intorno alle foglie sono presenti cellule mesofilliche che contengono un enzima molto più attivo chiamato fosfoenolpiruvato (PEP) carbossilasi. Di conseguenza, le piante C4 prosperano nelle lunghe stagioni di crescita con un sacco di accesso alla luce solare. Alcuni sono anche tolleranti alla soluzione salina, consentendo ai ricercatori di valutare se le aree che hanno sperimentato la salinizzazione derivante da precedenti sforzi di irrigazione può essere ripristinata piantando C4 tollerante al sale specie.

La fotosintesi CAM è stata nominata in onore della famiglia di piante in cui crassulacean, la famiglia Stonecrop o la famiglia Orpine, è stata documentata per la prima volta. Questo tipo di fotosintesi è un adattamento alla scarsa disponibilità d'acqua e si verifica in orchidee e specie di piante succulente provenienti da regioni aride.

Nelle piante che utilizzano la fotosintesi CAM completa, gli stomi nelle foglie sono chiusi durante le ore diurne per ridurre l'evapotraspirazione e aperti di notte per assorbire l'anidride carbonica. Alcuni impianti C4 funzionano anche almeno parzialmente in modalità C3 o C4. In effetti, c'è persino una pianta chiamata Agave Angustifolia che passa da una modalità all'altra secondo il sistema locale.

• Specie: Cactus e altre piante grasse, Clusia, tequila agave, ananas.
• Enzima: Carbossilasi di fosfoenolpiruvato (PEP)
• Processi: Quattro fasi legate alla luce solare disponibile, Impianti CAM raccogliere CO2 durante il giorno e quindi fissare CO2 di notte come un intermedio a 4 atomi di carbonio.
• Dove il carbonio è fisso: vacuoli
• Tariffe della biomassa: Le tariffe possono rientrare negli intervalli C3 o C4.

Gli impianti CAM mostrano le più alte efficienze nell'uso dell'acqua negli impianti che consentono loro di fare bene in ambienti con acqua limitata, come i deserti semi-aridi. Con l'eccezione di ananas e alcuni Agave specie, come l'agave tequila, le piante CAM sono relativamente non sfruttate in termini di uso umano per le risorse alimentari ed energetiche.

L'insicurezza alimentare globale è già un problema estremamente acuto, che fa affidamento su cibo ed energia inefficienti genera un corso pericoloso, soprattutto quando non sappiamo come i cicli delle piante saranno influenzati man mano che la nostra atmosfera aumenta ricco di carbonio. Si ritiene che la riduzione della CO2 atmosferica e l'essiccazione del clima terrestre abbiano favorito l'evoluzione di C4 e CAM, che aumenta la possibilità allarmante che l'elevata CO2 possa invertire le condizioni che hanno favorito queste alternative a C3 fotosintesi.

Le prove dei nostri antenati mostrano che gli ominidi possono adattare la loro dieta ai cambiamenti climatici. Ardipithecus ramidus e Ar anamensis dipendevano entrambi dalle piante C3 ma quando un cambiamento climatico cambiò l'Africa orientale dalle regioni boscose alla savana circa quattro milioni di anni fa, le specie sopravvissute—Australopithecus afarensis e Platyops di Kenyanthropus—Erano consumatori misti C3 / C4. Di 2,5 milioni di anni fa, si erano evolute due nuove specie: Paranthropus, la cui attenzione si è spostata sulle fonti alimentari C4 / CAM e presto Homo sapiens che ha consumato entrambe le varietà vegetali C3 e C4.

Il processo evolutivo che ha trasformato le piante C3 in specie C4 si è verificato non una volta ma almeno 66 volte negli ultimi 35 milioni di anni. Questo passaggio evolutivo ha portato a migliori prestazioni fotosintetiche e maggiore efficienza nell'uso di acqua e azoto.

Di conseguenza, le piante C4 hanno una capacità fotosintetica doppia rispetto alle piante C3 e possono far fronte a temperature più elevate, meno acqua e azoto disponibile. È per questi motivi che i biochimici stanno attualmente cercando di trovare modi per spostare i tratti C4 e CAM (efficienza del processo, tolleranza temperature, rese più elevate e resistenza alla siccità e salinità) negli impianti C3 come un modo per compensare i cambiamenti ambientali affrontati dal globale il riscaldamento.

Almeno alcune modifiche al C3 sono ritenute possibili perché studi comparativi hanno dimostrato che queste piante possiedono già alcuni geni rudimentali simili in funzione a quelli delle piante C4. Mentre gli ibridi di C3 e C4 sono stati perseguiti per più di cinque decenni, a causa della mancata corrispondenza cromosomica e del successo della sterilità ibrida è rimasto fuori portata.

Il potenziale per migliorare la sicurezza alimentare ed energetica ha portato a notevoli aumenti della ricerca sulla fotosintesi. La fotosintesi fornisce il nostro approvvigionamento di cibo e fibre, nonché la maggior parte delle nostre fonti di energia. Anche la banca di idrocarburi che risiedono nella crosta terrestre è stato originariamente creato dalla fotosintesi.

Man mano che i combustibili fossili si esauriscono - o se gli esseri umani dovessero limitare l'uso di combustibili fossili per prevenire il riscaldamento globale - il mondo dovrà affrontare la sfida di sostituire quella fornitura di energia con risorse rinnovabili. Aspettarsi che l'evoluzione degli esseri umani tenga il passo con il tasso di cambiamento climatico nei prossimi 50 anni non è pratico. Gli scienziati sperano che con l'uso della genomica potenziata, le piante saranno un'altra storia.

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