Die Photosynthese ist der Prozess, mit dem Pflanzen Licht, Kohlendioxid und Wasser mithilfe des primären photosynthetischen Enzyms Rubisco in Zucker umwandeln, die das Pflanzenwachstum antreiben Rubisco.
Die Mehrheit der Pflanzenarten auf der Erde verwendet C3-Photosynthese, bei der die erste produzierte Kohlenstoffverbindung drei Kohlenstoffatome enthält., In diesem Prozess gelangt Kohlendioxid durch seine Stomata (mikroskopische Poren auf Pflanzenblättern) in eine Pflanze, wo das Enzym Rubisco Kohlenstoff durch den Calvin-Benson-Zyklus in Zucker fixiert. Zwei wichtige Einschränkungen verlangsamen jedoch die Photosynthese.
- Rubisco zielt darauf ab, Kohlendioxid zu fixieren, kann aber auch Sauerstoffmoleküle fixieren, wodurch eine toxische Zwei-Kohlenstoff-Verbindung entsteht. Rubisco fixiert Sauerstoff etwa 20 Prozent der Zeit und initiiert einen Prozess namens Photorespiration, der die toxische Verbindung recycelt., Die Fotorespiration kostet die Pflanzenenergie, die sie zur Photosynthese hätte verwenden können.
- Wenn Stomata offen sind, um Kohlendioxid einzulassen, lassen sie auch Wasserdampf aus und lassen die Pflanzen in Dürre-und Hochtemperaturumgebungen benachteiligt.
Pflanzen haben jedoch eine andere Form der Photosynthese entwickelt, um diese Verluste in heißen, trockenen Umgebungen zu reduzieren. Bei der C4-Photosynthese, bei der eine Vier-Kohlenstoff-Verbindung hergestellt wird, ermöglicht die einzigartige Blattanatomie, dass sich Kohlendioxid in „Bündelhüllenzellen“ um Rubisco konzentriert., Diese Struktur liefert Kohlendioxid direkt an Rubisco, wodurch der Kontakt mit Sauerstoff und die Notwendigkeit einer Fotorespiration effektiv beseitigt werden. Darüber hinaus ermöglicht diese Anpassung Pflanzen, Wasser durch die Fähigkeit zu speichern, Kohlenstoff weiter zu fixieren, während die Stomata geschlossen sind.
C4-Pflanzen—einschließlich Mais, Zuckerrohr und Sorghum-vermeiden die Photorespiration, indem Sie während des ersten Schritts der Kohlenstofffixierung ein anderes Enzym namens PEP verwenden. Dieser Schritt findet in den Mesophyllzellen statt, die sich in der Nähe der Stomata befinden, wo Kohlendioxid und Sauerstoff in die Pflanze gelangen., PEP wird mehr von Kohlendioxidmolekülen angezogen und reagiert daher viel seltener mit Sauerstoffmolekülen. PEP fixiert Kohlendioxid in ein Vier-Kohlenstoff-Molekül, genannt Malat, das zu den tieferen Bündelhüllenzellen transportiert wird, die Rubisco enthalten. Das Malat wird dann in eine Verbindung zerlegt, die in PEP und Kohlendioxid zurückgeführt wird, die Rubisco in Zucker fixiert—ohne sich mit den Sauerstoffmolekülen befassen zu müssen, die in den Mesophyllzellen reichlich vorhanden sind.,
C3-Pflanzen haben nicht die anatomische Struktur (keine Bündelhüllenzellen) noch die Fülle von PEP-Carboxylase, um Fotorespiration wie C4-Pflanzen zu vermeiden. Ein Schwerpunkt des RIPE-Projekts besteht darin, einen effizienteren Weg für die Fotorespiration zu schaffen, um die Produktivität von C3-Pflanzen zu verbessern.
Das RIPE-Projekt arbeitet auch daran, die Photosynthese in C3-Kulturen zu verbessern, um eine größere Ernährungssicherheit unter zukünftigen Klimaszenarien zu gewährleisten., C3-Pflanzen sind durch Kohlendioxid begrenzt und können von zunehmendem atmosphärischem Kohlendioxid infolge der Klimakrise profitieren. Dieser Vorteil kann jedoch durch einen gleichzeitigen Temperaturanstieg ausgeglichen werden, der stomatalen Stress verursachen kann.
Diese Pflanzen enthalten einige der wichtigsten Kalorienquellen auf der ganzen Welt: Kuhfladen, Maniok, Sojabohnen und Reis. Die Regionen, in denen diese Pflanzen angebaut werden, sind oft heiß und trocken, was bedeutet, dass sie von den energiesparenden Mechanismen der C4-Photosynthese profitieren könnten., Während die C3-Photosynthese mehr Raum für Verbesserungen bietet, schlagen unsere Computermodelle vor, dass wir beide Arten der Photosynthese verbessern können, um die Pflanzenproduktion zu steigern.
Von: Katherine Meacham-Hensold / / Herausgegeben von: Amanda Nguyen
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