La fotosintesi è il processo che le piante usano per trasformare luce, anidride carbonica e acqua in zuccheri che alimentano la crescita delle piante, utilizzando l’enzima fotosintetico primario Rubisco.
La maggior parte delle specie vegetali sulla Terra utilizza la fotosintesi C3, in cui il primo composto di carbonio prodotto contiene tre atomi di carbonio., In questo processo, l’anidride carbonica entra in una pianta attraverso i suoi stomi (pori microscopici sulle foglie delle piante), dove in mezzo a una serie di reazioni complesse, l’enzima Rubisco fissa il carbonio nello zucchero attraverso il ciclo di Calvin-Benson. Tuttavia, due restrizioni chiave rallentano la fotosintesi.
- Rubisco mira a fissare l’anidride carbonica, ma può anche fissare le molecole di ossigeno, che crea un composto tossico a due atomi di carbonio. Rubisco fissa ossigeno circa il 20 per cento del tempo, avviando un processo chiamato fotorespirazione che ricicla il composto tossico., La fotorespirazione costa l’energia della pianta che avrebbe potuto usare per fotosintetizzare.
- Quando gli stomi sono aperti per far entrare l’anidride carbonica, lasciano anche uscire il vapore acqueo, lasciando le piante C3 in svantaggio in siccità e ambienti ad alta temperatura.
Tuttavia, le piante hanno evoluto un’altra forma di fotosintesi per aiutare a ridurre queste perdite in ambienti caldi e asciutti. Nella fotosintesi C4, dove viene prodotto un composto a quattro atomi di carbonio, l’anatomia fogliare unica consente all’anidride carbonica di concentrarsi nelle cellule della “guaina del fascio” attorno a Rubisco., Questa struttura fornisce anidride carbonica direttamente a Rubisco, rimuovendo efficacemente il suo contatto con l’ossigeno e la necessità di fotorespirazione. Inoltre, questo adattamento consente alle piante di trattenere l’acqua attraverso la capacità di continuare a fissare il carbonio mentre gli stomi sono chiusi.
Le piante C4—tra cui mais, canna da zucchero e sorgo—evitano la fotorespirazione utilizzando un altro enzima chiamato PEP durante la prima fase della fissazione del carbonio. Questo passaggio avviene nelle cellule mesofille che si trovano vicino agli stomi dove l’anidride carbonica e l’ossigeno entrano nella pianta., Il PEP è più attratto dalle molecole di anidride carbonica ed è, quindi, molto meno probabile che reagisca con le molecole di ossigeno. PEP fissa l’anidride carbonica in una molecola a quattro atomi di carbonio, chiamata malato, che viene trasportata alle cellule della guaina del fascio più profonde che contengono Rubisco. Il malato viene poi scomposto in un composto che viene riciclato in PEP e anidride carbonica che Rubisco fissa in zuccheri—senza dover affrontare le molecole di ossigeno che sono abbondanti nelle cellule mesofille.,
Le piante C3 non hanno la struttura anatomica (senza cellule della guaina del fascio) né l’abbondanza di PEP carbossilasi per evitare la fotorespirazione come le piante C4. Un obiettivo del progetto RIPE è quello di creare un percorso più efficiente per la fotorespirazione per migliorare la produttività delle colture C3.
Il progetto RIPE sta anche lavorando per migliorare la fotosintesi nelle colture C3 per garantire una maggiore sicurezza alimentare in futuri scenari climatici., Gli impianti C3 sono limitati dall’anidride carbonica e possono beneficiare dell’aumento dei livelli di anidride carbonica atmosferica derivante dalla crisi climatica. Tuttavia, questo beneficio può essere compensato da un aumento simultaneo della temperatura che può causare stress stomatico.
Le piante C3 includono alcune delle più importanti fonti di calorie in tutto il mondo: cowpea, manioca, soia e riso. Le regioni in cui vengono coltivate queste colture sono spesso calde e secche, il che significa che potrebbero beneficiare dei meccanismi di risparmio energetico della fotosintesi C4., Mentre la fotosintesi C3 ha più spazio per migliorare, i nostri modelli di computer suggeriscono che possiamo migliorare entrambi i tipi di fotosintesi per aumentare la produzione di colture.
Di: Katherine Meacham-Hensold / / A cura di: Amanda Nguyen
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