Die interessanten Wege wie Pflanzen CO2 und Licht nutzen, um Zucker und Sauerstoff herzustellen: C3, C4, CAM Photosynthese

Stellen Sie sich vor, Sie gehen Lebensmittel einkaufen und auf Ihre Einkaufsliste stehen: Maiskolben, Kartoffeln und frische Ananas. Ihre Einkaufsliste ist komplexer als Sie im ersten Moment vielleicht denken. Jeder Artikel ist eine Pflanze, die Photosynthese betreibt. Aber wussten Sie, dass sich die Pflanzen darin unterscheiden, wie sie Zucker und Sauerstoff (O₂) aus Licht und Kohlenstoffdioxid (CO₂) erzeugen?

Es gibt drei Haupttypen der Photosynthese - C₃, C₄ und CAM -, die unterschiedliche Vor- und Nachteile aufweisen. Aus diesem Grund werden die Typen vorzugsweise in speziellen Umgebungen vorgefunden, z.B. sind C₄-Pflanzen vor allem in offenen Lebensräumen in warmen und trockenen Regionen anzutreffen.
Atmosphärisches CO₂ liefert Kohlenstoff, der wichtigste Bestandteil von Zucker. Alle Pflanzen nehmen CO₂ mit Hilfe des Enzyms Rubisco auf, welches ein Teil des sogenannten Calvin-Zyklus ist. Manchmal verwendet Rubisco versehentlich O₂. Dies führt zu einem giftigen Substrat, welches durch den PCO-Stoffwechselweg recycelt werden muss. Dieser Stoffwechselweg führt zu signifikanten Verlusten von Kohlenstoff und Energie.
Während C₃-Pflanzen den Calvin-Zyklus in dem Standardzelltyp des Blattes, den sogenannten Mesophyllzellen, betreiben, benutzen C₄-Pflanzen diesen in einem speziellen Zelltyp, den Bündelscheidenzellen. C₄-Pflanzen verwenden das Enzym PEPC für die initiale Kohlenstoffaufnahme. Dieses Enzym verwendet ausschließlich CO₂, das Produkt dieses Schrittes ist eine C₄-Säure. Diese Säure wird in den speziellen Zelltyp transportiert und dort aufgespalten, sodass das CO₂ wieder freigelassen wird. Dies erzeugt eine lokale, hohe CO₂-Konzentration um Rubisco und vermeidet so Verluste, die durch die Anwesenheit von O₂ verursacht würden. Der sogenannte C₄-Zyklus geht mit zusätzlichen Energiekosten einher. Aus diesem Grund benötigen C₄-Pflanzen Lebensräume mit ausreichend hoher Lichteinstrahlung. In trockenen und warmen Regionen müssen Pflanzen den Verlust von Wasser verhindern, dies geht mit unzureichendem Zugang zu CO₂ einher. Daher dominieren C₄-Pflanzen offene Lebensräume in warmen und trockenen Regionen.

CAM-Pflanzen, genau wie C₄-Pflanzen, separieren die CO₂-Aufnahme von Rubisco. In CAM werden diese zeitlich voneinander getrennt: Rubisco und der Calvin-Zyklus sind während des Tages aktiv, wenn die Sonne ausreichend Energie zur Verfügung stellt. Nachts, wenn die Temperaturen niedrig sind und der Verlust von Wasser minimal ist, wird CO₂ aufgenommen. Diese Art der Photosynthese nutzt Wasser sehr effizient.

In meinem Promotionsprojekt entwickle ich ein mathematisches Modell, um den Effekt von Umweltfaktoren, wie Licht und Temperatur, auf die Effizienz der CO₂-Aufnahme vorherzusagen. Dieses Modell kann dazu verwendet werden, um C₃- und C₄-Photosynthese und den Effekt von Umweltfaktoren auf die C₄-Evolution besser zu verstehen. So tragen wir dazu bei Strategien zu finden, wie man Pflanzen für heutige und zukünftige Anforderungen anpassen kann.