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.

Esther Sundermann, Institut für Computational Cell Biology, Heinrich Heine Universität Düsseldorf


Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Zum Nachlesen

Sage RF, Sage TL, & Kocacinar F (2012) Photorespiration and the evolution of C4 photosynthesis. Annual review of plant biology 63:19-47.

Über den Autor

Verfasst wurde der Planter’s Punch von Esther Sundermann, Mitglied der CEPLAS Graduiertenschule. In ihrer Doktorarbeit beschäftigt sie sich mit der C3 und C4 Photosynthese und möchte den Effekt durch Umwelteinflüsse, wie z.B. Licht oder Temperatur, untersuchen. Daher entwickelt Esther ein mathematisches Modell, um den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Effizient der CO2 Aufnahme vorhersagen zu können.

 

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich