Adattamenti ai cambiamenti climatici negli impianti C3, C4 e CAM

I cambiamenti climatici globali stanno 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.

Impatto ambientale sulla fotosintesi

Tutte le piante ingeriscono anidride carbonica atmosferica e la convertono 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 un insieme di reazioni chimiche chiamato 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 per lo studio dei cambiamenti climatici, la capacità di una pianta di resistere a basse emissioni di carbonio, temperature più elevate e acqua e azoto ridotti.

Questi processi di fotosintesi, designati dai botanici come C3, C4 e CAM, sono direttamente rilevanti per gli studi sui cambiamenti climatici globali perché le piante C3 e C4 rispondono in modo diverso ai cambiamenti nella concentrazione atmosferica di biossido di carbonio 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. 

Piante C3

La stragrande maggioranza delle piante terrestri su cui facciamo affidamento per l'alimentazione umana e l'energia usa 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, le scimmie del vecchio e del vecchio mondo e tutte le scimmie, anche quelle che vivono in regioni con piante C4 e CAM, dipendono dalle piante C3 per il sostentamento.

• Specie: Cereali a grani come riso, grano, soia, segale e orzo; verdure come 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, poiché facciamo affidamento su di esse, anche noi.

Piante C4

Solo circa il 3% di tutte le specie di piante terrestri utilizza la via C4, ma domina quasi tutte le praterie dei tropici, subtropicali 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 inferiori, 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: -Dal 9 al -16%, con una media del -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 di mesofilla 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 persino tolleranti alla soluzione salina, consentendo ai ricercatori di valutare se le aree che hanno subito la salinizzazione derivante da precedenti sforzi di irrigazione possano essere ripristinate piantando specie C4 tolleranti al sale.

Piante CAM

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 vengono 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, gli impianti CAM raccolgono CO2 durante il giorno e quindi fissano CO2 durante la notte come un intermedio a 4 emissioni 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 alcune specie di agave, come l'agave tequila, le piante CAM sono relativamente non sfruttate in termini di uso umano per le risorse alimentari ed energetiche.

Evoluzione e ingegneria possibile

L'insicurezza alimentare globale è già un problema estremamente acuto, che rende pericolosa la continua dipendenza da fonti alimentari ed energetiche inefficienti, soprattutto quando non sappiamo come saranno influenzati i cicli delle piante man mano che la nostra atmosfera diventerà più ricca di carbonio. Si ritiene che la riduzione della CO2 atmosferica e l'essiccazione del clima terrestre abbiano favorito l'evoluzione di C4 e CAM, il che aumenta la possibilità allarmante che l'elevata CO2 possa invertire le condizioni che hanno favorito queste alternative alla fotosintesi C3.

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 ha cambiato 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.

Adattamento da C3 a 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. Per questi motivi, i biochimici stanno attualmente cercando di trovare modi per spostare i tratti C4 e CAM (efficienza del processo, tolleranza alle alte temperature, rese più elevate e resistenza alla siccità e alla salinità) negli impianti C3 come un modo per compensare i cambiamenti ambientali affrontati dal globale 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 il successo della sterilità ibrida è rimasto fuori portata.

Il futuro della fotosintesi

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

Con l'esaurimento dei combustibili fossili - 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 l'approvvigionamento energetico con risorse rinnovabili. Aspettando l'evoluzione degli umanitenere 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.

fonti:

• Ehleringer, J.R .; Cerling, T.E. "Fotosintesi C3 e C4" in "Encyclopedia of Global Environmental Change", Munn, T .; Mooney, H.A .; Canadell, J.G., editori. pp 186-190. John Wiley and Sons. Londra. 2002
• Keerberg, O .; Pärnik, T .; Ivanova, H .; Bassüner, B .; Bauwe, H. "La fotosintesi C2 genera circa 3 volte livelli elevati di CO2 fogliare nelle specie intermedie C3-C4 in Journal of Experimental Botany 65 (13): 3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M .; Furbank, R.T .; Fukayama, H .; Miyao, M. "Ingegneria molecolare della fotosintesi c4" in Revisione annuale di fisiologia vegetale e biologia molecolare delle piante. pp 297-314. 2014.
• Sage, R.F. "Efficienza fotosintetica e concentrazione di carbonio nelle piante terrestri: le soluzioni C4 e CAM" in Journal of Experimental Botany 65 (13), pagg. 3323-3325. 2014
• Schoeninger, M.J. "Analisi di isotopi stabili ed evoluzione delle diete umane" in Revisione annuale di antropologia 43, pagg. 413-430. 2014
• Sponheimer, M .; Alemseged, Z .; Cerling, T.E .; Grine, F.E .; Kimbel, W.H .; Leakey, M.G .; Lee-Thorp, J.A .; Manthi, F.K .; Reed, K.E .; Wood, B.A .; et al. "Prove isotopiche delle prime diete omininiche" in Atti della National Academy of Sciences 110 (26), pagg. 10513-10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Isotopi del carbonio, fotosintesi e archeologia" in Scienziato americano 70, pp 596-606. 1982