Instalasi C3, C4, dan CAM: Adaptasi Perubahan Iklim

Perubahan iklim global menghasilkan peningkatan suhu rata-rata harian, musiman, dan tahunan, dan peningkatan intensitas, frekuensi, dan durasi suhu rendah dan tinggi yang tidak normal. Suhu dan variasi lingkungan lainnya memiliki dampak langsung pada pertumbuhan tanaman dan merupakan faktor penentu utama dalam distribusi tanaman. Karena manusia bergantung pada tanaman — secara langsung dan tidak langsung — sumber makanan penting, mengetahui seberapa baik mereka mampu bertahan dan / atau menyesuaikan diri dengan tatanan lingkungan baru sangat penting.

Semua tanaman menelan karbon dioksida atmosfer dan mengubahnya menjadi gula dan pati melalui proses fotosintesis tetapi mereka melakukannya dengan cara yang berbeda. Metode fotosintesis khusus (atau jalur) yang digunakan oleh setiap kelas tanaman adalah variasi dari serangkaian reaksi kimia yang disebut Calvin Cycle. Reaksi-reaksi ini berdampak pada jumlah dan jenis molekul karbon yang dibuat oleh suatu tanaman, tempat penyimpanan molekul-molekul itu, dan, sebagian besar penting untuk studi perubahan iklim, kemampuan pabrik untuk menahan atmosfer rendah karbon, suhu lebih tinggi, dan berkurangnya air dan nitrogen.

Proses-proses fotosintesis ini - yang ditunjuk oleh para ahli botani sebagai C3, C4, dan CAM, - berhubungan langsung dengan perubahan iklim global Studi karena tanaman C3 dan C4 merespon secara berbeda terhadap perubahan konsentrasi karbon dioksida atmosfer dan perubahan suhu dan ketersediaan air.

Manusia saat ini bergantung pada spesies tanaman yang tidak tumbuh subur dalam kondisi yang lebih panas, pengering, dan lebih tak menentu. Ketika planet ini terus memanas, para peneliti telah mulai mengeksplorasi cara-cara di mana tanaman dapat disesuaikan dengan lingkungan yang berubah. Memodifikasi proses fotosintesis dapat menjadi salah satu cara untuk melakukannya.

Sebagian besar tanaman darat yang kita andalkan untuk makanan dan energi manusia menggunakan jalur C3, yang merupakan jalur tertua untuk fiksasi karbon, dan ditemukan pada tanaman dari semua taksonomi. Hampir semua primata bukan manusia yang masih ada di semua ukuran tubuh, termasuk prosimia, dunia baru dan lama monyet, dan semua kera — bahkan mereka yang tinggal di daerah dengan tanaman C4 dan CAM — bergantung pada tanaman C3 untuk rezeki.

• Jenis: Sereal biji-bijian seperti beras, gandum, kedelai, gandum hitam, dan jelai; sayuran seperti singkong, kentang, bayam, tomat, dan ubi jalar; pohon seperti apel, persik, dan kayu putih
• Enzim: Ribulose bisphosphate (RuBP atau Rubisco) carboxylase oxygenase (Rubisco)
• Proses: Konversi CO2 menjadi senyawa 3-karbon asam 3-fosfogliserat (atau PGA)
• Dimana Karbon Diperbaiki: Semua sel mesofil daun
• Tingkat Biomassa: -22% hingga -35%, dengan rata-rata -26.5%

Meskipun jalur C3 adalah yang paling umum, jalur ini juga tidak efisien. Rubisco bereaksi tidak hanya dengan CO2 tetapi juga O2, yang mengarah ke fotorespirasi, suatu proses yang membuang karbon yang berasimilasi. Dalam kondisi atmosfer saat ini, fotosintesis potensial pada tanaman C3 ditekan oleh oksigen sebanyak 40%. Tingkat penekanan yang meningkat dalam kondisi stres seperti kekeringan, cahaya tinggi, dan suhu tinggi. Ketika suhu global meningkat, pabrik C3 akan berjuang untuk bertahan hidup — dan karena kita bergantung pada mereka, kita juga akan demikian.

Hanya sekitar 3% dari semua spesies tanaman darat menggunakan jalur C4, tetapi mereka mendominasi hampir semua padang rumput di daerah tropis, subtropis, dan zona beriklim hangat. Tanaman C4 juga termasuk tanaman yang sangat produktif seperti jagung, sorgum, dan tebu. Sementara tanaman ini memimpin ladang untuk bioenergi, mereka tidak sepenuhnya cocok untuk konsumsi manusia. Pengecualian adalah jagung, namun, itu tidak benar-benar dapat dicerna kecuali digiling menjadi bubuk. Jagung dan tanaman pangan lainnya juga digunakan sebagai pakan ternak, mengubah energi menjadi daging - penggunaan tanaman lainnya yang tidak efisien.

• Jenis: Umum di rumput hijauan dari lintang yang lebih rendah, jagung, sorgum, tebu, fonio, tef, dan papirus
• Enzim: Phosphoenolpyruvate (PEP) carboxylase
• Proses: Ubah CO2 menjadi perantara 4-karbon
• Di mana Karbon Diperbaiki: Sel mesofil (MC) dan sel bundel selubung (BSC). C4 memiliki cincin BSC yang mengelilingi masing-masing vena dan cincin luar MC yang mengelilingi selubung bundel, yang dikenal sebagai anatomi Kranz.
• Tingkat Biomassa: -9 hingga -16%, dengan rata-rata -12,5%.

Fotosintesis C4 adalah modifikasi biokimia dari proses fotosintesis C3 di mana siklus gaya C3 hanya terjadi pada sel-sel interior di dalam daun. Yang mengelilingi daun adalah sel mesofil yang mengandung enzim yang jauh lebih aktif yang disebut fosfoenolpiruvat (PEP) karboksilase. Akibatnya, tanaman C4 tumbuh subur di musim tanam yang panjang dengan banyak akses ke sinar matahari. Beberapa di antaranya bahkan toleran terhadap salin, memungkinkan para peneliti untuk mempertimbangkan apakah daerah itu pernah mengalami salinisasi yang dihasilkan dari upaya irigasi di masa lalu dapat dipulihkan dengan menanam C4 yang tahan garam jenis.

Fotosintesis CAM dinamai untuk menghormati keluarga tumbuhan di mana Crassulacean, keluarga stonecrop atau keluarga orpine, pertama kali didokumentasikan. Fotosintesis jenis ini merupakan adaptasi terhadap ketersediaan air yang rendah dan terjadi pada anggrek dan spesies tanaman sukulen dari daerah kering.

Pada tanaman yang menggunakan fotosintesis CAM penuh, stomata dalam daun ditutup pada siang hari untuk mengurangi evapotranspirasi dan terbuka pada malam hari untuk menyerap karbon dioksida. Beberapa tanaman C4 juga berfungsi setidaknya sebagian dalam mode C3 atau C4. Bahkan, ada tanaman yang disebut Agave Angustifolia yang beralih bolak-balik antara mode seperti yang ditentukan sistem lokal.

• Jenis: Kaktus dan sukulen lainnya, Clusia, tequila agave, nanas.
• Enzim: Phosphoenolpyruvate (PEP) carboxylase
• Proses: Empat fase yang terikat pada sinar matahari yang tersedia, Tanaman CAM mengumpulkan CO2 di siang hari dan kemudian memperbaiki CO2 di malam hari sebagai perantara 4 karbon.
• Di mana Karbon Diperbaiki: Vakuola
• Tingkat Biomassa: Tarif bisa jatuh ke kisaran C3 atau C4.

Tanaman CAM menunjukkan efisiensi penggunaan air tertinggi pada tanaman yang memungkinkannya bekerja dengan baik di lingkungan yang terbatas air, seperti gurun semi-kering. Dengan pengecualian nanas dan sedikit Agave spesies, seperti tequila agave, tanaman CAM relatif tidak dieksploitasi dalam hal penggunaan manusia untuk makanan dan sumber daya energi.

Kerawanan pangan global sudah merupakan masalah yang sangat akut, menyebabkan ketergantungan terus pada makanan dan energi yang tidak efisien sumber kursus berbahaya, terutama ketika kita tidak tahu bagaimana siklus tanaman akan terpengaruh saat atmosfer kita menjadi lebih kaya karbon. Pengurangan CO2 atmosfer dan pengeringan iklim Bumi diperkirakan telah mempromosikan evolusi C4 dan CAM, yang mana meningkatkan kemungkinan yang mengkhawatirkan bahwa peningkatan CO2 dapat membalikkan kondisi yang mendukung alternatif-alternatif ini daripada C3 fotosintesis.

Bukti dari nenek moyang kita menunjukkan bahwa hominid dapat menyesuaikan pola makan mereka dengan perubahan iklim. Ardipithecus ramidus dan Ar anamensis Keduanya bergantung pada tanaman C3 tetapi ketika perubahan iklim mengubah Afrika timur dari daerah berhutan menjadi sabana sekitar empat juta tahun yang lalu, spesies yang selamat—Australopithecus afarensis dan Kenyanthropus platyops—Adalah konsumen campuran C3 / C4. Pada 2,5 juta tahun yang lalu, dua spesies baru telah berevolusi: Paranthropus, yang fokusnya beralih ke sumber makanan C4 / CAM, dan lebih awal Homo sapiens yang mengkonsumsi varietas tanaman C3 dan C4.

Proses evolusi yang mengubah tanaman C3 menjadi spesies C4 telah terjadi tidak hanya sekali tetapi setidaknya 66 kali dalam 35 juta tahun terakhir. Langkah evolusi ini mengarah pada peningkatan kinerja fotosintesis dan peningkatan efisiensi penggunaan air dan nitrogen.

Akibatnya, tanaman C4 memiliki kapasitas fotosintesis dua kali lipat dari tanaman C3 dan dapat mengatasi suhu yang lebih tinggi, lebih sedikit air, dan nitrogen yang tersedia. Karena alasan ini, ahli biokimia saat ini berusaha menemukan cara untuk memindahkan sifat C4 dan CAM (efisiensi proses, toleransi yang tinggi suhu, hasil lebih tinggi, dan ketahanan terhadap kekeringan dan salinitas) ke dalam pabrik C3 sebagai cara untuk mengimbangi perubahan lingkungan yang dihadapi oleh global pemanasan.

Setidaknya beberapa modifikasi C3 diyakini mungkin karena studi perbandingan telah menunjukkan tanaman ini sudah memiliki beberapa gen dasar yang fungsinya mirip dengan tanaman C4. Sementara hibrida C3 dan C4 telah dikejar lebih dari lima dekade, karena ketidakcocokan kromosom dan kemandulan hibrida tetap tidak terjangkau.

Potensi untuk meningkatkan ketahanan pangan dan energi telah menyebabkan peningkatan yang nyata dalam penelitian fotosintesis. Fotosintesis menyediakan pasokan makanan dan serat, serta sebagian besar sumber energi kami. Bahkan bank hidrokarbon yang berada di kerak bumi pada awalnya diciptakan oleh fotosintesis.

Ketika bahan bakar fosil habis — atau seandainya manusia membatasi penggunaan bahan bakar fosil untuk mencegah pemanasan global — dunia akan menghadapi tantangan untuk mengganti pasokan energi itu dengan sumber daya terbarukan. Mengharapkan evolusi manusia untuk mengikuti laju perubahan iklim selama 50 tahun ke depan tidak praktis. Para ilmuwan berharap bahwa dengan penggunaan genomika yang ditingkatkan, tanaman akan menjadi cerita lain.

• Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. "Fotosintesis C3 dan C4" dalam "Ensiklopedia Perubahan Lingkungan Global," Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J.G., editor. hlm 186-190. John Wiley and Sons. London. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H. "Fotosintesis C2 menghasilkan sekitar 3 kali lipat kadar CO2 daun pada spesies antara C3-C4 di Jurnal Botani Eksperimental 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; Fukayama, H.; Miyao, M. "Rekayasa molekuler fotosintesis c4" di Tinjauan Tahunan Fisiologi Tumbuhan dan Biologi Molekuler Tumbuhan. hlm 297–314. 2014.
• Sage, R.F. "Efisiensi fotosintesis dan konsentrasi karbon pada tanaman terestrial: solusi C4 dan CAM " di Jurnal Botani Eksperimental 65 (13), hlm. 3323–3325. 2014
• Schoeninger, M.J. "Analisis Isotop Stabil dan Evolusi Diet Manusia " di Ulasan Tahunan Antropologi 43, hlm. 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. "Bukti isotop dari diet hominin awal " di Prosiding Akademi Sains Nasional 110 (26), hlm. 10513–10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Isotop Karbon, Fotosintesis, dan Arkeologi" di Ilmuwan Amerika 70, hal. 596–606. 1982