Plantas C3, C4 e CAM: adaptações às mudanças climáticas

A mudança climática global está resultando em aumentos nas temperaturas médias diárias, sazonais e anuais, e aumentos na intensidade, frequência e duração de temperaturas anormalmente baixas e altas. A temperatura e outras variações ambientais têm um impacto direto no crescimento das plantas e são os principais fatores determinantes na distribuição das plantas. Como os humanos confiam nas plantas - direta e indiretamente - uma fonte crucial de alimentos, é crucial saber o quanto eles são capazes de resistir e / ou se adaptar à nova ordem ambiental.

Todas as plantas ingerem dióxido de carbono atmosférico e convertê-lo em açúcares e amidos através do processo de fotossíntese mas eles fazem isso de maneiras diferentes. O método específico de fotossíntese (ou via) usado por cada classe de planta é uma variação de um conjunto de reações químicas denominadas Ciclo de Calvin. Essas reações afetam o número e o tipo de moléculas de carbono que uma planta cria, os locais onde essas moléculas são armazenadas e, a maioria importante para o estudo das mudanças climáticas, a capacidade de uma planta de suportar atmosferas de baixo carbono, temperaturas mais altas e água e azoto.

Esses processos de fotossíntese - designados por botânicos como C3, C4 e CAM - são diretamente relevantes para alterações climáticas globais estudos porque as plantas C3 e C4 respondem diferentemente às mudanças na concentração atmosférica de dióxido de carbono e às mudanças na temperatura e disponibilidade de água.

Atualmente, os seres humanos dependem de espécies vegetais que não prosperam em condições mais quentes, secas e mais erráticas. Enquanto o planeta continua a aquecer, os pesquisadores começaram a explorar maneiras pelas quais as plantas podem ser adaptadas às mudanças no ambiente. Modificar os processos de fotossíntese pode ser uma maneira de fazer isso.

A grande maioria das plantas terrestres em que confiamos para alimentação e energia humana usa a via C3, que é a mais antiga das vias para fixação de carbono, e é encontrada em plantas de todas as taxonomias. Quase todos os primatas não humanos existentes em todos os tamanhos de corpo, incluindo prosimianos, mundo novo e velho macacos e todos os macacos - mesmo aqueles que vivem em regiões com plantas C4 e CAM - dependem das plantas C3 para sustento.

• Espécies: Cereais, como arroz, trigosoja, centeio e cevada; vegetais como mandioca, batatas, espinafre, tomate e inhame; árvores como maçã, pêssego e eucalipto
• Enzima: Bisfosfato de ribulose (RuBP ou Rubisco) carboxilase oxigenase (Rubisco)
• Processo: Converter CO2 em um composto de 3 carbonos de ácido 3-fosfoglicerílico (ou PGA)
• Onde o carbono é fixo: Todas as células mesófilas das folhas
• Taxas de biomassa: -22% a -35%, com média de -26,5%

Embora a via C3 seja a mais comum, ela também é ineficiente. Rubisco reage não apenas com CO2, mas também com O2, levando à fotorrespiração, um processo que desperdiça carbono assimilado. Sob as condições atmosféricas atuais, a fotossíntese em potencial nas plantas C3 é suprimida pelo oxigênio em até 40%. A extensão dessa supressão aumenta sob condições de estresse, como seca, luz alta e altas temperaturas. À medida que as temperaturas globais aumentam, as plantas C3 lutam para sobreviver - e, como somos dependentes delas, também o faremos.

Apenas cerca de 3% de todas as espécies de plantas terrestres usam a via C4, mas dominam quase todas as pastagens nos trópicos, subtrópicos e zonas temperadas quentes. As plantas C4 também incluem culturas altamente produtivas, como milho, sorgo e cana-de-açúcar. Embora essas culturas liderem o campo da bioenergia, elas não são totalmente adequadas para o consumo humano. O milho é a exceção, no entanto, não é verdadeiramente digerível, a menos que seja moído em pó. O milho e outras plantas de cultivo também são usadas como ração animal, convertendo a energia em carne - outro uso ineficiente das plantas.

• Espécies: Comum em gramíneas forrageiras de latitudes mais baixas, milho, sorgo, cana-de-açúcar, fonio, tef e papiro
• Enzima: Fosfoenolpiruvato (PEP) carboxilase
• Processo: Converter CO2 em intermediário de 4 carbonos
• Onde o carbono é fixo: As células mesófilas (MC) e as células da bainha do feixe (BSC). Os C4s têm um anel de BSCs ao redor de cada veia e um anel externo de MCs ao redor da bainha do feixe, conhecida como anatomia de Kranz.
• Taxas de biomassa: -9 a -16%, com média de -12,5%.

A fotossíntese C4 é uma modificação bioquímica do processo de fotossíntese C3, em que o ciclo do estilo C3 ocorre apenas nas células interiores da folha. Ao redor das folhas estão células mesofilas que contêm uma enzima muito mais ativa chamada fosfoenolpiruvato (PEP) carboxilase. Como resultado, as plantas C4 prosperam em longas estações de crescimento com muito acesso à luz solar. Alguns são até tolerantes à solução salina, permitindo que os pesquisadores considerem se as áreas que sofreram salinização resultante de esforços de irrigação passados ​​pode ser restaurada plantando C4 tolerante a sal espécies.

A fotossíntese CAM foi nomeada em homenagem à família de plantas em que Crassulacean, a família stonecrop ou a família orpine, foi documentada pela primeira vez. Este tipo de fotossíntese é uma adaptação à baixa disponibilidade de água e ocorre em orquídeas e espécies de plantas suculentas de regiões áridas.

Nas plantas que empregam fotossíntese CAM completa, os estômatos das folhas são fechados durante o dia para diminuir a evapotranspiração e abertos à noite para absorver dióxido de carbono. Algumas plantas C4 também funcionam pelo menos parcialmente no modo C3 ou C4. De fato, existe até uma planta chamada Agave Angustifolia que alterna entre os modos conforme o sistema local exigir.

• Espécies: Cactos e outras suculentas, Clusia, tequila agave, abacaxi.
• Enzima: Fosfoenolpiruvato (PEP) carboxilase
• Processo: Quatro fases ligadas à luz solar disponível, Plantas CAM colete CO2 durante o dia e depois fixe CO2 à noite como um intermediário de 4 carbonos.
• Onde o carbono é fixo: Vacuoles
• Taxas de biomassa: As taxas podem cair nos intervalos C3 ou C4.

As plantas CAM exibem as mais altas eficiências de uso da água em plantas, o que lhes permite ter um bom desempenho em ambientes com pouca água, como desertos semi-áridos. Com exceção do abacaxi e alguns agave espécies, como a agave de tequila, as plantas CAM são relativamente inexploradas em termos de uso humano para recursos alimentares e energéticos.

A insegurança alimentar global já é um problema extremamente grave, tornando a dependência contínua de alimentos e energia ineficientes origina um curso perigoso, especialmente quando não sabemos como os ciclos das plantas serão afetados à medida que nossa atmosfera se torna mais rico em carbono. Pensa-se que a redução do CO2 atmosférico e a secagem do clima da Terra tenham promovido a evolução de C4 e CAM, que aumenta a possibilidade alarmante de que o CO2 elevado possa reverter as condições que favorecem essas alternativas ao C3 fotossíntese.

Evidências de nossos ancestrais mostram que os hominídeos podem adaptar sua dieta às mudanças climáticas. Ardipithecus ramidus e Ar anamensis ambos dependiam de plantas C3, mas quando uma mudança climática alterou o leste da África de regiões arborizadas para savanas há cerca de quatro milhões de anos, as espécies que sobreviveram -Australopithecus afarensis e Platyops de Kenyanthropus- eram consumidores mistos de C3 / C4. Há 2,5 milhões de anos, duas novas espécies haviam evoluído: Paranthropus, cujo foco mudou para as fontes de alimentos C4 / CAM, e Homo sapiens que consumiram as variedades de plantas C3 e C4.

O processo evolutivo que transformou as plantas C3 em espécies C4 ocorreu não uma vez, mas pelo menos 66 vezes nos últimos 35 milhões de anos. Este passo evolutivo levou ao desempenho fotossintético aprimorado e ao aumento da eficiência no uso de água e nitrogênio.

Como resultado, as plantas C4 têm o dobro da capacidade fotossintética que as plantas C3 e podem lidar com temperaturas mais altas, menos água e nitrogênio disponível. É por esses motivos que os bioquímicos estão atualmente tentando encontrar maneiras de mover as características C4 e CAM (eficiência do processo, tolerância a altas temperaturas, rendimentos mais altos e resistência à seca e salinidade) nas plantas C3 como forma de compensar as mudanças ambientais enfrentadas pelas aquecimento.

Acredita-se que pelo menos algumas modificações em C3 sejam possíveis, porque estudos comparativos demonstraram que essas plantas já possuem alguns genes rudimentares similares em função aos das plantas C4. Embora os híbridos de C3 e C4 tenham sido perseguidos por mais de cinco décadas, devido à incompatibilidade cromossômica e ao sucesso da esterilidade híbrida, permaneceu fora de alcance.

O potencial para aumentar a segurança alimentar e energética levou a aumentos acentuados nas pesquisas sobre fotossíntese. A fotossíntese fornece nosso suprimento de alimentos e fibras, bem como a maioria de nossas fontes de energia. Até o banco de hidrocarbonetos que residem na crosta terrestre foram originalmente criados por fotossíntese.

À medida que os combustíveis fósseis se esgotam - ou os humanos devem limitar o uso de combustíveis fósseis para impedir o aquecimento global - o mundo enfrentará o desafio de substituir esse suprimento de energia por recursos renováveis. Esperar a evolução dos seres humanos para acompanhar o ritmo das mudanças climáticas nos próximos 50 anos não é prático. Os cientistas esperam que, com o uso de genômica aprimorada, as plantas sejam outra história.

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