2. C3 und C4 sowie CAM Weg - Lossl.de

1 von 16Pflanzenproduktion in den Tropen / SubtropenBedeutung der Lichtatmung: C3, C4 und CAM– WegAndreas LösslInstitut für Pflanzenbau und PflanzenzüchtungDepartment für Angewandte Pflanzenwissenschaften und PflanzenbiotechnologieUniversitaet fuer Bodenkultur WienZunahme der CO 2 Konzentration• Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre in ppm

Optima von PS und Atmung3 von 16SchwachlichtStarklichtOptima: C3- Sonnenpflanzen: 20°C - 30°C C3- Schattenpflanzen, Meeresalgen, Moos, Kräuter: 10°C - 20°C C4-Pflanzen. > 30°CEindringen des CO 2 via Stomata• Bei Trockenheit undhohen Temperaturenmüssen Pflanzen sich vorAustrocknung schützen Spaltenschluss• CO 2 Konz.,• O 2 Konz. Welche Folgenergeben sichfür die C-Assimilation?

4 von 16Dunkelreaktion: Calvin-Benson ZyklusRuBisCoRuBisCORubiscoRuBp CO 2PhosphoglyceratGlucose!PhosphoglyceratRubiscoPhospho-glyceratRuBpO 2Photorespiration – diese CO 2 -Moleküle werdennicht zu Glucose metabolisiert!CO 2CO 2

7 von 16Stomata• V.a Pflanzen an ariden Standorten haben ständig den Zwiespalt: Entweder sie öffnen ihre Stomata zum Gas-Austausch oder sie schließen sie, um Wasserverlust zu minimieren. O 2Partialdruck Photorespiration Verluste der C-Assimilation Photorespiration…• ..ein ungünstiger Mechanismus für die Pflanze• es gibt mindestens 2 Lösungen

9 von 16Der C4 Zyklus (=Hatch-Slack Zyklus)• Einige Pflanzen: Mais Zuckerrohr Amaranth Sorghumentwickelten einen alternativen Weg:• Die räumliche Trennung zw. Photolyse (O 2 -Entstehung) und CO 2 Fixierung• C4 Pflanzen: Aneignung von CO 2bei sehr geringen CO 2 -Konzentrationen im Innern des Blatts und Photosynthese bei geschlossenen Spaltöffnungen Diese Pflanzen können sich erlauben,• tagsüber die Spaltöffnungen meist geschlossen zu halten• Wasserverdunstung Vergleich im Zellaufbau C3 vs. C4Chloroplasten• Chloroplasten in der Bündelscheide

10 von 16Gewebeschnitt C4 PflanzeGewebeschnitt MaisC Fixierung durch die RuBisCOin Bündelscheidenzellen

12 von 16CO 2 Kompensationspunkte C3 vs. C4 PflanzenRelative PS Rate140120100806040C 4 -MaisC 3 - Bohne2000 10 50 100 200 300 400 500 600 800-20CO 2 Konz. (ppm)-40CO 2Kompensationspunkte : C4 = 10 ppmC 3= 50 ppmVergleich C3 C4Variable C3 C4Photorespiration stark minimalCalvin Zyklus? Ja JaPrimärer CO 2 -Akzeptor RuBP PEPCO 2 –Fixierendes Enzym RuBisCo PEP CarboxylaseErstes Produkt der CO 2 Fix. 3PG OxalacetatAffinität der Carboxylase zum CO 2 mäßig hochPhotosynthet. Zellen Mesophyll Bündelscheiden+MesophyllChloroplasten-Typen 1 2

14 von 16C3 und C4 - Temperatur• 1. Die Photorespiration ist sehr Temperatur-sensitiv: Viel stärker bei hoher Temperatur• 2. O 2ist besser löslich als CO 2bei hoher Temp.• 3. Unterschied am Enzym: Kinetik O 2ist weniger temp.-sensitiv als Kinetik für CO 260Netto Photosynthese (µmol m -2 s -1 )5040302010330 ppm CO 2C 4C 31000 ppm CO2C 3C 400 20 30 40 50 Vorteil C4:Bei geringem CO 2Gehalt0 20 30 40 50Blatt-Temperatur (°C)CO 2 -Konzentration• Das CO 2-Angebot der freien Atmosphäre ist suboptimal und stellt bei großerLichtintensität den begrenzenden Faktor dar.Daher werden manche Pflanzen in Gewächshäusern mit CO 2begast.Die CO 2-Konzentration wird hier bis auf 0,1-%-Vol. angehoben,einige Pflanzen sogar mit 1,0-%-Vol.Durch die gezielte Anreicherung der Luft im Gewächshaus mit CO 2kann dasWachstum der Pflanzen um 40% gesteigert werdenWird die CO 2-Konzentration zu weit angehoben, so wirkt das CO 2als Gift,die Pflanzen werden geschädigt.• Am Boden ist die CO 2 -Konzentration höher als in der Luft Einfluss auf Vegation• Konz. [CO 2 ] an K.Punkt: Photosyntheserate = 0• C 3 normalerweise: 50 - 100 ppm• C 4 : normalerweise: 5 - 15 ppm

C4 und C3 Weg– Einfluss der CO 2 KonzentrationWettbewerbsvorteile der C3 und C4-Pflanzen im CO 2 GradientenGeringer CO 2 : Vorteil C4 - Nachteil C3:da Konkurrenz zw. CO 2 und O 2 an RuBisCO!Durchschnittlicher CO 2 :Netto Wachstumetwa gleich,aber C3: Hoher H 2 O-VerbrauchHoher CO 2 :Vorteil C3, da C4 geringenCO 2 -Sättigungspunkthaben um damitdie Lichtatmungreduzieren zu können(günstigeres CO 2 : O 2-Verhältnis)Bei geringer O 2 Konz.können C3 Planzen aufholen15 von 16Netto Photosynthese (µmol m -2 s -1 )6050403020100-10C 3 , geringe [O 2 ]C 4C 3700 ppm CO 2350 ppm CO 2200 ppm CO 20 100 200 300 400 500 600Interzellulare CO 2 Konz. (ppm)CAM Photorespiration

CAM Pflanzen16 von 16CAM=Crassulacean Acid Metabolism• Wüstenpflanzen: Kakteen, Succulenten, Ananas,..• Schließen die Stomata tagsüber,um Wasserverlust zu minimieren.Stomata werden nachts geöffnet.CO 2Organ.SäurenCO 2• Nachts:CO 2Einlagerungin organischen SäurenCalvinZyklus• Tags:CO 2Abgabe aus organischen Säurenund Verwendung im Calvin-ZyklusZuckerCAM WegNACHTsTAGs