Adaptaciones al cambio climático en plantas C3, C4 y CAM

El cambio climático global está dando como resultado aumentos en las temperaturas medias diarias, estacionales y anuales, y aumentos en la intensidad, frecuencia y duración de temperaturas anormalmente bajas y altas. La temperatura y otras variaciones ambientales tienen un impacto directo en el crecimiento de la planta y son factores determinantes importantes en la distribución de la planta. Dado que los humanos dependen de las plantas, directa e indirectamente, como una fuente de alimento crucial, es crucial saber qué tan bien pueden resistir y / o aclimatarse al nuevo orden ambiental..

Impacto ambiental en la fotosíntesis

Todas las plantas ingieren dióxido de carbono atmosférico y lo convierten en azúcares y almidones a través del proceso de fotosíntesis, pero lo hacen de diferentes maneras. El método específico de fotosíntesis (o vía) utilizado por cada clase de planta es una variación de un conjunto de reacciones químicas llamado Ciclo de Calvin. Estas reacciones afectan la cantidad y el tipo de moléculas de carbono que crea una planta, los lugares donde se almacenan esas moléculas y, lo más importante para el estudio del cambio climático, la capacidad de una planta para resistir atmósferas bajas en carbono, temperaturas más altas y agua y nitrógeno reducidos.

Estos procesos de fotosíntesis, designados por los botánicos como C3, C4 y CAM, son directamente relevantes para los estudios del cambio climático global porque las plantas C3 y C4 responden de manera diferente a los cambios en la concentración de dióxido de carbono atmosférico y los cambios en la temperatura y la disponibilidad de agua..

Los seres humanos actualmente dependen de especies de plantas que no prosperan en condiciones más cálidas, más secas y más erráticas. A medida que el planeta continúa calentándose, los investigadores han comenzado a explorar formas en que las plantas se pueden adaptar al entorno cambiante. Modificar los procesos de fotosíntesis puede ser una forma de hacerlo. 

Plantas C3

La gran mayoría de las plantas terrestres de las que dependemos para la alimentación humana y la energía utilizan la vía C3, que es la más antigua de las vías para la fijación de carbono, y se encuentra en plantas de todas las taxonomías. Casi todos los primates no humanos existentes en todos los tamaños del cuerpo, incluidos los prosimios, los monos del mundo nuevo y antiguo, y todos los simios, incluso aquellos que viven en regiones con plantas C4 y CAM, dependen de las plantas C3 para su sustento..

• Especies: Cereales de grano como arroz, trigo, soja, centeno y cebada; vegetales como yuca, papas, espinacas, tomates y ñames; árboles como manzana, durazno y eucalipto
• Enzima: Bifosfato de ribulosa (RuBP o Rubisco) carboxilasa oxigenasa (Rubisco)
• Proceso: Convierta CO2 en un compuesto de 3 carbonos Ácido 3-fosfoglicérico (o PGA)
• Donde se fija el carbono: Todas las células mesofílicas de las hojas
• Tasas de biomasa: -22% a -35%, con una media de -26.5%

Si bien la vía C3 es la más común, también es ineficiente. Rubisco reacciona no solo con CO2 sino también con O2, lo que lleva a la fotorrespiración, un proceso que desperdicia carbono asimilado. Bajo las condiciones atmosféricas actuales, la fotosíntesis potencial en plantas C3 es suprimida por el oxígeno hasta en un 40%. El alcance de esa supresión aumenta bajo condiciones de estrés como sequía, alta luz y altas temperaturas. A medida que aumentan las temperaturas globales, las plantas C3 lucharán por sobrevivir, y dado que dependemos de ellas, también lo haremos nosotros.

Plantas C4

Solo alrededor del 3% de todas las especies de plantas terrestres usan la vía C4, pero dominan casi todas las praderas en los trópicos, subtropicales y zonas templadas cálidas. Las plantas C4 también incluyen cultivos altamente productivos como el maíz, el sorgo y la caña de azúcar. Si bien estos cultivos lideran el campo de la bioenergía, no son del todo aptos para el consumo humano. El maíz es la excepción, sin embargo, no es realmente digerible a menos que se muela en polvo. El maíz y otras plantas de cultivo también se usan como alimento para animales, convirtiendo la energía en carne, otro uso ineficiente de las plantas..

• Especies: Común en pastos forrajeros de latitudes más bajas, maíz, sorgo, caña de azúcar, fonio, tef y papiro
• Enzima: Fosfoenolpiruvato (PEP) carboxilasa
• Proceso: Convertir CO2 en intermedio de 4 carbonos
• Donde se fija el carbono: Las células mesofílicas (MC) y las células de la envoltura del haz (BSC). Los C4 tienen un anillo de BSC que rodea cada vena y un anillo externo de MC que rodea la vaina del haz, conocida como la anatomía de Kranz.
• Tasas de biomasa: -9 a -16%, con una media de -12.5%.

La fotosíntesis C4 es una modificación bioquímica del proceso de fotosíntesis C3 en el que el ciclo de estilo C3 solo ocurre en las células interiores dentro de la hoja. Rodeando las hojas hay células mesofílicas que contienen una enzima mucho más activa llamada fosfoenolpiruvato (PEP) carboxilasa. Como resultado, las plantas C4 prosperan en largas temporadas de crecimiento con mucho acceso a la luz solar. Algunos incluso son tolerantes a la solución salina, lo que permite a los investigadores considerar si las áreas que han experimentado salinización como resultado de los esfuerzos de riego anteriores pueden restaurarse plantando especies C4 tolerantes a la sal.

Plantas CAM

La fotosíntesis CAM fue nombrada en honor a la familia de plantas en la cual Crassulacean, la familia de los stonecrop o la familia orpine, se documentó por primera vez. Este tipo de fotosíntesis es una adaptación a la baja disponibilidad de agua y ocurre en orquídeas y especies de plantas suculentas de regiones áridas..

En las plantas que emplean la fotosíntesis completa de CAM, los estomas en las hojas se cierran durante el día para disminuir la evapotranspiración y se abren por la noche para absorber dióxido de carbono. Algunas plantas C4 también funcionan al menos parcialmente en modo C3 o C4. De hecho, incluso hay una planta llamada Agave Angustifolia que cambia de un modo a otro según el sistema local lo dicta.

• Especies: Cactus y otras suculentas, Clusia, tequila agave, piña.
• Enzima: Fosfoenolpiruvato (PEP) carboxilasa
• Proceso: Cuatro fases que están vinculadas a la luz solar disponible, las plantas CAM recogen CO2 durante el día y luego lo fijan por la noche como un intermedio de 4 carbonos..
• Donde se fija el carbono: Vacuolas
• Tasas de biomasa: Las tarifas pueden caer en rangos C3 o C4.

Las plantas CAM exhiben la mayor eficiencia en el uso del agua en las plantas, lo que les permite tener un buen desempeño en ambientes con escasez de agua, como los desiertos semiáridos. Con la excepción de la piña y algunas especies de agave, como el agave de tequila, las plantas CAM están relativamente poco explotadas en términos de uso humano para los recursos alimenticios y energéticos..

Evolución e Ingeniería Posible

La inseguridad alimentaria mundial ya es un problema extremadamente grave, por lo que la dependencia continua de fuentes de energía y alimentos ineficientes es un curso peligroso, especialmente cuando no sabemos cómo se verán afectados los ciclos de las plantas a medida que nuestra atmósfera se vuelva más rica en carbono. Se cree que la reducción del CO2 atmosférico y el secado del clima de la Tierra han promovido la evolución de C4 y CAM, lo que aumenta la alarmante posibilidad de que el CO2 elevado pueda revertir las condiciones que favorecieron estas alternativas a la fotosíntesis de C3.

La evidencia de nuestros antepasados ​​muestra que los homínidos pueden adaptar su dieta al cambio climático.. Ardipithecus ramidus y Ar anamensis ambos dependían de las plantas C3, pero cuando un cambio climático alteró el este de África de las regiones boscosas a la sabana hace unos cuatro millones de años, las especies que sobrevivieron-Australopithecus afarensis y Platyops de Kenyanthropus-se mezclaron los consumidores C3 / C4. Hace 2.5 millones de años, dos nuevas especies habían evolucionado: Paranthropus, cuyo enfoque se centró en las fuentes de alimentos C4 / CAM, y temprano Homo sapiens que consumió variedades de plantas C3 y C4.

Adaptación de C3 a C4

El proceso evolutivo que cambió las plantas C3 en especies C4 se ha producido no una vez, sino al menos 66 veces en los últimos 35 millones de años. Este paso evolutivo condujo a un rendimiento fotosintético mejorado y una mayor eficiencia en el uso de agua y nitrógeno..

Como resultado, las plantas C4 tienen el doble de capacidad fotosintética que las plantas C3 y pueden hacer frente a temperaturas más altas, menos agua y nitrógeno disponible. Por estas razones, los bioquímicos actualmente están tratando de encontrar formas de mover los rasgos C4 y CAM (eficiencia del proceso, tolerancia a altas temperaturas, mayores rendimientos y resistencia a la sequía y la salinidad) en las plantas C3 como una forma de compensar los cambios ambientales que enfrentan los países del mundo. calentamiento.

Se cree que al menos algunas modificaciones C3 son posibles porque los estudios comparativos han demostrado que estas plantas ya poseen algunos genes rudimentarios similares en función a los de las plantas C4. Si bien los híbridos de C3 y C4 se han perseguido durante más de cinco décadas, debido al desajuste cromosómico y al éxito de la esterilidad híbrida se ha mantenido fuera del alcance.

El futuro de la fotosíntesis

El potencial para mejorar la seguridad alimentaria y energética ha llevado a un marcado aumento en la investigación sobre la fotosíntesis. La fotosíntesis proporciona nuestro suministro de alimentos y fibra, así como la mayoría de nuestras fuentes de energía. Incluso el banco de hidrocarburos que reside en la corteza terrestre fue creado originalmente por fotosíntesis.

A medida que los combustibles fósiles se agoten, o los humanos deberían limitar el uso de combustibles fósiles para prevenir el calentamiento global, el mundo enfrentará el desafío de reemplazar ese suministro de energía con recursos renovables. Esperando la evolución de los humanos.No es práctico mantenerse al día con la tasa de cambio climático en los próximos 50 años. Los científicos esperan que con el uso de genómica mejorada, las plantas sean otra historia.

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