C3、C4、および CAM 植物の気候変動への適応
植物の光合成を変えることで、地球温暖化の影響を相殺できますか?
Daisuke Kishi / Getty Images
地球規模の気候変動は、日ごと、季節ごと、年ごとの平均気温を上昇させ、異常な低温と高温の強度、頻度、期間を増加させています。気温やその他の環境の変化は、植物の成長に直接的な影響を与え、植物の分布を決定する主要な要因です。人間は直接的および間接的に重要な食料源である植物に依存しているため、植物が新しい環境秩序にどれだけ耐えられるか、および/または順応できるかを知ることは非常に重要です。
光合成に対する環境の影響
すべての植物が摂取する 大気中の二酸化炭素 の過程を経て、糖やでんぷんに変換されます。 光合成 しかし、彼らはさまざまな方法でそれを行います。各植物クラスで使用される特定の光合成方法 (または経路) は、光合成と呼ばれる一連の化学反応のバリエーションです。 カルビンサイクル .これらの反応は、植物が生成する炭素分子の数と種類、それらの分子が保存される場所、そして気候変動の研究にとって最も重要なこととして、低炭素大気、高温、および減少した水と窒素に耐える植物の能力に影響を与えます.
植物学者によって C3、C4、および CAM と呼ばれるこれらの光合成プロセスは、地球規模の気候変動研究に直接関連しています。これは、C3 および C4 植物が、大気中の二酸化炭素濃度の変化、気温および水の利用可能性の変化に対して異なる反応を示すためです。
人間は現在、高温、乾燥、および不安定な条件では生育しない植物種に依存しています。地球温暖化が進む中、研究者たちは変化する環境に植物を適応させる方法を模索し始めています。光合成プロセスを変更することは、そのための 1 つの方法かもしれません。
C3プラント
私たちが人間の食物とエネルギーに依存している陸上植物の大部分は、炭素固定の最も古い経路であるC3経路を使用しており、すべての分類法の植物に見られます.原猿類、新世界のサル、旧世界のサル、すべての類人猿を含む、あらゆる体格のほぼすべての現存するヒト以外の霊長類は、C4 や CAM 植物のある地域に生息するものも含めて、C3 植物に栄養を依存しています。
- Ehleringer、J.R.; Cerling、T.E. 「地球環境変化百科事典」の「C3 および C4 光合成」、Munn、T.;ムーニー、HA。カナデル、J.G.、編集者。 pp 186–190。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ.ロンドン。 2002年
- Keerberg、O。パーニク、T。イワノバ、H.; Bassüner、B。バウウェ、H. C2光合成は、C3-C4中間種で約3倍上昇した葉のCO2レベルを生成します の 実験植物学ジャーナル 65(13):3649-3656。 2014年 フラベリア・プベセンス '
- 松岡正明；ファーバンク、RT。深山 洋;みやお みや」 c4光合成の分子工学 ' の 植物生理学および植物分子生物学の年次レビュー . pp 297–314。 2014年。
- セージ、R.F. ' 陸生植物の光合成効率と炭素濃度：C4とCAMのソリューション の 実験植物学ジャーナル 65(13), pp. 3323–3325. 2014年
- シェーニンガー、M.J. 安定同位体分析と人間の食事の進化 の 人類学の年次レビュー 43、413〜430ページ。 2014年
- スポンハイマー、M。アレムセゲド、Z.; Cerling、T.E。 Grine、FE。キンベル、W.H.;リーキー、MG。 Lee-Thorp、JA。マンティ、F.K.;リード、KE。ウッド、BA。ら。 ' 初期の人類の食事の同位体の証拠 の 米国科学アカデミーの議事録 110(26)、pp.10513–10518。 2013年
- Van der Merwe、N.「炭素同位体、光合成および考古学」 アメリカの科学者 70、pp 596–606。 1982年
C3 経路が最も一般的ですが、非効率的でもあります。 Rubisco は CO2 だけでなく O2 とも反応し、同化炭素を浪費するプロセスである光呼吸を引き起こします。現在の大気条件下では、C3 植物の潜在的な光合成は、酸素によって 40% も抑制されます。その抑制の程度は、干ばつ、強い光、高温などのストレス条件下で増加します。地球の気温が上昇するにつれて、C3 植物は生き残るのに苦労するでしょう。
C4植物
すべての陸上植物種の約 3% のみが C4 経路を使用しますが、それらは熱帯、亜熱帯、および温帯のほぼすべての草原を支配しています。 C4 植物には、トウモロコシ、モロコシ、サトウキビなどの生産性の高い作物も含まれます。これらの作物はバイオエネルギーの分野をリードしていますが、人間の消費に完全に適しているわけではありません.トウモロコシは例外ですが、粉末にしないと本当に消化できません.トウモロコシやその他の作物も動物の飼料として使用され、エネルギーを肉に変換します。これは、植物の別の非効率的な使用です.
C4 光合成は、C3 スタイル サイクルが葉内の内部細胞でのみ発生する C3 光合成プロセスの生化学的修飾です。葉の周囲には、ホスホエノールピルビン酸 (PEP) カルボキシラーゼと呼ばれるより活性な酵素を含む葉肉細胞があります。その結果、C4 植物は、日光に十分にアクセスできる長い生育期に繁栄します。一部は耐塩性もあり、研究者は、過去の灌漑努力によって塩害を受けた地域を、耐塩性の C4 種を植えることで回復できるかどうかを検討することができます。
カム工場
CAM の光合成は、その植物科にちなんで名付けられました。 クラスラ科 、マンネングサ科またはオルパイン科が最初に記録されました。このタイプの光合成は、低い水の利用可能性への適応であり、乾燥地域のランや多肉植物種で発生します。
完全なCAM光合成を採用している植物では、葉の気孔は日中は閉じて蒸発散量を減らし、夜になると開いて二酸化炭素を取り込みます.一部の C4 植物は、C3 または C4 モードで少なくとも部分的に機能します。実は、と呼ばれる植物さえあります。 アガベ アングスティフォリア ローカル システムの指示に従って、モードを切り替えます。
CAM 植物は、植物の中で最高の水利用効率を示し、半乾燥砂漠などの水が限られた環境でもうまく機能させることができます。パイナップルといくつかの例外を除いて アガベ テキーラ アガベなどの種と比べて、CAM 植物は人間による食料やエネルギー資源の利用という点では比較的未開拓です。
進化と可能なエンジニアリング
世界的な食糧不安はすでに非常に深刻な問題であり、非効率な食糧やエネルギー源に依存し続けることは危険な道です。特に、大気中の炭素がより豊富になるにつれて植物のサイクルがどのように影響を受けるかがわからない場合はなおさらです。大気中の CO2 の減少と地球の気候の乾燥は、C4 と CAM の進化を促進したと考えられており、CO2 の上昇が、C3 の光合成に代わるこれらの代替物質を好んでいた条件を逆転させる可能性があるという驚くべき可能性を高めています。
私たちの先祖からの証拠は、人類が気候変動に適応できることを示しています。 アルディピテクス ラミダス と アナメンシス どちらもC3植物に依存していましたが、気候変動が約400万年前に東アフリカを森林地域からサバンナに変えたとき、生き残った種は— アウストラロピテクス・アファレンシス と ケニアントロプス・プラチョプス — C3/C4 コンシューマーが混在していました。 250 万年前までに、2 つの新しい種が進化しました。 パラントロプス、 その焦点は C4/CAM 食料源に移り、初期には 賢い人 C3 と C4 の両方の植物品種を消費しました。
C3からC4への適応
C3 植物を C4 種に変化させた進化過程は、過去 3500 万年間に 1 回ではなく、少なくとも 66 回発生しました。この進化のステップにより、光合成のパフォーマンスが向上し、水と窒素の使用効率が向上しました。
その結果、C4 植物は C3 植物の 2 倍の光合成能力を持ち、高温、少ない水、利用可能な窒素に対処できます。これらの理由から、生化学者は現在、地球規模で直面している環境変化を相殺する方法として、C4 と CAM の特性 (プロセス効率、高温耐性、高収量、干ばつと塩分への耐性) を C3 植物に移す方法を見つけようとしています。温暖化。
比較研究により、これらの植物はC4植物と機能が類似したいくつかの基本的な遺伝子をすでに持っていることが示されているため、少なくともいくつかのC3改変は可能であると考えられています. C3 と C4 の雑種は 50 年以上にわたって追求されてきましたが、染色体の不一致と雑種の不稔性のため、成功には至りませんでした。
光合成の未来
食料とエネルギーの安全保障を強化する可能性は、光合成に関する研究の著しい増加につながっています。光合成は、食物と繊維の供給だけでなく、ほとんどのエネルギー源を提供します。の銀行でさえ 炭化水素 地球の地殻に存在する生物は、もともと光合成によって作られました。
化石燃料が枯渇するにつれて、または人類が化石燃料の使用を制限して地球温暖化を未然に防ぐ必要がある場合、世界はそのエネルギー供給を再生可能な資源に置き換えるという課題に直面するでしょう。人類の進化に期待 今後 50 年間の気候変動の速度についていくのは現実的ではありません。科学者たちは、強化されたゲノミクスを使用することで、植物が別の話になることを望んでいます.