ข้อมูล

กล้วยเป็นพืช C3, C4 หรือ CAM หรือไม่

กล้วยเป็นพืช C3, C4 หรือ CAM หรือไม่


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

กล้วยเป็นพืช C3, C4 หรือ CAM หรือไม่ ฉันค้นคว้ามาระยะหนึ่งแล้วและไม่พบคำตอบ


ก่อนอื่น เราต้องคิดถึงระบบนิเวศที่มีกล้วยอยู่ เห็นได้ชัดว่ากล้วยอยู่ในป่าฝน ป่าฝนเป็นระบบนิเวศที่น่าสนใจมาก มีหลายชนิด อากาศร้อนมากและบรรยากาศมีความชื้นสูง


กล้วยไม่ใช่พืช CAM อย่างแน่นอน เพราะการสังเคราะห์ด้วยแสงประเภทนี้มักจะมีกระบองเพชรและไม้อวบน้ำ พืช CAM มักจะปิดสโตรมาในระหว่างวันและเปิดในเวลากลางคืนเพื่อป้องกันการสูญเสียน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ การสังเคราะห์ด้วยแสงประเภทนี้ไม่เหมาะกับป่าฝน


พืช C4 เป็นที่รู้จักกันดีสำหรับกายวิภาคของ Kranz ของใบไม้ พวกเขามีแผ่นพิเศษสำหรับการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ทุติยภูมิ ดังนั้นตามเว็บนี้ ผมเองเชื่อว่ากล้วยไม่ใช่พืช C4


ตามบทความนี้ กล้วยมีการสังเคราะห์ด้วยแสง C3


คุณสามารถค้นหารายชื่อครอบครัวที่มีพืช C4 ได้ที่นี่ [ตาม Sage 2016]1.

แม้ว่าพืชใบเลี้ยงเดี่ยวอื่น ๆ อีกหลายชนิดจะมีการสังเคราะห์ด้วยแสง C4 (และการสังเคราะห์แสง C4 ดูเหมือนจะมีวิวัฒนาการอย่างอิสระหลายครั้ง)2, ตระกูลกล้วย, Musaceae, ประกอบด้วยพืช C33.

ซึ่งรวมถึงกล้วยที่บริโภคกันมากที่สุดในประเทศที่พัฒนาแล้ว ได้แก่ กล้วยคาเวนดิช


ที่มา:

  1. Sage, R. F. (2016). วารสารพฤกษศาสตร์ทดลอง 67(14):4039-4056

  2. เอห์เลอร์ริงเงอร์ et al (1997). Oecologia 112:285299.

  3. ไบโอไซโลพีเดีย


ปัญหา: พืชชนิดใด (C3, C4 หรือ CAM) ที่คุณคาดว่าจะทำได้ดีที่สุดหากได้รับแสงแดดอย่างต่อเนื่องภายใต้สภาวะที่ร้อนและแห้ง ทำไม?

CAM พืช มักพบในบริเวณที่มีอากาศร้อนและแห้งแล้ง

รายละเอียดปัญหา

พืชชนิดใด (C3, C4 หรือ CAM) ที่คุณคาดว่าจะทำได้ดีที่สุดหากได้รับแสงแดดอย่างต่อเนื่องภายใต้สภาวะที่ร้อนและแห้ง ทำไม?

คำถามที่พบบ่อย

คุณจำเป็นต้องรู้แนวคิดทางวิทยาศาสตร์ใดบ้างเพื่อแก้ปัญหานี้

ผู้สอนของเราระบุว่าในการแก้ปัญหานี้ คุณจะต้องใช้แนวคิด C3, C4 & CAM Plants คุณสามารถดูวิดีโอบทเรียนเพื่อเรียนรู้พืช C3, C4 และ CAM หรือหากคุณต้องการแนวปฏิบัติ C3, C4 และ CAM Plants เพิ่มเติม คุณยังสามารถฝึกฝนปัญหาในการฝึก C3, C4 และ CAM Plants ได้อีกด้วย

ปัญหานี้เกี่ยวข้องกับศาสตราจารย์คนใด

จากข้อมูลของเรา เราคิดว่าปัญหานี้เกี่ยวข้องกับชั้นเรียน Professor King’s 27 ที่ UCF


ความแตกต่างระหว่าง C3-Plants และ C4-Plants

1. ตัวอย่างของพืชเหล่านี้ ได้แก่ ข้าวสาลี ข้าวโอ๊ต ข้าวบาร์เลย์ ฝ้ายข้าว ถั่ว ผักโขม ทานตะวัน คลอเรลล่า เป็นต้น

2. วิถีคาร์บอนในการสังเคราะห์ด้วยแสงคือวิถี C3 เช่น วัฏจักรคาลวินเท่านั้น

3. ผลิตภัณฑ์ที่เสถียรตัวแรกของเส้นทางคาร์บอนเหนือคือกรดฟอสโฟกลีเซอริกสารประกอบ 3-C (PGA)

4. ใบมีเมโซฟิลล์กระจายและมีคลอโรพลาสต์เพียงชนิดเดียว

5. อุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุด สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงจากต่ำไปสูง

6. การหายใจด้วยแสงเกิดขึ้น

7. การสังเคราะห์แสงมีประสิทธิภาพน้อยกว่า

8. จุดชดเชยคาร์บอนไดออกไซด์สูงประมาณ 50 ppm

9. อัตราวิวัฒนาการของ C02 ในแสงนั้นสูงขึ้น

10. กิจกรรม Carbonic anhydrase สูงกว่า

11. อัตราการเคลื่อนย้ายของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของการสังเคราะห์ด้วยแสงต่ำ

12. อุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตคือต่ำไปสูง

ความแตกต่าง # ค4 พืช:

1.ตัวอย่างพืชเหล่านี้ ได้แก่ อ้อย ข้าวโพด ข้าวฟ่าง Atriplex ดอกบานไม่รู้โรย เป็นต้น

2.วิถีคาร์บอนในการสังเคราะห์ด้วยแสงคือ C4—วิถีทางของกรดไดคาร์บอกซิลิก (วิถีทางฟักไข่-ทางหย่อน)

3. ผลิตภัณฑ์ที่เสถียรตัวแรกของเส้นทางคาร์บอนเหนือคือสารประกอบ 4-C กรด Oxaloacetic (OAA)

4.ใบมี ‘ชนิดอ้อย’ ของกายวิภาคศาสตร์ (Krantz anatomy) มีเมโซฟิลล์ขนาดกะทัดรัดรอบ ๆ มัดของมัดของหลอดเลือดและไดมอร์ฟิคคลอโรพลาสต์ ฝักมัดมีขนาดใหญ่และไม่มีกรานา ขณะที่มีโซฟิลล์มีขนาดเล็กกว่าและมีกรานา


การสังเคราะห์ด้วยแสง C3

สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงที่ได้รับการสังเคราะห์ด้วยแสง C3 เริ่มต้นกระบวนการแปลงพลังงานที่เรียกว่าวัฏจักรคาลวินโดยการผลิตสารประกอบสามคาร์บอนที่เรียกว่ากรด 3-ฟอสโฟกลีเซอริก นี่คือเหตุผลของชื่อ "C3" การสังเคราะห์ด้วยแสง C3 เป็นกระบวนการขั้นตอนเดียวที่เกิดขึ้นภายในออร์แกเนลล์คลอโรพลาสต์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นศูนย์กักเก็บพลังงานแสงแดด พืชใช้พลังงานนั้นเพื่อรวม ATP และ NADPH เข้ากับโมเลกุลน้ำตาลที่สั่ง ประมาณร้อยละ 85 ของพืชบนโลกใช้การสังเคราะห์ด้วยแสง C3


ความเหมือนและความแตกต่างระหว่างพืช C3 และ C4 – ตารางเปรียบเทียบ

พืชสีเขียวมีเอกลักษณ์เฉพาะที่มีความสามารถในการแก้ไขพลังงานแสงจากแสงแดดผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง การสังเคราะห์ด้วยแสงที่จำเป็นเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศ น้ำ และพลังงานที่ได้รับจากแสงแดด กระบวนการสังเคราะห์แสงในพืชเสร็จสิ้นในสองขั้นตอนกว้าง ๆ ขึ้นอยู่กับแสง 'ปฏิกิริยาแสง' และแสงอิสระ 'ปฏิกิริยามืด”.

ในปฏิกิริยาแสง โมเลกุลของคลอโรฟิลล์ในพืชดูดซับพลังงานจากแสงแดดและสังเคราะห์โมเลกุลเคมีที่อุดมไปด้วยพลังงาน เช่น ATP และโคเอ็นไซม์ที่ลดลง (NADPHH+) ในปฏิกิริยามืด โมเลกุลที่อุดมด้วยพลังงานเหล่านี้ถูกใช้เพื่อสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ โดยพื้นฐานแล้วมีเส้นทางปฏิกิริยามืดสามประเภทที่ดำเนินการในพืชต่าง ๆ บนโลกและมีการตั้งชื่อตามองค์ประกอบของเส้นทางเหล่านี้ ได้แก่ พืช C3 พืช C4 และพืช CAM โพสต์นี้อธิบายความเหมือนและความแตกต่างระหว่างพืช C3 และพืช C4

พืช C3: พืชที่ใช้วัฏจักร C3 (วัฏจักรคาลวิน) ของปฏิกิริยามืดของการสังเคราะห์ด้วยแสง วัฏจักร C3 เป็นเส้นทางปฏิกิริยามืดครั้งแรกที่อธิบายไว้ พืชส่วนใหญ่ (

95%) บนโลกเป็นแบบ C3 ผลิตภัณฑ์ที่เสถียรตัวแรกที่เกิดขึ้นในวงจร C3 คือสารประกอบคาร์บอนสามตัว (3C) จึงเป็นที่มาของชื่อ ประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงของพืช C3 นั้นค่อนข้างน้อยกว่าเนื่องจากอัตราที่สูงหรือการหายใจด้วยแสง ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง คิดว่าวัฏจักร C3 เป็นวิถีปฏิกิริยามืดเพียงเส้นทางเดียวในพืช

พืช C4: พืชเหล่านี้นอกเหนือจากวัฏจักร C3 ใช้เส้นทางปฏิกิริยามืดเพิ่มเติมที่เรียกว่าวัฏจักร C4 พืชน้อยมาก (

5%) บนโลกเป็นแบบ C4 ผลิตภัณฑ์ที่เสถียรตัวแรกที่เกิดขึ้นในวัฏจักร C4 คือสารประกอบคาร์บอนสี่ตัว (4C) จึงเป็นที่มาของชื่อ ประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงของพืช C4 นั้นสูงมากเนื่องจากไม่มีการหายใจด้วยแสง

ความคล้ายคลึงกันระหว่างพืช C3 และ C4

@. ทั้ง C3 และ C4 เป็นประเภทของ ปฏิกิริยามืด ของการสังเคราะห์แสง

@. ทั้งพืช C3 และ C4 ต่างก็มีพลังงานจากแสงแดด

@. ทั้งพืช C3 และ C4 สังเคราะห์คาร์โบไฮเดรต

@. สมการทั่วไปของการสังเคราะห์ด้วยแสง (6CO2 + 12H2O → 6C6ชม12อู๋6 + 6O2 + 6H2O) มีความคล้ายคลึงกันทั้งในพืช C3 และ C4

@. พืชทั้ง C3 และ C4 ต้องการคาร์บอนไดออกไซด์ 6 โมเลกุลและน้ำ 12 โมเลกุลเพื่อสังเคราะห์กลูโคสหนึ่งโมเลกุล

@. ผลิตภัณฑ์คาร์โบไฮเดรตของทั้งวงจร C3 และ C4 เป็นโมเลกุลน้ำตาลฟอสเฟตสามคาร์บอนที่เรียกว่ากลีเซอราลดีไฮด์ 3 ฟอสเฟต (G3P)

@. ทั้งพืช C3 และ C4 ต้องใช้คลอโรพลาสต์ในการสังเคราะห์แสง

@. ปฏิกิริยาแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงมีความคล้ายคลึงกันทั้งในพืช C3 และ C4

@. RuBP สามารถรับ CO . ได้2 ทั้งในโรงงาน C3 และ C4

ความแตกต่างระหว่างพืช C3 และ C4

ถ้าคุณชอบโพสต์นี้ ได้โปรด แสดงความคิดเห็นสำหรับฉัน .. (ด้านล่าง…)


CAM Plants

CAM ย่อมาจาก รัสซูลาเซียน NSซิด NSการเผาผลาญอาหารเนื่องจากได้รับการศึกษาครั้งแรกในพืชตระกูล Crassulaceae CAM พืช ยังทำC 4 ทางเดิน. อย่างไรก็ตาม แทนที่จะแยก C 4 และ C 3 ทางเดินในส่วนต่าง ๆ ของใบพืช CAM แยกออกเป็น เวลา แทน (ตาราง (PageIndex<1>)) ด้วยเหตุนี้ พืช CAM จึงไม่จำเป็นต้องเปิดปากใบในเวลากลางวันเพื่อลดการหายใจด้วยแสง เพราะพวกเขาได้สร้างโมเลกุลคาร์บอนสี่ตัวในตอนกลางคืนแล้วซึ่งสามารถย่อยสลายเพื่อปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในตอนกลางวันได้

  • โรงงาน CAM รับ CO 2 ผ่านปากใบที่เปิดอยู่ (มักมีจำนวนลดลง)
  • CO 2 ร่วมกับ PEP เพื่อสร้างกรดออกซาโลอะซิติกสี่คาร์บอน
  • นี้จะถูกแปลงเป็นสี่คาร์บอน กรดมาลิก ที่สะสมในช่วงกลางคืนใน vacuole ส่วนกลางของเซลล์
  • ปากใบปิด (ช่วยรักษาความชื้นและลดการแพร่กระจายของออกซิเจนเข้าด้านใน)
  • กรดมาลิกที่สะสมจะออกจากแวคิวโอลและแตกตัวออกเพื่อปล่อย CO 2 .
  • CO 2 ถูกนำเข้าสู่ปฏิกิริยาที่ไม่ขึ้นกับแสง (C 3 ทางเดิน).

พืช CAM จึงเจริญเติบโตได้ดีในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงในเวลากลางวัน แสงแดดจัด และความชื้นในดินต่ำ ตัวอย่างบางส่วนของพืช CAM ได้แก่ cacti (Figure (PageIndex<3>)), สับปะรด, bromeliads epiphytic ทั้งหมด, sedums และ "ice plant" ที่บุกรุกแนวชายฝั่งแคลิฟอร์เนีย

รูป (PageIndex<3>): กระบองเพชรที่ปลูกในสวนพฤกษศาสตร์สิงคโปร์ ภาพโดย Calvin Teo (CC-BY-SA)


ความคล้ายคลึงกันระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง C3 C4 และ CAM

  • การสังเคราะห์ด้วยแสง C3, C4 และ CAM เป็นกระบวนการสังเคราะห์แสงสามประเภทที่เกิดขึ้นในพืช
  • โดยทั่วไป การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการระดับเซลล์ของพืชที่มีหน้าที่ในการตรึงพลังงานจากแสงแดดเพื่อสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์ขนาดเล็ก เช่น กลูโคสจากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ
  • ทั้งปฏิกิริยาแสงและวัฏจักรคาลวินเกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันในการสังเคราะห์แสงแต่ละประเภท อย่างไรก็ตาม ต่างกันไปตามวิธีการตรึงคาร์บอน

พื้นหลัง

พืช C4 เช่น ข้าวโพด ข้าวฟ่าง และอ้อย มีประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงสูงกว่าพืช C3 ประมาณ 50% เช่น ข้าว ข้าวสาลี และมันฝรั่ง [1] เนื่องจากกลไกการตรึงคาร์บอนที่แตกต่างกันโดยการสังเคราะห์ด้วยแสงทั้งสองประเภทดังแสดงในรูปที่ 1 การสังเคราะห์ด้วยแสง C3 ใช้วงจรคาลวินในการตรึง CO เท่านั้น2 เร่งปฏิกิริยาโดยไรบูโลส-1,5-บิสฟอสเฟตคาร์บอกซิเลส (รูบิสโก) ซึ่งเกิดขึ้นภายในคลอโรพลาสต์ในเซลล์มีโซฟิลล์ สำหรับพืช C4 เช่น ข้าวโพดเลี้ยงสัตว์ (ชนิดย่อย NADP-ME) กิจกรรมการสังเคราะห์แสงจะถูกแบ่งพาร์ติชันระหว่างเซลล์มีโซฟิลล์และเซลล์ฝักที่มีความแตกต่างทางกายวิภาคและทางชีวเคมี การตรึงคาร์บอนเริ่มต้นถูกเร่งโดย phosphoenolpyruvate คาร์บอกซิเลส (PEPC) เพื่อสร้างออกซาโลอะซีเตต (OAA) จาก CO2 และฟอสโฟฟีนอลไพรูเวต (PEP) OAA ถูกเผาผลาญเป็น malate แล้วกระจายไปยังเซลล์ BS โดยที่ decarboxylate เพื่อให้ความเข้มข้นของ CO เพิ่มขึ้น2 รอบ ๆ รูบิสโก ในที่สุด ซับสเตรตเริ่มต้นของวัฏจักร C4, PEP, ถูกสร้างขึ้นใหม่ในเซลล์มีโซฟิลล์โดยไพรูเวต ออร์โธฟอสเฟต ไดคิเนส (PPDK) [1] CO2 กลไกการปรับความเข้มข้นไปกดปฏิกิริยาออกซิเจนโดย Rubisco และเส้นทางการหายใจด้วยแสงที่สิ้นเปลืองพลังงานตามมา ส่งผลให้ผลผลิตการสังเคราะห์แสงเพิ่มขึ้นและการใช้น้ำและไนโตรเจนอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับพืช C3 [2] ดังนั้นพันธุวิศวกรรมของคุณสมบัติ C4 ในพืช C3 เช่น ข้าว (Oryza sativa) จึงมีศักยภาพในการเพิ่มผลผลิตพืชผล [3–5] อย่างไรก็ตาม ความพยายามที่จะใช้เครื่องมือเหล่านี้เพื่อควบคุมการเผาผลาญของพืชนั้นประสบความสำเร็จอย่างจำกัดเนื่องจากความซับซ้อนของการเผาผลาญของพืช การปรับแต่งทางพันธุกรรมไม่ค่อยทำให้เกิดผลที่คาดการณ์ไว้ และขั้นตอนจำกัดอัตราใหม่จะป้องกันการสะสมของสารประกอบที่ต้องการบางตัว [6, 7]

แผนผังของการสังเคราะห์ด้วยแสง C3 และ C4.

ในการเสนอราคาเพื่อปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับเมแทบอลิซึมของพืชและด้วยเหตุนี้อัตราความสำเร็จของวิศวกรรมเมตาบอลิซึมของพืช จึงจำเป็นต้องมีกรอบการทำงานตามระบบเพื่อศึกษาเมแทบอลิซึมของพืช [7, 8] ชีววิทยาระบบเกี่ยวข้องกับกระบวนการทำซ้ำของการทดลอง การรวมข้อมูล การสร้างแบบจำลอง และการสร้างสมมติฐาน [9, 10] ด้วยความก้าวหน้าล่าสุดของการจัดลำดับจีโนม พืชหลายชนิดมีลำดับจีโนมที่สมบูรณ์และหมายเหตุประกอบ รวมทั้ง Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) [11] ข้าว (Oryza sativa) ข้าวฟ่าง (Sorghum bicolor) [12] และข้าวโพด (Zea mays) ซึ่ง ทำให้สามารถสร้างเครือข่ายการเผาผลาญระดับจีโนมของพืชขึ้นใหม่ได้ แบบจำลองตามข้อจำกัด หรือที่เรียกว่า Flux Balance Analysis (FBA) เป็นวิธีที่มีประโยชน์ในการวิเคราะห์เครือข่ายเมตาบอลิซึมขนาดใหญ่โดยไม่ต้องใช้พารามิเตอร์จลนศาสตร์โดยละเอียด ใน FBA สถานะฟลักซ์จะถูกคาดการณ์ซึ่งเหมาะสมที่สุดโดยคำนึงถึงวัตถุประสงค์ของเซลล์ที่สันนิษฐานไว้ เช่น การเพิ่มผลผลิตต่อชีวมวลสูงสุด [13–16] สำหรับสิ่งมีชีวิตจุลินทรีย์ FBA ประสบความสำเร็จในการทำนาย ในร่างกาย อัตราการเจริญเติบโตสูงสุด ความชอบของสารตั้งต้น และความต้องการปฏิกิริยาทางชีวเคมีเฉพาะสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์ [17] สำหรับพืช แบบจำลองปริมาณสัมพันธ์ที่มีการแบ่งส่วนสูงได้รับการพัฒนาสำหรับเมล็ดข้าวบาร์เลย์ [18] และคลามีโดโมแนส [14] โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีการรายงานแบบจำลองหลายแบบสำหรับ Arabidopsis [19–22] นอกจากนี้ยังมีการวิเคราะห์เครือข่ายการเผาผลาญสำหรับแบคทีเรียสังเคราะห์แสง เช่น Synechocystis [23] และแบคทีเรียที่ไม่ใช่กำมะถันสีม่วง [24]

แบบจำลองการเผาผลาญระดับจีโนมของพืช C3 Arabidopsis [19] และพืช C4 [25] ได้รับการสร้างขึ้น แต่ไม่มีการวิเคราะห์เปรียบเทียบระหว่างกัน ในการศึกษานี้ เราปรับปรุงทั้งสองรุ่นคือ AraGEM และ C4GEM โดยกำหนดอัตราส่วนของคาร์บอกซิเลชันและออกซิเจนโดย Rubisco และเปรียบเทียบความแตกต่างของโครงสร้างเครือข่ายและฟลักซ์เมตาบอลิซึมเพื่อชี้แจงความสำคัญเชิงวิวัฒนาการ เราสำรวจผลของการทำให้ล้มลงของเอนไซม์ต่อการสังเคราะห์ด้วยแสงและการสังเคราะห์สารชีวมวล และเปรียบเทียบการมีส่วนร่วมของชนิดย่อย C4 ต่างๆ กับการผลิตสารชีวมวล นอกจากนี้เรายังเปิดเผยการตอบสนองที่แตกต่างกันต่อสภาวะแวดล้อมในพืช C3 และ C4 การไหลของระบบของการวิเคราะห์ของเราแสดงในรูปที่ 2 การศึกษานี้จะให้ความกระจ่างเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงเมตาบอลิซึมจาก C3 เป็น C4 ที่ระดับระบบ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับวิศวกรรมที่เป็นไปได้ของโรงงาน C3 ถึง C4

การไหลของระบบการเปรียบเทียบระหว่างเครือข่ายเมตาบอลิซึมของ C3 และ C4.


พืช C4

แม้ว่า Rubisco จะรับผิดชอบคาร์บอนอินทรีย์จำนวนมากบนพื้นผิวโลก แต่กิจกรรมของ Oxygenase ของมันสามารถลดประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงได้อย่างมาก พืชบางชนิดได้พัฒนาวิธีการลดกิจกรรม Oxygenase ของ Rubisco

วัตถุประสงค์การเรียนรู้

  • ระบุเงื่อนไขที่เพิ่มกิจกรรม oxygenase ของ Rubisco
  • อธิบายว่ากิจกรรม Oxygenase ของ Rubisco ลดประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงได้อย่างไร
  • แยกแยะรูปแบบ C3 และ C4 สำหรับการตรึงคาร์บอน
  • ชั่งน้ำหนักข้อดีและข้อเสียของ C3 กับ C4
  • เปรียบเทียบและเปรียบเทียบการสังเคราะห์แสงและการหายใจ และความสัมพันธ์ในวัฏจักรคาร์บอนและออกซิเจนทั่วโลก

กิจกรรม Oxygenase ของ Rubisco ทำให้ประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงลดลง
Rubisco มีกิจกรรมของออกซิเจนเช่นเดียวกับกิจกรรมคาร์บอกซิเลสซึ่งบางครั้งแก้ไข O2 เป็น RuBP แทน CO2 กิจกรรมของ Oxygenase เกิดขึ้นที่ CO2 ต่ำ, O2 สูงและจะปรากฏที่อุณหภูมิสูง เป็นผลให้คาร์บอนอินทรีย์ถูกออกซิไดซ์ซึ่งตรงกันข้ามกับการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งช่วยลดคาร์บอนอนินทรีย์เพื่อสร้างคาร์บอนอินทรีย์

สำหรับผู้อยากรู้อยากเห็น: กิจกรรม oxygenase ของ Rubisco จาก Wikipedia RuBP (1) แปลงเป็นอีนอลไอโซเมอร์ (2) ที่รวมกับออกซิเจนเพื่อสร้างสารมัธยันตร์ที่ไม่เสถียร (3) ที่ไฮโดรไลซ์เป็นฟอสโฟไกลโคเลต (4) และ 3PG (5)

การให้ออกซิเจนของ RuBP ทำให้เกิด 2-phosphoglycolate ซึ่งเป็นสารประกอบ 2-carbon ที่เป็นพิษซึ่งผ่านปฏิกิริยาต่อเนื่องใน peroxisome และ mitochondria โดยปล่อย CO2 และส่งผลให้สูญเสียอินทรีย์คาร์บอนและการผลิตพลังงาน กระบวนการนี้เรียกว่า การหายใจด้วยแสง – เป็นชื่อที่ทำให้นักเรียนเข้าใจผิดอย่างมหันต์ เพราะไม่เกี่ยวข้องกับการหายใจและไม่ให้ ATP นักเรียน Biol 1510 ทุกคนต้องจำเกี่ยวกับการหายใจด้วยแสงว่าช่วยลดประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสง และเกิดขึ้นเมื่อ Rubisco ให้ออกซิเจนกับ RuBP แทนที่จะเป็นคาร์บอกซิเลต RuBP

Rubisco มีวิวัฒนาการมาก่อนการสังเคราะห์ด้วยแสงด้วยออกซิเจน เมื่อไม่มีออกซิเจนในบรรยากาศหรือในน่านน้ำมหาสมุทร ดังนั้นจึงไม่มีทางเลือกในการต่อต้านกิจกรรมของ Oxygenase อย่างไรก็ตาม ตลอดระยะเวลากว่า 2 พันล้านปี ทั้งธรรมชาติและพันธุวิศวกรรมของมนุษย์ไม่สามารถกำจัดหรือลดการทำงานของออกซิเจนใน Rubisco ได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยไม่ส่งผลกระทบต่อกิจกรรมคาร์บอกซิเลสด้วยเช่นกัน

พืช C4 ได้พัฒนากลไกในการส่ง CO2 ไปยัง Rubisco

เพื่อให้พืชรับ CO2 พวกเขาต้องเปิดโครงสร้างที่เรียกว่าปากใบบนใบซึ่งเป็นรูพรุนที่ช่วยให้การแลกเปลี่ยนก๊าซ พืชยังสูญเสียไอน้ำผ่านปากใบ ซึ่งหมายความว่าพวกมันสามารถตายจากการขาดน้ำในสภาพที่แห้ง เนื่องจากพวกมันเปิดปากใบไว้สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสง พืชจะปิดปากใบเพื่อป้องกันการขาดน้ำ ผลที่ตามมาในทันที* ของปากใบปิดในระยะสั้นคือความเข้มข้นของ CO2 ที่ลดลง (ระดับ CO2 ลดลงเมื่อใช้สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสง) และเพิ่มความเข้มข้นของ O2 (ระดับ O2 เพิ่มขึ้นเมื่อเกิดจากการสังเคราะห์ด้วยแสง) ระดับ O2 ที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่มอัตราการหายใจด้วยแสง (ปฏิกิริยาของ rubisco กับออกซิเจนแทนคาร์บอนไดออกไซด์) จากนั้นจะลดประสิทธิภาพของ rubisco ลงอย่างมาก ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่ทำงานช้ามากอยู่แล้ว นี่หมายความว่าพืชในสภาพแห้งแล้งมีความเสี่ยงที่จะเกิดภาวะขาดน้ำหากเปิดปากใบเพื่อส่งเสริมการแลกเปลี่ยนก๊าซ หรือไม่สามารถผลิตน้ำตาลได้หากปิดปากใบไว้เพื่อลดการคายน้ำ (*ผลที่ตามมาในระยะยาวของปากใบที่ปิดถาวรคือความตายโดยการหายใจไม่ออกเนื่องจากไมโตคอนเดรียหมดออกซิเจนเพื่อทำการหายใจ)

พืชจำนวนมากที่อาศัยอยู่ในสภาพที่ร้อนและ/หรือแห้งได้พัฒนาเส้นทางการตรึงคาร์บอนทางเลือกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของรูบิสโก เพื่อไม่ให้ต้องเปิดปากใบไว้มากนัก ดังนั้นจึงช่วยลดความเสี่ยงที่จะตายจากการขาดน้ำ พืชเหล่านี้เรียกว่าพืช C4 เนื่องจากผลิตภัณฑ์แรกของการตรึงคาร์บอนคือสารประกอบ 4-คาร์บอน (แทนที่จะเป็นสารประกอบ 3-คาร์บอน เช่นเดียวกับในพืช C3 หรือ “normal”) พืช C4 ใช้สารประกอบ 4 คาร์บอนนี้เพื่อ “เข้มข้น” CO2 รอบ ๆ rubisco อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น rubisco จึงมีโอกาสเกิดปฏิกิริยาซ้ำกับ O2 น้อยลง

มีการดัดแปลงที่สำคัญสองประการที่ทำให้พืช C4 ทำได้:

  • อย่างแรก พืช C4 ใช้เอนไซม์สำรองสำหรับขั้นตอนแรกของการตรึงคาร์บอน เอนไซม์นี้เรียกว่าฟอสโฟฟีนอลไพรูเวต (PEP) คาร์บอกซิเลส และไม่มีกิจกรรมของออกซิเจนเอสและมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับคาร์บอนไดออกไซด์มากกว่ารูบิสโก ตามชื่อ “PEP คาร์บอกซิเลส” บ่งบอก เอ็นไซม์ยึดคาร์บอนไดออกไซด์กับสารประกอบที่เรียกว่าฟอสโฟอีนอลไพรูเวต (PEP)
  • ประการที่สอง พืช C4 มีกายวิภาคของใบเฉพาะทางที่มีเซลล์สังเคราะห์แสงสองประเภทที่แตกต่างกัน: เซลล์มีโซฟิลล์ (ที่ด้านนอกของใบ ใกล้ปากใบ) และเซลล์ฝักแบบมัด (ในด้านในของใบ ห่างจากปากใบ) Rubisco ตั้งอยู่ในเซลล์ปลอกหุ้ม แต่ไม่ใช่ในเซลล์มีโซฟิลล์

PEP คาร์บอกซิเลสตั้งอยู่ในเซลล์มีโซฟิลล์ ด้านนอกของใบใกล้กับปากใบ ไม่มีรูบิสโกในเซลล์มีโซฟิลล์ CO2 ที่เข้าสู่ปากใบได้รับการแก้ไขอย่างรวดเร็วโดย PEP คาร์บอกซิเลสให้เป็นสารประกอบ 4 คาร์บอนที่เรียกว่า malate โดยติด ​​CO2 เข้ากับ PEP จากนั้นมาลาเตจะถูกลำเลียงลึกเข้าไปในเนื้อเยื่อใบไปยังเซลล์ของปลอกหุ้มซึ่งอยู่ไกลจากปากใบ (และอยู่ห่างไกลจากออกซิเจน) และมีรูบิสโกอยู่ด้วย เมื่อเข้าไปในเซลล์ของปลอกหุ้ม มาเลตจะถูกดีคาร์บอกซิเลตเพื่อปลดปล่อยไพรูเวต จากนั้น CO2 คาร์บอนไดออกไซด์จะได้รับการแก้ไขโดยรูบิสโกซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรคาลวิน เช่นเดียวกับในพืช C3 จากนั้น Pyruvate จะกลับสู่เซลล์มีโซฟิลล์ ซึ่งใช้ฟอสเฟตจาก ATP เพื่อสร้าง PEP ใหม่ ดังนั้นในโรงงาน C4 การตรึงคาร์บอน C4 จึงมีต้นทุนเพิ่มสุทธิ 1 ATP สำหรับทุกๆ CO2 ที่ส่งไปยัง rubisco อย่างไรก็ตาม พืช C4 มีโอกาสน้อยที่จะตายจากการขาดน้ำเมื่อเทียบกับพืช C3 ในสภาพแห้ง

ภาพด้านล่างแสดงเส้นทางที่เราเพิ่งอธิบายไป:

ภาพรวมการตรึงคาร์บอน C4 จาก Wikimedia

สิ่งที่นักเรียน Biol 1510 ต้องจำเกี่ยวกับ C4 คือพืชเหล่านี้ได้เพิ่มกลไกความเข้มข้นของ CO2 เพื่อป้อน rubisco และวัฏจักรของ Calvin กลไกนี้ใช้ PEP carboxylase เพื่อสร้างสารประกอบ 4-carbon ซึ่งจะปล่อย CO2 ไปยัง rubisco ในเซลล์ใบที่มีออกซิเจนเพียงเล็กน้อย แม้ว่ากลไกนี้จะช่วยลดกิจกรรมของออกซิเจนในรูบิสโก แต่ก็มีต้นทุนด้านพลังงานเพิ่มเติมในรูปของ ATP ต่อโมล CO2 ที่คงที่

วิดีโอ (ครอบตัด) ด้านล่างให้ภาพรวมที่ดีในการเปรียบเทียบการสังเคราะห์ด้วยแสง C3 กับ C4 แต่โปรดระวังปัญหาต่อไปนี้ในวิดีโอนี้ วิดีโอดังกล่าวทำให้ดูเหมือน RuBP กระตุ้นปฏิกิริยาของตัวเองกับ CO2 ให้ก่อตัวเป็น 2 โมเลกุล 3 คาร์บอน 3PG แทนที่จะเป็นหนึ่งในสารตั้งต้นในปฏิกิริยานี้ ปฏิกิริยาของเอนไซม์นี้ถูกเร่งโดย rubiscoและ Rubisco ก็มีกิจกรรมออกซิกเนส ไม่ใช่ RuBP! วิดีโอยังทำให้ดูเหมือน PEP กระตุ้นปฏิกิริยาของตัวเองกับ CO2 เพื่อสร้าง 4-carbon malate เมื่อในความเป็นจริงปฏิกิริยานี้ถูกเร่งโดย PEP คาร์บอกซิเลส

หากคุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติม วิดีโอด้านล่างจะแสดงภาพประกอบของกระบวนการนี้อย่างละเอียด (แม้ว่าจะค่อนข้างช้า)

ข้อดีและข้อเสียของการตรึงคาร์บอน C4 และ C3

  • พืช C4 เติบโตได้ดีกว่าพืช C3 ในสภาวะที่ร้อนและแห้ง เมื่อพืชต้องปิดปากใบเพื่อประหยัดน้ำ – โดยที่ปากใบปิด ระดับ CO2 ภายในใบไม้ร่วง และระดับ O2 เพิ่มขึ้น
  • พืช C3 เติบโตได้ดีกว่าพืช C4 ในสภาพที่เย็นและชื้นเมื่อพืชสามารถเปิดปากใบได้ เนื่องจากพืช C3 ไม่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมในการตรึงคาร์บอน C4 ของ ATP

การสังเคราะห์แสงและการหายใจ: ภาพสะท้อนในกระจก
สมการทางเคมีสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงด้วยออกซิเจนและการหายใจแบบใช้ออกซิเจนเป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามกัน

จำเป็นต้องมีความสมดุลระหว่างอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงทั่วโลก (การผลิตขั้นต้น) และอัตราการหายใจทั่วโลกเพื่อรักษาความเข้มข้นของ CO2 และ O2 ในบรรยากาศให้คงที่

ในยูคาริโอต ทั้งการสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจเกิดขึ้นในออร์แกเนลล์ที่มีเยื่อหุ้มสองชั้นและจีโนมวงกลมของพวกมันเอง ซึ่งมีต้นกำเนิดเป็นเอนโดซิมไบโอตโปรคาริโอต

กระบวนการทั้งสองมีโซ่ขนส่งอิเล็กตรอน เคมีโอโมซิส และ ATP synthase ที่ขับเคลื่อนด้วยแรงกระตุ้นของโปรตอน

สไลด์ powerpoint ที่ใช้ใน screencast ของวิดีโออยู่ในชุดสไลด์ Carbon fixation


การเปรียบเทียบ C3, ค4, และโรงงาน CAM

3, ค4และโรงงาน CAM ทั้งหมดใช้วัฏจักรคาลวินเพื่อผลิตน้ำตาลจากCO2. เส้นทางเหล่านี้สำหรับการแก้ไขCO2 มีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกันและทำให้พืชมีความเหมาะสมกับแหล่งที่อยู่อาศัยที่แตกต่างกัน เดอะซี3 กลไกทำงานได้ดีในสภาพแวดล้อมที่เย็น ในขณะที่ C4 และพืช CAM ถูกปรับให้เข้ากับพื้นที่ร้อนและแห้ง

ทั้ง C4 และวิถีของ CAM มีวิวัฒนาการอย่างอิสระกว่าสองโหลครั้ง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าพวกมันอาจให้สายพันธุ์พืชในสภาพอากาศร้อนที่มีความได้เปรียบทางวิวัฒนาการที่สำคัญ [6]


ดูวิดีโอ: เปรยบเทยบความแตกตางระหวางพช C3 พช C4 และ พช CAM (อาจ 2022).