Den Klimawandel positiv nutzen - Maßnahmen der Pflanzenzüchtung am Beispiel des C4-Mechanismus -

Fotosynthese

1. Lichtenergie wird von Farbstoffen

(Chlorophyll etc.) absorbiert

2. Umwandlung der Lichtenergie in

chemische Energie

3. Chemische Energie wird zur Synthese

von organischen Verbindungen

genutzt

C3-Pflanzen

-„normale“, in Mitteleuropa vorkommende Fotosyntheseart

- erstes nachweisbares Fotosyntheseprodukt ist ein C3-Molekül (Glycerinaldehydphosphat)

- Reaktionen der Fotosynthese laufen in den Chloroplasten ab

-besitzt als CO₂ bindendes Enzym RuBisCO

=> Problem: es bindet O₂ genauso gut wie CO₂

=> wirkt der Fotosynthese entgegen

- Temperaturoptimum: 15- 25° C

- Spaltöffnungen sind tagsüber zur CO₂-Aufnahme

geöffnet

=> Transpiration

- bei großer Hitze werden diese geschlossen

=> Fotosyntheseleistung wird eingeschränkt

C4-Pflanze

- C4-Pflanzen sind meistens Gräser ( Mais, Zuckerrohr, Chinaschilf und Hirse)

- auch bei Seggen, und Zweikeimblättrigen

=> vermutlich mehrmals unabhängig voneinander entstanden

- schnellere Fotosynthese bei mehr Wärme und Licht

- erstes nachweisbare Fotosyntheseprodukt ist ein C4- Molekül (Oxalacetat)

- Reaktionen der Fotosynthese laufen räumlich getrennt ab

-besitzen ein Enzym mit erhöhter CO₂-Affinität

=> PEP-Carboxylase

=> nutzt geringere Konzentrationen von CO₂ besser

- Temperaturoptimum: 30- 45°C

- Spaltöffnungen werden bei großer Hitze geschlossen

=> keine Fotosyntheseeinschränkung, dank effektiverer Enzyme

CAM-Pflanzen (Crassulacean-Acid-Metabolism)

-kommt vor allen bei Kakteen, Bromelien und Orchideen vor, die an Trockenstandorten leben

=> bekannteste Art: Ananas

-zeitliche Trennung der CO₂-Aufnahme und -Assimilation

=> nachts Öffnung der Spaltöffnungen zur CO₂-Aufnahme und Speicherung

=> tagsüber Nutzung des CO₂ ohne Transpirationsverluste

-besitzt das Enzym PEP-Carboxylase

=> nutzt CO₂ sehr effektiv

- oftmals sukkulente Pflanzen

- bei Sommertrockenheit CAM-Mechanismus, bei Winterfeuchte C3-Mechanismus

Ökonomische und ökologische Aspekte

-C4- Pflanzen benötigen zur Bildung von 1kg TS 230-250 Ltr. Wasser

-C3-Pflanzen benötigen das zwei bis dreifache (Roggen 400Ltr. Hafer 600-700Ltr.)

=> Eignung für Trockenstandorte bzw. sehr leichte Böden

-überlegene Wachstumsraten zeigt neben dem Mais das Chinaschilf (~ 450dt TS/ ha)

=> Produktion von Biomasse für die Energiegewinnung

=> Produktion von Nachwachsenden Rohstoffen ( Stärke, Spanplatten)

- Einige tropische C4-Futtergräser leben in Symbiose mit Stickstoffbindenden Bakterien

=> zusätzliche Ertragssteigerung ohne Düngung möglich!

- Der Genabschnitt, der für den C4-Zyklus codiert wurde bereits aus Mais isoliert

=> mit Hilfe der Gentechnik wurde es in das Reisgenom eingebaut

=> C4-Reis bringt bis zu 35% mehr Ertrag als C3-Reis!

Ertragsfaktor Luft

=>O₂ Gehalt ist überoptimal

=>CO₂ ist suboptimal

ð Erhöhung des CO₂-Gehaltes führt zu einer Ertragszunahme

ð Bei C3-Pflanzen Steigerung von bis zu 30%

ð Bei C4-Pflanzen Steigerung von bis zu 10%

ð C4-Pflanzen bessere Ausnutzung des CO₂ => geringere Ertragssteigerung

ð CO₂- Düngung wird bereits im Unterglasanbau von Gemüse durchgeführt