Διαφορά μεταξύ των φυτών C3 και C4

Κύρια διαφορά – φυτά C3 έναντι C4

Τα φυτά C3 και C4 είναι δύο τύποι φυτών που χρησιμοποιούν κύκλους C3 και C4 κατά τη σκοτεινή αντίδραση της φωτοσύνθεσης αντίστοιχα. Περίπου το 95% των φυτών στη γη είναι φυτά C3. Το ζαχαροκάλαμο, το σόργο, ο αραβόσιτος και τα χόρτα είναι φυτά C4. Τα φύλλα των φυτών C4 παρουσιάζουν ανατομία του Kranz. Τα φυτά C4 είναι ικανά να φωτοσυνθέτουν ακόμη και σε χαμηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του άνθρακα καθώς και σε ζεστές και ξηρές συνθήκες. Επομένως, η αποτελεσματικότητα της φωτοσύνθεσης στα φυτά C4 είναι υψηλότερη από την αποτελεσματικότητά της στα φυτά C3. Η κύρια διαφορά μεταξύ των φυτών C3 και C4 είναι ότι παρατηρείται μία δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα στα φυτά C3 και διπλή δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα παρατηρείται στα φυτά C4 .

Αυτό το άρθρο εξερευνά, 

1. Τι είναι τα φυτά C3
      – Ορισμός, Χαρακτηριστικά, Χαρακτηριστικά, Παραδείγματα
2. Τι είναι τα φυτά C4
      – Ορισμός, Χαρακτηριστικά, Χαρακτηριστικά, Παραδείγματα
3. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ των φυτών C3 και C4

Τι είναι τα φυτά C3

Τα φυτά C3 χρησιμοποιούν τον κύκλο Calvin ως μηχανισμό για τη σκοτεινή αντίδραση στη φωτοσύνθεση. Η πρώτη σταθερή ένωση που παράγεται στον κύκλο Calvin είναι το 3-φωσφογλυκερικό. Δεδομένου ότι το 3-φωσφογλυκερικό είναι μια ένωση τριών άνθρακα, ο κύκλος Calvin ονομάζεται κύκλος C3. Τα φυτά C3 σταθεροποιούν απευθείας το διοξείδιο του άνθρακα με το ένζυμο, τη διφωσφορική καρβοξυλάση της ριβουλόζης (rubisco). Αυτή η στερέωση συμβαίνει στους χλωροπλάστες των κυττάρων της μεσοφύλλης. Ο κύκλος C3 γίνεται σε τρία βήματα. Κατά τη διάρκεια του πρώτου βήματος, το διοξείδιο του άνθρακα στερεώνεται στο σάκχαρο πέντε άνθρακα, την 1,5-διφωσφορική ριβουλόζη, η οποία εναλλακτικά υδρολύεται σε 3-φωσφογλυκερικό. Κάποια από τα 3-φωσφογλυκερικά ανάγεται σε φωσφορικές εξόζης όπως η 6-φωσφορική γλυκόζη, η 1-φωσφορική γλυκόζη και η 6-φωσφορική φρουκτόζη κατά τη διάρκεια του δεύτερου σταδίου. Τα υπόλοιπα 3-φωσφογλυκερικά ανακυκλώνονται, σχηματίζοντας 1,5-φωσφορική ριβουλόζη.

Το βέλτιστο εύρος θερμοκρασίας των φυτών C3 είναι 65-75 βαθμοί Φαρενάιτ. Όταν η θερμοκρασία του εδάφους φτάσει τους 40-45 βαθμούς Φαρενάιτ, τα φυτά C3 αρχίζουν να αναπτύσσονται. Επομένως, τα φυτά C3 ονομάζονται φυτά ψυχρής εποχής . Η απόδοση της φωτοσύνθεσης μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Κατά τη διάρκεια της άνοιξης και του φθινοπώρου, τα φυτά C3 γίνονται παραγωγικά λόγω της υψηλής υγρασίας του εδάφους, της μικρότερης φωτοπεριόδου και της ψυχρής θερμοκρασίας. Το καλοκαίρι, τα φυτά C3 είναι λιγότερο παραγωγικά λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και της λιγότερης υγρασίας του εδάφους. Τα φυτά C3 μπορεί να είναι είτε μονοετή φυτά όπως σιτάρι, βρώμη και σίκαλη είτε πολυετή φυτά όπως φέσκους και οπωρώνα. Μια διατομή του φύλλου του Arabidopsis thaliana , που είναι ένα εργοστάσιο C3 φαίνεται στο σχήμα 1 . Τα κελιά του περιβλήματος της δέσμης εμφανίζονται σε ροζ χρώμα.

Εικόνα 1:φύλλο Arabidopsis thaliana

Τι είναι τα φυτά C4

Τα φυτά C4 χρησιμοποιούν τον κύκλο Hatch-Stack ως μηχανισμό αντίδρασής τους στη σκοτεινή αντίδραση της φωτοσύνθεσης. Η πρώτη σταθερή ένωση που παράγεται στον κύκλο Hatch-Stack είναι το οξαλοξικό. Δεδομένου ότι το οξαλοξικό είναι μια ένωση τεσσάρων ατόμων άνθρακα, ο κύκλος Hatch-Stack ονομάζεται κύκλος C4. Τα φυτά C4 σταθεροποιούν το διοξείδιο του άνθρακα δύο φορές, σε κύτταρα μεσοφύλλης και στη συνέχεια σε κύτταρα δέσμης θηκών, με τα ένζυμα, καρβοξυλάση πυροσταφυλικής φωσφοενόλης και διφωσφορική καρβοξυλάση ριβουλόζης (rubisco) αντίστοιχα. Η πυροσταφυλική φωσφαινόλη στα κύτταρα της μεσόφυλλης συμπυκνώνεται με διοξείδιο του άνθρακα, σχηματίζοντας το οξαλοξικό. Αυτό το οξαλοξικό μετατρέπεται σε μηλικό για να μεταφερθεί στα κύτταρα του περιβλήματος δέσμης. Μέσα στα κύτταρα του περιβλήματος της δέσμης, το μηλικό αποκαρβοξυλιώνεται, καθιστώντας το διοξείδιο του άνθρακα διαθέσιμο για τον κύκλο του Calvin σε αυτά τα κύτταρα. Στη συνέχεια, το διοξείδιο του άνθρακα στερεώνεται για δεύτερη φορά μέσα στις κυψέλες του περιβλήματος της δέσμης.

Η βέλτιστη θερμοκρασία των φυτών C4 είναι 90-95 βαθμοί Φαρενάιτ. Τα φυτά C4 αρχίζουν να αναπτύσσονται στους 60-65 βαθμούς Φαρενάιτ. Επομένως, τα φυτά C4 ονομάζονται φυτά τροπικής ή θερμής εποχής. Τα φυτά C4 είναι πιο αποτελεσματικά στη συλλογή διοξειδίου του άνθρακα και νερού από το έδαφος. Οι πόροι της στοματικής ανταλλαγής αερίων διατηρούνται κοντά τις περισσότερες ώρες της ημέρας προκειμένου να μειωθεί η υπερβολική απώλεια υγρασίας σε ξηρές και ζεστές συνθήκες. Τα ετήσια φυτά C4 είναι το καλαμπόκι, το μαργαριτάρι και το σουδάνγκορο. Τα πολυετή φυτά C4 είναι η βερμούδα, η ινδική χλόη και η χλόη. Τα φύλλα των φυτών C4 παρουσιάζουν ανατομία του Kranz. Τα κύτταρα θηκών δέσμης φωτοσύνθεσης καλύπτουν τους αγγειακούς ιστούς του φύλλου. Αυτά τα κύτταρα θηκών δέσμης περιβάλλονται από κύτταρα μεσόφυλλου. Μια διατομή ενός φύλλου αραβοσίτου, που παρουσιάζει ανατομία του Kranz φαίνεται στο εικόνα 2 .

Εικόνα 2:Φύλλα αραβοσίτου

Διαφορά μεταξύ των φυτών C3 και C4

Εναλλακτικά ονόματα

Φυτά C3: Τα φυτά C3 ονομάζονται φυτά ψυχρής εποχής.

Φυτά C4: Τα φυτά C4 ονομάζονται φυτά θερμής εποχής.

Ανατομία Kranz

Φυτά C3: Τα φύλλα των φυτών C3 δεν έχουν ανατομία Kranz.

Φυτά C4: Τα φύλλα των φυτών C4 έχουν ανατομία Kranz.

Κελιά

C3 Φυτά: Στα φυτά C3, η σκοτεινή αντίδραση πραγματοποιείται από κύτταρα μεσοφύλλης. Τα κύτταρα του περιβλήματος δέσμης δεν έχουν χλωροπλάστες.

Φυτά C4: Στα φυτά C4, η σκοτεινή αντίδραση πραγματοποιείται τόσο από κύτταρα μεσοφύλλης όσο και από κύτταρα δέσμης περιβλήματος.

Χλωροπλάστες

Φυτά C3: Οι χλωροπλάστες των φυτών C3 είναι μονόμορφοι. Τα φυτά C3 περιέχουν μόνο κοκκώδεις χλωροπλάστες.

Φυτά C4: Οι χλωροπλάστες των φυτών C4 είναι διμορφικοί. Τα φυτά C4 περιέχουν τόσο κοκκώδεις όσο και κοκκώδεις χλωροπλάστες.

Περιφερικό δίκτυο

Φυτά C3: Οι χλωροπλάστες των φυτών C3 δεν διαθέτουν περιφερειακό δίκτυο.

Φυτά C4: Οι χλωροπλάστες των φυτών C4 περιέχουν ένα περιφερειακό δίκτυο.

Φωτοσύστημα II

Φυτά C3: Οι χλωροπλάστες των φυτών C3 αποτελούνται από PS II.

Φυτά C4: Οι χλωροπλάστες των φυτών C4 δεν αποτελούνται από PS II.

Στομάτα

Φυτά C3: Η φωτοσύνθεση αναστέλλεται όταν τα στομία είναι κλειστά.

Φυτά C4: Η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα ακόμη και όταν τα στομία είναι κλειστά.

Στερέωση διοξειδίου του άνθρακα

Φυτά C3: Μια μεμονωμένη δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα συμβαίνει σε φυτά C3.

Φυτά C4: Διπλές μονιμοποιήσεις διοξειδίου του άνθρακα συμβαίνουν σε φυτά C4.

Αποτελεσματικότητα στη στερέωση διοξειδίου του άνθρακα

Φυτά C3: Η στερέωση του διοξειδίου του άνθρακα είναι λιγότερο αποτελεσματική και αργή στις εγκαταστάσεις C3.

Φυτά C4: Η στερέωση με διοξείδιο του άνθρακα είναι πιο αποτελεσματική και γρήγορη στις εγκαταστάσεις C4.

Αποτελεσματικότητα της φωτοσύνθεσης

Φυτά C3: Η φωτοσύνθεση είναι λιγότερο αποτελεσματική στα φυτά C3.

Φυτά C4: Η φωτοσύνθεση είναι αποτελεσματική στα φυτά C4.

Φωτοαναπνοή

Φυτά C3: Η φωτοαναπνοή συμβαίνει στα φυτά C3 όταν η συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα είναι χαμηλή.

Φυτά C4: Δεν παρατηρείται φωτοαναπνοή σε χαμηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του άνθρακα.

Βέλτιστη θερμοκρασία

Φυτά C3: Το βέλτιστο εύρος θερμοκρασίας των φυτών C3 είναι 65-75 βαθμοί Φαρενάιτ.

Φυτά C4: Το βέλτιστο εύρος θερμοκρασίας των φυτών C4 είναι 90-95 βαθμοί Φαρενάιτ.

Ένζυμο καρβοξυλάσης

Φυτά C3: Το ένζυμο καρβοξυλάση είναι το rubisco στα φυτά C3.

Φυτά C4: Το ένζυμο καρβοξυλάση είναι η PEP καρβοξυλάση και το rubisco στα φυτά C4.

Πρώτη σταθερή ένωση στο σκοτάδι αντίδραση

C3 Φυτά: Η πρώτη σταθερή ένωση που παράγεται στον κύκλο C3 είναι μια ένωση τριών άνθρακα που ονομάζεται 3-φωσφογλυκερικό οξύ.

Φυτά C4: Η πρώτη σταθερή ένωση που παράγεται στον κύκλο C4 είναι μια ένωση τεσσάρων ατόμων άνθρακα που ονομάζεται οξαλοξικό οξύ.

Περιεχόμενο σε πρωτεΐνη του φυτού

Φυτά C3: Τα φυτά C3 περιέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη.

Φυτά C4: Τα φυτά C4 περιέχουν χαμηλή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σε σύγκριση με τα φυτά C3.

Συμπέρασμα

Τα φυτά C3 και C4 χρησιμοποιούν διακριτές μεταβολικές αντιδράσεις κατά τη διάρκεια της σκοτεινής αντίδρασης της φωτοσύνθεσης. Τα φυτά C3 χρησιμοποιούν τον κύκλο Calvin ενώ τα φυτά C4 χρησιμοποιούν τον κύκλο Hatch-Slack. Στα φυτά C3, η σκοτεινή αντίδραση λαμβάνει χώρα στα κύτταρα μεσοφύλλης με σταθεροποίηση του διοξειδίου του άνθρακα απευθείας σε 1,5-διφωσφορική ριβουλόζη. Στα φυτά C4, το διοξείδιο του άνθρακα στερεώνεται σε πυροσταφυλική φωσφοενόλη, σχηματίζοντας μηλικό άλας για να μεταφερθεί σε κύτταρα δέσμης θηκών όπου λαμβάνει χώρα ο κύκλος Calvin. Επομένως, το διοξείδιο του άνθρακα σταθεροποιείται δύο φορές σε εγκαταστάσεις C4. Προκειμένου να προσαρμοστούν στον μηχανισμό C4, τα φύλλα των φυτών C4 παρουσιάζουν ανατομία Kranz. Η αποτελεσματικότητα της φωτοσύνθεσης είναι υψηλή στα φυτά C4 σε σύγκριση με τα φυτά C3. Τα φυτά C4 είναι ικανά να πραγματοποιούν φωτοσύνθεση ακόμη και μετά το κλείσιμο των στομάτων. Επομένως, η κύρια διαφορά μεταξύ των φυτών C3 και C4 είναι οι μεταβολικές τους αντιδράσεις, που λειτουργούν κατά τη διάρκεια της σκοτεινής αντίδρασης της φωτοσύνθεσης.

Αναφορά:
1. Berg, Jeremy M. "The Calvin Cycle Synthesizes Hexoses from Carbon Dioxide and Water." Βιοχημεία. 5η έκδοση. U.S. National Library of Medicine, 01 Ιανουαρίου 1970. Web. 16 Απρ. 2017.
2. Lodish, Harvey. «Μεταβολισμός CO2 κατά τη φωτοσύνθεση». Μοριακή Κυτταρική Βιολογία. 4η έκδοση. U.S. National Library of Medicine, 01 Ιανουαρίου 1970. Web. 16 Απρ. 2017.