C3, C4, और CAM पौधे: जलवायु परिवर्तन के अनुकूलन

वैश्विक जलवायु परिवर्तन दैनिक, मौसमी और वार्षिक औसत तापमान में वृद्धि के परिणामस्वरूप होता है और असामान्य रूप से कम और उच्च तापमान की तीव्रता, आवृत्ति और अवधि में वृद्धि होती है। तापमान और अन्य पर्यावरणीय विविधताएं पौधों की वृद्धि पर सीधा प्रभाव डालती हैं और पौधे वितरण में प्रमुख निर्धारण कारक हैं। चूँकि मनुष्य पौधों पर निर्भर करते हैं - प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष रूप से - एक महत्वपूर्ण खाद्य स्रोत, यह जानते हुए कि वे नए पर्यावरणीय आदेश को कितनी अच्छी तरह से झेल सकते हैं और / या अर्जित कर सकते हैं।

सभी पौधे निगलना वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड और की प्रक्रिया के माध्यम से इसे शर्करा और स्टार्च में परिवर्तित करें प्रकाश संश्लेषण लेकिन वे इसे अलग-अलग तरीकों से करते हैं। प्रत्येक पादप वर्ग द्वारा प्रयुक्त विशिष्ट प्रकाश संश्लेषण विधि (या मार्ग) रासायनिक प्रतिक्रियाओं के समुच्चय का रूपांतर है जिसे कहा जाता है केल्विन चक्र. ये अभिक्रियाएँ एक पौधे द्वारा बनाए गए कार्बन अणुओं की संख्या और प्रकार को प्रभावित करती हैं, वे स्थान जहाँ उन अणुओं को संग्रहीत किया जाता है, और, सबसे अधिक जलवायु परिवर्तन के अध्ययन के लिए महत्वपूर्ण है, एक पौधे की कम कार्बन वायुमंडल, उच्च तापमान और कम पानी का सामना करने की क्षमता और नाइट्रोजन।

प्रकाश संश्लेषण की ये प्रक्रियाएँ, वनस्पति विज्ञानियों द्वारा C3, C4 और CAM के रूप में निर्दिष्ट की गई हैं, जो सीधे प्रासंगिक हैं वैश्विक जलवायु परिवर्तन अध्ययन क्योंकि C3 और C4 पौधे वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड की एकाग्रता में बदलाव और तापमान और पानी की उपलब्धता में बदलाव के लिए अलग-अलग प्रतिक्रिया देते हैं।

मनुष्य वर्तमान में पौधों की प्रजातियों पर निर्भर हैं जो हॉटटर, ड्रायर और अधिक अनिश्चित परिस्थितियों में नहीं पनपते हैं। जैसे-जैसे ग्रह गर्म होता जा रहा है, शोधकर्ताओं ने उन तरीकों की खोज शुरू कर दी है, जिनसे पौधों को बदलते पर्यावरण के अनुकूल बनाया जा सकता है। प्रकाश संश्लेषण प्रक्रियाओं को संशोधित करना ऐसा करने का एक तरीका हो सकता है।

बहुसंख्यक भूमि के पौधे जिन्हें हम मानव भोजन और ऊर्जा के लिए भरोसा करते हैं, वे C3 मार्ग का उपयोग करते हैं, जो कार्बन निर्धारण के लिए सबसे पुराना मार्ग है, और यह सभी करोनियमों के पौधों में पाया जाता है। लगभग सभी गैर-अमानवीय प्राइमेटियन, नई और पुरानी दुनिया सहित सभी शरीर के आकारों में प्राइमेट हैं बंदर, और सभी वानर-यहां तक ​​कि वे जो सी 4 और सीएएम पौधों वाले क्षेत्रों में रहते हैं-के लिए सी 3 पौधों पर निर्भर हैं जीविका।

• जाति: अनाज जैसे चावल, गेहूँ, सोयाबीन, राई, और जौ; सब्जियों जैसे कसावा, आलू, पालक, टमाटर, और यम; जैसे पेड़ सेब, आड़ू, और नीलगिरी
• एनजाइम: रिब्यूलोज बिसफ़ॉस्फेट (आरयूबीपी या रूबिसो) कार्बोक्ज़िलेज ऑक्सीज़ (रुबिस्को)
• प्रक्रिया: CO2 को 3-कार्बन यौगिक 3-फॉस्फोग्लिसरिक एसिड (या पीजीए) में बदलें
• जहां कार्बन निश्चित है: सभी पत्ती मेसोफिल कोशिकाएं
• बायोमास दरें: -22% से -35%, -26.5% के साथ

जबकि सी 3 मार्ग सबसे आम है, यह भी अक्षम है। रुबिस्को न केवल सीओ 2 बल्कि ओ 2 के साथ प्रतिक्रिया करता है, जो कि फोटोरिसेपरेशन की ओर जाता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो कार्बन को आत्मसात करती है। वर्तमान वायुमंडलीय परिस्थितियों में, सी 3 पौधों में संभावित प्रकाश संश्लेषण 40% से अधिक ऑक्सीजन द्वारा दबा दिया जाता है। उस दमन की सीमा तनाव की स्थिति जैसे सूखे, उच्च प्रकाश और उच्च तापमान के तहत बढ़ जाती है। जैसे-जैसे वैश्विक तापमान बढ़ता है, C3 पौधे जीवित रहने के लिए संघर्ष करेंगे - और चूंकि हम उन पर निर्भर हैं, इसलिए हम करेंगे।

सभी भूमि पौधों की प्रजातियों में से केवल 3% सी 4 मार्ग का उपयोग करते हैं, लेकिन वे उष्णकटिबंधीय, उपोष्णकटिबंधीय और गर्म समशीतोष्ण क्षेत्रों में लगभग सभी घास के मैदानों पर हावी हैं। C4 पौधों में अत्यधिक उत्पादक फसलें जैसे कि मक्का, शर्बत और गन्ना शामिल हैं। जबकि ये फसलें जैव-उत्पादन के लिए क्षेत्र का नेतृत्व करती हैं, वे मानव उपभोग के लिए पूरी तरह उपयुक्त नहीं हैं। मक्का एक अपवाद है, हालांकि, यह वास्तव में पचने योग्य नहीं है जब तक कि पाउडर में जमीन न हो। मक्का और अन्य फसल पौधों को पशु आहार के रूप में भी उपयोग किया जाता है, जो ऊर्जा को मांस में परिवर्तित करते हैं - पौधों का एक और अकुशल उपयोग।

• प्रजातियां: निचले अक्षांशों के चारागाह घास में आम, मक्का, सोरघम, गन्ना, फोनियो, टीएफ, और पपीरस
• एनजाइम: फॉस्फोनिओलफ्रुवेट (पीईपी) कार्बोक्सिलेज
• प्रक्रिया: CO2 को 4-कार्बन मध्यवर्ती में बदलें
• जहां कार्बन स्थिर है: मेसोफिल कोशिकाएं (MC) और बंडल म्यान कोशिकाएं (BSC)। C4s में प्रत्येक शिरा के चारों ओर BSCs की एक रिंग होती है और बंडल शीथ के चारों ओर MCs की एक बाहरी रिंग होती है, जिसे क्रान्ज एनाटॉमी के नाम से जाना जाता है।
• बायोमास दरें: -9 से -16%, मतलब -12.5% ​​के साथ।

C4 प्रकाश संश्लेषण C3 प्रकाश संश्लेषण प्रक्रिया का एक जैव रासायनिक संशोधन है जिसमें C3 शैली चक्र केवल पत्ती के भीतर आंतरिक कोशिकाओं में होता है। पत्तियों के चारों ओर मेसोफिल कोशिकाएं होती हैं, जिनमें फॉस्फोनेओलेफ्रुवेट (पीईपी) कार्बोक्सिलेज नामक एक बहुत अधिक सक्रिय एंजाइम होता है। नतीजतन, सी 4 पौधे सूरज की रोशनी के बहुत से उपयोग के साथ लंबे समय तक बढ़ते मौसमों पर पनपते हैं। कुछ भी खारा-सहिष्णु हैं, शोधकर्ताओं को यह विचार करने की अनुमति देता है कि क्या उन क्षेत्रों का अनुभव किया गया है लवण-सहिष्णु C4 लगाकर पिछले सिंचाई प्रयासों से उत्पन्न लवण को बहाल किया जा सकता है प्रजातियों।

सीएएम प्रकाश संश्लेषण का नाम संयंत्र परिवार के सम्मान में रखा गया था Crassulacean, पत्थर का परिवार या अनाथ परिवार, पहली बार प्रलेखित किया गया था। इस प्रकार की प्रकाश संश्लेषण कम पानी की उपलब्धता के लिए एक अनुकूलन है और आर्किड और शुष्क क्षेत्रों से पौधे की प्रजातियों में होता है।

पूर्ण सीएएम प्रकाश संश्लेषण को नियोजित करने वाले पौधों में, पत्तों में रंध्र को दिन के उजाले के दौरान बंद कर दिया जाता है ताकि वाष्पीकरण कम हो और रात में कार्बन डाइऑक्साइड लेने के लिए खुला हो। कुछ C4 पौधे C3 या C4 मोड में कम से कम आंशिक रूप से कार्य करते हैं। वास्तव में, वहाँ भी एक संयंत्र कहा जाता है अगेव अंगुस्टिफोलिया स्थानीय सिस्टम के रूप में मोड के बीच आगे और पीछे स्विच करता है।

• प्रजातियां: कैक्टस और अन्य रसीलाएं, क्लूसिया, टकीला एगेव, अनानास।
• एनजाइम: फॉस्फोनिओलफ्रुवेट (पीईपी) कार्बोक्सिलेज
• प्रक्रिया: चार चरण जो उपलब्ध धूप से बंधे होते हैं, सीएएम संयंत्र दिन के दौरान CO2 इकट्ठा करें और फिर रात में CO2 को 4 कार्बन मध्यवर्ती के रूप में ठीक करें।
• जहां कार्बन स्थिर है: रिक्तिकाएं
• बायोमास दरें: दरें C3 या C4 श्रेणी में आ सकती हैं।

सीएएम संयंत्र पौधों में सबसे अधिक पानी के उपयोग की क्षमता का प्रदर्शन करते हैं जो उन्हें पानी से सीमित वातावरण, जैसे कि अर्ध-शुष्क रेगिस्तानों में अच्छा प्रदर्शन करने में सक्षम बनाते हैं। अनानास और कुछ के अपवाद के साथ रामबांस टकीला एगेव, सीएएम पौधे जैसे खाद्य और ऊर्जा संसाधनों के लिए मानव उपयोग के मामले में अपेक्षाकृत अप्रयुक्त हैं।

वैश्विक खाद्य असुरक्षा पहले से ही एक अत्यंत तीव्र समस्या है, जो अकुशल भोजन और ऊर्जा पर निरंतर निर्भरता प्रदान करती है स्रोत एक खतरनाक कोर्स, खासकर जब हम नहीं जानते कि कैसे पौधे चक्र प्रभावित होंगे क्योंकि हमारा वातावरण अधिक हो जाता है कार्बन युक्त। वायुमंडलीय CO2 में कमी और पृथ्वी की जलवायु के सूखने से C4 और CAM विकास को बढ़ावा मिला है, जो माना जाता है खतरनाक संभावना उठाती है कि उन्नत CO2 उन स्थितियों को उलट सकती है जो इन विकल्पों को C3 के लिए अनुकूल बनाती हैं प्रकाश संश्लेषण।

हमारे पूर्वजों के साक्ष्य से पता चलता है कि होमिनिड्स जलवायु परिवर्तन के लिए अपने आहार को अनुकूलित कर सकते हैं। Ardipithecus ramidus तथा अर एनामेंसिस दोनों C3 पौधों पर निर्भर थे लेकिन जब लगभग चार मिलियन साल पहले एक जलवायु परिवर्तन ने पूर्वी अफ्रीका को जंगली क्षेत्रों से सवाना में बदल दिया, तो यह प्रजाति बच गई-आस्ट्रेलोपिथेकस एफरेन्सिस तथा केन्याथ्रोपस प्लैटिप्समिश्रित C3 / C4 उपभोक्ता हैं। 2.5 मिलियन साल पहले, दो नई प्रजातियां विकसित हुई थीं: पैरेंथ्रोपस, जिसका ध्यान C4 / CAM खाद्य स्रोतों और जल्दी स्थानांतरित हो गया होमो सेपियन्स कि C3 और C4 दोनों पौधों की किस्मों का उपभोग किया।

विकास की प्रक्रिया जिसने C3 पौधों को C4 प्रजातियों में बदल दिया, वह पिछले 35 मिलियन वर्षों में एक बार नहीं बल्कि कम से कम 66 बार हुई है। इस विकासवादी कदम से प्रकाश संश्लेषक प्रदर्शन में वृद्धि हुई और पानी और नाइट्रोजन-उपयोग दक्षता में वृद्धि हुई।

नतीजतन, C4 पौधों में C3 पौधों की तुलना में दो बार प्रकाश संश्लेषक क्षमता होती है और वे उच्च तापमान, कम पानी और उपलब्ध नाइट्रोजन का सामना कर सकते हैं। यह इन कारणों के लिए है, बायोकेमिस्ट वर्तमान में सी 4 और सीएएम लक्षणों को स्थानांतरित करने के तरीके खोजने की कोशिश कर रहे हैं (प्रक्रिया दक्षता, उच्च सहिष्णुता तापमान, उच्च पैदावार, और सूखे और लवणता के प्रतिरोध) सी 3 पौधों में वैश्विक स्तर पर पर्यावरणीय परिवर्तनों का सामना करने के लिए वार्मिंग।

कम से कम कुछ सी 3 संशोधनों को संभव माना जाता है क्योंकि तुलनात्मक अध्ययन से पता चला है कि इन पौधों में पहले से ही सी 4 पौधों के समान ही कुछ अल्पविकसित जीन हैं। जबकि C3 और C4 के संकरों का पांच दशकों से अधिक समय से पीछा किया जा रहा है, क्योंकि क्रोमोसोम बेमेल और संकर बाँझपन सफलता की पहुंच से बाहर है।

खाद्य और ऊर्जा सुरक्षा बढ़ाने की क्षमता ने प्रकाश संश्लेषण पर शोध में उल्लेखनीय वृद्धि की है। प्रकाश संश्लेषण हमारे भोजन और फाइबर की आपूर्ति, साथ ही ऊर्जा के हमारे अधिकांश स्रोतों को प्रदान करता है। यहां तक ​​कि का बैंक भी हाइड्रोकार्बन पृथ्वी की पपड़ी में रहने वाला मूल रूप से प्रकाश संश्लेषण द्वारा बनाया गया था।

चूंकि जीवाश्म ईंधन कम हो गए हैं - या मनुष्यों को जीवाश्म ईंधन के उपयोग को वार्मल ग्लोबल वार्मिंग तक सीमित करना चाहिए - दुनिया को नवीकरणीय संसाधनों के साथ उस ऊर्जा आपूर्ति को बदलने की चुनौती का सामना करना पड़ेगा। अगले 50 वर्षों में जलवायु परिवर्तन की दर के साथ मानवता के विकास की उम्मीद करना व्यावहारिक नहीं है। वैज्ञानिक उम्मीद कर रहे हैं कि संवर्धित जीनोमिक्स के उपयोग के साथ, पौधे एक और कहानी होगी।

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