您的位置:澳门尼斯人app > 生命科学 > 地文学家拆穿了与作物耐寒性的绝密联系

地文学家拆穿了与作物耐寒性的绝密联系

发布时间:2020-01-18 05:07编辑:生命科学浏览(91)

    该研究发表在实验植物学杂志上,测量了Rubisco保持叶绿体的体积,这些叶绿体存在于玉米,甘蔗以及耐寒芒草的束鞘中。该小组的结论是,这些C4作物的叶绿体体积足以容纳足够的Rubisco在低温下进行光合作用。奇怪的是,芒草具有最小的叶绿体,表明叶绿体体积与耐寒性之间没有联系。

    自然界的C4植物都有哪些?如何分布??

    碳三植物的叶肉细胞较分散,维管束鞘细胞中没有叶绿体,光合作用只有碳三循环,对二氧化碳的利用率较低,一般生活在温带地区。

    但是通过将酶分离到叶子的一部分,是否有足够的空间容纳较低温度下需要的大量Rubisco?伊利诺伊州Carl R. Woese基因组生物学研究所的Ikenberry Endowed大学作物科学和植物生物学主席Stephen Long说。

    在北方早春开始生长的植物几乎全是C3植物,直到夏初才开始生长的一般是C4类型的植物。另外豆科、十字花科、蔷薇科、茄科和葫芦科都属于C3植物,遇见这几科的植物就可以直接确定是C3植物了。

    有些植物就抛弃了祖先的遗产,发明了新的固碳方式。它们不直接用RuBisCO来固碳,在叶肉细胞里,没有RuBisCO,而是另一种羧化酶,它能很好地区分二氧化碳和氧气,只把二氧化碳固定到另一种化合物上,生成苹果酸或天门冬氨酸。苹果酸或天门冬氨酸含有4个碳原子,所以采用这种固碳方式的植物称为碳四植物。但是植物要利用固定下来的二氧化碳,还是离不开RuBisCO的。碳四植物的RuBisCO哪里去了呢?在维管束周围,包裹着一层鞘细胞,碳四植物的RuBisCO就躲在这里。苹果酸或天门冬氨酸源源不断地跑到了维管束鞘细胞,释放出二氧化碳供RuBisCO使用,而空气中的氧气是到不了这里的,这样,RuBisCO就只发挥其羧化酶的作用,不干加氧的杂活了。
    
    这样固碳的效率大大提高了,就可以缩短气孔开放的时间,减少水分的蒸发。碳三植物每固定一分子的二氧化碳,要丧失833分子的水,而碳四植物只丧失277分子的水。少浪费水还能高效固碳,碳四植物也就特别适合在炎热干旱的条件下茁壮成长。大部分的碳四植物实际上是草(禾本科),但是它们有的长得如此高大,很多人都不知道它们是草,例如玉米、甘蔗、高粱。
    
    既然碳四植物的光合作用效率如此之高,为什么它们没有征服全世界,只占植物中的一小部分呢(大约占3%)?这是因为其高效是以多耗费能量为代价的。由于多出了一个步骤,碳四植物的光合作用要耗费更多的能量,每合成一分子葡萄糖要耗费30分子的ATP,而碳三植物只需要耗费18分子ATP。ATP是由光能转化来的,在阳光强烈、充足的炎热地带,不缺ATP,为了多固碳多耗费ATP是值得的。但是在阴凉、寒冷的地带,多耗费ATP就没有优势了。所以碳四植物最适合在热带地区生长,在其他地区就未必能竞争过碳三植物了。
    
    水稻原产热带,但却没有变成碳四植物,可能是因为它的原产地水分充沛。但是如果让水稻变成碳四植物,提高了它的光合作用效率,不就可以大大地提高它的产量而且还能抗旱吗?但是要把水稻变成碳四植物所需要的基因是水稻中原来没有的,只能用转基因技术,从碳四植物(例如玉米)中引入。这是一个艰巨的任务,因为需要引入的新基因多达13个,而且光是引入基因还不够,还要让它们能够发挥作用,形成特殊的细胞构造。
    
    • 如玉米和甘蔗 - 利用叶肉细胞将二氧化碳生物化学泵入其内部细胞,称为束鞘,其中Rubisco所处的二氧化碳浓度是大气水平的十倍。更多的二氧化碳使Rubisco更有效率。

    原来虽然C4植物功能强大,但是C4途径在固碳过程中会消耗大量的能量。在低温、低光强的环境下,尽管固碳效率高,没有足够的能量支持分子的运动也不行。但是在高温、高光强的环境中,阳光给它提供了大量的能量,它可以充分地发挥自己的才能,而不用考虑能量不足的问题。

    相比之下,C3植物细胞分工较C4植物不明确,CO2利用效率更低,在一定程度上可认为C3植物是植物中的“原核生物”,C4植物则更像”真核生物”。

    当气温下降时,为植物生长和产量提供动力的酶Rubisco会变得迟钝。许多作物通过生产更多的Rubisco来弥补;然而,科学家推测,一些作物可能缺乏叶子的空间来促进这种酶的产生,使它们更容易受寒。伊利诺伊大学和麻省理工学院的一项新研究驳斥了这一理论,但发现这些作物远未达到其光合作用潜力。

    11.汪品先.地球系统与演变[M].北京:科学出版社,2018:220-228.

    原文地址:https://www.douban.com/note/595819264/
    光合作用固碳分成两个过程。 第一个过程是叶绿素吸收太阳光,把光能转化成化学能,生成能量分子ATP。这个过程叫光反应。第二个过程叫碳反应,在酶的催化下,消耗ATP提供的能量,将二氧化碳和水合成有机物。碳反应的第一个步骤是要把空气中的二氧化碳固定到某个物质上不让它跑掉。对绝大多数植物来说,它们用来固定二氧化碳的物质是一种本身含有5个碳原子的化合物,叫做二磷酸核酮糖,二氧化碳和它结合后让它多了一个碳原子,但是新生成的这个6碳分子很不稳定,立即分裂成2个含3个碳原子的化合物3-磷酸甘油酸。所以采用这种方式固碳的植物,叫做碳三植物。碳固定下来之后,再经过一系列复杂的生物化学反应,最终生成葡萄糖、淀粉。
    这个固碳过程需要一种酶的催化,这种酶有个很长的名称叫核酮糖1,5一二磷酸羧化酶/加氧酶,即使用其英文缩写也不短,叫RuBisCO。从名称看它实际上有两种酶活性:羧化和加氧。把二氧化碳加到有机物上面去,让它的碳链变长,这叫羧化。加氧又是怎么回事呢?原来这种酶并不能很好地区分二氧化碳和氧,如果遇到二氧化碳,就把二氧化碳加到二磷酸核酮糖上(羧化),如果遇到氧,就把氧加到二磷酸核酮糖上(加氧),后一过程是一种浪费,简直是在捣乱,大大降低了光合作用的效率。空气中是同时存在氧气和二氧化碳的,而且氧气的浓度要比二氧化碳高很多,幸好RuBisCO对二氧化碳的亲和力比氧强,所以在一般情况下,这种低效率的固碳方式能被容忍,这种在空气中二氧化碳含量高于氧气的远古时代进化出来的古老的固碳方式,就一直保留了下来。现有的植物物种中95%都是碳三植物,例如水稻、小麦、大豆、棉花等大多数作物
    但是在炎热干旱的条件下,这种低效率固碳方式就很不利了。为了能够从空气中吸收二氧化碳,植物叶子上有很多气孔,但是植物体内的水分也能通过气孔蒸发掉。实际上,植物从土壤吸收的水分,97%都蒸发掉了,只有很小的一部分能被植物利用。在炎热干旱的条件下,水分的丧失就会成为生死攸关的大问题。为了减少水分蒸发,植物不得不尽可能关闭气孔,只在短时间开放。但是气孔开得少了,进入叶子的二氧化碳的量也少了,而光合作用却不断地在产生氧气,结果是叶内的氧气浓度越来越高,二氧化碳浓度越来越少,RubisCO固碳效率也越来越低。而且,温度越高,RubisCO对氧气的亲和力也随之增强。所以,在炎热干旱的条件下,碳三植物的生存面临着巨大的挑战。

    通过解开耐寒性的关键,植物科学家可以扩大这些作物的种植区域和季节,以促进全球的食物和生物能源生产。接下来,研究人员计划比较芒草品种的耐寒性,以找出重要的差异。

    相反的,C3植物在高温、高光强的环境下可能不太能生存下去,而在温带、寒带等则如鱼得水。

    CO2同化的最初产物是光合碳循环中的三碳化合物3-磷酸甘油酸的植物,称为碳三植物(C3植物),有如小麦、大豆、烟草、棉花等。C3植物比C4植物CO2补偿点高,所以C3植物在CO2含量低的情况下存活率比C4植物来的低。

    植物科学家们知道大豆,水稻和其他C3作物的叶子中还有额外的Rubisco空间。然而,C4作物

    图片 1

    碳四植物的叶肉细胞排列有规律,与维管束鞘细胞形成两圈“花环”,维管束鞘细胞中有没有基粒的叶绿体,光合作用有碳三循环和碳四循环,对二氧化碳的利用率较高,一般生活在热带、亚热带地区。

    图片 2

    图片 3

    CO2同化的最初产物不是光合碳循环中的三碳化合物3-磷酸甘油酸,而是四碳化合物苹果酸或天门冬氨酸的植物。又称C4植物。如玉米、甘蔗、高粱、苋菜等

    然而这些植物仍然无法达到其最大潜在能量输出,伊利诺伊州博士后研究员,主要作者查尔斯皮尼翁说,他的工作得到了爱德华威廉和简马尔古特塞尔捐赠的支持。现在我们已经排除了空间作为限制因素,我们需要探索其他因素对这些重要作物的耐寒性的影响。

    光反应就是叶绿素将光能转化化学能,同时生成ATP以及水光解成氧气和[H]的过程。暗反应就是二氧化碳固定成C3化合物,同时生成糖分子的过程。由于二氧化碳在暗反应中最终被固定成了C3化合物,所以科学家将这种二氧化碳固定的途径称为C3途径。然而科学家在研究的过程中却发现植物光合作用不只有这一个途径,还有C4途径和CAM途径。因此,科学家把通过C3途径进行光合作用的植物叫C3植物,C4途径的叫C4植物,CAM途径的称为CAM植物。(所谓C3和C4是指光合作用中最先产生的碳水化合物有几个碳原子,3个碳的叫C3,4个碳的叫C4。)?

    图片 4

    自然界中常见的C4植物包括玉米,高粱,甘蔗,狗尾草,白茅,小米,另外圆果雀稗,宽叶雀稗,孔雀稗,单枝稗,多属稗,顶生须芒草,南迪狗尾草,纳罗克狗尾草,华丽狗尾草,多穗虎尾草,四穗虎尼草,二穗虎尾草,伯拉草,甜根草,红苋,刺苋,马齿菜,狗舌草等也属于C4植物,而小麦,水稻,大豆,苦竹,烟草,棉花,银杏,雪松,冷杉,银杉等则属于C3植物。

    8.吴乃琴,吕厚远,聂高众,王永吉,孟毅,顾国安.C3、C4植物及其硅酸体研究的古生态意义[J].第四纪研究,1992:241-251+289-290.

    9.卢崇恩.如何快速鉴别C3与C4植物[J].植物杂志,1996:30.

    图片 5

    6.王永吉,吕厚远,王国安,杨辉,李珍.C3,C4植物和现代土壤中硅酸体碳同位素分析[J].科学通报,2000:978-982.

    至于CAM途径则是将二氧化碳固定过程从时间上分隔开来,晚上大量储存二氧化碳,白天合成自身所需糖类而不用考虑高温、二氧化碳少、水分大量流失等问题。这种植物白天细胞内二氧化碳分压比夜间要高出近30倍。它可以在干旱至极干旱的情况下仍保证二氧化碳的交换且避免水分平衡的失调。CAM植物在自然界很少,这里我们就不做介绍了。

    没有了氧气的干扰,Rubisco酶可以高效的发挥它的作用。植物固碳的效率大大被提高,同时也减少了水分的蒸发。专注提高了固碳效率,同时也提高了植物在高温、缺水环境下的存活率。

    虽然大多数植物都能习惯这样的固碳方式,但是在炎热干旱的条件下,这种低效率固碳方式就很不利了。原来,光照增强,叶子的蒸腾作用也会随之加强,从而保护叶子不被灼伤。但是在干旱、炎热的气候条件下,大量水分丧失,叶子不得不关闭一些气孔以减少水分丧失。

    在自然界中怎么辨认C3和C4植物呢?

    图片 6

    在高等植物中只有被子植物中含有C4植物,而被子植物由单子叶植物和双子叶植物组成,其中单子叶植物中有80%是C4植物,而双子叶植物中有0.02%是C4植物。另外C4植物主要集中在单子叶植物的禾本科中(禾本科包括多种俗称“xx草”植物,但不是所有的草都是禾本科的),约占禾本科的一半,同时它包含很多的粮食作物,如玉米、高粱、小米等。从地理分布来看,由于C3植物生长的适宜温度较低,而C4植物生长的适宜温度较高,在南方的热带和亚热带地区C4植物相对较多,而在北方的温带和寒带C3植物相对较多。从植物外形上看,由于C3植物栅栏组织和海绵组织分化明显,叶子外形上背腹面的颜色就不一致,而C4植物栅栏组织与海绵组织分化不明显,它的背腹面的颜色就比较一致,多为深绿色。

    那么,什么是C4途径呢?

    4.牛书丽,蒋高明,李永庚.C3与C4植物的环境调控[J].生态学报,2004:308-314.

    图片 7

    2.李仁成,谢树成,顾延生.植硅体稳定同位素生物地球化学研究进展[J].地球科学进展,2010,25:812-819.

    图片 8

    C3和C4植物在环境科学的应用

    因此可用于古人类食谱研究,以及气候变化引起的植被覆盖变化研究。

    图片 9

    图片 10

    同时C3植物维管束鞘细胞不含叶绿体,外观上它的叶脉就是淡色的,而C4植物维管束鞘细胞含有叶绿体,外观上它的叶脉就呈现绿色;C3植物叶片上小叶脉间的距离较大,而C4植物叶片上小叶脉间的距离较小。大多数C4植物为阳生植物,森林植被下很少有C4植物。

    但是这种C4化合物并不能直接变成植物所需的糖类,那怎么办呢?原来这些C4化合物被合成后就会被运到维管束鞘细胞,在酶的作用下释放先前固定的二氧化碳,然后在藏在这里的Rubisco酶的作用下源源不断地合成糖类。?

    3.杨胜利.浅论C3植物和C4植物[J].鸡西大学学报,2005:37-38.

    5.韩家懋,王国安,刘东生.C4植物的出现与全球环境变化[J].地学前缘,2002:233-243.

    但是气孔关闭后,吸收的二氧化碳就会变少,叶子合成的葡萄糖等就会减少,同时不断进行的光反应也会加大叶内的氧气含量。另外高温也会影响相应酶的活性,不利于生物化学反应的进行。所以在这种环境下,叶子面临的是严峻的生存问题,当温度超过热限温度,叶子就会失水,甚至干枯死亡。

    由于C3植物的稳定碳同位素为-22‰----30‰,平均-27‰;

    为了生存,有些植物就演化出了另一种固碳方式。它们利用对二氧化碳具有高亲和力的PEPcase(磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶)进行固碳。PEPcase羧化酶能很好地区分二氧化碳和氧气,它只参与二氧化碳的固定,生成苹果酸或天门冬氨酸。

    原来,自始新世开始,印度板块和欧亚板块开始碰撞,青藏高原隆起,地表风化作用加剧,大量二氧化碳被消耗;同时山脉隆起,海洋水汽难以到达内陆,内陆变得更加干旱,草原生态环境开始演化,适合生长的C4植物也开始繁盛,以草食性结构为主的现代马类也开始进化。减少的二氧化碳浓度,使得古老的C3植物不得不改变固碳途径,从而C4植物开始在草原上大肆扩张,形成了如今特殊的草原生态环境。

    由于苹果酸或天门冬氨酸含有4个碳原子,所以这种固碳途径称为C4途径,相应的植物称为C4植物。

    上帝在关上一扇门的同时,也会打开一扇窗。

    为什么会出现C4植物呢?它是什么时候开始出现的呢?

    参考文献:

    原来,在暗反应过程中,二氧化碳会和二磷酸核酮糖结合,然后生成一个含有6个C的分子,但是这个分子很不稳定,会立刻分解成2个C3化合物,然后在一系列的生物化学反应后,生成糖类。这种固定碳的方式称为C3途径。但是,在这一途径中需要一种Rubisco酶的催化,这种酶不能识别进入细胞里面的是氧气还是二氧化碳,如果遇到二氧化碳,就把二氧化碳加到二磷酸核酮糖上,如果遇到氧,就把氧加到二磷酸核酮糖上。由于空气中氧气含量大于二氧化碳含量,尽管这种酶对二氧化碳的亲和力较好,但还是大大降低了光合作用的效率。?

    为什么C4植物功能强大,含量却很少?

    1.饶志国,陈发虎,张晓,许元斌,薛骞,张平宇.末次冰期以来全球陆地植被中C3/C4植物相对丰度时空变化基本特征及其可能的驱动机制[J].科学通报,2012,57:1633-1645.

    图片 11

    植物图片来自

    10.李正民.C4植物的类型[J].江西畜牧兽医杂志,1991:47-48.

    图片 12

    我们知道植物可以进行光合作用,即将二氧化碳和水转化成有机物,并释放出氧气。它是生物界赖以生存的基础,是生物界最基本的物质代谢和能量代谢。光合作用可以分为光反应阶段和暗反应阶段。

    C4植物的稳定碳同位素为-9‰----19‰,平均-14‰。

    图片 13

    图片 14

    7.罗耀华.C3、C4和CAM途径的生态学意义[J].生态学报,1985:15-27.

    图片 15

    本文由澳门尼斯人app发布于生命科学,转载请注明出处:地文学家拆穿了与作物耐寒性的绝密联系

    关键词: