Основное различие - растения C3 и C4

Растения C3 и C4 - это два типа растений, использующие циклы C3 и C4 во время реакции фотосинтеза в темноте соответственно. Около 95% растений на Земле - это растения C3. Сахарный тростник, сорго, кукуруза и травы относятся к C4-растениям. Листья растений C4 демонстрируют анатомию Кранца. Растения C4 способны к фотосинтезу даже при низких концентрациях углекислого газа, а также в жарких и засушливых условиях. Следовательно, эффективность фотосинтеза у растений C4 выше, чем у растений C3. В главное отличие между растениями C3 и C4 заключается в том, что однократная фиксация углекислого газа наблюдается у растений С3, а двойная фиксация углекислого газа наблюдается у растений С4.

В этой статье исследуется,

1. Что такое растения C3 - Определение, характеристики, особенности, примеры 2. Что такое растения C4 - Определение, характеристики, особенности, примеры 3. В чем разница между растениями C3 и C4

Что такое растения C3

Растения C3 используют цикл Кальвина в качестве механизма реакции темноты при фотосинтезе. Первым стабильным соединением, продуцируемым в цикле Кальвина, является 3-фосфоглицерат. Поскольку 3-фосфоглицерат представляет собой трехуглеродное соединение, цикл Кальвина называется циклом C3. Растения C3 напрямую связывают углекислый газ с помощью фермента рибулозобифосфаткарбоксилазы (рубиско). Эта фиксация происходит в хлоропластах клеток мезофилла. Цикл C3 состоит из трех этапов. На первом этапе диоксид углерода фиксируется в пятиуглеродном сахаре, рибулозе 1,5-бисфосфате, который альтернативно гидролизуется до 3-фосфоглицерата. На втором этапе часть 3-фосфоглицерата восстанавливается до гексозофосфатов, таких как глюкозо-6-фосфат, глюкозо-1-фосфат и фруктозо-6-фосфат. Оставшийся 3-фосфоглицерат рециркулирует, образуя рибулозу 1,5-фосфат.

Оптимальный температурный диапазон растений C3 составляет 65-75 градусов по Фаренгейту. Когда температура почвы достигает 40-45 градусов по Фаренгейту, растения C3 начинают расти. Поэтому растения С3 называют растения холодного сезона. С повышением температуры эффективность фотосинтеза снижается. Весной и осенью растения C3 становятся продуктивными благодаря высокой влажности почвы, более короткому световому периоду и прохладной температуре. Летом растения C3 менее продуктивны из-за высокой температуры и меньшей влажности почвы. Растения C3 могут быть однолетними, такими как пшеница, овес и рожь, или многолетними растениями, такими как овсяница и фруктовые сады. Поперечный разрез листа Arabidopsis thaliana, который является растением C3, показан на рисунке 1. Ячейки оболочки пучка показаны розовым цветом.

Рисунок 1: Лист Arabidopsis thaliana

Что такое растения C4

Растения C4 используют цикл Hatch-Stack в качестве механизма реакции в темновой реакции фотосинтеза. Первым стабильным соединением, полученным в цикле Hatch-Stack, является оксалоацетат. Поскольку оксалоацетат представляет собой четырехуглеродное соединение, цикл Хетча-Стека называется циклом C4. Растения C4 фиксируют углекислый газ дважды, в клетках мезофилла, а затем в клетках оболочки пучка, с помощью ферментов, фосфоенолпируваткарбоксилазы и рибулозобисфосфаткарбоксилазы (rubisco) соответственно. Пируват фосфоенола в клетках мезофилла конденсируется с диоксидом углерода, образуя оксалоацетат. Этот оксалоацетат становится малатом, чтобы перейти в клетки оболочки пучка. Внутри клеток оболочки пучка малат декарбоксилируется, делая углекислый газ доступным для цикла Кальвина в этих клетках. Затем углекислый газ второй раз фиксируется внутри ячеек оболочки пучка.

Оптимальная температура для растений C4 составляет 90-95 градусов по Фаренгейту. Растения C4 начинают расти при температуре 60-65 градусов по Фаренгейту. Поэтому растения C4 называют растениями тропического или теплого сезона. Растения C4 более эффективно собирают углекислый газ и воду из почвы. Газообменные поры устьиц закрыты в течение большей части дня, чтобы уменьшить чрезмерную потерю влаги в сухих и жарких условиях. Однолетние растения C4 - кукуруза, жемчужница и суданграсс. Многолетние растения C4 - бермудская трава, индийская трава и просо. Листья растений C4 демонстрируют анатомию Кранца. Фотосинтезирующие клетки оболочки пучка покрывают сосудистые ткани листа. Эти клетки оболочки пучка окружены клетками мезофилла. Поперечное сечение листа кукурузы, демонстрирующее анатомию Кранца, показано на рисунке 2.

Рисунок 2: Лист кукурузы

Разница между растениями C3 и C4

Альтернативные имена

C3 Растения: Растения C3 называются растениями прохладного сезона.

C4 Растения: Растения C4 называются растениями теплого сезона.

Анатомия Кранца

C3 Растения: Листья растений C3 лишены анатомии Кранца.

C4 Растения: Листья растений C4 обладают анатомией Кранца.

Клетки

C3 Растения: У растений C3 темновую реакцию осуществляют клетки мезофилла. Клетки оболочки пучка лишены хлоропластов.

C4 Растения: У растений C4 темновая реакция осуществляется как клетками мезофилла, так и клетками оболочки пучка.

Хлоропласты

C3 Растения: Хлоропласты растений С3 мономорфны. Растения C3 содержат только гранулированные хлоропласты.

C4 Растения: Хлоропласты растений С4 диморфны. Растения C4 содержат как зернистые, так и агранулярные хлоропласты.

Периферический ретикулум

C3 Растения: Хлоропласты растений С3 лишены периферической сети.

C4 Растения: Хлоропласты растений С4 содержат периферическую сеть.

Фотосистема II

C3 Растения: Хлоропласты растений С3 состоят из ФС II.

C4 Растения: Хлоропласты растений С4 не состоят из ФС II.

Устьица

C3 Растения: Фотосинтез подавляется при закрытых устьицах.

C4 Растения: Фотосинтез происходит даже при закрытых устьицах.

Фиксация углекислого газа

C3 Растения: У растений С3 происходит однократная фиксация углекислого газа.

C4 Растения: У растений C4 происходит двойная фиксация углекислого газа.

Эффективность фиксации углекислого газа

C3 Растения: У растений C3 фиксация углекислого газа менее эффективна и медленна.

C4 Растения: Фиксация углекислого газа более эффективна и быстра у растений C4.

Эффективность фотосинтеза

C3 Растения: Фотосинтез менее эффективен у растений C3.

C4 Растения: Фотосинтез эффективен в растениях C4.

Фотодыхание

C3 Растения: Фотодыхание происходит у растений C3 при низкой концентрации углекислого газа.

C4 Растения: Фотодыхание не наблюдается при низких концентрациях углекислого газа.

Оптимальная температура

C3 Растения: Оптимальный температурный диапазон растений C3 составляет 65-75 градусов по Фаренгейту.

C4 Растения: Оптимальный температурный диапазон растений C4 составляет 90-95 градусов по Фаренгейту.

Фермент карбоксилазы

C3 Растения: Фермент карбоксилаза является rubisco у растений C3.

C4 Растения: Фермент карбоксилазы представляет собой карбоксилазу PEP и rubisco в растениях C4.

Первое стабильное соединение в темноте. Реакция

C3 Растения: Первое стабильное соединение, образующееся в цикле C3, представляет собой трехуглеродное соединение, называемое 3-фосфоглицериновой кислотой.

C4 Растения: Первое стабильное соединение, образующееся в цикле C4, представляет собой четырехуглеродное соединение, называемое щавелевоуксусной кислотой.

Содержание белка в растении

C3 Растения: Растения C3 содержат большое количество белка.

C4 Растения: Растения C4 содержат низкое содержание белка по сравнению с растениями C3.

Заключение

Растения C3 и C4 используют различные метаболические реакции во время реакции фотосинтеза в темноте. Растения C3 используют цикл Кальвина, тогда как растения C4 используют цикл Hatch-Slack. У растений C3 темновая реакция происходит в клетках мезофилла за счет фиксации углекислого газа непосредственно в рибулозе 1,5-бисфосфат. В растениях C4 углекислый газ фиксируется в фосфоенолпирувате, образуя малат для передачи в клетки оболочки пучка, где происходит цикл Кальвина. Следовательно, двуокись углерода фиксируется в растениях C4 дважды. Чтобы приспособиться к механизму C4, листья растений C4 демонстрируют анатомию Кранца. Эффективность фотосинтеза у растений C4 выше, чем у растений C3. Растения C4 способны осуществлять фотосинтез даже после закрытия устьиц. Следовательно, основное различие между растениями C3 и C4 заключается в их метаболических реакциях, происходящих во время темновой реакции фотосинтеза.

Ссылка: 1. Берг, Джереми М. «Цикл Кальвина синтезирует гексозы из двуокиси углерода и воды». Биохимия. 5-е издание. Национальная медицинская библиотека США, 1 января 1970 г. Web. 16 апреля 2017 г. 2. Лодиш, Харви. «Метаболизм CO2 во время фотосинтеза». Молекулярная клеточная биология. 4-е издание. Национальная медицинская библиотека США, 1 января 1970 г. Web. 16 апреля 2017.

Изображение предоставлено: 1. «Поперечный разрез Arabidopsis thaliana, растения C3» Нинхуэй Ши - собственная работа (CC BY-SA 3.0) через Commons Wikimedia 2. «Поперечный разрез кукурузы, растение C4» Нинхуэй Ши - собственная работа, (CC BY-SA 3.0) через Commons Wikimedia