Hauptunterschied – C3- vs. C4-Pflanzen

C3- und C4-Pflanzen sind zwei Arten von Pflanzen, die C3- und C4-Zyklen während der Dunkelreaktion der Photosynthese verwenden. Rund 95 % der Pflanzen auf der Erde sind C3-Pflanzen. Zuckerrohr, Sorghum, Mais und Gräser sind C4-Pflanzen. Blätter der C4-Pflanzen weisen Kranz-Anatomie auf. C4-Pflanzen können bereits bei geringen Kohlendioxidkonzentrationen sowie unter heißen und trockenen Bedingungen Photosynthese betreiben. Daher ist die Effizienz der Photosynthese in C4-Pflanzen höher als ihre Effizienz in C3-Pflanzen. Die Hauptunterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen ist das Bei C3-Pflanzen wird eine einfache Fixierung von Kohlendioxid und bei C4-Pflanzen eine doppelte Fixierung von Kohlendioxid beobachtet.

Dieser Artikel untersucht,

1. Was sind C3-Pflanzen? – Definition, Eigenschaften, Funktionen, Beispiele 2. Was sind C4-Pflanzen? – Definition, Eigenschaften, Funktionen, Beispiele 3. Was ist der Unterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen?

Was sind C3-Pflanzen?

C3-Pflanzen verwenden den Calvin-Zyklus als Mechanismus für die Dunkelreaktion bei der Photosynthese. Die erste stabile Verbindung, die im Calvin-Zyklus produziert wird, ist 3-Phosphoglycerat. Da 3-Phosphoglycerat eine Drei-Kohlenstoff-Verbindung ist, wird der Calvin-Zyklus als C3-Zyklus bezeichnet. C3-Pflanzen binden Kohlendioxid direkt durch das Enzym Ribulose-Bisphosphat-Carboxylase (Rubisco). Diese Fixierung erfolgt in den Chloroplasten der Mesophyllzellen. Der C3-Zyklus erfolgt in drei Schritten. Im ersten Schritt wird Kohlendioxid in den Fünf-Kohlenstoff-Zucker Ribulose 1,5-Bisphosphat fixiert, der alternativ zu 3-Phosphoglycerat hydrolysiert wird. Ein Teil des 3-Phosphoglycerats wird im zweiten Schritt zu Hexosephosphaten wie Glucose-6-phosphat, Glucose-1-phosphat und Fructose-6-phosphat reduziert. Das verbleibende 3-Phosphoglycerat wird recycelt, wobei Ribulose-1, 5-Phosphat gebildet wird.

Der optimale Temperaturbereich von C3-Pflanzen beträgt 65-75 Grad Fahrenheit. Wenn die Bodentemperatur 40-45 Grad Fahrenheit erreicht, beginnen C3-Pflanzen zu wachsen. Daher werden C3-Pflanzen genannt Pflanzen für die kühle Jahreszeit. Die Effizienz der Photosynthese nimmt mit steigender Temperatur ab. Im Frühjahr und Herbst werden C3-Pflanzen aufgrund der hohen Bodenfeuchtigkeit, der kürzeren Photoperiode und der kühlen Temperatur produktiv. Im Sommer sind C3-Pflanzen aufgrund der hohen Temperatur und der geringeren Bodenfeuchtigkeit weniger produktiv. C3-Pflanzen können entweder einjährige Pflanzen wie Weizen, Hafer und Roggen oder mehrjährige Pflanzen wie Schwingel und Obstgarten sein. Ein Querschnitt des Blattes von Arabidopsis thaliana, einer C3-Pflanze, ist in Abbildung 1 gezeigt. Bündelscheidenzellen sind in rosa Farbe dargestellt.

Abbildung 1: Blatt von Arabidopsis thaliana

Was sind C4-Pflanzen?

C4-Pflanzen verwenden den Hatch-Stack-Zyklus als ihren Reaktionsmechanismus bei der Dunkelreaktion der Photosynthese. Die erste stabile Verbindung, die im Hatch-Stack-Zyklus hergestellt wird, ist Oxalacetat. Da Oxalacetat eine Vier-Kohlenstoff-Verbindung ist, wird der Hatch-Stack-Zyklus als C4-Zyklus bezeichnet. C4-Pflanzen fixieren Kohlendioxid zweimal, in Mesophyllzellen und dann in Bündelscheidenzellen, durch die Enzyme Phosphoenolpyruvatcarboxylase bzw. Ribulosebisphosphatcarboxylase (Rubisco). Phosphoenolpyruvat wird in den Mesophyllzellen mit Kohlendioxid kondensiert und bildet das Oxalacetat. Dieses Oxalacetat wird zu Malat, um in Bündelscheidenzellen überzugehen. In den Bündelscheidenzellen wird Malat decarboxyliert, wodurch Kohlendioxid für den Calvin-Zyklus in diesen Zellen verfügbar wird. Dann wird zum zweiten Mal Kohlendioxid innerhalb der Bündelhüllenzellen fixiert.

Die optimale Temperatur von C4-Pflanzen beträgt 90-95 Grad Fahrenheit. C4-Pflanzen beginnen bei 60-65 Grad Fahrenheit zu wachsen. Daher werden C4-Pflanzen als tropische oder warme Jahreszeitpflanzen bezeichnet. C4-Pflanzen sind effizienter bei der Aufnahme von Kohlendioxid und Wasser aus dem Boden. Die Poren der Gasaustauschöffnungen werden während der meisten Stunden des Tages geschlossen gehalten, um den übermäßigen Feuchtigkeitsverlust bei trockenen und heißen Bedingungen zu reduzieren. Einjährige C4-Pflanzen sind Mais, Perlhirse und Sudangras. Mehrjährige C4-Pflanzen sind Bermudagras, Indisches Gras und Switchgrass. Blätter der C4-Pflanzen weisen Kranz-Anatomie auf. Photosynthetisierende Bündelscheidenzellen bedecken das Gefäßgewebe des Blattes. Diese Bündelscheidenzellen sind von Mesophyllzellen umgeben. Ein Querschnitt eines Maisblattes mit Kranz-Anatomie ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Maisblatt

Unterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen

Alternative Namen

C3-Pflanzen: C3-Pflanzen werden als Pflanzen der kühlen Jahreszeit bezeichnet.

C4-Pflanzen: C4-Pflanzen werden als Warmzeitpflanzen bezeichnet.

Kranz Anatomie

C3-Pflanzen: Den Blättern der C3-Pflanzen fehlt die Kranz-Anatomie.

C4-Pflanzen: Blätter der C4-Pflanzen besitzen Kranz-Anatomie.

Zellen

C3-Pflanzen: Bei C3-Pflanzen wird die Dunkelreaktion von Mesophyllzellen durchgeführt. Bündelhüllenzellen haben keine Chloroplasten.

C4-Pflanzen: In C4-Pflanzen wird die Dunkelreaktion sowohl von Mesophyllzellen als auch von Bündelscheidenzellen durchgeführt.

Chloroplasten

C3-Pflanzen: Chloroplasten von C3-Pflanzen sind monomorph. C3-Pflanzen enthalten nur granuläre Chloroplasten.

C4-Pflanzen: Chloroplasten von C4-Pflanzen sind dimorph. C4-Pflanzen enthalten sowohl granuläre als auch agranuläre Chloroplasten.

Peripheres Retikulum

C3-Pflanzen: Chloroplasten von C3-Pflanzen haben kein peripheres Retikulum.

C4-Pflanzen: Chloroplasten von C4-Pflanzen enthalten ein peripheres Retikulum.

Fotosystem II

C3-Pflanzen: Chloroplasten der C3-Pflanzen bestehen aus PS II.

C4-Pflanzen: Chloroplasten der C4-Pflanzen bestehen nicht aus PS II.

Spaltöffnungen

C3-Pflanzen: Bei geschlossenen Spaltöffnungen wird die Photosynthese gehemmt.

C4-Pflanzen: Die Photosynthese findet auch bei geschlossenen Spaltöffnungen statt.

Kohlendioxidfixierung

C3-Pflanzen: In C3-Pflanzen findet eine einzige Kohlendioxid-Fixierung statt.

C4-Pflanzen: In C4-Pflanzen kommt es zu einer doppelten Kohlendioxid-Fixierung.

Effizienz bei der Kohlendioxid-Fixierung

C3-Pflanzen: Die Kohlendioxidfixierung ist in C3-Pflanzen weniger effizient und langsam.

C4-Pflanzen: Die Kohlendioxid-Fixierung ist in C4-Pflanzen effizienter und schneller.

Effizienz der Photosynthese

C3-Pflanzen: Die Photosynthese ist in C3-Pflanzen weniger effizient.

C4-Pflanzen: Die Photosynthese ist in C4-Pflanzen effizient.

Lichtatmung

C3-Pflanzen: Photorespiration tritt in C3-Pflanzen auf, wenn die Kohlendioxidkonzentration niedrig ist.

C4-Pflanzen: Bei niedrigen Kohlendioxidkonzentrationen wird keine Photoatmung beobachtet.

Optimale Temperatur

C3-Pflanzen: Der optimale Temperaturbereich von C3-Pflanzen beträgt 65-75 Grad Fahrenheit.

C4-Pflanzen: Der optimale Temperaturbereich von C4-Pflanzen beträgt 90-95 Grad Fahrenheit.

Carboxylase-Enzym

C3-Pflanzen: Das Enzym Carboxylase ist Rubisco in C3-Pflanzen.

C4-Pflanzen: Das Carboxylase-Enzym ist PEP-Carboxylase und Rubisco in C4-Pflanzen.

Erste stabile Verbindung in der Dunkelreaktion

C3-Pflanzen: Die erste stabile Verbindung, die im C3-Zyklus produziert wird, ist eine Drei-Kohlenstoff-Verbindung namens 3-Phosphoglycerinsäure.

C4-Pflanzen: Die erste stabile Verbindung, die im C4-Zyklus produziert wird, ist eine Vier-Kohlenstoff-Verbindung namens Oxalessigsäure.

Proteingehalt der Pflanze

C3-Pflanzen: C3-Pflanzen enthalten einen hohen Proteingehalt.

C4-Pflanzen: C4-Pflanzen enthalten im Vergleich zu C3-Pflanzen einen geringen Proteingehalt.

Abschluss

C3- und C4-Pflanzen verwenden während der Dunkelreaktion der Photosynthese unterschiedliche Stoffwechselreaktionen. C3-Pflanzen verwenden den Calvin-Zyklus, während die C4-Pflanzen den Hatch-Slack-Zyklus verwenden. In C3-Pflanzen erfolgt die Dunkelreaktion in Mesophyllzellen durch die direkte Fixierung von Kohlendioxid in Ribulose-1, 5-bisphosphat. In C4-Pflanzen wird Kohlendioxid in Phosphoenolpyruvat fixiert, wodurch Malat gebildet wird, um in Bündelscheidenzellen zu gelangen, in denen der Calvin-Zyklus stattfindet. Daher wird Kohlendioxid in C4-Anlagen zweimal fixiert. Um sich an den C4-Mechanismus anzupassen, weisen die Blätter von C4-Pflanzen die Kranz-Anatomie auf. Die Effizienz der Photosynthese ist bei C4-Pflanzen im Vergleich zu C3-Pflanzen hoch. C4-Pflanzen sind auch nach Schließung der Spaltöffnungen in der Lage, Photosynthese durchzuführen. Daher besteht der Hauptunterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen in ihren Stoffwechselreaktionen, die während der Dunkelreaktion der Photosynthese ablaufen.

Referenz: 1. Berg, Jeremy M. „Der Calvin-Zyklus synthetisiert Hexosen aus Kohlendioxid und Wasser.“ Biochemie. 5. Auflage. U.S. National Library of Medicine, 01. Januar 1970. Web. 16. April 2017. 2. Lodish, Harvey. „CO2-Stoffwechsel während der Photosynthese.“ Molekulare Zellbiologie. 4. Auflage. U.S. National Library of Medicine, 01. Januar 1970. Web. 16. April 2017.

Bild mit freundlicher Genehmigung: 1. „Querschnitt von Arabidopsis thaliana, eine C3-Pflanze“ Von Ninghui Shi – Eigene Arbeit (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia 2. „Querschnitt von Mais, eine C4-Pflanze“ Von Ninghui Shi – Eigene Arbeit, (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia