Wat is het voordeel van C4-fotosynthese?

Fotosynthese is een proces waarbij water, koolstofdioxide (CO2) en zonne-energie worden gebruikt om suikers te synthetiseren. Het wordt uitgevoerd door veel planten, algen en bacteriën. Bij planten en algen vindt fotosynthese plaats in speciale delen van de cel die chloroplasten worden genoemd; bevindt zich in de bladeren en stengels. Terwijl de meeste planten de zogenaamde C3-fotosynthese uitvoeren, voeren planten die zich hebben aangepast aan warme omgevingen een gemodificeerde vorm uit die bekend staat als C4-fotosynthese.

Bij dit type fotosynthese wordt CO2 uit de omgeving eerst opgenomen in 4-koolstofzuren in cellen die bekend staan ​​als mesofylen. Deze zuren worden getransporteerd naar andere cellen die bekend staan ​​als bundelmantelcellen. In deze cellen wordt de reactie omgekeerd, komt CO2 vrij en wordt vervolgens gebruikt in de normale (C3) fotosyntheseroute. De opname van CO2 in 3-koolstofverbindingen wordt gekatalyseerd door een enzym dat bekend staat als Rubisco.

In warme en droge omgevingen is C4-fotosynthese efficiënter dan C3-fotosynthese. Dit heeft twee redenen. De eerste is dat het systeem geen fotorespiratie ondergaat, een proces dat tegen de fotosynthese ingaat (zie hieronder). De tweede is dat planten hun poriën langer gesloten kunnen houden, waardoor waterverlies wordt voorkomen.

Dit is een proces waarbij Rubisco, in plaats van CO2 aan de groeiende suiker toe te voegen, zuurstof toevoegt. In situaties waarin de fotosynthese snel plaatsvindt (bij hoge temperatuur, veel licht of beide), is er zoveel O2 beschikbaar dat deze reactie een groot probleem wordt. C4-planten lossen dit probleem op door een hoge concentratie CO2 in het betreffende deel van het blad (de bundelschedecellen) te handhaven.

Planten wisselen gassen, CO2 en O2 uit met hun omgeving via poriën die huidmondjes worden genoemd. Wanneer de huidmondjes open zijn, kan CO2 naar binnen diffunderen om te worden gebruikt bij fotosynthese en O2, een product van fotosynthese kan naar buiten diffunderen. Wanneer de huidmondjes open zijn, verliest de plant echter ook water door transpiratie, en dit probleem wordt versterkt in warme en droge klimaten. Planten die C4-fotosynthese uitvoeren, kunnen hun huidmondjes meer gesloten houden dan hun C3-equivalenten omdat ze efficiënter zijn in het opnemen van CO2. Dit minimaliseert hun waterverlies.

Hoewel C4-fotosynthese duidelijk voordelig is in warme en droge klimaten, is dit niet het geval in koele en vochtige klimaten. Dit komt omdat C4-fotosynthese complexer is: het heeft meer stappen en vereist een gespecialiseerde anatomie. Om deze reden is C3-fotosynthese effectiever, tenzij fotorespiratie of waterverlies significante problemen zijn. Dit is de reden waarom de meeste planten C3-fotosynthese uitvoeren.