Vergleich von C3-, C4- und CAM-Pflanzen

Wichtigste Nutzpflanzen und ökologische Standorte

C3-Pflanzen:

• Beispiele: Weizen, Reis
• Wachsen unter normalen Temperaturen und Lichtverhältnissen
• Blattanatomie: Schichtentyp mit Palisaden- und Schwammgewebe

C4-Pflanzen:

• Beispiele: Mais, Hirse, Zuckerrohr
• Angepasst an wärmere Regionen mit höherer Lichteinstrahlung $tropisches/subtropisches Klima$
• Blattanatomie: Kranztyp mit speziellen Bündelscheidenzellen um die Leitbündel

CAM-Pflanzen:

• Beispiele: Sukkulenten wie Ananas, Kakteen, Bromeliengewächse
• Angepasst an sehr trockene Standorte mit starker Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen
• Blattanatomie: Schichtentyp mit circa 20 Mesophyllzellschichten

CO₂-Fixierung und biochemische Unterschiede

C3-Pflanzen $CO₂-Fixierung$:

• Ort: im Stroma der Chloroplasten des Palisaden- und Schwammgewebes
• Akzeptor: Ribulose-1,5-bisphosphat
• Prozess: CO₂ wird einmal im Calvin-Zyklus fixiert
• Erstes stabiles Zwischenprodukt: 3-Phosphoglycerat (C3)
• Keine räumliche oder zeitliche Trennung der Prozesse

Wichtiges Konzept: Der Unterschied C3- und C4-Pflanzen liegt hauptsächlich in der Effizienz der CO₂-Fixierung. C3-Pflanzen fixieren CO₂ direkt über Rubisco und den Calvin-Zyklus, was bei höheren Temperaturen zu erhöhter Photorespiration führt und damit weniger effizient ist als bei C4-Pflanzen.

C4-Pflanzen $CO₂-Fixierung$:

• Ort: 1. im Cytosol der Mesophylzellen, 2. in den Chloroplasten der Bündelscheidenzellen
• Akzeptor: Phosphoenolpyruvat (PEP) - höhere CO₂-Affinität als Rubisco
• Prozess: CO₂ wird zweimal fixiert
  • Erste Fixierung: CO₂ an PEP → Oxalacetat (C4) → Malat
  • Zweite Fixierung: Decarboxylierung von Malat → CO₂-Abspaltung → Calvin-Zyklus
• Räumliche Trennung der Schritte in verschiedenen Zelltypen

CAM-Pflanzen $CO₂-Fixierung$:

• Ort: im Cytosol und Chloroplasten der Mesophylzellen
• Akzeptor: Phosphoenolpyruvat (PEP)
• Prozess: CO₂ wird zweimal fixiert, aber zeitlich getrennt
  • Nachts: Spaltöffnungen geöffnet → CO₂-Bindung → Apfelsäure (in Vakuolen gespeichert)
  • Tags: Spaltöffnungen geschlossen → Decarboxylierung → CO₂ für Calvin-Zyklus

Tabelle zum Vergleich: Die Vergleich C3, C4 CAM-Pflanzen Tabelle zeigt deutlich, dass der Unterschied C4 und CAM-Pflanzen hauptsächlich in der zeitlichen versus räumlichen Trennung der CO₂-Fixierung liegt. Während C4-Pflanzen räumlich (in verschiedenen Zellen) trennen, trennen CAM-Pflanzen zeitlich $Tag/Nacht$.

Anpassungsnotwendigkeit

• C3-Pflanzen: Keine spezielle Anpassung nötig
• C4-Pflanzen: Anpassung an Hitze, da Spaltöffnungen bei großer Hitze kaum geöffnet werden können
• CAM-Pflanzen: Anpassung an extreme Trockenheit, da CO₂ nicht ständig verfügbar ist (Spaltöffnungen nur nachts geöffnet)

Vor- und Nachteile: CAM-Pflanzen Vor- und Nachteile liegen auf der Hand: Sie sparen durch nächtliche Stomataöffnung enorm Wasser, was ein Vorteil in ariden Gebieten ist. Der Nachteil ist die geringere Photosyntheserate im Vergleich zu C3- und C4-Pflanzen, da die CO₂-Fixierung zeitlich begrenzt ist.