Die Photosynthese ist ein grundlegender Prozess, bei dem Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird und als Eckpfeiler der terrestrischen trophischen Netzwerke dient. Die meisten Pflanzen folgen demC3-Weg der Photosynthese, bei dem das primäre Photosyntheseprodukt die Drei-Kohlenstoff-Verbindung Glycerat 3-phosphat ist. Die C3-Photosynthese entwickelte sich vor über 2 Milliarden Jahren in der Atmosphäre, die reich an CO2 und arm an O21 ist. Das wichtige photosynthetische Enzym Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (Rubisco), das sich unter diesen Bedingungen entwickelt hat, ist für diederzeitigen Bedingungen mit niedrigem CO2 -Gehalt suboptimal, da es kompetitiv mit O2 reagiert und die Photorespiration2 einleitet. Die Photorespiration ist ein verschwenderischer Weg, der Energie verbraucht, anstatt sie zu produzieren und CO2 als Nebenprodukt freizusetzen. Folglich ist es von entscheidender Bedeutung, eine hohe CO2 -Konzentration um Rubisco in den Chloroplasten aufrechtzuerhalten, um eine Sauerstoffversorgung zu verhindern 3,4. Aufgrund der Unfähigkeit von C3 -Pflanzen, CO2 zu konzentrieren, kommt es zu einem signifikanten CO2 -Abbau aus der Umgebungsluft zu den Chloroplasten, was die Photosynthese bremst und das Pflanzenwachstum und die Biomasseproduktion beeinträchtigt 2,5,6.
In C3-Pflanzen wird die Photosynthese durch den Eintritt von CO2 durch die Spaltöffnungen, seine Diffusion durch das Mesophyll und die biochemische Aktivität der photosynthetischen Enzyme begrenzt. Der Eintrag von CO2 wird zunächst durch die stomatäre Leitfähigkeit begrenzt, die durch Umgebungsbedingungen wie Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit gesteuert wird. Dann diffundiert CO2 durch die innere gasförmige und flüssige Phase des Blattes zu Rubisco7. In C3-Pflanzen finden alle Stadien der Photosynthese in den Chloroplasten der Mesophyllzellen statt, und die Pflanzen müssen einen konstanten Einstrom von CO2 aus der Atmosphäre in die Chloroplasten aufrechterhalten. Die Abhängigkeit der CO2 -Verfügbarkeit in Chloroplasten von der Offenheit der Stomata, der Mesophyllarchitektur und den individuellen Zell- und Chloroplasteneigenschaften macht Pflanzen anfällig für Umwelteinflüsse, die sich schließlich auf die Photosynthese auswirken, wie z. B. geringe Wasserverfügbarkeit und hohe Temperaturen 7,8,9,10, was insbesondere ihre Anfälligkeit für den Klimawandel unterstreicht11.
Angesichts der Herausforderungen, die sich aus der Ineffizienz desC3-Signalwegs ergeben, sowie der Einschränkungen bei der Aufrechterhaltung eines optimalen CO2 -Gehalts und der Anfälligkeit für Umweltfaktoren hat sich bei bestimmten Pflanzen ein anderer Weg, derC4-Photosyntheseweg, entwickelt. Charakteristisch für C4-Pflanzen sind zwei räumlich getrennte biochemische Wege; Die anfängliche CO2 -Fixierung erfolgt in Mesophyllzellen durch Phosphoenolpyruvat-Carboxylase, die eine höhere Affinität zu CO2 als Rubisco aufweist und auch keine Oxygenierungsaktivität aufweist. Das gebildete C4 -Produkt wird weiter zu den Bündelscheidenzellen transportiert, wo es decarboxyliert wird, und CO2 wird durch Rubisco (C3 Photosynthese) wieder freigesetzt und fixiert12,13,14. Die größere Affinität der PEP-Carboxylase zu CO2 und die dicken Zellwände der Bündelscheidenzellen ermöglichen eine CO2 -Konzentration in den Bündelscheidenzellen, und somit minimieren C4 -Pflanzen die Photorespiration durch räumliche Segregation der CO2 -Fixierung und des Calvin-Zyklus. Die Einführung des C 4-Signalwegs zeigt die adaptive Reaktion der Natur auf Umwelteinflüsse und bietet Einblicke in mögliche Strategien zur Verbesserung der Produktivität und Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen bei sich ändernden Klimabedingungen15.
Die spezialisierte Anatomie der Blattstruktur bei C4-Pflanzen ist gekennzeichnet durch Adern, die von vergrößerten Gefäßbündelscheidenzellen umgeben sind, die Chloroplasten enthalten, und durch eine radiale Anordnung von Mesophyllzellen in einem äußeren Ring, der sich um die Bündelscheidenzellen herum bildet. Die Mesophyllzellen befinden sich in unmittelbarer Nähe zu den Bündelscheidenzellen, was einen schnellen und kontinuierlichen Transport von Metaboliten zwischen den beiden Zelltypen ermöglicht. Die Anordnung dieser Zelle ist typisch für C4-Pflanzen und wird als Kranz-Anatomie16 bezeichnet. Bei C 3-Spezies kann die Spezialisierung und Disposition der Mesophyllzellen variieren, aber die Bündelscheidenzellen sind deutlich kleiner und haben wenige oder gar keine Chloroplasten. Die spezifische Anatomie von Kranz ermöglicht die Konzentration von CO2 in Chloroplasten in Bündelscheidenzellen, in denen sich das C 3-carboxylierende Enzym Rubisco befindet, wodurch die Photorespiration wirksam behindertwird 4,17,18. Trotz seiner scheinbar komplexen Anordnung sind diese Veränderungen in der Evolution der Angiospermen mehrfach unabhängig voneinander aufgetreten, was darauf hindeutet, dass es sich um einen relativ praktikablen Evolutionsweg handelt 19,20,21, und es wurde gezeigt, dass sich verschiedene Taxa in einem Zwischenstadium zwischen demC3- und dem C4-Kohlenstoffstoffwechsel befinden, der alsC3-C4 oderC2 bezeichnet wird. mit der Fähigkeit, CO2 2 22,23,24,25 zu konzentrieren und wieder aufzunehmen.
Viele C4-Pflanzen sind Pflanzen mit hoher wirtschaftlicher Bedeutung, und die gentechnische Veränderung von C3-Pflanzen, wie z. B. Reis, zur Verbesserung ihrer Klimaresilienz und zur Sicherung des Ertrags war in den letzten Jahrzehnten ein Thema von Interesse26,27. Die technischen Bemühungen erfordern jedoch ein detailliertes Verständnis derC4-spezialisierten Anatomie und wie sie die Photosynthese steuert 2,28.
Die Etablierung der C4 Kranz-Anatomie ist eine Voraussetzung, um das ehrgeizige Ziel zu erreichen, die C4-Photosynthese in C3-Pflanzen zu entwickeln25. Das derzeitige Verständnis der Regulation der Kranz-Anatomie und der Methoden zum schnellen Screening ihrer wichtigsten anatomischen Merkmale ist jedoch begrenzt, was die Identifizierung von Hybridarten erschwert. Frühere Studien haben gezeigt, dass zu den wichtigsten Merkmalen, die die photosynthetische Effizienz in C3- und C4-Pflanzen regulieren, der Venenabstand, der Durchmesser des Bündelscheidenkomplexes und die Größe der Bündelscheidenzellen gehören14,29. Diese Merkmale können leicht mit Freihandschnitten gescreent und mit halbdünnen Schnitten quantitativ analysiert werden. Im Folgenden wird die Methode zur Beurteilung der Merkmale beschrieben, die eine anatomische Differenzierungsdiagnostik von C3 undC 4 mittels Freihandkreuz- und Lichtmikroskopie ermöglichen, nämlich der Fläche der Bündelscheide, des intervenalen Abstands und der Venenfrequenz.