Pflanzen können atmen, oder zumindest atmen, auf verschiedene Weise. Die verschiedenen Methoden haben Vor- und Nachteile. Aber Wie wechselt eine Anlage von einer Methode zur anderen? Katherine Heyduk und Kollegen haben es mit Hilfe von herausgefunden Herrliche Yucca, ein Hybrid aus dem Südosten der USA, der zwischen zwei verschiedenen Methoden wechselt.

Typischerweise verwendet eine Anlage einen Prozess namens C₃ Photosynthese um Kohlendioxid und Wasser in Glukose umzuwandeln. Normalerweise funktioniert es gut genug, aber in heißeren und trockeneren Klimazonen fängt die Pflanze statt Kohlendioxid Sauerstoff ein und verliert am Ende Energie. Die CAM-Photosynthese ist eine Methode, mit der einige Pflanzen nachts Kohlendioxid sammeln und es vorübergehend als Säure speichern. Tagsüber schließen sich die Spaltöffnungen, um einen Wasserverlust zu verhindern, und die Säure wird wieder in Kohlendioxid umgewandelt und zu den Chloroplasten geschickt, um sie in Glukose umzuwandeln.

Die CAM-Photosynthese kann helfen, Wasser in einer Pflanze zu sparen, da sie die Stomata der Pflanze während der Hitze des Tages schließt und so den Wasserverlust reduziert. Es hat jedoch Nachteile, da es Energie verbraucht, um die Kohlenstoffmoleküle um das Blatt herum zu transportieren. Aber eine Pflanze muss sich nicht für die eine oder andere Methode entscheiden, schreiben Heyduk und Kollegen. „Da alle CAM-Anlagen das gesamte C₃ Maschinen fixieren viele Arten Kohlenstoff durch eine Mischung aus beiden Wegen. Starke CAM-Pflanzen verwenden CAM für den überwiegenden Teil ihrer Kohlenstoffaufnahme, während C₃+CAM-Spezies verwenden eine Mischung aus beiden Wegen, um CO zu fixieren₂… Darüber hinaus können Pflanzen nicht nur in ihrer Fähigkeit, CAM zu nutzen, variieren, sondern auch in dem Ausmaß, in dem CAM unter abiotischem Stress moduliert werden kann.“

Doch C₃ und CAM haben unterschiedliche Arbeitsweisen, wie spiegelt sich das in der Anatomie der Pflanze wider? Das Team untersucht Herrliche Yucca, Spanischer Dolch, eine wilde Kreuzung zwischen Y. aloifolia, eine CAM-Spezies und Y. fadenförmig, bis C.₃ Spezies. Sie wächst in einem schmalen Streifen nahe der Küste zwischen Florida und Virginia. Nützlicherweise nutzt es gerne beide Methoden der Photosynthese. Was die Wissenschaftler wissen wollten, war, ob es genetische Variationen bei der Nutzung der CAM-Photosynthese durch die Pflanzen gibt. Wenn ja, gab es auch einen entsprechenden anatomischen Unterschied?

Das Experiment begann mit dem Sammeln von Pflanzen zwischen Florida und Virginia als Ramets, Ableger einer Pflanze. Sie wurden zur University of Georgia zurückgebracht und im selben Gewächshaus gezüchtet. Nachdem sich das Team nach sechs Monaten sicher war, dass die Pflanzen richtig wuchsen, begannen sie damit, sie für Experimente zur Reaktion auf Dürren in Gruppen einzuteilen.

Sie fanden heraus, dass die CAM-Photosynthese bei Trockenheit hochreguliert war, aber die Gene der Pflanze hatten einen Einfluss darauf, wie gut sie das tun konnten. Aber es gab keine einfache Geschichte über genetische Unterschiede.

„Detaillierte physiologische und anatomische Messungen in Y. gloriosa haben Variationen zwischen Genotypen in CAM-Phänotypen aufgedeckt, und dass anatomische und physiologische Merkmale einen Mangel an Korrelation darin zeigen Y. gloriosa“, schreiben Heyduk und Kollegen. „Unter Trockenstress sinkt der CO-Gehalt am Tag₂ Die Assimilation wurde weitgehend von der Umwelt bestimmt, d. h. vom Feuchtigkeitsgehalt des Bodens, während das nächtliche CO₂ Assimilationsraten und Säureakkumulation wurden durch eine Kombination aus Genotyp und Umwelteinflüssen beeinflusst. Unsere Ergebnisse zeigen ein Kontinuum photosynthetischer Merkmale Y. gloriosa Genotypen, einschließlich Variationen in der Dürrereaktion. Anatomische Messungen waren größtenteils nicht prädiktiv für physiologische Merkmale im Inneren Y. gloriosa"

„Im Gegensatz dazu waren Zellgröße, IAS [interzellulärer Luftraum] und Blattdicke prädiktiv für nächtliches CO₂ Aufnahme in artübergreifenden Vergleichen. Diese Beobachtungen legen nahe, dass anatomische Eigenschaften von der photosynthetischen Physiologie von CAM innerhalb der homoploiden Hybridspezies entkoppelt werden können Y. gloriosa"

„Der Mangel an Korrelation innerhalb des Zwischenprodukts Y. gloriosa legt nahe, dass der evolutionäre Weg von C3 zu CAM ein Stadium durchläuft, in dem viele Kombinationen von anatomischen und photosynthetischen physiologischen Merkmalen realisierbar sind.“