An overview of how rubisco and carbohydrate metabolism may be regulated at elevated atmospheric [CO2] and temperature

Abstract

Ilmakehän nykyinen CO2-pitoisuus ei kyllästä C3-fotosynteesiä, joten fotosynteesi tehostuu CO2-pitoisuuden kaksinkertaistumisen seurauksena. Tehostuminen ei kuitenkaan ole aina yhtä voimakasta. Kasvin mukautuminen korkeaan CO2-pitoisuuteen kasvun aikana voi hidastaa fotosynteesiä, jotta hiilen saanti ja hyödyntäminen olisivat optimaalisia. Päätekijä mukautumisessa on rubiseon väheneminen. Rubisco on entsyymi, joka liittää hiilidioksidia sokerifosfaattiin Calvinin kierrossa. Kasvien aineenvaihduntaa korkeassa CO2-pitoisuudessa ja lämpötilassa tutkittiin riisillä ja soijapavulla. Riisin fotosynteesi ja kasvu olivat huipussaan 500 ppm:n ja soijapavulla 990 ppm:n CO2-pitoisuudessa. Rubiscon pitoisuus väheni CO2-pitoisuuden ja lämpötilan noustessa etenkin riisillä. CO2-pitoisuuden tai lämpötilan nousu eivät vaikuttaneet rubiseon aktiivisuuteen riisillä, mutta soijapavulla vaikutus havaittiin. Riisin kykyä käsitellä hiilihydraattia mitattiin sakkaroosifosfaattisyntaasin aktiivisuudella, joka nousi CO2-pitoisuuden myötä, mutta ei muuttunut lämpötilan kohotessa. CO2-pitoisuuden nousu lisäsi lehtien hiilihydraattipitoisuutta, mutta korkeampi lämpötila vähensi etenkin tärkkelyksen osuutta. Vaikka C3-lajit reagoivat hiilidioksidiin ja lämpötilaan eri tavoin, CO2-pitoisuuden nousu voi lieventää äärilämpötiloista johtuvia epäsuotuisia reaktioita.

Although atmospheric CO2 concentration ([C02]) has been up to 16-fold higher than at present, the past several million years have seen atypically low values. Thus, modern-day plants are adapted to cope with a low [CO2]/[O2] ratio. The present [CO2] does not saturate C3 photosynthesis, so its doubling produces an "efficiency effect", but it is not always fully realized. Acclimation to high [C02] during growth can down-regulate photosynthesis, presumably to optimize carbon acquisition and utilization. A primary factor in acclimation is a reduction in rubisco. Two crops, rice and soybean, were used to study this phenomenon. Rice photosynthesis and growth peaked at 500 mmol mol-1, whereas soybean responded up to 990 mmol mol-1 . Rubisco concentration declined under CO2-enrichment and increasing temperatures, more so in rice than soybean. The rubisco kcat of rice was unaffected by growth [CO2]or temperature, but that from soybean was increased by both. In rice the capacity to handle carbohydrate, as measured by sucrose phosphate synthase activity was up-regulated by CO2 -enrichment, but not by temperature. Leaf carbohydrates were increased by [CO2], but decreased by higher temperatures, starch more so than sucrose. Even though C3 species differ in response to [CO2]and temperature, CO2 -enrichment can moderate adverse effects of temperature extremes.