Die meisten Pflanzen und Nutzpflanzen sind C3-Pflanzen, was sich darauf bezieht, dass die erste Kohlenstoffverbindung, die bei der Photosynthese entsteht, drei Kohlenstoffatome enthält. Unter hohen Temperaturen und Licht hat Sauerstoff jedoch eine hohe Affinität zum Photosynthese-Enzym Rubisco. Sauerstoff kann an Rubisco anstelle von Kohlendioxid binden, und durch einen Prozess, der als Photorespiration bezeichnet wird, reduziert Sauerstoff die photosynthetische Effizienz und die Wassernutzungseffizienz von C3-Pflanzen. In Umgebungen mit hoher Temperatur und Licht, die tendenziell eine begrenzte Bodenfeuchtigkeit aufweisen, haben einige Pflanzen die C4-Photosynthese entwickelt. Durch eine einzigartige Blattanatomie und Biochemie sind C4-Pflanzen in der Lage, Kohlendioxid zu binden, wenn es in das Blatt eindringt, und eine 4-Kohlenstoff-Verbindung zu produzieren, die das Kohlendioxid in bestimmte Zellen um das Rubisco-Enzym herum überträgt und konzentriert, was die Photosynthese- und Wassernutzungseffizienz der Pflanze deutlich verbessert. Infolgedessen sind C4-Pflanzen in Umgebungen mit hohem Licht und hohen Temperaturen tendenziell produktiver als C3-Pflanzen. Beispiele für C4-Pflanzen sind Mais, Sorghum, Zuckerrohr, Hirse und Switchgrass. Die anatomischen und biochemischen Anpassungen der C4-Pflanzen erfordern jedoch mehr Energie und Ressourcen als die C3-Photosynthese, so dass C3-Pflanzen in kühleren Umgebungen typischerweise photosynthetisch effizienter und produktiver sind.
Da Kohlendioxid das Gas ist, das Pflanzen für die Photosynthese benötigen, haben Forscher untersucht, wie sich erhöhte CO2-Konzentrationen auf das Wachstum von C4- und C3-Pflanzen und die Ernteerträge auswirken. Obwohl C3-Pflanzen nicht so gut an warme Temperaturen angepasst sind wie C4-Pflanzen, ist die Photosynthese von C3-Pflanzen durch Kohlendioxid begrenzt; und wie man erwarten würde, hat die Forschung gezeigt, dass C3-Pflanzen von erhöhten Kohlendioxid-Konzentrationen mit erhöhtem Wachstum und Erträgen profitiert haben (Taub, 2010). Im Gegensatz dazu sind C4-Pflanzen mit ihren Anpassungen nicht so stark durch Kohlendioxid begrenzt, und unter erhöhten Kohlendioxidwerten nahm das Wachstum von C4-Pflanzen nicht so stark zu wie das von C3-Pflanzen. In Feldstudien mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt waren die Erträge von C4-Pflanzen auch nicht höher (Taub, 2010). Wenn der Stickstoff im Boden begrenzt war, reagierten C3-Pflanzen außerdem weniger auf die erhöhte CO2-Konzentration oder der Stickstoff- oder Proteingehalt der Kulturpflanzen war geringer als bei Pflanzen, die unter Bedingungen mit hohem Stickstoffgehalt im Boden gewachsen waren (Taub, 2010). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Nutzpflanzen wahrscheinlich eine höhere Verfügbarkeit von Nährstoffen im Boden benötigen, um von erhöhten atmosphärischen Kohlendioxid-Konzentrationen zu profitieren. Weitere optionale Informationen über die Reaktion von C3- und C4-Pflanzen auf erhöhte Kohlendioxid-Konzentrationen finden Sie in der folgenden Zusammenfassung von Forschungsergebnissen, die auch in der Liste „Effects of Rising Atmospheric Concentrations of Carbon Dioxide on Plants“ (Auswirkungen steigender atmosphärischer Kohlendioxid-Konzentrationen auf Pflanzen) aufgeführt sind.
Other Drought Tolerant Crop Plant Traits
Zu den zusätzlichen Pflanzeneigenschaften, die den Pflanzen helfen, Trockenheit und Hitzestress zu tolerieren, gehören tiefe Wurzelsysteme (typisch für Stauden) und/oder dicke Blätter mit Wachsen, die den Wasserverlust und die Transpirationsrate reduzieren. Außerdem rollen einige Pflanzen ihre Blätter ein, um die Oberfläche für den Empfang und die Erwärmung der Sonnenstrahlung zu verringern, und einige reduzieren ihre stomatäre Leitfähigkeit (Wasserverlust) stärker als andere.
Temperatur
Die mit dem Klimawandel prognostizierten erhöhten Temperaturen können vielfältige Auswirkungen auf die Wachstumsbedingungen von Pflanzen haben. Der Klimawandel kann die Vegetationsperioden in einigen Regionen verlängern, obwohl sich die Tageslängen nicht ändern werden. Da sich die Pflanztermine mit längeren Vegetationsperioden ändern, können die Pflanzen auch hohen Temperaturen, Feuchtigkeitsstress und Frostgefahr ausgesetzt sein. Höhere Temperaturen können auch die Verdunstung von Wasser aus dem Boden erhöhen, was die Verfügbarkeit von Bodenwasser verringert. Höhere Temperaturen sind nicht unbedingt ideal für den Ertrag, selbst wenn die Temperaturen unter der optimalen Temperatur einer Pflanze liegen. Bei höheren Temperaturen wachsen die Pflanzen schneller, was dazu führt, dass erstens die Zeit für Photosynthese und Wachstum reduziert wird, was zu kleineren Pflanzen führt, und zweitens die Zeit für die Kornfüllung reduziert wird, was den Ertrag verringert, insbesondere wenn die Nachttemperaturen hoch sind (Hattfield et al., 2009). Hohe Temperaturen können auch die Lebensfähigkeit von Pollen reduzieren und tödlich für Pollen sein. Die vielfältigen Auswirkungen hoher Temperaturen auf pflanzenphysiologische Prozesse und die Bodenfeuchtigkeit erklären wahrscheinlich, warum die Forschung herausgefunden hat, dass die Kornentwicklung und der Ertrag oft reduziert sind, wenn die Temperaturen erhöht sind (Hattfield et al., 2009).
Viele Faktoren, die sich mit dem Klimawandel voraussichtlich ändern werden, könnten das Pflanzenwachstum beeinflussen. Dazu gehören die Kohlendioxidkonzentration, die Temperatur, der Niederschlag und die Bodenfeuchte sowie die Ozonkonzentration in der unteren Atmosphäre.
Lesen Sie die Einleitung und die Kernaussage 1 (Zunehmende Auswirkungen auf die Landwirtschaft) des National Climate Assessment.
Kontrollieren Sie Ihr Verständnis
Wie werden mehrere Faktoren des Klimawandels, die sich voraussichtlich gemeinsam ändern werden (wie z.B. Temperatur, Kohlendioxidkonzentration und Bodenfeuchtigkeit), das Wachstum und die Erträge von Nutzpflanzen beeinflussen?