De meeste planten en cultuurgewassen zijn C3-planten, wat verwijst naar het feit dat de eerste koolstofverbinding die tijdens de fotosynthese wordt geproduceerd, drie koolstofatomen bevat. Onder hoge temperatuur en bij veel licht heeft zuurstof echter een hoge affiniteit voor het fotosynthese-enzym Rubisco. Zuurstof kan zich binden aan Rubisco in plaats van aan koolstofdioxide, en via een proces dat fotorespiratie wordt genoemd, vermindert zuurstof de fotosynthese-efficiëntie en het watergebruik van C3-planten. In omgevingen met hoge temperaturen en veel licht, waar de bodemvochtigheid vaak beperkt is, hebben sommige planten de C4-fotosynthese ontwikkeld. Dankzij een unieke bladanatomie en -biochemie kunnen C4-planten kooldioxide binden wanneer dit het blad binnenkomt en een verbinding met 4 koolstofverbindingen produceren die kooldioxide overbrengt naar en concentreert in specifieke cellen rond het Rubisco-enzym, waardoor de fotosynthese en de waterbenuttingsefficiëntie van de plant aanzienlijk worden verbeterd. Als gevolg daarvan zijn C4-planten in omgevingen met veel licht en hoge temperaturen over het algemeen productiever dan C3-planten. Voorbeelden van C4-planten zijn maïs, sorghum, suikerriet, gierst en switchgrass. De anatomische en biochemische aanpassingen van C4-planten vergen echter meer energie en middelen van de plant dan de fotosynthese van C3-planten, zodat C3-planten in koelere omgevingen gewoonlijk fotosynthetischer en productiever zijn.
Omdat kooldioxide het gas is dat planten nodig hebben voor fotosynthese, hebben onderzoekers bestudeerd hoe de verhoogde CO2-concentraties de groei van C4- en C3-planten en de opbrengst van gewassen beïnvloeden. Hoewel C3-planten niet zo zijn aangepast aan warme temperaturen als C4-planten, wordt de fotosynthese van C3-planten beperkt door kooldioxide; en zoals men zou verwachten heeft onderzoek aangetoond dat C3-planten hebben geprofiteerd van verhoogde kooldioxideconcentraties met een verhoogde groei en opbrengst (Taub, 2010). Daarentegen worden C4-planten, met hun aanpassingen, niet zo beperkt door kooldioxide, en onder verhoogde kooldioxideniveaus nam de groei van C4-planten niet zo sterk toe als bij C3-planten. In veldstudies met verhoogde koolstofdioxideniveaus waren de opbrengsten van C4-planten ook niet hoger (Taub, 2010). Bovendien, als de stikstof in de bodem beperkt was, was de reactie van C3-planten op verhoogde CO2-concentratie verminderd of was het stikstof- of eiwitgehalte van de gewassen lager in vergelijking met planten die onder hoge bodem-N-condities werden geteeld (Taub, 2010). Deze resultaten suggereren dat gewassen waarschijnlijk een hogere beschikbaarheid van voedingsstoffen in de bodem nodig hebben om te kunnen profiteren van de verhoogde atmosferische kooldioxideconcentraties. Voor meer optionele leesinformatie over de reactie van C3- en C4-planten op verhoogde kooldioxideconcentraties, zie de volgende samenvatting van onderzoek dat ook is opgenomen in de aanvullende leeslijst, Effects of Rising Atmospheric Concentrations of Carbon Dioxide on Plants.
Other Drought Tolerant Crop Plant Traits
Een aantal aanvullende plantkenmerken die planten helpen droogte- en hittestress te tolereren, zijn diepe wortelsystemen (typisch voor vaste planten) en/of dikke bladeren met was die het waterverlies en de transpiratiesnelheid verminderen. Bovendien rollen sommige planten hun bladeren om het oppervlak voor ontvangst en opwarming door zonnestraling te verkleinen, en verminderen sommige planten hun huidmondjesgeleiding meer (waterverlies) dan andere.
Temperatuur
De met klimaatverandering voorspelde hogere temperaturen kunnen meerdere gevolgen hebben voor de groeiomstandigheden van planten. Klimaatverandering kan de groeiseizoenen in sommige regio’s verlengen, hoewel de daglengte niet zal veranderen. Omdat de plantdata door de langere groeiseizoenen veranderen, kunnen gewassen ook worden blootgesteld aan hoge temperaturen, vochtstress en het risico van vorst. Hogere temperaturen kunnen ook de verdamping van water uit de bodem doen toenemen, waardoor de beschikbaarheid van grondwater afneemt. Hogere temperaturen zijn niet noodzakelijk ideaal voor de opbrengst, zelfs als de temperaturen lager zijn dan de optimale temperatuur van een plant. Bij hogere temperaturen groeien planten sneller, waardoor ze enerzijds minder tijd hebben voor fotosynthese en groei, wat resulteert in kleinere planten, en anderzijds minder tijd hebben voor het vullen van de graankorrel, wat de opbrengst vermindert, vooral als de nachttemperaturen hoog zijn (Hattfield et al., 2009). Hoge temperaturen kunnen ook de levensvatbaarheid van stuifmeel verminderen en dodelijk zijn voor stuifmeel. De meervoudige effecten van hoge temperaturen op het fysiologische proces van planten en op de bodemvochtigheid verklaren waarschijnlijk waarom uit onderzoek is gebleken dat de graanontwikkeling en -opbrengst vaak afnemen wanneer de temperaturen hoog zijn (Hattfield et al., 2009).
Veel factoren die naar verwachting zullen veranderen als gevolg van de klimaatverandering kunnen de groei van planten beïnvloeden. Het gaat onder meer om de kooldioxideconcentratie, de temperatuur, de neerslag en het vochtgehalte van de bodem, en de ozonconcentraties in de lagere atmosfeer.
Lees de inleiding en kernboodschap 1 (Toenemende gevolgen voor de landbouw) van de nationale klimaatbeoordeling.
Check Your Understanding
Hoe zullen meerdere klimaatveranderingsfactoren die naar verwachting samen zullen veranderen (zoals temperatuur, kooldioxideconcentratie, en beschikbaarheid van bodemvocht) de groei en opbrengst van gewassen beïnvloeden?