ความแตกต่างระหว่างพืช C3 และ C4

2024 ผู้เขียน: Alex Aldridge | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 13:51

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างพืช C3 และ C4 คือพืช C3 จะสร้างสารประกอบสามคาร์บอนเป็นผลิตภัณฑ์แรกที่เสถียรของปฏิกิริยาที่มืดในขณะที่พืช C4 สร้างสารประกอบสี่คาร์บอนเป็นผลิตภัณฑ์แรกที่เสถียรของ ปฏิกิริยามืด

การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการที่ขับเคลื่อนด้วยแสงซึ่งจะเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำให้เป็นน้ำตาลที่อุดมด้วยพลังงานในพืช สาหร่าย และไซยาโนแบคทีเรีย ระหว่างปฏิกิริยาแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง โฟโตไลซิสของโมเลกุลของน้ำจะเกิดขึ้น เป็นผลมาจากโฟโตไลซิสของน้ำ ออกซิเจนจะปลดปล่อยเป็นผลพลอยได้ หลังจากปฏิกิริยาแสง ปฏิกิริยาที่มืดจะเริ่มขึ้นและสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตโดยการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์อย่างไรก็ตาม ออกซิเจนที่เกิดจากปฏิกิริยาแสงสามารถจับกับเอนไซม์หลักของปฏิกิริยาความมืด ซึ่งก็คือ RuBP oxygenase-carboxylase (Rubisco) และดำเนินการหายใจด้วยแสง การหายใจด้วยแสงเป็นกระบวนการที่สิ้นเปลืองพลังงานและลดการสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรต ดังนั้นเพื่อป้องกันการหายใจด้วยแสงจึงมีสามวิธีที่แตกต่างกันซึ่งปฏิกิริยามืดเกิดขึ้นในพืชเพื่อป้องกันการรวมตัวของออกซิเจนกับ Rubisco ดังนั้นพืชจึงมี 3 ประเภทขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาของความมืด ได้แก่ พืช C3 พืช C4 และพืช CAM

พืช C3 คืออะไร

พืชประมาณ 95% บนโลกเป็นพืช C3 ตามชื่อที่ระบุ พวกมันดำเนินการกลไกการสังเคราะห์แสง C3 นั่นคือวัฏจักรคาลวิน คิดว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง C3 เกิดขึ้นเมื่อเกือบ 3.5 พันล้านปีก่อน พืชเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นไม้ยืนต้นและใบกลม ในพืชเหล่านี้ การตรึงคาร์บอนจะเกิดขึ้นในเซลล์มีโซฟิลล์ที่อยู่ใต้ผิวหนังชั้นนอก

คาร์บอนไดออกไซด์เข้าสู่เซลล์มีโซฟิลล์ผ่านปากใบจากนั้นปฏิกิริยาของความมืดก็เริ่มขึ้น ปฏิกิริยาแรกคือการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยไรบูโลส บิสฟอสเฟต ให้เป็นฟอสโฟกลีเซอเรตซึ่งเป็นสารประกอบสามคาร์บอน อันที่จริงมันเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีความเสถียรตัวแรกของโรงงาน C3 ไรบูโลส บิสฟอสเฟต คาร์บอกซิเลส (รูบิสโก) เป็นเอนไซม์ที่กระตุ้นปฏิกิริยาคาร์บอกซิเลชันในพืช ในทำนองเดียวกัน วัฏจักรคาลวินจะเกิดขึ้นแบบวัฏจักรขณะผลิตคาร์โบไฮเดรต

รูปที่ 01: พืช C3

เมื่อเทียบกับพืช C4 พืช C3 นั้นไม่มีประสิทธิภาพเกี่ยวกับกลไกการสังเคราะห์แสง เป็นเพราะการเกิดการหายใจด้วยแสงในพืช C3 การหายใจด้วยแสงเกิดขึ้นเนื่องจากกิจกรรม Oxygenase ของเอนไซม์ Rubisco การเติมออกซิเจนของ Rubisco ทำงานในทิศทางตรงกันข้ามกับคาร์บอกซิเลชัน ยกเลิกการสังเคราะห์ด้วยแสงอย่างมีประสิทธิภาพโดยสิ้นเปลืองคาร์บอนจำนวนมากซึ่งเดิมถูกตรึงโดยวัฏจักรคาลวินด้วยค่าใช้จ่ายมหาศาล และส่งผลให้สูญเสียคาร์บอนไดออกไซด์จากเซลล์ที่กำลังตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ในทำนองเดียวกัน ปฏิกิริยากับออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้นที่ไซต์เดียวกันบน Rubisco ปฏิกิริยาที่แข่งขันกันเหล่านี้มักทำงานในอัตราส่วน 3:1 (คาร์บอน: ออกซิเจน) ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าการหายใจด้วยแสงเป็นกระบวนการกระตุ้นด้วยแสงซึ่งใช้ออกซิเจนและทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์

พืช C4 คืออะไร

C4 พืชมีอยู่ในพื้นที่แห้งและมีอุณหภูมิสูง ประมาณ 1% ของพันธุ์พืชมีชีวเคมี C4 ตัวอย่างของพืช C4 ได้แก่ ข้าวโพดและอ้อย ตามชื่อที่ระบุ พืชเหล่านี้มีกลไกการสังเคราะห์แสง C4 คิดว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง C4 เกิดขึ้นเมื่อเกือบ 12 ล้านปีก่อน นานหลังจากวิวัฒนาการของกลไก C3 พืช C4 อาจปรับตัวได้ดีขึ้นในขณะนี้ เนื่องจากระดับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในปัจจุบันต่ำกว่า 100 ล้านปีก่อนมาก

พืช C4 มีประสิทธิภาพในการดักจับคาร์บอนไดออกไซด์มากกว่ามาก นอกจากนี้ยังพบการสังเคราะห์ด้วยแสง C4 ทั้งในพืชใบเลี้ยงเดี่ยวและใบเลี้ยงคู่ ในทางตรงกันข้ามกับพืช C3 ผลิตภัณฑ์ที่มีความเสถียรตัวแรกที่เกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงคือกรดออกซาโลอะซิติกซึ่งเป็นสารประกอบสี่คาร์บอนสิ่งสำคัญที่สุดคือ ใบของพืชเหล่านี้แสดงลักษณะทางกายวิภาคพิเศษที่เรียกว่า “Kranz Anatomy” มีเซลล์เปลือกหุ้มเป็นวงกลมซึ่งมีคลอโรพลาสต์อยู่รอบๆ มัดของหลอดเลือด โดยสามารถระบุพืช C4 ได้

รูปที่ 02: พืช C4

ในเส้นทางนี้ การตรึงคาร์บอนไดออกไซด์จะเกิดขึ้นสองครั้ง ในไซโตพลาสซึมของเซลล์มีโซฟิลล์ CO₂ แก้ไขครั้งแรกด้วยฟอสโฟฟีนอลไพรูเวต (PEP) ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับหลัก ปฏิกิริยาถูกเร่งโดยเอนไซม์ PEP คาร์บอกซิเลส จากนั้น PEP จะแปลงเป็น malate และจากนั้นเป็น pyruvate ปลดปล่อย CO₂ และ CO_{2 แก้ไขเป็นครั้งที่สองด้วย Ribulose bisphosphate เป็น 2 ฟอสโฟกลีเซอเรตเพื่อดำเนินการวงจรคาลวิน}

ความคล้ายคลึงกันระหว่างพืช C3 และ C4 คืออะไร

• ทั้งพืช C3 และ C4 แก้ไขคาร์บอนไดออกไซด์และผลิตคาร์โบไฮเดรต
• พวกเขาแสดงปฏิกิริยาที่มืดมน
• พืชทั้งสองชนิดมีปฏิกิริยาแสงเหมือนกัน
• นอกจากนี้ พวกมันยังมีคลอโรพลาสต์เพื่อทำการสังเคราะห์ด้วยแสง
• สมการสังเคราะห์แสงของมันคล้ายกัน
• ยิ่งไปกว่านั้น RuBP ยังเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยามืดของพืชทั้งสองชนิด
• พืชทั้งสองผลิตฟอสโฟกลีเซอเรต

พืช C3 และ C4 ต่างกันอย่างไร

C3 พืชผลิตกรดฟอสโฟกลีเซอริกเป็นผลิตภัณฑ์แรกที่เสถียรของปฏิกิริยามืด เป็นสารประกอบสามคาร์บอน ในทางกลับกัน พืช C4 จะผลิตกรดออกซาโล-อะซิติกเป็นผลิตภัณฑ์แรกที่เสถียรของปฏิกิริยามืด เป็นสารประกอบสี่คาร์บอน ดังนั้น นี่คือข้อแตกต่างที่สำคัญระหว่างพืช C3 และ C4

นอกจากนี้ ประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงของพืช C3 ยังน้อยกว่าประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงของพืช C4เกิดจากการหายใจด้วยแสงที่พบในพืช C3 ซึ่งไม่มีนัยสำคัญในพืช C4 ดังนั้นจึงเป็นความแตกต่างระหว่างพืช C3 และ C4 อีกประการหนึ่ง เมื่อพิจารณาถึงความแตกต่างของโครงสร้าง พืช C3 ไม่มีคลอโรพลาสต์สองประเภทและกายวิภาคของ Kranz ในใบ ในทางกลับกัน พืช C4 มีคลอโรพลาสต์สองประเภท และแสดงกายวิภาคของ Kranz ในใบ ดังนั้นจึงเป็นความแตกต่างระหว่างพืช C3 และ C4

ยิ่งไปกว่านั้น ความแตกต่างเพิ่มเติมระหว่างพืช C3 และ C4 คือพืช C3 แก้ไขคาร์บอนไดออกไซด์เพียงครั้งเดียว ในขณะที่พืช C4 กักเก็บคาร์บอนไดออกไซด์ได้สองครั้ง ด้วยเหตุนี้การดูดซึม C จึงน้อยลงในพืช C3 ในขณะที่การดูดซึม C นั้นสูงในพืช C4 ไม่เพียงเท่านั้น พืช C4 ยังสามารถสังเคราะห์แสงได้เมื่อปิดปากใบและอยู่ภายใต้ความเข้มข้นของแสงที่สูงมาก และ CO_{2 ที่ความเข้มข้นต่ำ อย่างไรก็ตาม พืช C3 ไม่สามารถทำการสังเคราะห์ด้วยแสงได้เมื่อปิดปากใบและอยู่ภายใต้ความเข้มข้นของแสงที่สูงมาก และ CO}2 ที่ต่ำมาก _{ความเข้มข้นดังนั้น นี่จึงเป็นความแตกต่างที่สำคัญระหว่างพืช C3 และ C4 นอกจากนี้ พืช C3 และพืช C4 ยังแตกต่างจากตัวรับคาร์บอนไดออกไซด์ตัวแรก RuBP คือ CO}2 _{ตัวรับในโรงงาน C3 ในขณะที่ PEP เป็นตัวรับ CO}2 _{ในโรงงาน C4 ตัวแรก}

สรุป – พืช C3 กับ C4

C3 และ C4 เป็นพืชสองประเภท พืช C3 นั้นพบได้ทั่วไปในขณะที่พืช C4 นั้นหายากมาก ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างพืช C3 และ C4 ขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์คาร์บอนตัวแรกที่ผลิตขึ้นระหว่างปฏิกิริยาที่มืด โรงงาน C3 ดำเนินการตามวัฏจักรของ Calvin และผลิตสารประกอบคาร์บอนสามชนิดเป็นผลิตภัณฑ์แรกที่มีเสถียรภาพ ในขณะที่พืช C4 ใช้กลไก C4 และผลิตสารประกอบคาร์บอนสี่ชนิดเป็นผลิตภัณฑ์แรกที่มีเสถียรภาพ นอกจากนี้ พืช C3 ยังแสดงประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงน้อยลง ในขณะที่พืช C4 แสดงประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงสูงนอกจากนี้พืช C3 ไม่มีกายวิภาคของ Kranz ในใบและไม่มีคลอโรพลาสต์สองประเภท ในทางกลับกัน พืช C4 มีกายวิภาคของ Kranz ในใบ และยังมีคลอโรพลาสต์สองประเภท ดังนั้น นี่คือบทสรุปของพืช C3 และ C4