Fotosynteza CAM

Fotosynteza CAM – szczególny typ fotosyntezy zachodzącej u organizmów określanych jako rośliny CAM (ang. crassulacean acid metabolism). Do grupy tej należą rośliny, które ze względu na klimat muszą prowadzić szczególnie oszczędną gospodarkę wodną, m.in. gruboszowate.

Metabolizm CAM występuje w przybliżeniu u 6% gatunków roślin wyższych. Jest postrzegany jako mało znaczący szlak metaboliczny fotosyntezy, ograniczony do nielicznych roślin rosnących na pustyniach. Chociaż gatunki CAM mają stosunkowo małe znaczenie ekonomiczne (np. wanilia, ananas i agawa) w przeciwieństwie do produkcji roślin typu C₃ i C₄, to ich sposób na fotosyntezę jest wyjątkowo ciekawy. Dość powszechnie przyjęło się, że wszystkie rośliny CAM pobierają atmosferyczny CO₂ wyłącznie w nocy, a ich aparaty szparkowe pozostają zamknięte w okresie dnia. Chociaż jest to prawdą tylko dla mniejszości roślin CAM, elastyczność szlaku metabolicznego, w połączeniu z różnorodnością gatunków CAM, sięga od braku pobierania CO₂ w okresie dnia aż po pobieranie CO₂ przez całą dobę^[1].

Fotosynteza CAM charakteryzuje się dwoma etapami wiązania CO₂:

Noc

W nocy do fosfoenolopirogronianu (PEP) przyłączany jest CO₂. W reakcji tej powstaje szczawiooctan, który następnie redukowany jest do jabłczanu i w tej postaci CO₂ niezbędny do przeprowadzania fotosyntezy transportowany jest do wakuoli i magazynowany.

Dzień

W dzień jabłczan z wakuoli transportowany jest do cytozolu, gdzie zachodzi reakcja dekarboksylacji przeprowadzana przez enzym jabłczanowy. Wydzielony CO₂ pokrywa zapotrzebowanie cyklu Calvina-Bensona w okresie kiedy intensywnie zachodzi faza jasna fotosyntezy, a pobieranie CO₂ jest ograniczone w wyniku zamknięcia aparatów szparkowych.

W przebiegu fotosyntezy CAM można w okresie doby wyróżnić cztery fazy:

Faza I

Noc, w okresie której aparaty szparkowe pozostają otwarte. CO₂ atmosferyczny wnika do komórek, gdzie jest wiązany poprzez przyłączenie do fosfoenolopirogronianu (PEP) przez enzym karboksylazę fosfoenolopirogronianu (PEPC). Fosfoenolopirogronian potrzebny do związania CO₂ wytwarzany jest w procesie glikolizy z cukrów zapasowych i cukrów rozpuszczalnych powstałych w dniu poprzednim. Powstały po przyłączeniu cząsteczki dwutlenku węgla szczawiooctan (OAA) redukowany jest do jabłczanu, transportowanego do wakuoli. Transport jabłczanu przez błonę wakuoli związany jest z dzianiem ATPazy przenoszącej do wnętrza wakuoli jony H⁺. Jony jabłczanowe podążają przez odpowiednie kanały zgodnie z gradientem elektrochemicznym^[2]. Jabłczan pozostaje w wakuoli aż do wschodu słońca.

Faza II

Krótki okres początku dnia, kiedy aparaty szparkowe pozostają otwarte na CO₂. Cykl Calvina zachodzi z niewielkim natężeniem^[3]. Na świetle enzym RuBisCO ulega aktywacji, a karboksylaza PEP jest dezaktywowana poprzez defosforylację^[4]. Jabłczan przestaje być wytwarzany, a zwiększa się szybkość reakcji cyklu Calvina.

Faza III

Większą część dnia aparaty szparkowe pozostają zamknięte w celu ograniczenia utraty wody. Cykl Calvina zachodzi dzięki wydzielaniu CO₂ w procesie dekarboksylacji jabłczanu uwalnianego z wakuoli. Proces dekarboksylacji jabłczanu może być przeprowadzany przez jeden lub kilka enzymów dekarboksylujących: enzym jabłczanowy zależny od NADP (NADP-ME), enzym jabłczanowy zależny od NAD (NAD-ME) lub karboksykinazę PEP (PEP-CK)^[5]. Podczas dekarboksylacji wytwarzany jest CO₂ oraz PEP lub pirogronian. CO₂ wykorzystywany jest do wytwarzania węglowodanów, a związki trójwęglowe przekształcane są powtórnie w cukry w procesie glukoneogenezy^[6].

Faza IV

Krótki okres końca dnia kiedy aparaty szparkowe otwierają się i powtórnie CO₂ jest bezpośrednio włączany w cykl Calvina. W tym okresie jabłczan z wakuoli jest już wyczerpany^[7].

Faza II i IV są szczególnie wrażliwe na czynniki środowiskowe, takie jak dostępność wody. W okresie suszy, obie fazy są wstrzymane, gdyż rośliny CAM maksymalnie oszczędzają wtedy wodę^{[potrzebny przypis]}.

W przypadku poważnego ograniczenia ilości wody aparaty szparkowe roślin CAM pozostają zamknięte zarówno w dzień, jak i w nocy a faza ciemna fotosyntezy zachodzi jedynie dzięki wewnętrznemu obiegowi CO₂ wytwarzanego w procesie oddychania. Także w nocy przy zamkniętych aparatach szparkowych CO₂ pochodzący z oddychania jest przyłączany do PEP i wytwarzane niewielkie ilości jabłczanu.

Część roślin CAM pobiera CO₂ przy otwartych aparatach szparkowych w okresie dnia. W nocy aparaty szparkowe pozostają zamknięte, a w komórkach roślin magazynowany jest, w postaci kwasu jabłkowego, CO₂ wytwarzany w procesie oddychania komórkowego^[8]. Ten rodzaj modyfikacji nazwany został cyklicznym CAM (ang. CAM-cycling). Druga modyfikacja, nazywana jałowym CAM (ang. CAM-iding), pojawia się w warunkach skrajnej suszy. Aparaty szparkowe pozostają zamknięte zarówno w dzień, jak i w nocy a CO₂ zużywany w fotosyntezie pochodzi jedynie z wnętrza rośliny^[9].

Rozdzielenie w czasie działania dwóch karboksylaz, karboksylazy PEP i Rubisco wymaga ścisłej kontroli na poziomie molekularnym. Modyfikacje metabolizmu kwasowego oraz plastyczna odpowiedź na warunki środowiska dodatkowo komplikują mechanizmy regulacyjne^[10]. Karboksylaza PEP jest aktywowana poprzez przyłączenie reszty fosforanowej do seryny. W reakcji tej pośredniczy kinaza karboksylazy PEP. Wytwarzanie tego enzymu kontrolowane jest przez rytm dobowy i jest on syntetyzowany każdej nocy^[11]. W okresie dnia karboksylaza PEP ulega defosforylacji^[12]. Czynnikiem wywołującym dezaktywację enzymu jest wyższa temperatura oraz zmiana stężenia jabłczanu^[13].

Drugi kluczowy dla fotosyntezy enzym – Rubisco, aktywowany jest w okresie dnia. Jednak aktywacja następuje z opóźnieniem, a maksymalną aktywność enzym uzyskuje dopiero na początku fazy IV^[14][4]. Za aktywację Rubisco odpowiedzialna jest aktywaza, która reaguje na zmiany powodowane przez światło takie jak zmiana stosunku ADP/ATP oraz potencjału redoks w chloroplastach^[15].

Proces fotooddychania u roślin CAM jest zależny od fazy. W fazie II gdy aparaty szparkowe są otwarte, a Rubisco aktywne zachodzi podobnie jak u roślin C₃. Na początku fazy III gdy aparaty szparkowe są już zamknięte i w komórce wytwarzane są znaczne ilości CO₂ w wyniku dekarboksylacji jabłczanu zostaje zahamowany. Jednak wraz z zachodzeniem fotosyntezy poziom CO₂ spada w wyniku zachodzenia cyklu Calvina, a wzrasta stężenie O₂ wytwarzanego w fazie jasnej. Przy zatkniętych aparatach szparkowych oddychanie komórkowe nie prowadzi do zużycia całego wytwarzanego tlenu, dlatego kumuluje się on komórkach liścia, co prowadzi do wzrostu natężenia reakcji utleniania RuBP^[16]. W wyniku zachodzenia cyklu C₂ jest odzyskiwane 75% węgla zgromadzonego w glikolanie, pozostałe 25% jest uwalniane w postaci CO₂ przez kompleks mitochondrialnej dekarboksylazy glicyny.

Zamknięte aparaty szparkowe chronią roślinę przed utratą wody, jednak powodują również wzrost stężenia tlenu co może prowadzić do powstawania wolnych rodników i uszkadzania DNA, białek i lipidów. Zachodzenie fotooddychania pomaga uniknąć części konsekwencji akumulacji tlenu^[17]. W reakcjach cyklu zużywany jest tlen ze stromy chloroplastów oraz peroksysomów. Wyprodukowanie jednego mola CO₂ w cyklu fotooddechowym wiąże się ze zużyciem jednego mola O₂, przez oksygenazę RuBP i dwóch moli przez zestaw oksydazy glikolanowej i katalazy w peroksysomach.

2 RuBP + 3O₂ + H₂O + ATP → 3 3-fosfoglicerynian + CO₂ + 2P_i + ADP

Jest to korzystniejsza proporcja niż przy oddychaniu komórkowym w którym na każdy wytwarzanego mol CO₂ zużywany jest mol O₂.

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

W ten sposób fotooddychanie zachodzące intensywnie w fazie III umożliwia nie tylko odzyskanie węgla zawartego w glikolanie, ale również zmniejszenie stężenia tlenu w komórce, co chroni ją przed stresem oksydacyjnym^[4].

Główną korzyścią z przeprowadzania asymilacji przy otwartych aparatach szparkowych CO₂ w nocy i ich zamknięcie w okresie dnia jest oszczędność wody. W efekcie zużycie wody u roślin CAM wynosi 18–100 ml g⁻¹ suchej masy przy 450–950 ml g⁻¹ suchej masy u roślin C₃^[18], a więc zapotrzebowanie roślin CAM to jedynie 5 do 10% w stosunku do roślin C₃^[19]. Fotosynteza CAM może przebiegać nawet w warunkach skrajnej suszy^[20]. Przy długotrwałej suszy szparki pozostają zamknięte nawet w nocy, co pozwala odzyskiwać jedynie CO₂ wytwarzany w oddychaniu komórkowym i przeprowadzać fotosyntezę bez przyrostu biomasy. Przetrwanie ekstremalnej suszy bez uszkodzenia aparatu fotosyntetycznego umożliwia szybki wzrost w czasie, gdy woda stanie się dostępna. Dodatkową korzyścią z metabolizmu kwasowego jest zwiększenie ciśnienia osmotycznego w komórkach, które gromadzą jabłczan, co zwiększa ilość wchłanianej z otoczenia wody, szczególnie z rosy powstającej nad ranem^[21].

Rośliny CAM wykazują większe zapotrzebowanie na energię świetlną niż rośliny C₃. Asymilacja jednego mola CO₂ u roślin C₃ wymaga 3 moli ATP i 2 NADPH (nie uwzględniając fotooddychania), u roślin CAM konieczne jest zużycie 4,8 do 5,9 moli ATP i 3,2 do 3,9 NADPH. Jednak ze względu na występowanie roślin CAM w ekosystemach o wysokim natężeniu światła zwiększone zapotrzebowanie na energię ma znikomy wpływ na wzrost roślin. Natężenie światła wysycające proces fotosyntezy jest nieznacznie wyższe u roślin CAM w stosunku do C₃, dlatego światło zwykle nie jest czynnikiem ograniczającym dla roślin CAM. Jednakże w lasach tropikalnych, gdzie może występować zacienienie obserwowano spowolnienie wzrostu u Bromelia humilis^[22].

Rośliny fakultatywnie przeprowadzające fotosyntezę CAM

• 
  Portulacaria afra
• 
  Frerea indica
• 
  Mesembryanthemum crystallinum
• 
  Portulaca grandiflora

Rośliny takie jak Portulacaria afra lub Mesembryanthemum crystallinum przeprowadzają fotosyntezę C₃ w okresie, gdy woda jest dostępna. W okresie suszy przechodzą na klasyczny metabolizm CAM. Rośliny takie określa się jako indukowane CAM^[9]. Czynnikiem indukującym przejście na metabolizm kwasowy może być zmiana temperatury, wysokie natężenie światła albo niedobór wody. U roślin rocznych takich jak Mesembryanthemum crystallinum przejście na fotosyntezę CAM jest nieodwracalne^[10]. U drzewa Clusia minor możliwy jest powrót do metabolizmu C₃^[6]. Możliwy jest również metabolizm pośredni np. Sedum telephium gromadzą kwas jabłkowy w szerokim zakresie natężenia światła i nawodnienia, jednak procesy typowe dla fotosyntezy CAM są wzmacniane w warunkach suszy^[23].

Metabolizm CAM powstawał w wyniku ewolucji wielokrotnie jako modyfikacja metabolizmu roślin C₃^[24]. Przypuszcza się, że fotosynteza CAM pojawiła się po raz pierwszy przed 250–300 milionami lat u paproci wodnych oraz u wczesnych nagonasiennych^[25]. Rozwój metabolizmu CAM uznaje się za przystosowanie do niskiego poziomu CO₂ w atmosferze, w okresie 350-300 nastąpił spadek z poziomu ponad 2000 ppmv do poziomu zbliżonego do czasów współczesnych^[26].

Zestaw enzymów niezbędny do przeprowadzenia fotosyntezy CAM zawierają komórki roślin C₃. Tłumaczy to dlaczego fotosynteza CAM może występować u wielu nie powiązanych rodzin należących do jednoliściennych i dwuliściennych występujących w wielu środowiskach. Metabolizm CAM ułatwia przetrwanie w warunkach niedoboru wody, jednak prawdopodobnie nie powstał jako przystosowanie do suszy. W warunkach niedoboru wody aparaty szparkowe pozostają zamknięte, a dyfuzja CO₂ do wnętrza liścia jest ograniczona i właśnie przystosowanie do niskich stężeń CO₂ jest prawdopodobną przyczyną powstania mechanizmów CAM. Zdolność do oszczędzania wody została wykorzystana później. Prawdopodobnie początkiem metabolizmu CAM było wiązanie CO₂ wytwarzanego w procesie oddychania komórkowego w nocy^[24]. Mechanizm ten istnieje obecnie między innymi u sukulentów. Kolejnym krokiem w ewolucji fotosyntezy CAM było wykształcenie odpowiednich przenośników w błonie wakuoli. Gromadzenie kwasów C₄ w wakuoli pozwala zapobiec niekorzystnemu obniżeniu pH w cytozolu.

Dalszy rozwój roślin CAM mógł być faworyzowany w warunkach stresu typu susza, zasolenie lub niskie stężenie CO₂^[27].

Angielski lekarz Benjamin Heyne w liście do Królewskiego Towarzystwa Linneuszowego w roku 1813 opisał roślinę, Cotyledon calycina, która rano jest kwaśna jak szczaw, a wraz z upływem dnia staje się coraz mniej kwaśna^[28][29]. W roku 1946 Meirion Thomas zaobserwował jednoczesne pobieranie CO₂ i O₂ przez liście rośliny gruboszowatych w ciemności. Doświadczenie było potwierdzeniem spostrzeżeń de Saussure z 1804. W swoich pracach Thomas jako pierwszy zastosował termin „crassulacean acid metabolism”^[28]

Rolnicze wykorzystanie roślin CAM jest stosunkowo niewielkie. Jednak są one uprawiane w miejscach gdzie wysoka ewapotranspiracja i niewielkie ilości opadów uniemożliwiają uprawę innych roślin. Do roślin CAM o dużym znaczeniu gospodarczym należą: ananas (Ananas comosus), opuncja figowa (Opuntia ficus-indica), agawa sizalowa (Agave sisalana) i agawa błękitna (Agave tequilana)^[30].

Głównym miejscem uprawy ananasów są kraje strefy międzyzwrotnikowej oraz RPA i Australia. Każdego roku uprawy ananasów dostarczają około 86 ton owoców z ha. W roku 2003 całkowita wartość ananasów w obrocie międzynarodowym wyniosła 1,9 miliardów dolarów.

Opuncja uprawiana jest od początku XX wieku. Współcześnie stanowi źródło żywności dla ludzi i zwierząt w wielu częściach świata, a produktywność upraw szacowana jest na 47-50 ton z hektara.

Agawy są uprawiane na całym świecie, głównie w celu uzyskania włókien albo do wytwarzania alkoholu. Z agawy sizalowej uzyskuje się z niej włókna sizalowe. Szczyt produkcji włókien sizalowych przypada na lata sześćdziesiąte XX wieku. W kolejnych latach produkcja była ograniczana, głównie ze względu na wzrostu produkcji syntetycznych włókien polipropylenowych. W roku 2006 produkcja włókien sizalowych wyniosła 246 000 ton. Drugi gatunek o znaczeniu gospodarczy, agawa błękitna, służy do wyrobu syropu cukrowego, z którego po poddaniu fermentacji i destylacji otrzymuje się alkohol o nazwie tequila. Każdego roku z upraw agawy błękitnej uzyskuje się około 50 ton suchej masy^[31]. Inne gatunki agawy służą do wyrobu tradycyjnej wódki meksykańskiej, mezcalu.

Wysoka zawartość cukru w agawie błękitnej umożliwia również produkcję bioetanolu. Potencjalnym miejscem produkcji alkoholu rolniczego z agawy jest Meksyk oraz tereny Karru w Republice Południowej Afryki. Wykorzystanie innych roślin do produkcji biopaliw, w klimacie panującym w tych krajach, jest niemożliwe. Rocznie z agawy błękitnej produkuje się 4000 litrów z hektara upraw, a produktywność może sięgać do 34 000 litrów etanolu z hektara^[30].

Większość roślin reprezentujących metabolizm CAM to epifity (np. storczykowate, bromeliowate) lub sukulenty (kserofity) (np. kaktusy, kaktoidalne Euphorbia), jednak metabolizm CAM występuje także u hemiepifitów (np. Clusia), litofitów (np. Sedum, Sempervivum), lądowych bromeliowatych, hydrofitów, np. Isoetes, Crassula (Tillaea) oraz halofitów (Mesembryanthemum crystallinum), nienależąca do sukulentów lądowa roślina (Dodonaea viscosa) i rosnąca w lasach namorzynowych (Sesuvium portulacastrum). Portulacaria afra jest jedyną rośliną, która wykazywać zarówno fotosyntezę CAM, jak i fotosyntezę C₄.

Metabolizm CAM powstał w wyniku ewolucji wielokrotnie^[26]. Został potwierdzony u około 16 000 gatunków (około 6% roślin wyższych)^[10], należących do 343 rodzajów i 35 rodzin^[32]. Fotosyntezę CAM stwierdzono u poryblinowców (należących do widłaków), paproci i u nagonasiennych, jednak zdecydowana większość roślin CAM to okrytonasienne.

Poniższa tabela przedstawia występowanie roślin CAM według taksonów:

Typ	Klasa/	Rząd	Rodzina	Typ ekologiczny	Rośliny
Lycopodiophyta	Isoetopsida	Isoetales	Isoetaceae	hydrofity	Isoetes[33] (jedyny rodzaj klasy Isoetopsida) – I. howellii (sezonowo zatapiany), I. macrospora, I. bolanderi, I. engelmanni, I. lacustris, I. sinensis, I. storkii, I. kirkii
Pteridophyta	Polypodiopsida	Polypodiales	Polypodiaceae	epifity, litofity	Metabolizm CAM został wykryty u Microsorium, Platycerium i Polypodium[34], Pyrrosia i Drymoglossum[35] i Microgramma
	Pteridopsida	Pteridales	Vittariaceae[36]	epifity	Vittaria[37], Anetium citrifolium[38]
Cycadophyta	Cycadopsida	Cycadales	Zamiaceae		Dioon edule[39]
Pinophyta	Gnetopsida	Welwitschiales	Welwitschiaceae	kserofity	Welwitschia mirabilis[40] (jedyny gatunek rzędu Welwitschiales)
Magnoliophyta	magnoliopsida	Magnoliales	Piperaceae	epifity	Peperomia[9]
	dwuliścienne	Caryophyllales	Plantaginaceae	hydrofity	Littorella uniflora[33]
			Aizoaceae	kserofity	Często w rodzinie; Mesembryanthemum crystallinum jest rzadkim przykładem halofitu o fotosyntezie CAM[41]
			Cactaceae	kserofity	Wszystkie kaktusy wykazują fotosyntezę CAM w łodygach; nieliczne kaktusy z liśćmi wykazują w nich fotosyntezę C3; także siewki przeprowadzają fotosyntezę C3.
			Portulacaceae	kserofity	Fotosyntezę CAM wykazano w około połowie rodzajów[42]
			Didiereaceae	kserofity
		Saxifragales	Crassulaceae	hydrofity, kserofity, litofity	Fotosynteza CAM jest powszechna w rodzinie
	dwuliścienne (różowe)	Vitales	Vitaceae[43]		Cissus[44], Cyphostemma
		Malpighiales	Clusiaceae	hemiepifity	Clusia[8]
			Euphorbiaceae[43]		Fotosynteza CAM została wykryta u części gatunków Euphorbia[44][45] oraz części rodzajów wodnych Monadenium[44], Pedilanthus[45] i Synadenium.
			Passifloraceae[36]	kserofity
		Geraniales	Geraniaceae		Fotosynteza CAM została wykryta w części gatunków zaliczanych do sukulentów Pelargonium[46]
		Cucurbitales	Cucurbitaceae		Xerosicyos danguyi[47]
		Celastrales	Celastraceae
		Oxalidales	Oxalidaceae
		Brassicales	Moringaceae
		Sapindales	Sapindaceae		Dodonaea viscosa
			Zygophyllaceae
	dwuliścienne (astrowe)	Ericales	Ebenaceae
		Solanales	Convolvulaceae
		Gentianales	Rubiaceae	epifity	Hydnophytum i Myrmecodia
			Apocynaceae		Fotosynteza CAM została wykryta w podrodzinie Asclepidioideae (Hoya[44], Dischidia, Ceropegia, Stapelia[45], Caralluma negevensis, Frerea indica[48], Adenium, Huernia)
		Lamiales	Gesneriaceae	epifity	Fotosynteza CAM została wykryta u Codonanthe crassifolia, jednak nie występuje u pozostałych rodzajów[49]
			Lamiaceae
		Apiales	Apiaceae	hydrofity	Lilaeopsis lacustris
		Asterales	Asteraceae[43]		Część gatunków Senecio[50]
Magnoliophyta	jednoliścienne	Alismatales	Hydrocharitaceae	hydrofity	Hydrilla[43], Vallisneria
			Alismataceae		Sagittaria
			Araceae		Zamioculcas zamiifolia jest jedyną roślina CAM u Araceae, i jedyną lądową rośliną u Alismatales[51]
		Poales	Bromeliaceae	epifity	Bromelioideae (91%), Puya (24%), Dyckia i powiązane rodzaje (wszystkie), Hechtia (wszystkie), Tillandsia (większość)[52]
			Cyperaceae	hydrofity	Scirpus[43], Eleocharis
		Asparagales	Orchidaceae	epifity
			Agavaceae[8]	kserofity	Agave[44], Hesperaloe, Yucca
			Asphodelaceae[43]	kserofity	Aloe[44], Gasteria[44] i Haworthia
			Ruscaceae[43]		Sansevieria[44]
		Commelinales	Commelinaceae		Callisia[44], Tradescantia, Tripogandra

• Fotosynteza C₄