C4 – was ist das?

Photosynthese: Pflanzen produzieren Nährstoffe aus der Energie des Sonnenlichts – diese sog. Photosynthese ist eine der wichtigsten biochemischen Grundlagen des Lebens auf unserem Planeten Erde. Um den einfachsten Nährstoff, das Kohlenhydrat Glukose, herzustellen, wird Wasser und Kohlendioxid gebraucht, und es wird Sauerstoff dabei abgegeben. Wasser wird über die Wurzeln aufgenommen, Kohlendioxid (CO2) kommt aus der Luft. Auf der Blattunterseite gibt es Zellen mit Öffnungen, die Stomata, durch die die Pflanze Luft aufnehmen und auch abgeben kann. Was machen Pflanzen, wenn es dunkel ist? Sie erzeugen die nötige Energie, indem sie Nährstoffe mithilfe von Sauerstoff abbauen und dabei Kohlendioxid freisetzen. Die Bilanz insgesamt ist jedoch:  Verbrauch von Kohlendioxid und Produktion von Sauerstoff und Nährstoffen. Die Photosynthese der Pflanzen ernährt fast alle anderen Lebewesen der Erde, und außerdem ist der gesamte Sauerstoff der Atmosphäre durch Photosynthese entstanden.

C3-Photosynthese: Die meisten Pflanzen betreiben einen als C3-Stoffwechsel bezeichneten Mechanismus, bei dem Kohlendioxid passiv durch die Atemöffnungen an der Blattunterseite (Stomata) in die Zellen gelangt. Dies hat einen Nachteil bei Hitze, denn die Pflanzen müssen dann ihre Stomata schließen, um den Wasserverlust durch Transpiration in Grenzen zu halten und nicht auszutrocknen. Durch den Verschluss der Stomata wird allerdings auch der Gasaustausch und damit die Aufnahme von CO2 für die Photosynthese erschwert.

C4-Photosynthese: Die C4-Arten nutzen einen Stoffwechselweg, um Kohlendioxid aus der Luft zunächst zu sichern und erst dann wie C3-Pflanzen die Nährstoffe aufzubauen, denn C3-Pflanzen verlieren mindestens 30 % des gewonnenen Kohlendioxids. Während der Evolution ist der C4-Stoffwechselweg in einer Zeit niedriger Temperaturen und niedriger Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre entstanden, im Oligozän vor etwa 30 Millionen Jahren.

Für die Sicherung des Kohlendioxids haben die meisten C4-Pflanzenarten eigene Gaszellen gleich neben den Atemöffnungen, den Stomata, entwickelt. Der CO2-Gehalt ist dort 10mal höher als in der Außenluft. Hinzukommen eigene biochemische Hilfsmittel, zum Beispiel um das Kohlendioxid zu transportieren und anzureichern (sog. CO2-Pumpe). Manche Pflanzenarten (Crassulaceen) haben statt der räumlichen eine zeitliche Trennung der Stoffwechselwege eingerichtet.

C4-Pflanzenarten gibt es in 19 Pflanzenfamilien. Darunter sind insbesondere Gräser, einschließlich Kulturpflanzen wie Mais, Zuckerrohr und Hirse, aber auch andere Arten, wie Amarant oder Melde.

Lichtbedarf hoch: Wegen der CO2-Pumpe ist der Energiebedarf von C4-Pflanzen höher als bei C3-Pflanzen. Aufgrund des erhöhten Energiebedarfs benötigen C4-Pflanzen im Vergleich zu C3-Pflanzen mehr Sonne.

Hitzetoleranz hoch:  Der ökophysiologische Vorteil kommt besonders bei Temperaturen über 25 °C zum Tragen, so dass C4-Pflanzen eher in heißen Klimazonen verbreitet sind. Die optimale Wachstumstemperatur liegt zwischen 30 und 40 °C, für C3-Pflanzen dagegen bei 20 bis 30 °C. Anders als C3-Pflanzen können C4-Pflanzen trotz der weitgehend geschlossenen Stomata die Photosynthese fortführen, weil gespeichertes Kohlendioxid zur Verfügung steht.

Dürretoleranz fraglich: C4-Pflanzen können ihre Stomata über einen längeren Zeitpunkt weitgehend, aber nicht vollständig schließen, um damit den Wasserverlust zu senken. Die Effizienz der Wassernutzung ist hoch. Dennoch gilt Mais als Kulturart mit sehr hohem Wasserbedarf.

„Energiepflanzen“: C4-Pflanzen werden zur Produktion von Biomasse für die Energiegewinnung genutzt. In den USA dient Mais, in Brasilien hauptsächlich Zuckerrohr als Grundlage für Biokraftstoff. Unter künstlich optimierten Bedingungen lassen sich die Produktivitätsraten von C4-Pflanzen steigern. Die höchste landwirtschaftliche Produktivität kann man in Mais- oder Zuckerrohrplantagen erzielen, falls ausreichend gedüngt und bewässert wird.

CO2-Anstieg in der Atmosphäre: Steigende CO2-Werte in der Atmosphäre begünstigen die Photosynthese von C3-Pflanzen. C4-Pflanzen steigern ihre Produktion jedoch nicht.

Reis: Von C3 zu C4? Die Bill und Melinda Gates Stiftung finanziert seit 2008 Forschungsprojekte mit dem Ziel, in den Reis zahlreiche C4-Gene einzuschleusen. Damit soll die Effizienz der Photosynthese um 50% verbessert und die Wassernutzungseffizienz  verdoppelt werden. Dazu wird das Maisgenom nach den Genen abgesucht, die für die spezialisierten gasdichten Zellen zuständig sind. Außerdem sucht man nach den Genen, die für die biochemischen Prozesse bei der C4-Photosynthese im Mais sorgen. (Quelle: https://c4rice.com/the-science/engineering-photosynthesis-what-we-are-doing/) Gentechnik-Reis wird von asiatischen zivilgesellschaftlichen Organisationen wie MASIPAG abgelehnt (s. https://www.theguardian.com/global-development/2014/apr/08/philippine-experts-divided-climate-change-action). Sie bieten erfolgreich seit langem nachhaltige Lösungen mit angepassten Reissorten an, s. https://www.weltagrarbericht.de/leuchttuerme/saatgut-netzwerk-masipag.html )