Lexikon des Agrarraums

C3-/C4-Pflanzen

Die Landpflanzen werden im wesentlichen in zwei große Gruppen (C3- und C4-Pflanzen) unterteilt, die sich durch die Art der CO₂-Fixierung unterscheiden. Eine dritte - unbedeutendere - Gruppe von Landpflanzen stellen die CAM-Pflanzen (Crasulacean Acid Metabolism) dar.

Wichtige C3-Kulturarten sind Reis, Weizen, Gerste, Kartoffeln und Bohnen, wichtige C4-Pflanzen sind Mais, Hirse und Zuckerrohr. Die Mehrzahl aller Kulturarten gehören zu den C3-Pflanzen. In Europa beträgt ihr Anteil an der Pflanzenproduktion über 90 %.

C3-Pflanzen

Das Wachstum hängt bei jeder Pflanze von der Differenz zwischen Brutto- und Nettophotosynthese ab - jenem Prozess in dessen Verlauf komplexe organische Verbindungen (Kohlenhydrate) gebildet werden. Sofern kein Wassermangel herrscht, bestimmen die eng miteinander verknüpften Faktoren Temperatur und Licht die Rate und den Umfang des Wachstums. Diese Beziehung ist Grundlage der Unterscheidung zwischen Kulturpflanzen aus verschiedenen Klimazonen. Diese zonale Verbreitung spiegelt sich in unterschiedlichen biochemischen Prozessen der Photosynthese wider.

C3-Pflanzen betreiben unter normalen Temperatur- und Lichtverhältnissen Photosynthese. Bei heißem und trockenem Wetter schließen sich die Spaltöffnungen, wodurch die Photosyntheseleistung sinkt. Bei normalen Temperatur- und Lichtverhältnissen ist der Grundtypus der Photosynthese, der in den sogenannten C3-Pflanzen stattfindet, am effektivsten. Bei heißem und trockenem Wetter schließen sich jedoch die Spaltöffnungen. Dann sind C4- bzw. CAM-Pflanzen im Vorteil.

Die bevorzugt in gemäßigten Klimazonen verbreiteten C3-Pflanzen binden das CO₂ an einen Zucker, der fünf Kohlenstoffatome enthält. Die entstandene Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen zerfällt in zwei Zucker, die aus je drei Kohlenstoffatomen (= C3) aufgebaut sind. Neben der photosynthetischen CO₂-Fixierung jedoch bilden diese Pflanzen, ebenfalls im Licht, unter Sauerstoffverbrauch wieder CO₂. Dieser der Photosynthese gegenläufige Prozess, als Photorespiration bezeichnet, verbraucht in erheblichem Maße Energie. Die Photorespiration addiert sich zu der normalen Atmung (Dunkelatmung in den Mitochondrien) und verschlechtert die Bilanz aus Bruttophotosynthese und Atmung. Die Nettophotosynthese nimmt ab. Da der aktuelle Anstieg der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre das CO₂ : O₂-Verhältnis in der Pflanze erhöht, werden die Verluste durch Lichtatmung verringert, d.h. die Nettophotosynthese steigt.

Der überwiegende Teil höherer Pflanzen gehört zu den C3-Pflanzen.

C4-Pflanzen

C4-Pflanzen binden CO₂ besser als C3-Pflanzen. Sie haben sich an wärmere Regionen mit höherer Lichteinstrahlung, also tropisches und subtropisches Klima angepasst. 

Normalerweise schließen Pflanzen bei hoher Umgebungstemperatur ihre Stomata, um Wasserverluste durch Transpiration in Grenzen zu halten. Dadurch wird allerdings die Aufnahme von CO₂ für die Photosynthese erschwert. C4-Pflanzen haben daher einen Mechanismus entwickelt, um selbst geringste Mengen CO₂ nutzen zu können.

Im Gegensatz zu C3-Pflanzen besteht das erste Zwischenprodukt der Photosynthese bei C4-Pflanzen – Oxalacetat - aus vier Kohlenstoff-Atomen. Mithilfe des Enzyms PEP-Carboxylase wird CO₂ besonders effektiv gebunden.

C4-Pflanzen können bei hoher Lichteinstrahlung und hoher Temperatur in kürzerer Zeit mehr Biomasse aufbauen als C3-Pflanzen. Entsprechend sind C4-Pflanzen vorwiegend an trockenen Standorten zu finden. Vor allem Gräser und Nutzpflanzen, wie Amarant, Hirse, Mais und Zuckerrohr nutzen die C4-Photosynthese.

C4-Pflanzen weisen eine geringere Öffnungsweite der Stomata als C3-Pflanzen auf und besitzen damit eine geringere Transpirationsrate. Daher nutzen sie das zur Verfügung stehende Wasser effizienter aus und sind besser an aride und semiaride Standorte angepasst.

Die C4-Pflanzen verfügen bei heutigen CO₂-Gehalten in der Luft im Vergleich zu C3-Pflanzen über einen effektiveren Mechanismus der internen CO₂-Anreicherung. Dies bedeutet gleichzeitig, dass bei künftig steigender CO₂-Konzentration in der Luft bei C4-Pflanzen eine wesentlich geringere Zunahme der Nettophotosynthese und der Biomasseproduktion zu erwarten ist, als bei den meisten C3-Pflanzen.

CAM.Pflanzen

Zu den CAM-Pflanzen gehören neben sukkulenten Dickblattgewächsen (Crassulaceae), auch viele Pflanzen aus den Familien Cactaceae (Kakteengewächse), Agavaceae (Agavengewächse) und Euphorbiaceae (Wolfsmilchgewächse). Selbst die Ananas nutzt die CAM-Photosynthese. Zudem existieren Pflanzen, wie die Eispflanze Mesembryanthemum crystallinum, die beide Photosynthesewege betreiben können.

CAM-Pflanzen (Crasulacean Acid Metabolism, dt. Crassulaceen-Säurestoffwechsel) sind an wasserarme Lebensräume adaptiert. Obwohl ihr Photosyntheseweg und ihre Temperaturreaktion denen der C4-Pflanzen ähneln, können in der Nacht, während der ihre Spaltöffnungen geöffnet sind, Kohlendioxid absorbieren und speichern. Am Tag betreiben sie bei geschlossenen Stomata Photosynthese. Zu den CAM-Spezies gehören Sukkulenten zahlreicher Familien, aber nur zwei Kulturpflanzen mit landwirtschaftlicher Bedeutung, die Sisalagave und die Ananas.