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.

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.

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.

Die aus wärmeren und trockeneren Regionen stammenden C4-Pflanzen zeigen neben einer erheblich höheren CO₂-Fixierungsrate als C3-Pflanzen im Licht keine CO₂-Entwicklung über Photorespiration. Diese Pflanzen binden das CO₂ zunächst an eine C3-Verbindung. In dem so entstandenen C4-Körper (organische Säuren) wird das CO₂ zwischengespeichert und der Photosynthese in einer effizienten Form zugeführt.

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.
Eine dritte - unbedeutendere - Gruppe von Landpflanzen stellen die CAM-Pflanzen (Crasulacean Acid Metabolism) dar. Sie sind an wasserarme Lebensräume adaptiert. Obwohl ihr Photosyntheseweg und ihre Temperaturreaktion denen der C4-Pflanzen ähneln, können CAM-Pflanzen 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.

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 %.