Einfluss von Temperatur und CO₂-Konzentration auf das Pflanzenwachstum bei C3- und C4-Arten

Auf Ackerflächen werden sowohl Pflanzen mit C4-Photosynthese (z.B. Mais) als auch mit C3-Photosynthese (z.B. Getreide) angebaut. Vor allem koexistieren C3- und C4-Arten in Grasländern Nord- und Südamerikas, Zentralasiens, Südafrikas, Australiens und Neuseelands. Dort beeinflusst das Gleichgewicht zwischen diesen Arten zahlreiche funktionelle Aspekte, darunter die gesamte und saisonale Primärproduktion, den Wasserverbrauch, die Verdaulichkeit der für Weidetiere verfügbaren Biomasse sowie die Zersetzbarkeit von Streu und Wurzeln.

Veränderungen im C3/C4-Verhältnis beeinflussen daher stark die Biogeochemie und die agronomische Leistungsfähigkeit dieser Ökosysteme, wobei die tierische Produktivität, die Kohlenstoffspeicherung und der Stickstoffkreislauf betroffen sind. Diese Übersichtsarbeit beschreibt zunächst den Unterschied zwischen der C3- und C4-Photosynthese sowie dessen Konsequenzen für den Kohlenstoff, Wasser- und Stickstoffhaushalt der Pflanzen. Anschließend wird dargestellt, wie sich diese physiologischen Unterschiede bei erhöhter CO₂-Konzentration und globaler Erwärmung auswirken.

Dabei zeigt sich eine signifikante Verschiebung in der Konkurrenzkraft der C4-Arten sowohl in den genannten Grasländern als auch in den Ackerkulturen der gemäßigten Breiten. Zum Schluss wird noch kritisch beleuchtet, ob eine höhere photosynthetische Wassernutzungseffizienz, wie sie der C4-Photosyntheseweg bietet, im Rahmen des Klimawandels nützlich oder schädlich ist

The influence of temperature and CO₂-concentration on the growth of C3 and C4 plants:

Both plants that use C4 photosynthesis (e.g. maize) and those that use C3 photosynthesis (e.g. cereals) are grown on arable land. In particular, C3 and C4 species coexist in grasslands across North and South America, Central Asia, South Africa, Australia and New Zealand. There, the balance between these species influences numerous functional aspects, including total and seasonal primary production, water use, the digestibility of biomass available to grazing animals, and the decomposability of litter and roots.

Changes in the C3/C4 ratio therefore have a significant impact on the biogeochemistry and agronomic performance of these ecosystems, affecting animal productivity, carbon sequestration and the nitrogen cycle. This review first describes the differences between C3 and C4 photosynthesis and their implications for plant carbon, water, and nitrogen dynamics.

It then examines how these physiological differences respond to elevated CO₂ concentrations and global warming. The analysis reveals a significant shift in the competitive balance in favour of C4 species across grasslands and temperate agricultural systems. Finally, the study critically evaluates whether the higher photosynthetic water-use efficiency associated with the C4 pathway is beneficial or detrimental under climate change considerations.

La influencia de la temperatura y la concentración de CO₂ en el crecimiento de las plantas C3 y C4:

En la agricultura se cultivan tanto plantas con fotosíntesis C4 (por ejemplo, el maíz) como con fotosíntesis C3 (por ejemplo, los cereales). Las especies C3 y C4 coexisten sobre todo en los pastizales de América del Norte y del Sur, Asia Central, Sudáfrica, Australia y Nueva Zelanda. Allí, el equilibrio entre estas especies influye en numerosos aspectos funcionales, entre ellos la producción primaria total y estacional, el consumo de agua, la digestibilidad de la biomasa disponible para el ganado de pastoreo y la degradabilidad de la hojarasca y las raíces.

Por lo tanto, los cambios en la proporción C3/C4 influyen considerablemente en la biogeoquímica y el rendimiento agronómico de estos ecosistemas, afectando a la productividad animal, el almacenamiento de carbono y el ciclo del nitrógeno. Este trabajo de revisión describe, en primer lugar, la diferencia entre la fotosíntesis C3 y C4, así como sus consecuencias para el balance de carbono, agua y nitrógeno de las plantas.

A continuación, se expone cómo estas diferencias fisiológicas influyen ante el aumento de la concentración de CO₂ y el calentamiento global. Se observa un cambio significativo en la competitividad de las especies C4, tanto en las praderas mencionadas como en los cultivos de las latitudes templadas. Por último, se analiza críticamente si una mayor eficiencia en el uso del agua para la fotosíntesis, como la que ofrece la vía fotosintética C4, resulta útil o perjudicial en el contexto del cambio climático.