AP Biology: Photosynthesis and Plant Structures

Slide1AP Biology2007-2008 Photosynthesis: Variations on the Theme

Slide2AP BiologyRemember what  plants  need…  Photosynthesis  light reactions  light  H 2 O  Calvin cycle  CO 2 What structures have plants evolved to supply these needs?   sun   ground    air O O C

Slide3AP BiologyLeaf Structure H 2 O CO 2 O 2 H 2 O phloem (sugar) xylem (water) stomate guard cell palisades layer spongy layer cuticle epidermis O 2 CO 2 Transpiration vascular bundle Gas exchange

Slide4AP BiologyControlling water loss from leaves  Hot or dry days  stomates close to conserve water  guard cells  gain H 2 O = stomates open  lose H 2 O = stomates close  adaptation to living on land, but…       creates PROBLEMS!

Slide5AP BiologyWhen stomates close… xylem (water) phloem (sugars) H 2 O O 2 CO 2 CO 2 O 2  Closed stomates lead to…  O 2  build up    from light reactions  CO 2  is depleted    in Calvin cycle  causes problems in Calvin Cycle The best laid schemes of mice and men… and plants !  

Slide6AP BiologyInefficiency of RuBisCo: CO 2  vs O 2  RuBisCo in Calvin cycle  carbon fixation enzyme  normally bonds  C   to  RuBP  CO 2  is the optimal substrate  reduction  of RuBP  building  sugars  when O 2  concentration is high  RuBisCo bonds  O   to  RuBP  O 2  is a competitive substrate  oxidation  of RuBP  breakdown  sugars photo synthesis photo respiration

Slide7AP Biology6C unstable intermediate 1C CO 2 Calvin cycle when CO 2  is abundant 5C RuBP 3C PGA ADP ATP 3C NADP NADPH ADP ATP G3P to make glucose 3C G3P 5C RuBisCo C3 plants

Slide8AP BiologyCalvin cycle when O 2  is high 5C RuBP 3C 2C to mitochondria ––––––– lost as CO 2 without making ATP photorespiration O 2 Hey Dude, are you high on oxygen ! RuBisCo It’s so  sad to see a good enzyme, go  BAD!

Slide9AP BiologyImpact of Photorespiration  Oxidation of RuBP  short circuit of Calvin cycle  loss of carbons to CO 2  can lose 50% of carbons fixed by Calvin cycle  reduces production of photosynthesis  no ATP  (energy) produced  no C 6 H 12 O 6  (food) produced  if photorespiration could be reduced, plant would become 50% more efficient  strong selection pressure to evolve alternative carbon fixation  systems

Slide10AP BiologyReducing photorespiration  Separate carbon fixation from Calvin cycle  C4 plants  PHYSICALLY separate carbon fixation from Calvin cycle  different cells to fix carbon vs. where Calvin cycle occurs  store carbon in 4C compounds  different enzyme to capture CO 2  (fix carbon)  PEP carboxylase  different leaf structure  CAM plants  separate carbon fixation from Calvin cycle by TIME OF DAY  fix carbon during night  store carbon in 4C compounds  perform Calvin cycle during day

Slide11AP BiologyC4 plants  A better way to capture CO 2  1st step before Calvin cycle, fix carbon with enzyme PEP carboxylase  store as 4C compound  adaptation to hot, dry climates  have to close stomates a lot  different leaf anatomy  sugar cane, corn, other grasses… sugar cane corn

Slide12AP BiologyC4 leaf anatomy PEP (3C) + CO 2     oxaloacetate (4C) CO 2 CO 2  O 2 light reactions C4 anatomy C3 anatomy  PEP carboxylase enzyme  higher attraction for CO 2  than O 2  better than RuBisCo  fixes CO 2  in 4C compounds  regenerates CO 2   in inner cells for RuBisCo  keeping O 2  away from RuBisCo bundle sheath cell RuBisCo PEP carboxylase stomate

Slide13AP BiologyComparative anatomy C3 C4 Location, location,location ! PHYSICALLY separate C fixation from Calvin cycle

Slide14AP BiologyCAM ( Crassulacean Acid Metabolism ) plants  Adaptation to hot, dry climates  separate carbon fixation from Calvin cycle by TIME  close stomates during day  open stomates during night  at night : open stomates &  fix carbon in 4C “storage” compounds  in day : release CO 2  from 4C acids to Calvin cycle  increases concentration of CO 2  in cells  succulents, some cacti, pineapple It’s all in the timing !

Slide15AP BiologyCAM plants succulents cacti pine apple

Slide16AP BiologyC4 vs CAM Summary C4 plants separate 2 steps of C fixation anatomically  in 2 different cells CAM plants separate 2 steps of C fixation temporally  = 2 different times night vs. day solves CO 2  / O 2  gas exchange   vs. H 2 O loss   challenge

Slide17AP BiologyWhy the C3 problem?  Possibly evolutionary baggage  Rubisco evolved in high CO 2  atmosphere  there wasn’t strong selection against active site of Rubisco accepting both CO 2  & O 2  Today it makes a difference  21% O 2   vs.  0.03% CO 2  photorespiration can drain away 50% of carbon fixed by Calvin cycle on a hot, dry day  strong selection pressure to evolve better way to fix carbon & minimize photorespiration We’ve all got baggage !

Slide18AP BiologyC4 photosynthesis CO 2 O 2 CO 2 O 2  Outer cells  light reaction & carbon fixation  pumps CO 2  to inner cells  keeps O 2  away from inner cells  away from RuBisCo  Inner cells  Calvin cycle  glucose to veins PHYSICALLY separated C fixation from Calvin cycle