C4类二氧化碳固定

C₄类二氧化碳固定（英語：C4 carbon fixation）是植物的三种碳固定方式之一，因为第一个可观察得到的产物是一个四碳化合物草酰乙酸，人们就命名其为C₄类碳固定。

C₄类植物比C₃类植物在二氧化碳固定方面更进一步。单子叶植物玉米、中国芒、甘蔗和小米都属于C₄类。

C₄类植物的演化

在15亿年前，随着光合作用的出现，氧气开始在地球的大气层积聚。二氧化碳固定过程中的关键酶RuBisCO同时具有加氧酶的功能，它在一个重要的副反应里也催化了氧的固定。氧气可以与二氧化碳争夺RuBisCO的活性部位。在原始大气里，氧气缺乏，在上面提到的副反应里面，二碳化合物积聚，碳循环受阻，同化作用在这种环境下并不能顺利进行。回收二碳化合物的过程对于植物来说也是费时耗力的。此过程需要耗氧，人们称之为光呼吸。

随着温度的升高，RuBisCO与氧气的亲和力递增迅速，超过了对二氧化碳的递增速度，这对于生长在干旱热带地区的植物来说并不是好消息，它们需要另外的途径以固定二氧化碳。植物发展出「ATP驱动的 CO₂泵」，从而创造出一种与原始大气相似的内环境。

除了Rubisco-反应外，叶肉细胞还发展出PEP-羧化途径以固定二氧化碳。在这个过程里CO₂会被磷酸烯醇式丙酮酸（缩写PEP）所固定，之后生成四碳化合物草酰乙酸（缩写 OAA），这就是C₄类植物名称的由来。 草酰乙酸转换为苹果酸或天门冬氨酸后进入维管束鞘，在苹果酸酶的作用下生成丙酮酸和CO₂。在维管束鞘里CO₂浓度高，卡尔文循环能高效的运行。

哈奇-斯莱克-循环

20世纪60年代，马沙·哈奇和罗杰·斯莱克阐明了这种发生在相邻两种类型细胞里的四碳双羧酸途径的反应，后世便以他们的名字命名该循环。循环开始于叶肉细胞，但那里缺少RuBisCO，反应转到维管束鞘里面进行，在这里，就遵循C₃类植物的卡爾文循环途径发生反应。

 

C₄类植物中哈奇-斯莱克-循环

景天酸代謝植物

在该中植物类型里面，有另一种ATP驱动CO₂泵(CAM = Crassulaceae Acid Metabolism，景天酸代謝)。在热带干旱地区，这种途径的特点是：CO₂的固定在时间上而非空间上分离。气孔只在晚上开放，这就避免了过多的水分流失。这种昼夜更替如下：

• 晚上：CO₂吸收和固定于PEP。生成的草酰乙酸（OA）会被还原为苹果酸，并储存于细胞的液泡中。该过程中伴随有酸化，在日间光反应里产生的还原物质也会在这里发挥作用。
• 日间：在液泡里的酸性物质（主要是苹果酸，但也有天门冬氨酸）会被 脱羧。释放的 CO₂进入卡尔文循环。

值得一提的是从丙酮酸再度生成PEP的过程，过程消耗两分子ATP。这里并不发生两步的糖异生。参加反应的有丙酮酸磷酸双激酶，它能利用一个ATP的两个高能磷酸键和一个磷酸离子，催化PEP的合成。

 

C₄植物 和 CAM-植物的二氧化碳的固定：这类植物在二氧化碳固定的过程中会生成磷酸烯醇式丙酮（PEP；左边方格）。随后出现四碳化合物草酰乙酸（OA）。后来它被转变为苹果酸脱羧产生二氧化碳，高浓度的CO₂能使卡尔文循环快速进行（右下）。PEP的再生通过丙酮酸磷酸双激酶在一过程中实现。
CAM-植物遵循着昼夜节律去完成这些反应。日间（T）进行光合作用中的光反应，并在暗反应中生成淀粉，晚间从淀粉中生成PEP，之后是OA，再之后是苹果酸Mal，它会被儲存起来。

C4植物的种类

大约有8,100种植物属于C4植物，占陆地植物种类的3%左右^[1]。C4植物在单子叶植物中比较常见，约占40%的单子叶植物属于C4植物，相比之下双子叶植物中只有大约4.5%属于C4植物。尽管如此，只有3个科的单子叶植物含有C4途径，而双子叶植物中含有C4途径的科达15个。在含有C4途径的单子叶植物分支中，禾本科（Poaceae）比例最高，约有46%的禾本科植物属于C4植物，占全部C4植物种类的61%，其中包括一些常见的农作物如玉米、甘蔗、小米和高粱。在含有C4途径的双子叶植物中，石竹目（Caryophyllale）所占比例最高，其中又以藜科（Chenopodiaceae）为最。在1400种藜科植物中，有550种属于C4植物。在1000种苋科（Amaranthaceae）植物中，250种属于C4植物^[2]。

莎草科（Cyperaceae）和一些真双子叶植物的科如菊科（Asteraceae）、十字花科（Brassicaceae）、大戟科（Euphorbiaceae ）也使用C4途径。

使用C4的树木包括泡桐属。

经济和生态意义

C₄类植物在CO₂和水的利用效能方面远胜C₃类植物：

• 制造干重1g的物质，C₄类植物只要230–250 mL水，而C₃类植物所要消耗的是这个量的两到三倍。
  • 中国芒有着惊人的生长速度，在适宜的条件下，每公顷产量可达45吨。
• C₄类植物最高效能温度在 30 °C 到 45 °C之间，而C₃类则在15–25 °C.
• 人们对热带的C₄类饲料植物研究日益增多，固氮细菌和该植物有共生的关系，所以它们不需要额外的肥料。
• 水稻并不属于C₄类植物，虽然它也是禾本科植物。为了提高产量，科学家尝试在大米中加入玉米的基因，使得其产量可提高达35%。

在过去30年裡，可以看到C₄类植物不断在中欧温暖，光照充分的地区繁殖。它们的这种转移目前为止还没有被视为入侵物种。

参看

•  分子与细胞生物学主题
•  生物主题

• C₂光合作用
• 景天酸代謝光合作用 (英語：Crassulacean acid metabolism，简称 CAM）是部分植物的一种精巧的碳固定方法.
• C₃光合作用

参考资料

1. Sage, Rowan F. A portrait of the C4 photosynthetic family on the 50th anniversary of its discovery: species number, evolutionary lineages, and Hall of Fame. Journal of Experimental Botany. 2016-07-01, 67 (14): 4039–4056 [2018-06-15]. ISSN 0022-0957. PMID 27053721. doi:10.1093/jxb/erw156. （原始内容于2016-12-02） （英语）. 
2. Kadereit, G; Borsch, T; Weising, K; Freitag, H. Phylogeny of Amaranthaceae and Chenopodiaceae and the Evolution of Template:C4 Photosynthesis. International Journal of Plant Sciences. 2003, 164 (6): 959–86. doi:10.1086/378649. 

链接

• （德文） C₃-, C₄- 和 CAM-植物的比较（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• （德文） Tabellerischer Vergleich von C₃- und C₄-Pflanzen（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• （德文） ₄pflanzen.html Definition und Eigenschaften^{[永久失效連結]}
• （英文） ₄plants.html Photorespration und C₄-Pflanzen^{[永久失效連結]}
• ₃C₄.htm Vergleich der Leistungsfähigkeit von C₃- und C₄-Pflanzen^{[永久失效連結]}