# Fixation du carbone en C4

La fixation du carbone en C$_4$ est l'un des trois modes de fixation du carbone des plantes, parallèlement à la fixation du carbone en C$_3$ et au métabolisme acide crassulacéen (CAM). On l'appelle ainsi en référence à l'oxaloacétate, molécule comportant quatre atomes de carbone formée dès la première étape du processus chez un petit groupe de végétaux souvent désignés collectivement comme « plantes en C$_4$ ».
On pense que le processus en C$_4$ est une évolution de la fixation du carbone en C$_3$. Les processus de type C$_4$ et CAM permettent en effet de limiter la photorespiration, qui résulte de la fixation d'une molécule d'oxygène O$_2$ par l'activité oxygénase de la Rubisco parallèlement à l'activité carboxylase de cette enzyme qui, seule, permet la fixation du dioxyde de carbone CO$_2$.

## Processus biochimique

Chez les plantes en C$_4$, le CO$_2$ est d'abord fixé sur du phosphoénolpyruvate par la phosphoénolpyruvate carboxylase, une enzyme à l'activité carboxylase plus efficace que celle de la Rubisco :
    + HCO$_3$$^−$ → Pi +  Phosphoénolpyruvate   Oxaloacétate Phosphoénolpyruvate carboxylase – EC 4.1.1.31
Le phosphoénolpyruvate est lui-même préalablement formé à partir du pyruvate sous l'action de la pyruvate phosphate dikinase. La fixation du CO$_2$ sur le phosphoénolpyruvate se déroule au niveau des cellules du mésophylle, représentées en jaune sur les schémas ci-dessous. Elle est favorisée par la faible constante de Michaelis K$_m$ de la phosphoénolpyruvate carboxylase — c'est-à-dire la concentration molaire de substrat à laquelle l'enzyme atteint la moitié de sa vitesse de réaction maximale — qui est inférieure à celle de la Rubisco, ce qui signifie que cette dernière est moins rapide à taux de CO$_2$ égal.
L'oxaloacétate est converti dans le mésophylle en malate par la malate déshydrogénase à NADP$^+$ (NADP-MDH) ou en aspartate par l'aspartate aminotransférase, et c'est sous cette forme qu'il circule vers les cellules des gaines périvasculaires, représentés en vert pâle sur les schémas ci-dessous, où le CO$_2$ est libéré pour être mis à disposition de la Rubisco. Dans ces cellules, la Rubisco est isolée de l'oxygène atmosphérique et est donc saturée en dioxyde de carbone issu de la décarboxylation du malate ou de l'aspartate, ce qui l'oriente presque exclusivement vers son activité carboxylase.
La libération du CO$_2$ autour de la Rubisco est catalysée par l'enzyme malique à NADP (NADP-ME) chez le maïs et la canne à sucre, par l'enzyme malique à NAD (NAD-ME) chez le millet, et par la phosphoénolpyruvate carboxykinase (PEPCK) chez l'herbe de Guinée. L'acide carboxylique à trois atomes de carbone qui retourne au mésophylle est généralement le pyruvate mais peut également être l'alanine chez certaines espèces.
La navette permettant de concentrer le CO$_2$ autour de la Rubisco requiert cependant de l'énergie sous forme d'ATP : 18 molécules d'ATP sont nécessaires pour produire une molécule de glucose par la fixation du carbone en C$_3$ tandis que 30 molécules d'ATP sont nécessaires pour produire ce même glucose par la fixation du carbone en C$_4$. Cette consommation supplémentaire d'énergie permet aux plantes en C$_4$ de fixer le carbone plus efficacement dans des conditions particulières, les plantes en C$_3$ restant plus efficaces dans les conditions les plus répandues.
* (en) Fixation du carbone en C$_4$ à NADP-ME. - CA : anhydrase carbonique ; - PEP : phosphoénolpyruvate ; - PEPC : phosphoénolpyruvate carboxylase ; - OA : oxaloacétate ; - NADP-MDH : malate déshydrogénase à NADP$^+$ ; - M : malate ; - NADP-ME : enzyme malique à NADP ; - Pyr : pyruvate. Les chloroplastes sont représentés de couleur vert vif.
* (en) Fixation du carbone en C$_4$ à NAD-ME. - CA : anhydrase carbonique ; - PEP : phosphoénolpyruvate ; - PEPC : phosphoénolpyruvate carboxylase ; - OA : oxaloacétate ; - Glu : Glu ; - AspAT : aspartate aminotransférase ; - α-KG : α-cétoglutarate ; - Asp : aspartte ; - NAD-MDH : malate déshydrogénase ; - M : malate ; - NAD-ME : enzyme malique à NAD ; - Pyr : pyruvate ; - AlaAT : alanine aminotransférase ; - Ala : alanine ; - PPDK : pyruvate phosphate dikinase. Les enzymes à NAD — ici la MDH et la NAD-ME — se trouvent dans les mitochondries, représentées de couleur violacée.
* (en) Fixation du carbone en C$_4$ à PEPCK. - CA : anhydrase carbonique ; - PEP : phosphoénolpyruvate ; - PEPC : phosphoénolpyruvate carboxylase ; - OA : oxaloacétate ; - Glu : Glu ; - AspAT : aspartate aminotransférase ; - PEPCK : phosphoénolpyruvate carboxykinase - α-KG : α-cétoglutarate ; - Asp : aspartte ; - NADP-MDH : malate déshydrogénase à NADP$^+$ ; - M : malate ; - NAD-ME : enzyme malique à NAD ; - Pyr : pyruvate ; - AlaAT : alanine aminotransférase ; - Ala : alanine ; - PPDK : pyruvate phosphate dikinase. Les enzymes à NAD — ici la NAD-ME — se trouvent dans les mitochondries, représentées de couleur violacée.

## Avantage compétitif des plantes en C$_4$

Les plantes dites « en C$_4$ » ont un avantage adaptatif par rapport aux plantes qui réalisent la fixation du carbone « en C$_3$ » lorsqu'elles sont soumises à la sécheresse, à la chaleur et à un faible taux d'azote N$_2$ ou de dioxyde de carbone CO$_2$. Lorsqu'elles sont cultivées dans le même environnement à 30 °C, les graminées en C$_3$ perdent environ 833 molécules d'eau par molécule de CO$_2$ fixée, tandis que celles en C$_4$ en perdent seulement 277, ce qui leur offre un avantage dans les environnements arides. Les plantes en C$_4$ peuvent maintenir une photosynthèse active à des concentrations de CO$_2$ faibles et sont ainsi plus adaptées aux milieux secs dans lesquelles elles peuvent réduire leur évaporation stomatique (en fermant partiellement leurs stomates pendant les périodes de stress hydrique). Elles font appel à une enzyme pour leurs réactions de phosphorylation, la pyruvate phosphate dikinase qui est labile au froid (diminution d'activité en dessous de 12 °C), les rendant sensibles aux basses températures. Dans les régions subtropicales à tropicales ouvertes (faible disponibilité en eau) et à rayonnement solaire élevé, le métabolisme en C$_4$ procure un avantage net.
La fixation du carbone en C$_4$ est apparue une quarantaine de fois dans différentes familles de plantes, ce qui en fait une parfaite illustration d'évolution convergente. Cette convergence a pu être facilitée par le fait que plusieurs évolutions possibles vers un phénotype en C$_4$ existent, dont de nombreuses impliquent des étapes initiales qui ne sont pas directement liées à la photosynthèse. Les plantes en C$_4$ seraient apparues il y a entre 25 et 32 millions d'années à l'Oligocène et leur présence ne serait devenue significative qu'il y a 6 à 7 millions d'années, au Miocène. Ce métabolisme aurait pris de l'ampleur lorsque les graminées se seraient répandues depuis les sous-bois ombragés pour se répandre dans des environnements plus exposés (savanes et prairies inter-tropicales), où le fort rayonnement solaire lui donnait l'avantage par rapport à la voie métabolique en C$_3$. Cette innovation n'a pas été rendue nécessaire par la sécheresse, la résistance accrue au stress hydrique apparaissant comme une conséquence heureuse de cette évolution, permettant aux plantes qui en étaient pourvues de coloniser les environnements arides.
Les plantes en C$_4$ représentent aujourd'hui 5 % de la biomasse végétale et 3 % des espèces de plantes connues$^,$ mais près de 25 % de la photosynthèse terrestre. 60 % d'entre elles sont des herbes des prairies et savanes tropicales et subtropicales, dont certaines sont des graminées de grand intérêt agronomique (sorgho et maïs qui ont connu un fort développement sous des climats tempérés grâce à des programmes de sélection, canne à sucre, mil). En dépit de leur relative rareté, elles sont cependant responsables d'environ 30 % de la fixation du carbone sur Terre. Accroître la proportion de plantes en C$_4$ à la surface de notre planète pourrait favoriser la séquestration naturelle du CO$_2$ et constitue une stratégie possible de prévention du réchauffement climatique. Les plantes en C$_4$ sont aujourd'hui concentrées dans les zones tropicales et subtropicales, c'est-à-dire aux latitudes inférieures à 45°, là où les températures élevées tendent à favoriser l'activité oxygénase de la Rubisco, et donc la photorespiration des plantes en C$_3$.