C4類二氧化碳固定

C4類二氧化碳固定（C4 carbon fixation），又稱哈奇-斯萊克途徑（Hatch–Slack pathway），是植物已知的三種碳固定方式之一。該途徑得名於20世紀60年代馬歇爾·哈奇與查爾斯·斯萊克的共同發現。

C4固碳是對更為原始且普遍的C3碳固定途徑的一種補充。在C3光合作用中，主要的羧化酶被稱為RuBisCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶），它能催化兩種截然不同的反應：以為底物進行羧化反應，或以氧氣為底物進行加氧反應。RuBisCO的加氧反應會產生有毒的2-磷酸乙醇酸，植物必須消耗額外的能量，通過光呼吸過程將其回收。而4光合作用通過在RuBisCO周圍富集，從而有效減少了光呼吸的發生。

為了使RuBisCO能夠在一個高二氧化碳、低氧氣的細胞環境中發揮作用，C4植物的葉片通常包含兩個部分隔離的區域，即葉肉細胞和維管束鞘細胞。最初在葉肉細胞中被固定，該反應由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化，使三碳的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）與結合，生成四碳的草醯乙酸（OAA）。隨後，OAA可被還原為蘋果酸，或通過轉氨基作用生成天冬氨酸。這些中間產物會擴散至維管束鞘細胞，並在那裡發生脫羧反應，從而在RuBisCO周圍形成一個富含的環境，進而抑制光呼吸。脫羧後產生的丙酮酸（PYR），連同RuBisCO反應生成的大約一半的3-磷酸甘油酸（PGA），會重新擴散回葉肉細胞。PGA則在葉肉細胞中被化學還原，隨後再次擴散回維管束鞘細胞，以完成還原型戊糖磷酸循環（RPP）。這種代謝物的交換對於C4光合作用的運轉至關重要。

儘管C4途徑需要消耗額外的三磷酸腺苷（ATP）能量來再生PEP，但的濃縮機制使得C4植物在較高溫度下仍能保持較高的光合速率。較高的濃度克服了氣體溶解度隨溫度升高而降低的問題（即亨利定律）。此外，這種濃縮機制還能在氣孔處維持較高的濃度梯度。這意味著C4植物的氣孔導度通常較低，水分散失減少，從而具有更高的水分利用率。在氮素利用方面，C4植物也更為高效，因為合成PEP羧化酶的成本低於合成RuBisCO。然而，由於C3途徑不需要消耗額外能量來再生PEP，因此在光呼吸受限的條件下（通常是低溫或遮蔭環境），C3途徑反而更具優勢。

## 發現歷史

早在20世紀50年代至60年代初，雨果·科查克與尤里·卡爾皮洛夫就進行了初步實驗，發現某些植物並未採用C3碳固定，而是在固碳的第一步生成蘋果酸和天冬氨酸。1966年，馬歇爾·哈奇與查爾斯·斯萊克在澳大利亞正式闡明了C4途徑。雖然哈奇和斯萊克最初將其命名為「C4二羧酸途徑」，但該途徑如今也常被稱為哈奇-斯萊克途徑。

## 解剖學

<image>

C4植物通常具有一種被稱為「花環結構」（Kranz anatomy）的特徵性葉片解剖構造，該詞源於德語中的「花環」。它們的維管束被兩圈細胞所包圍：內圈稱為維管束鞘細胞，內含富含澱粉且缺乏基粒的葉綠體；這與作為外圈的葉肉細胞中的葉綠體截然不同。因此，這些葉綠體被稱為「二態葉綠體」。花環結構的主要功能是提供一個特定的場所，使能夠在RuBisCO周圍高度濃縮，從而避免光呼吸的發生。葉肉細胞與維管束鞘細胞之間通過大量被稱為「胞間連絲」的細胞質通道相連，其在葉片層面上的通透性被稱為「維管束鞘導度」。為了減少的質外體擴散（即「洩漏」），維管束鞘細胞的中膠層（葉肉細胞與維管束鞘細胞之間的切向界面）處通常會沉積一層木栓質。C4植物中的這種碳濃縮機制，也使其生氧光合作用中的碳同位素分餾。

儘管大多數C4植物都具有花環結構，但仍有少數物種能在缺乏明顯維管束鞘組織的情況下，運行一種受限的C4循環。例如異子蓬，以及翅果蓬屬的Bienertia cycloptera、B. sinuspersici和B. kavirense（它們均屬於藜亞科），都是生長在中東乾旱、高鹽荒漠窪地中的陸生植物。研究表明，這些植物能夠運行單細胞C4二氧化碳濃縮機制，這在目前已知的C4機制中是獨一無二的。儘管這兩個屬植物的細胞學特徵略有不同，但其基本原理都是利用充滿液體的液泡將細胞分隔成兩個獨立的區域。細胞質中的羧化酶與葉綠體中的脫羧酶及RuBisCO在空間上被分隔開來。在含有RuBisCO的葉綠體與細胞質之間，存在著一道擴散屏障。這種機制使得單個細胞內就能建立起類似維管束鞘和類似葉肉細胞的兩個功能區。雖然這確實允許植物運行一種受限的C4循環，但其效率相對較低，因為從RuBisCO周圍大量洩漏的現象依然會發生。

此外，有證據表明，非花環結構的水生大型植物黑藻在溫暖條件下也能表現出可誘導的C4光合作用，儘管目前關於其如何最大限度地減少從RuBisCO周圍洩漏的具體機制尚不確定。

## 生物化學

在C3植物中，光合作用暗反應（光不依賴反應）的第一步，是由RuBisCO催化固定，生成3-磷酸甘油酸。然而，RuBisCO同時具有羧化酶和加氧酶的雙重活性。當發生加氧反應時，部分底物會被氧化而非羧化，這不僅會導致底物損耗，還會額外消耗能量，這一過程即為「光呼吸」。加氧反應與羧化反應之間存在競爭關係，這意味著這兩種反應的速率取決於氧氣和的相對濃度。

為了降低光呼吸速率，C4植物會提高RuBisCO周圍的濃度。通常，為了實現這一目的，植物葉片內會分化出兩個相對隔離的區域：葉肉細胞和維管束鞘細胞。在此過程中，不再由RuBisCO直接固定，而是先在葉肉細胞中被整合進一種四碳有機酸（蘋果酸或天冬氨酸）中。隨後，這些有機酸通過胞間連絲擴散進入維管束鞘細胞。在那裡，它們發生脫羧反應，從而營造出一個富含的環境。最終，維管束鞘細胞的葉綠體通過常規的C3途徑將這些轉化為碳水化合物。

C4同化作用的生化特徵存在極大的多樣性，通常根據脫羧反應所使用的主要酶的不同，將其劃分為三種亞型（即蘋果酸脫氫酶 (草醯乙酸脫羧) (NADP+)/NADP-ME、蘋果酸脫氫酶 (脫羧)/NAD-ME，以及磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶/PEPCK）。由於PEPCK往往是在NADP-ME或NAD-ME的基礎上被額外使用的，因此也有學者提出，將這種生化多樣性歸為兩種亞型。例如，玉米和甘蔗使用的是NADP-ME與PEPCK的組合途徑；粟類植物主要依賴NAD-ME途徑；而大黍則主要依賴PEPCK途徑。

### NADP-ME

<image>

NADP-ME型C4途徑的第一步，是在丙酮酸磷酸雙激酶（PPDK）的催化下，將丙酮酸（Pyr）轉化為磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）。該反應需要無機磷酸、ATP以及丙酮酸的參與，最終生成PEP、AMP和無機焦磷酸（PPi）。緊接著的第二步，是由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）催化PEP發生羧化反應，生成草醯乙酸。以上兩步反應均發生在葉肉細胞中，其化學反應式如下：

丙酮酸 + Pi + ATP → PEP + AMP + PPi

PEP + → 草醯乙酸

PEPC對HCO3-的米氏常數（KM）較低，因此具有很高的親和力，且其活性不受O2的干擾，這意味著即使在濃度較低的環境下，它依然能夠高效工作。

草醯乙酸通常會轉化為蘋果酸（M），隨後蘋果酸擴散至包圍著鄰近葉脈的維管束鞘細胞中。在這裡，蘋果酸在蘋果酸脫氫酶 (草醯乙酸脫羧) (NADP+)（NADP-ME）的催化下發生脫羧反應，釋放出和丙酮酸。釋放出的被RuBisCO固定，生成3-磷酸甘油酸（PGA）；而丙酮酸則與大約一半的3-磷酸甘油酸一起，被運回葉肉細胞。這部分3-磷酸甘油酸在葉肉細胞中被化學還原，隨後再次擴散回維管束鞘細胞，從而進入卡爾文循環的還原階段。

### NAD-ME

<image>

在這一途徑中，PEPC生成的草醯乙酸（OAA）會在天冬氨酸氨基轉移酶的催化下，通過轉氨基作用生成天冬氨酸（ASP），天冬氨酸便是負責向維管束鞘細胞擴散的代謝物。在維管束鞘細胞內，天冬氨酸再次發生轉氨基作用還原為草醯乙酸，隨後經歷一系列無淨消耗的還原與氧化脫羧反應，最終釋放出。反應生成的丙酮酸會再次通過轉氨基作用轉化為丙氨酸，並擴散回葉肉細胞。在葉肉細胞中，丙氨酸最終被轉氨基為丙酮酸（PYR），隨後在葉肉細胞的葉綠體中，由丙酮酸磷酸雙激酶（PPDK）將其再生為磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）。這種循環機制繞過了葉肉細胞中的蘋果酸脫氫酶反應，因此不會向維管束鞘細胞轉移還原當量。

### PEPCK

<image>

在這一變型中，維管束鞘細胞內由天冬氨酸氨基轉移酶生成的草醯乙酸（OAA），會在PEP羧激酶（PEPCK）的催化下脫羧生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）。關於PEP的最終去向，目前學術界仍存在爭議。一種最簡明的解釋是，PEP會直接擴散回葉肉細胞，作為PEP羧化酶（PEPC）的底物。由於PEPCK的催化過程僅消耗一分子ATP，因此理論上，通過PEPCK途徑再生PEP能夠提升該亞型的光合效率，不過這一假說目前尚未得到實際測量數據的證實。此外，研究人員觀察到在弱光條件下，PEPCK的相對表達量會有所增加。因此有學者提出，PEPCK可能在平衡葉肉細胞與維管束鞘細胞之間的能量需求方面發揮著重要作用。

### 代謝產物交換

在C3光合作用中，單個葉綠體即可獨立完成光反應與暗反應；而在C4植物中，葉綠體分化出兩個不同的群體，分別存在於葉肉細胞和維管束鞘細胞中。這種將光合作用分工交由兩類葉綠體承擔的模式，必然導致兩者之間發生頻繁的中間代謝物交換。這些代謝物的通量非常大，最高可達總同化速率的十倍。所交換的代謝物類型及整體交換速率取決於具體的生化亞型。為了降低光合酶（如PEPC）的產物抑制效應，細胞間的濃度梯度需要儘可能保持在較低水平。這就要求提高代謝物在葉肉細胞與維管束鞘細胞之間的導度，但與此同時，這也會增加從維管束鞘細胞向外逆向擴散的風險，從而在濃縮機制的優化過程中，形成了一個固有的、不可避免的權衡。

## 光捕獲與光反應

為了滿足葉肉細胞和維管束鞘細胞對NADPH和ATP的需求，植物需要捕獲光能，並將其分配給兩條截然不同的電子傳遞鏈。ATP的產生方式取決於維管束鞘或葉肉細胞中可利用的光照條件：它主要可以通過光系統 I周圍的環式電子傳遞在維管束鞘中產生，或者通過線性電子傳遞在葉肉細胞中產生。每種細胞對ATP和NADPH的相對需求量，取決於具體的光合生化亞型。激發能在兩種細胞類型之間的分配比例，會直接影響葉肉細胞和維管束鞘細胞中ATP和NADPH的可用量。例如，葉肉細胞對綠光的吸收較弱，綠光能夠優先激發維管束鞘細胞；反之，藍光則優先被葉肉細胞吸收。由於維管束鞘被葉肉細胞層層包裹，葉肉細胞對光能的捕獲必然會減少最終能到達維管束鞘細胞的光量。此外，維管束鞘自身的體積大小，也限制了其能夠捕獲的光能總量。

## 效率

根據所考量的投入與產出指標的不同，光合效率可以有多種不同的計算方式。例如，平均量子效率就是總同化量與吸收光強或入射光強的比值。文獻中報導，在不同環境條件下生長或被歸為不同生化亞型的植物，其測得的量子效率存在很大差異，但導致這種差異的內在機制目前尚不明確。量子效率的其中一個決定因素是暗反應的效率，即生化效率。這一指標通常以總同化量的ATP消耗成本（ATP/GA）的倒數形式來表示。

在C3光合作用中，ATP/GA主要取決於RuBisCO羧化位點處的和O2濃度。當濃度較高且O2濃度較低時，光呼吸會受到抑制，此時C3同化作用快速且高效，ATP/GA的數值會趨近於3這一理論最小值。

在C4光合作用中，RuBisCO羧化位點處的濃度主要得益於濃縮機制的運行。儘管該機制的運行需要額外消耗約2個ATP/GA，但它使得C4植物的光合效率在廣泛的環境條件下，對外界濃度的變化都相對不敏感。

生化效率主要取決於向維管束鞘細胞的輸送速度。在弱光條件下，由於PEP羧化速率下降，RuBisCO羧化位點處的/O2濃度比也會隨之降低，生化效率通常會隨之下降。而決定弱光下效率下降程度的關鍵參數，正是維管束鞘導度。維管束鞘導度較高的植物，能夠促進葉肉細胞與維管束鞘細胞之間的代謝物交換，從而在強光下實現極高的同化速率。然而，這也意味著它們會有較高的從維管束鞘向外逆向擴散的速率，這會增加光呼吸，從而在弱光下降低生化效率。這構成了C4光合作用運行中一個固有的、不可避免的權衡。C4植物在調節維管束鞘導度方面具有卓越的能力。有趣的是，在弱光下生長的植物，或者從強光環境隨後轉移至弱光環境的植物（這類似於農作物冠層中老葉被新生枝葉遮擋的情況），其維管束鞘導度會發生下調。

## 演化與優勢

在乾旱、高溫以及缺氮或缺的環境下，C4植物相較於採用更為普遍的C3碳固定途徑的植物，具有顯著的競爭優勢。在相同環境（30°C）下生長時，C3類禾草每固定1個分子，大約會流失833個水分子；而C4類禾草僅流失277個水分子。C4類禾草這種更高的水分利用率，使得土壤水分得以更好地保留，從而讓它們能夠在乾旱環境中維持更長時間的生長。

C4碳固定途徑在19個植物科的植物中，至少獨立進化了62次，這使其成為趨同進化的典型範例。這種趨同現象的出現，得益於通向C4表型的潛在進化路徑多種多樣，且其中許多路徑的初始進化步驟與光合作用並沒有直接關聯。C4植物大約出現在3500萬年前的漸新世（具體出現時間難以確切考證），並在約2100萬年前的早中新世開始具備顯著的生態學意義。禾本科植物的C4代謝起源於其棲息地從陰暗的森林林下環境向更開闊生境的遷移，在開闊環境中，強烈的陽光賦予了C4途徑相較於C3途徑的競爭優勢。乾旱並非C4途徑誕生的必要條件；相反，其在用水上的高效節約只是該代謝途徑帶來的一種副產物，正是這種副產物使得C4植物能夠更輕易地拓殖乾旱環境。

如今，C4植物約占地球植物總生物量的5%和已知植物物種數的3%。儘管數量相對稀少，它們卻貢獻了陸地碳固定總量的約23%。提高C4植物在地球上的占比，將有助於二氧化碳的生物固存，並可作為一種應對氣候變化的重要策略。現存的C4植物主要集中在熱帶和亞熱帶地區（即南北緯45度以內），這是因為在高溫環境下，C3植物的光呼吸速率會顯著增加。

## C4植物的種類

大約有8,100種植物屬於C4植物，占陸地植物種類的3%左右。這8100個物種全部屬於被子植物。C4植物在單子葉植物中比較常見，約40%的單子葉植物屬於C4植物，相比之下雙子葉植物中只有大約4.5%屬於C4植物。儘管如此，只有3個科的單子葉植物含有C4途徑，而雙子葉植物中含有C4途徑的科達15個。在含有C4途徑的單子葉植物分支中，禾本科比例最高，約有46%的禾本科植物屬於C4植物，占全部C4植物種類的61%。在禾本科內部，C4途徑獨立進化了二十多次，廣泛分布於不同的亞科、族和屬中，其中包括包含了玉米、甘蔗和高粱等重要糧食作物的蜀黍族。苔麩以及各類雜谷也屬於C4植物。在含有C4途徑的雙子葉植物演化支中，石竹目所占比例最高，其中又以藜亞科為最。在1400種藜亞科植物中，有550種屬於C4植物。在1000種莧科植物中，250種屬於C4植物。

莎草科和一些真雙子葉植物的科如菊科、十字花科、大戟科同樣也使用C4途徑。

目前沒有任何高度超過15米的大型喬木採用C4途徑，不過確實存在一些高度不足10米的小型喬木或灌木屬於C4植物：它們包括6種原產於夏威夷的大戟科植物，以及2種生長在中東和亞洲沙漠地區的莧科植物。

使用C4的植物並不限於高等植物。事實上，一些硅藻同樣具有C4途徑。

## 經濟和生態意義

C4類植物在CO2和水的利用效能方面遠勝C3類植物：

- 製造乾重1g的物質，C4類植物只要230–250 mL水，而C3類植物所要消耗的是這個量的兩到三倍。
- C4植物中國芒有著驚人的生長速度，在適宜的條件下，每公頃產量可達45噸。
- C4類植物最高效能溫度在 30 °C 到 45 °C之間，而C3類則在15–25 °C.
- 人們對熱帶的C4類飼料植物研究日益增多，固氮細菌和該植物有共生的關係，所以它們不需要額外的肥料。
- 水稻並不屬於C4類植物，雖然它也是禾本科植物。為了提高產量，科學家嘗試在大米中加入玉米的基因，使得其產量可提高達35%。

在過去30年裡，可以看到C4類植物不斷在中歐溫暖，光照充分的地區繁殖。它們的這種轉移目前為止還沒有被視為入侵物種。

## 基因編輯水稻項目

鑑於C4途徑的種種優勢，一個由全球多家科研機構科學家組成的團隊正在推進「C4水稻項目」。該項目以玉米和短柄草這兩類C4植物為研究模型，致力於將天然屬於C3植物的水稻，改造為能夠採用C4途徑的新品系。水稻是全球最重要的人類口糧，也是全球一半以上人口的主食。如果能讓水稻更高效地將陽光轉化為穀物，將對改善全球糧食安全產生重大意義。研究團隊表示，C4水稻的穀物產量有望提高50%，並且在生產過程中還能節約水和養分。

研究人員目前已經鑑定出了水稻實現C4光合作用所需的關鍵基因，現在正著手培育C4水稻的原型植株。2012年，英國政府與蓋茨基金會共同向國際稻米研究所的「C4水稻項目」提供了為期三年、總額達1400萬美元的資金支持。隨後在2019年，蓋茨基金會又向由牛津大學牽頭的「C4水稻項目」追加了1500萬美元的資助。這項為期5年的項目計劃，目標是到2024年在中華民國建立起投入運行的實驗性田間試驗田。

C2光合作用作為C3植物向花環型C4植物演化的中間階段，在水稻的改造中可能比C4途徑更受青睞。這種更簡單的系統在應對強光和高溫條件時，雖然不如C4植物那樣高度優化，但其優勢在於所需的基因工程改造步驟更少，並且在所有溫度和光照水平下，其表現均優於C3植物。2021年，英國政府專門撥款120萬英鎊用於C2途徑的工程化研究。

## 參見

- C2光合作用
- 景天酸代謝光合作用 (Crassulacean acid metabolism，簡稱 CAM）是部分植物的一種精巧的碳固定方法。
- C3光合作用

## 連結

- C3-, C4- 和 CAM-植物的比較
- Tabellerischer Vergleich von C3- und C4-Pflanzen
- Definition und Eigenschaften
- Photorespration und C4-Pflanzen
- Vergleich der Leistungsfähigkeit von C3- und C4-Pflanzen