C4类二氧化碳固定

C4类二氧化碳固定（C4 carbon fixation），又称哈奇-斯莱克途径（Hatch–Slack pathway），是植物已知的三种碳固定方式之一。该途径得名于20世纪60年代马歇尔·哈奇与查尔斯·斯莱克的共同发现。

C4固碳是对更为原始且普遍的C3碳固定途径的一种补充。在C3光合作用中，主要的羧化酶被称为RuBisCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶），它能催化两种截然不同的反应：以为底物进行羧化反应，或以氧气为底物进行加氧反应。RuBisCO的加氧反应会产生有毒的2-磷酸乙醇酸，植物必须消耗额外的能量，通过光呼吸过程将其回收。而4光合作用通过在RuBisCO周围富集，从而有效减少了光呼吸的发生。

为了使RuBisCO能够在一个高二氧化碳、低氧气的细胞环境中发挥作用，C4植物的叶片通常包含两个部分隔离的区域，即叶肉细胞和维管束鞘细胞。最初在叶肉细胞中被固定，该反应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）与结合，生成四碳的草酰乙酸（OAA）。随后，OAA可被还原为苹果酸，或通过转氨基作用生成天冬氨酸。这些中间产物会扩散至维管束鞘细胞，并在那里发生脱羧反应，从而在RuBisCO周围形成一个富含的环境，进而抑制光呼吸。脱羧后产生的丙酮酸（PYR），连同RuBisCO反应生成的大约一半的3-磷酸甘油酸（PGA），会重新扩散回叶肉细胞。PGA则在叶肉细胞中被化学还原，随后再次扩散回维管束鞘细胞，以完成还原型戊糖磷酸循环（RPP）。这种代谢物的交换对于C4光合作用的运转至关重要。

尽管C4途径需要消耗额外的三磷酸腺苷（ATP）能量来再生PEP，但的浓缩机制使得C4植物在较高温度下仍能保持较高的光合速率。较高的浓度克服了气体溶解度随温度升高而降低的问题（即亨利定律）。此外，这种浓缩机制还能在气孔处维持较高的浓度梯度。这意味着C4植物的气孔导度通常较低，水分散失减少，从而具有更高的水分利用率。在氮素利用方面，C4植物也更为高效，因为合成PEP羧化酶的成本低于合成RuBisCO。然而，由于C3途径不需要消耗额外能量来再生PEP，因此在光呼吸受限的条件下（通常是低温或遮荫环境），C3途径反而更具优势。

## 发现历史

早在20世纪50年代至60年代初，雨果·科查克与尤里·卡尔皮洛夫就进行了初步实验，发现某些植物并未采用C3碳固定，而是在固碳的第一步生成苹果酸和天冬氨酸。1966年，马歇尔·哈奇与查尔斯·斯莱克在澳大利亚正式阐明了C4途径。虽然哈奇和斯莱克最初将其命名为“C4二羧酸途径”，但该途径如今也常被称为哈奇-斯莱克途径。

## 解剖学

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C4植物通常具有一种被称为“花环结构”（Kranz anatomy）的特征性叶片解剖构造，该词源于德语中的“花环”。它们的维管束被两圈细胞所包围：内圈称为维管束鞘细胞，内含富含淀粉且缺乏基粒的叶绿体；这与作为外圈的叶肉细胞中的叶绿体截然不同。因此，这些叶绿体被称为“二态叶绿体”。花环结构的主要功能是提供一个特定的场所，使能够在RuBisCO周围高度浓缩，从而避免光呼吸的发生。叶肉细胞与维管束鞘细胞之间通过大量被称为“胞间连丝”的细胞质通道相连，其在叶片层面上的通透性被称为“维管束鞘导度”。为了减少的质外体扩散（即“泄漏”），维管束鞘细胞的中胶层（叶肉细胞与维管束鞘细胞之间的切向界面）处通常会沉积一层木栓质。C4植物中的这种碳浓缩机制，也使其生氧光合作用中的碳同位素分馏。

尽管大多数C4植物都具有花环结构，但仍有少数物种能在缺乏明显维管束鞘组织的情况下，运行一种受限的C4循环。例如异子蓬，以及翅果蓬属的Bienertia cycloptera、B. sinuspersici和B. kavirense（它们均属于藜亚科），都是生长在中东干旱、高盐荒漠洼地中的陆生植物。研究表明，这些植物能够运行单细胞C4二氧化碳浓缩机制，这在目前已知的C4机制中是独一无二的。尽管这两个属植物的细胞学特征略有不同，但其基本原理都是利用充满液体的液泡将细胞分隔成两个独立的区域。细胞质中的羧化酶与叶绿体中的脱羧酶及RuBisCO在空间上被分隔开来。在含有RuBisCO的叶绿体与细胞质之间，存在着一道扩散屏障。这种机制使得单个细胞内就能建立起类似维管束鞘和类似叶肉细胞的两个功能区。虽然这确实允许植物运行一种受限的C4循环，但其效率相对较低，因为从RuBisCO周围大量泄漏的现象依然会发生。

此外，有证据表明，非花环结构的水生大型植物黑藻在温暖条件下也能表现出可诱导的C4光合作用，尽管目前关于其如何最大限度地减少从RuBisCO周围泄漏的具体机制尚不确定。

## 生物化学

在C3植物中，光合作用暗反应（光不依赖反应）的第一步，是由RuBisCO催化固定，生成3-磷酸甘油酸。然而，RuBisCO同时具有羧化酶和加氧酶的双重活性。当发生加氧反应时，部分底物会被氧化而非羧化，这不仅会导致底物损耗，还会额外消耗能量，这一过程即为“光呼吸”。加氧反应与羧化反应之间存在竞争关系，这意味着这两种反应的速率取决于氧气和的相对浓度。

为了降低光呼吸速率，C4植物会提高RuBisCO周围的浓度。通常，为了实现这一目的，植物叶片内会分化出两个相对隔离的区域：叶肉细胞和维管束鞘细胞。在此过程中，不再由RuBisCO直接固定，而是先在叶肉细胞中被整合进一种四碳有机酸（苹果酸或天冬氨酸）中。随后，这些有机酸通过胞间连丝扩散进入维管束鞘细胞。在那里，它们发生脱羧反应，从而营造出一个富含的环境。最终，维管束鞘细胞的叶绿体通过常规的C3途径将这些转化为碳水化合物。

C4同化作用的生化特征存在极大的多样性，通常根据脱羧反应所使用的主要酶的不同，将其划分为三种亚型（即苹果酸脱氢酶 (草酰乙酸脱羧) (NADP+)/NADP-ME、苹果酸脱氢酶 (脱羧)/NAD-ME，以及磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶/PEPCK）。由于PEPCK往往是在NADP-ME或NAD-ME的基础上被额外使用的，因此也有学者提出，将这种生化多样性归为两种亚型。例如，玉米和甘蔗使用的是NADP-ME与PEPCK的组合途径；粟类植物主要依赖NAD-ME途径；而大黍则主要依赖PEPCK途径。

### NADP-ME

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NADP-ME型C4途径的第一步，是在丙酮酸磷酸双激酶（PPDK）的催化下，将丙酮酸（Pyr）转化为磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）。该反应需要无机磷酸、ATP以及丙酮酸的参与，最终生成PEP、AMP和无机焦磷酸（PPi）。紧接着的第二步，是由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）催化PEP发生羧化反应，生成草酰乙酸。以上两步反应均发生在叶肉细胞中，其化学反应式如下：

丙酮酸 + Pi + ATP → PEP + AMP + PPi

PEP + → 草酰乙酸

PEPC对HCO3-的米氏常数（KM）较低，因此具有很高的亲和力，且其活性不受O2的干扰，这意味着即使在浓度较低的环境下，它依然能够高效工作。

草酰乙酸通常会转化为苹果酸（M），随后苹果酸扩散至包围着邻近叶脉的维管束鞘细胞中。在这里，苹果酸在苹果酸脱氢酶 (草酰乙酸脱羧) (NADP+)（NADP-ME）的催化下发生脱羧反应，释放出和丙酮酸。释放出的被RuBisCO固定，生成3-磷酸甘油酸（PGA）；而丙酮酸则与大约一半的3-磷酸甘油酸一起，被运回叶肉细胞。这部分3-磷酸甘油酸在叶肉细胞中被化学还原，随后再次扩散回维管束鞘细胞，从而进入卡尔文循环的还原阶段。

### NAD-ME

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在这一途径中，PEPC生成的草酰乙酸（OAA）会在天冬氨酸氨基转移酶的催化下，通过转氨基作用生成天冬氨酸（ASP），天冬氨酸便是负责向维管束鞘细胞扩散的代谢物。在维管束鞘细胞内，天冬氨酸再次发生转氨基作用还原为草酰乙酸，随后经历一系列无净消耗的还原与氧化脱羧反应，最终释放出。反应生成的丙酮酸会再次通过转氨基作用转化为丙氨酸，并扩散回叶肉细胞。在叶肉细胞中，丙氨酸最终被转氨基为丙酮酸（PYR），随后在叶肉细胞的叶绿体中，由丙酮酸磷酸双激酶（PPDK）将其再生为磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）。这种循环机制绕过了叶肉细胞中的苹果酸脱氢酶反应，因此不会向维管束鞘细胞转移还原当量。

### PEPCK

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在这一变型中，维管束鞘细胞内由天冬氨酸氨基转移酶生成的草酰乙酸（OAA），会在PEP羧激酶（PEPCK）的催化下脱羧生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）。关于PEP的最终去向，目前学术界仍存在争议。一种最简明的解释是，PEP会直接扩散回叶肉细胞，作为PEP羧化酶（PEPC）的底物。由于PEPCK的催化过程仅消耗一分子ATP，因此理论上，通过PEPCK途径再生PEP能够提升该亚型的光合效率，不过这一假说目前尚未得到实际测量数据的证实。此外，研究人员观察到在弱光条件下，PEPCK的相对表达量会有所增加。因此有学者提出，PEPCK可能在平衡叶肉细胞与维管束鞘细胞之间的能量需求方面发挥着重要作用。

### 代谢产物交换

在C3光合作用中，单个叶绿体即可独立完成光反应与暗反应；而在C4植物中，叶绿体分化出两个不同的群体，分别存在于叶肉细胞和维管束鞘细胞中。这种将光合作用分工交由两类叶绿体承担的模式，必然导致两者之间发生频繁的中间代谢物交换。这些代谢物的通量非常大，最高可达总同化速率的十倍。所交换的代谢物类型及整体交换速率取决于具体的生化亚型。为了降低光合酶（如PEPC）的产物抑制效应，细胞间的浓度梯度需要尽可能保持在较低水平。这就要求提高代谢物在叶肉细胞与维管束鞘细胞之间的导度，但与此同时，这也会增加从维管束鞘细胞向外逆向扩散的风险，从而在浓缩机制的优化过程中，形成了一个固有的、不可避免的权衡。

## 光捕获与光反应

为了满足叶肉细胞和维管束鞘细胞对NADPH和ATP的需求，植物需要捕获光能，并将其分配给两条截然不同的电子传递链。ATP的产生方式取决于维管束鞘或叶肉细胞中可利用的光照条件：它主要可以通过光系统 I周围的环式电子传递在维管束鞘中产生，或者通过线性电子传递在叶肉细胞中产生。每种细胞对ATP和NADPH的相对需求量，取决于具体的光合生化亚型。激发能在两种细胞类型之间的分配比例，会直接影响叶肉细胞和维管束鞘细胞中ATP和NADPH的可用量。例如，叶肉细胞对绿光的吸收较弱，绿光能够优先激发维管束鞘细胞；反之，蓝光则优先被叶肉细胞吸收。由于维管束鞘被叶肉细胞层层包裹，叶肉细胞对光能的捕获必然会减少最终能到达维管束鞘细胞的光量。此外，维管束鞘自身的体积大小，也限制了其能够捕获的光能总量。

## 效率

根据所考量的投入与产出指标的不同，光合效率可以有多种不同的计算方式。例如，平均量子效率就是总同化量与吸收光强或入射光强的比值。文献中报道，在不同环境条件下生长或被归为不同生化亚型的植物，其测得的量子效率存在很大差异，但导致这种差异的内在机制目前尚不明确。量子效率的其中一个决定因素是暗反应的效率，即生化效率。这一指标通常以总同化量的ATP消耗成本（ATP/GA）的倒数形式来表示。

在C3光合作用中，ATP/GA主要取决于RuBisCO羧化位点处的和O2浓度。当浓度较高且O2浓度较低时，光呼吸会受到抑制，此时C3同化作用快速且高效，ATP/GA的数值会趋近于3这一理论最小值。

在C4光合作用中，RuBisCO羧化位点处的浓度主要得益于浓缩机制的运行。尽管该机制的运行需要额外消耗约2个ATP/GA，但它使得C4植物的光合效率在广泛的环境条件下，对外界浓度的变化都相对不敏感。

生化效率主要取决于向维管束鞘细胞的输送速度。在弱光条件下，由于PEP羧化速率下降，RuBisCO羧化位点处的/O2浓度比也会随之降低，生化效率通常会随之下降。而决定弱光下效率下降程度的关键参数，正是维管束鞘导度。维管束鞘导度较高的植物，能够促进叶肉细胞与维管束鞘细胞之间的代谢物交换，从而在强光下实现极高的同化速率。然而，这也意味着它们会有较高的从维管束鞘向外逆向扩散的速率，这会增加光呼吸，从而在弱光下降低生化效率。这构成了C4光合作用运行中一个固有的、不可避免的权衡。C4植物在调节维管束鞘导度方面具有卓越的能力。有趣的是，在弱光下生长的植物，或者从强光环境随后转移至弱光环境的植物（这类似于农作物冠层中老叶被新生枝叶遮挡的情况），其维管束鞘导度会发生下调。

## 演化与优势

在干旱、高温以及缺氮或缺的环境下，C4植物相较于采用更为普遍的C3碳固定途径的植物，具有显著的竞争优势。在相同环境（30°C）下生长时，C3类禾草每固定1个分子，大约会流失833个水分子；而C4类禾草仅流失277个水分子。C4类禾草这种更高的水分利用率，使得土壤水分得以更好地保留，从而让它们能够在干旱环境中维持更长时间的生长。

C4碳固定途径在19个植物科的植物中，至少独立进化了62次，这使其成为趋同进化的典型范例。这种趋同现象的出现，得益于通向C4表型的潜在进化路径多种多样，且其中许多路径的初始进化步骤与光合作用并没有直接关联。C4植物大约出现在3500万年前的渐新世（具体出现时间难以确切考证），并在约2100万年前的早中新世开始具备显著的生态学意义。禾本科植物的C4代谢起源于其栖息地从阴暗的森林林下环境向更开阔生境的迁移，在开阔环境中，强烈的阳光赋予了C4途径相较于C3途径的竞争优势。干旱并非C4途径诞生的必要条件；相反，其在用水上的高效节约只是该代谢途径带来的一种副产物，正是这种副产物使得C4植物能够更轻易地拓殖干旱环境。

如今，C4植物约占地球植物总生物量的5%和已知植物物种数的3%。尽管数量相对稀少，它们却贡献了陆地碳固定总量的约23%。提高C4植物在地球上的占比，将有助于二氧化碳的生物固存，并可作为一种应对气候变化的重要策略。现存的C4植物主要集中在热带和亚热带地区（即南北纬45度以内），这是因为在高温环境下，C3植物的光呼吸速率会显著增加。

## 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。这8100个物种全部属于被子植物。C4植物在单子叶植物中比较常见，约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%。在禾本科内部，C4途径独立进化了二十多次，广泛分布于不同的亚科、族和属中，其中包括包含了玉米、甘蔗和高粱等重要粮食作物的蜀黍族。苔麸以及各类杂谷也属于C4植物。在含有C4途径的双子叶植物演化支中，石竹目所占比例最高，其中又以藜亚科为最。在1400种藜亚科植物中，有550种属于C4植物。在1000种苋科植物中，250种属于C4植物。

莎草科和一些真双子叶植物的科如菊科、十字花科、大戟科同样也使用C4途径。

目前没有任何高度超过15米的大型乔木采用C4途径，不过确实存在一些高度不足10米的小型乔木或灌木属于C4植物：它们包括6种原产于夏威夷的大戟科植物，以及2种生长在中东和亚洲沙漠地区的苋科植物。

使用C4的植物并不限于高等植物。事实上，一些硅藻同样具有C4途径。

## 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。
- C4植物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年里，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。

## 基因编辑水稻项目

鉴于C4途径的种种优势，一个由全球多家科研机构科学家组成的团队正在推进“C4水稻项目”。该项目以玉米和短柄草这两类C4植物为研究模型，致力于将天然属于C3植物的水稻，改造为能够采用C4途径的新品系。水稻是全球最重要的人类口粮，也是全球一半以上人口的主食。如果能让水稻更高效地将阳光转化为谷物，将对改善全球粮食安全产生重大意义。研究团队表示，C4水稻的谷物产量有望提高50%，并且在生产过程中还能节约水和养分。

研究人员目前已经鉴定出了水稻实现C4光合作用所需的关键基因，现在正着手培育C4水稻的原型植株。2012年，英国政府与盖茨基金会共同向国际稻米研究所的“C4水稻项目”提供了为期三年、总额达1400万美元的资金支持。随后在2019年，盖茨基金会又向由牛津大学牵头的“C4水稻项目”追加了1500万美元的资助。这项为期5年的项目计划，目标是到2024年在中华民国建立起投入运行的实验性田间试验田。

C2光合作用作为C3植物向花环型C4植物演化的中间阶段，在水稻的改造中可能比C4途径更受青睐。这种更简单的系统在应对强光和高温条件时，虽然不如C4植物那样高度优化，但其优势在于所需的基因工程改造步骤更少，并且在所有温度和光照水平下，其表现均优于C3植物。2021年，英国政府专门拨款120万英镑用于C2途径的工程化研究。

## 参见

- C2光合作用
- 景天酸代谢光合作用 (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

## 链接

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