C4光合作用是光合作用的一种形式，植物先将无机碳固定到四碳有机酸中，再将其输送至卡尔文循环。这种生化碳浓缩机制提高了核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）周围的二氧化碳浓度，从而抑制光呼吸。与C3光合作用不同，C4光合作用通常将最初的碳捕获和后续的碳同化分别安排在两种特化的叶片细胞中进行。“C4”指的是最初固定产物中的四个碳原子，而不是光合作用的阶段数。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
发现与术语
这一途径通过20世纪60年代对甘蔗开展的实验得到确立。在1966年发表的论文中，马歇尔·戴维森·哈奇和查尔斯·罗杰·斯莱克让叶片接触用放射性碳-14标记的二氧化碳。约一秒后，固定下来的放射性标记有超过93%出现在苹果酸、天冬氨酸和草酰乙酸中，而非像传统途径所预期的那样，主要出现在三碳化合物中。随着接触时间延长，标记出现在3-磷酸甘油酸和糖中。这些观察结果支持这样一种途径：先形成四碳酸，再形成碳水化合物。“哈奇–斯莱克途径”这一别名正是为纪念这项研究而得名。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
生化机制
在典型途径中，大气中的二氧化碳通过气孔进入叶片，到达叶肉细胞。碳酸酐酶促进二氧化碳转化为碳酸氢根。酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）使碳酸氢根与三碳化合物磷酸烯醇式丙酮酸结合，生成四碳化合物草酰乙酸。与Rubisco不同，PEPC不会催化与羧化反应相竞争的加氧反应。随后，草酰乙酸转化为苹果酸或天冬氨酸，具体取决于物种和生化途径。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
这些化合物进入维管束鞘细胞，在那里通过脱羧释放二氧化碳。随后，Rubisco通过卡尔文–本森循环固定这些在局部富集的二氧化碳，生成碳水化合物的前体。剩余的三碳化合物返回叶肉细胞，并在那里再生磷酸烯醇式丙酮酸。在许多物种中，丙酮酸磷酸双激酶利用三磷酸腺苷（ATP）完成这一再生过程。因此，C4循环是为卡尔文–本森循环提供二氧化碳，而非取代它。物质跨越细胞膜和细胞器膜的运输，是维持这一循环不可或缺的环节。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
按照主要脱羧酶的不同，传统上可区分出三种生化亚型：NADP依赖型苹果酸酶型、NAD依赖型苹果酸酶型和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶型。它们在运输的代谢物、脱羧发生的位置以及能量需求在不同细胞间的分配上有所差异。这些分类有助于描述不同途径，但单株植物可以同时采用不止一种脱羧途径，因此各亚型并不总是相互排斥的。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
叶片解剖结构与细胞组织方式
大多数陆生C4植物具有花环结构，其名称源自德语中意为“花环”的词。具有光合活性的维管束鞘细胞环绕维管束，叶肉细胞则在其外侧形成相邻的一层。这种排列使最初捕获碳的细胞紧邻释放并重新固定二氧化碳的细胞。较密的叶脉和两类细胞之间广泛的连接，有助于代谢物快速交换。两类细胞的叶绿体在结构和生化特化方面可能有所不同。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
不过，花环结构并非必不可少。Bienertia属和碱蓬属（Suaeda）的某些物种能够在单个细胞内完成C4光合作用。它们在一个细胞内维持着空间上分隔的生化区室，以及具有不同特化功能的叶绿体群。这些例外表明，其组织方式的核心原则是有效的区室化，而不是所有物种都必须具备的双细胞排列。(annualreviews.org)
生理优势与代价
Rubisco既能与二氧化碳反应，也能与氧反应。它的加氧反应会启动光呼吸，消耗资源，并释放一部分此前固定的碳。在高温度下，或气体交换受限导致内部二氧化碳供应不足时，这一限制尤其显著。C4植物通过在Rubisco附近富集二氧化碳来减少这些损失，从而能够在温暖、光照强的环境中维持较高的碳同化速率。(annualreviews.org)
碳浓缩需要付出能量代价。按一种常见的理想化计算，每同化一个二氧化碳分子约需消耗五个ATP和两个NADPH；相比之下，不计光呼吸损失的卡尔文–本森循环只需三个ATP和两个NADPH。实际消耗会随生化亚型和二氧化碳泄漏程度而变化。因此，C4光合作用并不总是效率更高：在凉爽或光照不足的条件下，其额外的ATP需求可能超过它带来的收益。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
C4植物通常能在通过蒸腾作用损失相同数量的水时，同化更多的碳，因为碳浓缩机制使它们在较低的气孔导度下仍能高效固定碳。它们所需的Rubisco通常也较少，从而提高了光合氮利用效率。这些生理优势并不意味着每一种C4植物都能耐受严重干旱，也不意味着它们在所有环境中都优于所有C3植物。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
进化与生态分布
C4光合作用是进化在不同谱系中独立产生相似复杂性状的一个突出例子。比较研究已在开花植物中识别出60多次独立起源。它的形成涉及对已有酶、细胞组织方式和基因表达的改造，而不是产生一套全新的碳同化循环。一些C3–C4中间型植物会在维管束鞘细胞中富集光呼吸释放的二氧化碳，为可能存在的过渡形式提供了证据。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
C4禾草是温暖地区草原和稀树草原的重要组成部分。它们的丰度反映了温度、大气二氧化碳、水分供应、扰动和进化历史之间的相互作用；C4代谢并不等同于对沙漠环境的适应。禾本科以外也有C4物种，包括草本开花植物的若干谱系。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
农业及与景天酸代谢的比较
重要的C4作物包括玉米、甘蔗和高粱。它们的生产力推动了将C4性状引入水稻等C3作物的研究。通过工程手段构建这一系统，需要协调改变解剖结构、酶的定位、代谢物运输和细胞能量供应，而不只是引入单一一种酶。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
C4光合作用不同于景天酸代谢（CAM）。两者都先将碳固定到有机酸中，但典型的C4植物在空间上分隔碳的捕获与释放，而CAM植物主要在时间上将二者分隔：夜间捕获大部分二氧化碳，白天再在体内将其释放。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
参考来源
- Photosynthesis by sugar-cane leaves: A new carboxylation reaction and the pathway of sugar formationpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- The Path from C3 to C4 Photosynthesispmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Finding the C4 sweet spot: cellular compartmentation of carbohydrate metabolism in C4 photosynthesispmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Update: Improving the Efficiency of Photosynthetic Carbon Reactionspmc.ncbi.nlm.nih.gov
- The metabolite transporters of C4 photosynthesispmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Regulation and Evolution of C4 Photosynthesisfenix.ciencias.ulisboa.pt
- Recruitment of pre-existing networks during the evolution of C4 photosynthesispubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Nature's green revolution: the remarkable evolutionary rise of C4 plantspmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Photosynthesispmc.ncbi.nlm.nih.gov