| 三、C4途径 (一)C4途径的发现 自20世纪50年代卡尔文等人阐明C3途径以来，曾认为光合碳代谢途径已经搞清楚了，不管是藻类还是高等植物，其CO2固定与还原都是按C3途径进行的。即使在1954年，哈奇(M.D.Hatch)等人用甘蔗叶实验，发现甘蔗叶片中有与C3途径不同的光合最初产物，亦未受到应有的重视。直到1965年，美国夏威夷甘蔗栽培研究所的科思谢克(H.P.Kortschak)等人报道，甘蔗叶中14C标记物首先出现于C4二羧酸，以后才出现在PGA和其他C3途径中间产物上，而且玉米、甘蔗有很高的光合速率，这时才引起人们广泛的注意。澳大利亚的哈奇和斯莱克(C.R.Slack)(1966-1970)重复上述实验，进一步地追踪14C去向，探明了14C固定产物的分配以及参与反应的各种酶类，于70年代初提出了C4-双羧酸途径(C4-dicarboxylic acid pathway)，简称C4途径，也称C4光合碳同化循环(C4 photosynthetic carbon assimilation cycle，PCA循环)，或叫Hatch-Slack途径。至今已知道，被子植物中有20多个科约近2000种植物按C4途径固定CO2，这些植物被称为C4植物(C4 plant)。 （二）C4植物叶片结构特点 与C3植物相比，C4植物的栅栏组织与海绵组织分化不明显，叶片两侧颜色差异小。C3植物的光合细胞主要是叶肉细胞(mesophyll cell ,MC)，而C4植物的光合细胞有两类：叶肉细胞和维管束鞘细胞(bundle sheath cell,BSC)。C4植物维管束分布密集，间距小(通常每个MC与BSC邻接或仅间隔1个细胞)，每条维管束都被发育良好的大型BSC包围，外面又密接1-2层叶肉细胞，这种呈同心圆排列的BSC与周围的叶肉细胞层被称为“花环”(Kranz德语)结构，（图4-22）。C4植物的BSC中含有大而多的叶绿体，线粒体和其它细胞器也较丰富。BSC与相邻叶肉细胞间的壁较厚，壁中纹孔多，胞间连丝丰富。这些结构特点有利于MC与BSC间的物质交换，以及光合产物向维管束的就近转运。 此外，C4植物的两类光合细胞中含有不同的酶类，叶肉细胞中含有磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC)以及与C4二羧酸生成有关的酶；而BSC中含有Rubisco等参与C3途径的酶、乙醇酸氧化酶以及脱羧酶。在这两类细胞中进行不同的生化反应。 (三)C4途径的反应过程 C4途径中的反应虽因植物种类不同而有差异，但基本上可分为羧化、还原或转氨、脱羧和底物再生四个阶段。
图4-22 叶片的横切面图，表明了C3和C4植物形态解剖的差异。 上左C4单子叶植物（甘蔗）；中左C3单子叶（一种草）；上右C4双子叶植物（Asteracea）。中右C4植物叶片的三维模式图 根据植物所形成的C4二羧酸的种类以及脱羧反应参与的酶类，又可把C4途径分为三种亚类型：①依赖NADP的苹果酸酶(NADP malic enzyme)的苹果酸型(NADP-ME型)；②依赖NAD的苹果酸酶(NAD malic enzyme)的天冬氨酸型(NAD-ME型)；③具有PEP羧激酶(PEP carboxykinase)的天冬氨酸型(PCK型)。NADP-ME型初期产物为Mal，而NAD-ME型与PCK型初期产物为Asp(图4-23)。这三种亚类型植物叶绿体的结构及其在BSC中的排列有所不同。就禾本科植物而言，NADME型植物，叶绿体在BSC中向心排列，而NADP-ME与PCK型，叶绿体在BSC中离心排列；另外NADP-ME型BSC中叶绿体的基粒不发达，PSⅡ活性低。
图4-23 C4途径的三种类型 1.羧化阶段 由PEPC催化叶肉细胞中的磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenol plyruvate,PEP)与HCO3-羧化，形成OAA。 空气中的CO2进入叶肉细胞后先由碳酸酐酶 (carbonic anhydrase,CA)转化为HCO-3， CO2 H2O → HCO-3 H 。HCO-3被PEP固定在OAA的C4羧基上，PEPC的反应机理如下：(1)PEPC先与Mg2 结合；(2)再与底物PEP结合，形成一个三元复合物；(3)这个三元复合物与HCO-3作用产生羧基磷酸与PEPC·Mg2 和烯醇式丙酮酸复合物，前者释放出CO2与Pi；(4)CO2与PEPC·Mg2 ·烯醇作用产生OAA与PEPC·Mg2 ，OAA为羧化反应的产物，PEPC·Mg2 则再次进行反应。PEPC是胞质酶，主要分布在叶肉细胞的细胞质中，分子量400 000，由四个相同亚基组成。PEPC无加氧酶活性，因而羧化反应不被氧抑制。 2.还原或转氨阶段 OAA被还原成苹果酸或经转氨作用形成天冬氨酸。 (1)还原反应 由NADP-苹果酸脱氢酶(NADP-malate dehydrogenase)催化，将OAA还原为Mal，该反应在叶肉细胞的叶绿体中进行。苹果酸脱氢酶为光调节酶，可通过Fd-Td系统调节其活性。 (2)转氨作用 由天冬氨酸转氨酶(aspartate amino transferase)催化，OAA接受谷氨酸的NH2基，形成天冬氨酸，该反应在细胞质中进行。 3.脱羧阶段 生成的苹果酸或天冬氨酸从叶肉细胞经胞间连丝移动到BSC，在那里脱羧。 三种亚类型(图4-23)的脱羧反应如下： (1)NADP ME型 在BSC的叶绿体内苹果酸脱羧生成丙酮酸(pyruvate，Pyr)，反应由NADP苹果酸酶催化，生成的NADPH可用于C3途径中CO2的还原。 (2)NAD-ME型 天冬氨酸经天冬氨酸转氨酶作用下转氨基形成OAA，再经NAD-苹果酸脱氢酶作用下生成苹果酸，然后在NAD-苹果酸酶催化下脱羧生成丙酮酸并释放CO2，这些过程都在BSC的线粒体中进行，生成的丙酮酸在细胞质中由丙酮酸转氨酶催化形成丙氨酸，然后进入叶肉细胞。 (3)PCK型 天冬氨酸经天冬氨酸转氨酶作用变成草酰乙酸，然后再在PEP羧激酶的催化下变为PEP并释放CO2。 生成的PEP可能直接进入叶肉细胞，也可能先转变成丙酮酸，再形成丙氨酸进入叶肉细胞。上述三类反应脱羧释放的CO2都进入BSC的叶绿体中，由C3途径同化。 C4二羧酸脱羧释放CO2，使BSC内CO2浓度可比空气中高出20倍左右，所以C4途径中的脱羧起“CO22泵”作用。C4植物这种浓缩CO2的效应，能抑制光呼吸，使CO2同化速率提高。 4.底物再生阶段 C4二羧酸脱羧后形成的Pyr运回叶肉细胞，由叶绿体中的丙酮酸磷酸二激酶(pyruvate phosphate dikinase，PPDK)催化，重新形成CO2受体PEP。NAD-ME型和PCK型形成的丙氨酸在叶肉细胞中先转为丙酮酸，然后再生成PEP。 此步反应要消耗2个ATP(因AMP变成ADP再要消耗1个ATP)。PPDK在体内存在钝化与活化两种状态，它易被光活化，光下该酶的活性比暗中高20倍。 由于PEP底物再生要消耗2个ATP，这使得C4植物同化1个CO2需消耗5个ATP与2个NADPH。 (四)C4途径的意义 C4植物起源于热带，在强光、高温及干燥的气候条件下，C4植物的光合速率要远大于C3植物。气候干燥时，叶片气孔的开度变小，进入叶肉的CO2也随之减少，这就限制了Rubisco的羧化活性；气温高时，CO2和O2在水中的溶解度虽均降低，但CO2溶解度降低得更迅速，这样细胞液中CO2／O2的比值也降低，从而使得Rubisco的加氧活性升高，而羧化活性下降。在这些情况下，C3植物的光呼吸增强。但C4植物的叶肉细胞中的PEPC对底物HCO-3的亲和力极高，细胞中的HCO3-浓度一般不成为PEPC固定CO2的限制因素；C4植物由于有“CO22泵”浓缩CO2的机制，使得BSC中有高浓度的CO2，从而促进Rubisco的羧化反应，降低了光呼吸，且光呼吸释放的CO2又易被再固定；加之高光强又可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化力，以满足C4植物PCA循环对ATP的额外需求；另外，鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。这些都使C4植物可以具有较高的光合速率。但是C4植物同化CO2消耗的能量比C3植物多，也可以说这个“CO22泵”是要由ATP来开动的，故在光强及温度较低的情况下，其光合效率还低于C3植物。只是在高温、强光、干旱和低CO2条件下，C4植物才显示出高的光合效率来。可见C4４途径是植物光合碳同化对热带环境的一种适应方式。 (五) C4途径的调节 C4途径是一个极其复杂的生化过程，其运行跨越不同的细胞及细胞器，参与反应的酶类多，因此各环节的协调是十分重要的，以下仅介绍较明确的一些调节。 1.酶活性的调节 C44途径中的PEPC、NADP苹果酸脱氢酶和丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)都在光下活化，暗中钝化。NADP-苹果酸脱氢酶的活性通过Fd-Td系统调节(见图4-20)，而PEPC和PPDK的活性通过酶蛋白的磷酸化脱磷酸反应来调节。 磷酸化反应是由一类ATP-磷酸转移酶所催化的反应，这类酶通称为蛋白激酶；脱磷酸反应则是由一类磷酸酯酶所催化的反应。蛋白的磷酸化或脱磷酸反应是在组成其多肽链的丝氨酸(Ser)、组氨酸(His)、苏氨酸(Thr)等氨基酸残基上进行的。当PEPC上某一Ser被磷酸化时，PEPC就活化，对底物PEP的亲和力就增加，脱磷酸时PEPC就钝化。玉米、高粱等C4植物中的PEPC虽然在光暗下都能发生磷酸化，但光下磷酸化程度要大于暗中，因而C4植物的PEPC光下活性高。
PPDK活性被磷酸化的调节机理与PEPC不同。PPDK在被磷酸化时钝化，不能催化由Pyr再生PEP的反应，而在脱磷酸时活化。催化PPDK磷酸化和脱磷酸的酶是同一分子的蛋白因子，叫丙酮酸二激酶调节蛋白(PDRP)，至于光是如何诱导PDRP调节PPDK活性的，至今还不清楚。 PEPC与PPDK的活性还受代谢物的调节。通常是底物促进酶的活性，产物抑制酶的活性，如 PEPC的活性被PEP以及产生PEP的底物G6P、F6P、FBP所激活，而被OAA、Mal、Asp等产物反馈抑制；PPDK的活性在底物ATP、Pi和Pyr相对浓度高时提高，然而该酶不受底物PEP相对浓度所影响。
2.光对酶量的调节 光提高光合酶活性的原因之一是光能促进光合酶的合成。前已提到Rubisco的合成受光控制，PEPC的合成也受光照诱导，如玉米、高粱黄化叶片经连续照光后，PEPC的活性提高，同时〔3H〕-亮氨酸掺入到酶蛋白的数量增加，应用蛋白合成抑制剂、放线菌素D和光合电子传递抑制剂DCMU所得资料表明，光引起PEPC活性的增高与光合电子传递无关(不被DCMU抑制)，而与酶蛋白的合成有关(被放线菌素D抑制)。光对NADP苹果酸酶的形成也有类似影响。 3.代谢物运输 C4途径的生化反应涉及两类光合细胞和多种细胞器，维持有关代谢物在细胞间、细胞器间快速运输，保持鞘细胞中高的CO2浓度就显得非常重要。 在C4植物叶肉细胞的叶绿体被膜上有一些特别的运转器，如带有PEP载体的磷运转器，它能保证丙酮酸、Pi与PEP、PGA与DHAP间的对等交换；专一性的OAA运转器能使叶绿体内外的OAA与Mal快速交换，以维持C4代谢物运输的需要。 前已提到，C4植物鞘细胞与相邻叶肉细胞的壁较厚，且内含不透气的脂层；壁中纹孔多，其中富含胞间连丝。由于共质体运输阻力小，使得光合代谢物在叶肉细胞和维管束鞘细胞间的运输速率增高。由于两细胞间的壁不透气，使得脱羧反应释放的CO2不易扩散到鞘细胞外去。据测定，C4植物叶肉细胞-单鞘细胞间壁对光合代谢物的透性是C3植物的10倍，而CO2的扩散系数仅为C3光合细胞的1/100。维持维管束鞘细胞内的高CO2浓度有利于C3途径的运行，同时也会反馈调节C4途径中的脱羧反应。因此，C3途径同化CO2的速率以及光合产物经维管束向叶外输送的速率都会影响到整个途径的运行。 |
| 四、景天科酸代谢途径 （一）CAM在植物界的分布与特征 景天科等植物有一个很特殊的CO2同化方式：夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放CO2，用于光合作用，这样的与有机酸合成日变化有关的光合碳代谢途径称为CAM途径。CAM最早是在景天科植物中发现的，目前已知在近30个科，1万多个种的植物中有CAM途径，主要分布在景天科、仙人掌科、兰科、凤梨科、大戟科、番杏科、百合科、石蒜科等植物中。其中凤梨科植物达1千种以上，兰科植物达数千种，此外还有一些裸子植物和蕨类植物。CAM植物起源于热带，往往分布于干旱的环境中，多为肉质植物(succulent plant)，具有庞大的贮水组织，肉质植物不一定都是常见的CAM植物有菠萝、剑麻、兰花、百合、仙人掌等。
图4-24 CAM植物 (二)CAM代谢的反应过程 典型CAM植物代谢过程如图4-25所示。
图4-25 CAM植物夜昼代谢模式图 CAM途径主要反应是两类羧化反应。即在黑暗中进行PEPC的羧化反应和在光下进行Rubisco的羧化反应，与此相伴随的是由PEP羧化生成草酰乙酸并进一步还原为苹果酸的酸化作用(acidification)和由苹果酸释放CO2的脱羧作(decarboxylation)。 CAM植物与C4植物固定与还原CO2的途径基本相同，二者的差别在于：C4植物是在同一时间(白天)和不同的空间(叶肉细胞和维管束鞘细胞)完成CO2固定(C4途径)和还原(C3途径)两个过程；而CAM植物则是在不同时间(黑夜和白天)和同一空间(叶肉细胞)完成上述两个过程的。 CAM植物由于白天气孔关闭、苹果酸脱羧、细胞间的CO2/O2比例高、以及CO2再固定率高，因而表观光呼吸速率较低。 |
| 五、C3、C4、CAM植物的特性比较及鉴别 (一)C3、C4、CAM植物的特性比较及鉴别 1.特性比较 C3植物，C4植物和CAM植物的光合作用与生理生态特性有较大的差异。见表4-4。 2.鉴别方法 除根据表4-4各类植物的主要特征加以鉴别外，在此再介绍几种判断的方法：
(1)从碳同位素比上划分 是一种常用于植物碳代谢分类的测定方法。所谓碳同位素比是指样品与标样(美洲拟箭石,一种古生物化石，其13C/12C为1.16‰)之间碳同位素比值的相对差异，以δ13C(‰)表示： δ13C(‰)＝〔 (试样的) 13C/12C (标样的)13C/12C -1〕×1000 (4-41) 碳同位素比可作为碳代谢分类的方法，是基于各类植物对12C与13C的亲和力不同。C3植物的Rubisco是以CO2为底物，固定12C比13C要容易些，C4植物的PEPC则是以HCO3-为底物，固定12C和13C的速率基本相等。 将植物体燃烧释放出来的CO2分别按12CO2和13CO2进行定量分析，测定的结果，C3植物的δ13C为-35‰～-24‰，C4植物为-17‰～-11‰，CAM植物为-34‰～-13‰。无论是用干燥的植物或是植物体化石，只需取极少量的样品就能测定δ13C(‰) (2)从植物进化上区分 C3植物较原始，C4植物较进化。蕨类和裸子植物中就没有C4植物，只有被子植物中才有C4植物。同样，木本植物中还未发现C4植物，只有草本植物 (3)从分类学上区分 C4植物多集中在单子叶植物的禾本科中，约占C4植物总数的75%，其次为莎草科。世界上危害最严重的18种农田杂草有14种是C4植物，它们生长得快，具有很强的竞争优势。例如稗草、香附子、狗牙根、狗尾草、马唐、蟋蟀草等都是C4植物。双子叶植物中C4植物多分布于藜科、大戟科、苋科和菊科等十几个科中。而豆科、十字花科、蔷薇科、茄科和葫芦科中都未出现过C4植物。 (4)从地理分布上区分 由于C3植物生长的适宜温度较低，而C4植物生长的适宜温度较高，因而在热带和亚热带地区C4植物相对较多，而在温带和寒带地区C3植物相对较多。在北方早春开始生长的植物几乎全是C3植物，直至夏初才出现C4的植物。CAM植物主要分布在干旱、炎热的沙漠沙滩地区。 (5)从植物外形上区分 由于C3植物栅栏组织和海绵组织分化明显，叶片背腹面颜色就不一致，而C4植物分化不明显，叶背腹面颜色就较一致，多为深绿色。C3植物BSC不含叶绿体，外观上叶脉是淡色的，而C4植物BSC含有叶绿体，叶脉就显现绿色。另外，C3植物叶片上小叶脉间的距离较大，而C4植物小叶脉间的距离较小。若从外观上断定是C3植物，毫无疑问它的内部结构也属于C3植物。若从外观上断定是C4植物，不妨再作一下叶片的镜检，是否具有花环结构，测一下CO2补偿点或光下向无CO2气体中的CO2释放量(光呼吸速率)。通常C4植物的这两个测定值都较低。 一般CAM植物是多肉型的，往往具有角质层厚、气孔下陷等旱生特征。景天科植物中的景天、落地生根、费草、瓦松、石莲花等的叶子较厚，可贮藏水分，叶面上有蜡质层，且多半能由一段茎或一片叶子长成一个植物体。另外，CAM植物的生长量大多很低。 (二)C3、C4、CAM植物的相互关系 从生物进化的观点看，C4植物和CAM植物是从C3植物进化而来的。在陆生植物出现的初期，大气中CO2浓度较高，O2较少，光呼吸受到抑制，故C3途径能有效地发挥作用。随着植物群体的增加，O2浓度逐渐增高，CO2浓度逐渐降低，一些长期生长在高温、干燥气候下的植物受生态环境的影响，也逐渐发生了相应的变化。如出现了花环结构，叶肉细胞中的PEPC和磷酸丙酮酸二激酶含量逐步增多，形成了有浓缩CO2机制的C4-二羧酸循环，形成了C3-C4中间型植物乃至C4植物，或者形成了白天气孔关闭，抑制蒸腾作用，晚上气孔开启，吸收CO2的CAM植物。不过，不论是哪一种光合碳同化类型的植物，都具有C3途径，这是光合碳代谢的基本途径。C4途径、CAM途径以及光呼吸途径只是对C3途径的补充。也由于长期受环境的影响，使得在同一科属内甚至在同一植物中可以具有不同的光合碳同化途径。例如禾本科黍属的56个种内有C4植物种47个，C3植物种8个，C4中间类型1个；在大戟属和碱蓬属内，则同时包括C3、C4和CAM植物。禾本科的毛颖草在低温多雨地区为C3植物，而在高温少雨地区为C4植物。C3植物感病时往往会出现C4植物的特征，如C3植物烟草感染花叶病毒后，PEPC代替了被抑制了的Rubisco，在幼叶中出现了C4途径。玉米幼苗叶片具有C3特征，至第五叶才具有完全的C4特性。C4植物衰老时，会出现C3植物的特征。也有一些肉质植物在水分胁迫条件下由C4途径转变为CAM途径。CAM植物则有专性和兼性之分。 总之，不同碳代谢类型之间的划分不是绝对的，它们在一定条件下可互相转化，这也反映了植物光合碳代谢途径的多样性、复杂性以及在进化过程中植物表现出的对生态环境的适应性。 |
