在2014年的時(shí)候，我國(guó)著名雜交水稻學(xué)家袁隆平在接受媒體采訪時(shí)談到，他正在研究把玉米的碳四基因轉(zhuǎn)到水稻當(dāng)中，如果能成功，光合效率可以提高30%到50%，從而大大提高產(chǎn)量。

其中袁老談到的“碳四“指的就是碳四植物，相比碳三植物，碳四植物具有更高的光合作用效率，更強(qiáng)的抗旱能力和生存能力，其農(nóng)作物也具有更高的產(chǎn)量。

在現(xiàn)有的地球植物物種當(dāng)中，碳三植物占了95%，典型的碳三植物有水稻、小麥、煙草、大豆，以及絕大部分農(nóng)作物；而碳四植物只占3%，典型的碳四植物有玉米、高粱、甘蔗等等。

在1940年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了碳的同位素碳-14，十年后，美國(guó)著名生物化學(xué)家梅爾文·卡爾文以小球藻為研究對(duì)象，利用碳-14首次探明了植物光合作用的固碳過(guò)程——光合碳循環(huán)，也稱作卡爾文循環(huán)或者碳三循環(huán)，他也因此獲得1961年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

目前，科學(xué)家在高等植物中發(fā)現(xiàn)的固碳方式一共有三種：碳三循環(huán)、碳四循環(huán)和CAM循環(huán)，其中碳三循環(huán)是植物最普遍的固碳方式，另外兩種固碳方式則更加高級(jí)。

植物進(jìn)行光合作用，可以把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，然后釋放氧氣，光合作用主要包含了光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段：

光反應(yīng)：在色素和酶的作用下，植物把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能（受體為ATP等等），即2H2O—>4H(+)+O2 ， ADP+Pi—>ATP。

暗反應(yīng)：植利用活躍的化學(xué)能同化CO2，生成有機(jī)物，CO2+C5—>2C3， 2C3+H(+)—>(CH2O)+C5+H2O。

總反應(yīng)方程式：CO2+H2O—>（CH2O）+O2，（CH2O）表示糖類。

大部分植物在得到二氧化碳后，會(huì)把一個(gè)二氧化碳整合到一個(gè)五碳糖分子1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）當(dāng)中，從而得到一個(gè)六碳化學(xué)物，完成二氧化碳的固定，但是這個(gè)六碳化合物極不穩(wěn)定，會(huì)馬上分解為兩個(gè)三碳化合物3-磷酸甘油酸（PGA），以這種過(guò)程進(jìn)行光合作用的植物叫做碳三植物。

在碳四植物的葉綠體中，含有碳三植物不具備的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEP），PEP具有三個(gè)碳原子，并且和CO2有極強(qiáng)的親和力；而碳三植物中的RuBP，遇到CO2能固碳，遇到O2也能固氧，對(duì)于后者來(lái)說(shuō)完全是一種浪費(fèi)，這大大降低了碳三植物的光合作用效率。

碳四植物中的PEP在吸收CO2后，轉(zhuǎn)運(yùn)至鞘細(xì)胞中再脫下CO2，從把O2和CO2分開(kāi)，再進(jìn)行卡爾文循環(huán)，可以看到，碳四植物本質(zhì)上就是比碳三植物多了一個(gè)二氧化碳的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，相對(duì)于多了一臺(tái)二氧化碳渦輪增壓泵。

在完成卡爾文循環(huán)后，PGA在酶的催化作用下，消耗ATP最終合成糖類，每六個(gè)CO2分子可以得到一個(gè)糖類分子。

碳四植物多了一步后，對(duì)自身的光合作用和環(huán)境適應(yīng)能力有了極大的改善，首先碳四植物可以在濃度更低的二氧化碳環(huán)境中進(jìn)行光合作用。

更大的影響則是對(duì)水分的利用，植物葉子上有很多氣孔，在進(jìn)行光合作用時(shí)水分也會(huì)通過(guò)氣孔蒸發(fā)掉，植物吸收水分的97%都是蒸發(fā)掉的，只有不到3%用于自身物質(zhì)的合成，這在炎熱干旱地區(qū)更明顯。

如果植物關(guān)閉氣孔減少水分蒸發(fā)，那么二氧化碳也會(huì)減少，光合作用產(chǎn)生的氧氣增多，對(duì)于碳三植物來(lái)說(shuō)是非常不利的，而且溫度升高后RuBP對(duì)氧氣的親和能力也會(huì)增加；而碳四植物就很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，碳四植物可以縮小氣孔減少水分蒸發(fā)量，同時(shí)還不會(huì)降低自身的光合作用效率。

正因?yàn)槿绱?，碳三植物固定一個(gè)CO2分子，需要蒸發(fā)掉800多個(gè)水分子，而碳四植物只需要蒸發(fā)不到300個(gè)水分子，后者只有前者的三分之一，所以碳四植物具有更強(qiáng)的抗旱能力和抗熱能力，廣泛分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)。

另外，還有更特殊的CAM植物，通過(guò)景天酸代謝途徑在夜間吸收CO2，在白天進(jìn)行碳四循環(huán)，具有比碳四植物更強(qiáng)的抗旱能力，CAM植物多是多漿液植物，比如仙人掌、蘆薈、龍舌蘭等等。

另外，植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，同時(shí)也會(huì)進(jìn)行呼吸作用來(lái)產(chǎn)生ATP，對(duì)于碳三植物來(lái)說(shuō)，光呼吸會(huì)消耗掉大約30%的固定碳，而碳四植物和CAM植物的光呼吸非常弱，這也大大增加了碳四植物農(nóng)作物的產(chǎn)量。

可惜的是，我們吃的米飯來(lái)源——水稻，沒(méi)有進(jìn)化成碳四植物，水稻對(duì)水分和光照的要求極高，如果能把水稻培育成碳四植物，那么就能大大增加水稻的產(chǎn)量和抗旱能力，玉米和水稻的基因比較相近，所以科學(xué)家也在試圖把玉米的碳四基因轉(zhuǎn)移到水稻當(dāng)中，當(dāng)然這是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，因?yàn)榛虻倪w移會(huì)導(dǎo)致一系列難以預(yù)測(cè)的改變。

既然碳四植物擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，為何地球上的絕大部分植物還是碳三植物呢？

原因在于碳四植物有利端必定存在弊端，由于碳四循環(huán)比碳三循環(huán)多了一步，所以碳四循環(huán)需要消耗更多的能量，比如植物每合成一個(gè)葡萄糖分子，碳四植物需要消耗30個(gè)ATP，而碳三植物只需要消耗18個(gè)ATP，在陽(yáng)光不充足的地方，碳三植物反而具有生存優(yōu)勢(shì)。

水稻的原產(chǎn)地由于水分充足，所以無(wú)需考慮水分的蒸發(fā)，或許這就是水稻沒(méi)有進(jìn)化成碳四植物的原因，但是如今人類對(duì)水稻的生產(chǎn)要求提高，希望水稻能在條件更加苛刻的地方進(jìn)行種植。

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