主要区别 – C3 与 C4 植物

C3和C4植物是分别在光合作用的暗反应过程中使用C3和C4循环的两类植物。地球上大约 95% 的植物是 C3 植物。甘蔗、高粱、玉米和草是 C4 植物。 C4 植物的叶子表现出 Kranz 解剖结构。 C4 植物即使在低浓度二氧化碳和炎热干燥条件下也能进行光合作用。因此，C4植物的光合作用效率高于C3植物的光合作用效率。这 主要区别 C3 和 C4 植物之间是 在 C3 植物中观察到二氧化碳的单一固定，在 C4 植物中观察到二氧化碳的双重固定.

本文探讨，

1.什么是C3植物 – 定义、特征、特征、示例 2.什么是C4植物 – 定义、特征、特征、示例 3、C3和C4植物有什么区别

什么是 C3 植物

C3 植物使用卡尔文循环作为光合作用中暗反应的机制。卡尔文循环中产生的第一个稳定化合物是 3-磷酸甘油酸。由于 3-磷酸甘油酸是一种三碳化合物，因此卡尔文循环被称为 C3 循环。 C3 植物通过酶、二磷酸核酮糖羧化酶 (rubisco) 直接固定二氧化碳。这种固定发生在叶肉细胞的叶绿体中。 C3 循环发生在三个步骤中。在第一步中，二氧化碳被固定在五碳糖中，即核酮糖 1, 5-二磷酸酯中，后者又被水解为 3-磷酸甘油酸。在第二步中，一些 3-磷酸甘油酸被还原成磷酸己糖，如葡萄糖 6-磷酸、葡萄糖 1-磷酸和果糖 6-磷酸。剩余的 3-磷酸甘油酸被回收，形成 1, 5-磷酸核酮糖。

C3 植物的最佳温度范围是 65-75 华氏度。当土壤温度达到 40-45 华氏度时，C3 植物开始生长。因此，C3植物被称为 冷季植物.光合作用的效率随着温度的升高而降低。在春季和秋季，由于土壤湿度高、光周期较短和温度较低，C3 植物变得富有成效。在夏季，由于高温和土壤湿度较低，C3 植物的产量较低。 C3 植物可以是一年生植物，如小麦、燕麦和黑麦，也可以是多年生植物，如羊茅和果园。图1显示了拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶的横截面，它是一种C3植物。束鞘细胞以粉红色显示。

图 1：拟南芥叶

什么是 C4 植物

C4植物在光合作用的暗反应中使用Hatch-Stack循环作为其反应机制。在 Hatch-Stack 循环中产生的第一个稳定化合物是草酰乙酸。由于草酰乙酸酯是一种四碳化合物，因此 Hatch-Stack 循环称为 C4 循环。 C4 植物分别通过磷酸烯醇丙酮酸羧化酶和核酮糖二磷酸羧化酶 (rubisco) 在叶肉细胞和束鞘细胞中两次固定二氧化碳。叶肉细胞中的磷酸烯醇丙酮酸盐与二氧化碳冷凝，形成草酰乙酸盐。这种草酰乙酸变成苹果酸以转移到束鞘细胞中。在束鞘细胞内，苹果酸脱羧，使二氧化碳可用于这些细胞中的卡尔文循环。然后二氧化碳第二次固定在束鞘细胞内。

C4植物的最适温度是华氏90-95度。 C4 植物在 60-65 华氏度开始生长。因此，C4植物被称为热带或暖季植物。 C4 植物从土壤中收集二氧化碳和水的效率更高。气体交换气孔在一天中的大部分时间都保持关闭，以减少干燥和炎热条件下水分的过度流失。一年生 C4 植物是玉米、珍珠粟和苏丹草。多年生 C4 植物是狗牙根、印度草和柳枝稷。 C4 植物的叶子表现出 Kranz 解剖结构。光合作用束鞘细胞覆盖叶的维管组织。这些束鞘细胞被叶肉细胞包围。图 2 显示了玉米叶的横截面，展示了 Kranz 解剖结构。

图 2：玉米叶

C3和C4植物之间的区别

替代名称

C3植物： C3植物被称为凉季植物。

C4植物： C4植物被称为暖季植物。

克兰兹解剖学

C3植物： C3 植物的叶子缺乏 Kranz 解剖结构。

C4植物： C4 植物的叶子具有 Kranz 解剖结构。

细胞

C3植物： 在C3植物中，暗反应是由叶肉细胞进行的。束鞘细胞缺乏叶绿体。

C4植物： 在 C4 植物中，暗反应由叶肉细胞和束鞘细胞进行。

叶绿体

C3植物： C3植物的叶绿体是单态的。 C3 植物仅含有粒状叶绿体。

C4植物： C4植物的叶绿体是二态的。 C4 植物包含颗粒状和非颗粒状叶绿体。

外围网

C3植物： C3 植物的叶绿体缺乏外围网。

C4植物： C4 植物的叶绿体含有外周网。

光系统II

C3植物： C3植物的叶绿体由PS II组成。

C4植物： C4 植物的叶绿体不包含 PS II。

气孔

C3植物： 当气孔关闭时，光合作用受到抑制。

C4植物： 即使气孔关闭，光合作用也会发生。

二氧化碳固定

C3植物： 在 C3 植物中发生单一的二氧化碳固定。

C4植物： 在 C4 植物中发生双重二氧化碳固定。

二氧化碳固定效率

C3植物： 在 C3 植物中，二氧化碳固定效率较低且缓慢。

C4植物： 在 C4 植物中，二氧化碳固定更有效、更快速。

光合作用效率

C3植物： C3 植物的光合作用效率较低。

C4植物： C4植物的光合作用是有效的。

光呼吸

C3植物： 当二氧化碳浓度低时，C3 植物会发生光呼吸。

C4植物： 在低二氧化碳浓度下没有观察到光呼吸。

最佳温度

C3植物： C3 植物的最佳温度范围是 65-75 华氏度。

C4植物： C4 植物的最佳温度范围是 90-95 华氏度。

羧化酶

C3植物： C3植物中的羧化酶是rubisco。

C4植物： C4植物中的羧化酶是PEP羧化酶和rubisco。

暗反应中的第一个稳定化合物

C3植物： 在 C3 循环中产生的第一个稳定化合物是一种称为 3-磷酸甘油酸的三碳化合物。

C4植物： 在 C4 循环中产生的第一个稳定化合物是一种四碳化合物，称为草酰乙酸。

植物的蛋白质含量

C3植物： C3植物含有高蛋白质含量。

C4植物： 与 C3 植物相比，C4 植物的蛋白质含量较低。

结论

C3 和 C4 植物在光合作用的暗反应期间使用不同的代谢反应。 C3 植物使用卡尔文循环，而 C4 植物使用 Hatch-Slack 循环。在 C3 植物中，通过将二氧化碳直接固定为 1, 5-二磷酸核酮糖，在叶肉细胞中发生暗反应。在 C4 植物中，二氧化碳被固定在磷酸烯醇丙酮酸中，形成苹果酸，以便转移到发生卡尔文循环的束鞘细胞中。因此，二氧化碳在 C4 植物中被固定两次。为了适应C4机制，C4植物的叶子表现出Kranz解剖结构。与 C3 植物相比，C4 植物的光合作用效率高。 C4植物即使在气孔关闭后也能进行光合作用。因此，C3 和 C4 植物之间的主要区别在于它们的代谢反应，在光合作用的暗反应期间运行。

参考：1. Berg, Jeremy M.“卡尔文循环从二氧化碳和水合成己糖。”生物化学。第 5 版。美国国家医学图书馆，1970 年 1 月 1 日。Web。 2017 年 4 月 16 日。2. 哈维洛迪什。 “光合作用期间的二氧化碳代谢。”分子细胞生物学。第 4 版。美国国家医学图书馆，1970 年 1 月 1 日。Web。 2017 年 4 月 16 日。

图片提供：1. “拟南芥的横截面，一种 C3 植物”，作者 Ninghui Shi – 自己的作品（CC BY-SA 3.0），来自 Commons Wikimedia 2. “玉米的横截面，一种 C4 植物”，Ninghui Shi – 自己的作品，（CC BY-SA 3.0）来自Commons Wikimedia