C3和C4光合作用

采用C3途径进行光合作用暗反应的植物被称为C3植物。这些植物的叶子没有显示出 Kranz 解剖结构的迹象。只有当气孔张开时，这种植物的光合作用过程才会开始。大约 95% 的所有植物、树木和灌木都被归类为 C3 植物。而 C4 植物被定义为在暗反应中使用 C4 途径的植物。这些植物具有双态叶绿体，与 C3 植物相比，C4 植物的叶子具有 Kranz 解剖结构。地球上约有 5% 的植物被归类为 C4 植物。阅读本文，了解 C3 和 C4 植物的区别。

由于光合作用产生的初始碳 分子 含有三个碳 原子，因此大多数植物，包括农作物，都被归类为 C3 植物。另一方面，在高温和强光下，氧气与光合作用酶 Rubisco 的亲和力很强。氧气可以代替二氧化碳与 Rubisco 结合，并通过一种称为光呼吸的过程降低 C3 植物的光合作用和水分利用效率。

一些植物在高温、强光且土壤水分通常有限的环境中进化出了 C4 光合作用。C4 植物特殊的叶片解剖结构和生物化学极大地提高了它们的光合作用和水分利用效率，使它们能够在二氧化碳进入叶片时将其结合，并生成一种四碳化合物，该化合物会将二氧化碳传递并浓缩到 Rubisco 酶周围的特定细胞中。因此，在强光和高温条件下，C4 植物通常比 C3 植物产量更高。玉米、高粱、甘蔗、小米和鼠尾草是一些 C4 植物的例子。然而，在凉爽的条件下，C3 植物通常具有更高的光合作用效率和生产力，因为 C4 的形态和生化适应比 C3 光合作用需要更多的植物能量和资源。

研究人员一直在研究较高的 CO2 浓度如何影响 C4 和 C3 植物的生长和作物产量，因为二氧化碳是植物光合作用所需的غاز。研究表明，尽管 C3 植物不像 C4 植物那样适应温暖的温度，但它们从较高的 CO2 浓度中受益，生长和产量有所提高。C3 植物的光合作用受二氧化碳限制。另一方面，由于其适应性，C4 植物对二氧化碳的敏感性较低，当二氧化碳水平较高时，它们的生长不像 C3 植物那样增加。在较高的 CO2 水平田间试验中，C4 植物的产量也没有更高。

此外，与在土壤氮肥充足条件下种植的植物相比，如果土壤氮肥有限，C3 植物对 CO2 浓度增加或作物氮含量/蛋白质含量的敏感性会降低（Taub, 2010）。这些发现表明，为了使作物受益于大气 CO2 浓度的增加，它们可能需要更多的土壤养分。

其他耐旱农作物性状

其他有助于植物耐受热应激和干旱的特性包括：叶片厚实且有蜡质层，可减缓蒸腾作用和水分流失；以及深层根系，这是多年生植物的特征。一些植物还会卷曲叶片以减少可用于加热和吸收太阳辐射的表面积，而一些植物比其他植物更能降低其气孔导度（水分流失）。

温度

与气候变化相关的气温升高会以多种方式影响植物的生长条件。虽然白天长度不会改变，但气候变化可能导致某些地区的农业季节延长。更长的生长季节可能会改变播种时间，使作物暴露于更高的温度、水分胁迫和霜冻。此外，气温升高可能导致土壤蒸发更多水分，从而减少土壤中的可用水量。即使气温低于植物的理想温度，气温升高并不总是对产量有利。气温升高会导致植物生长加快，这往往会导致：

1. 缩短光合作用和生长所需的时间，使植物体型变小；以及
2. 缩短籽粒灌浆所需的时间，降低产量，尤其是当夜间温度很高时。

此外，高温会杀死 花粉 并降低其活力。研究表明，当气温升高时，籽粒生长和产量常常会下降，这可能是由于高温对植物生理过程和土壤水分的各种影响。

影响植物生长的因素有很多，预计这些因素将随着气候变化而改变。这些因素包括温度、降水、土壤水分、二氧化碳浓度和低层大气臭氧浓度。

C3 和 C4 植物的区别

C3 植物

C3 植物是指没有进行光合作用以降低光呼吸的适应性的一般植物。利用 rubisco 固定二氧化碳的植物被称为 C3 植物。卡尔文循环负责此固定。C3 植物，包括所有树木、水稻、小麦和大豆，占所有植物的约 85%。

C4 植物

在 C4 植物中，卡尔文循环和光反应过程在物理上是分离的。在这种情况下，叶肉细胞会发生光反应。叶片中心的疏松组织称为叶肉细胞。相反，卡尔文循环发生在叶片中围绕维管束的特殊细胞中。我们称这些细胞为束鞘细胞。

以 C4 光合作用为例，我们来看看这种分离是如何有帮助的。在叶肉细胞中，环境 CO2 首先被固定，生成一种简单的四碳有机酸。它的另一个名称是草酰乙酸。PEP 羧化酶，一种通常不结合 O2 的非 rubisco 酶，负责这项活动。

草酰乙酸会进一步转化为相关的化学物质。这种分子的名称是苹果酸。然后，它进入束鞘细胞。这种苹果酸在束鞘内分解，释放出 CO2 分子。与 C3 光合作用类似，rubisco 在固定 CO2 并通过卡尔文循环将其转化为糖方面起着至关重要的作用。C3 和 C4 植物的比较是：

1. 这两种植物都是光合作用暗反应的例子。
2. 这些植物储存太阳能。
3. 这两种植物都能产生碳水化合物。
4. 它们需要叶绿体才能进行光合作用。
5. 两种植物都由相同的光反应组成。
6. 在 C3 和 C4 植物中，RuBP 都接受 CO2。