在高等植物中,光合碳同化主要有3种类型：C3途径,C4途径和景天酸代谢途径(CAM).C3植物中,CO2的固定主要取决于1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPCase)的活化状态,因为该酶是光合碳循环的入口钥匙.它催化1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)羧化,将大气中的CO2同化,产生两分子磷酸甘油酸,可见RuBPCase在C3植物中同化CO2的重要性.C4植物是从C3植物进化而来的一种高光效种类.与C3植物相比,它具有在高光强,高温及低CO2浓度下,保持高光效的能力.C4植物固定CO2的酶为磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase),与C3作物中RuBPCase相比,PEPCase对CO2的亲和力高.C4植物的细胞分化为叶肉细胞和鞘细胞,而光合酶在两类细胞中的分布不同,如PEPCase在叶肉细胞固定CO2,生成草酰乙酸(OAA),OAA进一步转化为苹果酸(Mal),Mal进入鞘细胞,脱羧,被位于鞘细胞内的RuBPCase羧化,重新进入卡尔文循环.这种CO2的浓缩机理导致了鞘细胞内的高浓度的CO2,一方面提高RuBPCase的羧化能力,另一方面又大大抑制了RuBPCase的加氧活性,降低了光呼吸,从而使C4植物保持高的光合效率.正是因为C4途径具有高光合能力,自60年代以来,试图利用C4光合特性来改进C3植物的光合效率,一直是一个引人注目的研究问题.多年来,人们希望通过C3植物与C4植物杂交,将C4植物同化CO2的高效特性转移到C3植物中去,但至今尚未取得令人满意的结果,其杂种F1和F2代的光合效率均比任何一个亲本都低,基于上述情况,试图通过杂交将具有C3途径的许多作物(如水稻、小麦,大豆)改造为具有C4途径植株的可能性极微.但却可能从C3植物中筛选出有PEPCase及C4途径表达较高的变异株,并加以遗传改进,从而提高C3植物的光合效率.所以几十年来,人们设想在那些利用杂种优势不明显的品种内,如C3作物大豆、小麦中筛选高光效品种.Winter(1974)指出C3植物(如小麦、大麦)不同的绿色器官中,PEPCase,RUBPase的活性存在显著差异.这不仅表现在碳同化速率上,同时也表现在碳素同化的途径上.随着人们发现C3植物中存在C4途径,根据这一特点,寻找C4途径表达强的C3植物逐渐成为光合研究的一个侧重点.为此,大量的工作已经被开展并已取得许多令人欣喜的成果.不仅证明了在C3植物中C4途径的存在,而且发现同种植物中不同品系间C4途径的强弱有较大差异.但是有关C4途径在C3植物中的表达方式及途径的研究开展还很少,人们仅发现C3植物中C4途径的客观存在,至于C4途径在C3植物中的作用机理及在植物光合作用中所占的比例,均有争议,但无论如何,有关C3植物中C4途径存在的发现及由此进行的筛选高光效品系工作,为基因工程改造培育新品种和高产农作物提供了理论依据. 　　1C3植物中C4途径的发现及研究现状 　　C3植物中C4途径的发现是伴随着C4途径的发现而发现的.1953年Calvin确定了植物体内C3途径的存在,1965年Kortschack等在夏威夷甘蔗试验中观察到CO2固定的初期产物是四碳酸,1966年,澳大利亚的Hatch在甘蔗研究上获得了证实,并提出了C4途径.从此植物界光合碳同化方式有了C3途径和C4途径的区分.但是随着研究的日益深入,科学家们发现C3植物和C4植物的区分并非绝对的.Duffus等(1973)报道在C3植物大麦颖片中,具有高于叶片中的PEPCase含量,而PEPCase是C4途径中关键性酶,因此提出了C3植物中可能有C4途径的存在.Nutbeam等(1976)发现,非成熟的C3作物大麦种子固定CO21min后,84%的14C分布在苹果酸中,其余的在戊糖磷酸和蔗糖中.固定后2min,主要标记产物是蔗糖,6分钟后,蔗糖中的14C占整个固定14CO2的94%.从而进一步证实了C3植物中C4途径的存在.在粟米草属(Mollugonudicaulis)中同一植物内可同时存在光合作用的C3和C4途径,嫩叶属C3途径,老叶属C4途径,中部叶属于中间类型.在其它C3植物中,亦发现有C4途径的存在,如宽叶香蒲(Typhalatifolia)和芫荽(Coriandrumsativum)(刘振业等,1983).Cheng等(1988),Moore等(1989)和Ku等(1991)曾报道,在黄花菊属(Flaveria)中有类似C4途径的种类,它们表现出C4植物的特征；另外Bowes等(1989)指出在水韭属(Isoeres)种类中也具有同样的现象.Reiskind等(1997)发现一种两栖植物黑藻(Hydrillaverticillata),在冬季C3代谢很旺盛,而在夏季水生条件下,尽管不具有“Kranz”结构,但仍有活跃的C4代谢.看来,高等植物CO2的两种类型代谢途径,C3和C4途径不是截然分开的,而是相互联系的,在一定条件下可以相互转化的. 　　Hatch等(1990)经过数年的观察,他们认为判定植物体内是否具有C4途径,必须符合以下两个条件：①酶学研究,即C4途径有关的酶PEPCase,NAD(P)-苹果酸酶,NAD(P)-苹果酸脱氢酶,丙酮酸磷酸双激酶及碳酸酐酶等,与C3植物体内相应的同功酶比较,活性较高.②14CO2示踪试验证明：CO2的最初产物为C4酸即苹果酸(Mal)和天冬氨酸(Asp),而且这些有机酸脱羧后,CO2转移到有机物如糖类、淀粉中去. 　　1.1酶学研究 　　近几十年来,人们围绕着C3植物中C4酶的存在做了大量工作,并取得了许多成果.PEPCase是C4途径的最初固定CO2的酶,大量研究表明,PEPCase不仅存在于C4植物中,而且也广泛存在于C3植物中.Ting等(1973)认为C3植物PEPCase对底物PEP,HCO3的亲和力也比C4植物中同功酶的亲和力约高6倍.因此PEPCase在C3植物中碳代谢作用是不可忽视的,尤其当植物体内外条件发生变化时,其活性发生显著变化.如烟草感染花叶病毒时,RUBPase被抑制,其功能可部分地被PEPCase代偿；小麦和大豆在干旱条件下,PEPCase活性可被显著提高.近来,Jenkins(1989)用PEPCase专一性抑制剂3,3-2氯-2-(二羟膦甲基)-丙烯酯(DCDP)证明,C3植物中C4光合酶PEPCase对CO2的同化有一定的贡献.郝乃斌等(1991b)的研究表明,大豆不同器官中的PEPCase/RuBPCase的比值差异显著,其中叶片中的比值最低,为0.27,而种皮中的比值最高为8.66,子叶中为6.49,这说明大豆种皮和子叶中PEPCase活性要比该器官中的RuBPCase活性高出几倍.而且还证明,PEPCase不仅大量固定呼吸作用所释放的CO2,同时还可以通过C4途径固定CO2.C4途径的存在标志着细胞有可能通过“CO2泵”的方式提高光合碳循环的CO2浓度,使RuBPCase的催化方向朝着有利于形成碳水化合物的方向运转.Kelly(1977)等认为与C4植物中的PEPCase相比,C3植物体内的活性较低,但与碳同化中的一些限速酶的活性相比,