C3植物和C4植物的光合特征

C3和C4植物光谱反射率
光谱反射率是植物的重要生理特征之一，可以用于区分不同类型植物。

C3和C4植物是两种不同的光合作用途径，它们在同一波段的光谱反射率也有所不同。

C3植物是指碳同化过程中产生三个碳酸的植物，如大部分树木、花草和农作物等。

这类植物的光谱反射率在可见光波段表现为较高的反射率，而在近红外波段表现为较低的反射率。

这是由于叶片中的叶绿素吸收了大部分可见光，使得可见光的反射率较低；而近红外波段的反射率较高，是由于细胞结构的反射和波长长的光能更好地渗透叶片，使叶片更易于吸收近红外波段的光线。

因此，C3植物在可见光和近红外波段的反射率表现为反向关系。

与之相反，C4植物是指碳同化过程中产生四个碳酸的植物，如玉米、高粱等。

这类植物的光谱反射率在可见光波段表现为较低的反射率，而在近红外波段表现为较高的反射率。

这是由于C4植物中的叶绿体结构与C3植物不同，可以更好地吸收近红外波段的光线，使得近红
外波段的反射率更高；同时，C4植物中有更多的“补偿点”存在，可以减少可见光波段的反射，使得可见光波段的反射率更低。

总的来说，C3和C4植物的光谱反射率在可见光和近红外波段表现为反向关系。

这一特征可以用于卫星遥感调查中，区分不同类型的植被。

此外，通过进一步研究不同波段的反射率差异，也可以深入了解植物的生理特征、适应性和生境变化等问题，为植物生态学和环境保护研究提供重要参考。

植物与植物的比较人们根据光合作用碳素同化的最初光合产物的不同，把高等植物分成两类：(1)C3植物。

这类植物的最初产物是3-磷酸甘油酸(三碳化合物)，这种反应途径称C3途径，如水稻、小麦、棉花、大豆等大多数植物。

(2)C4植物。

这类植物以草酰乙酸(四碳化合物)为最初产物，所以称这种途径为C4途径，如甘蔗、玉米、高粱等。

一般来说，C4植物比C3植物具有较强的光合作用，原因有：一、叶片的显微结构——重点比较维管束鞘细胞结构C4植物叶片的维管束薄壁细胞较大，其中含有许多较大的叶绿体，叶绿体没有基粒或基粒发育不良；维管束鞘的外侧密接一层成环状或近于环状排列的叶肉细胞，组成了“花环型”结构。

这种结构是C4植物叶片所特有的特征。

叶肉细胞内的叶绿体数目少，个体小，有基粒。

C3植物的维管束鞘薄壁细胞较小，不含或很少叶绿体，没有“花环型”结构，维管束鞘周围的叶肉细胞排列松散。

植物植物C4植物通过磷酸烯醇式丙酮酸固定二氧化碳的反应是在叶肉细胞中进行的，生成的四碳双羧酸转移到维管束鞘薄壁细胞中，放出二氧化碳，参与卡尔文循环，形成糖类，所以甘蔗、玉米等C4植物进行光合作用时，只有维管束鞘薄壁细胞形成淀粉，在叶肉细胞中没有淀粉。

而水稻等C 3植物由于仅有叶肉细胞含有叶绿体，整个光合过程都是在叶肉细胞里进行，淀粉亦只是积累在叶肉细胞中，维管束鞘薄壁细胞不积存淀粉。

三、在生理上，C4植物一般比C3植物具有较强的光合作用，这是与C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性较强，光呼吸很弱有关。

?卡尔文循环的CO2固定是通过核酮糖二磷酸羧化酶的作用来实现的，C4途径的CO2固定是由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化来完成的。

两种酶都可使CO2固定。

但它们对CO2的亲和力却差异很大。

试验证明，C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活性比C3植物的强60倍，因此，C4植物的光合速率比C3植物快许多，尤其是在二氧化碳浓度低的环境下，相差更是悬殊。

由于磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶对CO2的亲和力大，所以，C4植物能够利用低浓度的二氧化碳，而C3植物不能。

C3和C4植物的光合速率曲线图
C3和C4植物的光合速率曲线图
在一些教辅资料中，经常会见到两种不同的CO2-光合速率曲线（见图1和图2）。

不禁要问到底哪个曲线是正确的呢？
笔者认为图1和图2均正确。

在自然界中，图1的情况具有普遍性，图2的情况应属特例。

图像分析：C4植物只有在高温、强光、干旱和低CO2的条件才会显现出其高光效的特性。

而在光强、温度较低，以及CO2浓度足够高的情况下，其光合效率还低于C3植物。

因此说图1所示情况具有普遍性。

具体来讲，图中C3和C4植物所处的光照、温度等条件是相同。

而我们知道C4植物是由C3植物进化而来的，两者在光合作用方面的差别主要体现为暗反应阶段的碳同化途径不同，光反应阶段差别不大。

在同等的适宜光照条件下，产生的还原性NADPH和ATP可认为是基本相等的，而且两者都实现了光合作用的“最大潜力”（即达到饱和点）。

这时限制因素已经不再是CO2浓度，按理两者的光合速率应该相等。

但C4植物因为推动“CO2泵”时消耗了部分ATP，故光合速率要低一些。

况且在高的CO2浓度下（C3植物的CO2饱和点远高于大气中CO2浓度），C3植物的光呼吸和有氧呼吸都会受到明显抑制。

因此，当C3植物达到CO2饱和点时，其表观光合速率一般较C4植物高。

课题8：第一节光合作用──C3植物和C4植物一、【自主学习】1、C3和C4植物概念：（1）C3植物：在光合作用过程中仅有途径的植物，如、等大多数植物属此类。

在暗反应中1个C02首先被1个固定后形成2个。

（2）C4植物：在光合作用过程中，CO2中的C首先被转移到中，然后才转移到中，如等。

C3和C4植物叶片结构特点比较：C3植物C4植物维管束鞘细胞形态小叶绿体(有、无)叶肉细胞排列疏松叶绿体(有、无)固定C02 固定化合物固定产物有机物合成场所二、【知识归纳】1、C4植物光合作用的特点过程图解：C4植物基本特点可归纳为：在C4植物中有C4途径也有C3途径C4途径发生在叶肉细胞的叶绿体中，C3途径发生在维管束鞘细胞叶绿体中C4途径起到传递集中CO2作用，将外界的光合原料传递到维管束鞘细胞叶绿体内合成有机物④在传送CO2的过程中，要消耗能量，来自ATP提供能量⑤二氧化碳的转移通过草酰乙酸、丙酮酸完成，不是气体直接通过细胞传递⑥C4途径中固定CO2的酶（PEP羧化酶）有很强的亲和能力，可以将大气中的低浓度CO2固定下来⑦C4途径固定CO2的能力要比C3途径中的强，起到CO2泵的作用，提高了C4植物利用CO2的能力⑧ 干旱条件下，叶片气孔关闭，C4植物能利用叶肉细胞间隙的低浓度CO2光合，C3植物不能2、光合作用的过程及C3、C4间的转换： 三、【精彩回放】 1、（08北京理综）在光照下，小麦（C3植物）叶片的叶肉细胞和维管束鞘细胞都能发生的生理过程是（ ）A 、水光解释放O2B 、固定CO2形成三碳化合物C 、产生ATP 和[H]D 、光合色素吸收并转换光能 2、（08四川理综）分别取适宜条件下和低温低光照强度条件下生长的玉米植株叶片，徒手切片后，立即用碘液染色，置于显微镜下观察，发现前者维管束鞘细胞有蓝色颗粒，而后者维管束鞘细胞没有蓝色颗粒，后者没有的原因是（ ） A ．维管束鞘细胞不含叶绿体，不能进行光合作用 B ．维管束鞘细胞能进行光反应，不能进行暗反应 C ．叶片光合作用强度低，没有光合作用产物积累 D ．叶片光合作用强度高，呼吸耗尽光合作用产物 3、（07全国理综Ⅰ、30．26分）回答下列I 、II 小题：I ．玉米和小麦在适宜条件下照光一段时间后，将叶横切用碘液染色，在显微镜下观察这两种植物的维管束鞘细胞和叶肉细胞，结果发现玉米叶片的维管束鞘细胞被染色，小麦叶片的 被染成 ，被染色的原因是 。

C3植物和C4植物的差异C3植物和C4植物的差异特征 C3植物C4植物叶结构维管束鞘不发达，其周围叶肉细胞排列疏松维管束鞘发达，其周围叶肉细排列紧密叶绿体只有叶间细胞有正常叶绿体叶肉细胞有正常叶绿体，维管束鞘细胞有叶绿体，但基粒无或不发达叶绿素a/b 约3：1 约4：1CO2补偿点30—70 <10光饱和点低（3—5万烛光）高碳同化途径只有光合碳循环（C3途径）C4途径和C3途径原初CO2受体RuBp PEP光合最初产物C3酸（PGA）C4酸（OAA）RuBp羧化酶活性较高较低PEP羧化酶活性较低较高净光合速率（强光下）较低（15~35）较高（40—80）光呼吸高，易测出低，难测出碳酸酐酸活性高低生长最适温度较低较高蒸腾系数高（450—950）低（250—350）光合作用与呼吸作用有何区别与联系？植物的光合作用和呼吸作用是植物体内相互对立而又相互依存的两个过程。

光合作用呼吸作用以CO2和H2O为原料以O2和有机物为原料产生有机物和O2 产生CO2和H2O叶绿素捕获光能有机物的化学能暂时存于A TP中或以热能消失通过光合磷酸化把光能转变为AIP 通过氧化磷酸化把有机物的化学能转化形成ATPH2O的氢主要转移至NADP,形成有机物的氢主要转移至NAD,形成NADH2NADPH2糖合成过程主要利用A TP和NADPH2 细胞活动是利用A TP和NADH2仅有含叶绿素的细胞才能进行光合作用活的细胞都能进行呼吸作用只在光照下发生在光照下或黑暗里都可发生发生于真核植物细胞的叶绿体中EMP.HMP发生于细胞质，TCA 和生物氧化发生于线粒体中光合作用和呼吸作用的联系表现在以下三个方面：1、光合作用所需的ADP和NADP，与呼吸作用所需的ADP和NADP是相同的。

这两种物质在光合和呼吸只共用。

2、光合作用的碳循环与呼吸作用的HMP途径基本上是正反反应的关系。

光合作用和呼吸作用之间有许多中间产物可以交替使用。

1．形态结构的差别两类植物在叶绿体的结构及分布上不一样（见表 1），因 C3植物的维管束不含叶绿体，叶脉颜色较浅； C4植物的维管束含叶绿体，叶脉绿色较深有呈“花环型”的两圈细胞。

表 1C3和 C4植物的叶绿体分布、结构与功能比较植物分布结构功能C叶肉细胞为典型叶绿体既可进行光反应，也能进行暗反应3叶肉细胞为典型叶绿体能进行光反应，经过 C4门路固定 CO2C4维管束鞘细许多、较大，叶绿体不含类囊不进行光反应，能够进行暗反应胞体2．光合作用门路的差别C3植物与 C4植物在光反应阶段完整相同，都经过光反应产生O2、 [H] （本质是 NADPH）和 ATP，为暗反应阶段供给同化力 [H] 和 ATP。

但其暗反应门路不一样样，见表 2。

表 2 C3植物与 C4植物光合作用暗反应阶段的场所与过程比较植暗反应物所场反应过程分门路类C3 C4叶肉细胞叶绿体C3C5+CO2→2C3+ATP+[H]→ C5+（ CH2O）+H2O叶肉细胞叶绿体C C （PEP） +CO→C4432维管束鞘细胞叶绿C C +CO→2C +ATP+[H]→ C+（ CHO）+HO3523522体3．光合作用产物累积部位的差别C3植物整个光合作用过程都是在叶肉细胞里进行的，光合作用的产物只累积在叶肉细胞中。

C4植物中 C4门路固定的 CO2转移到 C3门路是在维管束鞘细胞中进行的，光合作用的暗反应过程也是在维管束鞘细胞中进行的，光合作用的产物也主要累积在维管束鞘细胞中。

4．适应能力的差别一是因 C4植物叶肉细胞的叶绿体固定 CO2的酶——磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（简称 PEP羧化酶）与 CO2的亲和力强于 C3植物叶绿体内固定 CO2的酶。

二是 C4植物与 C3植物对比，光照较强时，其光呼吸明显弱于 C3植物，因此在光照较强的环境中，前者的产量较高。

基于以上原由，在高温、光照激烈和干旱的条件下，绿色植物的气孔关闭。

此时，C4植物能够利用叶片内细胞缝隙中含量很低的CO2进行光合作用、光呼吸较弱，而C3植物不但不可以利用细胞缝隙中的CO2进行光合作用、光呼吸也较强，因此， C4植物比 C3植物更能适应高温、光照激烈和干旱的环境。

C3植物与C4植物的对比与考察重点知识突破C3植物、C4植物比较1．（2005·全国卷Ⅰ·2）在光照下，供给玉米离体叶片少量的14CO2，随着光合作用时间的延续，在光合作用固定CO2形成的C3化合物和C4化合物中，14C含量变化示意图正确的是命题意图：考查C4植物中C的转移途径。

解析：玉米是C4植物，光合作用中固定CO2的途径是先进行C4途经后进行C3途经。

C4途经：在C4植物叶肉细胞的叶绿体中在相关酶的作用下，一个CO2被一个PEP所固定，形成一个C4；C3途经：C4化合物进入维管束鞘细胞的叶绿体中，释放出一个CO2和一个丙酮酸，CO2被一个C5化合物固定后形成两个C3化合物。

在C4途经中，开始时随CO2的增多，所形成的C4随之增多，同时C4释放的丙酮酸也会增多，丙酮酸在相关酶作用下，通过ATP供能，转化成PEP，最后达到一定时保持动态平衡，C4化合物维持在一定的含量；随后在C3途经中，随着C4化合物释放的CO2的增多，被C5固定后形成的C3化合物不断增多积累。

答案：B2．（2005·全国卷Ⅲ·2）右图表示在适宜的温度、水分和CO 2条件下，两种植物光合作用强度的变化情况。

下列说法错误的是（ ） A ．当光照强度增加到一定程度时，光合作用强度不再增加，即达到饱和 B ．C 3植物比C 4植物光合作用强度更容易达到饱和C ．C 4植物比C 3植物光能利用率高D ．水稻是阴生植物，玉米是阳生植物 命题意图：考查C 3植物和C 4植物进行光合作用的区别。

解析：C 4植物进行光合作用最大的特点是能利用较低浓度的CO 2，即在较低浓度CO 2的情况下也能正常进行光合作用。

右图可知当光照强度增加到一定程度时，光合作用强度均不再增加。

而在较强光照下，CO 2成为限制光合作用强度的因素，所以C 3植物比C 4植物光合作用强度更容易达到饱和，由图中水稻曲线也可知；所以C 4植物比C 3植物光能利用率高。