中国关于碳同化的研究应用
王根礼：碳同化是实现碳氢核肥碳中和的根本途径
中国国际碳氢农业科学研究院院长王根礼答记者问
中国碳氢产业网讯(记者王德芳仝振刚)今年以来，记者就依托碳氢科技助推乡村振兴和碳氢核肥碳中和技术在临产实践中实现碳达峰、碳能源、碳金融、碳利用、碳中和这一宏伟战略主体发布了系列报道。然而，对一般受众而言，实现碳中和的根本途径是什么，中央和地方媒体都没有给出科学的解读。为此，我们采访了中国国际碳氢农业科学研究院院长王根礼。王院长的回答很简洁：碳同化是实现碳中和的根本途径。
以下是记者的采访实录。
壹.记者：什么是碳同化?碳同化的基本途径有几种?
王根礼：二氧化碳同化(CO2assimilation)，简称碳同化，是指植物利用光反应中形成的同化力(ATP和NADPH)，将CO2转化为碳水化合物的过程。二氧化碳同化是在叶绿体的基质中进行的，有许多种酶参与反应。
王根礼：高等植物的碳同化途径有三条，即C3途径、C4途径和CAM(景天酸代谢)途径。
贰.记者：什么是碳同化C3途径?它分为几个阶段?
王根礼：如前所述，早在十九世纪末，人们就知道光合作用需要CO2和H2O，产物是糖和淀粉。但是对于CO2是如何被还原成碳水化合物的具体步骤尚不清楚。
直到20世纪40年代中期，美国加州大学的卡尔文(M.Calvin)和本森(A.Benson)采用当时的两项新技术：放射性同位素示踪和双向纸层析，以单细胞藻类作为试验材料，用14CO2饲喂，照光从数秒到几十分钟不等，然后在沸腾的酒精中杀死材料以终止生化反应，用纸层析技术分离同位素标记物，以标记物出现的先后顺序来确定二氧化碳同化的每一步骤。
经十年的系统研究，在50年代提出了二氧化碳同化的循环途径，故称为卡尔文循环(TheCalvincycle)。由于这个循环中CO2的受体是一种戊糖(核酮糖二磷酸)，故又称为还原戊糖磷酸途径(reductivepentosephosphatepathway，RPPP)。这个途径中二氧化碳被固定形成的最初产物是一种三碳化合物，故称为C3途径。
王根礼：卡尔文循环具有合成淀粉等产物的能力，是所有植物光合碳同化的基本途径，大致可分为三个阶段，即羧化阶段、还原阶段和再生阶段。
碳同化的基本要素：阳光、空气、水
第一阶段，羧化阶段
核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)在核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(ribulosebisphosphatecarboxylase/oxygenase,Rubisco)催化下，与CO2结合，产物很快水解为二分子3-磷酸甘油酸(3-PGA)反应过程。Rubisco是植物体内含量最丰富的酶，约占叶中可溶蛋白质总量的40%以上，由8个大亚基(约56KD)和8个小亚基(约14KD)构成，活性部位位于大亚基上。大亚基由叶绿体基因编码，小亚基由核基因编码。
第二阶段，还原阶段
3-磷酸甘油酸在3-磷酸甘油酸激酶(PGAK)催化下，形成1,3-二磷酸甘油酸(DPGA)，然后在甘油醛磷酸脱氢酶作用下被NADPH还原，变为甘油醛-3-磷酸(GAP)，这就是CO2的还原阶段。
羧化阶段产生的PGA是一种有机酸，尚未达到糖的能级，为了把PGA转化成糖，要消耗光反应中产生的同化力。ATP提供能量，NADPH提供还原力使PGA的羧基转变成GAP的醛基，这也是光反应与暗反应的联结点。当CO2被还原为GAP时，光合作用的贮能过程即告完成。
第三阶段，再生阶段
是由GAP经过一系列的转变，重新形成CO2受体RuBP的过程。
这里包括了形成磷酸化的3-、4-、5-、6-、7-碳糖的一系列反应(见图3-10)。最后一步由核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)催化，并消耗1分子ATP，再形成RuBP，构成了一个循环。C3途径的总反应式为：
3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH+6H+→GAP+9ADP+8Pi+6NADP+
出一个磷酸丙糖(GAP或DHAP)。磷酸丙糖可在叶绿体内形成淀粉或运出叶绿体，在细胞质中合成蔗糖。若按每同化1molCO2可贮能478kJ,每水解1molATP和氧化1molNADPH可分别释放能量32kJ和217kJ计算，则通过卡尔文循环同化CO2的能量转换效率为90%。(即478/(32×3+217×2))，由此可见，其能量转换效率是非常高的。
由上式可见，每同化一个CO2，要消耗3个ATP和2个NADPH。还原3个CO2可输出一个磷酸丙糖(GAP或DHAP)。磷酸丙糖可在叶绿体内形成淀粉或运出叶绿体，在细胞质中合成蔗糖。若按每同化1molCO2可贮能478kJ,每水解1molATP和氧化1molNADPH可分别释放能量32kJ和217kJ计算，则通过卡尔文循环同化CO2的能量转换效率为90%。(即478/(32×3+217×2)，由可见，其能量转换效率是非常高的。
叁.记者：碳同化在C3途径中具有哪些作用
王根礼：在20世纪60年代以后，人们对光合碳循环的调节已有了较深入的了解。C3途径的调节有以下几方面：
自动催化调节作用
CO2的同化速率，在很大程度上决定于C3途径的运转状况和中间产物的数量水平。将暗适应的叶片移至光下，最初阶段光合速率很低，需要经过一个“滞后期”(一般超过20min，取决于暗适应时间的长短)才能达到光合速率的“稳态”阶段。其原因之一是暗中叶绿体基质中的光合中间产物(尤其是RuBP)的含量低。在C3途径中存在一种自动调节RuBP水平的机制，即在RuBP含量低时，最初同化CO2形成的磷酸丙糖不输出循环，而用于RuBP再生，以加快CO2固定速率;当循环达到“稳态”后，磷酸丙糖才输出。这种调节RuBP等中间产物数量，使CO2的同化速率处于某一“稳态”的机制，称为C3途径的自动催化调节。
碳同化的三个途径
光调节作用
碳同化亦称为暗反应。然而，光除了通过光反应提供同化力外，还调节着暗反应的一些酶活性。例如Rubisco、PGAK、FBPase、SBPase、Ru5PK属于光调节酶。在光反应中，H+被从叶绿体基质中转移到类囊体腔中，同时交换出Mg2+。这样基质中的pH值从7增加到8以上，Mg2+的浓度也升高，而Rubisco在pH8时活性最高，对CO2亲和力也高。其他的一些酶，如FBPase、Ru5PK等的活性在pH8时比pH7时高。在暗中，pH≤7.2时，这些酶活性降低，甚至丧失。Rubisco活性部位中的一个赖氨酸的ε-NH2基在pH较高时不带电荷，可以与在光下由Rubisco活化酶(activase)催化，与CO2形成带负电荷的氨基酸，后者再与Mg2+结合，生成酶-CO2-Mg2+活性复合体(ECM)，酶即被激活。光还通过还原态Fd产生效应物——硫氧还蛋白(thioredoxin,Td)又使FBPase和Ru5PK的相邻半胱氨酸上的巯基处于还原状态，酶被激活;在暗中，巯基则氧化形成二硫键，酶失活。
光合产物输出速率的调节
光合作用最初产物磷酸丙糖从叶绿体运到细胞质的数量，受细胞质中Pi水平的调节。磷酸丙糖通过叶绿体膜上的Pi运转器运出叶绿体，同时将细胞质中等量的Pi运入叶绿体。当磷酸丙糖在细胞质中合成为蔗糖时，就释放出Pi。如果蔗糖从细胞质的外运受阻，或利用减慢，则其合成速度降低，Pi的释放也随之减少，会使磷酸丙糖外运受阻。这样，磷酸丙糖在叶绿体中积累，从而影响C3光合碳还原循环的正常运转。
肆.记者：什么是碳同化C4途径
王根礼：在20世纪60年代，发现有些起源于热带的植物，如甘蔗、玉米等，除了和其它植物一样具有卡尔文循环以外，还存在一条固定CO2的途径。它固定CO2的最初产物是含四个碳的二羧酸，故称为C4-二羧酸途径(C4-dicarboxylicacidpathway)，简称C4途径。由于这个途径是M.D.Hatch和C.R.Slack发现的，也叫Hatch-Slack途径。现已知被子植物中有20多个科近2000种植物按C4途径固定CO2，这些植物被称为C4植物。而把只具有C3途径的植物成为C3植物。
C4途径的CO2受体是C4植物叶肉细胞胞质中的磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate,PEP)，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)的催化下，固定HCO3-(CO2溶解于水)，生成草酰乙酸(oxaloaceticacid,OAA)。草酰乙酸由NADP-苹果酸脱氢酶(malicaciddehydrogenase)催化，被还原为苹果酸(malicacid,Mal)，反应在叶绿体中进行。但是，也有植物，其草酰乙酸与谷氨酸在天冬氨酸转氨酶(aspartateaminotransferase)作用下，OAA接受谷氨酸的氨基，形成天冬氨酸(asparticacid,Asp)，反应在细胞质中进行。这些苹果酸或天冬氨酸接着被运到维管束鞘细胞(bundlesheathcell,BSC)中去。四碳二羧酸在BSC中脱羧后变成的丙酮酸(pyruvicacid)，再从维管束鞘细胞运回叶肉细胞，在叶绿体中，经丙酮酸磷酸双激酶(pyruvatephosphatedikinase,PPDK)催化和ATP作用，生成CO2的受体PEP，使反应循环进行，而四碳二羧酸在BSC叶绿体中脱羧释放的CO2，由BSC中的C3途径同化。
根据运入维管束鞘的C4二羧酸的种类以及参与脱羧反应的酶类，C4途径又分三种类型。
一是依赖NADP-苹果酸酶(malicenzyme)的苹果酸型(NADP-ME型)，如玉米、甘蔗、高粱等即属此类;
二是依赖NAD-苹果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME型)，龙爪稷、蟋蟀草、狗芽根、马齿苋等属于此类;
三是具有PEP羧激酶(PEPcarboxykinase,PCK)的天冬氨酸型，羊草、无芒虎尾草、卫茅、鼠尾草等属于此类。NADP-ME型的初期产物是MAL，而NAD-ME型和PCK型的初期产物是Asp。
C4二羧酸从叶肉细胞转移到BSC内脱羧释放CO2，使BSC内的CO2浓度可比空气中高出20倍左右，相当于一个“CO2”泵的作用，能有效抑制Rubisco的加氧反应，提高CO2同化速率。同时PEPC对CO2的Km值为7μmol,而Rubisco对CO2的Km值为450μmol，即PEPC对CO2的亲和力高，因此，C4途径的CO2同化速率高于C3途径。C4途径的酶活性受光、代谢物运输的调节。光可活化C4途径中的PEPC、NADP-苹果酸脱氢酶和丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)，在暗中这些酶则被钝化。苹果酸和天冬氨酸抑制PEPC活性，而G6P、PEP则增加其活性。Mn2+和Mg2+是C4植物NADP-苹果酸酶、NAD-苹果酸酶、PEP羧化激酶的活化剂。
伍.记者：什么是碳同化CAM代谢途径?
王根礼：在干旱地区生长的景天科、仙人掌科等植物有一个特殊的CO2同化方式：
夜间气孔开放：
吸收CO2，在PEPC作用下与糖酵解过程中产生的PEP结合形成OAA，OAA在NADP-苹果酸脱氢酶作用下进一步还原为苹果酸，积累于液胞中，表现出夜间淀粉、糖减少，苹果酸增加，细胞液变酸
白天气孔关闭
液胞中的苹果酸运至细胞质在NAD-或ANDP-苹果酸酶、或PEP羧激酶催化下氧化脱羧释放CO2，再由C3途径同化;脱羧后形成的丙酮酸和PEP则转化为淀粉(图3-12)。丙酮酸也可进入线粒体，也被氧化脱羧生成CO2进入C3途径，同化为淀粉。所以白天表现出苹果酸减少，淀粉、糖增加，酸性减弱。这种有机酸合成日变化的光合碳代谢类型称为景天科酸代谢(crassulaceanacidmetabolism,CAM)途径。
CAM途径最早是在景天科植物中发现的，已知在近30个科，100多个属，1万多种植物中有CAM途径，主要分布在景天科、仙人掌科、兰科、凤梨科、大戟科、百合科、石蒜科等植物中。
CAM植物多起源于热带，分布于干旱环境中。因此，CAM植物多为肉质植物(但并非所有的肉质植物都是CAM植物)，具有大的薄壁细胞，内有叶绿体和大液泡。
植物90%以上的植物干物质是碳同化产物
根据植物在一生中对CAM的专营程度，CAM植物又分为两类:一类为专性CAM植物，其一生中大部分时间的碳代谢是CAM途径;另一类为兼性CAM植物，如冰叶日中花(iceplant)，在正常条件下进行C3途径，当遇到干旱、盐渍和短日照时则进行CAM途径，以抵抗不良环境。
CAM途径与C4途径基本相同，二者的差别在于C4植物的两次羧化反应是在空间上(叶肉细胞和维管束鞘细胞)分开的，而CAM植物则是在时间上(黑夜和白天)分开的。
综上所述，植物的光合碳同化途径具有多样性，这也反映了植物对生态环境多样性的适应。但C3途径是光合碳代谢最基本最普遍的途径，同时，也只有这条途径才具备合成淀粉等产物的能力，C4途径和CAM途径可以说是对C3途径的补充。
陆.记者：一吨碳氢核肥可以碳同化出多少碳物质?
王根礼：以碳氢玉米为例。
如果每亩收获1200斤玉米，大约需要1200斤的根系、4800斤的秸秆作为植株生态的碳同化物质支撑体系，需要捕集二氧化碳7200斤(折合二氧化碳3.6吨)。
每亩碳氢玉米整个生长期只需要煦丰版金藻门碳氢核肥12毫升。每一吨碳氢核肥可以满足8.3万亩碳氢玉米从拌种到收获整个生长期的需要。每亩可以收获7200斤的玉米、秸秆、根系，可以从空气中吸收利用29.88万吨的二氧化碳。
也就是说每吨碳氢核肥可以种植8.3万亩玉米，可以碳同化出29.88万吨碳物质。
如果中国国土上的绿色植物都使用碳氢核肥碳中和技术，每亩土地每季平均可以利用3吨以上二氧化碳，中国碳中和的战略预期可以大大提前。
柒.请介绍中国国际碳氢农业科学研究院的前世今生?
王根礼：2010年03月，经主管机构批准，我把我担任董事长和法人代表的任中国.伊斯兰国际国际贸易促进会、中国.阿拉伯国际国际贸易促进会变更登记为中国国际碳氢农业科学研究院。这是已知的世界上最早成立的以研究碳氢科学、碳氢农业、碳氢核肥、碳汇金融、碳能源、碳利用、碳中和的专业机构。旗下山东碳汇农业科技有限公司亦是世界上第一个从事碳汇金融、碳汇农业、碳能源、碳利用、碳中和的专业运营机构。
赵芳任中国碳氢核肥碳中和项目全球运营机构总裁。
