中國關(guān)于碳同化的研究應用

王根禮：碳同化是實現(xiàn)碳氫核肥碳中和的根本途徑

中國國際碳氫農(nóng)業(yè)科學研究院院長王根禮答記者問

中國碳氫產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊(記者王德芳仝振剛)今年以來，記者就依托碳氫科技助推鄉(xiāng)村振興和碳氫核肥碳中和技術(shù)在臨產(chǎn)實踐中實現(xiàn)碳達峰、碳能源、碳金融、碳利用、碳中和這一宏偉戰(zhàn)略主體發(fā)布了系列報道。然而，對一般受眾而言，實現(xiàn)碳中和的根本途徑是什么，中央和地方媒體都沒有給出科學的解讀。為此，我們采訪了中國國際碳氫農(nóng)業(yè)科學研究院院長王根禮。王院長的回答很簡潔：碳同化是實現(xiàn)碳中和的根本途徑。

以下是記者的采訪實錄。

壹.記者：什么是碳同化?碳同化的基本途徑有幾種?

王根禮：二氧化碳同化(CO2assimilation)，簡稱碳同化，是指植物利用光反應中形成的同化力(ATP和NADPH)，將CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物的過程。二氧化碳同化是在葉綠體的基質(zhì)中進行的，有許多種酶參與反應。

王根禮：高等植物的碳同化途徑有三條，即C3途徑、C4途徑和CAM(景天酸代謝)途徑。

貳.記者：什么是碳同化C3途徑?它分為幾個階段?

王根禮：如前所述，早在十九世紀末，人們就知道光合作用需要CO2和H2O，產(chǎn)物是糖和淀粉。但是對于CO2是如何被還原成碳水化合物的具體步驟尚不清楚。

直到20世紀40年代中期，美國加州大學的卡爾文(M.Calvin)和本森(A.Benson)采用當時的兩項新技術(shù)：放射性同位素示蹤和雙向紙層析，以單細胞藻類作為試驗材料，用14CO2飼喂，照光從數(shù)秒到幾十分鐘不等，然后在沸騰的酒精中殺死材料以終止生化反應，用紙層析技術(shù)分離同位素標記物，以標記物出現(xiàn)的先后順序來確定二氧化碳同化的每一步驟。

經(jīng)十年的系統(tǒng)研究，在50年代提出了二氧化碳同化的循環(huán)途徑，故稱為卡爾文循環(huán)(TheCalvincycle)。由于這個循環(huán)中CO2的受體是一種戊糖(核酮糖二磷酸)，故又稱為還原戊糖磷酸途徑(reductivepentosephosphatepathway，RPPP)。這個途徑中二氧化碳被固定形成的最初產(chǎn)物是一種三碳化合物，故稱為C3途徑。

王根禮：卡爾文循環(huán)具有合成淀粉等產(chǎn)物的能力，是所有植物光合碳同化的基本途徑，大致可分為三個階段，即羧化階段、還原階段和再生階段。

碳同化的基本要素：陽光、空氣、水

第一階段，羧化階段

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，與CO2結(jié)合，產(chǎn)物很快水解為二分子3-磷酸甘油酸(3-PGA)反應過程。Rubisco是植物體內(nèi)含量最豐富的酶，約占葉中可溶蛋白質(zhì)總量的40%以上，由8個大亞基(約56KD)和8個小亞基(約14KD)構(gòu)成，活性部位位于大亞基上。大亞基由葉綠體基因編碼，小亞基由核基因編碼。

第二階段，還原階段

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)，然后在甘油醛磷酸脫氫酶作用下被NADPH還原，變?yōu)楦视腿?3-磷酸(GAP)，這就是CO2的還原階段。

羧化階段產(chǎn)生的PGA是一種有機酸，尚未達到糖的能級，為了把PGA轉(zhuǎn)化成糖，要消耗光反應中產(chǎn)生的同化力。ATP提供能量，NADPH提供還原力使PGA的羧基轉(zhuǎn)變成GAP的醛基，這也是光反應與暗反應的聯(lián)結(jié)點。當CO2被還原為GAP時，光合作用的貯能過程即告完成。

第三階段，再生階段

是由GAP經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)變，重新形成CO2受體RuBP的過程。

這里包括了形成磷酸化的3-、4-、5-、6-、7-碳糖的一系列反應(見圖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，構(gòu)成了一個循環(huán)。C3途徑的總反應式為：

3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH+6H+→GAP+9ADP+8Pi+6NADP+

出一個磷酸丙糖(GAP或DHAP)。磷酸丙糖可在葉綠體內(nèi)形成淀粉或運出葉綠體，在細胞質(zhì)中合成蔗糖。若按每同化1molCO2可貯能478kJ,每水解1molATP和氧化1molNADPH可分別釋放能量32kJ和217kJ計算，則通過卡爾文循環(huán)同化CO2的能量轉(zhuǎn)換效率為90%。(即478/(32×3+217×2))，由此可見，其能量轉(zhuǎn)換效率是非常高的。

由上式可見，每同化一個CO2，要消耗3個ATP和2個NADPH。還原3個CO2可輸出一個磷酸丙糖(GAP或DHAP)。磷酸丙糖可在葉綠體內(nèi)形成淀粉或運出葉綠體，在細胞質(zhì)中合成蔗糖。若按每同化1molCO2可貯能478kJ,每水解1molATP和氧化1molNADPH可分別釋放能量32kJ和217kJ計算，則通過卡爾文循環(huán)同化CO2的能量轉(zhuǎn)換效率為90%。(即478/(32×3+217×2)，由可見，其能量轉(zhuǎn)換效率是非常高的。

叁.記者：碳同化在C3途徑中具有哪些作用

王根禮：在20世紀60年代以后，人們對光合碳循環(huán)的調(diào)節(jié)已有了較深入的了解。C3途徑的調(diào)節(jié)有以下幾方面：

自動催化調(diào)節(jié)作用

CO2的同化速率，在很大程度上決定于C3途徑的運轉(zhuǎn)狀況和中間產(chǎn)物的數(shù)量水平。將暗適應的葉片移至光下，最初階段光合速率很低，需要經(jīng)過一個“滯后期”(一般超過20min，取決于暗適應時間的長短)才能達到光合速率的“穩(wěn)態(tài)”階段。其原因之一是暗中葉綠體基質(zhì)中的光合中間產(chǎn)物(尤其是RuBP)的含量低。在C3途徑中存在一種自動調(diào)節(jié)RuBP水平的機制，即在RuBP含量低時，最初同化CO2形成的磷酸丙糖不輸出循環(huán)，而用于RuBP再生，以加快CO2固定速率;當循環(huán)達到“穩(wěn)態(tài)”后，磷酸丙糖才輸出。這種調(diào)節(jié)RuBP等中間產(chǎn)物數(shù)量，使CO2的同化速率處于某一“穩(wěn)態(tài)”的機制，稱為C3途徑的自動催化調(diào)節(jié)。

碳同化的三個途徑

光調(diào)節(jié)作用

碳同化亦稱為暗反應。然而，光除了通過光反應提供同化力外，還調(diào)節(jié)著暗反應的一些酶活性。例如Rubisco、PGAK、FBPase、SBPase、Ru5PK屬于光調(diào)節(jié)酶。在光反應中，H+被從葉綠體基質(zhì)中轉(zhuǎn)移到類囊體腔中，同時交換出Mg2+。這樣基質(zhì)中的pH值從7增加到8以上，Mg2+的濃度也升高，而Rubisco在pH8時活性最高，對CO2親和力也高。其他的一些酶，如FBPase、Ru5PK等的活性在pH8時比pH7時高。在暗中，pH≤7.2時，這些酶活性降低，甚至喪失。Rubisco活性部位中的一個賴氨酸的ε-NH2基在pH較高時不帶電荷，可以與在光下由Rubisco活化酶(activase)催化，與CO2形成帶負電荷的氨基酸，后者再與Mg2+結(jié)合，生成酶-CO2-Mg2+活性復合體(ECM)，酶即被激活。光還通過還原態(tài)Fd產(chǎn)生效應物——硫氧還蛋白(thioredoxin,Td)又使FBPase和Ru5PK的相鄰半胱氨酸上的巰基處于還原狀態(tài)，酶被激活;在暗中，巰基則氧化形成二硫鍵，酶失活。

光合產(chǎn)物輸出速率的調(diào)節(jié)

光合作用最初產(chǎn)物磷酸丙糖從葉綠體運到細胞質(zhì)的數(shù)量，受細胞質(zhì)中Pi水平的調(diào)節(jié)。磷酸丙糖通過葉綠體膜上的Pi運轉(zhuǎn)器運出葉綠體，同時將細胞質(zhì)中等量的Pi運入葉綠體。當磷酸丙糖在細胞質(zhì)中合成為蔗糖時，就釋放出Pi。如果蔗糖從細胞質(zhì)的外運受阻，或利用減慢，則其合成速度降低，Pi的釋放也隨之減少，會使磷酸丙糖外運受阻。這樣，磷酸丙糖在葉綠體中積累，從而影響C3光合碳還原循環(huán)的正常運轉(zhuǎn)。

肆.記者：什么是碳同化C4途徑

王根禮：在20世紀60年代，發(fā)現(xiàn)有些起源于熱帶的植物，如甘蔗、玉米等，除了和其它植物一樣具有卡爾文循環(huán)以外，還存在一條固定CO2的途徑。它固定CO2的最初產(chǎn)物是含四個碳的二羧酸，故稱為C4-二羧酸途徑(C4-dicarboxylicacidpathway)，簡稱C4途徑。由于這個途徑是M.D.Hatch和C.R.Slack發(fā)現(xiàn)的，也叫Hatch-Slack途徑?，F(xiàn)已知被子植物中有20多個科近2000種植物按C4途徑固定CO2，這些植物被稱為C4植物。而把只具有C3途徑的植物成為C3植物。

C4途徑的CO2受體是C4植物葉肉細胞胞質(zhì)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-蘋果酸脫氫酶(malicaciddehydrogenase)催化，被還原為蘋果酸(malicacid,Mal)，反應在葉綠體中進行。但是，也有植物，其草酰乙酸與谷氨酸在天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶(aspartateaminotransferase)作用下，OAA接受谷氨酸的氨基，形成天冬氨酸(asparticacid,Asp)，反應在細胞質(zhì)中進行。這些蘋果酸或天冬氨酸接著被運到維管束鞘細胞(bundlesheathcell,BSC)中去。四碳二羧酸在BSC中脫羧后變成的丙酮酸(pyruvicacid)，再從維管束鞘細胞運回葉肉細胞，在葉綠體中，經(jīng)丙酮酸磷酸雙激酶(pyruvatephosphatedikinase,PPDK)催化和ATP作用，生成CO2的受體PEP，使反應循環(huán)進行，而四碳二羧酸在BSC葉綠體中脫羧釋放的CO2，由BSC中的C3途徑同化。

根據(jù)運入維管束鞘的C4二羧酸的種類以及參與脫羧反應的酶類，C4途徑又分三種類型。

一是依賴NADP-蘋果酸酶(malicenzyme)的蘋果酸型(NADP-ME型)，如玉米、甘蔗、高粱等即屬此類;

二是依賴NAD-蘋果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME型)，龍爪稷、蟋蟀草、狗芽根、馬齒莧等屬于此類;

三是具有PEP羧激酶(PEPcarboxykinase,PCK)的天冬氨酸型，羊草、無芒虎尾草、衛(wèi)茅、鼠尾草等屬于此類。NADP-ME型的初期產(chǎn)物是MAL，而NAD-ME型和PCK型的初期產(chǎn)物是Asp。

C4二羧酸從葉肉細胞轉(zhuǎn)移到BSC內(nèi)脫羧釋放CO2，使BSC內(nèi)的CO2濃度可比空氣中高出20倍左右，相當于一個“CO2”泵的作用，能有效抑制Rubisco的加氧反應，提高CO2同化速率。同時PEPC對CO2的Km值為7μmol,而Rubisco對CO2的Km值為450μmol，即PEPC對CO2的親和力高，因此，C4途徑的CO2同化速率高于C3途徑。C4途徑的酶活性受光、代謝物運輸?shù)恼{(diào)節(jié)。光可活化C4途徑中的PEPC、NADP-蘋果酸脫氫酶和丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)，在暗中這些酶則被鈍化。蘋果酸和天冬氨酸抑制PEPC活性，而G6P、PEP則增加其活性。Mn2+和Mg2+是C4植物NADP-蘋果酸酶、NAD-蘋果酸酶、PEP羧化激酶的活化劑。

伍.記者：什么是碳同化CAM代謝途徑?

王根禮：在干旱地區(qū)生長的景天科、仙人掌科等植物有一個特殊的CO2同化方式：

夜間氣孔開放：

吸收CO2，在PEPC作用下與糖酵解過程中產(chǎn)生的PEP結(jié)合形成OAA，OAA在NADP-蘋果酸脫氫酶作用下進一步還原為蘋果酸，積累于液胞中，表現(xiàn)出夜間淀粉、糖減少，蘋果酸增加，細胞液變酸

白天氣孔關(guān)閉

液胞中的蘋果酸運至細胞質(zhì)在NAD-或ANDP-蘋果酸酶、或PEP羧激酶催化下氧化脫羧釋放CO2，再由C3途徑同化;脫羧后形成的丙酮酸和PEP則轉(zhuǎn)化為淀粉(圖3-12)。丙酮酸也可進入線粒體，也被氧化脫羧生成CO2進入C3途徑，同化為淀粉。所以白天表現(xiàn)出蘋果酸減少，淀粉、糖增加，酸性減弱。這種有機酸合成日變化的光合碳代謝類型稱為景天科酸代謝(crassulaceanacidmetabolism,CAM)途徑。

CAM途徑最早是在景天科植物中發(fā)現(xiàn)的，已知在近30個科，100多個屬，1萬多種植物中有CAM途徑，主要分布在景天科、仙人掌科、蘭科、鳳梨科、大戟科、百合科、石蒜科等植物中。

CAM植物多起源于熱帶，分布于干旱環(huán)境中。因此，CAM植物多為肉質(zhì)植物(但并非所有的肉質(zhì)植物都是CAM植物)，具有大的薄壁細胞，內(nèi)有葉綠體和大液泡。

植物90%以上的植物干物質(zhì)是碳同化產(chǎn)物

根據(jù)植物在一生中對CAM的專營程度，CAM植物又分為兩類:一類為專性CAM植物，其一生中大部分時間的碳代謝是CAM途徑;另一類為兼性CAM植物，如冰葉日中花(iceplant)，在正常條件下進行C3途徑，當遇到干旱、鹽漬和短日照時則進行CAM途徑，以抵抗不良環(huán)境。

CAM途徑與C4途徑基本相同，二者的差別在于C4植物的兩次羧化反應是在空間上(葉肉細胞和維管束鞘細胞)分開的，而CAM植物則是在時間上(黑夜和白天)分開的。

綜上所述，植物的光合碳同化途徑具有多樣性，這也反映了植物對生態(tài)環(huán)境多樣性的適應。但C3途徑是光合碳代謝最基本最普遍的途徑，同時，也只有這條途徑才具備合成淀粉等產(chǎn)物的能力，C4途徑和CAM途徑可以說是對C3途徑的補充。

陸.記者：一噸碳氫核肥可以碳同化出多少碳物質(zhì)?

王根禮：以碳氫玉米為例。

如果每畝收獲1200斤玉米，大約需要1200斤的根系、4800斤的秸稈作為植株生態(tài)的碳同化物質(zhì)支撐體系，需要捕集二氧化碳7200斤(折合二氧化碳3.6噸)。

每畝碳氫玉米整個生長期只需要煦豐版金藻門碳氫核肥12毫升。每一噸碳氫核肥可以滿足8.3萬畝碳氫玉米從拌種到收獲整個生長期的需要。每畝可以收獲7200斤的玉米、秸稈、根系，可以從空氣中吸收利用29.88萬噸的二氧化碳。

也就是說每噸碳氫核肥可以種植8.3萬畝玉米，可以碳同化出29.88萬噸碳物質(zhì)。

如果中國國土上的綠色植物都使用碳氫核肥碳中和技術(shù)，每畝土地每季平均可以利用3噸以上二氧化碳，中國碳中和的戰(zhàn)略預期可以大大提前。

柒.請介紹中國國際碳氫農(nóng)業(yè)科學研究院的前世今生?

王根禮：2010年03月，經(jīng)主管機構(gòu)批準，我把我擔任董事長和法人代表的任中國.伊斯蘭國際國際貿(mào)易促進會、中國.阿拉伯國際國際貿(mào)易促進會變更登記為中國國際碳氫農(nóng)業(yè)科學研究院。這是已知的世界上最早成立的以研究碳氫科學、碳氫農(nóng)業(yè)、碳氫核肥、碳匯金融、碳能源、碳利用、碳中和的專業(yè)機構(gòu)。旗下山東碳匯農(nóng)業(yè)科技有限公司亦是世界上第一個從事碳匯金融、碳匯農(nóng)業(yè)、碳能源、碳利用、碳中和的專業(yè)運營機構(gòu)。

趙芳任中國碳氫核肥碳中和項目全球運營機構(gòu)總裁。