全 文 ：植物生理学通讯 第41卷 第5期，2005年10月 665
引入稳定性碳同位素概念讲授光合碳代谢途径的尝试
易现峰* 孔祥生 史国安 黄华
河南科技大学农学院，河南洛阳471003
收稿 2005-02-22 修定 　 2005-08-29
资助 河南科技大学人才引进基金(04018)。
*E-mail: yxfeng1975@126.com, Tel: 0379-64282340
教学园地 Teaching
光合作用是植物生理学中比较重要的一个章
节，也是植物生命活动中的核心过程之一，有
C3、C4 和景天酸(CAM) 3 种不同类型碳代谢途
径，在许多植物生理学教科书中，对此介绍得比
较明白。我们在教学过程中感到，尽管多次强调
C3、C4 和 CAM 3 种途径的主要异同点和相应植物
类群的主要特征，但绝大多数学生仍然对此缺少
感性认识，甚至有些迷茫。鉴于此，我们在讲
授植物不同光合途径的过程中，引入稳定性碳同
位素概念，这不仅使学生在学习过程中掌握了一
门与植物生理学相关的技术方法，也增强了学生
对 3 种碳代谢途径的理解。现介绍如下。
1 同位素
尽管“同位素”已经成为一个熟知的名词，
但对其结构特征，学生中很少有人能正确完整地
表述出来，所以我们在讲解之前对此先加说明和
讲解，指出：所谓同位素是指原子内具有相同质
子数而中子数不同的一类元素的总称。为了给学
生更为直观的印象，我们以 H 同位素为例，绘出
原子结构(图 1)。由此，学生很容易理解自然界
中 H 的 3 种同位素：氕、氘和氚。氕不具有中
子，而氘和氚分别具有 1 个和 2 个中子，但是它
们的质子数都是1个(图 1)。
2 稳定性同位素
提到同位素，很多学生一下子会想起放射性
同位素，而对稳定性同位素的概念却不一定明
确。为了不让学生产生混淆，我们在讲解过程
中，特别提出稳定性同位素与放射性同位素在概
念上的区别：稳定性同位素是同位素中不具有放
射性的一类元素。如氢同位素中的氕和氘即为稳
定性同位素，不具有放射衰变的特性，而氚则具
有很强的放射性。在自然界中碳元素具有 3 种同
位素，即12C、13C 和14C。12C 和13C 是稳定性的，
而14C 具有放射性，衰变后形成12C，并附带讲明
这也是放射性碳同位素测年的理论依据。
3 稳定性碳同位素
接下来，我们介绍与光合作用关系密切的同
位素及与稳定性碳同位素相关的知识：碳元素有
两种中子数不同的稳定性同位素12C 和13C。同时
向学生传递这样一个信息：绝对的同位素含量很
难测定，所以，一般用13C/12C 的比率表示某种物
质中这两种稳定性同位素的丰富度。由于这个比
率在通常情况下非常小，很难说明一些科学问
题。比如对于大气来讲，其中13C 约占大气碳总
量的 1 . 1 % ，1 2 C 占 9 8 . 9 % ，这一比值仅为
0.011122。植物体内也存在天然的稳定性碳同位
素12C 和13C，二者的比值比大气中的还小[1,2]。一
般是将其与一国际标准物质进行比对后，取相对
值阐述科学中的问题。即：
d13C (%) = [(13C / 12C)s / (13C / 12C)sta-1] ×100
其中，d13C 为样品稳定性碳同位素比值，以百分
率(%)表示，它是间接表示某物质中碳同位素组
成或含量的一个指标；(13C/12C)s 和(13C/12C)sta分别
是样品和标准品中两种稳定性同位素含量的比值。
目前，国际上使用的标准品一般为 PDB，即美国
南卡罗来那州的一种生物拟剑石[3]。d13C 值可以
同位素质谱仪(IRMS)测定[1,2]。
4 稳定性碳同位素与植物的光合途径
基于 C3、C 4 和 CAM 植物结构和碳同化途径
图1 自然界中氢的3种同位素
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的特点，绝大多数学生可以从解剖学、酶学和光
合特性等理解不同光合途径的基本概念。尽管稳
定性碳同位素技术早就被用来作为判别不同光合途
径的一种手段，但大多数植物生理学的教材中很
少提及，即使有也多作为附加内容，教师很少讲
解，学生也不一定看得明白。所以，我们结合
这些内容，引入稳定性碳同位素技术。我们是这
样讲解的：首先提及Nier和Gulbransen[4]是最早
观察到植物对较重的碳同位素13C 的利用比12C 少
的科学家(这里其实埋下了一个伏笔，很多学生在
此提出为什么植物吸收13C 比12C 少的问题)。以
后，随着 3 种不同的碳同化途径的相继发现，科
学家又发现3种不同碳同化途径的植物稳定性碳同
位素也具有明显的差别：典型的C4 植物的 d13C 值
介于 -1.7%~-1.1% 之间，平均值约为 -1.3%；而
C3 植物的 d13C 值在 -3.4%~-2.5% 之间，平均值约
为 -2.7%; CAM 植物则介于二者之间[5~7]。这样，
学生马上就会意识到：既然 C3、C4 和 CAM 3 类
植物内碳同位素组成存在明显差异，是不是可以
作为鉴别不同光合途径植物的一种便利手段？我们
因势利导，提出该部分的教学目的就是让学生明
白，稳定性碳同位素技术是一种方便、快捷、准
确度较高的判别光合途径的方法，而且目前有逐
渐取代传统的形态解剖学和酶学方法区分3种途径
的趋势[1,8~10]。
5 C3、C4 和 CAM 植物稳定性碳同位素组成的差异
由于3 类光合途径的植物具有显著不同的稳
定性碳同位素比值，大部分学生经过以上的讲解
后可以理解为什么稳定性同位素技术可作为一种判
别碳固定途径的手段。有部分学生对不同光合途
径植物碳同位素组成差异的原因很有兴趣，如有
的曾提出这样的问题：为什么不同植物会出现稳
定性碳同位素的明显差异？对此，我们告诉学生
说：这是由于两种稳定性碳同位素(12C和13C)的中
子数不同而在质量上有微小差别，从而引起它们
的物理化学性质(如在气相中的传导速率、键能强
度等)有细小差别造成的[11,12]，植物在吸收和同化
CO2 的过程中就“偏爱”对较轻同位素12C 的吸收，
而对较重同位素13C产生辨别效应(discrimination
effect, Dd)，因此即会发生物质反应前后稳定性同
位素在组成上的不同。这种现象称为同位素的分
馏效应(fractionation effect)。不同光合途径植物碳
同位素的差异主要是由于同位素分馏效应的强弱不
同所致。
为了使学生进一步理解光合碳固定过程中稳
定性同位素分馏的过程，我们又引入以下内容：
CO2 的扩散、吸收和由酶系参与的羧化反应是影
响植物叶片同位素组成的过程[6,13,14]，这些物理、
化学以及生化反应可明显引发同位素分馏现象。
为了便于学生理解和掌握，我们将影响碳同位素
分馏的主要物理、化学过程汇总于表 1，并作以
下讲解：
光合作用在固定 CO2 的过程中，植物对较轻
碳同位素的分馏主要发生于两个阶段(图2): CO2的
吸收与扩散阶段以及 CO2 形成羧基的酶促羧化反
应阶段[14~20 ]。一般说来，经过这样一个分馏过
程，植物合成的产物(葡萄糖)较原来所利用的底
物(一般均为 CO2)的同位素比值(d13C)要低得多。
在此，我们告诉学生：造成这种差异的主要原因
是植物偏于对轻同位素的吸收，而排斥较重同位
素的吸收。但是为什么 C3、C4 和 CAM 3 类植物
稳定性碳同位素组成会出现如此大的差异呢？这是
表1 光合作用过程中相关的稳定性碳同位素的分馏效应
过程 反应前后d13C值的变化*/%
平衡态 CO2 溶解于水 0.11
CO 2 的水合作用 -0.09
CO 2 的空气扩散 0.44
转运过程 CO2 在水溶液中的扩散 0.07
CO2 自发的水合作用 0.69
脱水酶催化的 CO2 水合作用 0.11
化学过程 由磷酸烯醇丙酮酸羧化酶催化的 HCO3- 与磷酸烯醇丙酮酸的反应 0.20
由1,5 - 二磷酸核酮糖羧化酶催化的CO2与二磷酸核酮糖的反应 2.90
　　* 正值说明产物的 d13C 比反应物的小，负值则相反。
　　
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学生急于知道的，也是我们要讲解的。对此，我
们告诉学生：光合作用中 CO2 扩散阶段的同位素
效应较弱，接近于 CO 2 在空气中的扩散效应(约
0.44%)，也就是说，大气 CO2 在通过气孔进入气
孔下腔直至叶肉细胞(或叶绿体)的过程，其 d13C
只降低 0.44% 左右。而随后的酶促羧化反应阶段
是造成C3、C4 和 CAM 3 类植物稳定性碳同位素组
成差异的主要原因，这个过程可引起产物(糖)
d13C 的明显下降(2%~4%)。在这个过程中究竟是
什么因素引发了同位素的剧烈下降？在此，我们
强调核心内容：指出 3 种不同类型植物中不同光
合羧化酶系统是“罪魁祸首”。我们又分别绘出
C3和C4植物CO2吸收和羧化过程示意图(图3、4)，
这样讲解效果就更加好。我们首先向学生讲解 C3
植物叶片 d13C 值的形成过程和机制：大气 CO2 经
过边界层和气孔转运至内部并溶解于细胞液中，
进而扩散至叶绿体的过程，它引起的分馏很小(表
1 ) ，只能使大气 C O 2 的 d 1 3 C 值下降 0 . 6 2 %
(0.11%+0.44%+0.07%)左右。而由1,5-二磷酸核
酮糖的羧化酶 / 加氧酶羧化引起的分馏效应则很
大，也就是说，它极不“喜欢”较重的碳同位
素13C，而“喜欢”羧化较多的轻同位素12C，这
样，CO2固定后 d13C值即进一步下降2.9%左右(表
1)。对此，有的学生可能要问：同样是 C3 植物，
为什么它们的 d13C 值差异那么大？我们作了这样
的讲解：指出这是由于两个过程协同作用的结
果。如果气孔扩散很迅速(即气孔阻力很小，这
个过程的分馏效应也很弱)，1,5-二磷酸核酮糖的
羧化酶/加氧酶的羧化反应又是起决定性作用的，
则植物叶中d13C的值即为-3.7% (即大气CO2的d13C
减去分馏效应值 2.9%，目前全球大气中 CO 2 的
d13C 平均值为 -0.8%左右); 相反，如果扩散速度
很慢(气孔阻力很大)，这时，对分馏效应起决定
性作用的是 C O 2 本身，则植物叶中 d 1 3C 的值为
-1.2% [-(0.8+0.44)%]。还应强调的是，这两种
极端条件在自然界中是不可能存在的，而是二者
的共同作用，这样，植物叶中的 d13C 值应介于两
个极端值之间(-3.6%~-1.2%)。讲到这里，我们
还告诉学生：1,5-二磷酸核酮糖的羧化酶/加氧酶
对 CO2 羧化阻力要远远高于扩散阻力(表 1)，因
而，C3 植物吸收CO2 基本上是由RuBP 羧化酶羧化
速度而不是由扩散速度决定的。也就是说，C3 植
物极端的 d13C 值(-1.2%)只能在理想状态下存在，
所以，C3 植物的 d13C 值一般在 -3.4%~-2.5%。
对于 C4 植物，我们是这样讲解的：与 C3 植
物不同，C4 植物的光合作用包括两种酶的运作过
程(图 4)。CO2 最初通过气孔进入叶中，首先被C4
植物存在的碳脱水酶羧化形成 HCO3- (这个过程对
CO2的分馏效应为0.11%)，后在叶肉细胞(叶绿体)
被磷酸烯醇丙酮酸(PEP)羧化酶吸收。脱羧形成的
CO2 被 RuBP 羧化酶所固定，以后的过程则和C3 途
径基本上相同。因此，气孔扩散和 PEP 羧化酶的
羧化过程对 C4 植物 d13C 值的大小起决定性作用。
正如分析C3 植物的 d13C 值一样，我们作了以下假
定：如果气体的扩散和吸收很容易，而 PEP 羧化
酶的羧化反应又是主要限制性因素(其对 CO2 的分
馏效应为 0.2%)，则 C4 植物的 d13C 值接近 -1.1%
[-(0.8+0.2+0.11)%，0.11% 是脱水酶羧化CO2 所
产生的分馏]; 相反，如果扩散是限制性的，而羧
化很容易，则C4植物的 d13C值接近-1.5% [-(0.8+
0.44+0.11+0.07)%，0.11%是CO2溶解于水所产生
图2 CO2固定过程中主要的同位素排斥阶段
　　黑色为同化反应；灰色为异化作用和其它逆过程；k 1、
k 2、k 3、k 4 为相应反应的速度常数。来自于大气的外源库中
的CO2(e)进入生物组织形成内部 CO2(i)到达光合作用部位，随后
转化为由羧化反应酶促形成 CO 2 固定产物 R — C O O H。这样，
在此过程中较轻的碳同位素遂可以在生物组织中大量积累。
图3 C3植物光合作用中的CO2固定主要过程[21]
　　箭头粗细代表不同阶段的相对流量(包括逆过程); 字母大小
代表不同阶段 C O 2 的相对浓度。
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的分馏，0.07% 是 CO2 在水溶液中扩散所产生的
分馏效应]。讲到这里，有的学生会问：既然 C4
植物的 d13C 值在 -1.1%~-1.5% 之间，为什么还会
出现≥ -1.7% 的情况呢？对此，我们作了这样的
解释：参与羧化的PEP羧化酶的分馏效应很弱 (对
13C 的排斥效应很弱)，但是由于RuBP羧化酶有较
高的分馏效应(表1)，尽管这种分馏效应在C4植物
中不能明显表现出来，但也可以引起 d13C 值的下
降，这样就可以解释为什么 C4 植物的 d13C 值介
-1.7%~-1.1%之间。在讲完C3 和 C4 植物稳定性碳
同位素的差异后，我们还提及 CAM 途径，指出：
具有 C A M 途径的肉质植物由于它可以同时利用
1,5-二磷酸核酮糖的羧化酶/加氧酶和PEP羧化酶
进行羧化反应，所以，它们的碳同位素组成介于
C3 和 C 4 植物之间。
讲授到最后作小结：C3、C4 和 CAM 3 种不
同类型植物稳定性碳同位素的差异，主要是由其
中酶系对较重碳同位素(13C )的排斥力不同造成
的。C3植物中的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶在羧化
固定CO2 过程中，对较重同位素13C 具有很强的排
斥效应，植物组织(叶片)保留的12C 就较多，从
而形成较低的 d13C 值；而C4植物的磷酸烯醇丙酮
酸羧化酶对13C的排斥效应相对较弱，吸收和整合
的13C 也较多，因而 d13C 值较高；CAM 途径的植
物由于可以同时利用这两种酶，其 d13C 值居于二
者之间。因而，测定植物稳定性碳同位素就可以
判别不同光合途径。通过以上一系列的讲解，学
生既可以清楚地理解3种光合途径的概念以及它们
之间的异同，又能掌握以稳定性碳同位素技术作
为鉴定光合途径的方法及其相关原理，从而达到
了我们的教学目的。
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图4 C4植物光合作用中CO2固定的主要过程[21]
　　箭头粗细代表不同阶段的相对流量(包括逆过程)；字母大
小代表不同阶段 C O 2 的相对浓度。