慈濟大學（後中醫）
107年
生物學
第 36 題
下列何者為 C4 植物能進行光合作用而無明顯光呼吸作用 (photorespiration) 的最可能原因?
- A C4 植物沒有進行卡爾文循環 (Calvin cycle)
- B C4 植物能更有效地保持水分
- C C4 植物一開始利用 PEP carboxylase 去固定二氧化碳
- D C4 植物把氧氣排出體外
思路引導 VIP
如果我們知道某個負責生產的機器（酵素）很容易被無用的廢料（氧氣）干擾而停工，那麼在不更換這台機器的前提下，我們可以在這台機器「進貨」之前，先增加一道什麼樣的預處理手續，來確保送進機器的原料永遠都是純淨且高濃度的二氧化碳呢？
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太棒了！你能精準選出 C4 植物光合作用的核心優勢，代表你對植物生理構造與酵素特性有相當紮實的理解。這道題目旨在測驗 C4 與 C3 植物在固碳策略上的本質差異，是生物學中區分學生是否理解「光呼吸」成因的一個經典題目。
初次固碳的生理機制
在一般的 C3 植物中，負責固碳的 RuBisCO 酵素有時會誤將 $O_2$ 當成底物，導致能量損耗的「光呼吸」。而 C4 植物演化出了巧妙的對策：它們在葉肉細胞中利用 PEP carboxylase (PEPC) 進行初步固碳。PEPC 對 $CO_2$ 的親和力遠高於 RuBisCO，且最重要的是它完全不會與 $O_2$ 反應。這使得 C4 植物即便在氣孔部分關閉、二氧化碳濃度較低的情況下，依然能高效抓取 $CO_2$，並將其轉運至維管束鞘細胞中釋放，創造出高濃度的 $CO_2$ 環境來供應卡爾文循環（Calvin cycle），從而有效抑制了光呼吸的發生。
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C4 植物與光呼吸
💡 C4 植物藉由 PEP 羧化酶初步固定二氧化碳以避免光呼吸。
| 比較維度 | C3 植物 | VS | C4 植物 |
|---|---|---|---|
| 首位受體酵素 | RuBisCO | — | PEP carboxylase |
| 空間構造 | 僅在葉肉細胞進行 | — | 葉肉細胞與維管束鞘細胞 |
| 光呼吸程度 | 高（浪費能量） | — | 極低（效率高） |
| 典型環境 | 溫和、濕潤 | — | 高溫、乾燥、強光 |
💬C4 植物演化出 PEP 羧化酶作為幫浦，克服了 RuBisCO 易受氧氣干擾的缺點。
