C3·C4 식물 비교

핵심 정리

C3 식물과 C4 식물은 CO2를 처음 고정하는 경로가 다르다. 벼는 C3 작물로, 첫 고정 산물은 3-포스포글리세르산이다. 콩도 C3 작물로, 캘빈 회로를 거쳐 3탄소 화합물을 첫 산물로 만든다. 반면 수수와 같은 C4 식물은 CO2를 PEP에 고정해 4탄소 화합물을 첫 산물로 만든다.

C4 식물은 잎의 구조와 반응 경로가 함께 나뉜다. 엽육세포와 엽록체를 가진 유관속초세포가 발달해 크란츠 구조를 이룬다. C4 식물은 엽육세포에서 CO2를 4탄소 화합물로 고정하고, 유관속초세포에서 캘빈회로를 통해 탄소를 환원한다.

C4 식물은 CO2를 농축하는 기작 덕분에 낮은 CO2 농도에서도 광합성 효율이 높다. 농축된 CO2는 잎 안에서 광호흡이 일어날 여지를 줄인다.

보상점은 광합성으로 흡수하는 CO2와 호흡으로 내놓는 CO2가 같아지는 농도이다. C4 식물은 C3 식물보다 CO2 보상점이 낮다. 광호흡은 높은 광도, 높은 산소 농도, 낮은 CO2 농도, 고온에서 촉진된다.

이 단원의 비교는 같은 조건에서 본 상대적인 대소를 기준으로 한다. 절대값으로 외우면 선지를 틀리기 쉽다.

자세히

CO2 보상점과 농축 효율

보상점을 비교할 때 기준은 C4 식물이 C3 식물보다 낮다는 방향이다. 보상점이 낮다는 것은 같은 CO2 농도에서 광합성으로 흡수하는 양이 호흡으로 내놓는 양을 더 쉽게 웃돈다는 뜻이다.

보상점은 광합성 효율과 구별해야 한다. 보상점이 낮다는 것은 광합성 속도가 최대라는 뜻이 아니라, 순광합성이 시작되는 CO2 농도가 낮다는 뜻이다. 보상점 문제에서는 높낮이의 방향을 뒤집어 놓는 것이 핵심이다.

광호흡과 CO2 시비 효과

C4 식물은 C3 식물보다 광호흡이 낮고 CO2 농축에 에너지가 더 든다. 두 항목은 서로 반대되는 방향을 보인다. 광호흡이 낮다는 사실과 에너지 요구가 낮다는 사실은 별개의 항목이므로, 한쪽을 근거로 다른 쪽을 추정해서는 안 된다.

CO2 농도가 바뀔 때 두 식물의 반응도 다르다. 대기 중 CO2 농도가 높아지면 C3 식물의 광호흡은 감소한다. 탄산시비에 의한 건물 생산 촉진 효과도 C3 식물이 C4 식물보다 크다. C3 식물에서는 광호흡이 일어나며, CO2 농도가 높아지면 광합성이 증가해 CO2 시비 효과가 크다.

1차 고정산물과 에너지 요구

CO2 1분자를 고정하는 데 필요한 ATP는 C4 식물이 C3 식물보다 많다. 에너지 요구는 첫 고정 산물과 함께 비교해야 한다. 3탄소 화합물을 첫 산물로 만드는 C3 작물과 4탄소 화합물을 첫 산물로 만드는 C4 식물은 고정 단계의 탄소 수가 다르므로, 두 항목을 따로 살펴본다. 두 경로는 첫 산물의 탄소 수로 구분한다.

고온 적응과 광포화점

C4 식물은 고온에서도 광합성 효율이 높아 35℃ 내외에서 활발하게 광합성한다. 광합성 적정온도는 C4 식물이 C3 식물보다 높다. 옥수수는 C4 작물로, 고온과 강한 일사에서도 광합성 효율이 높고 생육 최고온도가 가장 높다.