2014年，杂交水稻之父袁隆平在接受媒体采访时谈到，他正在研究将玉米的碳四基因转移到水稻中。那么，什么是碳四基因？为什么要转到水稻中呢？
碳三植物与碳四植物
众所周知，植物是地球上的生产工厂。它们通过光合作用生产有机物和氧气，维持人和动物的生存和生态圈的平衡。
绿色植物在光合作用时，首先要将空气中的CO2固定在植物体内。大多数物种中，吸收CO2后生成的第一个有机物是一种含有3个碳原子的糖，因此将这一CO2固定途径称作碳三（C3）途径，这些植物被称作碳三（C3）植物。禾本科中，水稻、小麦都是C3植物。
催化CO2固定的酶叫做Rubisco。Rubisco催化效率低下，是整个反应的限速酶。而且它除了能催化CO2的固定，还可反向催化三碳糖结合氧气，释放CO2。后者类似于呼吸作用，称作光呼吸。光呼吸不但不能增加有机物的产量，反而会损失已生成的同化产物。
为了应对C3途径的缺陷，一些植物进化出了新的CO2固定途径，并发展出与之适应的形态特征。它们的维管束周围的细胞分化成两种：维管束鞘细胞和叶肉细胞。这些细胞整齐地排列成双层环状结构，即所谓的“花环结构”。CO2固定过程发生在叶肉细胞的细胞质中，生成一种含4个碳原子的有机酸——显然这些植物应该叫做碳四（C4）植物，典型的例子如禾本科的玉米。接下来，四碳酸被运送到维管束鞘细胞中，并分解为丙酮酸和CO2。重新释放出的CO2在维管束鞘细胞中进行C3途径。
图1 禾本科三种植物叶片形态结构对比
催化C4植物结合CO2的酶是磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）。得益于其相比Rubisco更高的催化效率，被运送到维管束鞘细胞中的CO2浓度比C3植物更高。如果将C3植物看成一个工厂，生产原料是来自空气的CO2，Rubisco则是一台破旧的生产机器。C4植物创造性地将设计出一个生产原料浓缩泵——PEPC，并放置于类似于生产车间的叶肉细胞中。车间隔壁还是原先那个破机器，但到进入它的CO2比C3工厂的浓度要高十倍。这样，即使机器性能没有改善，生产效率却大为提高。此外，高浓度的CO2削弱了Rubisco的氧化功能，从而可以降低光呼吸。C4植物掌握的这些先进技术提高了同化作用的生产率。
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