通過(guò)δ13C值判斷植物光合途徑（C3 vs C4）的核心原理在于不同光合作用途徑對(duì)碳同位素的分餾程度存在顯著差異。這種差異源于它們固碳初始步驟的關(guān)鍵酶及其解剖結(jié)構(gòu)的不同。

1. 同位素分餾基礎(chǔ)：

* 大氣CO?中主要包含較輕的12C（約99%）和較重的13C（約1%）。

* 植物在進(jìn)行光合作用吸收CO?時(shí)，普遍更“偏愛(ài)”較輕的12C，導(dǎo)致植物體內(nèi)的13C比例低于大氣CO?，這種現(xiàn)象稱為同位素分餾。

* δ13C值是衡量樣品相對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（PDB）中13C/12C比值的千分偏差（‰）。公式為：δ13C (‰) = [(Rsample/Rstandard) - 1] × 1000，其中R是13C/12C比值。

* 分餾程度越大，δ13C值越負(fù)（越偏向負(fù)值）。

2. C3植物與強(qiáng)分餾：

* C3植物（如小麥、水稻、大豆、樹木、大多數(shù)溫帶植物）的初始固碳酶是Rubisco (RuBP羧化酶/加氧酶)。

* Rubisco對(duì)CO?的親和力相對(duì)較低，并且對(duì)13C的分餾作用很強(qiáng)（分餾值約 -29‰）。這意味著Rubisco顯著偏好12C，導(dǎo)致進(jìn)入植物體內(nèi)的CO?中13C比例大幅降低。

* 結(jié)果： C3植物的δ13C值范圍通常在-22‰ 到 -35‰之間，平均值約 -27‰。數(shù)值非常負(fù)，表明分餾劇烈。

3. C4植物與弱分餾：

* C4植物（如玉米、甘蔗、高粱、許多熱帶禾本科草）進(jìn)化出了特殊的CO?濃縮機(jī)制以應(yīng)對(duì)高溫、干旱和高光強(qiáng)。它們擁有花環(huán)結(jié)構(gòu)(Kranz anatomy)。

* 在葉肉細(xì)胞中，初始固碳由PEP羧化酶(PEPC) 完成。PEPC對(duì)CO?的親和力極高，幾乎不區(qū)分12C和13C（分餾值僅約 -5.7‰），分餾作用非常微弱。它將CO?固定成四碳酸（C4酸）。

* 隨后，C4酸被轉(zhuǎn)運(yùn)到維管束鞘細(xì)胞，在那里釋放CO?（此時(shí)CO?濃度很高）。高濃度的CO?再由Rubisco進(jìn)行卡爾文循環(huán)固碳。由于維管束鞘細(xì)胞中CO?濃度很高，Rubisco的分餾作用被大大抑制。

* 關(guān)鍵點(diǎn)： 整個(gè)C4途徑的碳同位素分餾主要受第一步（PEPC）控制，而這一步的分餾本身就很小，且后續(xù)高濃度CO?環(huán)境進(jìn)一步限制了Rubisco的分餾潛力。

* 結(jié)果： C4植物的δ13C值范圍通常在-10‰ 到 -14‰之間，平均值約 -13‰。數(shù)值明顯比C3植物偏正（負(fù)得少），表明整體分餾很弱。

4. 判斷標(biāo)準(zhǔn)：

* δ13C ≈ -27‰ ± 5‰ (通常在 -22‰ 到 -35‰ 之間)： 強(qiáng)烈指示為C3植物。

* δ13C ≈ -13‰ ± 2‰ (通常在 -10‰ 到 -14‰ 之間)： 強(qiáng)烈指示為C4植物。

* -14‰ 到 -22‰ 之間： 這是一個(gè)重疊或模糊區(qū)域。可能的原因包括：

* CAM植物（景天酸代謝植物）：如仙人掌、菠蘿。它們?cè)谝归g（類似C4途徑）和白天（類似C3途徑）進(jìn)行光合作用，其δ13C值范圍很寬，可以落在C3和C4之間甚至更低（-10‰ 到 -30‰ 或更低），取決于環(huán)境水分脅迫程度。

* 處于脅迫（如嚴(yán)重干旱、鹽堿）下的C3植物：氣孔導(dǎo)度降低可能導(dǎo)致胞間CO?濃度降低，從而減弱Rubisco的分餾作用，使δ13C值略微偏正（負(fù)值減小），但通常不會(huì)進(jìn)入C4范圍。

* C3-C4中間型植物：非常罕見(jiàn)。

* 樣品混合或污染。

* 區(qū)分CAM： 通常需要結(jié)合植物種類信息或更詳細(xì)的研究（如日變化測(cè)量）。如果已知是CAM植物，其δ13C值范圍寬泛，需要結(jié)合具體物種和環(huán)境判斷。

5. 應(yīng)用價(jià)值：

* 生態(tài)學(xué)： 研究生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（C3/C4植物比例）、碳循環(huán)、植被演替、動(dòng)物食性（通過(guò)分析動(dòng)物組織δ13C推斷其攝入的C3/C4植物比例）。

* 農(nóng)業(yè)科學(xué)： 評(píng)估作物生理（水分利用效率）、育種（篩選高WUE品種）。

* 古生態(tài)/古氣候/考古學(xué)： 重建過(guò)去植被類型（C3/C4豐度）、氣候變化（如C4擴(kuò)張指示變暖變干）、古代人類和動(dòng)物的食譜（如玉米C4 vs 小麥C3的攝入比例）、農(nóng)業(yè)起源與傳播（如玉米在美洲的馴化與傳播）。

總結(jié)：

通過(guò)測(cè)量植物組織的δ13C值，可以可靠地區(qū)分其主要的光合作用途徑：

* δ13C值非常負(fù)（≈ -27‰）： 典型C3途徑。

* δ13C值相對(duì)偏正（≈ -13‰）： 典型C4途徑。

兩者之間存在一個(gè)明顯的數(shù)值間隔（約-14‰ 到 -22‰），這通常是區(qū)分C3/C4的關(guān)鍵范圍，若落在此區(qū)間則需要謹(jǐn)慎考慮其他因素（主要是CAM或脅迫下的C3）。δ13C分析因其相對(duì)簡(jiǎn)便、可靠，成為研究植物生理生態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)功能和古環(huán)境重建的強(qiáng)有力工具。