C₄-Pflanzen, Pflanzen, die wie die CAM-Pflanzen über spezielle Mechanismen verfügen, CO₂ in Geweben, in denen die Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase („Rubisco“) aktiv ist, anzureichern. Der stets hohe CO₂-Partialdruck verhindert dadurch Fotorespiration. C₄-Pflanzen unterscheiden sich von den C₃-Pflanzen nicht nur durch physiologische, sondern auch durch anatomische Anpassungen. Neben dem Mesophyll kommt als weiteres fotosynthetisch aktives Gewebe die so genannte Leitbündelscheide hinzu ( vgl. Abb. ). Sie besteht aus Zellen, die kranzartig um die Leitbündel angeordnet sind. An der CO₂-Fixierung sind in C₄ - P. sowohl die Mesophyll- als auch die Leitbündelscheidenzellen beteiligt, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander befinden und durch Plasmodesmata miteinander verbunden sind (Plasmodesmen). In den Mesophyllzellen wird das CO₂ zunächst in Form einer C₄-Dicarbonsäure fixiert. Die eigentliche CO₂-Fixierung durch den Calvin-Zyklus erfolgt dann in den Zellen der Leitbündelscheide. Diese beiden Prozesse laufen somit räumlich getrennt voneinander ab.

Der so genannte C₄-Zyklus (nach seinen Entdeckern auch Hatch-Slack-Zyklus genannt) kann in vier Abschnitte unterteilt werden: ( vgl. Abb. ) 1) CO₂-Fixierung durch Carboxlierung von Phosphoenolpyruvat (PEP) in den Mesophyllzellen, wobei Malat oder Aspartat als Produkt entsteht, 2) Transport der Dicarbonsäure (C₄-Körper) vom Mesophyll in die Leitbündelscheide, 3) Decarboxylierung unter Bildung von CO₂ und einer Monocarbonsäure (C₃-Körper), welche 4) in das Mesophyll zurücktransportiert wird. Hier erfolgt dann die Regeneration von PEP.

Bei C₄ – P. kommen drei unterschiedliche Varianten des C₄-Zyklus vor, die sich dadurch unterscheiden, ob Malat oder Aspartat zur Leitbündelscheide hintransportiert und Alanin oder Pyruvat von dort zurücktransportiert werden ( vgl. Abb. ). Außerdem bestehen Unterschiede in bezug auf das Enzym, das die Decarboxylierungsreaktion in den Leitbündelscheidezellen katalysiert, sowie dessen Lokalisation. Die drei Varianten sind nach diesen Enzymen benannt: 1) NADP-abhängiger-Malatenzym-Typ (Chloroplasten), typische Vertreter: Mais, Fingerhirse, Zuckerrohr; 2) NAD-abhängiger Malatenzym-Typ (Mitochondrien): Hirse und Amaranth; 3) PEP-Carboxykinase–Typ (Cytosol): Rispenhirse. C₄ – P. sind inzwischen in 16 monokotylen und dikotylen Pflanzenfamilien nachgewiesen (Poaceae, Chenopodiaceae, Cyperaceae). Schätzungen ergaben, dass ungefähr ein Prozent der Pflanzen C₄ – P. sind. Sie kommen vor allem in subtropischen und tropischen Regionen der Erde vor. Der C₄-Zyklus arbeitet auch bei Temperaturen im optimalen Bereich, bei denen durch partielles Schließen der Spaltöffnungen allzu großer Wasserverlust vermieden werden soll. Dies liegt daran, dass die Phosphoenolpyruvat-Carboxylase eine höhere Affinität zu CO₂ hat als die Rubisco, sodass am Ort des Calvin-Zyklus stets für ausreichend hohe CO₂-Konzentrationen gesorgt wird.

C₄-Pflanzen: Querschnitt durch das Blatt einer dikotyledonen C₄-Pflanze. Auffällig ist die Größe der Leitbündelscheidenzellen im Vergleich zu den sie umgebenden Mesophyllzellen

C₄-Pflanzen: Schema des C₄-Zyklus . Die Fixierung von CO₂ erfolgt in den Mesophyllzellen räumlich getrennt von den Reaktionen des Calvin-Zyklus, die in den Leitbündelscheidenzellen ablaufen. Der C₄-Zyklus gliedert sich in die vier Abschnitte Fixierung, Transport, Decarboxylierung und Rücktransport. Durch die räumliche Trennung wird Fotorespiration vermieden

C₄-Pflanzen: Die drei Varianten des C₄-Zyklus