代谢是植物生长与生存的基础。植物依靠一张高度互联的代谢网络，把光能、CO₂、水和矿质养分转化为生长所需的各类物质。教科书中的糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径、卡尔文-本森循环和光呼吸等“经典途径”，是认识这张网络的基础。近年来，稳定同位素标记的代谢流分析和计算模型不断揭示：在不同组织、发育阶段和环境条件下，碳的实际流向常常偏离经典途径的描述，形成多种“非经典途径”。

一、植物经典代谢途径

（一）中心碳代谢：糖酵解（EMP）、三羧酸循环（TCA）与磷酸戊糖途径（PPP）

中心碳代谢途径由EMP、TCA和PPP共同构成，广泛存在于植物呼吸作用中，是分解转化碳水化合物、释放能量的核心过程，并与蛋白质、脂质、核酸、有机酸及次生代谢相互连接。

图1　植物细胞中经典的中心碳代谢途径示意（董文科等, 2025）

EMP主要在细胞质中进行，把己糖逐步氧化为丙酮酸，己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的步骤是重要的调控点。其中最后一步由丙酮酸激酶把磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）转化为丙酮酸，这一反应强烈放能，胞质和质体中的丙酮酸激酶都受到柠檬酸、谷氨酸和ATP的别构抑制。在根、花和发育中的胚等非绿色组织的质体中，还存在一套完整的糖酵解反应。

丙酮酸经线粒体丙酮酸载体（MPC）进入线粒体后，由丙酮酸脱氢酶复合体氧化脱羧生成乙酰-CoA，再与草酰乙酸在柠檬酸合酶作用下生成柠檬酸，进入TCA循环。循环中产生的NADH和FADH₂经氧化磷酸化合成ATP；柠檬酸、2-酮戊二酸、苹果酸等有机酸则被大量反应取用，为氨基酸等物质的合成提供碳骨架。

PPP同时存在于细胞质和质体中。其氧化阶段由葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PDH）等催化，把葡萄糖-6-磷酸（G6P）氧化脱羧为5-磷酸核酮糖，同时生成CO₂和NADPH；非氧化阶段则在糖酵解中间产物与各种磷酸戊糖之间相互转换。NADPH是脂肪酸、氨基酸等还原性合成以及抗氧化反应的主要还原力来源，5-磷酸核糖则是核苷酸合成的前体。

（二）卡尔文-本森循环（CBB）与光呼吸

在光合组织中，中心碳代谢的范围更广，还包括CBB、光呼吸以及大量回补反应和跨膜转运过程。在叶绿体中，CBB负责把CO₂固定为有机碳：核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）催化核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）羧化生成3-磷酸甘油酸（3-PGA），后者利用光反应提供的ATP和NADPH被还原为磷酸丙糖；一部分磷酸丙糖在叶绿体内合成淀粉或输出到细胞质合成蔗糖，其余用于再生RuBP。作为一个自我催化的循环，CBB的中间产物还会被核苷酸、芳香族氨基酸、苯丙烷类和萜类的合成取用，需要依靠回补反应维持中间产物库。

Rubisco也能以O₂为底物发生加氧反应，生成2-磷酸乙醇酸。经典的光呼吸途径描述了2-磷酸乙醇酸如何经叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中的一系列反应回收为3-PGA，重新进入CBB，其间有一部分碳以CO₂形式释放；光呼吸还与硝酸盐同化、硫代谢和一碳代谢密切相关。

叶绿体中的EMP与CBB受到相反方向的调控，以避免两者之间无谓地来回转化：光照下质体磷酸果糖激酶受到硫氧还蛋白依赖的抑制；同时，叶绿体中磷酸甘油酸变位酶和烯醇化酶的表达下调，3-PGA无法在叶绿体内直接转化为PEP。

（三）丙酮酸在中心碳代谢中的枢纽地位

在中心碳代谢中，大量碳流汇入丙酮酸库。丙酮酸一方面进入线粒体驱动呼吸作用，另一方面在质体中转化为乙酰-CoA用于脂肪酸从头合成，并作为缬氨酸、亮氨酸等支链氨基酸的前体；丙酮酸经转氨生成丙氨酸的反应与低氧和氮胁迫响应有关；在C₄植物和景天酸代谢（CAM）植物中，丙酮酸磷酸双激酶（PPDK）把丙酮酸重新转化为PEP，是CO₂浓缩机制的必要步骤。低氧条件下，丙酮酸转入发酵途径以再生NAD⁺、维持糖酵解产生ATP，而有氧条件下的发酵代谢也参与植物的生长发育。

图2 丙酮酸在植物代谢中的作用（Evans SE等，2026）

（四）萜类前体合成的甲基赤藓醇磷酸途径（MEP）与甲羟戊酸途径（MVA）

萜类是植物中数量庞大、结构多样的天然产物，参与光合色素、甾醇、质体醌、泛醌、生育酚和叶绿素等合成，并为多种植物激素提供碳骨架。所有萜类均来源于通用C₅前体异戊烯基二磷酸（IDP）和二甲基烯丙基二磷酸（DMADP），它们由两个区隔化途径产生：位于质体的MEP和分布于细胞质、内质网及过氧化物酶体的MVA。

在质体中，MEP始于甘油醛-3-磷酸和丙酮酸缩合形成1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸（DXP），由DXP合酶催化，是将中心代谢碳导向质体萜类生物合成的关键步骤。在细胞质中，丙酮酸经间接途径生成乙酰-CoA，再进入MVA：线粒体基质中合成的柠檬酸经线粒体二羧酸载体 2（DIC2）输出到细胞质，由ATP-柠檬酸裂解酶裂解生成乙酰-CoA和草酰乙酸；草酰乙酸被还原为苹果酸，经DIC2再输入线粒体，维持氧化还原和碳平衡。

二、植物非经典代谢途径

（一）TCA循环的非经典运行模式

植物 TCA 循环并不总是首尾相接的完整环，存在多种非经典运行模式：在光下可呈“分叉”状态，正向支路为硝酸盐同化提供碳骨架，反向支路与还原当量平衡有关；柠檬酸可经线粒体二羧酸载体 DIC2 以苹果酸-柠檬酸交换方式输出到细胞质。异养组织中同样常见非经典模式，TCA 循环流量可分段、反向或主要流向柠檬酸合成，并为细胞质脂肪酸延长提供乙酰-CoA。

（二）CBB的G6P支路

CBB并非只靠自身酶系封闭运行。叶绿体输出的磷酸丙糖可在细胞质转化为G6P，经氧化PPP生成磷酸戊糖，再经木酮糖-5-磷酸/磷酸转运体（XPT） 回到叶绿体重新进入CBB，形成 G6P支路。该支路主要发生在细胞质，将NADPH和CO₂从叶绿体转移到细胞质，参与氧化还原平衡。日间呼吸中相当大比例的CO₂释放可能来自该支路。CBB在保卫细胞和韧皮部伴胞中也可能以不同于经典描述的方式运行。

图3　非经典途径向CBB提供的碳源（Sweetlove LJ等，2025）

（三）Rubisco的非CBB依赖型碳固定

在发育中的绿色油料种子中，Rubisco可不依赖CBB工作：脂肪酸合成释放的 CO₂可被重新固定，生成的3-PGA用于脂肪酸合成，所需ATP和还原力由光驱动光合电子传递提供。这条PRK/Rubisco支路不仅参与碳回收，也影响种子糖酵解、淀粉代谢、光合作用和油脂积累。

（四）光呼吸的代谢出口与非闭合循环特性

光呼吸并非完全闭合的回收循环。相当一部分中间产物以甘氨酸、丝氨酸或一碳单位形式离开循环，这些出口流量会改变光呼吸对ATP和NADPH的需求，并影响整个代谢网络。光呼吸还参与氮素同化，其主要作用可能包括供应甘氨酸和丝氨酸，而非仅仅补充CBB中间产物。

（五）叶绿体丙酮酸与胞质乙酰-CoA的替代来源

叶绿体中3-PGA不能直接转化为丙酮酸，但MEP途径和脂肪酸合成都需要丙酮酸，这构成“丙酮酸悖论”。Rubisco的副反应是叶绿体丙酮酸的重要来源之一。此外，磷酸丙糖经细胞质糖酵解生成 PEP 后回输、叶绿体苹果酸酶氧化脱羧、质体BASS2运输等，也可提供丙酮酸。细胞质中缺乏丙酮酸脱氢酶复合体，MVA途径所需乙酰-CoA需绕道线粒体：丙酮酸在线粒体生成柠檬酸，经DIC2输出到细胞质，再由 ACL 裂解为乙酰-CoA和草酰乙酸。不同细胞类型对丙酮酸和PEP的分配各有侧重，并由质体转运体和关键酶的细胞特异表达调控。

图4　叶绿体丙酮酸与细胞质乙酰-CoA的来源示意

三、代谢流分析：碳流量的定量解析

（一）代谢流量（代谢通量）分析的必要性

转录组、蛋白质组和代谢组测到的是某一时刻的“存量”，既不能区分正在合成的活跃分子与先前代谢状态的残留，也不能直接代表反应速率；仅凭转录本丰度并不能可靠地推断中心代谢的流量。代谢流量受质量守恒约束，描述的是原子在途径中的实际流动，能够定量刻画细胞的运行状态，也为其他组学得出的结论提供验证。

同位素示踪本身就是阐明经典途径的主要手段。早期研究使用放射性¹⁴C，只能粗略区分标记的去向；利用稳定同位素¹³C并结合核磁共振（NMR）和质谱（MS），可以测定更多代谢物的标记，甚至确定标记位于分子中的哪个碳原子。把这些数据拟合到描述碳原子转移关系的网络模型中，就能在统计置信区间内估算各反应的流量，这就是¹³C代谢流分析（¹³C-MFA）。

一次完整的代谢流分析通常包括六个步骤：①根据研究问题选择示踪底物；②确定采用稳态还是非稳态标记；③测定底物消耗、生物量合成等外部速率；④用NMR或MS测定代谢物的同位素分布；⑤构建包含碳原子转移关系的代谢网络；⑥通过计算最小化模拟标记与实测标记的差异，多次更换初始值寻找全局最优解，评估流量置信区间，必要时修正网络并重复分析。

图5 代谢流量分析的关键步骤（Koley S等，2024）

（二）稳态与非稳态¹³C-MFA

稳态代谢流分析在持续供给标记底物、代谢物同位素分布不再变化后取样，只需一个时间点的数据。它适合代谢稳态持续时间较长的异养体系。光合组织则不同：叶片代谢随昼夜不断变化，稳态持续时间短；而且自养组织只有 CO₂一种碳源，达到同位素稳态时所有碳原子都会被均匀标记，无法提供流量信息。同位素非稳态代谢流分析（INST-MFA）在标记开始后的多个时间点取样，用微分方程拟合各代谢物的标记速率来估算流量，适用于代谢稳态只能维持数分钟到数小时的体系。该方法已从光合细菌推广到植物叶片等光合组织。

（三）约束模型与流量平衡分析

与实验测定互为补充的是计算建模。动力学模型用速率方程描述每个酶促反应，可以分析底物供应、产物需求和酶调控变化对网络的影响，但需要大量酶动力学参数，通常只能用于研究较充分的小型网络片段。流量平衡分析（FBA）不需要酶动力学参数，而是依据反应的化学计量关系，在底物吸收速率、生物量组成、反应方向等约束条件下，用线性规划求出满足某一目标的最优流量分布，可应用于基因组规模的代谢网络。由于满足条件的最优解往往不止一个，流量变异性分析（FVA）可以给出每个反应在最优解空间内允许的流量范围；其他方法则从不同角度揭示网络的灵活性。模型给出的是可能性，是否真实发生还需要同位素标记实验来检验。两类方法结合，已经发现了大量偏离经典描述的流量模式。

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