在2014年的時候，我國著名雜交水稻學家袁隆平在接受媒體採訪時談到，他正在研究把玉米的碳四基因轉到水稻當中，如果能成功，光合效率可以提高30%到50%，從而大大提高產量。
其中袁老談到的「碳四「指的就是碳四植物，相比碳三植物，碳四植物具有更高的光合作用效率，更強的抗旱能力和生存能力，其農作物也具有更高的產量。
在現有的地球植物物種當中，碳三植物佔了95%，典型的碳三植物有水稻、小麥、菸草、大豆，以及絕大部分農作物；而碳四植物只佔3%，典型的碳四植物有玉米、高粱、甘蔗等等。
在1940年，科學家發現了碳的同位素碳-14，十年後，美國著名生物化學家梅爾文·卡爾文以小球藻為研究對象，利用碳-14首次探明了植物光合作用的固碳過程——光合碳循環，也稱作卡爾文循環或者碳三循環，他也因此獲得1961年的諾貝爾化學獎。
目前，科學家在高等植物中發現的固碳方式一共有三種：碳三循環、碳四循環和CAM循環，其中碳三循環是植物最普遍的固碳方式，另外兩種固碳方式則更加高級。
植物進行光合作用，可以把二氧化碳和水轉化為有機物，然後釋放氧氣，光合作用主要包含了光反應和暗反應兩個階段：
光反應：在色素和酶的作用下，植物把光能轉化為化學能（受體為ATP等等），即2H2O—>4H(+)+O2 ， ADP+Pi—>ATP。
暗反應：植利用活躍的化學能同化CO2，生成有機物，CO2+C5—>2C3， 2C3+H(+)—>(CH2O)+C5+H2O。
總反應方程式：CO2+H2O—>（CH2O）+O2，（CH2O）表示糖類。
大部分植物在得到二氧化碳後，會把一個二氧化碳整合到一個五碳糖分子1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）當中，從而得到一個六碳化學物，完成二氧化碳的固定，但是這個六碳化合物極不穩定，會馬上分解為兩個三碳化合物3-磷酸甘油酸（PGA），以這種過程進行光合作用的植物叫做碳三植物。
在碳四植物的葉綠體中，含有碳三植物不具備的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEP），PEP具有三個碳原子，並且和CO2有極強的親和力；而碳三植物中的RuBP，遇到CO2能固碳，遇到O2也能固氧，對於後者來說完全是一種浪費，這大大降低了碳三植物的光合作用效率。
碳四植物中的PEP在吸收CO2後，轉運至鞘細胞中再脫下CO2，從把O2和CO2分開，再進行卡爾文循環，可以看到，碳四植物本質上就是比碳三植物多了一個二氧化碳的轉運過程，相對於多了一臺二氧化碳渦輪增壓泵。
在完成卡爾文循環後，PGA在酶的催化作用下，消耗ATP最終合成糖類，每六個CO2分子可以得到一個糖類分子。
碳四植物多了一步後，對自身的光合作用和環境適應能力有了極大的改善，首先碳四植物可以在濃度更低的二氧化碳環境中進行光合作用。
更大的影響則是對水分的利用，植物葉子上有很多氣孔，在進行光合作用時水分也會通過氣孔蒸發掉，植物吸收水分的97%都是蒸發掉的，只有不到3%用於自身物質的合成，這在炎熱乾旱地區更明顯。
如果植物關閉氣孔減少水分蒸發，那麼二氧化碳也會減少，光合作用產生的氧氣增多，對於碳三植物來說是非常不利的，而且溫度升高後RuBP對氧氣的親和能力也會增加；而碳四植物就很好地解決了這個問題，碳四植物可以縮小氣孔減少水分蒸發量，同時還不會降低自身的光合作用效率。
正因為如此，碳三植物固定一個CO2分子，需要蒸發掉800多個水分子，而碳四植物只需要蒸發不到300個水分子，後者只有前者的三分之一，所以碳四植物具有更強的抗旱能力和抗熱能力，廣泛分布在熱帶和亞熱帶地區。
另外，還有更特殊的CAM植物，通過景天酸代謝途徑在夜間吸收CO2，在白天進行碳四循環，具有比碳四植物更強的抗旱能力，CAM植物多是多漿液植物，比如仙人掌、蘆薈、龍舌蘭等等。
另外，植物在進行光合作用時，同時也會進行呼吸作用來產生ATP，對於碳三植物來說，光呼吸會消耗掉大約30%的固定碳，而碳四植物和CAM植物的光呼吸非常弱，這也大大增加了碳四植物農作物的產量。
可惜的是，我們吃的米飯來源——水稻，沒有進化成碳四植物，水稻對水分和光照的要求極高，如果能把水稻培育成碳四植物，那麼就能大大增加水稻的產量和抗旱能力，玉米和水稻的基因比較相近，所以科學家也在試圖把玉米的碳四基因轉移到水稻當中，當然這是一個非常複雜的過程，因為基因的遷移會導致一系列難以預測的改變。
既然碳四植物擁有眾多優點，為何地球上的絕大部分植物還是碳三植物呢？
原因在於碳四植物有利端必定存在弊端，由於碳四循環比碳三循環多了一步，所以碳四循環需要消耗更多的能量，比如植物每合成一個葡萄糖分子，碳四植物需要消耗30個ATP，而碳三植物只需要消耗18個ATP，在陽光不充足的地方，碳三植物反而具有生存優勢。
水稻的原產地由於水分充足，所以無需考慮水分的蒸發，或許這就是水稻沒有進化成碳四植物的原因，但是如今人類對水稻的生產要求提高，希望水稻能在條件更加苛刻的地方進行種植。
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