C4 和 CAM 光合作用的分子基礎、演化和農業應用涉及比較基因體學、發育生物學和作物改良。
C4 光合的演化
C4 光合作用在被子植物中至少獨立演化超過 66 次（Sage et al., 2011, J. Exp. Bot. 62: 3155），涉及多個科（禾本科、莧科、菊科等）。這種反覆趨同演化暗示 C3→C4 的轉變有相對固定的演化路徑：(1) 先增強 BSC 的光合能力和維管束密度 → (2) 建立 glycine shuttle（將光呼吸產物集中到 BSC 去羧化） → (3) 上調 PEPC 和去羧化酶 → (4) 完整 C4 循環。中間態「C3-C4 intermediate」物種（如 Flaveria linearis）是這一演化路徑的活化石。
PEPC 的調控
PEPC 的 Km(HCO₃⁻) 約 20 μM，遠低於 Rubisco 對 CO₂ 的 Km（約 10 μM CO₂），使其在低 CO₂ 下仍高效運作。C4 植物的 PEPC 由祖先非光合 PEPC 基因複製和新功能化（neofunctionalization）而來，promoter 區域獲得光誘導元件。PEPC 受 PEPC kinase 磷酸化在 Ser₁₅ 位活化（光照時），磷酸化 PEPC 對 malate（回饋抑制物）的敏感性降低。Chollet et al.（1996, Annu. Rev. Plant Physiol. 47: 273）的經典綜述闡述了 PEPC 調控的層次。
CAM 的分子計時
CAM 植物的 PEPC 夜間活化也受磷酸化控制，但節律由內源性生理時鐘（circadian clock）驅動。TOC1/CCA1 回饋迴路控制 PEPC kinase 的基因表現。Borland et al.（2014, New Phytol. 204: 738）指出，CAM 的 facultative switching（兼性 CAM，如 Mesembryanthemum crystallinum 在乾旱誘導下從 C3 切換為 CAM）涉及大規模的表觀遺傳重編程（DNA 甲基化變化）。
C4 水稻工程計畫
International C4 Rice Consortium（IRRI 主導）的目標是將 C4 光合作用工程化導入 C3 水稻，預估可提升產量 50%。挑戰包括：(1) Kranz anatomy 的發育遺傳學——SCARECROW（SCR）和 SHORT-ROOT（SHR）轉錄因子控制 BSC 的分化（Slewinski et al., 2012, Plant Physiol. 159: 1600）；(2) 將 PEPC、PPDK、NADP-ME 等基因以正確的細胞特異性表現；(3) 代謝體（plasmodesmata）的通量是否足以支撐 C₃/C₄ 酸的穿梭。Wang et al.（2017, Nat. Plants 3: 734）成功在水稻中重建了部分 C4 途徑，但完整 Kranz anatomy 仍未實現。
文獻參考：Sage, R.F. et al. (2011). J. Exp. Bot., 62, 3155-3169. / Borland, A.M. et al. (2014). New Phytol., 204, 738-753.