在光合作用固定及同化CO₂过程中具有C₄途径的植物。这类植物起源于热带，其叶片具有花环结构，维管束鞘细胞较大且有叶绿体。光合作用中C₄途径与C₃途径相互联系（图1）。C₄植物从大气中吸收的CO₂，先在叶肉细胞内固定在C₄-二羧酸中，CO₂受体为磷酸烯醇丙酮酸（PEP），催化这一反应的酶为PEP羧化酶。该酶与CO₂有较大的亲和力，故C₄-植物能固定充分的CO₂。在C₄-二羧酸中，后者运到维管束鞘细胞后，脱羧释放出的CO₂进入C₃途径，同化为糖及淀粉等，脱羧后形成的C₃化合物，从维管束鞘细胞转回叶肉细胞，再转变为CO₂受体PEP，形成一循环。C₄途径起CO₂泵的作用，使核酮糖二磷酸（RuBP）羧化酶-加氧酶作用部位的CO₂浓度增高，故促进羧化反应而抑制加氧反应，使光合速度增高而光呼吸受到抑制。C₄-植物光呼吸速度很低，一般在光下不放出CO₂，CO₂补偿点也很低，约0—10ppm，所以环境中CO₂浓度在10ppm以上即可进行光合作用。C₄-植物光合作用的光饱和点较C₃-植物高。在自然光强范围内光合速率随光强增加而增高。C₄-植物的光合最适温较高，约30—40℃。在温度较高、光照较强以及相对湿度较低的条件下，C₄-植物的光合效率明显高于C₃-植物；但其高光合速率需要消耗较多的能量。如C₄-植物玉米每同化1分子CO₂，除在C₃途径中需要消费与C₃植物同样多的同化力（2分子NADPH和3分子ATP）外，在C₄途径中还需2分子ATP，故在光强及温度较低的条件下，其光合效率并不比C₃植物高，甚至还低一些。此外，C₄植物在低温下其C₄途径中的PEP羧化酶及丙酮酸、磷酸双激酶不稳定，且叶肉细胞内丙酮酸载体及磷酸运转器的作用在低温下受到抑制，因而使丙酮酸从细胞溶质运到叶绿体以及PEP从叶绿体运到细胞溶质受抑制，影响C₄途径的运转，这些都使C₄植物在低温下的光合效率减低。C₄植物玉米、高梁及甘蔗等光合作用中代谢物的运转（见图2）。

图1 C₄途径与C₃途径相联系的简要图解

图2 C₄植物光合作用中代谢物的运转图解

根据C₄植物中催化脱羧反应的酶的种类不同，又可将其分为三类：①NADP-苹果酸酶类型：C₄酸从叶肉细胞运到维管束鞘细胞后，在NADP-苹果酸酶催化下脱羧释放CO₂，例如玉米、高粱；②NAD-苹果酸酶类型：催化脱羧反应的酶为NAD-苹果酸酶，例如小米；③PEP羧激酶类型：催化脱羧反应的酶为PEP羧激酶，例如大黍、虎尾草。

在C₄-植物中农作物很少，玉米、高粱和甘蔗是其中最重要的。很多C₄-植物都是生活力很强的杂草，所以研究如何抑制C₄-途径以抑制杂草的光合作用在农业生产上也有实用意义。