Die lichtunabhängigen Reaktionen der Photosynthese, die als Dunkelreaktionen bekannt sind, verwenden ATP und NADPH, die während der Lichtreaktionen erzeugt werden, um Zuckervorläufer zu synthetisieren. Im häufigsten Szenario, dem Calvin-Zyklus, Kohlendioxid wird in eine stabile Drei-Kohlenstoff-Verbindung namens Phosphoglycerat (PGAL) eingebaut, die als Vorläufer von Glucose und anderen Zuckern dient. Sechs Umdrehungen des Calvin-Zyklus erzeugen das Äquivalent eines Glukosemoleküls.
Biologen teilen Pflanzen in drei Kategorien ein, die C3, C4 und CAM genannt werden, basierend auf dem Mechanismus und dem Ort der Dunkelreaktionen der Photosynthese. Die meisten Pflanzen werden als C3 bezeichnet, was bedeutet, dass die erste stabile Verbindung, die sie bei den Dunkelreaktionen erzeugen, PGAL ist. Dieser Weg ist optimal für Pflanzen, die in milden Umgebungen mit viel Feuchtigkeit und Kohlendioxid leben. Beispiele für C3-Pflanzen sind Weizen, Reis, Hafer und Tomaten.
Im Gegensatz dazu neigen C4-Pflanzen dazu, heißere und trockenere Umgebungen zu bewohnen. Beispiele sind Mais, Zuckerrohr und Sorghum. Um den Wasserverlust zu minimieren, haben C4-Pflanzen eine spezielle Struktur namens Kranz-Anatomie, bei der die Photosynthese in Zellen stattfindet, die als Kranz- oder Bündelhüllenschicht angeordnet sind. C4-Pflanzen kombinieren Kohlendioxid mit Phosphoenolpyruvat zu OAA (Oxalacetat). OAA wird in Malat umgewandelt, das in die Bündelscheidenzellen diffundiert und Kohlendioxid freisetzt, das umgehend in den Calvin-Zyklus eintritt. Durch die Konzentration von Kohlendioxid in der innersten Zellschicht der Pflanze geht weniger Wasser durch Transpiration verloren.
Schließlich haben bestimmte Wüstenpflanzen wie Kakteen und Agaven eine Form der Photosynthese namens CAM entwickelt, die für Crassulacean Acid Metabolism steht. Diese Pflanzen müssen noch effizienter Wasser sparen als C4-Pflanzen. Anstatt ihre Spaltöffnungen (Porenzellen) wie C3- und C4-Pflanzen tagsüber offen zu halten, halten CAM-Pflanzen sie nachts offen, um Kohlendioxid anzusammeln, das sie als Malat oder Aspartat in einer intrazellulären Vakuole speichern. Tagsüber zapft die Pflanze diese Kohlendioxidreserven an und leitet CO2 in den Calvin-Zyklus ein, ohne Wasser an die Umwelt zu verlieren. Dies erklärt, warum die Chloroplasten von Kakteen im Körper der Pflanze und nicht in Blättern vorkommen. Der CAM-Zyklus erklärt auch die Fähigkeit von Xerophyten (Wüstenpflanzen), Monate oder Jahre ohne Regen zu überleben.
