世界上产量最高的农作物无不使用了一种超高效的光合作用形式——称为C4光合作用，因为这种光合作用过程中，第一步即形成一种四碳分子。大多数植物种类都属于C3光合作用，最开始时形成的是三碳分子。
2014年12月，基因学家宣称，他们发现了一种方法，可促使水稻像玉米和许多生长速度快的杂草一样更高效地进行光合作用。这一科技进步由菲律宾和英国联合研究人员共同促成，为科学家大大提高水稻及小麦产量的构想扫除了一大障碍。此次科学研究的由来在于，作为养活全世界几乎40%人口的主要作物，水稻和小麦的产量近年来几乎无法保持平稳，越来越难满足全球快速增长的食物需求。
这一加速过程称为C4光合作用，通过吸收二氧化碳并将其浓缩在叶片特别细胞内，来加快植物生长速度。这样，光合作用过程效率更高。这也是玉米和甘蔗产量高的原因；如果C4水稻培育成功，其长势在种植后几周内即可超过传统水稻。研究人员计算发现，将C4光合作用技术应用于水稻和小麦，每公顷产量大约会增加50%；同样地，大大降低用水量和施肥量，也能获得等量收成。
国际水稻研究所（IRRI）保罗·奎克和剑桥大学教授朱利安·希伯德于2014年12月开展了一项研究，在一种水稻植株中引入了五个关键C4光合作用基因，结果发现，这种水稻植株吸收二氧化碳的机制与加速型光合作用植物的吸收机制相同。“这是我们第一次在水稻内发现C4循环的证据，所以很兴奋，”美国圣路易斯社区大学丹佛植物科学中心研究员托马斯·布鲁特奈尔说。布鲁特奈尔是IRRI领衔的C4水稻协会成员，该协会曾从比尔和梅林达·盖茨基金会筹资，但并未直接参与最新突破性技术研究。
更改后的水稻尽管出现基因变化，仍以传统的光合作用形式为主。为实现光合作用形式的完全转换，研究人员需要精心设计，使植物能生产严格排列的特殊细胞：一组细胞用于吸收二氧化碳，并围绕在另一组用来浓缩二氧化碳的细胞周围——即C4植物叶片中独特的花环结构。不过，科学家们还无法了解产生这些细胞的所有基因，所了解的数目加起来可能还不到几十个。
新的基因组编辑技术使科学家能够精确修改植物基因组的任何部分，解决上述难题。使用传统育种方法操作一到两个以上的基因，简直就是“噩梦”，布鲁特奈尔说，更别说试图在一株植物中做出几十处基因改变从而加快其生长了。但基因组技术可轻松实现多处基因更改。布鲁特奈尔说：“现在我们有了合适的工具箱，可以尽情施展了。”
十年前或更早以前，即使很简单的作物变异都会影响到农民，更别提这种复杂的加速植物光合作用的更改了。但科学家在成功解决了水稻等植物内的C4问题后，希望可以推广这种方法，以大幅度增加许多其他作物的产量，如小麦、土豆、番茄、苹果和大豆等。
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