全世界的糧食安全依賴小麥、小稻、玉米的產量，而光合作用是產生生物量(Biomass，可定義為一個個體或單位內的生物總重)的基礎。光合作用的過程中需要用到很大量的蛋白質，而這些蛋白質是葉片中主要的氮組成，因此光合作用系統需要大量的氮來建構。作物的產量反映光合作用效率，雖然不同作物的氮含量與光合作用的關係不同，但光合作用速率與氮有正相關，氮含量與葉片乾物重仍可以做為光合作用效率的指標。在成熟的C3植物葉片中，氮的分布大約是：75%於葉綠體中，5%於粒線體中，2.5%於過氧化體中，7.5%於細胞質中，10%於細胞壁中，在這些蛋白質中，用於光合作用的蛋白質約占全體蛋白質的54%。
在1962-2002的四十年間，每年的水稻、玉米、小麥年產量從682百萬噸提高至1752百萬噸，而氮肥生產量由每年13.6百萬噸提高至88.2百萬噸，兩者間約略為線性關係，每公噸的氮肥能提供約13.8噸的生產量。在碳增加與有機氮化合物的形成之間需要一個平衡點。根據植物生理學的計算，在25℃下，以現在的大氣二氧化碳濃度，生理循環中的每個氨大約能固定六個碳原子。但當要新生成生物量時，假設植株含有2%氮，40%碳，則呼吸作用中大約有30%碳被固定，每個氨大概需要固定33個碳用以生成新的生物量。目前研究者研究光合作用中的蛋白質，期待能增加光合作用時，每單位的氮所能固定的二氧化碳量。Rubisco是二氧化碳固定與光呼吸的重要酵素，也占葉片中氮含量的很大部分，因此研究者著重於提升Rubisco的表現。碳的固定與同化需要含氮蛋白的參與，當大氣中的二氧化碳的濃度提升，或試圖提高對二氧化碳的固定量時，將降低氮含量。當禾本科作物充實時，氮會由葉片與莖重新進行分配。當成熟時，地上部的氮會有80%-90%進入榖粒中。因此當要增加產量且希望維持榖粒中的蛋白質含量(維持品質)，除了增加光合作用中的碳固定，也需要額外提供氮肥，促使根部持續生長，增加肥料吸收效率，並在植物逐漸衰老時提供足夠的養分。
資料來源：
https://academic.oup.com/jxb/advance-article-abstract/doi/10.1093/jxb/ery366/5142912?redirectedFrom=fulltext