Les réactions indépendantes de la lumière de la photosynthèse, connues sous le nom de réactions sombres, utilisent l'ATP et le NADPH générés lors des réactions lumineuses pour synthétiser des précurseurs de sucre. Dans le scénario le plus courant, appelé cycle de Calvin, le dioxyde de carbone est incorporé dans un composé stable à trois carbones appelé phosphoglycérate (PGAL), qui sert de précurseur du glucose et d'autres sucres. Six tours du cycle de Calvin génèrent l'équivalent d'une molécule de glucose.
Les biologistes divisent les plantes en trois catégories appelées C3, C4 et CAM, en fonction du mécanisme et de la localisation des réactions sombres de la photosynthèse. La plupart des plantes sont désignées C3, ce qui signifie que le premier composé stable qu'elles génèrent dans les réactions sombres est la PGAL. Cette voie est optimale pour les plantes vivant dans des environnements doux avec une humidité abondante et du dioxyde de carbone. Le blé, le riz, l'avoine et les tomates sont des exemples de plantes C3.
En revanche, les plantes C4 ont tendance à habiter des environnements plus chauds et plus secs. Les exemples incluent le maïs, la canne à sucre et le sorgho. Afin de minimiser la perte d'eau, les plantes C4 ont une structure spécialisée appelée anatomie de Kranz, dans laquelle la photosynthèse a lieu dans des cellules disposées en couronne ou en faisceau. Les plantes C4 combinent du dioxyde de carbone avec du phosphoénolpyruvate pour former de l'OAA (oxaloacétate). L'OAA est converti en malate, qui diffuse dans les cellules de la gaine du faisceau et libère du dioxyde de carbone, qui entre rapidement dans le cycle de Calvin. En concentrant le dioxyde de carbone dans la couche cellulaire la plus interne de la plante, moins d'eau est perdue en raison de la transpiration.
Enfin, certaines plantes du désert comme les cactus et les agaves ont développé une forme de photosynthèse appelée CAM, qui signifie Crassulacean Acid Metabolism. Ces plantes doivent conserver l'eau encore plus efficacement que les plantes C4. Plutôt que de garder leurs stomates (cellules poreuses) ouverts pendant la journée comme les plantes C3 et C4, les plantes CAM les gardent ouverts la nuit afin d'accumuler du dioxyde de carbone, qu'elles stockent sous forme de malate ou d'aspartate dans une vacuole intracellulaire. Pendant la journée, la plante puise dans ces réserves de dioxyde de carbone, canalisant le CO2 dans le cycle de Calvin sans perdre d'eau dans l'environnement. Cela explique pourquoi les chloroplastes des cactus se trouvent dans le corps de la plante plutôt que dans les feuilles. Le cycle CAM tient également compte de la capacité des xérophytes (plantes du désert) à survivre pendant des mois ou des années sans pluie.
