第3单元 第9讲 捕获光能的色素和结构及光合作用的原理(教用Word)-【赢在微点·顶层设计】2025年高中生物学高考一轮总复习（不定项版）

第9讲　捕获光能的色素和结构及光合作用的原理 课标内容 1.说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量,这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中,转换并储存为糖分子中的化学能。2.实验:绿叶中色素的提取和分离。 微考点大突破 考点一　捕获光能的色素和结构 1. 绿叶中色素的提取和分离实验 (1)实验原理。 (2)实验装置及操作步骤。 (3)实验结果及分析。 2.叶绿体中色素的吸收光谱分析 由图可以看出: 提醒　①植物叶片呈现绿色的原因是叶片中的色素对绿光的吸收少,绿光被反射出来。②植物的液泡中含有的色素(花青素)不参与光合作用。③植物幼嫩的茎和果实的细胞中也含有吸收光能的色素。 3.叶绿体的结构适于进行光合作用 (1)叶绿体的结构模式图。 (2)叶绿体的功能。 (3)叶绿体功能的实验验证。 ①资料1:(必修1 P100)。 ②实验者:德国科学家恩格尔曼。 ③实验结论。 a.叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。 b.叶绿体主要吸收红光和蓝紫光。 (4)资料2(必修1 P101):在叶绿体的类囊体膜上和基质中,含有多种进行光合作用所必需的酶。 该资料说明光合作用的有关生化反应在叶绿体中进行。 (5)总结:在叶绿体内部巨大的膜表面上,分布着许多吸收光能的色素分子,在类囊体膜上和叶绿体基质中,还有许多进行光合作用所必需的酶。色素和酶是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。 教考衔接 1.判断正误。 (1)植物叶片呈现绿色是因为含有绿色的色素,黄化叶片和白化叶片不含叶绿素。(必修1 P97“正文”)(√) (2)色素可以用无水乙醇进行分离。(必修1 P98~99“探究·实践”)(×) (3)叶绿素主要吸收蓝紫光和红光,对其他波段的可见光并非不吸收,只是吸收量较少。(必修1 P99“图5-12”)(√) (4)纸层析法分离叶绿体色素时,以多种有机溶剂的混合物作为层析液。(2021·河北卷,3C)(√) (5)红光照射时,胡萝卜素吸收的光能可传递给叶绿素a。(经典高考题)(×) 2.(必修1 P100“思考·讨论”拓展)如图是验证叶绿体功能实验中恩格尔曼所做的实验示意图,请回答下列问题: (1)恩格尔曼实验在实验材料的选取上的巧妙之处是______________________________________________________________。 (2)恩格尔曼实验要在没有空气的黑暗环境中进行的原因是____________________________________________________________________________________________________________________________。 (3)在第二个实验中,大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域,为什么? 答:____________________________________________________________________________________________________________________________。 提示　(1)选择水绵和需氧细菌,水绵的叶绿体呈螺旋带状分布,便于观察;用需氧细菌可以确定释放氧气多的部位 (2)排除氧气和极细光束外的其他光的干扰 (3)这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光,在此波长光的照射下,叶绿体会释放氧气,适于需氧细菌在此区域分布 角度　结合“绿叶中色素的提取和分离”实验,考查科学探究能力 1.植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应(如O2的释放)来绘制的。下列叙述错误的是(　　) A.类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成 B.叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制 C.光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示 D.叶片在640~660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的 解析　类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,不吸收红光,A项错误;叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制,B项正确;作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应来绘制的,因此可用CO2吸收速率随光波长的变化来表示,C项正确;叶绿素吸收640~660 nm的红光,导致水光解释放O2,D项正确。 答案　A 2.为研究高光照强度对移栽幼苗光合色素的影响,某同学用无水乙醇提取叶绿体色素,用层析液进行纸层析,如图为滤纸层析的结果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带)。下列叙述正确的是(　　) A.高光照强度导致了该植物胡萝卜素的含量降低 B.叶绿素含量增加有利于该植物抵御高光照强度 C.色素Ⅲ、Ⅳ吸收光谱的吸收峰波长有差异 D.画滤液线时,滤液在点样线上只能画一次 解析　Ⅰ为胡萝卜素,Ⅱ为叶黄素,Ⅲ为叶绿素a,Ⅳ为叶绿素b,由题图可知,高光照强度导致了该植物胡萝卜素的含量升高,A项错误;与正常光照强度相比,高光照强度叶绿素含量降低,说明叶绿素含量降低有利于该植物抵御高光照强度,B项错误;Ⅲ为叶绿素a,Ⅳ为叶绿素b,吸收光谱的吸收峰波长有差异,C项正确;画滤液线时,滤液在点样线上需要重复画一到两次,D项错误。 答案　C 3.(2022·湖北卷,T12)某植物的2种黄叶突变体表型相似,测定各类植株叶片的光合色素含量(单位:μg·g-1),结果如表。下列有关叙述正确的是(　　) 植株类型 叶绿素a 叶绿素b 类胡 萝卜素 叶绿素/ 类胡萝卜素 野生型 1 235 519 419 4.19 突变体1 512 75 370 1.59 突变体2 115 20 379 0.36 A.两种突变体的出现增加了物种多样性 B.突变体2比突变体1吸收红光的能力更强 C.两种突变体的光合色素含量差异,是由不同基因的突变所致 D.叶绿素与类胡萝卜素的比值大幅下降可导致突变体的叶片呈黄色 解析　两种突变体的出现增加了遗传(基因)多样性,但并无生殖隔离,仍为同一物种,A项错误;叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,而类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,由题表中两种突变体的叶绿素、类胡萝卜素的含量可判断,突变体1比突变体2吸收红光的能力更强,B项错误;根据题干信息可知,两种黄叶突变体的表型相似,题表中两种突变体的光合色素含量有差异,可能是同一基因突变方向不同导致的,所以不能确定是由不同基因的突变所致,C项错误;分析题表中数据可知,与野生型相比,黄叶突变体的叶绿素与类胡萝卜素的比值都大幅度下降,由此可推断,叶绿素含量少,不能掩盖类胡萝卜素的颜色,导致突变体的叶片呈黄色,D项正确。 答案　D 实验出现异常现象的原因分析 异常现象 原因分析 收集到的 滤液绿色 过浅 ①未加二氧化硅,研磨不充分; ②使用放置数天的菠菜叶,滤液色素(叶绿素)太少; ③一次加入大量的无水乙醇,提取液浓度太低(正确做法:分次加入少量无水乙醇); ④未加碳酸钙或加入过少,色素分子被破坏 滤纸条色 素带重叠 ①滤液细线不直; ②滤液细线过粗 滤纸条无 色素带 ①忘记画滤液细线; ②滤液细线接触到层析液,且时间较长,色素全部溶解到层析液中 考点二　光合作用的原理 1.探索光合作用原理的部分经典实验 提醒　同位素标记法中使用的同位素不都具有放射性,如18O就没有放射性,不能检测其放射性;而14C有放射性,可被追踪检测。 2.光合作用的过程 (1)光合作用过程图解。 (2)比较光反应与暗反应。 提醒　①暗反应有光、无光都能进行,若光反应停止,暗反应可持续进行一段时间,但时间不长。②C3和C5并不是只含有3个或5个碳原子,还有H、O等原子,如丙酮酸(C3H4O3)就是一种三碳化合物。 3.光合作用的概念及反应式 提醒　光合作用的产物有一部分是淀粉,还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入筛管,再通过韧皮部运输到植株各处。 4.光合作用和化能合成作用的比较 提醒　绿色植物和化能合成菌为自养生物,人、动物、真菌以及大多数细菌属于异养生物。 教考衔接 1.判断正误。 (1)离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH 和CO2 后,在合适的条件下可完成暗反应过程。(必修1 P103“图5-14”)(√) (2)光合作用的产物有淀粉和蔗糖,淀粉和蔗糖可以进入筛管,通过韧皮部运输到植株各处。(必修1 P104“相关信息”)(×) (3)C3是指三碳化合物——3⁃磷酸甘油酸,C5 是指五碳化合物——核酮糖⁃1,5⁃二磷酸(RuBP)。(必修1 P104“相关信息”)(√) (4)光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。(必修1 P104“正文”)(√) (5)弱光条件下植物没有O2的释放,说明未进行光合作用。(2021·湖南卷,7A)(×) (6)高等植物光合作用中光反应只发生在生物膜上。(经典高考题)(√) (7)水在叶绿体中分解产生氧气需要ATP提供能量。(经典高考题)(×) 2.(必修1 P103“图5-14”)(1)光照停止后暗反应短时间仍然能够持续,但无法长时间正常进行,原因是什么? 答:____________________________________________________________________________________________________________________________。 (2)CO2不足暗反应减弱后光反应也无法正常进行,原因是什么? 答:____________________________________________________________________________________________________________________________。 提示　(1)暗反应中C3的还原需要光反应提供ATP和NADPH,停止光照使光反应停止,叶绿体中仍有少量ATP和NADPH能使暗反应持续进行一段时间;但是这段时间后,暗反应因缺少ATP和NADPH而无法进行 (2)光反应需要暗反应提供的ADP、Pi和NADP+,CO2不足使暗反应减弱后,光反应在缺少原料的情况下无法正常进行 3.(必修1 P104“正文”拓展)光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO2,一定时间后杀死小球藻,同时提取产物并分析。实验发现,仅仅30 s的时间,放射性代谢产物多达几十种。缩短时间到7 s,发现放射性代谢产物减少到12种,想要探究CO2转化成的第一个产物,可能的实验思路是什么? 答:____________________________________________________________________________________________________________________________。 提示　不断缩短光照时间后杀死小球藻,同时提取产物并分析,直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物,该物质即为CO2转化成的第一个产物 1.环境改变时光合作用各物质含量的变化分析 (1)“过程法”分析各物质变化。 如图中Ⅰ表示光反应,Ⅱ表示CO2的固定,Ⅲ表示C3的还原,当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化: (2)“模型法”表示C3和C5的含量变化。 2.连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析 (1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累,在光反应停止时,暗反应仍可持续进行一段时间,有机物还能继续合成。 (2)在总光照时间、总黑暗时间均相同的条件下,光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物积累量要多。 角度一　结合光合作用的过程,考查科学思维与科学探究能力 1.(2021·重庆卷,T6)如图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析,下列叙述错误的是(　　) A.水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,最少要穿过4层膜 B.NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH C.产生的ATP可用于暗反应及其他消耗能量的反应 D.电子(e-)的有序传递是完成光能转换的重要环节 解析　分析题图可知,水光解产生的O2在类囊体腔内,叶绿体和线粒体均有双层膜,水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,至少要穿过5层膜,A项错误;光反应中NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH,提供给暗反应,B项正确;由题图可知,产生的ATP可用于暗反应以及核酸代谢、色素合成等其他消耗能量的反应,C项正确;电子(e-)的有序传递是完成光能转换的重要环节,D项正确。 答案　A 2.(2020·江苏卷,T27)大豆与根瘤菌是互利共生关系,如图所示为大豆叶片及根瘤中部分物质的代谢、运输途径,请据图回答下列问题: (1)在叶绿体中,光合色素分布在____________________上;在酶催化下直接参与CO2固定的化学物质是H2O和_____________。 (2)如图所示的代谢途径中,催化固定CO2形成3⁃磷酸甘油酸(PGA)的酶在____________________中,PGA还原成磷酸丙糖(TP)运出叶绿体后合成蔗糖,催化TP合成蔗糖的酶存在于____________________。 (3)根瘤菌固氮产生的NH3可用于氨基酸的合成,氨基酸合成蛋白质时,通过脱水缩合形成_____________键。 (4)CO2和N2的固定都需要消耗大量ATP。叶绿体中合成ATP的能量来自_____________;根瘤中合成ATP的能量主要源于_____________的分解。 (5)蔗糖是大多数植物长距离运输的主要有机物,与葡萄糖相比,以蔗糖作为运输物质的优点是____________________________________________________________________________________________________________________________。 解析　(1)叶绿体中的光合色素分布在类囊体薄膜上;在暗反应过程中,一分子CO2和一分子C5在酶的催化下结合、反应,形成两分子C3。(2)光合作用的暗反应阶段发生在叶绿体基质中,固定CO2形成PGA发生在暗反应过程中,相关酶分布在叶绿体基质中。由题图可以看出,TP合成蔗糖的过程发生在细胞质基质中,相关酶也分布在细胞质基质中。(3)氨基酸之间通过脱水缩合形成肽键,多个氨基酸聚合形成的多肽(肽链)经盘曲折叠形成蛋白质。(4)光反应将光能转化成ATP中活跃的化学能。根瘤菌与大豆共生,大豆将光合作用合成的糖类等物质提供给根瘤菌进行细胞呼吸及其他代谢活动,根瘤菌通过细胞呼吸将糖类等有机物中稳定的化学能转化成热能和ATP中活跃的化学能。(5)植物同化产物由源器官运输到库器官大多以蔗糖的形式进行,原因可能是蔗糖是非还原糖,比较稳定,且在水中溶解度较大;或是蔗糖分子为二糖,对渗透压的影响相对小,可以更好地维持植物细胞渗透压的相对稳定。 答案　(1)类囊体(薄)膜　C5　(2)叶绿体基质　细胞质基质　(3)肽　(4)光能　糖类　(5)非还原糖较稳定(或蔗糖分子为二糖,对渗透压的影响相对小) 角度二　围绕光合作用过程中物质含量的变化分析,考查科学思维能力 3.如图为植物体内光合作用示意图,下列叙述错误的是(　　) A.①可进入线粒体或出细胞,②可为暗反应提供能量 B.突然停止光照,短时间内C3的含量将增多 C.图示中的NADPH可进入线粒体中参与H2O的生成 D.14CO2中14C元素的转移途径为14CO2→14C3→(14CH2O) 解析　①为光反应阶段水光解产生的氧气,可进入线粒体用于有氧呼吸,也可释放到细胞外;②为ATP,可为暗反应C3的还原提供能量,A项正确。突然停止光照,光反应停止,不能继续为暗反应提供ATP和NADPH,短时间内C3的还原速率减慢,但CO2的固定速率不变,故C3的含量将增多,B项正确。光反应产生的NADPH用于暗反应C3的还原,不能进入线粒体中被利用,C项错误。暗反应包括二氧化碳的固定和三碳化合物的还原,故14CO2中14C元素的转移途径为14CO2→14C3→(14CH2O),D项正确。 答案　C 4.(2021·辽宁卷,T22)早期地球大气中的O2浓度很低,到了大约3.5亿年前,大气中O2浓度显著增加,CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约390 μmol·mol-1,是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是一种催化CO2固定的酶,在低浓度CO2条件下,催化效率低。有些植物在进化过程中形成了CO2浓缩机制,极大地提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度,促进了CO2的固定。回答下列问题: (1)真核细胞叶绿体中,在Rubisco的催化下,CO2被固定形成_____________,进而被还原生成糖类,此过程发生在_____________中。 (2)海水中的无机碳主要以CO2和HC两种形式存在,水体中CO2浓度低、扩散速度慢,有些藻类具有图1所示的无机碳浓缩过程,图中HC浓度最高的场所是_____________(填“细胞外”“细胞质基质”或“叶绿体”),可为图示过程提供ATP的生理过程有______________________________________________________________________________________。 (3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制,部分过程见图2。在叶肉细胞中,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将HC转化为有机物,该有机物经过一系列的变化,最终进入相邻的维管束鞘细胞释放CO2,提高了Rubisco附近的CO2浓度。 ①由这种CO2浓缩机制可以推测,PEPC与无机碳的亲和力_____________(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。 ②图2所示的物质中,可由光合作用光反应提供的是____________________。图中由Pyr转变为PEP的过程属于_____________(填“吸能反应”或“放能反应”)。 ③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所,可以使用_____________技术。 (4)通过转基因技术或蛋白质工程技术,可能进一步提高植物光合作用的效率,以下研究思路合理的有_____________(填选项字母)。 A.改造植物的HC转运蛋白基因,增强HC的运输能力 B.改造植物的PEPC基因,抑制OAA的合成 C.改造植物的Rubisco基因,增强CO2固定能力 D.将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物 解析　(1)光合作用的暗反应中,CO2被固定形成三碳化合物,此过程发生在叶绿体基质中。(2)由题图1可知,HC运输需要消耗ATP,说明HC是通过主动运输进入叶绿体的,主动运输一般是逆浓度运输,由此推断图中HC浓度最高的场所是叶绿体。该过程中细胞质基质中需要的ATP由呼吸作用提供,叶绿体中的ATP由光合作用提供。(3)①PEPC参与催化HC+PEP过程,说明PEPC与无机碳的亲和力高于Rubisco。②题图2所示的物质中,可由光合作用光反应提供的是ATP和NADPH,图中由Pyr转变为PEP的过程需要消耗ATP,说明图中由Pyr转变为PEP的过程属于吸能反应。(4)改造植物的PEPC基因,抑制OAA的合成,不利于最终二氧化碳的生成,不能提高植物光合作用的效率,B项不符合题意;将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物,不一定能提高植物光合作用的效率,D项不符合题意。 答案　(1)三碳化合物　叶绿体基质　(2)叶绿体　呼吸作用和光合作用　(3)①高于　②NADPH和ATP　吸能反应　③同位素示踪　(4)AC 微真题重体悟 1.(不定项)(2022·湖南卷,T13)在夏季晴朗无云的白天,10时左右某植物光合作用强度达到峰值,12时左右光合作用强度明显减弱。光合作用强度减弱的原因可能是(　　) A.叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少 B.光合酶活性降低,呼吸酶不受影响,呼吸释放的CO2量大于光合固定的CO2量 C.叶绿体内膜上的部分光合色素被光破坏,吸收和传递光能的效率降低 D.光反应产物积累,产生反馈抑制,叶片转化光能的能力下降 解析　夏季中午叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少,暗反应减慢,光合作用强度明显减弱,A项正确;夏季中午气温过高,导致光合酶活性降低,呼吸酶不受影响(呼吸酶最适温度高于光合酶),光合作用强度减弱,但此时光合作用强度仍然大于呼吸作用强度,即呼吸释放的CO2量小于光合固定的CO2量,B项错误;光合色素分布在叶绿体的类囊体薄膜上,而非叶绿体内膜上,C项错误;夏季中午叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少,暗反应减慢,导致光反应产物积累,产生反馈抑制,使叶片转化光能的能力下降,光合作用强度明显减弱,D项正确。 答案　AD 2.(2020·天津卷,T5)研究人员从菠菜中分离类囊体,将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴,从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是(　　) A.产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质 B.该反应体系不断消耗的物质仅是CO2 C.类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原 D.与叶绿体相比,该反应体系不含光合作用色素 解析　题干信息“该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物乙醇酸”,说明乙醇酸是在暗反应中合成的,合成场所相当于叶绿体基质,A项正确;该反应体系既能在类囊体上进行光反应,又能利用16种酶等物质进行暗反应,因此该反应体系不断消耗的物质有CO2、H2O等,B项错误;类囊体上进行的光反应为暗反应中C3的还原提供了NADPH和ATP,光反应产生的O2不参与暗反应,C项错误;该反应体系中有类囊体,在光照条件下还可实现连续的CO2固定与还原,说明该反应体系中有吸收、传递和转化光能的光合作用色素,D项错误。 答案　A 3.(经典高考题)如图为某次光合作用色素纸层析的实验结果,样品分别为新鲜菠菜叶和一种蓝细菌经液氮冷冻研磨后的乙醇提取液。下列叙述正确的是(　　) A.研磨时加入CaCO3过量会破坏叶绿素 B.层析液可采用生理盐水或磷酸盐缓冲液 C.在敞开的烧杯中进行层析时,需通风操作 D.实验验证了该种蓝细菌没有叶绿素b 解析　研磨时加入CaCO3的目的是防止叶绿素被破坏,故研磨时加入CaCO3过量不会破坏叶绿素,但会影响色素提取液的纯度,A项错误;光合作用色素易溶于有机溶剂不溶于水,故层析液由有机溶剂配制而成,B项错误;层析液易挥发,故层析分离时烧杯上要加盖,C项错误;对照题图结果分析可知,该种蓝细菌中没有叶黄素和叶绿素b,D项正确。 答案　D 4.(2023·全国甲卷,T29)某同学将从菠菜叶中分离到的叶绿体悬浮于缓冲液中,给该叶绿体悬浮液照光后有糖产生。回答下列问题。 (1)叶片是分离制备叶绿体的常用材料,若要将叶肉细胞中的叶绿体与线粒体等其他细胞器分离,可以采用的方法是____________________(答出1种即可)。叶绿体中光合色素分布在____________________上,其中类胡萝卜素主要吸收_____________(填“蓝紫光”“红光”或“绿光”)。 (2)将叶绿体的内膜和外膜破坏后,加入缓冲液形成悬浮液,发现黑暗条件下叶绿体悬浮液中不能产生糖,原因是____________________________________________________________________________________________________________________________。 (3)叶片进行光合作用时,叶绿体中会产生淀粉。请设计实验证明叶绿体中有淀粉存在,简要写出实验思路和预期结果。 解析　(1)一般采用差速离心法分离细胞器。叶绿体中吸收光能的色素分布在类囊体薄膜上。叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。(2)糖是在光合作用的暗反应阶段产生的,暗反应的进行需要光反应提供ATP和NADPH。将叶绿体的内膜和外膜破坏后,加入缓冲液形成悬浮液,黑暗条件下叶绿体悬浮液中不能产生糖,其原因是黑暗条件下,光反应不能进行,不能合成NADPH和ATP,由于缺少NADPH和ATP,暗反应也不能正常合成糖。(3)淀粉遇碘显蓝色。叶绿体呈绿色,要证明叶绿体中有淀粉存在,需要将叶绿体进行脱色处理,之后用碘液进行检测,实验思路及预期结果见答案。 答案　(1)差速离心法　类囊体薄膜　蓝紫光 (2)黑暗条件下不能产生还原三碳化合物所需要的还原型辅酶Ⅱ(NADPH)和ATP (3)实验思路:将照光和黑暗处理的叶绿体悬浮液离心得到叶绿体,分别记为A组和B组,之后将得到的叶绿体进行脱色处理,向经脱色处理的叶绿体滴加碘液,观察颜色变化。预期结果:A组叶绿体变为蓝色,B组叶绿体不变色。 5.(2023·湖南卷,T17)如图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。卡尔文循环的Rubisco酶对CO2的Km为450 μmol·L-1(K越小,酶对底物的亲和力越大),该酶既可催化RuBP与CO2反应,进行卡尔文循环,又可催化RuBP与O2反应,进行光呼吸(绿色植物在光照下消耗O2并释放CO2的反应)。该酶的酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影响。与水稻相比,玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘,其中叶肉细胞叶绿体是水光解的主要场所,维管束鞘细胞的叶绿体主要与ATP生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利用PEPC酶(PEPC对CO2的Km为7 μmol·L-1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与CO2反应生成C4,固定产物C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2,再进行卡尔文循环。回答下列问题: (1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是____________________(填具体名称),该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成_____________(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后,再通过_____________长距离运输到其他组织器官。 (2)在干旱、高光照强度环境下,玉米的光合作用强度_____________(填“高于”或“低于”)水稻。从光合作用机制及其调控分析,原因是__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(答出三点即可)。 (3)某研究将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻,水稻叶绿体中CO2浓度大幅提升,其他生理代谢不受影响,但在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化。其原因可能是__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(答出三点即可)。 解析　(1)玉米的光合作用过程与水稻相比,虽然CO2的固定过程不同,但其卡尔文循环的过程是相同的,结合水稻的卡尔文循环图解,可以看出CO2固定的直接产物是3⁃磷酸甘油酸,然后直接被还原成3⁃磷酸甘油醛。3⁃磷酸甘油醛在叶绿体中被转化成淀粉,在叶绿体外被转化成蔗糖,蔗糖是植物长距离运输的主要糖类,蔗糖通过维管组织长距离运输到其他组织器官。(2)干旱、高光照强度会导致植物气孔关闭,吸收的CO2减少,而玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高;玉米能通过PEPC酶生成C4,使维管束鞘内的CO2浓度高于外界环境,抑制玉米的光呼吸;且玉米能将叶绿体内的光合产物通过维管组织及时转移出细胞。因此在干旱、高光照强度环境下,玉米的光合作用强度高于水稻。(3)将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻叶肉细胞,只是提高了叶肉细胞内的CO2浓度,而植物的光合作用强度受到很多因素的影响,在光饱和条件下,如果光合作用强度没有明显提高,可能是水稻的酶活性达到最大,对CO2的利用率不再提高,或是受到ATP和NADPH等物质含量的限制,也可能是因为蓝细菌是原核生物,水稻是真核生物,二者的光合作用机制有所不同。 答案　(1)3⁃磷酸甘油醛　蔗糖　维管组织　(2)高于　高光照条件下玉米可以将光合产物及时转移;玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高;玉米能通过PEPC酶生成C4,使维管束鞘内的CO2浓度高于外界环境,抑制玉米的光呼吸　(3)酶的活性达到最大,对CO2的利用率不再提高;受到ATP以及NADPH等物质含量的限制;原核生物和真核生物光合作用机制有所不同 学科网（北京）股份有限公司 $$