第3单元 强化专题(1) 光呼吸、C3植物、C4植物和景天科植物(Word教参)-【正禾一本通】2025年高考生物高三一轮总复习高效讲义（人教版2019 不定项版）

　强化专题(一)　光呼吸、C3植物、C4植物和景天科植物　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 角度1　光呼吸和光抑制 1.光呼吸 光呼吸是进行光合作用的细胞在光照和高氧低二氧化碳情况下发生的一个生化过程。该过程以光合作用的中间产物为底物，吸收氧气、释放二氧化碳。 (1)光呼吸的机理 二氧化碳和氧气竞争性与Rubisco结合，当二氧化碳浓度高时，Rubisco催化RuBP与二氧化碳形成两分子3­磷酸甘油酸(PGA)，就是卡尔文循环中的C3，进行卡尔文循环；当氧气浓度高时，Rubisco催化RuBP与氧气形成1分子PGA(C3)和1分子磷酸乙醇酸(C2)，其中PGA进入卡尔文循环，而磷酸乙醇酸脱去磷酸基团形成乙醇酸，乙醇酸就离开叶绿体。 (2)光呼吸的危害 如果在较强光下，光呼吸加强，使得C5氧化分解加强，一部分碳以CO2的形式散失，从而减少了光合产物的形成和积累。其次，光呼吸过程中消耗了ATP和NADPH，即造成了能量的损耗。 点拨　光呼吸与有氧呼吸的比较 比较项目 光呼吸 有氧呼吸(暗呼吸) 底物 乙醇酸 糖、脂肪、蛋白质 发生部位 叶绿体、过氧化物酶体、线粒体 细胞质基质、线粒体 反应条件 光照 光照或黑暗都可以 能量 消耗能量(消耗ATP和NADPH) 产生能量 共同点 消耗氧气，放出二氧化碳 2.光抑制 植物的光合系统所接受的光能超过光合作用所能利用的量时，光合功能便降低，这就是光合作用的光抑制。 (1)光抑制机理：光合系统的破坏，PSⅡ是光破坏的主要场所。发生光破坏后的结果：电子传递受阻，光合效率下降。 (2)光抑制的主要防御机制 ①减少光吸收 植物体也可以通过叶运动(减少叶片与主茎的夹角)或叶绿体运动这种对强光的快速响应以减少对光的吸收，从而避免光抑制。 ②增加热耗散 A.当依赖能量的叶绿素荧光猝灭增加时，通过增加激发能的热耗散可以部分避免光抑制。降低光饱和条件下的PSⅡ的光化学效率，可以避免光抑制破坏的发生。 B.在强光下非光辐射能量耗散增加的同时，玉米黄素含量增加，玉米黄素与激发态的叶绿素作用，从而耗散其激发能，保护光合机构免受过量光能破坏。 ③进行光呼吸 C3植物的光呼吸有很高的能量需求。光呼吸可以防止强光和CO2亏缺条件下发生光抑制。 【提升训练】1.(2023·重庆万州模拟)强光条件下，植物吸收的光能若超过光合作用的利用量，过剩的光能可导致植物光合作用强度下降，出现光抑制现象。为探索油菜素内酯(BR)对光抑制的影响机制，将长势相同的苹果幼苗进行分组和处理，其中试剂L可抑制光反应关键蛋白的合成。实验结果如图所示。下列叙述正确的是(　　) A.各组幼苗所处的条件应相同且适宜 B.强光照射后短时间内，植物叶片胞间CO2浓度会降低 C.持续强光照射后，植物叶片胞间CO2浓度将降低 D.油菜素内酯可通过抑制光反应关键蛋白的合成减弱光抑制现象 解析：选B。本实验的自变量是BR和L的有无及处理时间，各组幼苗所处的条件是无关变量，应保证各组条件相同，但应处于强光条件下，A错误。强光照射后短时间内，光反应增强，产生的NADPH和ATP增加，暗反应加强，植物叶片胞间CO2浓度会降低，B正确。分析题意可知，持续强光照射后，植物吸收的光能若超过光合作用的利用量，过剩的光能可导致植物光合作用强度下降，出现光抑制现象，此时暗反应减弱，利用的二氧化碳减少，植物叶片胞间CO2浓度将升高，C错误。据图分析，与清水组相比，加入BR后光合作用强度较高，说明加入BR后光抑制减弱；与BR组相比，BR＋L组光合作用强度较低，由于试剂L可抑制光反应关键蛋白的合成，说明BR(油菜素内酯)可能是通过促进光反应关键蛋白的合成发挥作用的，D错误。 2.(2021·山东高考)光照条件下，叶肉细胞中 O2 与 CO2 竞争性结合 C5，O2 与 C5 结合后经一系列反应释放 CO2 的过程称为光呼吸。向水稻叶面喷施不同浓度的光呼吸抑制剂 SoBS 溶液，相应的光合作用强度和光呼吸强度见表。光合作用强度用固定的 CO2 量表示，SoBS 溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计。 SoBS 浓度/(mg/L) 0 100 200 300 400 500 600 光合作用强度/(CO2μmol·m－2·s－1) 18.9 20.9 20.7 18.7 17.6 16.5 15.7 光呼吸强度/(CO2μmol·m－2·s－1) 6.4 6.2 5.8 5.5 5.2 4.8 4.3 (1)光呼吸中 C5 与 O2 结合的反应发生在叶绿体的______中。正常进行光合作用的水稻，突然停止光照，叶片 CO2 释放量先增加后降低，CO2 释放量增加的原因是________________________________________________________________________。 (2)与未喷施 SoBS 溶液相比，喷施 100 mg/L SoBS 溶液的水稻叶片吸收和放出 CO2 量相等时所需的光照强度________(填“高”或“低”)，据表分析，原因是________________________________________________________________________。 (3)光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物，农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探究 SoBS 溶液利于增产的最适喷施浓度，据表分析，应在______mg/L 之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。 解析：(1)C5位于叶绿体基质中，则O2与C5结合发生的场所在叶绿体基质中。突然停止光照，则光反应产生的ATP、NADPH减少，暗反应消耗的C5减少，C5与O2结合增加，产生的CO2增多。(2)叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度即为光饱和点，与未喷施SoBS溶液相比，喷施100 mg/L SoBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸释放的CO2减少，即叶片的CO2吸收量增加、释放量减少。此时，在更低的光照强度下，两者即可相等。(3)光呼吸会消耗有机物，但光呼吸会释放CO2，补充光合作用的原料，适当抑制光呼吸可以增加作物产量，由表可知，在 SoBS溶液浓度为200 mg/L时光合作用强度与光呼吸强度差值最大，即光合产量最大，为了进一步探究最适喷施浓度，应在100～300 mg/L之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。 答案：(1)基质　光照停止，产生的ATP、NADPH减少，暗反应消耗的C5减少，C5与O2结合增加，产生的CO2增多　(2)低　喷施SoBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸(及呼吸作用)释放的CO2减少，即叶片的CO2吸收量增加、释放量减少。此时，在更低的光照强度下，两者即可相等　(3)100～300 3.植物的叶肉细胞在光下有一个与呼吸作用不同的生理过程，即在光照下叶肉细胞吸收O2，释放CO2。由于这种反应需叶绿体参与，并与光合作用同时发生，故称光呼吸。Rubisco是一个双功能的酶，具有催化羧化反应和加氧反应两种功能。RuBP(C5)既可与CO2结合，经此酶催化生成PGA(C3)，进行光合作用；又可与O2在此酶催化下生成1分子PGA和1分子PG(C2)，进行光呼吸。具体过程如图： (1)在光照条件下，Rubisco催化RuBP与CO2生成PGA的过程称为______________，该过程发生在____________(填场所)中。Rubisco也可以催化RuBP与O2反应，推测O2与CO2比值________(填“高”或“低”)时，有利于光呼吸而不利于光合作用。 (2)分析下表，__________遮光比例条件下植物积累的有机物最多，结合已学的生物学知识和图中的信息，从两个方面解释为什么该条件下比不遮光条件下积累的有机物多？ ________________________________________________________________________。 遮光比例/% 叶绿素含量/(mg/g) 净光合速率/(μmol·m－2·s－1) 植株干重/g 0 2.1 8.0 7.5 10 2.3 9.6 9.9 30 2.4 8.9 9.2 50 2.6 5.0 7.2 70 2.9 2.7 4.8 90 3.0 0 3.2 (3)在干旱和过强光照下，因为温度高，蒸腾作用强，气孔大量关闭。此时的光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的____________，光呼吸产生的____________又可以作为暗反应阶段的原料，因此有观点指出光呼吸在一定条件下对植物也有重要的正面意义。 (4)1955年，科学家通过实验观察到对正在进行光合作用的叶片突然停止光照，短时间内会释放出大量的CO2，他们称之为“CO2的猝发”。某研究小组测得在适宜条件下某植物叶片遮光前吸收CO2的速率和遮光(完全黑暗)后释放CO2的速率，吸收或释放CO2的速率随时间变化趋势的示意图如下(吸收或释放CO2的速率是指单位面积叶片在单位时间内吸收或释放CO2的量)。突然停止光照时，植物所释放CO2的来源是__________________________。在光照条件下，该植物在一定时间内单位面积叶片光合作用固定的CO2总量是__________________(用图形的面积表示，图中A、B、C表示每一块的面积大小)。 解析：(1)在光照条件下，Rubisco催化RuBP与CO2生成PGA(C3)的过程是暗反应阶段的CO2的固定，场所是叶绿体基质。由题干信息可知：RuBP也可以与O2在Rubisco酶催化下生成1分子PGA和1分子PG(C2)，进行光呼吸。当氧气含量较高时，即O2与CO2比值高时，有利于光呼吸而不利于光合作用。(2)分析表格数据可知：当遮光比例为10%时，植物的净光合速率最大，因此该条件下植物积累的有机物最多。据表格信息可知，适当遮光可以提高叶绿素的含量，使光合速率增强，同时适当遮光，可降低叶绿体中氧气含量，抑制光呼吸，进而增强光合速率，因此10%遮光比不遮光条件下积累的有机物多。(3)在干旱和过强光照下，因为温度高，蒸腾作用强，气孔大量关闭，二氧化碳吸收减少，暗反应速率降低，此时光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的ATP和NADPH，起到保护叶绿体的作用。另外光呼吸产生的CO2又可以作为暗反应阶段的原料，提高暗反应速率，因此有观点指出光呼吸在一定条件下对植物也有重要的正面意义。(4)据图可知，完全黑暗时，二氧化碳释放速率稳定在B水平，这表示细胞呼吸释放二氧化碳。突然停止光照时，二氧化碳释放速率除了B外还有C，说明C是光呼吸释放二氧化碳。由此可知，突然停止光照，植物释放CO2的来源有细胞呼吸释放的CO2和光呼吸释放的CO2。总光合作用速率＝呼吸作用速率＋净光合速率，在光照条件下，细胞进行呼吸作用和光合作用的同时还进行光呼吸，该植物在一定时间内单位面积叶片光合作用固定的CO2总量(总光合速率)＝A＋B＋C。 答案：(1)CO2的固定　叶绿体基质　高　(2)10%　适当遮光可以提高叶绿素的含量，同时可以抑制光呼吸进而提高光合效率　(3)ATP和NADPH　CO2　(4)细胞呼吸释放的CO2和光呼吸释放的CO2　A＋B＋C 角度2　C3植物、C4植物和景天科植物 1.C3途径(C3植物)：也称卡尔文循环，整个循环由RuBP(C5)与CO2的羧化开始到RuBP(C5)再生结束，在叶绿体基质中进行，可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有大麦、小麦、大豆、菜豆、水稻、马铃薯等。 2.C4途径(C4植物)：研究玉米的叶片结构发现，玉米的维管束鞘细胞和叶肉细胞紧密排列(图1)。叶肉细胞中的叶绿体有类囊体，能进行光反应，同时，CO2被整合到C4化合物中，随后C4化合物进入维管束鞘细胞，维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，在维管束鞘细胞中，C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物(图2)。PEP羧化酶被形象地称为“CO2泵”，它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有较强光合作用能力(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)，并且无光合午休现象。常见C4植物有玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。 3.CAM途径(景天科植物)：CAM植物夜间吸进CO2，淀粉经糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，CO2与PEP结合，生成草酰乙酸，进一步还原为苹果酸储存在液泡中。从而表现出夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH下降。而白天气孔关闭，苹果酸转移到细胞质中脱羧，放出CO2，进入C3途径合成淀粉；形成的丙酮酸可以形成PEP再还原成三碳糖，最后合成淀粉或者转移到线粒体，进一步氧化释放CO2，又可进入C3途径。从而表现出白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液pH上升。常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。 点拨　C3植物、C4植物和景天科植物的比较 项目 C3植物 C4植物 景天科植物 与CO2结合的物质 RuBP(C5) PEP PEP CO2固定的最初产物 C3 C4 草酰乙酸 CO2固定的时间 白天 白天 夜晚和白天 光反应的场所 叶肉细胞 类囊体薄膜 叶肉细胞 类囊体薄膜 叶肉细胞 类囊体薄膜 卡尔文循环的场所 叶肉细胞的叶绿体基质 维管束鞘细胞的叶绿体基质 叶肉细胞的叶绿体基质 有无光合午休 有 无 无 提醒：C3途径是碳同化的基本途径，C4途径和CAM途径都只起固定CO2的作用，最终还是通过C3途径合成有机物。 【提升训练】4.(2022·全国甲卷)根据光合作用中CO2的固定方式不同，可将植物分为C3植物和C4植物等类型。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。CO2补偿点通常是指环境CO2浓度降低导致光合速率与呼吸速率相等时的环境CO2浓度。回答下列问题。 (1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反应阶段的产物是相同的，光反应阶段的产物是______________(答出3点即可)。 (2)正常条件下，植物叶片光合产物不会全部运输到其他部位，原因是__________________________(答出1点即可)。 (3)干旱会导致气孔开度减小，研究发现在同等程度干旱条件下，C4植物比C3植物生长得好。从两种植物CO2补偿点的角度分析，可能的原因是________________________________________________________________________。 解析：(1)光合作用光反应阶段的场所是叶绿体的类囊体薄膜上，光反应发生的物质变化包括水的光解以及ATP的形成，因此光合作用光反应阶段生成的产物有O2、NADPH和ATP。(2)叶片光合作用产物一部分用来建造植物体结构和自身呼吸消耗，其余部分被输送到植物体的储藏器官储存起来。故正常条件下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位。(3)干旱会导致气孔开度减小，通过气孔进入叶肉细胞的CO2减少；由于C4植物的CO2补偿点低于C3植物，则C4植物能够利用较低浓度的CO2，因此光合作用受影响较小的植物是C4植物，C4植物比C3植物生长得好。 答案：(1)O2、NADPH和ATP　(2)自身呼吸消耗或建造植物体结构　(3)干旱条件下，植物细胞间CO2浓度低，C4植物的CO2补偿点低于C3植物，C4植物能够利用较低浓度的CO2 5.(2021·全国乙卷)生活在干旱地区的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开，吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题： (1)白天叶肉细胞产生ATP的场所有__________________________________________。 光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和__________释放的CO2。 (2)气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能防止________________________________________________________________________，又能保证______________正常进行。 (3)若以pH作为检测指标，请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。______________________________________________________________(简要写出实验思路和预期结果) 解析：(1)白天有光照，叶肉细胞能利用液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2进行光合作用，也能利用光合作用产生的氧气和有机物进行有氧呼吸，光合作用光反应阶段能将光能转化为化学能储存在ATP中，有氧呼吸三个阶段都能产生能量，合成ATP，因此叶肉细胞能产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体(线粒体基质和线粒体内膜)、叶绿体类囊体薄膜。光合作用为有氧呼吸提供有机物和氧气，反之，细胞呼吸产生的二氧化碳也能用于光合作用暗反应，故光合作用所需的CO2可来源于苹果酸脱羧和细胞呼吸释放的CO2。(2)由于环境干旱，植物吸收的水分较少，为了维持机体的平衡、适应这一环境，气孔白天关闭能防止温度较高、蒸腾作用较强导致的植物体水分散失过多，晚上气孔打开，吸收二氧化碳储存固定以保证光合作用等生命活动的正常进行。(3)该实验自变量是植物甲所处的生存环境是否干旱，由于夜间气孔打开吸收二氧化碳，生成苹果酸储存在液泡中，导致液泡pH降低，故可通过检测液泡的pH验证植物甲存在该特殊方式，即因变量检测指标是液泡中的pH值。实验思路：取生长状态相同的植物甲若干株随机均分为A、B两组；A组在(湿度适宜的)正常环境中培养，B组在干旱环境中培养，其他条件相同且适宜，一段时间后，分别检测两组植株夜晚同一时间液泡中的pH，并求平均值。预期结果：A组pH平均值高于B组。 答案：(1)细胞质基质、线粒体(线粒体基质和线粒体内膜)、叶绿体类囊体薄膜　细胞呼吸　(2)蒸腾作用过强导致水分散失过多　光合作用　(3)实验思路：取生长状态相同的植物甲若干株随机均分为A、B两组；A组在(湿度适宜的)正常环境中培养，B组在干旱环境中培养，其他条件相同且适宜，一段时间后，分别检测两组植株夜晚同一时间液泡中的pH，并求平均值。预期结果：A组pH平均值高于B组。 6.(2023·山东济南模拟)绿色植物通过光合作用将CO2固定并合成有机物，根据固定CO2的途径不同，可将植物主要分为C3植物、C4植物和CAM植物，它们的部分特性如表所示。回答下列问题。 分类 C3植物 C4植物 CAM植物 光呼吸 ？ ？ 低 CO2固定途径 C3途径 C3途径和C4途径(C4途径：叶肉细胞中相关酶作用下催化CO2生成C4，C4被运到维管束鞘细胞后生成CO2) C3途径和CAM途径(CAM途径：晚上气孔打开吸收CO2生成苹果酸储存在液泡，白天气孔关闭苹果酸释放CO2完成暗反应) Rubisco酶特性 既能催化C5和CO2反应，又能催化C5和O2反应 PEP酶特性 PEP酶与CO2的亲和力是Rubisco酶的60倍，能固定低浓度的CO2 (1)三类植物光反应产物相同，它们的光反应产物是________________________；Rubisco酶催化C5和CO2反应称为______________________________________________________。 (2)光呼吸是指O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco酶使其在光下驱动加氧反应。正午时C3植物有光合午休现象而C4植物无此现象，请分析在正午时，________(填“C3植物”或“C4植物”)的光呼吸强度更小，原因是__________________________________________。 (3)从CO2固定途径分析(不考虑光呼吸)，与C4植物相比，CAM植物的光合速率____________(填“更大”“更小”或“无差异”)，原因是________________________。 (4)现提供凡士林(可用于堵塞气孔)，若干生理状况相同置于暗处相同时间的CAM植物，药物b(抑制液泡内苹果酸的分解)，清水，注射器，光合速率检测仪等材料。请设计实验证明CAM植物白天进行暗反应时气孔关闭，所需CO2主要来自液泡中的苹果酸的分解。 ________________________________________________________________________(呼吸作用提供的CO2不予考虑，简要写出实验思路即可)。 解析：(1)光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上，发生了水的光解和ATP的生成，光反应的产物有：O2、NADPH、ATP，其中NADPH、ATP还参与暗反应C3的还原；暗反应包括CO2的固定和C3的还原，Rubisco酶催化C5和CO2反应称为CO2的固定。(2)正午时C3植物有光合午休现象，光合午休，意味着植物气孔关闭，进入到细胞的CO2减少，CO2浓度降低，结合题干“光呼吸是指O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco酶使其在光下驱动加氧反应”可知，CO2浓度越低，光呼吸强度越大，而C4植物无光合午休现象，故在正午时，C4植物的光呼吸强度更小。(3)结合题中所给表格可知，C4途径：叶肉细胞中相关酶作用下催化CO2生成C4，C4被运到维管束鞘细胞后生成CO2，C4 途径可以在CO2浓度较低时有效地将其固定，二氧化碳是光合作用的原料之一，C4植物有C4途径，而CAM植物无C4途径，CAM植物只在晚上气孔打开吸收CO2生成苹果酸储存在液泡中，白天气孔关闭苹果酸释放CO2完成暗反应，故与C4植物相比，CAM植物的光合速率更小。(4)实验遵循对照和单一变量原则，为证明“CAM植物白天进行暗反应时气孔关闭，所需CO2主要来自液泡中的苹果酸的分解”，可设计实验思路为：将若干生理状况相同置于暗处相同时间的CAM植物均分为两组，一组向植物注射适量清水，另一组注射等量的药物b，植物叶片均涂抹等量凡士林，置于光下，一段时间后，利用光合速率检测仪检测两组植物光合速率大小并比较。 答案：(1)O2、NADPH、ATP　CO2的固定　(2)C4植物　C3植物有光合午休现象，气孔关闭，CO2浓度低，而CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco酶使其在光下驱动加氧反应，而C4植物无光合午休现象　(3)更小　C4植物有C4途径，C4途径可以在CO2浓度较低时有效地将其固定；而CAM植物只在晚上气孔打开吸收CO2生成苹果酸储存在液泡中，白天气孔关闭苹果酸释放CO2完成暗反应　(4)将若干生理状况相同置于暗处相同时间的CAM植物均分为两组，一组向植物注射适量清水，另一组注射等量的药物b，植物叶片均涂抹等量凡士林，置于光下，一段时间后，利用光合速率检测仪检测两组植物光合速率大小并比较 学科网（北京）股份有限公司 $$