2025届高考生物一轮复习：第10讲 光合作用

第10讲 光合作用 07 光合作用和细胞呼吸综合的分析 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 1.物质循环: H2O 呼吸作用 光合作用 CO2 H2O 光反应 暗反应 有氧③ 有氧①② NADPH NADH 光反应 类囊体薄膜 暗反应 叶绿体基质 有氧① 细`质 有氧② 线`质 有氧③ 线`膜 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 1.物质循环: 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 1.物质循环——各元素去向: 5 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 NADP3H NAD3H 1.物质循环——各元素去向: 6 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 1.物质循环——各元素去向: 7 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 2.能量转化: 光能 ATP、NADPH中活跃化学能 （CH2O）中稳定的化学能 NADH中活跃化学能 热能散失 光反应 电能 暗反应 有氧呼吸Ⅰ、Ⅱ 细胞中各项生命活动 ATP中活跃的化学能 机械能、化学能、光能电能等各种形式的能 有氧 呼吸Ⅲ 1．(2023·广东广州模拟)下图是绿色植物叶肉细胞中光合作用与有氧呼吸的过程及其关系图解，其中，A～D表示相关过程，a～e表示有关物质。据图判断，下列相关说法正确的是(　　) A．图中B、C、D过程可以 在整个夜间进行 B．有氧呼吸和无氧呼吸共 有的过程是D C．图中a、c都是在细胞质基质中产生的 D．A、C、D过程产生的ATP用于生物体的各项生命活动 B 图中A、B分别表示光反应阶段、暗反应阶段，C表示有氧呼吸的第二、三阶段，D表示有氧呼吸的第一阶段；a～e分别表示H2O、O2、CO2、NADPH和ATP。细胞有氧呼吸的各个阶段在有光和无光条件下都可进行，光合作用暗反应的进行需要光反应提供的NADPH和ATP，因此不能长时间在黑暗条件下进行，A错误；葡萄糖氧化分解成丙酮酸是有氧呼吸和无氧呼吸共有的阶段，B正确；图中的H2O(a)在有氧呼吸第三阶段(场所是线粒体内膜)产生，CO2(c)在有氧呼吸第二阶段(场所是线粒体基质)产生，C错误；光反应阶段产生的ATP全部用于叶绿体内的生命活动，D错误。 2．(2023·茂名二模)如图所示是某生物的体内某个细胞代谢图，有关叙述正确的是(　　) A．甲、乙分别表示叶绿体和线粒体，该 生物一定为高等植物 B．甲、乙中所示的物质与能量处于平衡 状态，该生物一定能存活 C．该生物细胞将光能转化为化学能一定与甲有关 D．该生物用于光合作用暗反应阶段的ATP可以来自乙 C 甲可利用CO2合成有机物，为叶绿体；乙可利用O2产生CO2进行有氧呼吸，为线粒体，该植物不一定是高等植物，如有些低等植物中也有叶绿体与线粒体，A错误。如图只有能够进行光合作用的细胞物质与能量处于平衡状态，但是植物细胞还有不进行光合作用的细胞，则整株植物的光合速率小于呼吸速率，则该生物不能存活，B错误。光合作用将光能转化为化学能，场所在叶绿体，C正确。该生物用于光合作用暗反应阶段的 ATP只能来自光反应(甲)，D错误。 3.真正(总)光合速率、表观(净)光合速率和细胞呼吸速率的关系 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 (1)内在关系 ①细胞呼吸速率：植物非绿色组织(如苹果果肉细胞)或绿色组织在黑暗条件下测得的值—— 单位时间内一定量组织的CO2释放量或O2吸收量。 ②净光合速率：植物绿色组织在有光条件下测得的值—— ③真正(总)光合速率＝表观(净)光合速率＋细胞呼吸速率。 单位时间内一定量叶面积所吸收的CO2量或释放的O2量。 11 3.真正(总)光合速率、表观(净)光合速率和细胞呼吸速率的关系 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 (2)判定方法 ①根据坐标曲线判定 a．当光照强度为0时，若CO2吸收值为负值，则该值的绝对值代表细胞呼吸速率，该曲线代表表观(净)光合速率，如图甲。 b．当光照强度为0时，光合速率也为0，该曲线代表真正(总)光合速率，如图乙。 12 3.真正(总)光合速率、表观(净)光合速率和细胞呼吸速率的关系 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 (2)判定方法 ①根据坐标曲线判定 1.当净光合速率＞0时，植物因积累有机物而生长。 2.当净光合速率＝0时，植物不能生长。 3.当净光合速率＜0时，植物不能生长，长时间处于此种状态，植物将死亡。 13 检测指标 细胞呼吸速率 表观(净)光合速率 真正(总)光合速率 CO2 释放量(黑暗) 吸收量(植物)、 减少量(环境) 利用量、固定量、消耗量 O2 吸收量(黑暗)、 消耗量(黑暗) 释放量(植物)、 增加量(环境) 产生量、生成量、 制造量、合成量 葡萄糖 消耗量(黑暗) 积累量、增加量 产生量、生成量、 制造量、合成量 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 3.真正(总)光合速率、表观(净)光合速率和细胞呼吸速率的关系 (2)判定方法②根据关键词判定 ①对象：叶绿体：直接总光合。②对象：植株、叶片、细胞：见下表 (1)气体体积变化法——测定气体的变化量 注：装置内氧气充足，不考虑无氧呼吸。 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 4.光合速率的测定方法 ①甲装置在黑暗条件下植物只进行细胞呼吸，由于NaOH溶液吸收了细胞呼吸产生的CO2，因此单位时间内红色液滴左移的距离表示： (1)气体体积变化法——测定气体的变化量 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 4.光合速率的测定方法 植物的O2吸收速率，可代表有氧呼吸速率。 ②乙装置在光照条件下植物进行光合作用和细胞呼吸，由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，因此单位时间内红色液滴右移的距离表示： (1)气体体积变化法——测定气体的变化量 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 4.光合速率的测定方法 植物的O2释放速率，可代表净光合速率。 ③总光合速率＝净光合速率＋有氧呼吸速率。 ④物理误差的校正：为防止气压、温度等物理因素引起误差，应设置对照实验，即用 分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。 (1)气体体积变化法——测定气体的变化量 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 4.光合速率的测定方法 死亡的绿色植物 ②结果分析 a．净光合速率＝ b．呼吸速率＝ c．总光合速率＝ (2)叶圆片称重法——测定单位时间单位面积叶片中有机物生成量 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 4.光合速率的测定方法 (z－y)/2S(S为叶圆片面积，下同) (x－y)/2S 净光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S (3)叶圆片上浮法——定性检测O2释放速率 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 4.光合速率的测定方法 本方法通过利用真空技术排出叶肉细胞间隙中的空气，充以水分，使叶片沉于水中；在光合作用过程中，植物吸收CO2放出O2，由于O2在水中的溶解度很小而在细胞间积累，结果使原来下沉的叶片上浮。根据在相同时间内上浮叶片数目的多少(或者叶片全部上浮所需时间的长短)，即能比较光合作用强度的大小。 ①测定：将对称叶片的一部分(A)遮 光，另一部分(B)不做处理，并采用 适当的方法(可先在叶柄基部用热水 或热石蜡液烫伤)阻止物质转移。在 适宜光照下照射6 h后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB。 (4)半叶法——测定光合作用有机物的制造量 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 4.光合速率的测定方法 (4)半叶法——测定光合作用有机物的制造量 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 4.光合速率的测定方法 ②计算： 设被截取部分初始干重为M。 a．被截取部分的呼吸速率＝(M－MA)/6。 b．被截取部分的净光合速率＝(MB－M)/6。 c．被截取部分的总光合速率＝呼吸速率＋净光合速率＝ (MB－MA)/6 黑暗测呼吸，有光测净光合 (5)黑白瓶法——测水中溶氧量的变化 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 4.光合速率的测定方法 从某一水层取样，装入若干个等体积黑瓶和白瓶当中，并分别测得初始溶氧量 把黑、白瓶悬挂于原水深处 一段时间后，分别测出黑、白瓶的溶氧量并算出平均值 净光合作用量=白瓶溶氧量-初始溶氧量 呼吸作用量=初始溶氧量-黑瓶溶氧量 总光合作用量=白瓶溶氧量-黑瓶溶氧量 黑瓶不透光，只进行呼吸作用，白瓶透光,可以进行光合作用和呼吸作用。所以： 注：瓶中O2充足，不考虑无氧呼吸。 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 5.光合作用与细胞呼吸曲线中的“关键点”移动 (1)细胞呼吸对应点(A点)的移动： 细胞呼吸增强，A点 ； 细胞呼吸减弱，A点 ； 下移 上移 (2)补偿点(B点)的移动： ①细胞呼吸速率增加，其他条件不变时，CO2(或光)补偿点应 ，反之 。 右移 左移 24 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 5.光合作用与细胞呼吸曲线中的“关键点”移动 (2)补偿点(B点)的移动： ②细胞呼吸速率基本不变，相关条件的改变使光合速率下降时，CO2(或光)补偿点应 ，反之 。 右移 左移 (3)饱和点(C点)和D点的移动：： 相关条件的改变(如增大光照强度或增大CO2浓度)使光合速率增大时，C点 ，D点 的同时 ；反之，移动方向相反。 右移 上移 右移 25 1．(2023·广东模拟)光合作用效率是指绿色植物通过光合作用制造的有机物中所含的能量与光合作用中吸收的光能的比值。某研究人员将密闭容器内的某绿色植物先经黑暗再经恒定光照处理，容器内氧气的变化量如图所示(光照对呼吸作用的影响可忽略不计)。下列说法错误的是(　　) A．C点时该植物叶肉细胞中合成ATP的 场所有线粒体和细胞质基质 B．A点以后的短时间内，叶绿体内C5含 量将增加 C．5～15 min内，该植物光合作用产生O2的平均速率是5×10-8 mol/min D．农业生产中使用农家肥主要是通过提高光合作用效率来提高产量的 C C点时在黑暗条件下，植物叶肉细胞只进行呼吸作用，因此合成ATP的场所有线粒体和细胞质基质，A正确；A点以后的短时间内，光照增强，光反应产生的ATP和NADPH增加，叶肉细胞的叶绿体内C3被还原增多，产生的C5量增加，B正确；结合图示可知，黑暗下氧气量的变化量为呼吸速率，为(5× 10-7 mol－4×10-7 mol)÷5＝2×10-8 mol/min，在5～15 min内，净光合速率为(8×10-7 mol－4×10-7 mol)÷10＝4×10-8 mol/min，该植物光合作用产生氧气的平均速率即总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝4×10-8 mol/min＋2× 10-8 mol/min＝6×10-8 mol/min，C错误；农家肥中富含有机物，可以被分解者分解，产生的无机盐和CO2可以被植物吸收利用， 增强光合作用，增加光合产物量，D正确。 2．(2023·山东菏泽期末)用密闭的培养瓶培养等量的绿藻(单细胞藻类)，得到4组培养液，将培养液置于4种不同温度下(t1<t2<t3<t4)，在光下和黑暗条件下测定培养瓶中氧气的含量变化，得到如图的数据。下列说法错误的是(　　) A．t1黑暗条件下，绿藻细胞产生ATP的场所为细胞质基质和线粒体 B．t2光照条件下绿藻细胞群体光 合作用每小时产生的氧气量为6 mg C．t3条件下的光下O2增加值比 t4高，这与t3温度下的呼吸速率 比t4低有关 D．t4条件下绿藻细胞群体的净光合速率与呼吸速率相等 B 黑暗中O2消耗值为细胞呼吸量，光下 O2增加值为净光合量。t2光照条件下绿藻 细胞群体光合作用产生氧气的量为总光合 量，应为6＋4＝10 mg/h。 3．(2022·广东深圳模拟)如图表示在最适温度一定CO2浓度的条件下，光照强度对某植物光合速率的影响，纵坐标表示该植物O2吸收速率的变化曲线。下列说法正确的是(　　) A．A数值的大小表示该植物的呼吸速率，升高温度会使该数值变大 B．若适当地增加CO2浓度，则 会引起B点左移 C．光照强度为8时，该植物产 生O2的速率为8 mg/h D．影响CD段光合速率的环境因素主要为温度和CO2浓度 B A数值的大小表示该植物的呼吸速率，由题干可知为最适温度，所以升高温度会使呼吸速率下降，该数值变小，A错误。大气CO2浓度一般低于最适CO2浓度，若适当地增加CO2浓度会使光合速率提高，则B点左移，B正确。光照强度为8时，该植物产生O2的速率＝呼吸速率＋净光合速率＝4＋8＝12 mg/h，C错误。影响光合作用速率的因素主要有温度，光照强度、CO2浓度。题图中是在最适温度下，CD点后曲线保持水平不变，故此时限制此植物光合作用速率的主要环境因素是CO2浓度，D错误。 Ⅰ内因：卡尔文循环中CO2固定的酶(Rubisco)具有两面性(或双功能)，是一种兼性酶，具有催化羧化反应(C5＋CO2→2C3)和加氧反应(C5＋O2→C3＋C2)两种功能。 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 6.光呼吸 Ⅱ外因：高O2环境下，光呼吸会明显加强，而提高CO2浓度可明显抑制光呼吸。 29 光呼吸： ①高CO2浓度、低O2时，进行羧化 ②低CO2浓度、高O2时，进行加氧 C5+CO2 2C3 Rubisco C5+O2 C2+C3 Rubisco 2C2+O2 C3+CO2 ATP、[H] 酶 C3进入卡尔文循环 C3进入卡尔文循环 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 6.光呼吸 30 实质 6.光呼吸 ①是所有进行光合作用的细胞在光照、高O2低CO2情况下发生的一个生化过程。 ②是光合作用一个损耗能量的副反应。 ③此过程中消耗O2，生成CO2。 31 防止强光对叶绿体的破坏 强光时，由于光反应速率大于暗反应速率，因此，叶肉细胞中会积累ATP和还原氢，这些物质积累会产生自由基，尤其是超氧阴离子，这些自由基能损伤叶绿体，而强光下，光呼吸加强，会消耗光反应过程中积累的ATP和还原力，从而减轻对叶绿体的伤害。 当然植物体还有很多避免强光下损伤叶绿体的机制。光呼吸算是其中之一。 意义 6.光呼吸 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 32 比较项目 光呼吸 一般有氧呼吸 与光的关系 只在光下进行 光下、黑暗中都可进行 反应条件 光照、高O2低CO2环境 —— 底物 乙醇酸和O2 通常是葡萄糖、H2O和O2 产物 CO2 CO2和水 能量 消耗能量 产生能量 发生部位 叶绿体、线粒体 细胞质基质、线粒体 共同点 消耗O2、释放CO2 ⑥.光呼吸与一般有氧呼吸的比较 6.光呼吸 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 ③C3途径：也称卡尔文循环，在叶绿体基质中进行，CO2直接进入叶肉细胞，在其叶绿体基质中，与RuBP(C5)的发生反应，直到RuBP(C5)再生结束，并合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有大麦、小麦、大豆、水稻、马铃薯等大多数植物。 7.C3植物、C4植物和CAM植物 34 7.C3植物、C4植物和CAM植物 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 人们根据光合作用过程中碳同化途径的不同，可将自然界中的植物分为C3植物（三碳植物）、C4植物（四碳植物）和CAM植物（景天酸代谢植物），常见的C4植物有甘蔗、玉米、高粱等。 ①含义： ②原因： C4植物和CAM植物各自具有独特的无机碳浓缩机制，如C4植物中含有能固定CO2为C4的相关酶，即磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，简称为PEP羧化酶(对CO2有很强的亲和力)，可把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来。 35 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 ④C4途径：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(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)能力，C4植物相较于C3植物具有更高的CO2同化率，更弱的光呼吸和更多的生物产量 7.C3植物、C4植物和CAM植物 36 C3和C4植物光合作用途径的比较 项目 CO2受体 CO2固定 后产物 CO2固定 场所 光反应 场所 暗反应 场所 植物 RuBP (C5) PGA (C3) 叶肉细胞叶绿体 叶肉细胞叶绿体基粒 叶肉细胞叶绿体基质 植物 PEP(C3) RuBP(C5) PGA (C3) OAA (C4) 叶肉细胞细胞质基质、维管束鞘细胞叶绿体 叶肉细胞叶绿体基粒 维管束鞘细胞叶绿体基质　 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 7.光合作用和细胞呼吸综合的分析 ⑤CAM途径：CAM植物夜间气孔开放吸进CO2，CO2经一系列反应转化为苹果酸储存在液泡中。白天气孔关闭，苹果酸经一系列反应转化为CO2，进入C3途径合成淀粉；常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等，可适应干旱炎热的环境。 7.C3植物、C4植物和CAM植物 38 特征 C3植物 C4植物 CAM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 C3途径是碳同的基本途径，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。 40 1．(2023·广东茂名检测)研究发现，水稻叶肉细胞在强光、高浓度O2条件下，存在吸收O2，释放CO2的现象，该过程与光合作用同时发生，称为光呼吸，具体过程见下图。请分析回答： (1)据图推测，水稻叶片中消耗O2的具体场所有____________________。若突然停止光照，短时间内C5的含量将________(填“增加”或“减少”或“不变”)。 线粒体内膜和叶绿体基质 减少 (2)若用放射性同位素14C标记C5，则在正常细胞光呼吸过程中的转移途径为C5→________________________________，参与该过程的细胞结构有______________________________。 乙醇酸→乙醛酸→甘氨酸→CO2 叶绿体、过氧化物酶体、线粒体 (1)植物叶肉细胞的叶绿体基质在光下可进行光呼吸过程，可进行吸收O2、释放CO2；在有氧呼吸的第三阶段，在线粒体内膜上，O2和[H]结合生成水，因此水稻叶片中消耗O2的具体场所有线粒体内膜和叶绿体基质。若突然停止光照，光反应阶段产生的ATP和NADPH的含量降低，导致C3还原速率下降，C5的生成速率降低，而CO2的固定过程正常进行，C5的消耗速率不变，因此，突然停止光照，短时间内C5的含量将减少。(2)由图可知，在正常细胞光呼吸过程中，首先在叶绿体中，C5与O2反应生成1C3酸与乙醇酸，乙醇酸从叶绿体转移至过氧化物酶体中变为乙醛酸，在过氧化物酶体上乙醛酸转化成甘氨酸，甘氨酸在线粒体上转化为CO2，因此，若用放射性同位素14C标记C5，则在正常细胞光呼吸过程中的转 移途径为：C5→乙醇酸→乙醛酸→甘氨酸→ CO2，参与该过程的细胞结构有叶绿体、过氧 化物酶体、线粒体。 (3)水稻叶肉细胞在强光、高浓度O2条件下，存在吸收O2，释放CO2的现象，即光呼吸现象，当环境中CO2与O2含量比值偏低时，叶片容易发生光呼吸。当光呼吸现象较强时，O2竞争性的与Rubisco酶结合，导致其催化CO2与C5的固定过程减弱，光合作用合成的有机物减少，因此，光呼吸的存在会明显降低水稻产量。(4)通过多基因转化技术将GLO(乙醇酸氧化酶)基因、OXO(草酸氧化酶)基因和CAT(过氧化氢酶)基因导入水稻叶绿体基因组，光呼吸产生的部分乙醇酸能直接在叶绿体内被催化为草酸并最终完全分解为CO2，提高叶绿体中CO2浓度，从而抑制光呼吸，提高植物的光合效率，使水稻增产。 (3)当环境中CO2与O2含量比值________(填“偏高”或“偏低”)，叶片容易发生光呼吸。光呼吸的存在会明显降低水稻产量，原因是____________________。 偏低 O2竞争性的与Rubisco酶结合，导致其催化CO2与C5的固定过程减弱，光合作用合成的有机物减少　 (1)植物叶肉细胞的叶绿体基质在光下可进行光呼吸过程，可进行吸收O2、释放CO2；在有氧呼吸的第三阶段，在线粒体内膜上，O2和[H]结合生成水，因此水稻叶片中消耗O2的具体场所有线粒体内膜和叶绿体基质。若突然停止光照，光反应阶段产生的ATP和NADPH的含量降低，导致C3还原速率下降，C5的生成速率降低，而CO2的固定过程正常进行，C5的消耗速率不变，因此，突然停止光照，短时间内C5的含量将减少。(2)由图可知，在正常细胞光呼吸过程中，首先在叶绿体中，C5与O2反应生成1C3酸与乙醇酸，乙醇酸从叶绿体转移至过氧化物酶体中变为乙醛酸，在过氧化物酶体上乙醛酸转化成甘氨酸，甘氨酸在线粒体上转化为CO2，因此，若用放射性同位素14C标记C5，则在正常细胞光呼吸过程中的转 移途径为：C5→乙醇酸→乙醛酸→甘氨酸→ CO2，参与该过程的细胞结构有叶绿体、过氧 化物酶体、线粒体。 (3)水稻叶肉细胞在强光、高浓度O2条件下，存在吸收O2，释放CO2的现象，即光呼吸现象，当环境中CO2与O2含量比值偏低时，叶片容易发生光呼吸。当光呼吸现象较强时，O2竞争性的与Rubisco酶结合，导致其催化CO2与C5的固定过程减弱，光合作用合成的有机物减少，因此，光呼吸的存在会明显降低水稻产量。(4)通过多基因转化技术将GLO(乙醇酸氧化酶)基因、OXO(草酸氧化酶)基因和CAT(过氧化氢酶)基因导入水稻叶绿体基因组，光呼吸产生的部分乙醇酸能直接在叶绿体内被催化为草酸并最终完全分解为CO2，提高叶绿体中CO2浓度，从而抑制光呼吸，提高植物的光合效率，使水稻增产。 $$