2025届光合作用 一轮复习： 命题情境 光合作用拓展

《分子与细胞》第三单元 人教版 高中生物一轮复习 细胞的能量供应和利用 第4课时 光合作用拓展-3 思维导图总览 C3植物、C4植物和CAM植物 光呼吸 光合作用拓展 光合作用拓展 C3植物 C4植物 CAM植物 各种途径的大致过程及特点，尝试画出简图 概念 原因 过程 危害 意义 拓展：CO2浓缩机制 卡尔文循环 糖 光合生物 出现之初 CO2浓度高 O2浓度低 CO2浓度低O2浓度高 长时间光合作用 Rubisco出现 植物进化出了抵御光呼吸的机制 CO2浓缩机制 原核光合自养生物：碳泵+羧酶体 被子植物：C4途径和CAM途径 1 4 5 6 光呼吸 9 10 11 12 13 C5 2C3 CO2 Rubisco 2 3 C3 + C2 O2 7 8 Rubisco是催化CO2固定的关键酶，在外界低CO2浓度下，催化效率低。许多自养生物进化出提高细胞内CO2浓度的机制，即CO2浓缩机制，依靠该机制提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定。 CO2泵 大气低CO2浓度 高CO2浓度 卡尔文循环 糖类 羧酶体途径 C4途径 CAM途径 C3途径 拓展：CO2浓缩机制 不同植物固定CO2途径存在差异的根本原因是基因多样性，从进化角度分析是自然选择的的结果。 一、原核光合自养生物的CO2浓缩机制 羧酶体 碳泵 (细胞膜及光合片层膜上) (细胞质中） 运输无机碳HCO3-到细胞质中 运输CO2并将其转化为HCO3- HCO3- ATP HCO3- CO2 HCO3- Na+ 内含碳酸酐酶和Rubisco 允许HCO3-进入 不允许CO2出去 不允许O2进入 蛋白外壳 Rubisco 碳酸酐酶 拓展：CO2浓缩机制 碳泵 ATP CO2 HCO3 - HCO3 - Na+ HCO3 - CO2 C5 2C3 2C3 C5 （CH2O） 羧酶体 碳酸酐酶 Rubisco 碳泵与羧酶体配合进行CO2浓缩 细胞膜 O2 高 HCO3 - 受阻 受阻 光合片层 拓展：CO2浓缩机制 1.Rubisco是光合作用过程中催化CO2固定的酶，但其也能催化O2与C5结合，形成C3和C2，导致光合效率下降。CO2与O2竞争性结合Rubisco的同一活性位点，因此提高CO2浓度可以提高光合效率。蓝细菌具有CO2浓缩机制，如下图所示。为提高烟草的光合速率，向烟草内转入蓝细菌Rubisco的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。以下说法正确的是（ ） 注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散 A.据图分析，CO2通过细胞膜与光合片层膜是顺浓度梯度的 B.蓝细菌的CO2浓缩机制既能促进CO2固定，又能抑制O2与C5结合，从而提高光合效率 C.将蓝细菌Rubisco和羧化体外壳蛋白的编码基因转入烟草内，烟草的光合作用可明显提升 D.若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，应能利用高倍显微镜在转基因烟草细胞的叶绿体中观察到羧化体 B 拓展：CO2浓缩机制 2.催化CO2和 C5 结合的酶(Rubisco)是一种双功能酶，在 O2浓度高时也能催化 O2 和 C5 结合,引发光呼吸，导致光合效率降低。研究发现，蓝细菌具有羧酶体，可降低其光呼吸。下图为蓝细菌的结构模式图及部分代谢过程示意图。请回答下列问题。 拓展：CO2浓缩机制 (1)蓝细菌的遗传物质存在的场所有____________(填图 1中序号),其光合片层相当于叶绿体中__________________的功能。 ①③ 类囊体(薄膜) 拓展：CO2浓缩机制 (2)蓝细菌暗反应的场所有___________________。图中A 物质是______， C 物质的作用有__________________________。 细胞质基质和羧酶体 H+ 提供能量和还原剂 拓展：CO2浓缩机制 (3)结合图示和所学知识分析，蓝细菌光呼吸较低的原因有______。 a.蓝细菌有碳泵等多个无机碳运输途径，能使细胞中的 CO2 浓度保持在较高水平 b.羧酶体的外壳会阻止O2进入、CO2逃逸，保持羧酶体内高CO2浓度环境 c.蓝细菌无线粒体，无法通过有氧呼吸消耗O2、产生CO2，胞内O2/CO2较高 ab 拓展：CO2浓缩机制 解析:(2)据图分析，蓝细菌细胞质基质和羧酶体都能发生CO的固定,故暗反应的场所为细胞质基质和羧酶体。图中A物质是H离子,C是NADPH,其作用是为C还原提供能量和还原剂。蓝细菌有碳泵等多个无机碳运输途径,能使细胞中的CO₂浓度保持在较高水平;此外,羧酶体的外壳也会阻止O2进入、 CO₂逃逸,保持羧酶体内高CO₂浓度环境,这些都使得CO2与O2竞争结合C5的过程中占优势,使蓝细菌光呼吸较低,可见a、b正确。蓝细菌虽无线粒体，但含有与有氧呼吸有关的酶,故可以通过有氧呼吸消耗O2产生 CO2,c错误。 3.Rubisco是光合作用过程中催化CO2固定的酶。但其也能催化O2与C5结合，形成C3和C2，导致光合效率下降。CO2与O2竞争性结合Rubisco的同一活性位点，因此提高CO2浓度可以提高光合效率。 注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散 据图分析，CO2依次以___________和___________方式通过细胞膜和光合片层膜。蓝细菌的CO2浓缩机制可提高羧化体中Rubisco周围的CO2浓度，从而通过促进___________和抑制____________________提高光合效率。 (1)蓝细菌具有CO2浓缩机制，如下图所示。 自由扩散 主动运输 CO2固定 O2与C5结合 拓展：CO2浓缩机制 （2）向烟草内转入蓝细菌Rubisco的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，应能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的___________中观察到羧化体。 （3）研究发现，转基因烟草的光合速率并未提高。若再转入HCO3-和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用，理论上该转基因植株暗反应水平应___________，光反应水平应___________，从而提高光合速率。 叶绿体 提高 提高 拓展：CO2浓缩机制 C3植物、C4植物和CAM植物 光呼吸 光合作用拓展 光合作用拓展 光系统及电子传递链 1.C3植物 C4植物 CAM植物 自然界中的绿色植物根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同可以分为C3、C4和CAM三种类型。 C3途径 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。 叶绿体基质 NADPH ATP CO2 绿叶通过气孔从外界吸收 C5 一种五碳化合物 C3 三 碳 化 合 物 多种酶 参加催化 （CH2O） RuBP羧化酶 一、C3植物、C4植物和CAM植物 14 2.C4植物 常见C4植物有玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。 (1)C3植物与C4植物的区别 一、C3植物、C4植物和CAM植物 C4植物叶片结构 C3植物叶片结构 栅栏组织 海绵组织 维管束 叶肉细胞 维管束鞘细胞 维管束 维管束鞘细胞 叶肉细胞 “花环型”排列 有叶绿体 (基粒不发达) 无叶绿体 有叶绿体(基粒发达) 有叶绿体(基粒发达) C4植物维管束鞘细胞外叶肉细胞成花环状排列，十分有规律，而C3植物的维管束鞘细胞外叶肉细胞的排列松散。 （2）C4途径的CO2浓缩机制 C3 C4 C4 C3 C5 2C3 CO2 卡尔文循环 PEP 羧化酶 C4途径 C3途径 第1棒 第2棒 C4循环 CO2 ATP NADPH 糖类 （低浓度） （高浓度） ① C4植物的CO2固定是一场接力赛 Rubisco 固定CO2能力强 ATP 1 2 3 4 6 5 2.C4植物 一、C3植物、C4植物和CAM植物 C3 C4 C4 （丙酮酸）C3 C5 2C3 ATP NADPH 糖类 PEP 羧化酶 CO2 CO2 叶肉细胞 维管束鞘细胞 C4途径 C3途径 CO2 胞间连丝 光 卡尔文循环 C4循环 少 多 ②C4植物的CO2固定发生在两种细胞中 光 Rubisco ATP 1 2 3 4 7 8 5 6 2.C4植物 一、C3植物、C4植物和CAM植物 （2）C4途径的CO2浓缩机制 （丙酮酸）C3 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。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。而与此同时生成的泰山也就是丙酮酸。会进入到叶肉细胞。利用光合作用产生的atp转化成磷酸烯醇式丙酮酸，继续参与形成C4的循环。 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，并且无光合午休现象。 2.C4植物 一、C3植物、C4植物和CAM植物 C4植物 C4途径 C4途径 C3途径 2.C4植物 一、C3植物、C4植物和CAM植物 PEP(C3) 丙酮酸(C3) OAA(C4) 苹果酸(C4) OAA(C4) CO2 丙酮酸(C3) 丙酮酸(C3) 苹果酸(C4) 苹果酸(C4) CO2 丙酮酸(C3) 糖类 叶绿体 叶肉细胞 维管束鞘细胞 PEP(C3) PEP 羧化酶 C5 C3 叶绿体 ATP PEP：磷酸烯醇式丙酮酸 OAA：草酰乙酸 （3）最常见的C4植物的CO2固定 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 2.C4植物 一、C3植物、C4植物和CAM植物 （4） C4植物是在高温和高光强条件下发展起来 ①PEP羧化酶固定CO2的能力比RuBP羧化酶(Rubisco)固定CO2的能力强，C4植物的CO2补偿点低，能利用低浓度CO2。 高温条件下CO2浓度低，高温干旱使气孔关闭，在这样的条件下C4植物还能利用细胞间隙中的含量很低的CO2，进行光合作用。C4途径具有相当于CO2泵的功能。 —— 适应高温环境 C3 C4 C4 C3 C5 2C3 CO2 卡尔文循环 PEP 羧化酶 C4循环 CO2 ATP NADPH 糖类 （低浓度） （高浓度） Rubisco ATP 2.C4植物 一、C3植物、C4植物和CAM植物 ②C4途径具有CO2泵的功能，使维管束细胞中RuBP化酶/加氧酶(Rubisco)处于较高的CO2浓度条件下，起羧化酶的作用，抑制了光呼吸，所以C4植物光呼吸较C3植物低。 —— 适应高光强环境 C3 C4 C4 C3 C5 2C3 CO2 卡尔文循环 PEP 羧化酶 C4循环 CO2 ATP NADPH 糖类 （低浓度） （高浓度） Rubisco ATP 2.C4植物 一、C3植物、C4植物和CAM植物 （4） C4植物是在高温和高光强条件下发展起来 ③C4植物适应于高温、高光强，所以光饱和点高，光合速率随光强增高而上升的幅度较大，较C3植物光合速率高。C4植物光合作用最适温度在30~47℃，显著高于C3植物。 光强 光合速率 C4植物 C3植物 2.C4植物 一、C3植物、C4植物和CAM植物 （4） C4植物是在高温和高光强条件下发展起来 C4植物是适应于干热条件下的高光效植物，能在不影响固定CO2的同时减少水分的散失，产量高。但在光照强度和温度较低的条件下，C4植物的光合效率可能并不比C3植物高，因为C4植物光合碳循环中消耗的ATP较C3植物多。 C3 C4 C4 C3 C5 2C3 CO2 卡尔文循环 PEP 羧化酶 C4循环 CO2 ATP NADPH 糖类 （低浓度） （高浓度） Rubisco ATP 2.C4植物 一、C3植物、C4植物和CAM植物 CO2 PEP(C3) OAA(C4) 苹果酸(C4) 磷酸丙糖 淀粉 苹果酸(C4) 苹果酸(C4) CO2 苹果酸(C4) 丙酮酸(C3) ATP 液泡 叶绿体 夜间 白天 CO2 气孔开放 气孔关闭 干旱地区植物 的CO2浓缩机制 （1）CAM途径的CO2浓缩机制 C5 2C3 酶1 酶2 酶1:PEP羧化酶 酶2:RuBP羧化酶 （Rubisco） PEP: 磷酸烯醇式丙酮酸 OAA: 草酰乙酸 PEP 3.CAM植物 一、C3植物、C4植物和CAM植物 3.CAM植物 (具景天酸代谢途径的植物) 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。 信息解读： 一、C3植物、C4植物和CAM植物 （1）CAM途径的CO2浓缩机制 常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。 C3植物、C4植物和CAM植物的比较 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 一、C3植物、C4植物和CAM植物 C3植物、C4植物和CAM植物的比较 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。 一、C3植物、C4植物和CAM植物 C3植物、C4植物和CAM植物 光呼吸 光合作用拓展 光合作用拓展 C3植物 C4植物 CAM植物 各种途径的大致过程及特点，尝试画出简图 29 1.自然界的植物丰富多样，对环境的 适应各有差异，自卡尔文发现光合作 用中碳元素的行踪后，又有科学家发 现碳元素行踪的其他路径。请据图回 答下列问题： 一、C3植物、C4植物和CAM植物 (1)图1是C3植物碳元素代谢途径的示意图。①②③④代表的是物质，A、B、C、D代表的是生理过程，则①④依次是______、_____；D过程是_____________________，ATP的合成除发生在A过程外，还发生在_____ (填字母)过程。 氧气 C5 有氧呼吸第二、三阶段 C、D 一、C3植物、C4植物和CAM植物 (2)C3植物在干旱、炎热的环境中，由于气孔关闭造成________________ ________________________，从而不利于光合作用。 CO2不能进入叶片， 同时引起O2在细胞内积累 一、C3植物、C4植物和CAM植物 (3)图2是C4植物和CAM植物利用CO2途径的示意图。据图分析，这两类植物固定CO2的酶比C3植物多一种________酶，该酶比Rubisco对CO2的亲和力大且不与O2亲和，具有该酶的植物更能适应___________的环境。 PEP羧化 低CO2浓度 一、C3植物、C4植物和CAM植物 (4)由图2可知，C4植物是在不同_____进行CO2的固定，而CAM植物是在不同_____进行CO2固定。典型的CAM植物如仙人掌在夜晚吸收的CO2能否立即用于C3途径？_______ (填“能”或“不能”)，可能的原因是___________________________ _______________________________________。 细胞 时间 不能 没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提供足够ATP和NADPH 一、C3植物、C4植物和CAM植物 2.多肉植物是指营养器官肥厚多汁并且储藏大量水分的植物，能够在高温干旱的条件下良好生长。多肉植物叶片上的气孔夜间开放吸收CO2，生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用。请回答下列问题： 一、C3植物、C4植物和CAM植物 (1)多肉植物白天进行光合作用所需CO2来源有_______________________和________________(请填写相关生理过程)。多肉植物夜晚能吸收CO2，却不能合成(CH2O)的原因是_________________________________。 (2)若对多肉植物突然停止光照，其叶肉细胞内C5的含量________(填“上升”或“下降”)，原因是__________________________________________________ ___________________________________________________________________ ____________。 苹果酸经脱羧作用释放 呼吸作用产生 缺乏光照，不能产生NADPH和ATP 下降 突然停止光照，光反应无法产生NADPH和ATP，C3的还 原速率下降，C5的合成速率下降，而CO2浓度不变，C5的消耗速率不变，故C5含量下降 一、C3植物、C4植物和CAM植物 (3)有人提出，CaCl2与脱落酸都能够提高多肉植物的抗旱能力，并且混合使用效果更佳，请简要写出证明该观点的实验设计思路：_________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ___________________________________________________________________。 以下两种答案均可 ①将生长状况相同的多肉植物随机均等分为四组，分别用等量的清水、CaCl2溶液、ABA溶液、CaCl2与ABA混合溶液处理，在干旱条件下培养，一段时间后测定并比较各组净光合速率(或“比较各组生长发育状况”)　②将生长状况相同的多肉植物随机均等分为四组，其中一组不做处理，其余各组分别用等量的CaCl2溶液、ABA溶液、CaCl2和ABA混合溶液处理，在干旱条件下培养，一段时间后测定并比较各组净光合速率(或“比较各组生长发育状况”) 一、C3植物、C4植物和CAM植物 1.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）。 O2、NADPH和ATP 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）。 自身呼吸消耗或建造植物体结构 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__________________________________________________________________。 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 一、C3植物、C4植物和CAM植物 2.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390μmol·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。 三碳化合物 叶绿体基质 一、C3植物、C4植物和CAM植物 2)海水中的无机碳主要以CO2和HCO3-两种形式存在，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HCO3-浓度最高的场所是__________（填“细胞外”或“细胞质基质”或“叶绿体”），可为图示过程提供ATP的生理过程有_____________________________。 呼吸作用和光合作用 叶绿体 一、C3植物、C4植物和CAM植物 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HCO3-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”或“低于”或“等于”)Rubisco。 PEP:磷酸烯醇式丙酮酸，OAA:草酰乙酸，Mal: 苹果酸，Pyr:丙酮酸 图2 高于 一、C3植物、C4植物和CAM植物 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。 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”）。 NADP和ATP 吸能 同位素示踪 PEP:磷酸烯醇式丙酮酸，OAA:草酰乙酸，Mal: 苹果酸，Pyr:丙酮酸 图2 一、C3植物、C4植物和CAM植物 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__________。 A. 改造植物的HCO3-转运蛋白基因，增强HCO3-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 AC 一、C3植物、C4植物和CAM植物 3. 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。 细胞质基质、线粒体基质、线粒体内膜、叶绿体类囊体薄膜 细胞呼吸 蒸腾作用过强导致水分散失过多 光合作用 一、C3植物、C4植物和CAM植物 3. 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： （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） 实验思路：在干旱环境下，白天和晚上每隔一段时间检测植物甲的液泡pH值。 预期结果：白天pH值升高，晚上pH值降低。 一、C3植物、C4植物和CAM植物 4.下左图为CAM代谢途径，右图为C4途径示意图。请回答： (1)C3植物固定CO2的最初受体是____________(物质)；CAM植物固定CO2的场所有_________________________，受体有________(物质)。光合作用过程中CO2来源相同的植物有_______________(“C3”“C4”“CAM”植物)。 C5( RuBP) 细胞质基质和叶绿体基质 PEP、C5 C4和CAM植物 一、C3植物、C4植物和CAM植物 4.下左图为CAM代谢途径，右图为C4途径示意图。请回答： (2)C4植物光合作用中淀粉在___________________________(场所)合成，正常条件下叶片的光合产物不会全部运输到其他部位，原因 、____________。 建造植物体结构需要有机物 维管束鞘细胞的叶绿体基质 自身呼吸需要消耗有机物 一、C3植物、C4植物和CAM植物 4.下左图为CAM代谢途径，右图为C4途径示意图。请回答： (3)在生理上，C4植物一般比C3植物的光合作用强，主要原因有____________________________、____________________。 PEP羧化酶活性较强/固定低浓度CO2效率较高 光呼吸弱 一、C3植物、C4植物和CAM植物 C3植物、C4植物和CAM植物 光呼吸 光合作用拓展 光合作用拓展 C3植物 C4植物 CAM植物 各种途径的大致过程及特点，尝试画出简图 49 C3植物、C4植物和CAM植物 光呼吸 光合作用拓展 光合作用拓展 C3植物 C4植物 CAM植物 各种途径的大致过程及特点，尝试画出简图 50 拓展：光呼吸的发现 1955年科学家德柯尔测定烟草光合速率时发现:正在进行光合作用的烟草叶片在光照停止后的很短时间内，二氧化碳的释放量会急剧增高，这种现象称为“二氧化碳的猝发” 1920年，生物化学家瓦布格发现：较高氧气浓度可以抑制小球藻的光合作用，人们把氧对光合作用的抑制现象称为“瓦布格效应”。 较高浓度O2会抑制光合作用 停止光照后CO2释放量急剧增加 停止光照后CO2释放量急剧增加 ①A表示光下净光合速率。 ②B和C表示光下时植物呼吸速率。 ③B表示无论是光下还是暗处都可进行的呼吸速率。 ④C表示只有光下才有的呼吸速率。 即光呼吸现象。 拓展：光呼吸的发现 C3植物、C4植物和CAM植物 光合作用拓展 光合作用拓展 光系统及电子传递链 C3植物 C4植物 CAM植物 各种途径的大致过程及特点，尝试画出简图 1.概念 光呼吸是进行光合作用的细胞在光照和高O2低CO2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O2、释放CO2。其生化途径和在细胞中的发生部位也与一般呼吸(也称暗呼吸)不同。 二、光呼吸 高CO2浓度、低O2时，C5进行羧化 C5+O2 C2+C3 Rubisco 卡尔文循环 高O2浓度、低CO2时，C5进行加氧 光呼吸 C5+CO2 2C3 Rubisco 卡尔文循环 53 2.原因 ①生物体的进化过程中产生了一种具有双功能的酶，这个酶的名字叫作RuBP羧化/加氧酶，就是核酮糖－1,5－二磷酸羧化/加氧酶，这个酶可以缩写为Rubisco。核酮糖－1,5－二磷酸(RuBP)就是卡尔文循环中的C5。 二、光呼吸 Rubisco C5 2C3 C5 C2 C3 ATP NADPH (CH2O) C3 O2 ATP NADPH CO2 ×2 ×2 (CH2O) ATP NADPH O2 CO2 卡尔文循环 光呼吸 RuBP(C5)羧化加氧酶 羧化 加氧 2.原因 ②二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，走上了光呼吸的征途，这条路艰难而曲折，有害也有利。 二、光呼吸 Rubisco C5 2C3 C5 C2 C3 ATP NADPH (CH2O) C3 O2 ATP NADPH CO2 ×2 ×2 (CH2O) ATP NADPH O2 CO2 卡尔文循环 光呼吸 RuBP(C5)羧化加氧酶 羧化 加氧 1.在有光、高氧和低二氧化碳情况下，水稻的叶肉细胞会发生光呼吸，光呼吸是指绿色植物在光照情况下吸收O2，将叶绿体中的五碳化合物分解，产物经一系列变化后到线粒体中生成CO2的过程。光呼吸会抵消约30%的光合作用，因此降低光呼吸被认为是提高光合作用效能的途径之一。图1是水稻光合作用和有氧呼吸过程示意图，图2是水稻细胞暗反应和光呼吸部分过程示意图（Rubisco表示1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶）。图1中①、②、③、④代表的是物质，A、B、C、D代表的是生理过程，请据图回答下列问题: 二、光呼吸 图1是水稻光合作用和有氧呼吸过程示意图，图2是水稻细胞暗反应和光呼吸部分过程示意图（Rubisco表示1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶）。图1中①、②、③、④代表的是物质，A、B、C、D代表的是生理过程，请据图回答下列问题: (1)图1中①和④依次是____、_____，合成ATP的过程有______（填字母）。 O2 ACD C5 二、光呼吸 图1是水稻光合作用和有氧呼吸过程示意图，图2是水稻细胞暗反应和光呼吸部分过程示意图（Rubisco表示1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶）。图1中①、②、③、④代表的是物质，A、B、C、D代表的是生理过程，请据图回答下列问题: (2)植物的Rubisco具有“两面性”：在CO2/O2的比值高时，Rubisco催化C5与______反应；在CO2/O2的比值低时，则催化C5与____反应，这与酶的专一性相矛盾，其“两面性”可能是因为在不同环境中，Rubisco的__________发生变化而导致其功能发生改变。 CO2 空间结构 O2 二、光呼吸 图1是水稻光合作用和有氧呼吸过程示意图，图2是水稻细胞暗反应和光呼吸部分过程示意图（Rubisco表示1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶）。图1中①、②、③、④代表的是物质，A、B、C、D代表的是生理过程，请据图回答下列问题: (3)与光呼吸相区别，研究人员常把有氧呼吸称为“暗呼吸”。从能量代谢的角度看，光呼吸和暗呼吸的最大区别是_________________________ _____________________________。 暗(有氧)呼吸产生能量(ATP) 光呼吸消耗能量(ATP)， 二、光呼吸 (4)光呼吸是植物在长期进化过程中，为适应高温干旱环境以提高抗逆性而形成的一条代谢途径。在高温干旱的条件下，水稻__________________ ______________，导致叶肉细胞中CO2/O2的值降低，此时的光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的有机物______________以减少对叶绿体的伤害，同时光呼吸产生的CO2又可以作为______________的原料，因此有观点指出光呼吸在一定条件下对植物生长有重要的正面意义，在水稻的实际生产活动中可通过___________等措施，既减少光呼吸对光合产物的损耗，又增加土壤肥力。 气孔大量关闭 蒸腾作用过强, ATP和NADPH 暗反应阶段 增施农家肥 二、光呼吸 3.过程 发生光呼吸的细胞需要三个细胞器的协同作用才能将光呼吸起始阶段产生的“次品”修复，耗时耗能。这也是早期光呼吸被人们称作“卡尔文循环中的漏逸”，“Rubisco的构造缺陷”的原因。 4.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。 二、光呼吸 共同特点是内含一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶和过氧化氢酶（标志酶），已发现40多种氧化酶，如L-氨基酸氧化酶，D-氨基酸氧化酶等等，其中尿酸氧化酶（urate oxidase）的含量极高，以至于在有些种类形成酶结晶构成的核心。功能： （1）使毒性物质失活（2）对氧浓度的调节作用（3）脂肪酸的氧化（4）含氮物质的代谢 61 5.意义 （1）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NADPH，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NADPH，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。 二、光呼吸 62 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NADPH，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NADPH，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。 （2）回收碳元素 就是2分子的C2形成1分子的C3和CO2，那1分子C3通过光呼吸过程又返回到卡尔文循环中，不至于全部流失掉。即通过光呼吸回收了3/4的碳元素。 5.意义 （1）防止强光对叶绿体的破坏 二、光呼吸 63 就是2分子的C2形成1分子的C3和CO2，那1分子C3通过光呼吸过程又返回到卡尔文循环中，不至于全部流失掉。即通过光呼吸回收了3/4的碳元素。 （3）消除乙醇酸对细胞的毒害 （2）回收碳元素 5.意义 （1）防止强光对叶绿体的破坏 二、光呼吸 64 光呼吸与暗呼吸的比较 比较项目 光呼吸 暗呼吸(有氧呼吸) 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 光或暗都可以 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 C3植物、C4植物和CAM植物 光合作用拓展 光合作用拓展 光系统及电子传递链 C3植物 C4植物 CAM植物 各种途径的大致过程及特点，尝试画出简图 二、光呼吸 光呼吸是进行光合作用的细胞在光照和O2/CO2值异常时发生的一种生理过程（图甲所示），该过程是细胞在Rubisco酶的催化下，消耗O2，生成CO2，借助叶绿体、线粒体等多种细胞器共同完成的消耗能量的反应。请回答下列问题。 CO2 2C3 C5 C3 C2 2C2 CO2 C3 卡尔文循环 C3 糖类 O2 线粒体 图甲 1）Rubisco酶既能催化C5和CO2反应，又能催化C5和O2反应，可以推测O2/CO2值_________(“偏高”或“偏低”)时有利于光呼吸而不利于光合作用。 偏高 二、光呼吸 光呼吸是进行光合作用的细胞在光照和O2/CO2值异常时发生的一种生理过程（图甲所示），该过程是细胞在Rubisco酶的催化下，消耗O2，生成CO2，借助叶绿体、线粒体等多种细胞器共同完成的消耗能量的反应。请回答下列问题。 2)在高温、干旱和强光照条件下，植物的蒸腾作用很强，叶片气孔大量关闭，____的供应量减少，植物可通过光呼吸为光合作用提供的物质为__________。 CO2 CO2和C3 二、光呼吸 CO2 2C3 C5 C3 C2 2C2 CO2 C3 卡尔文循环 C3 糖类 O2 线粒体 图甲 光呼吸是进行光合作用的细胞在光照和O2/CO2值异常时发生的一种生理过程（图甲所示），该过程是细胞在Rubisco酶的催化下，消耗O2，生成CO2，借助叶绿体、线粒体等多种细胞器共同完成的消耗能量的反应。请回答下列问题。 3)据图可知，光呼吸和光合作用都能利用的物质是____，光合作用利用该物质的场所________ ，光呼吸中生成CO2的场所______ 。 C5 叶绿体基质 线粒体基质 二、光呼吸 CO2 2C3 C5 C3 C2 2C2 CO2 C3 卡尔文循环 C3 糖类 O2 线粒体 图甲 光呼吸是进行光合作用的细胞在光照和O2/CO2值异常时发生的一种生理过程（图甲所示），该过程是细胞在Rubisco酶的催化下，消耗O2，生成CO2，借助叶绿体、线粒体等多种细胞器共同完成的消耗能量的反应。请回答下列问题。 4)与光呼吸相区别，研究人员常把细胞呼吸称为“暗呼吸”，从反应条件来讲光呼吸与暗呼吸的不同是_____________________。 光呼吸需要光，而暗呼吸有光无光均可 二、光呼吸 CO2 2C3 C5 C3 C2 2C2 CO2 C3 卡尔文循环 C3 糖类 O2 线粒体 图甲 C3植物、C4植物和CAM植物 光呼吸 光合作用拓展 光合作用拓展 C3植物 C4植物 CAM植物 各种途径的大致过程及特点，尝试画出简图 概念 原因 过程 危害 意义 70 1.(2023·山东潍坊一模)光呼吸是O2/CO2偏高时与光合作用同时发生的生理过程，是经长期进化形成的适应机制。光呼吸和暗反应关系密切，机理如图所示。下列叙述错误的是(　　) D A.光呼吸可保证CO2不足时，暗反应仍能正常进行 B.光合作用的光反应强于暗反应容易导致光呼吸 发生 C.光呼吸过程虽消耗有机物，但不产生ATP D.抑制光呼吸能大幅度提高光合作用强度 二、光呼吸 2.(2021·山东，21)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下表。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 二、光呼吸 (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___________________________________________________ ____________________________________。 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 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 二、光呼吸 (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_________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________。 低 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 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 二、光呼吸 (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。 100～300 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 二、光呼吸 $$