15 必修1 第二单元 素养加强课2 光合作用和细胞呼吸综合的分析-【名师导航】2025年高考生物一轮总复习讲义（江苏专用）

提升点1　光合作用与细胞呼吸过程及物质和能量的联系 1．物质名称：b.O2，c.ATP，d.ADP，e.NADPH，f.C5，g.CO2，h.C3。 2．生理过程及场所 序号 ① ② ③ ④ ⑤ 生理 过程 光反应 暗反应 有氧呼吸 第一阶段 有氧呼吸 第二阶段 有氧呼吸 第三阶段 场所 叶绿体 类囊体 的薄膜 叶绿体 基质 细胞质 基质 线粒体 基质 线粒体 内膜 3.物质方面 C：CO2C6H12O6丙酮酸CO2 O：H2OO2H2OCO2有机物 H：H2ONADPHC6H12O6 [H]H2O 4．能量方面 光能ATP和NADPH中活跃的化学能 C6H12O6中稳定的化学能 1．(多选)(2023·山东青岛高三校联考开学考试)叶肉细胞中存在“苹果酸/草酰乙酸穿梭”和“苹果酸/天冬氨酸穿梭”，可实现叶绿体和线粒体中物质和能量的转移，如图为叶肉细胞中部分代谢途径，以下叙述正确的是(　　) A．卡尔文循环和三羧酸循环的场所分别是叶绿体基质和线粒体基质 B．“苹果酸/天冬氨酸穿梭”可将细胞质基质NADH的能量转移到线粒体NADH中 C．叶绿体和线粒体借助“苹果酸/草酰乙酸穿梭”和“苹果酸/天冬氨酸穿梭”实现能量的转移路径可表示为：NADPH→苹果酸→NADH D．线粒体内NADH中的能量最终在线粒体基质中转化为ATP中的化学能 2．(2023·江苏苏州统考三模)植物细胞内的呼吸链中存在由交替氧化酶(AOX)主导的交替呼吸途径，该途径对植物抵抗强光等逆境具有重要的生理学意义。下图1表示eATP与呼吸链对光合作用相关反应的影响，其中iATP为细胞内ATP，eATP为细胞外ATP。请回答下列问题： (1)图中所示的光系统Ⅰ和光系统Ⅱ应位于叶绿体的____________(结构)上。ATP和NADPH在光合作用中的共同作用是__________________________________。 (2)强光环境下，植物细胞通过“苹果酸/草酰乙酸穿梭”途径，将过多的____________转移出叶绿体，并最终通过AOX的作用，将其中大部分能量以____________形式散失，从而有效缓解强光对植物细胞内光系统的损伤。 (3)目前尚未发现在植物细胞的表面或质膜上存在ATP合酶，表明eATP来源于________________________产生的iATP。据图判断，eATP最可能是作为一种信号分子调节植物的光合作用，其判断依据是_______________________________ _____________________________________________________________________。 (4)为探究eATP对植物光系统反应效率的影响及其作用机制，研究者以野生型(WT)拟南芥和eATP受体缺失突变体(dorn-1)拟南芥为实验材料，利用交替呼吸抑制剂(SHAM)进行实验，结果如图2所示。 ①据图2分析，在WT叶片中，SHAM处理能够引起实际光系统反应效率________，对WT叶片添加外源ATP可________SHAM所导致的影响；而在dorn-1叶片中，SHAM处理以及添加外源ATP对植物实际光系统反应效率的影响________________。 ②以上结果表明，eATP可通过受体DORN1对________________引起的植物光系统反应效率下降进行调控。该实验为进一步研究植物抗胁迫调节机制中呼吸链以及eATP的作用提供依据。 提升点2　真正(总)光合速率和表观(净)光合速率的关系及其速率测定 1．真正(总)光合速率、表观(净)光合速率和细胞呼吸速率的关系 (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——单位时间内一定量叶面积所吸收的CO2量或释放的O2量。 ③真正(总)光合速率＝表观(净)光合速率＋细胞呼吸速率。 (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。 ②根据关键词判定 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 2.光合速率的测定方法 (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。 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，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。 (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 ①操作图示 ②结果分析 a．净光合速率＝(z－y)/2S(S为叶圆片面积，下同)。 b．呼吸速率＝(x－y)/2S。 c．总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S。 (3)半叶法——测定光合作用有机物的制造量 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。 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。 (4)黑白瓶法——测水中溶氧量的变化 注：瓶中O2充足，不考虑无氧呼吸。 (2023·江苏扬州高三统考开学考试)下图是某科研小组在对药用植物黄精进行光合作用和呼吸作用研究实验过程中，根据测得的实验数据绘制的曲线图，其中图1的光合曲线(图中实线)是在光照、CO2浓度等条件都适宜的环境中测得，图1呼吸曲线(图中虚线)是在黑暗条件下测得；图2的实验环境是在恒温密闭玻璃温室中，测定指标是连续24 h室内CO2浓度和植物CO2吸收速率。据图分析，下列说法中错误的是(　　) A．图1中，当温度达到55 ℃时，植物光合作用已停止，可能原因是与光合作用相关的酶失去活性 B．图1中，当温度达到55 ℃时，植物的净光合速率与呼吸速率相等，真正光合速率是呼吸速率的2倍 C．结合图1数据分析，进行图2所示实验时，为了减少无关变量带来的干扰，温度应设置在30 ℃左右 D．图1中温度为40 ℃时对应的光合曲线点与图2中6 h和18 h对应的曲线点有相同的净光合速率 提升点3　光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 1．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C5分解产生CO2的过程。光呼吸是一个“耗能浪费”的生理过程，因此，抑制植物的光呼吸可实现农作物的增产。 [模型解读] 光呼吸与光合作用的关系 ①与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒体。光呼吸产生的条件是光照、高O2含量和低CO2含量等。 ②在干旱天气和过强光照下，因为温度很高，蒸腾作用很强，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NADPH和ATP，又可以为暗反应阶段提供原料，因此光呼吸对植物有重要的正面意义。 2．C4植物 在绿色植物的光合作用中，二氧化碳中的碳首先转移到含有四个碳原子的有机物(C4)中，然后才转移到C3中，科学家将这类植物叫作C4植物，将其固定二氧化碳的途径，叫作C4途径。 [模型解读] ①玉米、高粱、甘蔗都是C4植物，适于在高温、干燥和强光的条件下生长。 ②C4植物叶肉细胞的叶绿体有类囊体，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，C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物。 ③PEP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。 3．CAM途径 [模型解读] ①仙人掌、菠萝和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用。这类植物特别适合于干旱地区，其特点是气孔夜间开放，白天关闭。 ②该类植物夜间吸收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。而白天气孔关闭，苹果酸转移到细胞质基质中脱羧，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。 ③该类植物叶肉细胞夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH下降；白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液pH上升。 4．光合产物 [模型解读] ①磷酸丙糖是光合作用中最先产生的糖，也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。 ②光合作用产生的磷酸丙糖既可以在叶绿体中形成淀粉，暂时储存在叶绿体中，又可以通过叶绿体膜上的磷酸转运器运出叶绿体，在细胞质基质中合成蔗糖。合成的蔗糖或临时储藏于液泡内，或从光合细胞中输出，经韧皮部装载长距离运输到其他部位。 5．光系统及电子传递链 [模型解读] ①光系统Ⅱ进行水的裂解，产生O2、H＋和自由电子(e－)，光系统Ⅰ主要是介导NADPH的产生。 ②电子传递过程是高电势到低电势(由于光能的作用)，释放的能量将质子(H＋)逆浓度梯度从叶绿体的基质侧泵转运到囊腔侧，从而建立了质子浓度(电化学)梯度。 ③类囊体内的高浓度质子通过ATP合成酶顺浓度梯度流出，而ATP合成酶利用质子顺浓度梯度中流出的能量来合成ATP。 1．(多选)(2023·江苏扬州高三统考开学考试)玉米叶肉细胞中的叶绿体较小数目也少但叶绿体内有基粒：相邻的维管束鞘细胞中叶绿体较大数目较多但叶绿体内没有基粒。玉米细胞除C3途径外还有另一条固定CO2的途径，简称C4途径如下图。研究发现，C4植物中PEP羧化酶对CO2的亲和力约是Rubisco酶的60倍。下列有关叙述正确的是(　　) A．维管束鞘细胞中光合作用所利用的CO2都是C4分解释放的 B．若叶肉细胞中光合作用速率大于细胞呼吸速率，植物的干重不一定增加 C．玉米的有机物是在维管束鞘细胞通过C3途径合成的 D．干旱条件下，C3途径植物光合速率比C4途径植物小 2．(多选)(2022·江苏宿迁高三校考期中)下图为真核细胞中两种传递电子并产生 ATP 的生物膜结构示意图。据图分析，下列有关叙述正确的是(　　) A．图甲为叶绿体内膜，图乙为线粒体内膜 B．两种膜产生 ATP 的能量直接来源均为 H＋的跨膜运输 C．自养需氧型生物的细胞中都既有图甲结构又有图乙结构 D．图甲中NADP＋为电子最终受体，图乙中O2为电子最终受体 3．(2023·江苏南通高三海安高级中学校考阶段练习)图1为CAM代谢途径，图2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______________(填“C3”“C4”“CAM植物”)。 (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，原因有___________________、________________________。 (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_______________、____________________。 (4)不同植物固定CO2途径存在差异的根本原因是____________________，从进化角度分析是____________________的结果。 1 / 11 学科网（北京）股份有限公司 素养加强课2　光合作用和细胞呼吸综合的分析 提升点1 素能训练 1．ABC　[图中的卡尔文循环包括CO2的固定和C3的还原两个过程，在叶绿体基质中进行，三羧酸循环进行的场所是线粒体基质，A正确；分析题图可以推测“苹果酸/天冬氨酸穿梭”可将细胞质基质NADH的能量转移到线粒体NADH中，B正确；叶肉细胞中存在“苹果酸/草酰乙酸穿梭”和“苹果酸/天冬氨酸穿梭”，可实现叶绿体和线粒体中物质和能量的转移，转移路径可表示为NADPH→苹果酸→NADH，C正确；线粒体内NADH中的能量最终在线粒体内膜上转化为ATP中的化学能和热能，D错误。故选ABC。] 2．(1)类囊体(薄)膜　为C3的还原提供能量　(2)NADPH　热能　(3)线粒体、叶绿体和细胞质基质　eATP需要与(细胞膜上)的DORN1 受体结合后才能激发细胞内的信号转导　(4)①降低　缓解　不明显　②交替呼吸(途径)抑制 提升点2 素能训练 B　[据图1分析，虚线表示呼吸作用速率随温度的变化情况，当温度达到55 ℃时，两条曲线重合，植物不再进行光合作用，只进行呼吸作用，可能原因是与光合作用相关的酶失去活性，A正确；图1中，当温度达到55 ℃时，两条曲线重合，植物不再进行光合作用，真正光合速率为0，B错误；结合图1数据可知，植物净光合速率最大时的温度为30 ℃，因此，在进行图2所示实验时，为了减少无关变量带来的干扰，温度应设置在30 ℃左右，C正确；图2中当光合速率等于呼吸速率时，净光合速率为0，处于室内二氧化碳浓度曲线的拐点，即6 h和18 h，因此图2中光合速率和呼吸速率相等的时间点有2个，图1中，光合作用与呼吸作用相等的温度条件是40 ℃，D正确。故选B。] 提升点3 素能训练 1．BCD　[由图示可知，玉米维管束鞘细胞中光合作用所利用的CO2除了来源于C4分解，还可以来源于呼吸作用，A错误；若叶肉细胞中光合作用速率大于细胞呼吸速率，植物的干重不一定增加，因为植物还有部分不能进行光合作用的细胞也要通过呼吸作用消耗有机物，B正确；由图示可知，玉米的有机物是在维管束鞘细胞通过C3途径合成的，C正确；干旱条件下部分气孔关闭，胞间CO2浓度降低，但PEP羧化酶可以高效捕捉CO2并将其固定为C4，然后转移至维管束鞘细胞的叶绿体中完成光合作用，因此干旱条件下，C3途径植物光合速率比C4途径植物小，D正确。故选BCD。] 2．BD　[图甲中利用光能分解水，为光合作用的光反应，所以图甲为叶绿体中的类囊体薄膜，存在有叶绿体的生物体内，图乙中生成水和ATP，应为有氧呼吸第三阶段，所以图乙为线粒体内膜，存在于含线粒体的生物中；自养需氧型生物，例如硝化细菌为原核生物，不存在图甲结构和图乙结构，A、C错误。从图中可知，这两种膜结构上的ATP合成酶在合成ATP时候，都需要利用膜两侧的H＋跨膜运输，即H＋的梯度势能转移到ATP中，B正确；图甲中的NADP＋接受电子变成NADPH，NADP＋为电子最终受体，图乙中O2接受电子变成水，O2为电子最终受体，D正确。故选BD。] 3．(1)C5(或RuBP)　(叶肉细胞的)细胞质基质和叶绿体基质　PEP、C5　C4和CAM植物　(2)维管束鞘细胞的叶绿体基质　自身呼吸需要消耗有机物　建造植物体结构需要有机物　(3)PEP羧化酶活性较强(或固定低浓度CO2效率较高)　光呼吸弱　(4)基因多样性(或遗传多样性)　(长期)自然选择 $$