专题2 第2板块 重难点3 C4植物、景天科植物、光呼吸等特殊代谢类型(Word教参)-【精讲精练】2025年高考生物学二轮专题辅导与训练（多选版）

重难点3　C4植物、景天科植物、光呼吸等特殊代谢类型 1．(2024·吉林卷)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3；当CO2/O2的值低时，C5也能与O2反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶绿体与线粒体中主要物质变化如图1。 在叶绿体中：C5＋CO22C3① C5＋O2C3＋C2② 在线粒体中：2C2＋NAD＋C3＋CO2＋NADH＋H＋③ 注：C2表示不同种类的二碳化合物，C3也类似。 图1 图2 图3 光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程。回答下列问题。 (1)反应①是________________过程。 (2)与光呼吸不同，以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是________________和________________。 (3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株(WT)，得到转基因株系1和2，测定净光合速率，结果如图2、图3。图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外，还可来自________________________和________________________(填生理过程)。7—10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异，原因是_____________________________ _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 据图3中的数据________(填“能”或“不能”)计算出株系1的总光合速率，理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (4)结合上述结果分析，选择转基因株系1进行种植，产量可能更具优势，判断的依据是______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 解析　(1)反应①C5和CO2在酶R的作用下生成C3，是CO2的固定过程。(2)有氧呼吸的第一阶段和第二阶段产生NADH，场所分别为细胞质基质和线粒体基质。(3)由图1可知，光呼吸过程也可以产生CO2；结合教材知识可知，有氧呼吸第二阶段也可以产生CO2，故图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外，还可来自光呼吸和有氧呼吸。根据题中信息“我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株(WT)，得到转基因株系1和2”推测，7—10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异是株系1和2与WT的光呼吸速率存在差异导致的，再结合题干信息“光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程”推测，7—10时，随着光照强度的增加，株系1和2转入了改变光呼吸的相关基因，导致光呼吸速率降低，从而导致株系1和2的净光合速率增强。总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，根据图3无法推出株系1的呼吸速率，故据图3中的数据不能计算出株系1的总光合速率。(4)由图2和图3可以看出，在相同光照强度和CO2浓度下，与株系2相比，株系1的净光合速率较高，积累的有机物较多，产量可能更具优势。 答案　(1)CO2的固定　(2)细胞质基质　线粒体基质　(3)有氧呼吸　光呼吸　7—10时，随着光照强度的增加，株系1和2转入了改变光呼吸的相关基因，导致光呼吸速率降低，光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程　不能　总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，由图示不能得出株系1的呼吸速率，故不能计算出其总光合速率 (4)相同光照强度和CO2浓度下，株系1的净光合速率较高，积累有机物较多 2．(2024·广东卷)某湖泊曾处于重度富营养化状态，水面漂浮着大量浮游藻类。管理部门通过控源、清淤、换水以及引种沉水植物等手段，成功实现了水体生态恢复。引种的3种多年生草本沉水植物(①金鱼藻、②黑藻、③苦草，答题时植物名称可用对应序号表示)在不同光照强度下光合速率及水质净化能力见图。 回答下列问题： (1)湖水富营养化时，浮游藻类大量繁殖，水体透明度低，湖底光照不足。原有沉水植物因光合作用合成的有机物少于________的有机物，最终衰退和消亡。 (2)生态恢复后，该湖泊形成了以上述3种草本沉水植物为优势的群落垂直结构，从湖底到水面依次是________，其原因是________。 (3)为了达到湖水净化的目的，选择引种上述3种草本沉水植物的理由是________，三者配合能实现综合治理效果。 (4)上述3种草本沉水植物中只有黑藻具C4光合作用途径(浓缩CO2形成高浓度C4后，再分解成CO2传递给C5)使其在CO2受限的水体中仍可有效地进行光合作用，在水生植物群落中竞争力较强。根据图a设计一个简单的实验方案，验证黑藻的碳浓缩优势，完成下列表格。 实验设计方案 实验材料 对照组：________实验组：黑藻 实验条件 控制光照强度为________μmol·m－2·s－1 营养及环境条件相同且适宜，培养时间相同 控制条件 ________ 测量指标 ________ (5)目前在湖边浅水区种植的沉水植物因强光抑制造成生长不良，此外，大量沉水植物叶片凋落，需及时打捞，增加维护成本。针对这两个实际问题从生态学角度提出合理的解决措施______。 解析　(1)由于湖底光照不足，导致原有沉水植物因光合作用合成的有机物少于细胞呼吸消耗的有机物，生物量在减少，不足以维持生长，最终衰退和消亡。 (2)据图分析，最大光合速率对应光强度依次升高，因此生态恢复后，该湖泊形成了以上述3种草本沉水植物为优势的群落垂直结构，从湖底到水面依次是③②①。 (3)据图b分析，金鱼藻除藻率高，黑藻除氮率高，苦草除磷率高，三者配合能高效的去除氮、磷和藻，能实现综合治理效果。 (4)本实验的实验目的是验证黑藻的碳浓缩优势，自变量是植物种类，即黑藻、金鱼藻，因此对照组是金鱼藻。无关变量应该保持相同且适宜，黑藻在光照强度为500 μ mol·m－2·s－1时光合速率最强，因此控制光照强度为500 μ mol·m－2·s－1。为的是验证碳浓缩优势，因此控制条件为低二氧化碳浓度。因变量是光合速率的快慢，因此检测指标是单位时间释放氧气的量。 (5)目前的两个实际问题是湖边浅水区种植的沉水植物因强光抑制造成生长不良，大量沉水植物叶片凋落，需及时打捞，增加维护成本，因此可以合理引入浮水植物，减弱沉水植物的光照强度；合理引入以沉水植物凋落叶片为食物的生物。 答案　(1)呼吸作用消耗　(2)③②①　最大光合速率对应光强度依次升高 (3)①(金鱼藻)除藻率高，②(黑藻)除氮率高， ③(苦草)除磷高 (4)金鱼藻　500　二氧化碳浓度较低且相同　氧气释放量 (5)合理引入浮水植物，减弱沉水植物的光照强度；合理引入以沉水植物凋落叶片为食物的生物 1．C4植物 ①C4植物叶肉细胞的叶绿体有类囊体能进行光反应，而维管束鞘细胞没有完整的叶绿体，没有类囊体。所以C4植物光反应发生在叶肉细胞的叶绿体类囊体薄膜上，而CO2固定发生在叶肉细胞的细胞质基质和维管束鞘细胞的叶绿体基质中。 ②用14C标记CO2追踪C4植物碳原子的转移途径为CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)。 ③C4植物PEP羧化酶对CO2具有高亲和力，当外界环境干旱导致植物气孔导度减小时，C4植物就能利用细胞间隙低浓度的CO2继续生长，而C3植物则不能。故在干旱环境中，C4植物比C3植物生长得好。 2．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的催化下，CO2与PEP结合，生成草酰乙酸，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。 3．光呼吸 (1)出现的机制：光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco酶。在暗反应中，Rubisco酶能够以CO2为底物实现CO2的固定；在光下，当O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco酶，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。光呼吸是一个高耗能的反应，正常生长条件下光呼吸就可损耗掉光合产物的25%～30%。 (2)产生的影响：①光呼吸的不利影响：消耗掉暗反应的底物C5，导致光合作用减弱，农作物产量降低。 ②光呼吸的有利影响：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，这些自由基会损伤叶绿体。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。 ③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。 1．(C4植物)(2024·七校联考)甘蔗、玉米等一些植物的叶片具有特殊的结构，其叶肉细胞中的叶绿体有基粒，而维管束鞘细胞中的叶绿体不含基粒。维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2，并转移到维管束鞘细胞中释放，参与光合作用的暗反应，其主要过程如图所示。请结合这些内容判断，下列说法中错误的是(　　) A．维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应，但能进行暗反应 B．维管束鞘细胞中暗反应过程不需要ATP和NADPH C．PEP羧化酶对环境中较低浓度的CO2具有富集作用 D．甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能，使其更适应高温干旱环境 解析　光反应的场所是叶绿体的类囊体薄膜，基粒是由类囊体堆叠而成的，维管束鞘细胞的叶绿体没有基粒，所以维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应，叶肉细胞固定的CO2转移到维管束鞘细胞中释放，参与光合作用的暗反应，A正确；维管束鞘细胞中的暗反应过程需要光反应提供的ATP和NADPH，B错误；由图可知，PEP羧化酶可富集环境中较低浓度的CO2，C3与低浓度的CO2生成C4，C正确；甘蔗、玉米等一些植物的维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2，并转移到维管束鞘细胞中释放，高温、干旱时植物会关闭部分气孔，甘蔗、玉米等在外界CO2供应不足时，C4能分解产生CO2继续供暗反应正常进行，故甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能，使其更适应高温干旱环境，D正确。 答案　B 2．(光呼吸)(2024·湛江质检)光呼吸是植物利用光能，吸收O2并释放CO2的过程。研究者将四种酶基因(GLO、CAT、GCL、TSR)导入水稻叶绿体，创造了一条新的光呼吸代谢支路(GCGT支路)，如图虚线所示。据图分析，下列推测正确的是(　　) A．光呼吸时，C5与O2的结合发生在叶绿体的类囊体薄膜上 B．在光呼吸中有ATP和NADPH的生成和消耗 C．GCGT支路有利于减少H2O2对叶绿体的损害 D．GCGT支路可以促进光呼吸从而降低光合效率 解析　卡尔文循环的场所为叶绿体基质，图中光呼吸代谢支路利用卡尔文循环中的C5，故C5和O2的结合发生在叶绿体基质中，A错误；GCGT支路中，甘油酸转化为PGA过程中有ATP的消耗，在乙醛酸转化为甘油酸过程中有NADPH的消耗，故由GCGT支路分析可知，该过程有ATP和NADPH的消耗但没有ATP和NADPH的生成，B错误；GCGT支路中，H2O2可被分解为H2O和O2，有利于减少其对叶绿体的损害，C正确；光呼吸代谢支路(GCGT支路)可以将部分碳重新回收进入卡尔文循环，用于降低光呼吸消耗从而提高光合速率，D错误。 答案　C 3．(CAM途径)(2024·广东六校联考)光合作用中，有一种特殊的固定CO2和节省水的类型。菠萝、仙人掌和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用，这类植物统称为CAM植物，其特别适应干旱地区，特点是气孔夜晚打开，白天关闭。如图为菠萝叶肉细胞内的部分代谢途径(CAM途径)示意图，图中苹果酸是一种酸性较强的有机酸。据图分析下列问题： (1)据图分析，推测图中叶肉细胞右侧a过程的活动发生在________(填“白天”或“夜晚”)，理由是________。菠萝在夜晚吸收的CO2，能否立即用来完成图中叶肉细胞左侧的生命活动？________(填“能”或“不能”)，分析原因为________。 (2)图中苹果酸通过过程a运输到液泡内，又会通过过程b运出液泡进入细胞质，推测过程b发生在________(填“白天”或“夜晚”)。过程a具有的生理意义是________(写出两个方面即可)。 (3)长期在强光照、高温、缺水等逆境胁迫下，以菠萝为代表的CAM植物形成了适应性机制：夜晚气孔开放，有利于________，白天气孔关闭，有利于________，且可以通过________获得光合作用暗反应所需的CO2。 解析　(1)夜晚气孔开放，CO2进入细胞并转变成苹果酸储存起来。夜晚没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提供足够的ATP和NADPH，因此夜晚不能进行题图中细胞左侧的生命活动。(2)白天时，苹果酸运出液泡，在细胞质中分解产生CO2来进行暗反应。夜间气孔开放，从外界吸收的CO2与PEP发生系列反应生成苹果酸，及时通过过程a将苹果酸运进液泡中的生理意义包括两方面：一方面促进CO2的吸收，另一方面避免苹果酸降低细胞质基质的pH，影响细胞质基质内的反应。(3)夜间气孔开放，有利于从外界吸收CO2，白天气孔关闭，有利于降低蒸腾作用，减少水分散失。干旱、光照充足的环境中，菠萝光合作用大于呼吸作用，光合作用所需的CO2由两种途径提供：苹果酸的分解和细胞呼吸。 答案　(1)夜晚　题图中叶肉细胞右侧a过程显示CO2进入细胞并转变成苹果酸储存在液泡中，夜间气孔打开，细胞才能完成此项活动　不能　夜晚没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提供足够的ATP和NADPH　(2)白天　一方面促进CO2的吸收，另一方面避免苹果酸降低细胞质基质的pH，影响细胞质基质内的反应　(3)从外界吸收CO2　降低蒸腾作用，减少水分散失　苹果酸的分解和细胞呼吸 学科网（北京）股份有限公司 $$