第1部分 大概念2 大概念创新应用（word教参）-【优化指导】2025年高考生物二轮复习高中总复习·第2轮（不定项版）

新情境热点命题(一)——多样的CO2固定途径 (2023·湖南卷)下图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。卡尔文循环的Rubisco酶对CO2的Km为450 μmol·L－1(Km越小，酶对底物的亲和力越大)，该酶既可催化RuBP与CO2反应，进行卡尔文循环，又可催化RuBP与O2反应，进行光呼吸(绿色植物在光照下消耗O2并释放CO2的反应)。该酶的酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影响。[信息①]与水稻相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘，其中叶肉细胞叶绿体是水光解的主要场所，维管束鞘细胞的叶绿体主要与糖类生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利用PEPC酶(PEPC酶对CO2的Km为7 μmol·L－1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与CO2反应生成C4，固定产物C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2，再进行卡尔文循环。[信息②]回答下列问题： (1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是________________(填具体名称)，该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成________(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后，再通过________________长距离运输到其他组织器官。[信息③] (2)在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度________(填“高于”或“低于”)水稻。从光合作用机制及其调控分析，原因是____________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________(答出三点即可)。 (3)某研究将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻，水稻叶绿体中CO2浓度大幅提升，其他生理代谢不受影响，但在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化。其原因可能是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ____________________________________________________________(答出三点即可)。 情境信息 信息转化 信息① 联系教材“相关信息”可知，RuBP即为C5。Rubisco酶既可催化C5固定CO2，又能催化C5与O2进行光呼吸。在CO2浓度高时，有利于进行CO2固定，在O2浓度相对高时，有利于进行光呼吸 信息② 联系光合作用过程可确定，玉米叶肉细胞主要进行光反应和C4的合成，维管束鞘细胞的叶绿体主要进行卡尔文循环，其过程与水稻相同。玉米叶肉细胞中PEPC酶对CO2亲和力高于Rubisco酶 信息③ [设问(1)] 联系教材“相关信息”可知，光合作用的产物有淀粉、蔗糖等，其中蔗糖可进入筛管，再通过韧皮部运输到植物各处 答案：(1)3­磷酸甘油醛　蔗糖　维管组织(或韧皮部的筛管) (2)高于　高光照条件下玉米可以将光合产物及时转移；玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通过PEPC酶生成C4，使维管束鞘内的CO2浓度高于外界环境，抑制玉米的光呼吸 (3)酶的活性达到最大，对CO2的利用率不再提高；受到ATP以及NADPH等物质含量的限制；原核生物和真核生物光合作用机制有所不同 解析：(1)玉米的光合作用过程与水稻相比，虽然CO2的固定过程不同，但C3的还原过程是相同的，结合水稻的卡尔文循环图解，可以看出CO2固定的直接产物是3­磷酸甘油酸，然后直接被NADPH还原成3­磷酸甘油醛。3­磷酸甘油醛在叶绿体中被转化成淀粉，在叶绿体外被转化成蔗糖，蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部运输到植株各处。(2)干旱、高光照时会导致植物气孔关闭，吸收的CO2减少，而玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通过PEPC酶生成C4，使维管束鞘内的CO2浓度高于外界环境，抑制玉米的光呼吸；且玉米能将叶绿体内的光合产物通过维管组织及时转移出细胞。因此在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度高于水稻。(3)将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻，只是提高了叶绿体中CO2浓度，而植物的光合作用强度受到很多因素的影响，则在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化的原因可能是水稻中相关酶活性达到最大，对CO2的利用率不再提高；或是受到ATP和NADPH等物质含量的限制；也可能是因为蓝细菌是原核生物，水稻是真核生物，两者的光合作用机制有所不同。 1．CO2固定途径之C4途径 (1)C3植物和C4植物的区分依据 根据光合作用碳元素同化的最初光合产物的种类不同，把高等植物分成C3、C4植物两类，常见的C4植物有甘蔗、玉米、高粱等。 (2)C3和C4植物光合途径的比较 项目 C3植物 C4植物 CO2受体 RuBP(C5) PEP(C3)、RuBP(C5) CO2固定后产物 PGA(C3) PGA(C3)、OAA(C4) CO2固定场所 叶肉细胞叶绿体基质 叶肉细胞细胞质基质、 维管束鞘细胞叶绿体基质 光反应场所 叶肉细胞叶绿体类囊体薄膜 叶肉细胞叶绿体类囊体薄膜 暗反应场所 叶肉细胞叶绿体基质 维管束鞘细胞叶绿体基质 (3)C4途径的意义 固定CO2的酶(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。 2．CO2固定途径之CAM途径 (1)CAM途径的含义 景天科植物夜间将吸收的CO2固定在苹果酸(C4)中，白天苹果酸分解释放CO2参与光合作用的过程。 (2)CAM途径过程图解 ①白天：气孔关闭，减少蒸腾作用，保持植物体内水分并分解苹果酸产生CO2进行光合作用。 ②夜晚：开放气孔，吸收光合作用所需的二氧化碳，使植物适应高温干旱环境。 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。在适宜温度、水分和一定的光照强度下，测得两类植物CO2的吸收速率随大气CO2浓度变化的情况，绘制成如图所示的曲线(CO2补偿点时的光合速率与呼吸速率相等)。下列有关叙述正确的是(　　) A．在大气CO2浓度达到补偿点后，C3植物和C4植物开始进行光合作用 B．在大气CO2浓度达到饱和点后，限制C4植物光合速率的主要环境因素是光照强度 C．图中两条曲线的交叉点代表此时C3植物和C4植物光合作用制造的有机物一样多 D．C3植物在CO2含量较低的情况下存活率比C4植物高 B　解析：在大气CO2浓度达到补偿点前，C3植物和C4植物已经开始了光合作用，A错误；图中曲线是在最适温度下测得的，在大气CO2浓度达到饱和点后，限制C4植物光合速率的主要环境因素是光照强度，B正确；图中两条曲线的交叉点代表此时C3植物和C4植物光合作用积累的有机物一样多，C错误；由图可知，在低CO2浓度的情况下，C4植物净光合速率大于C3植物，则在CO2含量较低的情况下，C4植物存活率比C3植物高，D错误。 2．某些植物可通过特有的景天酸代谢(CAM)途径固定CO2。在夜晚，叶片的气孔开放，通过一系列反应将CO2固定成苹果酸储存在液泡中(见图甲)；在白天，叶片气孔关闭，苹果酸运出液泡后放出CO2，供叶绿体进行暗反应(见图乙)。下列关于CAM植物的叙述，正确的是(　　) A．在白天，叶肉细胞能产生ATP的部位只有线粒体 B．该植物细胞在夜晚也能进行光合作用合成有机物 C．CAM途径的出现，可能与植物适应干旱条件有关 D．若下午突然降低外界CO2浓度，C3的含量突然减少 C　解析：在白天，叶肉细胞能进行光合作用和呼吸作用，故能产生ATP的部位是叶绿体、线粒体和细胞质基质，A错误；夜晚没有光照，光反应不能进行，无法为暗反应提供ATP和NADPH，故在夜晚不能持续进行光合作用合成有机物，B错误；干旱条件下气温较高，叶片气孔开放程度较低，因此白天植物能从外界吸收的CO2不多，故CAM途径的出现，使植物能够更好地适应干旱环境，C正确；CAM植物在白天气孔关闭，突然降低外界CO2浓度，不会影响细胞间CO2浓度，C3的含量不会突然减少，D错误。 3．(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，植物叶片的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___________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)O2、NADPH和ATP (2)自身呼吸消耗或建造植物体结构 (3)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 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，光反应发生的物质变化包括水的光解以及ATP和NADPH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，叶片气孔关闭，CO2吸收减少；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。 新情境热点命题(二)——光呼吸 (2024·吉林卷)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3；当CO2/O2比值低时，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。 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 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 本题解答难点是(3)和(4)小题，解答时挖掘题中“关键信息”，并结合“必备知识”进行解答： 问题 (3)题 (4)题 关键信息 第1、2空：图1中反应③能产生CO2； 第3空：题干信息“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”； 第4空：图3横坐标为CO2浓度 设问信息“选择转基因株系1进行种植，产量可能更具优势” 必备知识 第1、2空：有氧呼吸能产生CO2； 第4空：总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率；呼吸速率为光照强度为0时CO2的释放速率 作物的产量取决于净光合速率的高低 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由于转入了改变光呼吸的相关基因，光呼吸速率降低，而光呼吸可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 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由于转入了改变光呼吸的相关基因，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。 1．光呼吸的实质 (1)条件：光照、高O2、低CO2。 (2)物质变化：消耗O2，生成CO2。 (3)能量变化：损耗能量的副反应。 2．光呼吸过程图解 3．光呼吸与一般有氧呼吸的比较 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 有氧环境 底物 C5和O2 通常是葡萄糖、H2O和O2 产物 CO2 CO2和H2O 发生部位 叶绿体、线粒体 细胞质基质、线粒体 4.光呼吸产生的原因 (1)内因：Rubisco是一种多功能酶，具有催化羧化反应(C5＋CO2→2C3)和加氧反应(C5＋O2→C3＋C2)两种功能。 (2)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。 5．光呼吸的生理意义 (1)不利影响：光呼吸消耗暗反应的底物C5，导致光合作用减弱，农作物产量降低。 (2)有利影响 ①消除代谢产物乙醇酸对细胞的不利影响。 ②防止强光对光合结构的破坏。 1．科学家通过实验观察到，正在进行光合作用的叶片突然停止光照后，短时间内会释放出大量的CO2，这一现象被称为“CO2的猝发”。研究表明植物除了细胞呼吸外还存在另一个释放CO2的途径——光呼吸。如图为适宜条件下某植物叶片遮光前CO2吸收速率和遮光后CO2释放速率随时间变化的曲线(单位：μmol·m－2·s－1)，下列相关说法正确的是(　　) A．突然遮光，短时间内叶绿体中C5的含量会上升 B．光照条件下该植物产生ATP的场所是叶绿体 C．若降低光照强度，则图形A、B的面积均变小 D．该植物在光照条件下叶绿体固定CO2的速率为12 μmol·m－2·s－1 D　解析：当突然遮光，光照强度降低，光反应减弱，光反应产生的NADPH和ATP减少，C3的还原减弱，C5的生成减少，而CO2的固定依旧在进行，C5的消耗暂时不变，故C5减少，A错误；光照条件下，植物既进行光合作用，也进行呼吸作用，光照条件下该植物产生ATP的场所是细胞质基质、叶绿体和线粒体，B错误；由于遮光后植物只进行呼吸作用，所以图形B面积代表该植物呼吸作用二氧化碳释放量，降低光照强度，光合作用降低，图形A面积变小，图形B面积不变，C错误；该植物光呼吸速率为5－3＝2 μmol·m－2·s－1，该植物在光照下叶绿体固定CO2的速率为7＋3＋2＝12 μmol·m－2·s－1，D正确。 2．(2024·广东广州二模)光照充足时，叶肉细胞中Rubisco催化O2与CO2竞争性结合C5。O2和CO2与Rubisco的亲和力与各自的相对浓度有关，相对浓度高则与酶的亲和力高。O2与C5结合后经一系列的反应，最终释放CO2的过程称为光呼吸。下图中实线部分表示植物叶肉细胞的光合作用和光呼吸等正常的生命活动过程，虚线部分表示科学家通过基因工程所构建的新的光呼吸代谢支路。下列叙述错误的是(　　) A．Rubisco酶既能催化CO2的固定，又能催化C5与O2反应 B．光呼吸会消耗一部分的C5，从而降低光合作用产量 C．新的光呼吸代谢支路，有利于植物积累有机物 D．在农业生产中，可通过给大棚通风的方式，提高农作物的光呼吸过程 D　解析：叶肉细胞中Rubisco催化O2与CO2竞争性结合C5，催化CO2与C5生成C3酸，催化O2与C5生成C3酸与C2酸，A正确；光呼吸O2与C5结合生成C3酸与C2酸，C2酸最终又生成CO2，参与二氧化碳固定的C5减少，导致光合作用产量降低，B正确；新的光呼吸代谢支路，将C2酸转化为叶绿体内的二氧化碳，增大叶绿体中二氧化碳浓度，促进叶绿体中二氧化碳的固定，有利于植物积累有机物，C正确；在农业生产中，给大棚通风可增大大棚中的气体交换速率，增大大棚中的二氧化碳浓度，降低O2浓度，可降低农作物的光呼吸，D错误。 3．(2024·山东青岛一模)植物含叶绿体的细胞在光照下不但进行CO2的同化，而且存在依赖光的消耗O2释放CO2的反应，称为光呼吸。研究发现，光呼吸是O2竞争性地结合卡尔文循环关键酶Rubisco造成的。Rubisco的底物CO2与O2竞争同一活性位点，互为抑制剂。该酶既能催化C5与CO2反应，完成光合作用；也能催化C5与O2反应，产物经一系列变化后到线粒体中生成CO2。下图表示叶肉细胞中有关代谢过程。 (1)绿色植物细胞中能够产生CO2的场所是__________________________。在较高CO2浓度环境中，Rubisco所催化的反应产物主要是________。利用提取的Rubisco模拟光合作用暗反应过程，构建反应体系时需加入的供能物质有__________________。 (2)当环境中CO2与O2含量比值________(填“偏高”或“偏低”)时，叶片容易发生光呼吸。已知温度升高会降低细胞质基质中气体的溶解度，试分析温度高于某一临界值时，光呼吸迅速增加的原因是__________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)从光反应和暗反应物质联系的角度分析，高O2浓度条件下，短时间内NADPH含量升高的原因是________________________________________________________________ ___________________________________________________________________。 (4)过强的光照会导致光合作用光反应产物过剩，对细胞造成伤害，分析题图中光呼吸过程，推测光呼吸存在的生理意义是________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)细胞质基质和线粒体基质　C3　ATP和NADPH (2)偏低　温度高于临界值时，细胞质基质中CO2溶解度降幅大于O2，CO2/O2的值降低，更有利于光呼吸进行 (3)高O2浓度条件下，CO2固定能力减弱，生成的C3减少，C3的还原消耗的NADPH减少，NADPH生成量基本不变，相对含量升高 (4)光呼吸消耗掉过剩的ATP和NADPH，减少对细胞结构的损伤，是一种保护机制 解析：(1)绿色植物细胞可以进行有氧呼吸和无氧呼吸，有氧呼吸产生CO2的场所是线粒体基质，无氧呼吸产生CO2的场所是细胞质基质，故绿色植物细胞中能够产生CO2的场所是细胞质基质和线粒体基质。由题干信息可知，Rubisco既能催化C5与CO2反应，完成光合作用；也能催化C5与O2反应，且底物CO2与O2竞争同一活性位点，互为抑制剂，在较高CO2浓度环境中，Rubisco所催化的反应产物主要是C3。ATP和NADPH用于暗反应C3的还原，故利用提取的Rubisco模拟光合作用暗反应过程，构建反应体系时需加入的供能物质是ATP和NADPH。(2)植物含叶绿体的细胞在光照下不但进行CO2的同化，而且存在依赖光的消耗O2释放CO2的反应，称为光呼吸；当环境中CO2与O2含量比值偏低时，叶片容易发生光呼吸。温度高于临界值时，细胞质基质中CO2溶解度降幅大于O2，CO2/O2的值降低，更有利于光呼吸进行。(3)高O2浓度条件下，CO2固定能力减弱，生成的C3减少，C3的还原消耗的NADPH减少，NADPH生成量基本不变，相对含量升高。(4)分析题意并结合题图可知，光呼吸消耗掉过剩的ATP和NADPH，减少对细胞结构的损伤，是一种保护机制。 学科网（北京）股份有限公司 $$