专题2 环节2 微专题(2) 细胞呼吸和光合作用的原理(课件PPT)-【创新方案】2025年高考生物二轮复习专题辅导与测试(Ⅱ)

细胞呼吸和光合作用的原理 微专题(二) 突破点1 从“物质与能量观”的角度分析光合作用和细胞呼吸 光呼吸与二氧化碳固定的其他途径 目 录 突破点2 重难强化训练(二) 细胞呼吸和光合作用的原理 突破点1　从“物质与能量观”的角度分析光合作用和细胞呼吸 1.(2023·天津高考)下图是某绿藻适应水生环境,提高光合效率的机制图。光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成。下列叙述错误的是 (　 ) 真题集训·试能力 A.物质X通过提高有氧呼吸水平促进HC进入细胞质基质 B.HC利用通道蛋白从细胞质基质进入叶绿体基质 C.水光解产生的H+提高类囊体腔CO2水平,促进CO2进入叶绿体基质 D.光反应通过确保暗反应的CO2的供应帮助该绿藻适应水环境 √ 解析:光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成,因此物质X可通过提高有氧呼吸水平促进HC进入细胞质基质,A正确。 HC进入叶绿体基质也需要线粒体产生的ATP供能,属于主动运输,通道蛋白只能参与协助扩散,B错误。 据图可知,光反应中水光解产生的H+促进HC进入类囊体,并与HC在类囊体腔内反应产生CO2,因此能提高类囊体腔CO2水平;CO2进入叶绿体基质为自由扩散,类囊体腔CO2水平提高,促进CO2进入叶绿体基质,C正确。 光反应生成的物质X(O2)促进线粒体的有氧呼吸,产生更多的ATP,有利于HC进入叶绿体基质;同时光反应产生的H+有利于HC进入类囊体腔并产生CO2,进而提高叶绿体基质的CO2水平,保证暗反应的CO2供应,帮助绿藻适应水环境,D正确。 2.(2023·河北高考)拟南芥发育早期的叶肉细胞中,未成熟叶绿体发育所需ATP须借助其膜上的转运蛋白H由细胞质基质进入。发育到一定阶段,叶肉细胞H基因表达量下降,细胞质基质ATP向成熟叶绿体转运受阻。回答下列问题: (1)未成熟叶绿体发育所需ATP主要在_______________________合成,经细胞质基质进入叶绿体。  (2)光照时,叶绿体类囊体膜上的色素捕获光能,将其转化为ATP和___________________________中的化学能,这些化学能经_________ _______________阶段释放并转化为糖类中的化学能。  线粒体(或线粒体内膜) NADPH(或还原型辅酶Ⅱ) 暗反应 (或卡尔文循环) (3)研究者通过转基因技术在叶绿体成熟的叶肉细胞中实现H基因过量表达,对转H基因和非转基因叶肉细胞进行黑暗处理,之后检测二者细胞质基质和叶绿体基质中ATP相对浓度,结果如图。相对于非转基因细胞,转基因细胞的细胞质基质ATP浓度明显_______。据此推测,H基因的过量表达造成细胞质基质ATP被________(填“叶绿体”或“线粒体”)大量消耗,细胞有氧呼吸强度_______。  降低 叶绿体 升高 (4)综合上述分析,叶肉细胞通过下调_______________________________ 阻止细胞质基质ATP进入成熟的叶绿体,从而防止线粒体__________________,以保证光合产物可转运到其他细胞供能。  H基因表达(或转运蛋白H数量) 过多消耗光合产物 解析:(1)由题干可知,拟南芥发育早期的叶肉细胞中未成熟叶绿体发育所需ATP主要在线粒体合成。(2)在植物光合作用的光反应阶段,光能被光合色素捕获后,转化为储存在ATP和NADPH中的化学能。在暗反应阶段ATP和NADPH中的化学能再进一步转化固定到糖类等有机物中。(3)由图可知,相对于非转基因细胞,转基因细胞的细胞质基质ATP浓度明显降低。H基因过量表达后,细胞质基质中ATP含量下降,且叶绿体基质中ATP含量未显著升高,表明叶绿体消耗了从细胞质基质中转入的ATP,故推测H基因过量表达后,大量的ATP转运至叶绿体中被消耗,细胞需提高有氧呼吸强度,以补充细胞质基质中的ATP。(4)综合上述分析,叶绿体成熟的叶肉细胞中H基因的表达下调,转运蛋白H的数量减少,进而ATP向叶绿体的转运被有效阻止,细胞质基质ATP可保持正常生理水平,从而避免了线粒体过多消耗光合产物,以保证光合产物能被转运到其他细胞供能。 1.图解光合作用和细胞呼吸过程中的物质和能量变化及其相互关系 深化学习•提素养 2.条件改变时光合作用中物质含量的变化分析 下图中Ⅰ表示光反应,Ⅱ表示CO2的固定,Ⅲ表示C3的还原,当外界条件 (如光照强度、CO2浓度)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化: 1.(2024·荆州三模)如图为某植物细胞内部分物质转化示意图,其中字母代表物质,据图分析,下列叙述错误的是 (　 ) 考法训练•融会通 A.葡萄糖脱水缩合形成的A可能是不易溶于水且遇碘呈现蓝色的淀粉 B.图中的B为丙酮酸,只能在线粒体基质中被分解产生C C.图中的D为C3,E为有机物,D合成E的过程发生在叶绿体基质 D.若光照强度不变,C增加,则短时间内D增加,C5减少 √ 解析:淀粉不易溶于水且遇碘呈现蓝色,葡萄糖脱水缩合形成的A可能是淀粉,A正确; 题图中的B为丙酮酸,C为CO2,在无氧呼吸过程中,丙酮酸可在细胞质基质中被分解产生CO2,在有氧呼吸过程中,可在线粒体基质中被分解产生CO2,B错误; 题图中的D为C3,生成E的过程为光合作用的暗反应,发生在叶绿体基质,E为有机物,C正确; 若光照强度不变,CO2增加,CO2固定速率增大,则C5的消耗增加, C3的生成增加,而短时间内C3还原速率不变,C5的生成速率不变,则短时间内C3增加,C5减少,D正确。 2.(2024·大庆二模)如图1是绿色植物叶肉细胞内部分生理过程示意图,请回答下列问题: (1)过程Ⅰ发生在叶绿体的类囊体薄膜上,该过程表示_________,其中ATP合成酶的功能有______________________。  (2)过程Ⅱ发生的场所是_____________________,该过程形成的NADH中的能量通过呼吸链转移到____________________(填物质名称)中。  (3)D1蛋白是光系统Ⅱ的核心蛋白。在正常条件下,植物体内D1蛋白的合成和降解处于动态平衡中。为研究高温、强光胁迫对叶绿体D1蛋白的影响以及水杨酸(SA)的调节作用,科研人员进行了如下实验: ①取生长状况一致的灌浆期小麦若干,均分为A、B两组。A组喷施0.3 mmol/L________,B组喷水作为对照,连续喷施3 d。  光反应 催化作用、运输作用 细胞质基质、线粒体 腺苷三磷酸(或ATP) 水杨酸 ②将A、B组小麦植株分别均分为A1、A2、A3组和B1、B2、B3组,在人工气候室中进行如下处理:A1、B1(适宜温度中等光强,MTI组)、A2、B2(高温强光,HTI组)、A3、B3(高温强光2 h后,再适宜温度中等光强下恢复3 h,R组)。 ③提取各组小麦叶片高活性类囊体膜并进行D1蛋白含量测定,结果如图2。 根据图2的实验结果,可以得出结论: a.________________________________________________________________________________________________________; b._____________________________________________________________________。 高温强光胁迫会降低叶绿体D1蛋白含量(或高温强光胁迫下, 叶绿体D1蛋白的降解速率大于合成速率,合理即可) 水杨酸(SA)能缓解高温强光胁迫引起的叶绿体D1蛋白降低的 幅度(合理即可) 解析:(1)类囊体薄膜是光反应的场所,过程Ⅰ发生在叶绿体的类囊体薄膜上,该过程表示光反应。由图1可知,ATP合成酶能催化ATP合成,并能参与运输H+,因此ATP合成酶的功能有催化作用、运输作用。(2)过程Ⅱ有机物(CH2O)分解成CO2和NADH,表示有氧呼吸第一阶段和第二阶段,发生的场所是细胞质基质、线粒体。NADH与氧结合产生水并产生大量的ATP,故该过程形成的NADH中的能量通过呼吸链转移到腺苷三磷酸(ATP)中。(3)①为研究高温、强光胁迫对叶绿体D1蛋白的影响以及水杨酸(SA)的调节作用,B组喷水作为对照(对照组),则A组应该喷施0.3 mmol/L水杨酸(SA)。 ③比较B组,适宜温度中等光强下,叶绿体D1蛋白相对含量多,而高温强光下叶绿体D1蛋白相对含量少,说明高温、强光胁迫会降低叶绿体D1蛋白含量(或高温强光胁迫下,叶绿体D1蛋白的降解速率大于合成速率)。比较A和B组,高温强光下,水杨酸(SA)处理后,叶绿体D1蛋白相对含量降低幅度小,说明水杨酸(SA)能缓解高温强光胁迫引起的叶绿体D1蛋白降低的幅度。 突破点2　光呼吸与二氧化碳固定的其他途径 类型(一)　光呼吸 [典例]　(2024·黑吉辽卷)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______________。  CO2的固定 细胞质基质 线粒体基质 (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,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_______________________________________________________________ _______________________________________________________________。 光呼吸 细胞呼吸 与WT相比,随着光照的增强,株系1和2由于转入了改变光呼吸的相关基因, 光呼吸的相关基因,导致光呼吸增长较慢,从而使其净光合速率增长较快 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_______________________________________________________ __________________________________________________________________________________。  不能 总光合速率=净光合速率+细胞呼吸速率+光呼吸速率,由图3中的 数据无法获得株系1的细胞呼吸速率和光呼吸速率,因此不能计算出 株系1的总光合速率 (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__________________________________________________ __________________________。  相同光照强度或CO2浓度下,株系1的净光合速率比株系2 和WT的高,积累有机物更多 [解析]　(1)题图1中反应①是CO2和C5在酶的作用下形成C3,此反应是发生在叶绿体基质中的CO2的固定过程。(2)以葡萄糖为反应物的有氧呼吸会在第一阶段产生少量的NADH,第二阶段产生大量的NADH,有氧呼吸第一阶段的场所是细胞质基质,第二阶段的场所是线粒体基质。(3)题图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境,还可来自细胞呼吸和光呼吸。7~10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异,原因是与WT相比,随着光照的增强,株系1和2由于转入了改变光呼吸的相关基因,导致光呼吸增长较慢,从而使其净光合速率增长较快。总光合速率=净光合速率+细胞呼吸速率+光呼吸速率,由题图3中的数据无法获得株系1的细胞呼吸速率和光呼吸速率,因此不能计算出株系1的总光合速率。(4)据题图2和题图3可知,相同光照强度或CO2浓度下,株系1的净光合速率比株系2和WT的高,因此其积累的有机物更多,产量可能更具优势。 1.深入理解植物的光呼吸 深化学习•提素养 图示 解读 ①光呼吸现象产生的分子机制:强光高氧条件下,O2与CO2竞争Rubisco酶,最终将C5氧化生成CO2。 ②光呼吸消耗底物C5,导致光合作用减弱,农作物减产;提高CO2浓度可明显抑制光呼吸 续表 2.光呼吸与细胞呼吸的比较 项目 光呼吸 细胞呼吸 底物 底物是光照下叶绿体中新形成的某种物质 常用底物是葡萄糖,可以是新形成的,也可以是之前储存的 场所 只发生在光合细胞中,在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体协同作用下进行 所有活细胞中都可以进行 条件 光下,O2/CO2的值相对高时 有氧、无氧都可进行,光下、暗处都可进行 意义 CO2供应不足时,通过消耗过多的NADPH和ATP,以避免对细胞造成伤害 为生命活动提供直接能源物质ATP 1.(2024·武汉二模)研究发现,强光照条件下植物叶肉细胞会进行光呼吸。光呼吸是O2竞争性结合卡尔文循环关键酶Rubisco造成的。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在线粒体中生成CO2,如图。下列说法正确的是 (　 ) 考法训练•融会通 A.Rubisco是一个双功能酶,不具备专一性 B.光呼吸可以消耗掉多余的O2,减少自由基产生,降低对细胞结构的损伤 C.较强的光呼吸对于光合作用产物的积累是很有利的 D.持续强光照时突然停止光照,CO2释放量先减少后增加至稳定 √ 解析: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,但仍具有专一性,A错误; 光呼吸可以消耗掉多余的O2,减少自由基产生,降低对细胞结构的损伤,B正确; 较强的光呼吸会消耗较多的光反应产物ATP和NADPH,使光合作用减弱,因此对于光合作用产物的积累是不利的,C错误; 持续强光照时突然停止光照,光合作用会减弱,而光呼吸并未立即停止,因此CO2释放量先增加,随着光呼吸的消失,只剩细胞呼吸释放CO2,故CO2释放量减少至稳定,D错误。 2.(2024·茂名二模)研究表明,CAC2基因编码的生物素羧化酶参与叶绿体膜的重要成分——脂肪酸合成过程。科学家筛选出在大气条件下生长矮小、叶片黄化的光呼吸表型突变体——cac2突变体应用于植物生产。回答下列问题: (1)cac2突变体中,叶绿体中叶绿素与类胡萝卜素的比例______,导致叶片黄化,光反应合成的_________________减少,从而导致暗反应减弱,有机物合成量少,生长矮小。  减小 ATP和NADPH (2)从结构与功能相适应的角度,推测cac2突变体表现光合作用强度偏低的原因是_______________________________________________ _____________________________________________________________。  (3)研究发现,cac2突变体在高浓度CO2条件下形态缺陷和生理指标基本得到恢复。可得出基因与性状的关系是_______________________ _______________。 生物体的性状由基因与 环境共同决定 cac2突变体不能编码生物素羧化酶,无法合成叶绿体 膜上的脂肪酸,引起叶绿体膜的形态和功能异常,使得光合作用强度偏低 (4)研究发现,植物MAPK2信号途径参与了植物光合作用与产量的调控过程。GLO1基因表达光呼吸关键酶——乙醇酸氧化酶。LO1基因与MAPK2基因存在互作,具体过程如图。 ①MAPK2基因可特异性双正向调控植株光呼吸代谢的机理是____________________________________________________________ ______________________。 ②过高的光呼吸强度会影响植物产量,请从基因水平上提出一点增产的建议: ____________________________________________________。 MAPK2基因一方面提高(光呼吸关键酶)乙醇酸氧化酶活性,另一方面促进GLO1基因的表达 敲除MAPK2基因(或抑制MAPK2基因的表达,合理即可) 解析:(1)由题意可知,cac2突变体的叶绿体中的叶绿素减少,叶绿素与类胡萝卜素的比例减小,导致叶片黄化,光反应合成的ATP和NADPH减少,从而导致暗反应减弱,有机物合成量少,生长矮小。(2)从结构与功能相适应的角度分析,cac2突变体不能编码生物素羧化酶,无法合成叶绿体膜上的脂肪酸,引起叶绿体膜的形态和功能异常,使得光合作用强度偏低。(3)研究发现,cac2突变体在高浓度CO2条件下形态缺陷和生理指标基本得到恢复,这说明生物体的性状由基因与环境共同决定。(4)①由题图可知,MAPK2基因一方面提高(光呼吸关键酶)乙醇酸氧化酶活性,另一方面促进GLO1基因的表达,从而双正向调控植物光呼吸代谢。②MAPK2基因的表达可提高光呼吸速率,过高的光呼吸强度会影响植物产量,通过敲除MAPK2基因(或抑制MAPK2基因的表达)可降低光呼吸速率,增加植物产量。 类型(二)　C4植物固定CO2的C4途径 　　[典例]　(2024·周口三模)高等植物光合作用中CO2的固定有多种途径,其中最基本的途径是卡尔文循环。在卡尔文循环中,CO2被固定形成的最初产物为C3(3⁃磷酸甘油酸)。有些起源于热带的植物,如玉米、甘蔗等,除具有卡尔文循环以外,还存在如图所示(其中PEPC为PEP羧化酶,Rubisco为RuBP羧化酶)的另外一条固定CO2的C4途径,该途径固定CO2的最初产物是C4(草酰乙酸),这类植物被称为C4植物。回答下列问题: (1)玉米、甘蔗等农作物都是C4植物,其CO2固定发生在______________________细胞中。  (2)影响农作物光合作用强度的环境因素有矿质元素(如N、P和K等)、CO2浓度、____________________(答出2点即可)。矿质元素能够影响光合作用强度的原因是__________________________________________ ______________________________________________________________________________(答出2点即可)。  叶肉细胞和维管束鞘 温度、水、光照强度 矿质元素可以用来合成重要的化合物,如叶绿素、 酶等;矿质元素可用于维持叶肉细胞的渗透压;矿质元素可用于维持叶肉细胞的酸碱平衡 (3)米氏常数(Km)是酶学研究中的一个重要参数,其数值等于酶促反应速率达到最大速率一半时的反应物浓度。研究表明,PEPC对CO2的Km为7 μmol/L,Rubisco对CO2的Km是450 μmol/L。高温、干旱环境下,C4植物的光合产物合成速率一般高于C3植物,分析其原因是______________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。  高温、干旱环境下,植物气孔开度减小,CO2吸收量下降,因C4植物PEPC对CO2的Km值远低于Rubisco,在CO2浓度较低时,PEPC催化固定CO2的能力更强,可以把经C4途径固定的CO2转移到维管束鞘细胞,经卡尔文循环进行光合产物的合成 [解析]　(1)依据题干和图示信息可知,作为C4植物的玉米和甘蔗等,其CO2固定发生的场所是叶肉细胞和维管束鞘细胞。(2)影响农作物光合作用强度的环境因素有矿质元素、CO2浓度、温度、水、光照强度等。矿质元素之所以能够影响光合作用强度,表现在:矿质元素可以用来合成重要的化合物,如叶绿素、酶等;矿质元素可用于维持叶肉细胞的渗透压;矿质元素可用于维持叶肉细胞的酸碱平衡。(3)由题意分析可知,当植物处于高温、干旱环境时,植物气孔开度减小,CO2吸收量会下降,由于C4植物PEPC对CO2的Km值远低于Rubisco,在CO2浓度较低时,PEPC催化固定CO2的能力更强,可以把经C4途径固定的CO2转移到维管束鞘细胞,经卡尔文循环进行光合产物的合成,进而导致C4植物的光合产物合成速率一般高于C3植物。 1.深入理解C4植物的光合作用过程 深化学习•提素养 C3、C4植物的叶片结构 C4植物的光合作用过程 续表 解读 ①C4植物维管束鞘细胞及周围的一部分叶肉细胞构成“花环型”结构; ②C4植物叶肉细胞的叶绿体正常,维管束鞘细胞的叶绿体没有基粒; ③C4植物光合作用过程:叶肉细胞叶绿体类囊体膜进行光反应→叶绿体基质进行C4途径→维管束鞘细胞叶绿体进行C3途径→合成有机物 续表 2.C3植物与C4植物光合作用过程的比较 植物 类型 CO2 的受体 CO2固 定后的 产物 CO2固定 的场所 C3还原 的场所 ATP和 NADPH 作用对象 暗反应 途径 C3植物 C5 C3 叶肉细胞的 叶绿体基质 叶肉细胞的叶绿体基质 C3 C3途径 C4植物 C3 (PEP) 和C5 C4和 C3 叶肉细胞的叶绿体基质和维管束鞘细胞的叶绿体 维管束鞘细胞的叶绿体 C3 C4途径 和C3 途径 1.(2024·石家庄三模)根据光合作用中CO2固定方式的不同,可将植物分为C3植物(如小麦)和C4植物(如玉米)。C3植物最初的CO2固定是由Rubisco酶催化生成3⁃磷酸甘油酸(C3),而C4植物最初的CO2固定是由PEP羧化酶催化生成草酰乙酸(C4)。C4植物叶肉细胞中的叶绿体有类囊体但没有Rubisco,而维管束鞘细胞中的叶绿体没有类囊体但有Rubisco,其光合作用过程如图所示。已知PEP羧化酶对CO2的亲和力远高于Rubisco。下列叙述错误的是 (　 ) 考法训练•融会通 A.C4植物光合作用的暗反应进行的场所是维管束鞘细胞 B.C3和C4植物的叶肉细胞光反应阶段产生的ATP,均只用于C3的还原 C.PEP羧化酶对环境中较低浓度的CO2具有富集作用 D.将PEP羧化酶基因导入小麦体内,可以缓解光合午休的影响 √ 解析:由题意分析可知,C4植物光合作用的暗反应进行的场所是维管束鞘细胞,A正确; 据图可知,C4植物的叶肉细胞光反应阶段产生的ATP,还用于丙酮酸生成PEP,B错误; 由题图可知,PEP羧化酶可将较低浓度的CO2与PEP结合成C4,并从叶肉细胞运输至维管束鞘细胞后释放出来,因此PEP羧化酶对环境中较低浓度的CO2具有富集作用,C正确; 将PEP羧化酶基因导入小麦体内,提高小麦体内PEP羧化酶活性,可以促进合成更多的C4,从而产生更多的CO2,可以缓解光合午休的影响,D正确。 2.(2024·沈阳二模)CO2同化的最初产物是3⁃磷酸甘油酸(一种三碳化合物)的植物,称为C3植物,如小麦、水稻等。生长过程中从空气吸收的CO2先是合成苹果酸或天门冬氨酸等含四个碳原子化合物的植物称为C4植物,如玉米、甘蔗。图1是玉米对CO2进行同化的过程,回答下列问题: (1)图1中①和②代表的物质分别是___________;水稻叶片中进行卡尔文循环的细胞为_____________。  (2)Rubisco是C3植物光合作用中固定CO2的关键酶。在炎热干旱的环境下,C4植物能更有效地固定CO2,这说明PEP羧化酶比Rubisco固定CO2的能力________。  C5、C3 叶肉细胞 强 (3)围绕维管束的是呈“花环型”的两圈细胞,里圈是维管束鞘细胞,外圈为叶肉细胞,两种细胞间可以进行多种物质的交换。叶肉细胞具有丰富的基粒,维管束鞘细胞数量较少,玉米的生长、发育和繁殖需要大量有机物,推测玉米的维管束鞘细胞的结构特点是_______________ __________________________________________(写出2点)。  (4)图2、3的曲线中代表玉米的分别是_________。  具有储存较多 有机物的结构;叶绿体中没有基粒或基粒较少 b、A 解析:(1)图1所示,①与CO2结合生成②,说明①是C5,②是C3。水稻是C3植物,叶片中进行卡尔文循环的细胞是叶肉细胞。(2)在炎热干旱的环境下,为了减少水分蒸发,植物会关闭气孔,导致 CO2的吸收减少,而C4植物能更有效地固定 CO2,这说明PEP羧化酶比Rubisco固定CO2的能力更强。(3)由题意可知,玉米的生长、发育和繁殖需要大量有机物,推测玉米维管束鞘细胞可能有储存较多有机物的结构;叶肉细胞具有丰富的基粒,可高效率地进行光反应,维管束鞘细胞主要进行卡尔文循环,推测为了提高卡尔文循环的效率,其内叶绿体中可能没有基粒或基粒较少。(4)在低CO2浓度下,C4植物更能适应生长,CO2吸收速率更高,所以图2中代表玉米的是b;在高温、光照过强等条件下,植物的气孔会关闭以减少水分的散失,C3植物会因为CO2供应不足导致光合速率下降,而C4植物可以利用叶肉细胞间隙中含量很低的CO2进行光合作用,不会出现“光合午休”现象,因此图3的曲线中代表玉米的是A。 类型(三)　景天科植物固定CO2的CAM途径 [典例]　(2024·襄阳二模)干旱胁迫对植物的光合作用有较大影响,为适应干旱条件,不同植物演化出不同的应对机制。植物的气孔由叶表皮上两个具有特定结构的保卫细胞构成。保卫细胞吸水体积膨大时气孔打开,反之关闭。回答下列问题: (1)植物在响应干旱胁迫的过程中,_________(填主要相关植物激素)的含量会增加以促进气孔关闭。植物生长发育的调控,是由_________ ______________________________共同完成的。  脱落酸 调控、激素调节和环境因素调节 基因表达 (2)研究表明,气孔开闭与保卫细胞中积累K+密切相关,K+进入保卫细胞后,对细胞液浓度及气孔开放程度的影响分别为_______(填选项)。 A.升高　开放 B.降低　开放 C.升高　关闭 D.降低　关闭 (3)很多植物在干旱条件下,气孔会以数十分钟为周期进行周期性地闭合,称为“气孔振荡”。“气孔振荡”是植物对干旱条件的一种适应性反应,有利于植物生理活动的正常进行。结合所学的知识,尝试解释干旱条件下“气孔振荡”对植物生长发育的意义:_________________________ _________________________________________。  既可以降低植物的蒸腾作用, 又能保证CO2供应,使光合作用能够正常进行 √ (4)干旱条件下,有些植物进行一种很特殊的CO2同化方式,菠萝等植物都进行这类途径参与的光合作用,统称为CAM(景天科)植物,其特点是气孔夜晚打开,白天关闭。其部分代谢途径如图: ①如图所示,景天科植物的叶肉细胞内的部分代谢物质,能固定CO2的物质有____________。干旱条件下,景天科植物叶肉细胞白天能产生CO2的具体部位是_____________________________。  ②推测图中叶肉细胞过程a发生在________(填“白天”或“夜晚”)。请结合图中CO2的变化途径分析,在长期干旱条件下该植物仍能在白天正常进行光合作用的机制是______________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________。  PEP、C5 细胞质基质、线粒体基质 夜晚 夜晚吸收的CO2经过一系列反应 转化为苹果酸储存在液泡中,白天气孔关闭时,一方面苹果酸从液泡运出并通过分解提供CO2;另一方面呼吸作用提供CO2,以保证光合作用的正常进行 [解析]　(1)当植物缺水时,脱落酸增多抑制植物生长,促进气孔关闭,所以植物在响应干旱胁迫的过程中,脱落酸含量会增加。植物生长发育的调控,是由基因表达调控、激素调节和环境因素调节共同完成的。(2)K+进入保卫细胞后,使细胞液浓度升高,渗透压增大使保卫细胞吸水膨胀,气孔开放程度增大,故选A。(3)由题意可知,干旱条件下“气孔振荡”既可以降低植物的蒸腾作用,又能保证CO2供应,使光合作用能够正常进行。 (4)①根据题图可知,景天科植物的叶肉细胞内的部分代谢物质,能固定CO2的物质有PEP、C5。干旱条件下,线粒体基质中有氧呼吸第二阶段产生CO2,此外苹果酸在细胞质基质中可以提供CO2。②由图可知,叶肉细胞过程a为苹果酸进入液泡,苹果酸的形成需要从外界吸收CO2,夜间气孔打开,细胞才能完成该过程。在长期干旱条件下,景天科植物夜晚吸收的CO2经过一系列反应转化为苹果酸储存在液泡中,白天气孔关闭时,一方面苹果酸从液泡运出并提供CO2;另一方面呼吸作用提供CO2,以保证白天气孔关闭的情况下光合作用的正常进行。 深入理解光合作用的景天酸代谢途径(CAM途径) 深化学习•提素养 图示 解读 ①夜晚:气孔开放,吸入CO2,与PEP结合形成OAA(草酰乙酸), OAA被NADH还原为苹果酸,积累于液泡中。 ②白天:气孔关闭,液泡中的苹果酸进入细胞质基质,生成丙酮酸,释放CO2;CO2进入叶绿体参与卡尔文循环形成淀粉等。 ③CAM途径的形成:是植物长期适应干旱环境而进行的自然选择的结果。 ④意义:此途径除维持光合作用外,还避免造成水分过多散失。 ⑤CAM途径的特点:植物利用的CO2含量有限,光合作用强度较低,生物产量较低 续表 (2024·枣庄二模)小麦、水稻等大多数植物,在暗反应阶段,CO2被C5固定以后形成C3,进而被还原成(CH2O),这类植物称为C3植物。玉米、甘蔗等原产在热带的植物,CO2中的C首先转移到草酰乙酸(C4)中,然后转移到C3中,这类植物称为C4植物,其固定CO2的途径如图1所示(注:PEP羧化酶比RuBP羧化酶对CO2的亲合力更强)。芦荟、仙人掌等植物白天气孔关闭,夜间气孔开放,这类植物在进化中形成了特殊的固碳途径,如图2所示,这类植物称为CAM植物。回答下列问题: 考法训练·融会通 (1)C4植物的光反应发生在__________细胞。在炎热干旱环境中,与C3植物相比,C4植物的优越性表现为_____________________。  (2)CAM植物参与卡尔文循环的CO2直接来源于_______________ ___________________过程,夜晚其叶肉细胞能产生ATP的场所是_____________________。  叶肉 苹果酸分解和 细胞质基质和线粒体 可以利用低浓度的CO2 细胞呼吸(有氧呼吸) (3)蝴蝶兰因花色艳丽、花姿优美、开花期长,深受爱花者的青睐。有人想在室内大量培养蝴蝶兰,又担心植物多,在夜晚会释放大量的CO2不利于健康。请根据图1、图2的固碳途径,利用CO2传感器,设计实验探究蝴蝶兰是否是CAM植物。 实验思路:_________________________________________________ _______________________。 预期实验结果和结论: _______________________________________ __________________________________________________________。 在密闭装置内种植蝴蝶兰,利用CO2传感器测定其白天和 夜晚CO2含量变化的差异 若密闭容器内白天CO2不变,晚上CO2下降, 则为CAM植物;若白天CO2下降,晚上CO2增多,则不是CAM植物 解析:(1)结合图1可知,C4植物叶肉细胞的叶绿体中有类囊体,而维管束鞘细胞的叶绿体中没有类囊体,因此可以进行光反应的是叶肉细胞。C4植物的PEP羧化酶比C3植物的RuBP羧化酶对CO2的亲和力更强,故在炎热干旱环境中,与C3植物相比,C4植物可以利用低浓度的CO2。(2)结合图2可知,CAM植物参与卡尔文循环的CO2直接来源于呼吸过程释放和苹果酸分解;夜晚其叶肉细胞能产生ATP的过程是呼吸作用,场所是细胞质基质和线粒体。(3)CAM植物白天气孔关闭,夜间气孔开放从外界吸收CO2,因此要设计实验探究蝴蝶兰是否是CAM植物,可通过测定密闭容器内白天和晚上CO2含量的变化进行判断,实验思路及实验结果和结论见答案。 重难强化训练(二) 细胞呼吸和光合作用的原理 1 2 3 4 5 6 7 8 一、选择题(共6小题,每小题3分,共18分) 1.(2024·广东高考)研究发现,敲除某种兼性厌氧酵母(WT)sqr基因后获得的突变株△sqr中,线粒体出现碎片化现象,且数量减少。下列分析错误的是(　 ) A.碎片化的线粒体无法正常进行有氧呼吸 B.线粒体数量减少使△sqr的有氧呼吸减弱 C.有氧条件下,WT比△sqr的生长速度快 D.无氧条件下,WT比△sqr产生更多的ATP √ 1 2 3 4 5 6 7 8 解析:有氧呼吸的主要场所在线粒体,碎片化的线粒体无法正常进行有氧呼吸,A正确; 有氧呼吸第二、三阶段发生在线粒体,线粒体数量减少使△sqr的有氧呼吸减弱,B正确; 与△sqr相比,WT正常线粒体数量更多,有氧条件下,WT能获得更多的能量,生长速度比△sqr快,C正确; 无氧呼吸的场所在细胞质基质,与线粒体无关,所以无氧条件下WT产生ATP的量与△sqr相同,D错误。 1 2 4 5 6 7 8 3 2.(2024·衡水二模)关于水稻光合作用和呼吸作用的叙述,错误的是 (　 ) A.呼吸作用的能量转换途径是有机物中的化学能→热能和ATP中的化学能 B.光合作用的能量转换路径是光能→ATP、NADPH中的化学能→有机物中的化学能 C.呼吸作用所必需的酶分布在线粒体内膜和线粒体基质 D.光合作用所必需的酶分布在类囊体薄膜和叶绿体基质 解析:水稻呼吸作用所必需的酶分布在线粒体内膜、线粒体基质和细胞质基质,C错误。 √ 1 2 4 5 6 7 8 3 3.(2024·永州三模)将某植物引种到新环境后,其光合速率较原环境发生了一定的变化。将在新环境中产生的该植物种子培育的幼苗再移回原环境,发现其光合速率变化趋势与其原环境植株一致。在新环境中该植物的光合速率等生理指标日变化趋势如图所示。下列叙述错误的是 (　 ) A.新环境中该植株光合速率变化趋势的不同是由环境因素引起的 B.10:00左右,图中光合作用形成ATP最快 C.10:00~12:00,图中光合速率明显减弱,其原因可能是酶的活性减弱 D.气孔导度增大,能够提高蒸腾速率,有助于植物体内水和有机物的运输 √ 1 2 4 5 6 7 8 3 解析:由题意可知,新环境中该植株光合速率变化趋势的不同是由环境因素引起的,A正确; 由题图可知,10:00左右,该植物光合速率最大,因此光反应最快,形成ATP的速率也最快,B正确; 10:00~12:00,图中光合速率明显减弱,但此阶段气孔导度很高,因此限制光合作用的因素不是CO2浓度,可能是10:00~12:00温度较高,降低了光合作用相关酶的活性,C正确; 气孔导度增大,能够提高蒸腾速率,有助于植物体内水和无机盐的运输,D错误。 1 2 4 5 6 7 8 3 4.(2024·郑州二模)如图表示某植物同化CO2的过程,夜晚气孔开放,吸收CO2并转化为苹果酸储存起来;白天气孔关闭,苹果酸分解生成CO2,下列相关描述正确的是 (　 ) √ A.细胞内的pH清晨比傍晚时高 B.白天进行光合作用利用的CO2全部来自苹果酸的分解 C.该植物白天将光能转化为活跃的化学能,夜晚将活跃的化学能转化为稳定的化学能 D.白天气孔关闭可有效减少水分蒸发,有利于适应高温干旱环境 1 2 4 5 6 7 8 3 解析:由题图可知,该植物白天气孔关闭,同时进行光合作用消耗CO2,夜晚气孔打开,吸收CO2,同时进行细胞呼吸产生CO2,所以细胞内的pH清晨比傍晚时低,A错误。 白天进行光合作用利用的CO2除了来自苹果酸的分解,还有细胞呼吸,B错误。 该植物白天进行光合作用,将光能转化为活跃的化学能,并将活跃的化学能转化为稳定的化学能;该植物夜晚进行呼吸作用,将稳定的化学能转化为活跃的化学能,满足了生命活动的需要,C错误。 该植物白天气孔关闭可有效减少水分蒸发,有利于适应高温干旱环境,D正确。 1 2 4 5 6 7 8 3 √ 5.农业谚语是我国劳动人民在农业生产实践中总结出来的农事经验。下列对农业谚语的叙述,错误的是 (　 ) A.“霜前霜,米如糠;霜后霜,谷满仓”,霜降前降温可减弱种子呼吸作用,进而增加有机物积累 B.“一挑粪进,一挑谷出”,施加有机肥可间接为植物补充CO2,进而增加有机物积累 C.“处暑里的雨,谷仓里的米”,补充水分可减弱植物的光合午休,进而增加有机物积累 D.“春雨漫了垄,麦子豌豆丢了种”,雨水过多会减弱种子的有氧呼吸,进而降低其萌发率 1 2 4 5 6 7 8 3 解析:霜降前降温会导致稻谷等农作物收成不好,而霜降后的降温则对农作物有利,A错误; 有机肥被土壤微生物分解,释放CO2,间接为植物补充CO2进而增加有机物积累,B正确; 植物的光合午休是因为气温过高,蒸腾作用过强,导致气孔关闭,CO2吸收量减少,补充水分可减弱植物的光合午休,进而增加有机物积累,C正确; 如果土壤中的水分过多,会减少土壤中的氧气含量,从而限制了种子的有氧呼吸,最终可能降低种子的萌发率,D正确。 1 2 4 5 6 7 8 3 6.[多选](2024·济宁三模)为研究某种植物光合速率和呼吸速率对生长发育的影响,研究者做了以下实验,将长势相同的该植物幼苗均分成7组,分别置于不同温度下,先暗处理1 h,再光照1 h,其他条件相同且适宜,测其干重变化,结果如图所示。下列说法正确的是 (　 ) 1 2 4 5 6 7 8 3 A.光照下26 ℃和32 ℃时该植物的净光合速率相等 B.在未达到光饱和点之前,若光照强度突然增加,短时间内叶绿体基质中C3的含量将会增加 C.30 ℃条件下,一昼夜光照时间超过8 h,该植物幼苗才能生长 D.温度达到34 ℃时,该植物幼苗在光照条件下不能进行光合作用 解析:32 ℃时,暗处理1 h后的重量变化是-4 mg,说明呼吸速率是 4 mg/h,光照1 h后与暗处理前的变化是0 mg,说明光合速率-2×呼吸速率=0,此条件下光合速率是8 mg/h,净光合速率是4 mg/h,同理可推知, 26 ℃时,呼吸速率是1 mg/h,光合速率是5 mg/h,净光合速率是4 mg/h, A正确; √ √ 1 2 4 5 6 7 8 3 当光照强度突然增加时,光反应增强,产生的ATP和NADPH增加,从而促进了C3的还原,C3的消耗速率加快,但是CO2固定形成C3的过程不受影响,即C3的生成速率不变,故短时间内C3的含量减少,B错误; 30 ℃条件下,呼吸速率为3 mg/h,光合速率是9 mg/h,若一昼夜光照时间等于8 h,则光合作用产生的有机物为72 mg,呼吸消耗的有机物为3×24=72(mg),则30 ℃条件下,一昼夜光照时间大于8 h,该植物幼苗才可以积累有机物,才能生长,C正确; 34 ℃时呼吸速率是2 mg/h,光合速率-2×呼吸速率=-3,说明此时光合速率为1 mg/h,D错误。 1 2 4 5 6 7 8 3 二、非选择题(共2题,共22分) 7.(10分)(2024·天津三模)植物每年所固定的碳约占大气中碳总量的1/5,约等于化石燃料燃烧所排碳量的10倍之多。研究人员拟通过在植物体内构建人工代谢途径进一步提高植物的固碳能力,助力减少大气中的CO2浓度,实现“碳中和、碳达峰”。 (1)光能被叶绿体内_____________上的光合色素捕获后,将水分解,形成O2、ATP和NADPH。ATP和NADPH驱动在____________中进行的暗反应,将CO2转化为储存化学能的糖类。  类囊体薄膜 叶绿体基质 1 2 4 5 6 7 8 3 (2)绿色植物在光照条件下还能进行光呼吸,具体过程如图1所示。R酶具有双重催化功能,在光照、高CO2浓度、低O2浓度时,催化__________结合,生成C3;在光照、低CO2浓度、高O2浓度时,催化O2与C5结合,生成_______________。  CO2与C5 C3和乙醇酸 1 2 4 5 6 7 8 3 (3)有些生活在海水中的藻类具有图2所示的无机碳浓缩过程,能够减弱光呼吸,提高光合作用效率,其原因是植物通过__________方式吸收HC,最终使________________________________________ __________________。  主动运输 R酶附近的CO2浓度提高,促进CO2与C5结合, 减少O2与C5结合 1 2 4 5 6 7 8 3 (4)研究人员通过向水稻叶绿体中引入人工设计合成的一条代谢途径(GOC),能直接在叶绿体中催化乙醇酸转化成CO2,同时抑制叶绿体膜上乙醇酸转运蛋白基因的表达,最终提高了水稻的净光合速率。GOC型水稻净光合速率高于野生型水稻的原因包括________(多选)。  A.GOC型水稻新增的代谢途径,提高了乙醇酸利用率 B.GOC型水稻新增的代谢途径,直接加速了C3再生C5 C.GOC型水稻新增的代谢途径,减少了叶绿体中CO2损失 D.GOC型水稻内催化乙醇酸转化成CO2的酶活性比R酶活性高 √ √ 1 2 4 5 6 7 8 3 解析:(1)光合作用的光反应阶段场所是叶绿体中的类囊体薄膜,色素和光反应有关的酶在类囊体薄膜上。光合作用的暗反应阶段场所是叶绿体基质,即ATP和NADPH驱动在叶绿体基质中进行的暗反应,将CO2转化为储存化学能的糖类。(2)由图1可知,R酶具有双重催化功能,在光照、高CO2浓度、低O2浓度时,催化CO2与C5结合,生成C3;在光照、低CO2浓度、高O2浓度时,催化O2与C5结合,生成C3和乙醇酸。(3)由图2可知,HC进入细胞需要消耗ATP,说明植物通过主动运输吸收HC,HC进入叶绿体后产生CO2,使R酶附近的CO2浓度提高,促进CO2与C5结合,减少O2与C5结合。(4)GOC型水稻新增的代谢途径,能直接在叶绿体中催化乙醇酸转化成CO2,同时抑制叶绿体膜上乙醇酸转运蛋白基因的表达,提高了乙醇酸利用率,减少了叶绿体中CO2损失,最终提高了水稻的净光合速率,故选A、C。 1 2 4 5 6 7 8 3 8.(12分)(2024·苏州三模)光反应过程中光合电子传递链主要由几大复合体组成,包括光系统Ⅱ(PSⅡ)、细胞色素复合体(Cb6/f)、光系统Ⅰ(PSⅠ)等。有些植物在强光下产生电子过多导致活性氧积累,细胞内活性氧积累会加快细胞凋亡引发萎黄病。研究人员利用拟南芥对光合电子传递进行了有关研究。 (1)光合作用的光反应发生在___________________上,光系统是由其上的蛋白与光合色素结合形成的,具有_____________________ 的功能。 叶绿体类囊体薄膜 吸收、传递、转化光能 1 2 4 5 6 7 8 3 (2)光反应中的电子传递包括线性电子传递和环式电子传递。线性电子传递中,电子经PSⅡ、Cb6/f和PSⅠ最终产生NADPH和ATP;环式电子传递中,电子在PSⅠ和Cb6/f间循环,仅产生ATP不产生NADPH。Cb6/f复合体位于PS Ⅱ和PS Ⅰ之间,同时参与线性电子传递和环式电子传递(图1)。 1 2 4 5 6 7 8 3 ①在光照条件下,光系统Ⅱ(PSⅡ)吸收光能产生高势能电子,PSⅡ中部分叶绿素a失去电子转化为强氧化剂,从______中夺取电子释放O2。  ②光系统Ⅰ吸收光能产生强还原剂__________,其在暗反应中的作用是__________________________________________;PSⅡ产生的电子和PSⅠ产生的部分电子经过Cb6/f复合体传递进入PSⅠ,在电子传递过程的同时形成跨膜的质子动力势,用于______的合成,同时维持电子传递相对平衡。  ③环式电子传递与线性电子传递相比,能够__________(填“提高”或“降低”)ATP/NADPH的比例,提高暗反应的效率。  H2O NADPH 作为还原剂使C3还原为有机物和C5;提供能量 ATP 提高 1 2 4 5 6 7 8 3 (3)野生型拟南芥能适应一定的强光胁迫,但C37缺失突变体不能。与图1相比,图2表明在强光胁迫下,C37缺失导致电子从_____________到______的电子传递受阻,传递效率显著下降,从而产生大量活性氧(ROS)。ROS积累到一定阶段可能会促进___________并引发细胞凋亡,导致萎黄病。  (4)上述研究揭示出植物可以通过_____________________________ ___________以适应强光胁迫。  Cb6/f复合体 PSⅠ 叶绿素分解 调节光合电子传递链上的电子 流动速率 1 2 4 5 6 7 8 3 解析:(1)光合作用的光反应发生在叶绿体类囊体薄膜上;光系统具有吸收、传递和转化光能的功能。(2)①由图1可知,PSⅡ中部分叶绿素a失去电子转化为强氧化剂,从H2O中夺取电子释放O2。②由图1可知,光系统Ⅰ吸收光能后产生的强还原剂是NADPH,其在暗反应过程中能作为还原剂将C3还原,同时也为暗反应过程中有机物的合成提供能量。PSⅡ产生的电子和PSⅠ产生的部分电子经过Cb6/f复合体传递进入PSⅠ,在电子传递过程的同时形成跨膜的质子动力势,这部分势能为光反应过程中ATP合成提供能量。③由图1可知,环式电子传递与线性电子传递相比,环式电子传递导致NADPH合成量减少,ATP合成量增加,能够提高ATP/NADPH的比例。 1 2 4 5 6 7 8 3 (3)由图2可知,C37缺失突变体中电子积累在Cb6/f复合体之前,说明C37缺失导致电子从Cb6/f复合体到PSⅠ的电子传递受阻,传递效率显著下降,从而产生大量活性氧(ROS)。活性氧积累到一定阶段可能会促进叶绿素分解,减少电子传递链中电子的来源,同时引发细胞凋亡,导致叶片枯萎发黄。(4)上述研究表明,电子传递链中电子传递受阻会导致ROS积累引发细胞凋亡,对植物体造成损伤,因此,植物可通过调节光合电子传递链上的电子流动速率以适应强光胁迫。 本课结束 $$