热点01 C3植物、C4植物和CAM植物的光合作用-2025年高考生物【热点·重点·难点】专练（天津专用）

热点01 C3植物、C4植物和CAM植物的光合作用 (情境预测+重难诠释+限时检测) 情境预测 · 情境预测 水稻、小麦等植物是植物，这类植物在干旱、炎热的环境下，气孔会关闭，故长期处于高温、干燥环境中，植物会减产；玉米、甘蔗等植物是植物，体内有特殊的结构，能够适应高温、干燥环境。右图为某植物的暗反应过程（包括途径和 途径）。 · 考点预测 考查C3与C4植物的光合作用的题型往往以图形题的形式出现，图形展示了C3与C4途径，要求考生依据图形，结合题干信息和教材内容，综合分析后进行解答。 考查光呼吸的题型会给出光呼吸的简图或较复杂的图示，考查的内容往往涉及光呼吸的过程分析、光呼吸与细胞呼吸的区别、光呼吸与光合作用的联系等。 重难诠释 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。 1．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。 2．C4途径：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(如图1)。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(如图2)。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。常见C4植物有玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。 3．CAM途径：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。常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。 4．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。 限时检测 （限时30分钟） 1．（24-25高三上·天津西青·期末）龙舌草是水鳖科沉水植物，其生长发育受到水体中无机碳浓度、光照强度等因素的影响。科研人员根据研究成果建构了假设模型，如下图。请回答下列问题。 (1)龙舌草优先利用水体中溶解的CO2，当水体中CO2充足的情况下，CO2会扩散到叶绿体B被固定为 ，该物质被还原时需要光反应提供 （物质）。 (2)低CO2条件下，龙舌草主要通过PEPC进行无机碳固定（C4途径），此过程固定无机碳的最初产物是 。产生的Mal在夜间存储，白天分解（CAM途径），其意义是 。 (3)线粒体能够产生CO2的过程有 。 【答案】(1) C3 ATP和NADPH (2) OAA（C4） 帮助植物适应干旱环境 (3)Mal（C4）转变为丙酮酸和CO2 ； 丙酮酸和水反应生成CO2和NADPH 【分析】NADPH和氧气，另一部分光能用于合成ATP，暗反应发生场所是叶绿体基质中，首先发生二氧化碳的固定，即二氧化碳和五碳化合物结合形成两分子的三碳化合物，三碳化合物利用光反应产生的NADPH和ATP被还原。 【详解】（1）龙舌草优先利用水体中溶解的CO2，当水体中CO2充足的情况下，CO2与C5反应生成C3化合物，场所是叶绿体基质；C3被还原时需要消耗光反应产生的ATP和NADPH，光反应是在类囊体薄膜上进行的。 （2）低CO2条件下，龙舌草主要通过PEPC进行无机碳固定（C4途径），CO2转变为HCO3-后与PEP生成OAA（C4），OAA再转化为Mal，产生的Mal在夜间存储，白天分解（CAM途径），其意义是帮助植物适应干旱环境。 （3）据图可知，运往叶肉细胞的Mal进入线粒体后，在相关酶的催化下转变为丙酮酸和CO2，同时有氧呼吸的第二阶段丙酮酸和水反应生成CO2和NADPH。 2．（24-25高三上·天津南开·阶段练习）下图甲表示某同学利用轮叶黑藻（一种沉水植物）探究“光照强度对光合速率的影响”的实验装置；图乙表示在一定光强度下轮叶黑藻叶肉细胞的部分代谢过程， 其中a、b、c、d代表不同的细胞结构，①~⑤代表不同的物质；图丙是轮叶黑藻细胞光合作用相关过程示意图（有研究表明，水中CO2浓度降低能诱导轮叶黑藻光合途径由C3途径向C4途径转变， 而且两条途径在同一细胞中进行）。请据图回答问题： (1)图甲中有色液滴的移动是由装置中 （填某物质）引起的。若要测轮叶黑藻有氧呼吸速率的大小，则应将图甲装置进行 的处理。 (2)图乙所给的结构中，能够产生⑤的结构有 （用字母表示），K+从细胞外进入细胞的跨膜运输速率受 的限制。 (3)图丙CO2转变为HCO3过程中，生成的H+以 的方式运出细胞；结合图丙轮叶黑藻细胞光合作用相关过程，分析催化过程①和过程④CO2固定的两种酶（PEPC、Rubisco）中，与CO2亲和力较高的是 酶。 【答案】(1) 氧气/O2  黑暗 (2) a、b、d 载体蛋白和能量 (3) 主动运输 PEPC 【分析】1、图甲装置中，灯泡作为光源，一般可通过改变广口瓶与光源之间的距离改变光照强度，装置甲有色小液滴移动，可代表其中的气体压强变化。 2、在乙图中，细胞器a能吸收光能，将①②转变成三碳糖，可推知细胞器a是叶绿体、物质①是水分子、②是CO2；同时可以推知细胞器c具有调节渗透压的功能，是液泡；K+在⑤的协助下进入细胞，可推知⑤是ATP；葡萄糖经一系列变化生成④并进入细胞器b与①③生成①②，可推知细胞器b是线粒体、③是氧气、④是丙酮酸。 3、图丙是轮叶黑藻细胞光合作用相关过程示意图（有研究表明，水中CO2浓度降低能诱导轮叶黑藻光合途径由C3途径向C4途径转变，而且两条途径在同一细胞中进行）。 【详解】（1） 在适宜光照强度下，装置甲有色小液滴向右移动，说明此时黑藻的光合作用大于呼吸作用，释放氧气增多，导致瓶内压强增大，液滴向右移动；只要有光照，黑藻就会进行光合作用，对呼吸速率的测定产生影响，若要测黑藻有氧呼吸速率的大小，则应将图甲装置的广口瓶进行黑暗(遮光)处理。 （2）据图可知，K+在⑤协助下进入细胞中，可推知⑤是ATP，在图乙所给的结构中，能够产生⑤ATP 的结构有 a 叶绿体(光合作用的光反应阶段)、b 线粒体(有氧呼吸的第二阶段和第三阶段)、d 细胞质基质(细胞呼吸第一阶段)。K+从细胞外进入细胞的方式是主动运输，其跨膜运输速率受载体蛋白和能量的限制。 （3）由图丙分析可知，CO2转变为HCO3-过程中，生成的H+转运需要相应转运蛋白参与并消耗ATP，属于主动运输；为主动运输。根据题干信息“水中 CO2浓度降低，能诱导其光合途径由 C3型向 C4型转变”，说明 C4循环中 PEPC 与 CO2的亲和力高于 C3循环中的 Rubisco。 3．（24-25高三上·天津蓟州·阶段练习）下图甲表示某同学利用轮叶黑藻（一种沉水植物）探究“光照强度对光合速率的影响”的实验装置； 图乙表示在一定光强度下轮叶黑藻叶肉细胞的部分代谢过程， 其中a、b、c、d代表不同的细胞结构， ①~⑤代表不同的物质； 图丙是轮叶黑藻细胞光合作用相关过程示意图（有研究表明， 水中CO2浓度降低能诱导轮叶黑藻光合途径由C3途径向C4途径转变， 而且两条途径在同一细胞中进行）。请据图回答问题：        (1)叶片是分离制备叶绿体的常用材料，若要将叶肉细胞中的叶绿体与线粒体等其他细胞器分离，常采用的方法是 。叶绿体中光合色素分布在 上，其中类胡萝卜素主要吸收 （填“蓝紫光”“红光”或“绿光”）。 (2)图甲中有色液滴的移动是由装置中 （填某物质）引起的。若要测轮叶黑藻有氧呼吸速率的大小，则应将图甲装置进行 的处理，此有色液滴向 移动。 (3)图乙所给的结构中，能够产生⑤的结构有 （用字母表示），K+从细胞外进入细胞的跨膜运输速率受 的限制。 (4)图丙CO2转变为过程中，生成的H+以 的方式运出细胞； 结合图丙轮叶黑藻细胞光合作用相关过程，分析催化过程①和过程④CO2固定的两种酶（PEPC、Rubisco）中，与CO2亲和力较高的是 酶。过程②消耗的NADPH主要来源于结构A中进行的 过程；丙酮酸产生的场所除了图示③以外还可能有 。 【答案】(1) 差速离心法 类囊体薄膜 蓝紫光 (2) 氧气 黑暗 左 (3) a、b、d 能量及载体蛋白数量 (4) 主动运输 PEPC 光反应 细胞质基质 【分析】1、图甲装置中，灯泡作为光源，一般可通过改变广口瓶与光源之间的距离改变光照强度，装置甲有色小液滴移动，可代表其中的气体压强变化。 2、乙图中细胞器a吸收光照，将①②转变成葡萄糖，可推知：细胞器a是叶绿体、①是水分子、②是二氧化碳；同时可以推知：细胞器c表示液泡，具有调节渗透压的功能；K+在⑤协助下进入细胞中，可推知⑤是ATP；葡萄糖变成④，并加入b与③生成①②，可推知：细胞器b是线粒体、③是氧气、④是丙酮酸。 【详解】（1）分离各种细胞器的方法是差速离心法，叶绿体中光合色素分布在类囊体薄膜上，其中类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。 （2）在适宜光照强度下，装置甲有色小液滴向右移动，说明此时黑藻的光合作用大于呼吸作用，释放氧气增多，导致瓶内压强增大，液滴向右移动；若要测轮叶黑藻有氧呼吸速率的大小，为了避免光合作用的影响，则应将图甲装置进行黑暗的处理，呼吸作用消耗氧气，因此容器中的气体体积减小，此有色液滴向左移动。 （3）据图可知，K+在⑤协助下进入细胞中，可推知⑤是ATP，在图乙所给的结构中，能够产生⑤ATP的结构有a叶绿体（光合作用的光反应阶段）、b线粒体（有氧呼吸的第二阶段和第三阶段）、d细胞质基质（细胞呼吸第一阶段）；K+从细胞外进入细胞属于主动运输，其跨膜运输速率受能量及载体蛋白数量的限制。 （4）图丙CO2转变为过程中，生成的H+的运输消耗了ATP，因此为主动运输过程，根据题干信息“水中CO2浓度降低，能诱导其光合途径由C3型向C4型转变”，说明C4循环中PEPC与CO2的亲和力高于C3循环中的Rubisco；图示结构A为叶绿体类囊体薄膜，是光反应场所，光反应过程需要光照、叶绿素等光合色素、酶等条件，光反应产生ATP、NADPH、O2；除了图示③以外，细胞中的丙酮酸还可以由葡萄糖在细胞质基质中分解产生。 4．（24-25高三上·天津和平·阶段练习）玉米和小麦都是重要粮食作物。小麦属于C3植物，通过卡尔文循环完成碳的固定和还原。玉米是C4植物，碳的固定多了C4途径，其光合作用需要叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成。玉米叶肉细胞中的PEP酶具有很强的CO2亲和力，可在低浓度CO2条件下催化CO2与磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）结合，将CO2固定为C4物质。图1为玉米植株相关细胞内物质转化过程，图2为研究人员在晴朗的夏季白天测定玉米和小麦净光合速率的变化。 (1)实验室研究玉米叶片中色素种类及相对含量。提取色素时，为防止叶绿素被破坏，可以加入 ；利用纸层析法分离色素时，与类胡萝卜素相比，叶绿素在滤纸条上扩散速率 ，原因 。 (2)若玉米的维管束鞘细胞叶绿体中只能进行暗反应，推测其可能缺少的结构是 。玉米植物细胞中固定CO2的物质有 ，图1中过程②需要光反应提供的物质是 。在密闭容器内，若给白杨树叶肉细胞提供H218O，则一段时间后可检测到C6H1218O6请用主要相关物质和箭头写出18O的转移途径： 。 (3)上午9：00时，突然降低环境中CO2浓度，图2中玉米细胞和小麦细胞中C3含量在短时间内的变化分别是 和 （填增加、减少或基本不变）。 (4)综上分析，玉米植株净光合速率为图2中曲线 （填甲或乙），理由是 。 【答案】(1) CaCO3 慢 叶绿素在层析液中的溶解度小于类胡萝卜素 (2) 基粒（类囊体） PEP和C5 ATP和NADPH H2O→C18O2→C6H1218O6 (3) 基本不变 降低 (4) 甲 晴朗夏季中午部分气孔关闭，叶片内细胞间隙中CO2含量低，而玉米中的PEP酶与CO2的亲和力高，可以利用胞间的低浓度CO2进行光合作用 【分析】1、色素分离原理：叶绿体中的色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，溶解度低的随层析液在滤纸上扩散得慢。根据这个原理就可以将叶绿体中不同的色素分离开来。 2、药品的作用：二氧化硅、碳酸钙和丙酮。前两种是粉末状药品，各加少许，后者是有机溶剂，研磨时加约5mL二氧化硅的作用是使研磨更加充分、迅速；碳酸钙的作用是保护叶绿素不分解；丙酮用来溶解提取叶绿体中的色素。 【详解】（1）提取色素时，为防止叶绿素被破坏，可以加入碳酸钙，碳酸钙的作用是保护叶绿素不分解。与类胡萝卜素相比，叶绿素在层析液中溶解度低，因而在滤纸条上扩散速率慢，该实验是根据叶绿体色素在层析液中溶解度不同，因而扩散速度不同实现的。 （2）若玉米的维管束鞘细胞叶绿体中只能进行碳反应，不能进行光反应，推测其可能缺少的结构是类囊体薄膜。由图可以看出，玉米植物细胞中固定CO2的物质有PEP和C5。图1中过程②为C3的还原，需要光反应提供的物质是ATP和NADPH。在密闭容器内，若给白杨树叶肉细胞提供O，首先会参与光合作用的光反应导致白杨树释放的氧气中含有18O，同时水还可参与有氧呼吸的第二阶段，生产C18O2，进而参与暗反应过程进入到有机物中，因此，一段时间后可检测到C6H1218O6，则进入到有机物中的途径可表示为：H218O→C18O2→C6H1218O6。 （3）上午9：00时，突然降低环境中CO2浓度的一小段时间内，由于玉米叶肉细胞中PEP羧化酶可固定低浓度的CO2，因而对玉米的暗反应受影响不大，即其细胞中C3含量基本不变；小麦为C3植物，其细胞由于CO2供应减少，CO2与C5结合生成C3的速率减慢，而光反应不受影响，C3还原的速率基本不受影响，导致C3含量降低。 （4）夏季晴朗的白天中午，高温干旱会使玉米和小麦大量蒸发失水而出现气孔关闭，使CO2供应受阻，玉米叶肉细胞中PEP羧化酶可固定低浓度的CO2，转移到维管束鞘细胞的叶绿体中，使光合作用继续进行；而小麦叶绿体中酶不能利用低浓度的CO2，导致光合作用下降，即图2中的甲曲线表示的是玉米净光合速率的变化。 5．（2023·天津河东·二模）绿色植物的光呼吸是在光的驱动下，将碳水化合物氧化生成CO2和水的一个生化过程，是一个高耗能的反应。过氧化氢酶体负责将光合作用的副产物C2（乙醇酸）氧化为乙醛酸和过氧化氢，如图1所示，回答下列问题： (1)参与光呼吸的细胞器除过氧化物酶体外，还有 。 (2)在强光条件下，Rubisco催化底物 启动光呼吸过程，形成的C2中的C原子最终进入线粒体放出CO2。线粒体中产生CO2的另一个过程需要的原料是 。在光照突然停止之后，会释放出大量CO2的原因是 。 (3)稻、小麦等C3植物的光呼吸显著，而高粱、玉米等C4植物的叶肉细胞包围在维管束鞘细胞四周，形成花环状结构，光呼吸消耗有机物很少，C4途径如图2所示。 据图分析，C4植物叶肉细胞的细胞质基质中PEP羧化酶催化CO2和C3反应形成C4（苹果酸），C4经 （结构）进入维管束鞘细胞，生成CO2和C3。CO2中的C转移到（CH2O）的途径是（用符号和箭头表示） 。 (4)C4植物光呼吸比C3植物低很多的原因：一方面C4植物叶肉细胞中高效的PEP羧化酶能够利用 ，且花环状的结构使得多个叶肉细胞中的CO2富集到一个维管束鞘细胞中，使得维管束鞘细胞CO2浓度升高，在与 竞争Rubisco中有优势，从而抑制光呼吸。 (5)夏季正午，C3植物会出现“午休”现象，而C4植物则不会出现该现象的原因是 。 【答案】(1)叶绿体、线粒体 (2) RUBP（C5）和O2 丙酮酸和水 光合作用消耗CO2减少，光呼吸和有氧呼吸继续产生CO2 (3) 胞间连丝 CO2→草酰乙酸（C4）→苹果酸（C4）→CO2→C3→（CH2O） (4) 低浓度CO2 O2 (5)C4植物叶肉细胞中含有PEP羧化酶，在CO2很少的情况下也能催化固定CO2，所以C4植物在气孔关闭的情况下仍能进行光合作用 【分析】光呼吸是所有进行光合作用的细胞在光照和高氧低二氧化碳情况下发生的一个生化过程。它是光合作用一个损耗能量的副反应。绿色植物在照光条件下的呼吸作用。特点是呼吸基质在被分解转化过程中虽也放出CO2，但不能转换成能量ATP，而使光合产物被白白地耗费掉。在黑暗条件下，呼吸过程能不断转换形成ATP，并把自由能释放出来，以供根系的吸收功能、有机质的合成与运转功能以及各种物质代谢反应等等功能的需要，从而促进生命活动的顺利进行。 【详解】（1）植物在光下吸收O2产生CO2的现象称为光呼吸。参与光呼吸的细胞器有过氧化物酶体、叶绿体和线粒体。 （2）由图可知，在强光条件下，Rubisco催化底物RUBP（C5）和O2反应启动光呼吸过程，线粒体中产生CO2的另一过程是有氧呼吸丙酮酸和水反应。在光照突然停止之后，光合作用消耗CO2减少，光呼吸和有氧呼吸继续产生CO2，所以会释放出大量的CO2。 （3）析题图可知，叶肉细胞和维管束鞘细胞之间有胞间连丝，所以C4可以通过胞间连丝进入维管束鞘细胞。C4植物叶肉细胞的细胞质基质中PEP羧化酶催化CO2和C3（磷酸烯醇式丙酮酸）反应形成C4（草酰乙酸），后在NADPH的作用下转变为C4（苹果酸），C4（苹果酸）经胞间连丝进入维管束鞘细胞，生成CO2和C3（丙酮酸），CO2进入卡尔文循环生成（CH2O）。所以CO2中的C转移到（CH2O）的途径是：CO2→草酰乙酸（C4）→苹果酸（C4）→CO2→C3→（CH2O） （4）C4植物光合作用过程中产生的苹果酸会在维管束鞘细胞中转化形成CO2，C4植物光呼吸比C3植物低很多的原因:一方面C4植物叶肉细胞中高效的PEP羧化酶能够利用低浓度CO2且花环状的结构使得多个叶肉细胞中的CO2富集到一个维管束鞘细胞中，使得维管束鞘细胞CO2浓度高，在与O2竞争Rubisco中有优势，从而抑制光呼吸。 （5）夏季正午，C3植株会减小蒸腾作用而关闭部分气孔，会出现“午休”现象，C4植物叶肉细胞中含有PEP羧化酶，在CO2很少的情况下也能催化固定CO2，所以C4植物在气孔关闭的情况下仍能进行光合作用，不会出现“午休”现象。 6．研究表明，金钗石斛有较强的抗干旱能力，在水分充足、环境条件适宜的情况下，主要通过卡尔文循环固定CO2.当金钗石斛面对干旱等逆境胁迫时会逐渐转变为CAM途径（景天酸代谢途径）植物。请回答下列问题： (1)适宜条件下，金钗石斛叶肉细胞中进行卡尔文循环的场所是 。该过程所固定的CO2来自于 。 (2)图1是金钗石斛响应干旱胁迫的机制，暗期气孔打开，CO2通过气孔进入细胞，此时金钗石斛 （填“能”或“不能”）将CO2转化为糖类，原因是： 。 (3)科研人员研究了金钗石斛在不同供水条件下的光合特性，结果如表1所示。在干旱胁迫时，推测 （植物激素）的含量上升，气孔导度逐渐下降，直到基本关闭。结合图1和表1分析，随干旱时间延长，胞间CO2浓度下降不明显的原因是 。 表1  上午10时测定不同供水条件下金钗石斛的光合作用指标 　 净光合速率（μmol·m2·s-1） 气孔导度（mmol·m2·s-1） 蒸腾作用（mmol·m2·s-1） 胞间CO2（mmol·mol-1） 充分供水 1.4 0.023 0.6 300.2 干旱20天 0.88 0.01 0.22 289.3 干旱40天 0.19 0.002 0.08 277.5 (4)干旱40天时，金钗石斛气孔随光暗条件发生周期性关闭和开放，对于植物适应干旱环境的意义是 。 【答案】(1) 叶绿体基质 呼吸作用产生和外界环境吸收 (2) 不能 缺少光反应产生的ATP和NADPH (3) 脱落酸 净光合速率下降，CO2的消耗减少；苹果酸分解产生CO2 (4)光期温度高，气孔关闭有利于水分的保持，暗期温度低，气孔开放有利于CO2的吸收 【分析】光合作用：①光反应场所在叶绿体类囊体薄膜，发生水的光解、ATP和NADPH的生成；②暗反应场所在叶绿体的基质，发生CO2的固定和C3的还原，消耗ATP和NADPH。 【详解】（1）卡尔文循环，也就是光合作用中的暗反应阶段，这一过程的场所是叶绿体基质。适宜条件下，光合作用大于呼吸作用，因此卡尔文循环固定的CO2 来自于呼吸作用产生和外界环境吸收。 （2）光反应为暗反应提供了NADPH和ATP，NADPH和ATP能够将三碳化合物还原形成有机物，据图可知，暗期气孔打开，CO2通过气孔进入细胞，CO2在细胞质基质中与PEP结合形成OAA，然后转变形成苹果酸，储存在液泡中，由于此时是暗期，不能进行光反应，缺少光反应产生的ATP和NADPH，因此不能将CO2转化为糖类。 （3）脱落酸是一种促进气孔关闭的植物激素，在干旱胁迫时，推测脱落酸的含量上升，气孔导度逐渐下降，直到基本关闭。从表1中可以看出，随着干旱时间的延长，金钗石斛的净光合速率逐渐下降，当净光合速率下降时，意味着植物通过光合作用消耗的CO2量减少，因此胞间CO2浓度下降的速度会减缓；从图1可知，在CAM途径中，植物在夜间气孔打开时吸收CO2 ，并将其转化为苹果酸储存在液泡中。在白天，当气孔关闭以减少水分散失时，苹果酸会从液泡中释放并分解，产生CO2供光合作用使用。因此，即使气孔关闭，胞间CO2浓度也不会迅速下降，因为苹果酸的分解可以持续提供CO2 ，综上所述，随干旱时间延长，胞间CO2浓度下降不明显的原因是净光合速率下降，CO2的消耗减少；苹果酸分解产生CO2。 （4）干旱40天时，金钗石斛气孔随光暗条件发生周期性关闭和开放，对于植物适应干旱环境的意义是光期温度高，气孔关闭有利于水分的保持；暗期温度低，气孔开放有利于CO2的吸收。 7．为探究冰菜在干旱和盐胁迫下的响应和适应能力，研究人员以生长状况相同的冰菜幼苗为研究对象，设置常规（CK，60%土壤含水量）、中度干旱胁迫（D，40%土壤含水量）、盐胁迫（S，60%土壤含水量+0.6%土壤含盐量）和旱盐胁迫（IS，40%土壤含水量＋0.6%土壤含盐量）4个处理组，于35天后测定冰菜的生长状况和净光合速率，结果分别如表、图所示。请回答下列问题： 处理 株高（cm） 分枝数（相对值） 地上部鲜质量（g） 地下部鲜质量（g） CK 2.5 0.33 15.3 0.5 D 2.1 0 9.2 0.33 S 2.6 1.67 30.1 0.68 DS 1.5 0 14.6 0.41 (1)据表可知，中度干旱胁迫对冰菜的影响体现在 ；盐胁迫对冰菜的影响体现在 ，形成对盐胁迫环境的适应，这在生产上的指导意义是 。 (2)研究表明，在盐胁迫下，冰菜光合作用的暗反应过程从C3途径（CO2被固定的第一个产物是C3）转变为CAM途径（白天气孔关闭，夜晚气孔打开，CO2先被固定为草酰乙酸，随后经一系列反应重新释放出CO2并参与卡尔文循环），这种转变对冰菜生长的意义是 ，保证冰菜在盐胁迫条件下正常生长。请根据上述信息推测，在存在CAM途径的植株中，CO2被固定的时间为 （填“白天”“夜晚”或“夜晚和白天”）。 (3)该实验需在培养过程中保持这四组实验的光照、温度等条件相同且适宜，目的是 。若要比较这四组实验中冰菜的有机物合成量，需进行的操作是 。 【答案】(1) 株高降低、分枝数减少、地上部分与地下部分鲜质量降低。 株高增加、分枝数增加、地上部分与地下部分鲜质量增加。 冰菜的种植环境更多，提高冰菜的产量，同时改善环境。 (2) 减少干旱环境蒸腾作用对植物生长的影响，提高冰菜对干旱环境的适应能力 夜晚和白天 (3) 排除无关变量的干扰 对四组冰菜实验前后的重量进行检测 【分析】CAM途径，夜晚吸收二氧化碳，经过一系列过程形成苹果酸，储存在液泡中；白天气孔关闭，苹果酸释放二氧化碳用于光合作用。 【详解】（1）据表可知，中度干旱胁迫使冰菜株高降低、分枝数减少、地上部分与地下部分鲜质量降低，盐胁迫使冰菜株高增加、分枝数增加、地上部分与地下部分鲜质量增加。形成对盐胁迫环境的适应，这在生产上的指导意义是冰菜的种植环境更多，提高冰菜的产量，同时改善环境。 （2）在盐胁迫下，冰菜光合作用的暗反应过程从C3途径（CO2被固定的第一个产物是C3）转变为CAM途径（白天气孔关闭，夜晚气孔打开，CO2先被固定为草酰乙酸，随后经一系列反应重新释放出CO2并参与卡尔文循环），可以减少干旱环境蒸腾作用对植物生长的影响，提高冰菜对干旱环境的适应能力，在存在CAM途径的植株中，CO2被固定的时间为夜晚气孔打开，CO2先被固定为草酰乙酸，白天CO2并参与卡尔文循环，被固定为C3. （3）该实验需在培养过程中保持这四组实验的光照、温度等条件相同且适宜，目的是排除无关变量的干扰。要比较这四组实验中冰菜的有机物合成量，需对四组冰菜实验前后的重量进行检测。 8．高等植物的碳同化途径有三条，即三碳途径、四碳途径（C4途径）和景天酸代谢途径（CAM途径），后两种途径具体过程见下图并依图回答相关问题。 （注：OAA：草酰乙酸；Mal：苹果酸；PEP：磷酸烯醇式丙酮酸；Asp：天冬氨酸；Tri：磷酸丙糖；Sta：淀粉；Pyr：丙酮酸；PPDK：磷酸丙酮酸双激酶；PGA：磷酸甘油酸；RuBP：核酮糖二磷酸） (1)C4途径和CAM途径固定CO2都要经历C3循环，其发生的场所是 ，若CO2在短时间突然减少，则磷酸丙糖的含量将 。 (2)C4途径中，Mal，Asp通过脱酸作用为C3循环提供了 。 (3)CAM途径固定CO2在时间上的特点是 。 (4)推测某些植物利用CAM途径固定CO2的意义： 。 【答案】(1) 叶绿体基质 减少 (2)NADPH和CO2 (3)夜晚固定CO2。 (4)CAM代谢途径的植物通过夜晚气孔开放固定CO2，白天气孔关闭，以减少干旱条件下植物水分的丢失，从而适应干旱的环境。 【分析】由图可知，C4途径植物，吸收CO2并在在叶肉细胞的细胞质基质内将其固定进入OAA，OAA进入叶绿。中转变为Mal和Asp，然后进入维管束鞘细胞的叶绿体内，通过一系列反应最终参与C3循环。 景天科植物夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中，夜晚能吸收CO2，却不能合成C6H12O6，故其白天进行光反应及暗反应合成有机物，夜晚只进行二氧化碳固定． 【详解】（1）由图可知，C3循环（即卡尔文循环）发生在叶绿体基质中；若CO2在短时间突然减少，则CO2与RuBp反应生成PGA减少，进而导致磷酸丙糖的生成量降低，但是磷酸丙糖形成多糖的反应依然正常进行，导致磷酸丙糖消耗量增加，因此磷酸丙糖的含量将减少。 （2）由四碳途径图可知，Mal，Asp在脱酸过程中，形成了NADPH，并且生成了CO2，这两种物质可以用于接下来的C3循环。 （3）由景天酸代谢途径图可知，CAM途径植物在夜晚气孔打开，吸收CO2进行固定，白天气孔关闭无法吸收CO2。 （4）CAM途径植物在夜晚气孔开放固定CO2，白天气孔关闭，防止在干旱环境中，因白天气温过高蒸腾作用旺盛而散失大量水分，通过这种适应性来应对干旱环境。 2 学科网（北京）股份有限公司 $$ 热点01 C3植物、C4植物和CAM植物的光合作用 (情境预测+重难诠释+限时检测) 情境预测 · 情境预测 水稻、小麦等植物是植物，这类植物在干旱、炎热的环境下，气孔会关闭，故长期处于高温、干燥环境中，植物会减产；玉米、甘蔗等植物是植物，体内有特殊的结构，能够适应高温、干燥环境。右图为某植物的暗反应过程（包括途径和 途径）。 · 考点预测 考查C3与C4植物的光合作用的题型往往以图形题的形式出现，图形展示了C3与C4途径，要求考生依据图形，结合题干信息和教材内容，综合分析后进行解答。 考查光呼吸的题型会给出光呼吸的简图或较复杂的图示，考查的内容往往涉及光呼吸的过程分析、光呼吸与细胞呼吸的区别、光呼吸与光合作用的联系等。 重难诠释 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。 1．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。 2．C4途径：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(如图1)。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(如图2)。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。常见C4植物有玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。 3．CAM途径：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。常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。 4．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。 限时检测 （限时30分钟） 1．（24-25高三上·天津西青·期末）龙舌草是水鳖科沉水植物，其生长发育受到水体中无机碳浓度、光照强度等因素的影响。科研人员根据研究成果建构了假设模型，如下图。请回答下列问题。 (1)龙舌草优先利用水体中溶解的CO2，当水体中CO2充足的情况下，CO2会扩散到叶绿体B被固定为 ，该物质被还原时需要光反应提供 （物质）。 (2)低CO2条件下，龙舌草主要通过PEPC进行无机碳固定（C4途径），此过程固定无机碳的最初产物是 。产生的Mal在夜间存储，白天分解（CAM途径），其意义是 。 (3)线粒体能够产生CO2的过程有 。 2．（24-25高三上·天津南开·阶段练习）下图甲表示某同学利用轮叶黑藻（一种沉水植物）探究“光照强度对光合速率的影响”的实验装置；图乙表示在一定光强度下轮叶黑藻叶肉细胞的部分代谢过程， 其中a、b、c、d代表不同的细胞结构，①~⑤代表不同的物质；图丙是轮叶黑藻细胞光合作用相关过程示意图（有研究表明，水中CO2浓度降低能诱导轮叶黑藻光合途径由C3途径向C4途径转变， 而且两条途径在同一细胞中进行）。请据图回答问题： (1)图甲中有色液滴的移动是由装置中 （填某物质）引起的。若要测轮叶黑藻有氧呼吸速率的大小，则应将图甲装置进行 的处理。 (2)图乙所给的结构中，能够产生⑤的结构有 （用字母表示），K+从细胞外进入细胞的跨膜运输速率受 的限制。 (3)图丙CO2转变为HCO3过程中，生成的H+以 的方式运出细胞；结合图丙轮叶黑藻细胞光合作用相关过程，分析催化过程①和过程④CO2固定的两种酶（PEPC、Rubisco）中，与CO2亲和力较高的是 酶。 3．（24-25高三上·天津蓟州·阶段练习）下图甲表示某同学利用轮叶黑藻（一种沉水植物）探究“光照强度对光合速率的影响”的实验装置； 图乙表示在一定光强度下轮叶黑藻叶肉细胞的部分代谢过程， 其中a、b、c、d代表不同的细胞结构， ①~⑤代表不同的物质； 图丙是轮叶黑藻细胞光合作用相关过程示意图（有研究表明， 水中CO2浓度降低能诱导轮叶黑藻光合途径由C3途径向C4途径转变， 而且两条途径在同一细胞中进行）。请据图回答问题：        (1)叶片是分离制备叶绿体的常用材料，若要将叶肉细胞中的叶绿体与线粒体等其他细胞器分离，常采用的方法是 。叶绿体中光合色素分布在 上，其中类胡萝卜素主要吸收 （填“蓝紫光”“红光”或“绿光”）。 (2)图甲中有色液滴的移动是由装置中 （填某物质）引起的。若要测轮叶黑藻有氧呼吸速率的大小，则应将图甲装置进行 的处理，此有色液滴向 移动。 (3)图乙所给的结构中，能够产生⑤的结构有 （用字母表示），K+从细胞外进入细胞的跨膜运输速率受 的限制。 (4)图丙CO2转变为过程中，生成的H+以 的方式运出细胞； 结合图丙轮叶黑藻细胞光合作用相关过程，分析催化过程①和过程④CO2固定的两种酶（PEPC、Rubisco）中，与CO2亲和力较高的是 酶。过程②消耗的NADPH主要来源于结构A中进行的 过程；丙酮酸产生的场所除了图示③以外还可能有 。 4．（24-25高三上·天津和平·阶段练习）玉米和小麦都是重要粮食作物。小麦属于C3植物，通过卡尔文循环完成碳的固定和还原。玉米是C4植物，碳的固定多了C4途径，其光合作用需要叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成。玉米叶肉细胞中的PEP酶具有很强的CO2亲和力，可在低浓度CO2条件下催化CO2与磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）结合，将CO2固定为C4物质。图1为玉米植株相关细胞内物质转化过程，图2为研究人员在晴朗的夏季白天测定玉米和小麦净光合速率的变化。 (1)实验室研究玉米叶片中色素种类及相对含量。提取色素时，为防止叶绿素被破坏，可以加入 ；利用纸层析法分离色素时，与类胡萝卜素相比，叶绿素在滤纸条上扩散速率 ，原因 。 (2)若玉米的维管束鞘细胞叶绿体中只能进行暗反应，推测其可能缺少的结构是 。玉米植物细胞中固定CO2的物质有 ，图1中过程②需要光反应提供的物质是 。在密闭容器内，若给白杨树叶肉细胞提供H218O，则一段时间后可检测到C6H1218O6请用主要相关物质和箭头写出18O的转移途径： 。 (3)上午9：00时，突然降低环境中CO2浓度，图2中玉米细胞和小麦细胞中C3含量在短时间内的变化分别是 和 （填增加、减少或基本不变）。 (4)综上分析，玉米植株净光合速率为图2中曲线 （填甲或乙），理由是 。 5．（2023·天津河东·二模）绿色植物的光呼吸是在光的驱动下，将碳水化合物氧化生成CO2和水的一个生化过程，是一个高耗能的反应。过氧化氢酶体负责将光合作用的副产物C2（乙醇酸）氧化为乙醛酸和过氧化氢，如图1所示，回答下列问题： (1)参与光呼吸的细胞器除过氧化物酶体外，还有 。 (2)在强光条件下，Rubisco催化底物 启动光呼吸过程，形成的C2中的C原子最终进入线粒体放出CO2。线粒体中产生CO2的另一个过程需要的原料是 。在光照突然停止之后，会释放出大量CO2的原因是 。 (3)稻、小麦等C3植物的光呼吸显著，而高粱、玉米等C4植物的叶肉细胞包围在维管束鞘细胞四周，形成花环状结构，光呼吸消耗有机物很少，C4途径如图2所示。 据图分析，C4植物叶肉细胞的细胞质基质中PEP羧化酶催化CO2和C3反应形成C4（苹果酸），C4经 （结构）进入维管束鞘细胞，生成CO2和C3。CO2中的C转移到（CH2O）的途径是（用符号和箭头表示） 。 (4)C4植物光呼吸比C3植物低很多的原因：一方面C4植物叶肉细胞中高效的PEP羧化酶能够利用 ，且花环状的结构使得多个叶肉细胞中的CO2富集到一个维管束鞘细胞中，使得维管束鞘细胞CO2浓度升高，在与 竞争Rubisco中有优势，从而抑制光呼吸。 (5)夏季正午，C3植物会出现“午休”现象，而C4植物则不会出现该现象的原因是 。 6．研究表明，金钗石斛有较强的抗干旱能力，在水分充足、环境条件适宜的情况下，主要通过卡尔文循环固定CO2.当金钗石斛面对干旱等逆境胁迫时会逐渐转变为CAM途径（景天酸代谢途径）植物。请回答下列问题： (1)适宜条件下，金钗石斛叶肉细胞中进行卡尔文循环的场所是 。该过程所固定的CO2来自于 。 (2)图1是金钗石斛响应干旱胁迫的机制，暗期气孔打开，CO2通过气孔进入细胞，此时金钗石斛 （填“能”或“不能”）将CO2转化为糖类，原因是： 。 (3)科研人员研究了金钗石斛在不同供水条件下的光合特性，结果如表1所示。在干旱胁迫时，推测 （植物激素）的含量上升，气孔导度逐渐下降，直到基本关闭。结合图1和表1分析，随干旱时间延长，胞间CO2浓度下降不明显的原因是 。 表1  上午10时测定不同供水条件下金钗石斛的光合作用指标 　 净光合速率（μmol·m2·s-1） 气孔导度（mmol·m2·s-1） 蒸腾作用（mmol·m2·s-1） 胞间CO2（mmol·mol-1） 充分供水 1.4 0.023 0.6 300.2 干旱20天 0.88 0.01 0.22 289.3 干旱40天 0.19 0.002 0.08 277.5 (4)干旱40天时，金钗石斛气孔随光暗条件发生周期性关闭和开放，对于植物适应干旱环境的意义是 。 7．为探究冰菜在干旱和盐胁迫下的响应和适应能力，研究人员以生长状况相同的冰菜幼苗为研究对象，设置常规（CK，60%土壤含水量）、中度干旱胁迫（D，40%土壤含水量）、盐胁迫（S，60%土壤含水量+0.6%土壤含盐量）和旱盐胁迫（IS，40%土壤含水量＋0.6%土壤含盐量）4个处理组，于35天后测定冰菜的生长状况和净光合速率，结果分别如表、图所示。请回答下列问题： 处理 株高（cm） 分枝数（相对值） 地上部鲜质量（g） 地下部鲜质量（g） CK 2.5 0.33 15.3 0.5 D 2.1 0 9.2 0.33 S 2.6 1.67 30.1 0.68 DS 1.5 0 14.6 0.41 (1)据表可知，中度干旱胁迫对冰菜的影响体现在 ；盐胁迫对冰菜的影响体现在 ，形成对盐胁迫环境的适应，这在生产上的指导意义是 。 (2)研究表明，在盐胁迫下，冰菜光合作用的暗反应过程从C3途径（CO2被固定的第一个产物是C3）转变为CAM途径（白天气孔关闭，夜晚气孔打开，CO2先被固定为草酰乙酸，随后经一系列反应重新释放出CO2并参与卡尔文循环），这种转变对冰菜生长的意义是 ，保证冰菜在盐胁迫条件下正常生长。请根据上述信息推测，在存在CAM途径的植株中，CO2被固定的时间为 （填“白天”“夜晚”或“夜晚和白天”）。 (3)该实验需在培养过程中保持这四组实验的光照、温度等条件相同且适宜，目的是 。若要比较这四组实验中冰菜的有机物合成量，需进行的操作是 。 8．高等植物的碳同化途径有三条，即三碳途径、四碳途径（C4途径）和景天酸代谢途径（CAM途径），后两种途径具体过程见下图并依图回答相关问题。 （注：OAA：草酰乙酸；Mal：苹果酸；PEP：磷酸烯醇式丙酮酸；Asp：天冬氨酸；Tri：磷酸丙糖；Sta：淀粉；Pyr：丙酮酸；PPDK：磷酸丙酮酸双激酶；PGA：磷酸甘油酸；RuBP：核酮糖二磷酸） (1)C4途径和CAM途径固定CO2都要经历C3循环，其发生的场所是 ，若CO2在短时间突然减少，则磷酸丙糖的含量将 。 (2)C4途径中，Mal，Asp通过脱酸作用为C3循环提供了 。 (3)CAM途径固定CO2在时间上的特点是 。 (4)推测某些植物利用CAM途径固定CO2的意义： 。 2 学科网（北京）股份有限公司 $$