专题二 [重点突破] 第7练 不同植物固定二氧化碳方式的比较-【步步高·考前三个月】2025年高考生物学复习讲义课件（苏冀赣）（课件PPT+word教案）

专题二　 第7练 不同植物固定二氧化碳方式的比较 真题演练 模拟预测 内容索引 1.(2024·广东，20节选)某湖泊引种的3种多年生草本沉水植物(①金鱼藻、②黑藻、③苦草)在不同光照强度下光合速率及水质净化能力见图。 真题演练 PART ONE 1 2 3 4 5 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。 根据图示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。 1 2 3 4 5 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   (金鱼藻) 500 CO2浓度较低且相同 O2释放量 2.(2023·湖南，17)如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(K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。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ATP生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利用PEPC酶(PEPC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。回答下列问题： 1 2 3 4 5 (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。 1 2 3 4 5 3－磷酸甘油醛 蔗糖 维管组织 1 2 3 4 5 玉米的光合作用过程与水稻相比，虽然CO2的固定过程不同，但其卡尔文循环的过程是相同的，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，蔗糖是植物长距离运输的主要糖类，蔗糖在长距离运输时是通过维管组织进行的。 (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)。 1 2 3 4 5 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酶比水稻的Rubisco酶对CO2的亲和力更高；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 1 2 3 4 5 干旱、高光照强度时会导 致植物气孔关闭，吸收的 CO2减少，而玉米的PEPC 酶比水稻的Rubisco酶对 CO2的亲和力更高；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)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)。 1 2 3 4 5 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 1 2 3 4 5 将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻叶肉细胞，只是提高了叶肉细胞内的CO2浓度，而植物的光合作用强度受到很多因素的影响， 在光饱和条件下如果光合作用强度没有明显提高，可能是水稻的酶活性达到最大，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，二者的光合作用机制有所不同。 3.(2022·全国甲，29节选)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)。 1 2 3 4 5 O2、NADPH和ATP 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的形成，因此光合作用光反应阶段生成的产物有O2、NADPH和ATP。 1 2 3 4 5 (2)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___________________________________________________________。 1 2 3 4 5 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 干旱会导致气孔开度减小，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。 1 2 3 4 5 4.(2021·辽宁，22)早期地球大气中的O2浓度很低，到了大约3.5亿年前，大气中O2浓度显著增加，CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约390 μmol·mol－1，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是一种催化CO2固定的酶，在低浓度CO2条件下，催化效率低。有些植物在进化过程中形成了CO2浓缩机制，极大地提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定。回答下列问题： (1)真核细胞叶绿体中，在Rubisco的催化下，CO2被固定形成_____________，进而被还原生成糖类，此过程发生在_____________中。 三碳化合物 叶绿体基质 光合作用的暗反应中，CO2被固定形成三碳化合物，进而被还原生成糖类，此过程发生在叶绿体基质中。 1 2 3 4 5 (2)海水中的无机碳主要以CO2和 两种形式存在，水体中CO2浓度低、扩散速度慢，有些藻类具有如图1所示的无机碳浓缩过程，图中 浓度最高的场所是__________(填“细胞外”“细胞质基质”或“叶绿体”)，可为图示过程提供ATP的生理过程有____________________。 叶绿体 细胞呼吸和光合作用 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 (3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制，部分过程如图2。在叶肉细胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将 转化为有机物，该有机物经过一系列的变化，最终进入相邻的维管束鞘细胞释放CO2，提高了Rubisco附近的CO2浓度。 ①由这种CO2浓缩机制可以推测，PEPC与无机碳的亲和力________(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。 高于 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 ②图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是________________。图中由Pyr转变为PEP的过程属于___________(填“吸能反应”或“放能反应”)。 NADPH和ATP 吸能反应 图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是ATP和NADPH，图中由Pyr转变为PEP的过程需要ATP水解提供能量，说明图中由Pyr转变为PEP的过程属于吸能反应。 1 2 3 4 5 ③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所，可以使用_____________技术。 同位素示踪 1 2 3 4 5 (4)(多选)通过转基因技术或蛋白质工程技术，可能进一步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理的有________(填字母)。 B.改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成 C.改造植物的Rubisco基因，增强CO2固定能力 D.将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物 ACD 改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成，不利于最终CO2的生成，不能提高植物光合作用的效率，B不符合题意。 1 2 3 4 5 5.(2021·天津，15)Rubisco是光合作用过程中催化CO2固定的酶，但其也能催化O2与C5结合，形成C3和C2，导致光合效率下降。CO2与O2竞争性结合Rubisco的同一活性位点，因此提高CO2浓度可以提高光合效率。 (1)蓝细菌具有CO2浓缩机制，如图所示。 注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散。 1 2 3 4 5 据图分析，CO2依次以__________和__________方式通过细胞膜和光合片层膜。蓝细菌的CO2浓缩机制可提高羧化体中Rubisco周围的CO2浓度，从而通过促进__________和抑制____________提高光合效率。 自由扩散 主动运输 CO2固定 O2与C5结合 (2)向烟草内转入蓝细菌Rubisco的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，应能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的____________中观察到羧化体。 1 2 3 4 5 叶绿体 1 2 3 4 5 若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，暗反应的场所为叶绿体基质，故能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的叶绿体中观察到羧化体。 (3)研究发现，转基因烟草的光合速率并未提高。若再转入 和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用，理论上该转基因植株暗反应水平应________，光反应水平应______，从而提高光合速率。 1 2 3 4 5 提高 提高 1 2 3 4 5 若转入 和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用，理论上可以增大羧化体中CO2的浓度，使转基因植株暗反应水平提高，进而消耗更多的NADPH和ATP，使光反应水平也随之提高，从而提高光合速率。 1 2 3 4 5 模拟预测 PART TWO 1.(2024·盐城高三期末)景天科、仙人掌科等植物(CAM植物)，夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放出CO2进入卡尔文循环，如图所示。请回答问题： 1 2 3 4 5 (1)夜间，来自外界环境和____________________产生的CO2转化为 ，在PEP羧化酶催化下直接与磷酸烯醇式丙酮酸(C3)结合生成_____________。 线粒体(或细胞呼吸) Pi和草酰乙酸 1 2 3 4 5 (2)白天，液泡中的苹果酸(C4)被运输到细胞质基质进行氧化脱羧，释放出的CO2直接进入___________参与卡尔文循环，同时生成的____________则进入叶绿体生成淀粉，该生理变化将导致液泡的pH______(填“升高”或“降低”)。 叶绿体基质 磷酸丙糖 升高 1 2 3 4 5 (3)叶肉细胞中能够同时进行多种化学反应，而不会互相干扰，从细胞结构角度分析，原因是细胞具有_________系统。 生物膜 1 2 3 4 5 (4)玉米、甘蔗等C4植物叶肉细胞中CO2被固定到四碳化合物(C4)中，随后C4进入维管束鞘细胞中，C4又释放出CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物。由此可见，C4植物中的固定CO2和合成糖发生在同一时间，而空间错开。而CAM植物中固定CO2和合成糖的特点是___________________ ______________________。CAM植物的气孔在白天时关闭，夜间时打开，有利于适应___________环境。 发生在同一个细胞内 (空间相同)，但时间错开 干旱(缺水) 1 2 3 4 5 (5)Rubisco是一个双功能酶，既能催化C5与CO2发生羧化反应固定CO2，又能催化C5与O2发生加氧反应进行光呼吸，其催化方向取决于CO2和O2的相对浓度，从而导致光合效率下降。CAM植物可在夜晚吸收大量的CO2，转变为苹果酸储存在液泡中，在白天苹果酸脱羧释放CO2，使得叶绿体中CO2浓度________，在与O2竞争__________时有优势，因此有人认为CAM途径是景天科植物长期进化得到的一种可以______光呼吸的碳浓缩机制。 升高 Rubisco 抑制 1 2 3 4 5 2.(2024·张家口高三二模)根据光合作用中CO2的固定方式，可将植物分为C3植物和C4植物等类型。图1和图2分别是C3植物和C4植物利用CO2的途径。请据图回答下列问题： 基质 C4 干旱地区的植物白天气孔容易关闭，导致植物体内的CO2浓度下降，C4植物固定CO2的能力比C3植物更强，因此更适应此环境 (1)图1中所示过程发生在叶肉细胞叶绿体的______结构中。_____(填“C3”或“C4”)植物适合生活在干旱地区，判定理由是____________________ _______________________________________________________________ ___________________________。 1 2 3 4 5 图1为光合作用的暗反应阶段，发生场所是叶绿体基质。干旱地区的植物白天气孔容易关闭，导致植物体内的CO2浓度下降，C4植物固定CO2的能力比C3植物更强，因此更适应此环境。 1 2 3 4 5 (2)C3植物和C4植物CO2的固定方式可以用____________法进行研究，该研究中自变量是__________________，观察指标是___________________ __________。 同位素示踪 植物的种类和时间 带放射性标记的化合 物的种类 1 2 3 4 5 C3植物和C4植物CO2的固定方式可以用同位素示踪法进行研究，观察随时间变化细胞内出现带放射性标记的化合物的种类，因此该研究中 自变量为植物的种类和时间，因变量为带放射性标记的化合物的种类。 1 2 3 4 5 3.(2024·上饶高三一模)菠萝、仙人掌以及其他一些多肉植物通过CAM代谢途径(气孔夜间开启，白天关闭)来适应干旱环境。如图为菠萝叶肉细胞的CAM代谢途径示意图，图中苹果酸是一种酸性较强的有机酸。回答下列问题： (1)在叶绿体中，吸收光能的色素分布在____________上，提取光合色素时加入CaCO3的目的是____________ _________。 类囊体薄膜 防止研磨时色 素被破坏 1 2 3 4 5 在叶绿体中，吸收光能的色素分布在类囊体薄膜上；研磨时，加入CaCO3可以防止研磨时色素被破坏，加入SiO2可以使研磨更充分。 1 2 3 4 5 (2)菠萝叶肉细胞中参与固定CO2的物质有__________。夜晚，菠萝细胞内消耗NADH的场所可能有__________ _______________。 PEP和C5 细胞质基 质和线粒体内膜 1 2 3 4 5 (3)中午12点，若降低环境中的CO2浓度，其他条件不变，在短时间内菠萝细胞内C3合成速率__________(填“会”或“不会”)发生明显变化，请说明理由：____________________ 不会 ____________________________________________________________________________。 菠萝细胞白天气孔关闭， 环境中的CO2浓度变化不会影响胞间CO2浓度，因而不会影响叶肉细胞内C3合成速率 1 2 3 4 5 中午12点，降低环境中的CO2浓度，其他条件不变，由于菠萝细胞白天气孔关闭，环境中的CO2浓度变化不会影响胞间CO2浓度，不会影响叶肉细胞内C3合成速率，故在 短时间内菠萝细胞内C3合成速率不会发生变化。 1 2 3 4 5 (4)图中通过过程a将苹果酸运输到液泡内，也会通过过程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的生理意义是__________________________ 白天 促进CO2与PEP生成OAA进而 ___________________________________________________________________写出一点)。 生成苹果酸；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 1 2 3 4 5 分析题图可知，白天时，植物光合作用需要消耗CO2，苹果酸通过过程b运出液泡，在细胞质中分解产生CO2，产生的CO2用于暗反应。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，其生理意义包括两方面：一方面促进CO2与PEP生成OAA进而生成苹果酸；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。 1 2 3 4 5 4.(2024·景德镇高三二模)夏日正午的阳光强烈，沉水植物海菜花光合作用旺盛，产生大量的O2使水体的溶解氧处于饱和状态。此时水体中的CO2被大量消耗，会诱导海菜花启动C4代谢途径，过程如图所示。在低CO2和高O2情况下，Rubisco催化加氧反应，即吸收O2产生CO2，该反应过程称为光呼吸。回答下列问题： 1 2 3 4 5 (1)海菜花光反应发生的场所是____________，图中为光合作用提供原料的无机物有水分和____________(答出两种)等。海菜花叶肉细胞中丙酮酸的产生场所有________________ _________。 类囊体薄膜 叶绿体基质和细 胞质基质 1 2 3 4 5 (2)在高O2低CO2条件下，C5发生氧化并产生光呼吸的中间产物________；在强光下，光反应转换的能量超过暗反应的需要时，会对细胞造成伤害，此时光呼吸可对细胞起到保护作用，原因是_______________________________。 光呼吸是一种______(填“吸能”或“放能”)反应。 乙醇酸 光呼吸可消耗过剩的ATP和NADPH 吸能 1 2 3 4 5 (3)图中催化CO2固定的两种酶(PEPC、Rubisco)中，与CO2( )亲和力较高的是PEPC，原因是____________________ ___________________________。 与Rubisco相比，PEPC能固定和利用较低浓度的CO2 5.(2024·宿迁高三一模)三峡库区支流通常在春夏之交和夏季爆发大规模蓝细菌及绿藻水华，课题组成员对水华优势藻中蓝细菌的CO2浓缩机制(CCM)进行研究。CCM包括三个部分：无机碳跨膜转运，羧体内CO2固定，逃逸CO2部分回收。蓝细菌细胞中，碳酸酐酶(CA)是一种含锌的金属酶，可以催化OH－＋CO2 互相转化，存在着α－CA、β－CA、γ－CA类型，在不同位置，CA催化方向有所差异。水体中无机碳形式主要有CO2(或H2CO3)、 等，A～D为运载体，①～⑤为生理过程，Rubisco是催化五碳化合物(RuBP)和CO2或O2反应的酶，PGA是三碳化合物，PSⅠ和PSⅡ是光合系统。 1 2 3 4 5 请结合图示回答下列问题： 1 2 3 4 5 (1)图示过程________(填①～⑤)需要提供能量。 ②③④ 由题图可知，过程①代表CO2的固定，过程②代表C3的还原，过程③代表水的光解，过程④代表NADPH的形成，过程⑤代表五碳化合物(RuBP)和O2反应生成乙醇酸和PGA的过程，所以需要提供能量的是过程②③④。 (2)蓝细菌中存在无机碳跨膜转运机制，从而能够在细胞质内积累高出细胞外500～1 000倍无机碳，蓝细菌细胞周层区域由于pH和外泌α/β－CA催化等原因，水体无机碳主要以________(填 1 2 3 4 5 “CO2”或“ ”)形式进入细胞质，从而达到浓缩碳的目的。图中 和Na＋通过运载体A进入细胞的运输方式________(填“相同”或“不相同”)。利用载体C逆浓度运输的物质为________，H＋通过载体D运出细胞由__________提供动力。 不相同 Na＋ NAD(P)H 1 2 3 4 5 蓝细菌中存在无机碳跨膜转运机制，从而能够在细胞质内积累高出细胞外500～1 000倍无机碳，蓝细菌细胞周层区域由于pH和外泌α/β－CA催化等原因，水体无机碳与OH－在α/β－CA催化下形成 进入细胞质，从而 达到浓缩碳的目的。图中Na＋通过运载体A进入细胞是顺浓度梯度的，运输方式为协助扩散， 通过运载体A进入细胞的运输方式为主动运输，因此 和Na＋通过运载体A进入细胞的运输方式不相同。利用载体C逆浓度运输的物质为Na＋，H＋通过载体D运出细胞由NAD(P)H提供动力。 (3)羧体在蓝细菌CCM机制中起关键作用，细胞中绝大部分Rubisco位于羧体内。羧体第一个功能就是充当微室，羧体对 透性强，在羧体内存在许多β/γ－CA，可以将进入羧体内的 催化成CO2形式，使羧体内CO2浓度升高，从而抑制过程________(填“①”或 1 2 3 4 5 “⑤”)进行。羧体第二个功能可以防止CO2逃逸，目前有部分学者认为羧体鞘由蛋白质组成，对气体透性低，有的学者持不同意见，认为可能是羧体中Rubisco和β/γ－CA排布引起的。在羧体内两者紧密排列在一起，_________排列在中间，________排列在周围，CO2生成后立即参加过程①反应，以防止CO2逃逸。 ⑤ β/γ－CA Rubisco 1 2 3 4 5 由题图信息可知，五碳化合物(RuBP)和CO2或O2都能反应，所以在羧体内存在许多β/γ－CA可以将进入羧体内的 催化成CO2形式，使羧体内CO2浓度升高，从而抑制过程⑤进行。 (4)逃逸CO2部分回收，科学家利用蓝细菌大量吸收CO2后，很难观察到CO2泄漏现象，原因是细胞_______________ 上有许多β－CA将CO2转化成 ，使细胞内___________(填图中场所)处CO2浓度最低，CO2很难逃逸出细胞。 1 2 3 4 5 类囊体膜和细胞膜 外侧细胞质 HCO HCO 由题图1可知，HCO运输需要消耗ATP，说明HCO是通过主动运输进入叶绿体的，主动运输一般是逆浓度梯度运输，由此推断图中HCO浓度最高的场所是叶绿体。该过程中细胞质中需要的ATP由细胞呼吸提供，叶绿体中的ATP由光合作用提供。 HCO PEPC参与催化HCO＋PEP过程，说明PEPC与无机碳的亲和力高于Rubisco。 A.改造植物的HCO转运蛋白基因，增强HCO的运输能力 HCO HCO HCO CO2、HCO HCO HCO HCO HCO HCO HCO HCO HCO HCO HCO HCO HCO HCO $$ [重点突破]　第7练　不同植物固定二氧化碳方式的比较　[分值：100分] 1．(9分)(2024·广东，20节选)某湖泊引种的3种多年生草本沉水植物(①金鱼藻、②黑藻、③苦草)在不同光照强度下光合速率及水质净化能力见图。 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。根据图示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 答案　①(金鱼藻)　500　CO2浓度较低且相同　O2释放量 2．(10分)(2023·湖南，17)如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(K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。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ATP生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利用PEPC酶(PEPC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。回答下列问题： (1)(3分)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。 (2)(4分)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)(3分)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)。 答案　(1) 3－磷酸甘油醛　蔗糖　维管组织 (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酶比水稻的Rubisco酶对CO2的亲和力更高；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，但其卡尔文循环的过程是相同的，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，蔗糖是植物长距离运输的主要糖类，蔗糖在长距离运输时是通过维管组织进行的。(2)干旱、高光照强度时会导致植物气孔关闭，吸收的CO2减少，而玉米的PEPC酶比水稻的Rubisco酶对CO2的亲和力更高；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浓缩机制导入水稻叶肉细胞，只是提高了叶肉细胞内的CO2浓度，而植物的光合作用强度受到很多因素的影响，在光饱和条件下如果光合作用强度没有明显提高，可能是水稻的酶活性达到最大，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，二者的光合作用机制有所不同。 3．(7分)(2022·全国甲，29节选)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)(3分)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)(4分)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)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)干旱会导致气孔开度减小，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。 4．(每空1分，共9分)(2021·辽宁，22)早期地球大气中的O2浓度很低，到了大约3.5亿年前，大气中O2浓度显著增加，CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约390 μmol·mol－1，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是一种催化CO2固定的酶，在低浓度CO2条件下，催化效率低。有些植物在进化过程中形成了CO2浓缩机制，极大地提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定。回答下列问题： (1)真核细胞叶绿体中，在Rubisco的催化下，CO2被固定形成______________，进而被还原生成糖类，此过程发生在__________________中。 (2)海水中的无机碳主要以CO2和HCO两种形式存在，水体中CO2浓度低、扩散速度慢，有些藻类具有如图1所示的无机碳浓缩过程，图中HCO浓度最高的场所是__________(填“细胞外”“细胞质基质”或“叶绿体”)，可为图示过程提供ATP的生理过程有____________________。 (3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制，部分过程如图2。在叶肉细胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将HCO转化为有机物，该有机物经过一系列的变化，最终进入相邻的维管束鞘细胞释放CO2，提高了Rubisco附近的CO2浓度。 ①由这种CO2浓缩机制可以推测，PEPC与无机碳的亲和力________(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。 ②图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是________________。图中由Pyr转变为PEP的过程属于________________(填“吸能反应”或“放能反应”)。 ③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所，可以使用________________技术。 (4)(多选)通过转基因技术或蛋白质工程技术，可能进一步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理的有________(填字母)。 A．改造植物的HCO转运蛋白基因，增强HCO的运输能力 B．改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成 C．改造植物的Rubisco基因，增强CO2固定能力 D．将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物 答案　(1)三碳化合物　叶绿体基质　(2)叶绿体　细胞呼吸和光合作用　(3)①高于　②NADPH和ATP　吸能反应　③同位素示踪　(4)ACD 解析　(1)光合作用的暗反应中，CO2被固定形成三碳化合物，进而被还原生成糖类，此过程发生在叶绿体基质中。(2)由题图1可知，HCO运输需要消耗ATP，说明HCO是通过主动运输进入叶绿体的，主动运输一般是逆浓度梯度运输，由此推断图中HCO浓度最高的场所是叶绿体。该过程中细胞质中需要的ATP由细胞呼吸提供，叶绿体中的ATP由光合作用提供。(3)①PEPC参与催化HCO＋PEP过程，说明PEPC与无机碳的亲和力高于Rubisco。②图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是ATP和NADPH，图中由Pyr转变为PEP的过程需要ATP水解提供能量，说明图中由Pyr转变为PEP的过程属于吸能反应。(4)改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成，不利于最终CO2的生成，不能提高植物光合作用的效率，B不符合题意。 5．(每空2分，共14分)(2021·天津，15)Rubisco是光合作用过程中催化CO2固定的酶，但其也能催化O2与C5结合，形成C3和C2，导致光合效率下降。CO2与O2竞争性结合Rubisco的同一活性位点，因此提高CO2浓度可以提高光合效率。 (1)蓝细菌具有CO2浓缩机制，如图所示。 注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散。 据图分析，CO2依次以________和__________方式通过细胞膜和光合片层膜。蓝细菌的CO2浓缩机制可提高羧化体中Rubisco周围的CO2浓度，从而通过促进________和抑制__________提高光合效率。 (2)向烟草内转入蓝细菌Rubisco的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，应能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的____________中观察到羧化体。 (3)研究发现，转基因烟草的光合速率并未提高。若再转入HCO和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用，理论上该转基因植株暗反应水平应________，光反应水平应______，从而提高光合速率。 答案　(1)自由扩散　主动运输　CO2固定　O2与C5结合　(2)叶绿体　(3)提高　提高 解析　(2)若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，暗反应的场所为叶绿体基质，故能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的叶绿体中观察到羧化体。(3)若转入HCO和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用，理论上可以增大羧化体中CO2的浓度，使转基因植株暗反应水平提高，进而消耗更多的NADPH和ATP，使光反应水平也随之提高，从而提高光合速率。 1．(12分)(2024·盐城高三期末)景天科、仙人掌科等植物(CAM植物)，夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放出CO2进入卡尔文循环，如图所示。请回答问题： (1)(2分)夜间，来自外界环境和____________产生的CO2转化为HCO，在PEP羧化酶催化下直接与磷酸烯醇式丙酮酸(C3)结合生成______________。 (2)(3分)白天，液泡中的苹果酸(C4)被运输到细胞质基质进行氧化脱羧，释放出的CO2直接进入________参与卡尔文循环，同时生成的____________则进入叶绿体生成淀粉，该生理变化将导致液泡的pH____________(填“升高”或“降低”)。 (3)(1分)叶肉细胞中能够同时进行多种化学反应，而不会互相干扰，从细胞结构角度分析，原因是细胞具有____________________系统。 (4)(3分)玉米、甘蔗等C4植物叶肉细胞中CO2被固定到四碳化合物(C4)中，随后C4进入维管束鞘细胞中，C4又释放出CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物。由此可见，C4植物中的固定CO2和合成糖发生在同一时间，而空间错开。而CAM植物中固定CO2和合成糖的特点是________________________________。CAM植物的气孔在白天时关闭，夜间时打开，有利于适应______________环境。 (5)(3分)Rubisco是一个双功能酶，既能催化C5与CO2发生羧化反应固定CO2，又能催化C5与O2发生加氧反应进行光呼吸，其催化方向取决于CO2和O2的相对浓度，从而导致光合效率下降。CAM植物可在夜晚吸收大量的CO2，转变为苹果酸储存在液泡中，在白天苹果酸脱羧释放CO2，使得叶绿体中CO2浓度________，在与O2竞争__________时有优势，因此有人认为CAM途径是景天科植物长期进化得到的一种可以______光呼吸的碳浓缩机制。 答案　(1)线粒体(或细胞呼吸)　Pi和草酰乙酸 (2)叶绿体基质　磷酸丙糖　升高　(3)生物膜　(4)发生在同一个细胞内(空间相同)，但时间错开　干旱(缺水)　(5)升高　Rubisco　抑制 2．(9分)(2024·张家口高三二模)根据光合作用中CO2的固定方式，可将植物分为C3植物和C4植物等类型。图1和图2分别是C3植物和C4植物利用CO2的途径。请据图回答下列问题： (1)(5分)图1中所示过程发生在叶肉细胞叶绿体的________结构中。________(填“C3”或“C4”)植物适合生活在干旱地区，判定理由是_______________________________ ________________________________________________________________________。 (2)(4分)C3植物和C4植物CO2的固定方式可以用____________法进行研究，该研究中自变量是________________，观察指标是________________________。 答案　(1)基质　C4　干旱地区的植物白天气孔容易关闭，导致植物体内的CO2浓度下降，C4植物固定CO2的能力比C3植物更强，因此更适应此环境　(2)同位素示踪　植物的种类和时间　带放射性标记的化合物的种类 解析　(1)图1为光合作用的暗反应阶段，发生场所是叶绿体基质。干旱地区的植物白天气孔容易关闭，导致植物体内的CO2浓度下降，C4植物固定CO2的能力比C3植物更强，因此更适应此环境。(2)C3植物和C4植物CO2的固定方式可以用同位素示踪法进行研究，观察随时间变化细胞内出现带放射性标记的化合物的种类，因此该研究中自变量为植物的种类和时间，因变量为带放射性标记的化合物的种类。 3．(13分)(2024·上饶高三一模)菠萝、仙人掌以及其他一些多肉植物通过CAM代谢途径(气孔夜间开启，白天关闭)来适应干旱环境。如图为菠萝叶肉细胞的CAM代谢途径示意图，图中苹果酸是一种酸性较强的有机酸。回答下列问题： (1)(2分)在叶绿体中，吸收光能的色素分布在__________上，提取光合色素时加入CaCO3的目的是__________________________。 (2)(3分)菠萝叶肉细胞中参与固定CO2的物质有__________。夜晚，菠萝细胞内消耗NADH的场所可能有_________________________________________________________。 (3)(4分)中午12点，若降低环境中的CO2浓度，其他条件不变，在短时间内菠萝细胞内C3合成速率__________(填“会”或“不会”)发生明显变化，请说明理由：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)(4分)图中通过过程a将苹果酸运输到液泡内，也会通过过程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的生理意义是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________(写出一点)。 答案　(1)类囊体薄膜　防止研磨时色素被破坏　(2)PEP和C5　细胞质基质和线粒体内膜　(3)不会　菠萝细胞白天气孔关闭，环境中的CO2浓度变化不会影响胞间CO2浓度，因而不会影响叶肉细胞内C3合成速率　(4)白天　促进CO2与PEP生成OAA进而生成苹果酸；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 解析　(1)在叶绿体中，吸收光能的色素分布在类囊体薄膜上；研磨时，加入CaCO3可以防止研磨时色素被破坏，加入SiO2可以使研磨更充分。(3)中午12点，降低环境中的CO2浓度，其他条件不变，由于菠萝细胞白天气孔关闭，环境中的CO2浓度变化不会影响胞间CO2浓度，不会影响叶肉细胞内C3合成速率，故在短时间内菠萝细胞内C3合成速率不会发生变化。(4)分析题图可知，白天时，植物光合作用需要消耗CO2，苹果酸通过过程b运出液泡，在细胞质中分解产生CO2，产生的CO2用于暗反应。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，其生理意义包括两方面：一方面促进CO2与PEP生成OAA进而生成苹果酸；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。 4．(每空1分，共7分)(2024·景德镇高三二模)夏日正午的阳光强烈，沉水植物海菜花光合作用旺盛，产生大量的O2使水体的溶解氧处于饱和状态。此时水体中的CO2被大量消耗，会诱导海菜花启动C4代谢途径，过程如图所示。在低CO2和高O2情况下，Rubisco催化加氧反应，即吸收O2产生CO2，该反应过程称为光呼吸。回答下列问题： (1)海菜花光反应发生的场所是________，图中为光合作用提供原料的无机物有水分和________________________(答出两种)等。海菜花叶肉细胞中丙酮酸的产生场所有______________。 (2)在高O2低CO2条件下，C5发生氧化并产生光呼吸的中间产物________；在强光下，光反应转换的能量超过暗反应的需要时，会对细胞造成伤害，此时光呼吸可对细胞起到保护作用，原因是________________________________________________________________________。 光呼吸是一种________(填“吸能”或“放能”)反应。 (3)图中催化CO2固定的两种酶(PEPC、Rubisco)中，与CO2(HCO)亲和力较高的是PEPC，原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　(1)类囊体薄膜　CO2、HCO　叶绿体基质和细胞质基质　(2)乙醇酸　光呼吸可消耗过剩的ATP和NADPH　吸能　(3)与Rubisco相比，PEPC能固定和利用较低浓度的CO2 5．(每空1分，共10分)(2024·宿迁高三一模)三峡库区支流通常在春夏之交和夏季爆发大规模蓝细菌及绿藻水华，课题组成员对水华优势藻中蓝细菌的CO2浓缩机制(CCM)进行研究。CCM包括三个部分：无机碳跨膜转运，羧体内CO2固定，逃逸CO2部分回收。蓝细菌细胞中，碳酸酐酶(CA)是一种含锌的金属酶，可以催化OH－＋CO2HCO互相转化，存在着α－CA、β－CA、γ－CA类型，在不同位置，CA催化方向有所差异。水体中无机碳形式主要有CO2(或H2CO3)、HCO等，A～D为运载体，①～⑤为生理过程，Rubisco是催化五碳化合物(RuBP)和CO2或O2反应的酶，PGA是三碳化合物，PSⅠ和PSⅡ是光合系统。请结合图示回答下列问题： (1)图示过程________(填①～⑤)需要提供能量。 (2)蓝细菌中存在无机碳跨膜转运机制，从而能够在细胞质内积累高出细胞外500～1 000倍无机碳，蓝细菌细胞周层区域由于pH和外泌α/β－CA催化等原因，水体无机碳主要以________(填“CO2”或“HCO”)形式进入细胞质，从而达到浓缩碳的目的。图中HCO和Na＋通过运载体A进入细胞的运输方式________(填“相同”或“不相同”)。利用载体C逆浓度运输的物质为________，H＋通过载体D运出细胞由________提供动力。 (3)羧体在蓝细菌CCM机制中起关键作用，细胞中绝大部分Rubisco位于羧体内。羧体第一个功能就是充当微室，羧体对HCO透性强，在羧体内存在许多β/γ－CA，可以将进入羧体内的HCO催化成CO2形式，使羧体内CO2浓度升高，从而抑制过程________(填“①”或“⑤”)进行。羧体第二个功能可以防止CO2逃逸，目前有部分学者认为羧体鞘由蛋白质组成，对气体透性低，有的学者持不同意见，认为可能是羧体中Rubisco和β/γ－CA排布引起的。在羧体内两者紧密排列在一起，________排列在中间，________排列在周围，CO2生成后立即参加过程①反应，以防止CO2逃逸。 (4)逃逸CO2部分回收，科学家利用蓝细菌大量吸收CO2后，很难观察到CO2泄漏现象，原因是细胞____________________上有许多β－CA将CO2转化成HCO，使细胞内________(填图中场所)处CO2浓度最低，CO2很难逃逸出细胞。 答案　(1)②③④　(2)HCO　不相同　Na＋　NAD(P)H　(3)⑤　β/γ－CA　Rubisco　(4)类囊体膜和细胞膜　外侧细胞质 解析　(1)由题图可知，过程①代表CO2的固定，过程②代表C3的还原，过程③代表水的光解，过程④代表NADPH的形成，过程⑤代表五碳化合物(RuBP)和O2反应生成乙醇酸和PGA的过程，所以需要提供能量的是过程②③④。(2)蓝细菌中存在无机碳跨膜转运机制，从而能够在细胞质内积累高出细胞外500～1 000倍无机碳，蓝细菌细胞周层区域由于pH和外泌α/β－CA催化等原因，水体无机碳与OH－在α/β－CA催化下形成HCO进入细胞质，从而达到浓缩碳的目的。图中Na＋通过运载体A进入细胞是顺浓度梯度的，运输方式为协助扩散，HCO通过运载体A进入细胞的运输方式为主动运输，因此HCO和Na＋通过运载体A进入细胞的运输方式不相同。利用载体C逆浓度运输的物质为Na＋，H＋通过载体D运出细胞由NAD(P)H提供动力。(3)由题图信息可知，五碳化合物(RuBP)和CO2或O2都能反应，所以在羧体内存在许多β/γ－CA可以将进入羧体内的HCO催化成CO2形式，使羧体内CO2浓度升高，从而抑制过程⑤进行。 学科网（北京）股份有限公司 $$