专题07 C4途经、CAM途经蓝细菌的CO₂浓缩机制-2025年高考生物考前复习专项必备

07 C4途径、CAM途径和细菌CO2浓缩机制 一、考情分析 该命题点每年考查考生能探究某种环境因素对光合作用强度的影响，分析不同环境因素影响光合作用强度的原因，说明光合作用原理在生产生活实践中的应用，准确判断题目中给出的是植物的净光合作用强度还是总光合作用强度，并进行相关计算。通过以上多种角度的设计，实现对考生的理解能力、逻辑推理能力、实验探究能力、解决问题的能力等多种能力的考查，并帮助考生建立起光合作用在生产生活实践中应用的社会责任。 题目情境的呈现或是文字描述，或是图表展示。高考题目中涉及具体生产生活实践中的不同植物的光合作用，如盐胁迫、干旱胁迫、强光等对植物光合速率的影响，还有C₄植物、CAM植物等的光合作用。该命题点的试题情境多样，以下两种居多：一是当代科学家所做的一种或多种环境因素影响光合作用速率的实验数据表或坐标曲线图，二是大学教材中光合作用过程的文字或图解C₄途径、CAM途径和细菌的CO2浓缩机制等。 以光合作用特殊类型如C4途径、CAM途径、细菌的CO2浓缩机制等作为情境，考查运用科学思维方法认识事物、解决实际问题的能力和思维习惯，其难点是原因类问题的规范作答。 二、知识拓展 （一）C3途经是光合作用碳代谢的基本途径。 在高等植物中，光合碳同化主要有3种类型：C3途径，C4途径和景天酸代谢途径(CAM)。C3途径，也称为卡尔文循环或还原戊糖磷酸途径，是所有植物光合碳同化的基本途径。该途径包括三个阶段：羧化阶段、还原阶段和再生阶段。 1.羧化阶段：酶 CO2+C5核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）—→2×3-磷酸甘油酸（PGA）C3 2.还原阶段：ATP、NADPH 2C3+————→（CH2O）酶 3.再生阶段ATP、NADPH 2C3+————→C5酶 （二C4途经） C4途经是从C3途经进化产生的CO2固定途经，C3途经仍是光合碳代谢的基本途经。C4途经的基本反应示意图如下。 1.C4途经 ①发生场所：叶肉细胞细胞质 ②过程：PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）+HCO3-——→草酰乙酸+磷酸苹果酸脱氢酶 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 草酰乙酸+NADPH+H+——→苹果酸+NADP+天冬氨酸转氨酶 草酰乙酸+谷氨酸——→天冬氨酸+α-酮戊二酸依赖NADP苹果酸酶 苹果酸+NADP+————→丙酮酸+NADPH+H++CO2依赖NAD苹果酸酶 苹果酸+NAD+————→丙酮酸+NADH+H++CO2 2.C4途经的类型 3.C4途经的调节 ①光可激活苹果酸脱氢酶和丙酮酸磷酸二激酶，其活化程度与光强度呈正比，这两种酶在暗中则被钝化。 ②效应剂调节PEP羧化酶的活性。苹果酸和天冬氨酸抑制PEP羧化酶的活性，G6P则增加其活性，这些调节作用在低pH、低Mg2+和低PEP条件下特别突出。 ③二价金属离子都是C4植物脱羧酶的活化剂。 （三、CAM途径） 有些植物气孔表现为夜间张开，白天关闭。夜间淀粉、糖减少，苹果酸增加，细胞液变酸；白天苹果酸减少，淀粉、糖增加，细胞液酸性变弱。具有这种有机酸合成日变化的碳代谢类型称为景天酸代谢（CAM）途径。如下图。 1.景天酸途经的类型（按植物一生中对CAM的转性程度划分） ①转性CAM植物：一生中大部分时间的碳代谢是CAM途经。 ②兼性CAM植物：在正常条件下只进行C3途经，当遇到干旱、盐渍和短日照时进行CAM途经，以抵抗不良环境。 2.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。 （四、蓝细菌的CO2浓缩机制） （五、结论性语句） ①C4T途经、CAM途经都是从C3途经进化来的。蓝细菌的CO2浓缩是提高细胞内CO2浓度的途经。 ②C3途经是绿色植物光合碳代谢的基本途经，三者最终合成光合产物都需要经过C3途经。 ③C4途经CO2的初步固定和还原在空间上分开，CAM途经CO2的初步固定和还原在时间上分开。 ④不同植物可以具有不同的光合碳同化途经，不同碳代谢类型之间的划分不是绝对的，它们在一定条件下可以相互转化。 ⑤C4植物的生理特点：⑥ A.维管束鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了光合产物积累对光合作用可能产生的抑制作用。 B.C4植物叶肉细胞中的PEPC对底物CO2的亲和力极高。 C.C4植物有浓缩CO2的机制，浓缩后高浓度的CO2促进了Rubisco的羧化反应。 D.高光强可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化力，以满足植物对ATP的需求。 E.在高光强基温度较低的情况下，C4植物光和效率低于C3植物，C4途经是植物对热带环境的一种适应方式。 三、高考真题分析 例1.（2021·天津·高考真题）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，如下图所示。 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HCO3-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。 例2.（2021·全国乙卷·高考真题）生活在干旱地区的一些植物（如植物甲）具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题： （1）白天叶肉细胞产生ATP的场所有 。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和 释放的CO2。 （2）气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能防止 ，又能保证 正常进行。 （3）若以pH作为检测指标，请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。 （简要写出实验思路和预期结果） 例3.（2022·全国甲卷·高考真题）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 。 四、高考模拟试题精选 一、单选题 1．（2025·广东·一模）玉米的光合作用既有C4途径又有C3途径（如下图），PEP羧化酶对CO2具有较强亲和力。据图分析，下列说法正确的是（    ）    A．物质B为C3，它和PEP均可固定CO2 B．卡尔文循环进行的场所是叶绿体基质 C．为过程②提供能量的物质有ATP和NADH D．在炎热夏季中午，叶肉细胞还可以生成淀粉 2．（2024·湖北黄冈·二模）水稻属于C3植物，其叶肉细胞能进行光合作用。玉米属于C4植物，叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成光合作用，过程如图1所示，图中PEP羧化酶对CO2的亲和力约是Rubisco对CO2的亲和力的60倍。某种玉米和水稻的光合速率随外界CQ2浓度的变化如图2所示。据图推测，下列说法不合理的是（　　） A．玉米的叶肉细胞可以给维管束鞘细胞提供ATP和NADPH B．检测玉米中淀粉的产生场所应选择维管束鞘细胞的叶绿体 C．图2中玉米和水稻分别对应曲线A和B D．种植C4植物比种植C3植物更有利于实现碳中和的目标 3．（2024·北京丰台·一模）CAM植物白天气孔关闭，夜晚气孔打开，以适应干旱环境。下图为其部分代谢途径，相关叙述不正确的是（    ）    A．催化过程①和过程②所需的酶不同 B．卡尔文循环的场所是叶绿体类囊体薄膜 C．CAM植物白天气孔关闭可减少水分散失 D．夜晚缺乏NADPH和ATP不能进行卡尔文循环 4．（2021·山东烟台·一模）我国科学家设计了一种可以基因编码的光敏蛋白（PSP），成功模拟了光合系统的部分过程。在光照条件下，PSP能够将CO2直接还原，使电子传递效率和CO2还原效率明显提高。下列说法错误的是（    ） A．自然光合系统只能还原C3，而光敏蛋白可直接还原CO2 B．黑暗条件下自然光合系统中的暗反应可持续进行，而光敏蛋白发挥作用离不开光照 C．光敏蛋白与自然光合系统中光合色素、[H]和ATP等物质的功能相似 D．该研究为减轻温室效应提供了新思路 5．（2020·山东潍坊·三模）磷酸丙糖不仅是光合作用中最先产生的糖，也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。如图为某植物光合作用产物的合成与运输示意图。下列相关说法正确的是（    ） A．a表示的物质是ATP，它也可以在叶绿体基质中合成 B．磷酸丙糖应该是一种五碳化合物 C．磷酸丙糖是暗反应产物，在细胞质基质中合成淀粉 D．若图中表示的磷酸转运器活性受抑制，会导致光合速率下降 二、多选题 6．（2025·湖南·二模）植物叶绿体中进行CO2固定的R酶在光下，CO2相对不足时，也可以消耗氧气并释放CO2，该过程被称为光呼吸。光呼吸会导致光合作用减弱、作物减产，研究人员为获得光诱导型高产水稻，通过基因工程在其叶绿体内构建一条光呼吸支路（GMA途径，图中叶绿体虚线框内过程）。下列有关此过程的说法正确的是（    ） A．光呼吸过程中，O2与CO2竞争结合R酶，降低了光合作用中暗反应阶段的速率 B．乙醇酸进入过氧化物酶体会导致叶绿体内的碳流失，进而导致水稻减产 C．GMA途径能减少叶绿体中有机碳的流失，但并不会增加参与卡尔文循环的C5的量 D．GMA途径所用的外源G酶、A酶和M酶的基因均需导入叶绿体，并由其独立表达 7．（2025·山东·模拟预测）强光照射时植物细胞光反应会产生大量NADPH，NADPH的积累会造成叶绿体损伤。细胞可通过草酰乙酸一苹果酸循环及AOX（交替氧化酶）途径消耗掉叶绿体中过剩的NADPH，相关过程如图所示。AOX能促进NADH与O2反应生成H2O，此过程产生极少量ATP。下列说法正确的是（    ）    A．NADPH和NADH均为还原剂，其消耗场所均在膜上 B．AOX途径生成的ATP可为细胞内外的生命活动供能 C．强光照射时阻断草酰乙酸一苹果酸循环，细胞产热减少 D．强光时增大CO2浓度可导致AOX途径生成的H2O减少 8．（2024·河北秦皇岛·二模）科研人员探究某植物叶片昼夜酸度变化趋势与光合作用的关系，进行了相关实验并得出下图甲、乙所示的结果。下列相关叙述正确的是（    ） A．该植物叶片进行光合作用时产生O2和利用CO2的场所均为叶绿体基质 B．在低CO2浓度处理条件下，叶片酸度变化规律是夜晚升高，白天降低 C．在低CO2浓度处理条件下，叶片中苹果酸变化规律是夜晚积累，白天消耗 D．由实验可知，该植物叶片昼夜酸度变化可能与苹果酸消耗时产生的CO2有关 三、非选择题 9．（2025·河南·二模）玉米是C4植物，其参与CO2固定的酶有PEP羧化酶和RuBP羧化酶两种，其中PEP羧化酶对CO2的亲和力显著高于RuBP羧化酶，可以把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来，如图所示，回答下列问题：    (1)维管束鞘细胞叶绿体中C3的还原过程需要光反应的产物 提供能量。据图推测，维管束鞘细胞中CO2浓度 （填“高于”或“低于”）叶肉细胞中的CO2浓度；显微镜下观察C4植物玉米的叶片发现，叶肉细胞包围在维管束鞘细胞四周，形成花环状结构，这种结构可从 两个方面提高植物吸收CO2的效率，有利于其适应低浓度CO2环境。 (2)灌浆期是农作物的一个重要生长时期，即光合作用产物输出并储存在籽粒中的阶段，光合作用产物主要以蔗糖的形式输出到籽粒中。实验小组检测了灌浆期给玉米喷施油菜素内酯（BR）对相关酶活性的影响，实验结果如下表所示。 PEP羧化酶/（μmolCO2·h-1·mg-1） RuBP羧化酶/（μmolCO2·h-1·mg-1） 蔗糖合成酶/（Ug-1·min-1FW） 对照组 48.5 1.68 2.62 外施BR组 63.2 2.85 3.89 分析表格数据，试从两个方面阐述灌浆期喷施BR能提高玉米产量的原因：① ；② 。 (3)光合色素溶液的浓度与其光吸收值成正比，适当波长的光可用于色素含量的测定。若要检测喷施BR能否提高玉米灌浆期叶肉细胞中叶绿素的含量，则应测定喷施BR前后叶片叶绿体色素提取液对 吸收值的变化。 10．（2025·陕西汉中·二模）“荷尽已无擎雨盖，菊残犹有傲霜枝。”这句诗赞美了菊花顽强的生命力和不畏艰难的精神。随着全球气温变暖，高温胁迫影响着植物的生长发育。研究人员对切花菊的三个品种（威尼斯、紫精灵和凯撒红）分别进行常温（25℃）和高温（45℃）处理，12h后，检测完全展开叶光合作用的部分指标，结果如图所示。回答下列问题：    (1)高温处理后，威尼斯、紫精灵和凯撒红这三个品种中，光合速率小于呼吸速率的是 。高温处理会改变这三个品种的光合速率，此时，影响光合速率的是 （填“气孔”或“非气孔”）限制因素。 (2)胞间CO2浓度是指叶肉细胞间的CO2浓度。高温处理后，紫精灵的胞间CO2浓度 ，主要原因是 。 (3)D1蛋白是位于光反应中心的跨膜蛋白，参与光反应中的电子传递。在叶肉细胞中，D1蛋白的分布场所是 。电子经过传递，可用于 结合形成NADPH。高光强和高温均会损伤D1蛋白，受损的D1蛋白会被剪切成两段，一部分被关键酶FtsH2降解，另一部分被重新利用并装配成新的D1蛋白。检测发现，高温条件下威尼斯的FtsH2活性最高，有利于 ，从而维持较高的光合速率以抵御高温胁迫。 学科网（北京）股份有限公司 $$ 07 C4途径、CAM途径和细菌CO2浓缩机制 一、考情分析 该命题点每年考查考生能探究某种环境因素对光合作用强度的影响，分析不同环境因素影响光合作用强度的原因，说明光合作用原理在生产生活实践中的应用，准确判断题目中给出的是植物的净光合作用强度还是总光合作用强度，并进行相关计算。通过以上多种角度的设计，实现对考生的理解能力、逻辑推理能力、实验探究能力、解决问题的能力等多种能力的考查，并帮助考生建立起光合作用在生产生活实践中应用的社会责任。 题目情境的呈现或是文字描述，或是图表展示。高考题目中涉及具体生产生活实践中的不同植物的光合作用，如盐胁迫、干旱胁迫、强光等对植物光合速率的影响，还有C₄植物、CAM植物等的光合作用。该命题点的试题情境多样，以下两种居多：一是当代科学家所做的一种或多种环境因素影响光合作用速率的实验数据表或坐标曲线图，二是大学教材中光合作用过程的文字或图解C₄途径、CAM途径和细菌的CO2浓缩机制等。 以光合作用特殊类型如C4途径、CAM途径、细菌的CO2浓缩机制等作为情境，考查运用科学思维方法认识事物、解决实际问题的能力和思维习惯，其难点是原因类问题的规范作答。 二、知识拓展 （一）C3途经是光合作用碳代谢的基本途径。 在高等植物中，光合碳同化主要有3种类型：C3途径，C4途径和景天酸代谢途径(CAM)。C3途径，也称为卡尔文循环或还原戊糖磷酸途径，是所有植物光合碳同化的基本途径。该途径包括三个阶段：羧化阶段、还原阶段和再生阶段。 1.羧化阶段：酶 CO2+C5核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）—→2×3-磷酸甘油酸（PGA）C3 2.还原阶段：ATP、NADPH 2C3+————→（CH2O）酶 3.再生阶段ATP、NADPH 2C3+————→C5酶 （二C4途经） C4途经是从C3途经进化产生的CO2固定途经，C3途经仍是光合碳代谢的基本途经。C4途经的基本反应示意图如下。 1.C4途经 ①发生场所：叶肉细胞细胞质 ②过程：PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）+HCO3-——→草酰乙酸+磷酸苹果酸脱氢酶 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 草酰乙酸+NADPH+H+——→苹果酸+NADP+天冬氨酸转氨酶 草酰乙酸+谷氨酸——→天冬氨酸+α-酮戊二酸依赖NADP苹果酸酶 苹果酸+NADP+————→丙酮酸+NADPH+H++CO2依赖NAD苹果酸酶 苹果酸+NAD+————→丙酮酸+NADH+H++CO2 2.C4途经的类型 3.C4途经的调节 ①光可激活苹果酸脱氢酶和丙酮酸磷酸二激酶，其活化程度与光强度呈正比，这两种酶在暗中则被钝化。 ②效应剂调节PEP羧化酶的活性。苹果酸和天冬氨酸抑制PEP羧化酶的活性，G6P则增加其活性，这些调节作用在低pH、低Mg2+和低PEP条件下特别突出。 ③二价金属离子都是C4植物脱羧酶的活化剂。 （三、CAM途径） 有些植物气孔表现为夜间张开，白天关闭。夜间淀粉、糖减少，苹果酸增加，细胞液变酸；白天苹果酸减少，淀粉、糖增加，细胞液酸性变弱。具有这种有机酸合成日变化的碳代谢类型称为景天酸代谢（CAM）途径。如下图。 1.景天酸途经的类型（按植物一生中对CAM的转性程度划分） ①转性CAM植物：一生中大部分时间的碳代谢是CAM途经。 ②兼性CAM植物：在正常条件下只进行C3途经，当遇到干旱、盐渍和短日照时进行CAM途经，以抵抗不良环境。 2.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。 （四、蓝细菌的CO2浓缩机制） （五、结论性语句） ①C4T途经、CAM途经都是从C3途经进化来的。蓝细菌的CO2浓缩是提高细胞内CO2浓度的途经。 ②C3途经是绿色植物光合碳代谢的基本途经，三者最终合成光合产物都需要经过C3途经。 ③C4途经CO2的初步固定和还原在空间上分开，CAM途经CO2的初步固定和还原在时间上分开。 ④不同植物可以具有不同的光合碳同化途经，不同碳代谢类型之间的划分不是绝对的，它们在一定条件下可以相互转化。 ⑤C4植物的生理特点：⑥ A.维管束鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了光合产物积累对光合作用可能产生的抑制作用。 B.C4植物叶肉细胞中的PEPC对底物CO2的亲和力极高。 C.C4植物有浓缩CO2的机制，浓缩后高浓度的CO2促进了Rubisco的羧化反应。 D.高光强可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化力，以满足植物对ATP的需求。 E.在高光强基温度较低的情况下，C4植物光和效率低于C3植物，C4途经是植物对热带环境的一种适应方式。 三、高考真题分析 例1.（2021·天津·高考真题）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，如下图所示。 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HCO3-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。 【解析】 设问 题干或教材信息 结论 （1） CO2进入细胞膜的方式为自由扩散；CO2通过光合片层膜时需要膜上的CO2转运蛋白协助并消耗能量； 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通过自由扩散通过细胞膜； CO2通过主动运输方式通过光合片层膜； 提高羧化体中Rubisco周围的CO2浓度，从而通过促进CO2固定和抑制O2与C5结合提高光合效率。 （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 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） CO2需进入光合片层浓缩；进入光合片层需要转运蛋白协助；暗反应促进光反应的进行。 若再转入HCO3-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提高，光反应水平应提高，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 例2.（2021·全国乙卷·高考真题）生活在干旱地区的一些植物（如植物甲）具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题： （1）白天叶肉细胞产生ATP的场所有 。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和 释放的CO2。 （2）气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能防止 ，又能保证 正常进行。 （3）若以pH作为检测指标，请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。 （简要写出实验思路和预期结果） 【解析】 设问 题干或教材信息 结论 （1） 白天有光照，叶肉细胞能进行呼吸作用和光合作用，呼吸作用进行的场所是细胞质基质和线粒体，光合作用进行的场所是叶绿体；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。 白天叶肉细胞产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体、叶绿体（类囊体薄膜）。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和细胞呼吸释放的CO2。 （2） 气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式。气孔是水分蒸腾作用的器官，也是C2进入叶片的通道。 气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能防止蒸腾作用丢失大量水分，又能保证光合作用暗反应正常进行。 （3） 干旱环境中晚上气孔打开吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2用于光合作用。苹果酸呈酸性，苹果酸增加酸性增强、苹果酸减少酸性减弱。 白天和夜间每隔一定时间取干旱条件下生长的植物甲的叶片， 测定叶肉细胞的pH； 植物甲叶肉细胞pH 在夜间逐渐降低、白天逐渐升高 【答案】（1）细胞质基质、线粒体、叶绿体（类囊体薄膜） 细胞呼吸 （2）蒸腾作用丢失大量水分 光合作用（暗反应） （3）实验思路：白天和夜间每隔一定时间取干旱条件下生长的植物甲的叶片， 测定叶肉细胞的pH； 预期结果：植物甲叶肉细胞pH 在夜间逐渐降低、白天逐渐升高 例3.（2022·全国甲卷·高考真题）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 。 【解析】 设问 题干或教材信息 结论 （1） 光反应包括水的光解以及ATP的形成，光反应阶段生成的产物有O2、[H]和ATP。 光反应阶段的产物是O2、[H]和ATP （2） 每种生物同化获得的能量一部分以呼吸作用消耗，一部分用于自身生长发育繁殖，还有一部分被下一营养级捕食 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，原因是自身呼吸消耗或建造植物体结构 （3） 干旱会导致气孔开度减小；气孔开度减小会导致CO2吸收减少，CO2补偿点是光合作用等于呼吸作用的CO2浓度 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 【答案】(1)O2、[H]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 四、高考模拟试题精选 一、单选题 1．（2025·广东·一模）玉米的光合作用既有C4途径又有C3途径（如下图），PEP羧化酶对CO2具有较强亲和力。据图分析，下列说法正确的是（    ）    A．物质B为C3，它和PEP均可固定CO2 B．卡尔文循环进行的场所是叶绿体基质 C．为过程②提供能量的物质有ATP和NADH D．在炎热夏季中午，叶肉细胞还可以生成淀粉 【答案】B 【分析】光合作用的过程：①光反应阶段（场所是叶绿体的类囊体薄膜）：水的光解产生NADPH与O2，以及ATP的形成；②暗反应阶段（场所是叶绿体的基质）：CO2被C5固定形成C3，C3在光反应提供的ATP和NADPH的作用下还原生成糖类等有机物。 【详解】A、由图可知，B可参与CO2的固定，可知B为C5，A错误； B、卡尔文循环（即暗反应）进行的场所是叶绿体基质，B正确； C、②为C3的还原，光反应提供的ATP和NADPH可为其提供能量，C错误； D、由图可知，淀粉等有机物在维管束鞘细胞中合成，D错误。 故选B。 2．（2024·湖北黄冈·二模）水稻属于C3植物，其叶肉细胞能进行光合作用。玉米属于C4植物，叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成光合作用，过程如图1所示，图中PEP羧化酶对CO2的亲和力约是Rubisco对CO2的亲和力的60倍。某种玉米和水稻的光合速率随外界CQ2浓度的变化如图2所示。据图推测，下列说法不合理的是（　　） A．玉米的叶肉细胞可以给维管束鞘细胞提供ATP和NADPH B．检测玉米中淀粉的产生场所应选择维管束鞘细胞的叶绿体 C．图2中玉米和水稻分别对应曲线A和B D．种植C4植物比种植C3植物更有利于实现碳中和的目标 【答案】D 【分析】光合作用的光反应阶段（场所是叶绿体的类囊体膜上）：水的光解产生NADPH与氧气，以及ATP的形成。光合作用的暗反应阶段（场所是叶绿体的基质中）：CO2被C5固定形成C3，C3在光反应提供的ATP和NADPH的作用下还原生成有机物。 【详解】A、玉米的叶肉细胞有类囊体，可以进行光反应，给维管束鞘细胞提供ATP和NADPH，A正确； B、维管束鞘细胞的叶绿体有Rubisco，可以合成淀粉，B正确； C、玉米利用低浓度CO2的能力更强，所以图2中玉米和水稻分别对应曲线A和B，C正确； D、C3植物最大净光合速率更高，所以种植C3植物比种植C4植物更有利于实现碳中和的目标，D错误。 故选D。 3．（2024·北京丰台·一模）CAM植物白天气孔关闭，夜晚气孔打开，以适应干旱环境。下图为其部分代谢途径，相关叙述不正确的是（    ）    A．催化过程①和过程②所需的酶不同 B．卡尔文循环的场所是叶绿体类囊体薄膜 C．CAM植物白天气孔关闭可减少水分散失 D．夜晚缺乏NADPH和ATP不能进行卡尔文循环 【答案】B 【分析】具有CAM途径的植物称为CAM植物，在其所处的自然条件下，气孔白天关闭，夜晚张开，它们具有此途径，既维持水分平衡，又能同化二氧化碳。 【详解】A、过程①是将CO2转化为C4，②是CO2固定，酶具有专一性，因此催化过程①和过程②所需的酶不同，A正确； B、据图可知，卡尔文循环即光合作用的暗反应阶段，CAM植物进行暗反应的场所是叶绿体基质，B错误； C、CAM植物白天关闭气孔，能减少水分散失以适应干旱环境，C正确； D、CAM植物在夜晚黑暗条件下不能制造有机物，因为没有光照，光反应不能进行，无法为暗反应提供ATP和NADPH，不能进行卡尔文循环，D正确。 故选B。 4．（2021·山东烟台·一模）我国科学家设计了一种可以基因编码的光敏蛋白（PSP），成功模拟了光合系统的部分过程。在光照条件下，PSP能够将CO2直接还原，使电子传递效率和CO2还原效率明显提高。下列说法错误的是（    ） A．自然光合系统只能还原C3，而光敏蛋白可直接还原CO2 B．黑暗条件下自然光合系统中的暗反应可持续进行，而光敏蛋白发挥作用离不开光照 C．光敏蛋白与自然光合系统中光合色素、[H]和ATP等物质的功能相似 D．该研究为减轻温室效应提供了新思路 【答案】B 【解析】光合作用分为光反应和暗反应。光反应是水光解形成氧气和还原氢，同时合成ATP，与光反应有关的色素分布在叶绿体的类囊体膜上，光合色素的功能是吸收、传递和转化光能，光反应的场所是叶绿体的类囊体膜；暗反应包括二氧化碳固定和三碳化合物还原，二氧化碳与五碳化合物结合形成三碳化合物称为二氧化碳固定，三碳化合物被光反应产生的还原氢还原形成糖类和五碳化合物，该过程需要光反应产生的ATP和还原氢。 【详解】A、自然自然光合系统只能还原C3，而题干中说明PSP能够将CO2直接还原，A正确； B、黑暗条件下自然光合系统中的暗反应由于缺少光反应产生的ATP和还原氢，无法持续进行，B错误； C、在光照条件下，PSP能够将CO2直接还原，说明光敏蛋白与自然光合系统中光合色素、[H]和ATP等物质的功能相似，C正确； D、温室效应是由于二氧化碳过量排放导致的，该研究为减轻温室效应提供了新思路，D正确。 故选B。 5．（2020·山东潍坊·三模）磷酸丙糖不仅是光合作用中最先产生的糖，也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。如图为某植物光合作用产物的合成与运输示意图。下列相关说法正确的是（    ） A．a表示的物质是ATP，它也可以在叶绿体基质中合成 B．磷酸丙糖应该是一种五碳化合物 C．磷酸丙糖是暗反应产物，在细胞质基质中合成淀粉 D．若图中表示的磷酸转运器活性受抑制，会导致光合速率下降 【答案】D 【分析】图中a是[H]和ATP，b可以是ADP、Pi和NADP+，光合作用的产物磷酸丙糖可以在叶绿体中合成淀粉，也可以通过磷酸转运器运出叶绿体合成蔗糖。 【详解】A、图中a是光反应为暗反应提供的物质是[H]和ATP，在叶绿体类囊体薄膜上合成，A错误； B、磷酸丙糖是三碳化合物，B错误； C、磷酸丙糖合成淀粉的过程是在叶绿体基质中进行，C错误； D、磷酸转运器活性受抑制，不能将磷酸丙糖运出叶绿体和将磷酸运入叶绿体，造成叶绿体中光合作用产生积累和缺少磷酸，导致光合作用速率降低，D正确。 故选D。 二、多选题 6．（2025·湖南·二模）植物叶绿体中进行CO2固定的R酶在光下，CO2相对不足时，也可以消耗氧气并释放CO2，该过程被称为光呼吸。光呼吸会导致光合作用减弱、作物减产，研究人员为获得光诱导型高产水稻，通过基因工程在其叶绿体内构建一条光呼吸支路（GMA途径，图中叶绿体虚线框内过程）。下列有关此过程的说法正确的是（    ） A．光呼吸过程中，O2与CO2竞争结合R酶，降低了光合作用中暗反应阶段的速率 B．乙醇酸进入过氧化物酶体会导致叶绿体内的碳流失，进而导致水稻减产 C．GMA途径能减少叶绿体中有机碳的流失，但并不会增加参与卡尔文循环的C5的量 D．GMA途径所用的外源G酶、A酶和M酶的基因均需导入叶绿体，并由其独立表达 【答案】AB 【分析】光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。光反应阶段是在类囊体的薄膜上进行的。光合作用第二个阶段中的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。暗反应阶段的化学反应是在叶绿体的基质中进行的。 【详解】A、从图中可以看到，O2能结合R酶，抑制了CO2固定的过程，A正确； B、乙醇酸从叶绿体进入过氧化物酶体，会造成碳流失，也会影响光合作用速率，进而造成减产，B正确； C、GMA途径能减少叶绿体中有机碳的流失，并由于其释放的CO2缓解了叶绿体中CO2相对不足的情况，使得C5更多参与卡尔文循环，C错误； D、在叶绿体中发挥作用的各种酶，大部分仍然是由核基因指导合成的，因此上述外源基因也不能肯定均需导入叶绿体，并由其独立表达，D错误。 故选AB。 7．（2025·山东·模拟预测）强光照射时植物细胞光反应会产生大量NADPH，NADPH的积累会造成叶绿体损伤。细胞可通过草酰乙酸一苹果酸循环及AOX（交替氧化酶）途径消耗掉叶绿体中过剩的NADPH，相关过程如图所示。AOX能促进NADH与O2反应生成H2O，此过程产生极少量ATP。下列说法正确的是（    ）    A．NADPH和NADH均为还原剂，其消耗场所均在膜上 B．AOX途径生成的ATP可为细胞内外的生命活动供能 C．强光照射时阻断草酰乙酸一苹果酸循环，细胞产热减少 D．强光时增大CO2浓度可导致AOX途径生成的H2O减少 【答案】CD 【分析】光合作用的过程及场所：光反应发生在类囊体薄膜中，主要包括水的光解和ATP的合成两个过程；暗反应发生在叶绿体基质中，主要包括CO2的固定和C3的还原两个过程。 【详解】A、NADPH是光合作用光反应产生的还原剂，在叶绿体基质中参与暗反应，其消耗场所不在膜上；NADH是细胞呼吸过程中产生的还原剂，在有氧呼吸第三阶段在线粒体内膜上与氧气反应，消耗场所是膜上，A错误； B、由题可知，AOX途径生成的ATP作为信号分子参与信号转导，而不是为细胞内外的生命活动供能，B错误； C、从图中能看到草酰乙酸-苹果酸循环过程伴随热能产生。若强光照射时阻断此循环，该循环产热途径被切断，细胞产热就会减少，C正确； D、强光时增大CO2浓度，会促进卡尔文循环（暗反应），更多地消耗NADPH，使得叶绿体中过剩NADPH减少，通过草酰乙酸-苹果酸循环转运到线粒体的NADH减少，进而AOX途径消耗的NADH减少，AOX途径生成的H2O也会减少，D正确。 故选CD。 8．（2024·河北秦皇岛·二模）科研人员探究某植物叶片昼夜酸度变化趋势与光合作用的关系，进行了相关实验并得出下图甲、乙所示的结果。下列相关叙述正确的是（    ） A．该植物叶片进行光合作用时产生O2和利用CO2的场所均为叶绿体基质 B．在低CO2浓度处理条件下，叶片酸度变化规律是夜晚升高，白天降低 C．在低CO2浓度处理条件下，叶片中苹果酸变化规律是夜晚积累，白天消耗 D．由实验可知，该植物叶片昼夜酸度变化可能与苹果酸消耗时产生的CO2有关 【答案】BCD 【分析】光合作用，通常是指绿色植物（包括藻类）吸收光能，把二氧化碳和水合成有机物，同时释放氧气的过程。光合作用分为光反应阶段和暗反应阶段。光反应阶段的特征是在光驱动下生成氧气、ATP和NADPH的过程。暗反应阶段是利用光反应生成NADPH和ATP使气体二氧化碳还原为糖。由于这阶段基本上不直接依赖于光，而只是依赖于NADPH和ATP的提供，故称为暗反应阶段。 【详解】A、植物叶片进行光合作用时产生O2和利用CO2的场所分别为叶绿体类囊体薄膜和叶绿体基质，A错误； B、在低CO2浓度处理条件下，叶片酸度变化规律是夜晚升高，白天降低，B正确； C、在低CO2浓度处理条件下，叶片中苹果酸的变化规律是夜晚积累，白天消耗，C正确； D、由实验可知，该植物叶片昼夜酸度变化可能与苹果酸消耗时产生的CO2有关，D正确。 故选BCD。 三、非选择题 9．（2025·河南·二模）玉米是C4植物，其参与CO2固定的酶有PEP羧化酶和RuBP羧化酶两种，其中PEP羧化酶对CO2的亲和力显著高于RuBP羧化酶，可以把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来，如图所示，回答下列问题：    (1)维管束鞘细胞叶绿体中C3的还原过程需要光反应的产物 提供能量。据图推测，维管束鞘细胞中CO2浓度 （填“高于”或“低于”）叶肉细胞中的CO2浓度；显微镜下观察C4植物玉米的叶片发现，叶肉细胞包围在维管束鞘细胞四周，形成花环状结构，这种结构可从 两个方面提高植物吸收CO2的效率，有利于其适应低浓度CO2环境。 (2)灌浆期是农作物的一个重要生长时期，即光合作用产物输出并储存在籽粒中的阶段，光合作用产物主要以蔗糖的形式输出到籽粒中。实验小组检测了灌浆期给玉米喷施油菜素内酯（BR）对相关酶活性的影响，实验结果如下表所示。 PEP羧化酶/（μmolCO2·h-1·mg-1） RuBP羧化酶/（μmolCO2·h-1·mg-1） 蔗糖合成酶/（Ug-1·min-1FW） 对照组 48.5 1.68 2.62 外施BR组 63.2 2.85 3.89 分析表格数据，试从两个方面阐述灌浆期喷施BR能提高玉米产量的原因：① ；② 。 (3)光合色素溶液的浓度与其光吸收值成正比，适当波长的光可用于色素含量的测定。若要检测喷施BR能否提高玉米灌浆期叶肉细胞中叶绿素的含量，则应测定喷施BR前后叶片叶绿体色素提取液对 吸收值的变化。 【答案】(1) ATP和NADPH 高于 促进植物吸收CO2、防止吸收的CO2逸散 (2) 喷施BR能提高PEP羧化酶和RuBP羧化酶的活性，促进CO2的固定，提高光合作用强度，增加光合产物的生成量 喷施BR能提高蔗糖合成酶的活性，促进蔗糖的合成，有利于光合产物更多地输出并储存在籽粒中 (3)红光 【分析】光合作用过程包括光反应和暗反应：（1）光反应：场所在叶绿体类囊体薄膜，完成水的光解产生NADPH和氧气，以及ATP的合成；（2）暗反应：场所在叶绿体基质中，包括二氧化碳的固定和C3的还原两个阶段。光反应为暗反应C3的还原阶段提供NADPH和ATP。 【详解】（1）光反应为暗反应中C3的还原提供ATP和NADPH，二者都可为该过程提供能量。PEP羧化酶对CO2的亲和力显著高于RuBP羧化酶，可以把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来，然后运输到维管束鞘细胞释放出CO2，所以维管束鞘细胞中CO2浓度高于叶肉细胞中的CO2浓度；据题可知，维管束鞘细胞四周包围着一圈辐射排列的叶肉细胞，形成花环状结构，这种结构有利于四周的叶肉细胞利用PEP羧化酶吸收低浓度的CO2，从而促进C4植物对CO2的吸收，同时可将维管束鞘细胞释放出来的CO2通过叶肉细胞中的PEP羧化酶再“压”回维管束鞘细胞，减少了CO2的逸散，从而提高了C4植物吸收CO2的效率，有利于其适应低浓度CO2环境。 （2）从表格数据可以看出，喷施BR后，PEP羧化酶和RuBP羧化酶的活性升高，这两种酶参与CO2的固定过程，酶活性升高可促进CO2的固定，提高光合作用强度，增加光合产物的生成量；同时，蔗糖合成酶活性也升高，蔗糖合成酶能促进蔗糖的合成，有利于光合产物更多地以蔗糖的形式输出到籽粒中并进行储存，进而提高玉米产量。 （3）叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，但是选择蓝紫光无法排除类胡萝卜素的干扰，所以为了检测喷施BR能否提高玉米灌浆期叶肉细胞中叶绿素的含量，应测定喷施BR前后叶片的叶绿体色素提取液对红光吸收值的变化。 10．（2025·陕西汉中·二模）“荷尽已无擎雨盖，菊残犹有傲霜枝。”这句诗赞美了菊花顽强的生命力和不畏艰难的精神。随着全球气温变暖，高温胁迫影响着植物的生长发育。研究人员对切花菊的三个品种（威尼斯、紫精灵和凯撒红）分别进行常温（25℃）和高温（45℃）处理，12h后，检测完全展开叶光合作用的部分指标，结果如图所示。回答下列问题：    (1)高温处理后，威尼斯、紫精灵和凯撒红这三个品种中，光合速率小于呼吸速率的是 。高温处理会改变这三个品种的光合速率，此时，影响光合速率的是 （填“气孔”或“非气孔”）限制因素。 (2)胞间CO2浓度是指叶肉细胞间的CO2浓度。高温处理后，紫精灵的胞间CO2浓度 ，主要原因是 。 (3)D1蛋白是位于光反应中心的跨膜蛋白，参与光反应中的电子传递。在叶肉细胞中，D1蛋白的分布场所是 。电子经过传递，可用于 结合形成NADPH。高光强和高温均会损伤D1蛋白，受损的D1蛋白会被剪切成两段，一部分被关键酶FtsH2降解，另一部分被重新利用并装配成新的D1蛋白。检测发现，高温条件下威尼斯的FtsH2活性最高，有利于 ，从而维持较高的光合速率以抵御高温胁迫。 【答案】(1) 紫精灵、凯撒红 非气孔 (2) 上升 高温使紫精灵的光合速率降低，对二氧化碳的利用减少 (3) 类囊体薄膜 NADP+和H+ D1 蛋白的修复 【分析】影响光合作用的因素有很多，气孔是CO2和水分子的通道，是影响光合作用的因素之一，可分为气孔限制和非气孔限制两个方面。若气孔导度下降，胞间CO2下降， 光合速率降低，称为气孔限制因素；若气孔导度下降，胞间CO2仍旧较高，受其它因素影响，光合速率较低，称为非气孔限制因素。 【详解】（1）净光合速率 = 光合速率 - 呼吸速率，当净光合速率小于0时，光合速率小于呼吸速率。从图中可知，高温处理后紫精灵和凯撒红的净光合速率为负值，所以光合速率小于呼吸速率的是这两个。 高温处理后气孔导度下降程度不明显，但胞间二氧化碳的含量很高，可推测此时影响光合速率的是非气孔限制因素。 （2）高温处理后，紫精灵的净光合速率下降，说明光合作用利用二氧化碳的速率降低，而呼吸作用产生二氧化碳基本不变，所以胞间CO2浓度上升。 主要原因就是高温使紫精灵的光合速率降低，对二氧化碳的利用减少。 （3）光反应的场所是类囊体薄膜，D1蛋白参与光反应中的电子传递，所以D1蛋白的分布场所是类囊体薄膜。 光反应中，电子经过传递，可用于NADP +和 H +结合形成NADPH。 高温条件下威尼斯的 FtsH2 活性最高，FtsH2能降解被损伤的D1蛋白，重新装配成新的D1蛋白，有利于D1蛋白的修复，从而维持较高的光合速率以抵御高温胁迫。 学科网（北京）股份有限公司 $$ 01 信息型选择题抢分 光华老师 高考抢分，是高考得高分必备技能。抢分，不是靠扎根题海，狂刷滥做；抢分，也不是靠一头扎在参考书里，死记硬背。抢分，一靠基础扎实，二靠解题技巧，三靠心态平和。 一、考情分析 该命题点每年考查考生能探究某种环境因素对光合作用强度的影响，分析不同环境因素影响光合作用强度的原因，说明光合作用原理在生产生活实践中的应用，准确判断题目中给出的是植物的净光合作用强度还是总光合作用强度，并进行相关计算。通过以上多种角度的设计，实现对考生的理解能力、逻辑推理能力、实验探究能力、解决问题的能力等多种能力的考查，并帮助考生建立起光合作用在生产生活实践中应用的社会责任。 题目情境的呈现或是文字描述，或是图表展示。高考题目中涉及具体生产生活实践中的不同植物的光合作用，如盐胁迫、干旱胁迫、强光等对植物光合速率的影响，还有C₄植物、CAM植物等的光合作用。该命题点的试题情境多样，以下两种居多：一是当代科学家所做的一种或多种环境因素影响光合作用速率的实验数据表或坐标曲线图，二是大学教材中光合作用过程的文字或图解C₄途径、CAM途径和细菌的CO2浓缩机制等。 以光合作用特殊类型如C4途径、CAM途径、细菌的CO2浓缩机制等作为情境，考查运用科学思维方法认识事物、解决实际问题的能力和思维习惯，其难点是原因类问题的规范作答。 二、知识拓展 （一）C3途经是光合作用碳代谢的基本途径。 在高等植物中，光合碳同化主要有3种类型：C3途径，C4途径和景天酸代谢途径(CAM)。C3途径，也称为卡尔文循环或还原戊糖磷酸途径，是所有植物光合碳同化的基本途径。该途径包括三个阶段：羧化阶段、还原阶段和再生阶段。 （二C4途经） C4途经是从C3途经进化产生的CO2固定途经，C3途经仍是光合碳代谢的基本途经。C4途经的基本反应示意图如下。 3.C4途经的调节 ①光可激活苹果酸脱氢酶和丙酮酸磷酸二激酶，其活化程度与光强度呈正比，这两种酶在暗中则被钝化。 ②效应剂调节PEP羧化酶的活性。苹果酸和天冬氨酸抑制PEP羧化酶的活性，G6P则增加其活性，这些调节作用在低pH、低Mg2+和低PEP条件下特别突出。 ③二价金属离子都是C4植物脱羧酶的活化剂。 （三、CAM途径） 有些植物气孔表现为夜间张开，白天关闭。夜间淀粉、糖减少，苹果酸增加，细胞液变酸；白天苹果酸减少，淀粉、糖增加，细胞液酸性变弱。具有这种有机酸合成日变化的碳代谢类型称为景天酸代谢（CAM）途径。如下图。 1.景天酸途经的类型（按植物一生中对CAM的转性程度划分） ①转性CAM植物：一生中大部分时间的碳代谢是CAM途经。 ②兼性CAM植物：在正常条件下只进行C3途经，当遇到干旱、盐渍和短日照时进行CAM途经，以抵抗不良环境。 2.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。 （四、蓝细菌的CO2浓缩机制） （五、结论性语句） ①C4T途经、CAM途经都是从C3途经进化来的。蓝细菌的CO2浓缩是提高细胞内CO2浓度的途经。 ②C3途经是绿色植物光合碳代谢的基本途经，三者最终合成光合产物都需要经过C3途经。 ③C4途经CO2的初步固定和还原在空间上分开，CAM途经CO2的初步固定和还原在时间上分开。 ④不同植物可以具有不同的光合碳同化途经，不同碳代谢类型之间的划分不是绝对的，它们在一定条件下可以相互转化。 ⑤C4植物的生理特点：⑥ A.维管束鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了光合产物积累对光合作用可能产生的抑制作用。 B.C4植物叶肉细胞中的PEPC对底物CO2的亲和力极高。 C.C4植物有浓缩CO2的机制，浓缩后高浓度的CO2促进了Rubisco的羧化反应。 D.高光强可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化力，以满足植物对ATP的需求。 E.在高光强基温度较低的情况下，C4植物光和效率低于C3植物，C4途经是植物对热带环境的一种适应方式。 三、高考真题分析 例1.（2021·天津·高考真题）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，如下图所示。 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HCO3-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。 【解析】 设问 题干或教材信息 结论 （1） CO2进入细胞膜的方式为自由扩散；CO2通过光合片层膜时需要膜上的CO2转运蛋白协助并消耗能量； 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通过自由扩散通过细胞膜； CO2通过主动运输方式通过光合片层膜； 提高羧化体中Rubisco周围的CO2浓度，从而通过促进CO2固定和抑制O2与C5结合提高光合效率。 设问 题干或教材信息 结论 （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 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） CO2需进入光合片层浓缩；进入光合片层需要转运蛋白协助；暗反应促进光反应的进行。 若再转入HCO3-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提高，光反应水平应提高，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 例2.（2021·全国乙卷·高考真题）生活在干旱地区的一些植物（如植物甲）具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题： （1）白天叶肉细胞产生ATP的场所有          。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和              释放的CO2。 （2）气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能防止              ，又能保证             正常进行。 （3）若以pH作为检测指标，请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。     （简要写出实验思路和预期结果） 【解析】 设问 题干或教材信息 结论 （1） 白天有光照，叶肉细胞能进行呼吸作用和光合作用，呼吸作用进行的场所是细胞质基质和线粒体，光合作用进行的场所是叶绿体；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。 白天叶肉细胞产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体、叶绿体（类囊体薄膜）。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和细胞呼吸释放的CO2。 （2） 气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式。气孔是水分蒸腾作用的器官，也是C2进入叶片的通道。 气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能防止蒸腾作用丢失大量水分，又能保证光合作用暗反应正常进行。 设问 题干或教材信息 结论 （3） 干旱环境中晚上气孔打开吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2用于光合作用。苹果酸呈酸性，苹果酸增加酸性增强、苹果酸减少酸性减弱。 白天和夜间每隔一定时间取干旱条件下生长的植物甲的叶片， 测定叶肉细胞的pH； 植物甲叶肉细胞pH 在夜间逐渐降低、白天逐渐升高 【答案】（1）细胞质基质、线粒体、叶绿体（类囊体薄膜）     细胞呼吸     （2）蒸腾作用丢失大量水分     光合作用（暗反应）     （3）实验思路：白天和夜间每隔一定时间取干旱条件下生长的植物甲的叶片，测定叶肉细胞的pH； 预期结果：植物甲叶肉细胞pH 在夜间逐渐降低、白天逐渐升高 例3.（2022·全国甲卷·高考真题）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              。 【解析】 设问 题干或教材信息 结论 （1） 光反应包括水的光解以及ATP的形成，光反应阶段生成的产物有O2、[H]和ATP。 光反应阶段的产物是O2、[H]和ATP （2） 每种生物同化获得的能量一部分以呼吸作用消耗，一部分用于自身生长发育繁殖，还有一部分被下一营养级捕食 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，原因是自身呼吸消耗或建造植物体结构 设问 题干或教材信息 结论 （3） 干旱会导致气孔开度减小；气孔开度减小会导致CO2吸收减少，CO2补偿点是光合作用等于呼吸作用的CO2浓度 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 【答案】(1)O2、[H]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 $$