2026届高三生物学一轮复习微专题6：光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代谢类型训练

微专题6　光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代谢类型 考情速览 考情 2024·黑吉辽卷，21；2024·广东卷，20；2023·湖南卷，17；2022·全国甲卷，29；2021·全国乙卷，29；2021·辽宁卷，22 一、C4植物和C3植物 1.(2023·湖南卷，17)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。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)玉米的卡尔文循环中笫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)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)。 思维升华　 (1)C3植物和C4植物的含义 根据光合作用碳元素同化的最初光合产物(三碳化合物、四碳化合物)的不同，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)光合作用C4途径产生的原因 C4植物中含有能固定CO2为C4的相关酶，即磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，简称为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。 (3)C3和C4植物光合用途径的比较 项目 CO2受体 CO2固定 后产物 CO2固定场所 光反应场所 暗反应场所 C3植物 RuBP(C5) PGA(C3) 叶肉细胞叶绿体 叶肉细胞叶绿体基粒 叶肉细胞叶绿体基质 C4植物 PEP(C3) RuBP (C5) OAA(C4) PGA (C3) 叶肉细胞细胞质基质、维管束鞘细胞叶绿体 叶肉细胞叶绿体基粒 维管束鞘细胞叶绿体基质 二、景天科植物(CAM植物) 2. (2021·全国乙卷，29)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) ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 思维升华　(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 (3)CAM途径的意义 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；夜晚开放气孔，吸收光合作用所需的CO2，使植物适应高温干旱环境。 三、光呼吸 3. (2025·辽宁大连模拟)植物体在进化过程中产生了一种具有双功能的RuBP羧化/加氧酶，CO2和O2竞争性地与之结合，当CO2浓度高时，该酶催化C5与CO2形成两分子C3(3－磷酸甘油酸)，进入暗反应；当O2浓度高时，该酶催化C5与O2形成一分子C3和一分子C2(乙醇酸)，其中C3进入暗反应，而C2离开叶绿体进入光呼吸，反应机理如图所示，下列相关叙述错误的是(　　) A.植物体光呼吸的形成可能与RuBP羧化/加氧酶的空间结构有关 B.植物体光呼吸使得C5中的碳都以CO2的形式散失，明显减少了光合产物的形成 C.强光下，光呼吸加强，可消耗光反应中积累的ATP、NADPH，从而减轻对叶绿体的伤害 D.植物体光呼吸可保证CO2不足时，暗反应仍能正常进行 思维升华　(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 O2 底物 C5和O2 通常是葡萄糖、H2O和O2 产物 CO2 CO2和水 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是一种兼性酶，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。 四、光抑制 4. (2024·重庆卷，18)重庆石柱是我国著名传统中药黄连的主产区之一，黄连生长缓慢，存在明显的光饱和(光合速率不再随光强增加而增加)和光抑制(光能过剩导致光合速率降低)现象。 (1)探寻提高黄连产量的技术措施，研究人员对黄连的光合特征进行了研究，结果见图1。 ①黄连的光饱和点约为________ μmol·m－2·s－1。光强大于1 300 μmol·m－2·s－1后，胞间二氧化碳浓度增加主要是由于______________________________________________________________ ______________________________________________________________。 ②推测光强对黄连生长的影响主要表现为______________________________________________________________ ______________________________________________________________。 黄连叶片适应弱光的特征有______________________________________________________________ ______________________________________________________________(答2点)。 (2)黄连露天栽培易发生光抑制，严重时其光合结构被破坏(主要受损的部位是位于类囊体薄膜上的色素蛋白复合体)，为减轻光抑制，黄连能采取调节光能在叶片上各去向(题图2)的比例，提升修复能力等防御机制，具体可包括________(多选)。 ①叶片叶绿体避光运动；②提高光合产物生成速率；③自由基清除能力增强；④提高叶绿素含量；⑤增强热耗散 (3)生产上常采用搭棚或林下栽培减轻黄连的光抑制，为增强黄连光合作用以提高产量还可采取的措施及其作用是_________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________。 参考答案 1. (1)3－磷酸甘油醛　蔗糖　韧皮部(或筛管或韧皮部中的筛管)　(2)高于　玉米PEPC对CO2的亲和力大，利用低浓度CO2能力强；维管束鞘细胞中O2含量低，光呼吸弱；玉米叶肉细胞中的PEP与CO2反应生成C4，C4进入维管束鞘细胞后释放CO2，使CO2得到浓缩，保障了暗反应的进行　(3)水稻的光反应强度不再增加；叶绿体内固定CO2的Rubisco酶的量有限；同化产物转运能力不强 解析　(1)玉米的暗反应先在叶肉细胞中进行，在PEPC酶的催化下，PEP与CO2反应生成C4，C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2，再进行卡尔文循环，据此推理，并结合水稻的暗反应图示，可知玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是3－磷酸甘油醛，在叶绿体内，其可用于淀粉等的合成，大部分运至叶绿体外，并转变成蔗糖。与葡萄糖相比，蔗糖属于非还原糖，较稳定，对渗透压影响也小，蔗糖通过筛管长距离运输到其他组织器官。(2)在干旱环境下，大部分气孔关闭，植物能吸收的CO2减少，与水稻叶肉细胞中的Rubisco酶相比，玉米叶肉细胞中的PEPC酶对CO2的Km小，酶对底物的亲和力大，玉米在较低浓度的CO2下仍能固定CO2进行光合作用；在高光照强度环境下，光反应较强，产生的O2较多，与玉米维管束鞘细胞相比(水光解的主要场所为叶肉细胞的叶绿体)，水稻叶肉细胞O2较多易进行光呼吸，使得暗反应减弱；与水稻叶肉细胞相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘，叶肉细胞中的PEP与CO2反应生成C4，C4进入维管束鞘细胞后释放CO2，使CO2得到浓缩，保障了暗反应的进行。(3)在光饱和条件下，水稻叶绿体的光反应强度不再增加，产生的ATP和NADPH不再增多，限制了C3的还原；水稻叶绿体内固定CO2的Rubisco酶的量有限；光合作用产生的有机物在叶绿体中积累较多，抑制了反应的进行。 2. (1)叶绿体、细胞质基质、线粒体　细胞呼吸　(2)蒸腾作用过强导致植物过度失水　光合作用　(3)实验思路：取若干长势相同的植物甲，平均分为A、B两组；将A组置于干旱条件下培养，B组置于水分充足的条件下培养，其他条件相同且适宜；一段时间后，分别测定两组植物甲白天和夜晚液泡中的pH。预期结果：B组液泡中的pH白天和夜晚无明显变化，A组液泡中的pH夜晚明显低于白天。 解析　(1)白天植物的叶肉细胞同时进行光合作用和呼吸作用，光合作用过程中产生ATP的场所是叶绿体，呼吸作用过程中产生ATP的场所是细胞质基质和线粒体。据题干信息可知，白天储存在液泡中的苹果酸脱羧释放出CO2用于光合作用，同时叶肉细胞也进行细胞呼吸，细胞呼吸释放出来的CO2也可用于光合作用。(2)干旱的环境中，白天气孔关闭可以降低蒸腾作用，避免植物细胞过度失水；夜间气孔打开吸收CO2，通过生成苹果酸储存在液泡中，白天苹果酸脱羧释放的CO2为光合作用的进行提供原料，保证了光合作用的正常进行。(3)该实验的目的是验证植物甲在干旱环境中存在特殊的CO2固定方式，根据题干信息，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，推测苹果酸的存在会导致液泡中呈酸性，由于白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用，可判断苹果酸分解释放出CO2后液泡中酸性下降或趋于中性，因此实验中需要检测白天和夜晚叶肉细胞中液泡的pH。 3.B　[绝大多数酶是蛋白质，而酶的功能由其结构决定，即与氨基酸的数目、种类、排列顺序及其盘曲、折叠方式形成的空间结构相关，A正确；由图可知，植物体光呼吸使得C5中的部分碳以CO2的形式散失，从而减少了光合产物的形成，B错误；当CO2不足时，植物体可以利用光呼吸产生的CO2进行暗反应，D正确。] 4. (1)①500　光合作用受到抑制，消耗的二氧化碳减少，且气孔导度增加　②黄连在弱光条件下，随光强增加生长快速达到最大，光照过强其生长受到抑制　叶片较薄，叶绿素较多(叶色深绿，叶绿体颗粒较大，叶绿体类囊体薄膜面积更大) (2)①②③⑤　(3)合理施肥增加光合面积，补充二氧化碳提高暗反应速率 解析　(1)①光饱和点为光合速率不再随光强增加而增加时的光照强度，由图1净光合速率的曲线可知，当光照强度达到500 μmol·m－2·s－1时净光合速率不再增加；光强大于1 300 μmol·m－2·s－1后，由图1可知，光合作用受到抑制，且气孔导度增加，所以胞间二氧化碳浓度增加主要是由于光合作用受到抑制，消耗的二氧化碳减少，且气孔导度增加。②由图1净光合速率曲线可知，光强对黄连生长的影响主要表现为在弱光条件下，随光强增加生长快速达到最大，光照过强其生长受到抑制；弱光时，可通过增加受光面积或增加光合色素的含量来增加光合速率，所以黄连叶片适应弱光的特征有叶片较薄，叶绿素较多(叶色深绿，叶绿体颗粒较大，叶绿体类囊体薄膜面积更大)。(2)为减轻光抑制，黄连能采取调节光能在叶片上各去向的比例，由图2可看出光能的主要去向为热耗散，所以黄连提升修复能力等防御机制，具体可包括⑤增强热耗散；①叶片叶绿体避光运动：减少对光的吸收；②提高光合产物生成速率，从而提高光合速率消耗过多的光能；③自由基清除能力增强：减少对光合结构的破坏。而④提高叶绿素含量会增加对光能的吸收，不能减轻光抑制。(3)为增强黄连光合作用以提高产量还可采取的措施及其作用是合理施肥增加光合面积，补充二氧化碳提高暗反应速率，合理密植等。 学科网（北京）股份有限公司 $$