2025届高三生物一轮复习讲义C3、C4、CAM植物

C3植物、C4植物、CAM植物专题解读 【基础必备】光合作用的三种途径 1．C3途径：也称卡尔文循环，整个循环由CO2的固定开始到C5的再生结束，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植物有小麦、大豆、棉花、水稻、马铃薯等。 2．C4途径：C4植物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， CO2被PEP羧化酶固定成C4，随后C4进入维管束鞘细胞。维管束鞘细胞中的叶绿体无类囊体，C4释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物(如图2)。 C4植物多生长于热带高温干旱地区，C4植物中既存在C4途径，也存在C3途径。C4途径中的PEP羧化酶与CO2的亲和力是C3途径中同类酶的60倍。C4途径相当于一种CO2泵，能把进入叶肉细胞的CO2不断泵入维管束鞘细胞，在提高维管束鞘细胞中CO2浓度的同时抑制光呼吸。在炎热干燥的气候条件下，C4植物光合作用的效率高于C3植物，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：景天科、仙人掌科等植物，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，与此过程中有机酸合成日变化有关的光合碳代谢途径称为CAM途径。具有CAM途径的植物称为CAM植物，其主要生活在干旱少雨环境下，具有厚表皮、大液泡等特点，常见的CAM植物有菠萝剑麻、兰花、百合、仙人掌等。 CAM植物只有在夜间才开放气孔，吸入的CO2在PEP羧化酶催化下直接与磷酸烯醇式丙酮酸(C3)结合生成草酰乙酸(C4)。草酰乙酸在酶的作用下还原为苹果酸(C4)，并储存在液泡中。CAM植物在白天因防止蒸腾作用过强，气孔不开放，贮存在液泡中的苹果酸可产生一分子CO2和一分子丙酮酸，产生的CO2参与卡尔文循环，即进入C3途径合成淀粉。 4．三者比较：CAM 植物与C4植物中CO2都是先经C4途径，再由C3途径被固定成糖的。它们之间的主要区别是：CAM植物中CO2固定和糖的合成发生在同一个细胞内，但时间错开；而C4植物中这些过程发生在同一时间，但空间错开(如图4)。两类植物都适合生活于热带地区，它们分别通过调整叶片结构和修饰光合作用的化学反应，增加局部CO2的量来确保光合作用的同时避免光呼吸的发生。 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。 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(C3) PEP(C3) 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 叶绿体基质 维管束鞘细胞 叶绿体基质 叶肉细胞 叶绿体基质 有无光合午休 有 无 无 【命题热点】 （1） C3、C4植物和景天科植物光反应产物相同，它们的光反应产物是 ; C4途径和CAM途径固定CO2，都要经历C3循环，其发生的场所是 。 C4植物维管束鞘细胞没有完整的叶绿体，推测其可能缺少 (填“基粒”或“基质”)，不能进行 (填“光反应”或“暗反应”)。 （2） C4植物和CAM 植物在捕获和固定大气中的CO2的方式上最明显的区别是 。C4植物可固定CO2的物质是 ，PEP 羧化酶与CO2的亲和力是Rubisco的60倍，能固定低浓度的CO2。据此分析，C4植物在高温干旱地区仍有较高的光合速率的原因是 。 （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 。 （4）CAM植物叶肉细胞液泡的pH白天比夜晚要 (填“高”或“低”)。 CAM植物夜晚能吸收CO2却不能合成葡萄糖是因为 。 （5）气孔白天关闭、晚上打开是CAM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。 （6）从CO2固定途径分析(不考虑光呼吸)，与C4植物相比，CAM 植物的光合速率 (填“更大”“更小”或“无差异”)，原因是 。 【答案】： （1）O2、NADPH、ATP 叶绿体基质 基粒 光反应 （2）C4植物捕获和固定CO2的反应在空间上分离，CAM植物捕获和固定CO2的反应在时间上分离 PEP和C5 高温干早环境下部分气孔关闭，PEP羧化酶与CO2的亲和力强，能利用低浓度的CO2继续进行光合作用 （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 （4）高 夜晚没有光照，不能进行光反应，不能为暗反应提供ATP 和NADPH （5）蒸腾作用丢失大量水分 光合作用(暗反应) （6）更小 C4植物有C4途径，C4途径可以在CO2浓度较低时有效地将其固定，二氧化碳是光合作用的原料之一;而CAM植物晚上气孔打开，吸收CO2。生成 苹果酸储存在液泡中，白天气孔关闭，苹果酸释放CO2完成暗反应。 【强化训练】 1、甘蔗、玉米等一些植物的叶片具有特殊的结构,其叶肉细胞中的叶绿体有基粒,而维管束鞘细胞中的叶绿体不含基粒。维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用 PEP羧化酶固定较低浓度的CO2,并转移到维管束鞘细胞中释放，参与光合作用的暗反应，其主要过程如图所示。请结合这些内容判断，下列说法中错误的是（ ） A. 维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应，但能进行暗反应 B. 维管束鞘细胞中暗反应过程不需要ATP和NADPH C. PEP羧化酶对环境中较低浓度的CO2具有富集作用 D. 甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能，使其更适应高温干旱环境 【答案】：B [解析]维管束鞘细胞的叶绿体无基粒，不能进行光反应，但仍能进行暗反应生成糖类，A正确；维管束鞘细胞中暗反应过程需要ATP和NADPH，B错误；PEP羧化酶可将较低浓度的CO2，与某种三碳化合物结合生成四碳化合物,并从叶肉细胞运输至维管束鞘细胞中释放出来，因此其对低浓度CO2，具有富集作用，C正确；甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能，使其在气孔关闭的条件下仍能有效利用低浓度的CO2，既减少了蒸腾作用，又保证了光合作用的进行，所以它们能更好地适应高温干旱环境，D正确。 2、自然界的植物丰富多样，对环境的适应各有差异，自卡尔文发现光合作用中碳元素的行踪后，又有科学家发现碳元素行踪的其他路径。回答下列问题： （1）图1是C3植物碳元素代谢途径的示意图。①②③④代表的是物质，A、B、C、D代表的是生理过程，则①④依次是________、__________；D过程是__________，ATP的合成除发生在A过程外，还发生在________(填字母)过程。 （2）图2是C4植物和CAM植物利用CO2途径的示意图。据图分析，这两类植物固定CO2的酶比C3植物多一种________酶，该酶比Rubisco对CO2的亲和力大且不与O2亲和，具有该酶的植物更能适应________________的环境。 （3）典型的CAM植物如仙人掌在夜晚吸收的CO2能否立即用于C3途径？________(填“能”或“不能”)，可能的原因是________________________________。 【答案】：（1）氧气　C5　有氧呼吸第二、三阶段　C、D （2） PEP羧化　低CO2浓度　 （3）不能　没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提供足够ATP和NADPH 3、落地生根、景天等景天科植物具有一个很特殊的二氧化碳同化方式，该类植物夜晚气孔开放，白天气孔关闭，其气孔开、闭情况及相关代谢途径如图所示。回答下列有关问题： （1）景天科植物夜晚利用二氧化碳的场所是 ，该类植物夜晚气孔开放，白天气孔关闭的生物学意义是 ， 气孔开闭的特点与其生活环境相适应，推测景天科植物生活的环境的特点可能是 。 （2）景天科植物在进行卡尔文循环过程中，提供能量的物质是 ， 若只在白天提高大气中的二氧化碳浓度，则景天科植物的光合速率将 ，判断依据是 。 （3） 景天科植物叶肉细胞细胞质中丙酮酸的去向及参与的生理过程有 (写出两个)。 （4）在极其恶劣的条件下，景天科植物会在夜晚关闭气孔，而在其体内进行碳循环，假设其他过程不受影响，则这一机制 (填“能”或“不能”)使植物正常生长，原因是 。 【答案】： （1）细胞质基质 白天气孔关闭，能降低蒸腾作用，有利于减少水分散失，夜间气孔开放，可以吸收CO2，用于白天进行光合作用 干旱炎热 （2）NADPH和ATP 不变 景天科植物白天气孔关闭 （3）丙酮酸生成丙糖磷酸再进入叶绿体合成淀粉；在有氧呼吸过程中，丙酮酸进入线粒体参与有氧呼吸第二阶段 （4）不能 该机制下，一天内植物几乎没有有机物的积累 （2021年乙卷）4、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） 【答案】 （1）细胞质基质、线粒体（线粒体基质和线粒体内膜）、叶绿体类囊体薄膜 细胞呼吸（或呼吸作用） （2） 蒸腾作用过强导致水分散失过多 光合作用 （3）实验思路：取生长状态相同的植物甲若干株随机均分为A、B两组；A组在（湿度适宜的）正常环境中培养，B组在干旱环境中培养，其他条件相同且适宜，一段时间后，分别检测两组植株夜晚同一时间液泡中的pH，并求平均值。 预期结果：A组pH平均值高于B组 1 学科网（北京）股份有限公司 $$