2026届高三生物一轮复习课件拓展 光呼吸C4植物CAM植物等特殊代谢

必修1　分子与细胞 热点拓展 光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代谢类型 一、光呼吸 1.光呼吸的发现 1955年科学家德柯尔用红外线气体分析仪测定烟草光合速率时发现正在进行光合作用的烟草叶片在光照停止后会快速释放CO2，这种现象称为“二氧化碳的猝发”。 2.光呼吸的起因 光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco。在暗反应中，Rubisco能够以CO2为底物实现CO2的固定；在光下，当O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。 2 （1）高CO2浓度、低O2时，进行羧化 （2）低CO2浓度、高O2时，进行加氧 C5+CO2 2C3 Rubisco C5+O2 C2+C3 Rubisco C3进入卡尔文循环 C3进入卡尔文循环 说明： ①与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒体。光呼吸产生的条件是光照、高O2含量和低CO2含量等。 ②此过程中又可以消耗O2，生成CO2。 ③自然状况下导致的光呼吸其实是气孔关闭引起的CO2不足，因而光呼吸生成的CO2又可以进入叶绿体进行光合作用 3、特点： 4.光呼吸的意义 防止强光对叶绿体的破坏：在干旱天气和过强光照下，因为温度很高，蒸腾作用很强，气孔大量关闭。此时由于光反应速率大于暗反应速率，因此，叶肉细胞中会积累ATP和NADPH，这些物质积累会产生自由基，尤其是超氧阴离子，这些自由基能损伤叶绿体，而强光下，光呼吸加强，会消耗光反应过程中积累的ATP和NADPH，从而减轻对叶绿体的伤害。 当然植物体还有很多避免强光下损伤叶绿体的机制。光呼吸算是其中之一。 5.光呼吸与细胞呼吸的比较 比较项目 光呼吸 细胞呼吸 底物 C2化合物 糖类等有机物 发生部位 叶绿体、线粒体等 细胞质基质、线粒体 反应条件 光照 光或暗都可以 能量 消耗能量 产生能量 共同点 消耗O2、释放CO2 光呼吸能产生二氧化碳，使得光合作用在二氧化碳浓度浓度低时能够继续运行，但光呼吸消耗有机物，且没有ATP和NADPH产生，反而消耗ATP和NADPH。 4 习题巩固 1.光呼吸是植物利用光能， 吸收O2并释放CO2的过程。 研究者将四种酶(GLO、CAT、 GCL、TSR)基因导入水稻叶绿体， 创造了一条新的光呼吸代谢支路(GCGT 支路)，如图虚线所示。据图分析，下列 推测错误的是(　 ) A.光呼吸时C5与O2的结合发生在线粒体内膜上 B.光呼吸可以将部分碳重新回收进入卡尔文循环 C.GCGT支路有利于减少H2O2对叶绿体的损害 D.GCGT支路可以降低光呼吸从而提高光合效率 A C5在叶绿体基质中生成，所以C5和O2的结合发生叶绿体上，A错误； 光呼吸中，甘油酸可转化为PGA，进而将碳重新回收进入卡尔文循环，B正确； GCGT支路中，H2O2可被分解为H2O和O2，有利于减少其对叶绿体的损害，C正确； GCGT支路可与光呼吸竞争乙醇酸，且物质转化更为直接，利于降低光呼吸消耗从而提高光合速率，D正确。 5 2．光照条件下，叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5，O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸。向水稻叶面喷施不同浓度的光呼吸抑制剂SoBS溶液，相应的光合作用强度和光呼吸强度见下表。光合作用强度用固定的CO2量表示，SoBS溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计。 SoBS浓度(mg/L) 0 100 200 300 400 500 600 光合作用强度(CO2μmol·m－2·s－1) 18.9 20.9 20.7 18.7 17.6 16.5 15.7 光呼吸强度(CO2μmol·m－2·s－1) 6.4 6.2 5.8 5.5 5.2 4.8 4.3 (1)光呼吸中C5与O2结合的反应发生在叶绿体的________中。正常进行光合作用的水稻，突然停止光照，叶片CO2释放量先增加后降低，CO2释放量增加的原因是_____________________________________。 (2)与未喷施SoBS溶液相比，喷施100 mg/L SoBS溶液的水稻叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度___(填“高”或“低”)，据表分析，原因是_______________________________________。 (3)光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物，农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探究SoBS溶液利于增产的最适喷施浓度，据表分析，应在____________mg/L之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。 基质 光照停止，产生的ATP、NADPH减少，暗反应C5和CO2结合减少，C5与O2结合增加，产生的CO2增多 低 喷施SoBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸(及呼吸作用)释放的CO2减少，即叶片的CO2吸收量增加、释放量减少。此时，在更低的光照强度下，两者即可相等 100～300 高考一轮总复习 • 生物学 二、C4植物 在绿色植物的光合作用中，二氧化碳中的碳首先转移到含有四个碳原子的有机物(C4)中，然后才转移到C3中，科学家将这类植物叫作C4植物，将其固定二氧化碳的途径，叫作C4途径。 ①玉米、高粱、甘蔗、苋菜等都是C4植物，适于在高温、干燥和强光的条件下生长。 ②C4植物叶肉细胞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，C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物。 ③PEP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”及“光呼吸”现象。 名师解读 高考一轮总复习 • 生物学 C3和C4植物光合作用途径的比较 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 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、 RuBP C3、C4 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　 花环型结构 3．(2025·合肥高三模拟)玉米叶片具有特殊的结构，其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。据图分析，下列说法不正确的是(　　) A A．维管束鞘细胞的叶绿体能进行正常的光反应 B．维管束鞘细胞中暗反应过程仍需要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．玉米特殊的结构和功能，使其更适应高温干旱环境 高考一轮总复习 • 生物学 三、　CAM途径 名师解读 CAM植物夜间吸进CO2，淀粉经糖酵解形成PEP，在PEP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。 ①仙人掌、菠萝和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用。这类植物特别适合于干旱地区，其特点是气孔夜间开放，白天关闭。 ②该类植物夜间吸收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。而白天气孔关闭，苹果酸转移到细胞质基质中脱羧，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。 ③该类植物叶肉细胞夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH下降；白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液pH上升。 高考一轮总复习 • 生物学 菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等，可适应干旱炎热的环境。 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。 CAM途径的意义 常见的CAM植物有 11 4．(2025·山东枣庄高三检测)原本生活在干旱地区的多肉植物，经研究发现其CO2固定过程非常特殊，被称为景天酸代谢途径。其光合作用产生的中间产物苹果酸在CO2的固定和利用过程中起重要作用，过程如图所示。据图分析，下列叙述错误的是(　　) A．进行景天酸代谢的植物白天进行光反应，积累ATP和NADPH，晚上进行暗反应合成有机物 B．图示的代谢方式可以有效地避免植物由蒸腾过度导致的脱水，从而使该类植物适应干旱环境 C．与常见的C3代谢途径植物相比，夜间更适于放置在室内的是进行景天酸代谢途径的植物 D．多肉植物在其原生地环境中，其液泡中的pH会呈现白天升高、晚上降低的周期性变化 A 高考一轮总复习 • 生物学 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。 小结：C3植物、C4植物和CAM植物 13 四、光合产物及运输 名师解读 ①磷酸丙糖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。 ②光合作用产生的磷酸丙糖既可以在叶绿体中形成淀粉，暂时储存在叶绿体中，又可以通过叶绿体膜上的磷酸转运器运出叶绿体，在细胞质基质中合成蔗糖。合成的蔗糖或临时储藏于液泡内，或从光合细胞中输出，经韧皮部长距离运输到其他部位。 高考一轮总复习 • 生物学 5．(2025·北京东城期末)如图为某陆生植物体内碳流动示意图。据图分析，下列叙述不正确的是(　　) A．过程①需要消耗光反应提供的ATP和NADPH B．叶肉细胞中的卡尔文循环发生在叶绿体基质 C．在叶肉细胞中会发生由单糖合成二糖或多糖的过程 D．④受阻时，②③的进行能缓解C3积累对卡尔文循环的抑制 A 高考一轮总复习 • 生物学 6．(2025·山东泰安调研)下图是番茄植株的叶肉细胞中进行光合作用的示意图，PSⅡ和PSⅠ是由蛋白质和光合色素组成的复合物，是吸收、传递、转化光能的光系统，下列叙述错误的是(　　) A．自然界中能发生光合作用的生物，不一定具备PSⅡ和PSⅠ系统 B．光反应过程将吸收的光能转换为活跃的化学能全部储存在ATP中 C．在ATP合成酶的作用下，H＋顺浓度梯度转运提供分子势能，促进ADP和Pi合成ATP D．PSⅡ中的色素吸收光能后，将H2O分解为O2和H＋及电子，产生电子传递给PSI将NADP＋和H＋结合形成NADPH B 高考一轮总复习 • 生物学 $$