2026届高三生物一轮复习课件微专题：C3、C4、CAM植物及光呼吸

一轮复习 学校：祁阳市第四中学 教师：刘迎春 微专题：C3、C4、CAM植物及光呼吸 自然界中的绿色植物根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同可以分为C3、C4和CAM三种类型。 一、C3、C4和CAM植物 也称卡尔文循环[固定CO2的初产物是三碳化合物(C3)]，整个循环由RuBP(C5)与CO2的羧化开始到RuBP(C5)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植物有大麦、小麦、大豆、水稻、马铃薯等。 1.C3途径 [固定CO2的初产物是四碳化合物(C4)]研究玉米的叶片结构发现，玉米的维管束鞘细胞和叶肉细胞紧密排列(如图1)。 2.C4途径 叶肉细胞中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，在维管束鞘细胞中，C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物(如图2)。 PEP羧化酶被形象地称为“CO2泵”，它对CO2的亲和力约是Rubisco的60倍，所以C4植物能利用叶肉细胞间隙含量很低的CO2进行光合作用，反应的空间分离导致维管束鞘细胞中CO2浓度比叶肉细胞增加10倍，从而确保在CO2受限的条件下进行高效地碳固定。C4植物通常生长在强光环境中，光合作用速率在所有植物中最高，如玉米、甘蔗、高粱等。 在CAM植物中，碳捕获和固定的反应在时间上是分离的。首先，在晚上(此时蒸腾速率低)捕获CO2，然后转变成苹果酸存储在液泡中。到了白天，气孔关闭，苹果酸脱羧，使得叶绿体中Rubisco周围CO2浓度升高。大量的苹果酸存储需要更大的液泡和细胞，因此CAM植物一般具有肉质的茎叶。常见的CAM植物有仙人掌、芦荟、龙舌兰、长药景天、菠萝等。 3.CAM途径 特征 C3植物 C4植物 CAM植物 植物类型 典型温带植物 典型热带或亚热带植物 典型干旱地区植物 主要CO2固定酶 Rubisco PEP羧化酶、Rubisco PEP羧化酶、 Rubisco CO2 固定的时间 发生CO2固定的细胞 叶肉细胞 归纳总结 C3植物、C4植物和CAM植物的比较 白天 白天 叶肉细胞 白天和夜晚 叶肉细胞和 维管束鞘细胞 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 最初CO2接受体 PEP 光下：RuBP(C5)； 暗中： PEP CO2固定的最初产物 C3 C4 光下：C3； 暗中：草酰乙酸 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。 RuBP(C5) 例1 下图是 <m></m> 植物和 <m></m> 植物光合作用暗反应示意图，据图回答下列问题： （1）绿色植物进行光合作用时，光反应产生的______________在图示的_________ ____（用图中文字表示）过程中被利用，科学家发现此过程时用到的研究方法为 ______________。已知玉米植株叶肉细胞的叶绿体不是光合作用暗反应的场所，由 此推测玉米为____（填“ <m></m> ”或“ <m></m> ”）植物。 卡尔文循环 ATP和 <m></m> 同位素标记法 <m></m> （2）据图可知，与 <m></m> 植物相比， <m></m> 植物细胞中所具备的____________对 <m></m> 具有 很强的亲和力，催化 <m></m> 和 <m></m> 结合，从而把大气中浓度很低的 <m></m> 固定下来。 <m></m> 会被集中到________________________中以供利用。 <m></m> 羧化酶 维管束鞘细胞内的叶绿体 （3） <m></m> 植物叶片的维管束鞘薄壁细胞中含有许多没有基粒的叶绿体，而叶肉细胞 内含有正常的叶绿体，推测 <m></m> 植物光反应的场所为______细胞。维管束鞘薄壁细胞 与其邻近的叶肉细胞之间有大量的胞间连丝，其作用是________________________ _____________________。当 <m></m> 植物的 <m></m> 羧化酶活性突然下降时，细胞中的ATP 含量会______（填“增加”或“减少”），原因是_________________________________ ________________________________________________________________。 叶肉 实现细胞间的物质交换和信息交流（合理即可） <m></m> 羧化酶活性下降时，暗反应速率减慢，ATP消耗量减少，而光反应速率基本不变，因此ATP含量会增加 增加 例2.（2022·全国）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。(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 。 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 变式1　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到重要作用，过程如图所示。据图分析，下列说法错误的是 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蒸 腾过度导致脱水，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景天酸代谢途径植物 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 光呼吸是所有进行光合作用的细胞(该处“细胞”包括原核生物和真核生物，但并非所有这些细胞都能进行完整的光呼吸)在光照和高氧低二氧化碳情况下发生的一个生化过程。该过程以光合作用的中间产物为底物，吸收氧、释放二氧化碳。 二、光呼吸 (1)植物体为什么会发生光呼吸呢？主要原因是在生物体的进化过程中产生了一种具有双功能的酶，该酶叫作RuBP羧化/加氧酶，可以缩写为Rubisco。 1.光呼吸的起因 (2)二氧化碳和氧气竞争性地与Rubisco结合，当二氧化碳浓度高时，Rubisco催化RuBP与二氧化碳形成两分子C3进行卡尔文循环；当氧气浓度高时，Rubisco催化RuBP与氧气形成1分子C3和1分子磷酸乙醇酸(C2)，其中C3进入卡尔文循环，而磷酸乙醇酸脱去磷酸基团形成乙醇酸，乙醇酸就离开叶绿体，走上了光呼吸的征途，这条路艰难而曲折，有害也有利。基本过程如图所示。 (3)由图可见，光呼吸和光合作用的关系密切，它们之间的关系可以作一形象的理解：糖工厂内(进行光合作用的细胞，特别是植物)的葡萄糖生产线(光合作用)因一部机器(Rubisco)构造不完善，一部分原材料(C5)不断被错误加工，产出次品(磷酸乙醇酸)，虽然有一补救措施，可将次品重加工并再次投入生产线，但是整个过程却是非常费时费力的。这个错误加工和补救的过程就是光呼吸。 如果在较强光照下，光呼吸加强，使得C5氧化分解加强，一部分碳以CO2的形式散失，从而减少了光合产物的形成和积累。其次，光呼吸过程中消耗了ATP和NADPH，即造成了能量的损耗。 2.光呼吸的危害 其实光呼吸和卡尔文循环是一种动态平衡，适当的光呼吸对植物体有一定积极意义，这也许是进化过程中形成光呼吸的原因。光呼吸的主要生理意义如下： 3.光呼吸的意义 (1)回收碳元素。2分子的C2形成1分子的C3和1分子的CO2，那1分子C3通过光呼吸过程又返回到卡尔文循环中，不至于全部流失掉。即通过光呼吸回收了3/4的碳元素。 (2)防止强光对叶绿体的破坏。在干旱天气和过强光照下，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。 (3)消除乙醇酸对细胞的毒害。 比较项目 光呼吸 暗呼吸(有氧呼吸) 反应条件 光照 光或暗都可以 能量 消耗能量(消耗ATP和NADPH) 共同点 消耗氧气，放出二氧化碳 光呼吸与暗呼吸的比较 归纳总结 产生能量 例3　Rubisco是绿色植物光合作用过程中的关键酶，当CO2浓度较高时，该酶催化CO2与C5反应进行光合作用。当O2浓度较高时，该酶催化C5与O2反应，最后在线粒体内生成CO2，植物这种在光下吸收O2产生CO2的现象称为光呼吸。下列叙述错误的是 A.绿色植物进行光呼吸的场所有叶绿体基质和线粒体 B.植物光呼吸的进行导致光合作用产生的有机物减少 C.光合作用过程中，CO2和C5反应需要消耗光反应产生的能量 D.植物细胞呼吸产生CO2的场所为细胞质基质或线粒体基质 C 【真题验收·淬炼考能】 (2023·湖南卷)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(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，其中叶肉细胞的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)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)。 【答案】(1)3­磷酸甘油醛　蔗糖　筛管(或维管组织) (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酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高；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；光合产物输出速率有限 $$