第3单元 专题加强3 光呼吸与光抑制、二氧化碳的浓缩机制-【优化探究】2026高考生物学一轮复习高考总复习配套课件（人教版多选）

细胞的能量供应和利用 第三单元 专题加强3　 光呼吸与光抑制、二氧化碳的浓缩机制 加强点1　光呼吸与光抑制 1.光呼吸 (1)发生条件 ①干旱、炎热条件下,气孔关闭,阻止CO2进入叶片和O2逸出叶片。 ②Rubisco具有两面性(或双功能)。 (2)过程 (3)发生场所:叶绿体、过氧化物酶体、线粒体。 2.光抑制 (1)概念:植物的光合系统所接受的光能超过光合作用所需时,光合功能便降低,这就是光合作用的光抑制。 (2)机理:光合系统的破坏,PSⅡ是光破坏的主要场所。发生光破坏后的结果:电子传递受阻,光合效率下降。 1.(2024·辽宁卷)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3;当CO2/O2比值低时,C5也能与O2反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶绿体与线粒体中主要物质变化如图1所示。 对点训练 光呼吸将已经同化的碳释放,且整体上是消耗能量的过程。回答下列问题。 (1)反应①是___________过程。  CO2的固定 解析:在光合作用的暗反应过程中,CO2在特定酶的作用下,与C5结合形成两个C3分子,这个过程称作CO2的固定,故反应①是CO2的固定过程。 (2)与光呼吸不同,以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是 ____________和____________ 。  细胞质基质 线粒体基质 解析: 有氧呼吸的第一、二、三阶段的场所依次是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜。有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和NADH,合成少量ATP;第二阶段是丙酮酸和水反应生成二氧化碳和NADH,合成少量ATP,第三阶段是前两个阶段产生的NADH与O2结合生成水,故以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是细胞质基质、线粒体基质。 (3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株(WT),得到转基因株系1和2,测定净光合速率,结果如图2、图3。图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外,还可来自_______和______ _____(填生理过程)。7~10时,株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异,原因是_______________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________。据图3中的数据 _____(填“能”或“不能”)计算出株系1的总光合速率,理由是_______ _________________________________________________________________________________________________________________________。  光呼吸 细胞 呼吸 7~10时,随着光照强度的增强,株系1和2由于转入了改变光呼吸 的相关基因,光呼吸速率降低,与O2反应的C5减少,更多的C5参与CO2的固定,与WT相比,株系1和株系2的净光合速率较高 不能 总光合 速率=净光合速率+呼吸速率,呼吸速率为光照强度为0时CO2的释放速率,由图无法得出株系1的呼吸速率,故无法计算出株系1的总光合速率 解析: 由图1可知,在线粒体中进行光呼吸的过程中,也会产生CO2,因此植物光合作用CO2的来源除了外界环境外,还可来自光呼吸、细胞呼吸。7~10时,随着光照强度的增加,株系1和2由于转入了改变光呼吸的相关基因,光呼吸速率降低,与O2反应的C5减少, 更多的C5参与CO2的固定,与WT相比,株系1和株系2的净光合速率较高。总光合速率=净光合速率+呼吸速率,呼吸速率为光照强度为0时CO2的释放速率,由图示无法得出株系1的呼吸速率,故无法计算出株系1的总光合速率。 (4)结合上述结果分析,选择转基因株系1进行种植,产量可能更具优势,判断的依据是__________________________________________________ ________________。  与株系2、WT相比,转基因株系1的净光合速率最大,积 累的有机物较多 解析: 由图2、图3可知,与株系2、WT相比,转基因株系1的净光合速率最大,故积累的有机物较多,因此选择转基因株系1进行种植,产量可能更具优势。 2.(2024·重庆卷)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CO2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_________________________________________________________ _______________(答出2点即可)。  500　 光合作用受到抑制,消耗的CO2减少,且 气孔导度增加　 在弱光下,随光强增加,黄连 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,叶绿体类囊体膜面积更大) 解析: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强达到500 μmol·m-2·s-1时光合速率不再增加;光强大于1 300 μmol·m-2·s-1后,净光合速率下降,且气孔导度增加,所以胞间CO2浓度增加主要是由于光合作用受到抑制,消耗的CO2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下,随光强增加,黄连生长快速达到最大,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,叶绿体类囊体膜面积更大)。 (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 ①②③⑤ 解析: 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消耗,所以黄连提升修复能力等防御机制,具体可包括: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更多的光能;③自由基清除能力增强,减少对光合结构的破坏;⑤增强热耗散。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)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,还可以采取的措施及其作用是______________________ ______________________________________。  合理施肥增加叶片(光合) 面积,补充CO2提高暗反应效率,合理密植 解析: 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有合理施肥增加叶片(光合)面积,补充CO2提高暗反应效率,合理密植等。 加强点2　二氧化碳的浓缩机制 1.C4途径固定CO2的方式 玉米、甘蔗等起源于热带的植物,叶肉细胞的叶绿体内,在有关酶的催化作用下,CO2首先被一种三碳化合物(PEP)固定,形成一个四碳化合物(C4)。C4进入维管束鞘细胞的叶绿体中,释放出一个CO2,并形成另一种三碳化合物——丙酮酸。释放出来的CO2进入卡尔文循环;丙酮酸则再次进入叶肉细胞中的叶绿体内,在有关酶的催化下,通过ATP提供的能量,转化成PEP,继续固定CO2。 具体过程如图所示。 这种以四碳化合物(C4)为光合最初产物的途径称为C4途径,而卡尔文循环这种以三碳化合物(C3)为光合最初产物的途径则称为C3途径。相应的植物被称为C4植物和C3植物。 C4途径的生物学意义在于,热带植物为了防止水分过度蒸发,常常关闭叶片上的气孔,这样空气中的CO2就不易进入叶肉细胞,不能满足光合作用对CO2的需求。而C4途径中能固定CO2的羧化酶对CO2有很高的亲和力,使叶肉细胞能有效地固定和浓缩CO2,供维管束鞘细胞中叶绿体内的C3途径利用。 2.景天科植物的CO2固定(CAM途径) 景天酸代谢是许多肉质植物的一种特殊代谢方式,在夜间气孔开放,大气中的CO2从气孔进入,被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化,与PEP结合形成草酰乙酸(OAA),再经苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸,储存于液泡中。在白天,苹果酸从液泡中释放出来,经脱羧酶作用形成CO2和丙酮酸,CO2产生后用于卡尔文循环,如图所示。 3.蓝细菌的CO2浓缩机制 蓝细菌具有CO2浓缩机制,如图所示。 3.(2025·河南郑州模拟)景天酸代谢(CAM)途径属于某些植物特有的CO2固定方式,下列关于这类植物的叙述,错误的是(　　) 对点训练 A.在上午某一时刻,突然降低外界的CO2浓度,叶肉细胞中C3的含量短时间内不变 B.景天酸代谢途径的出现,可能与植物适应干旱条件有关 C.给植物提供14C标记的14CO2,14C可以出现在OAA、苹果酸、C3和有机物中 D.在夜晚,叶肉细胞能产生ATP的细胞器有线粒体和叶绿体 答案:D 解析:在夜晚,叶肉细胞只能通过细胞呼吸产生ATP,即产生ATP的细胞器是线粒体,D错误。 4.根据光合作用中CO2固定方式的不同,可以将植物分为多种类型,其中C3和C4植物的光合速率随外界CO2浓度的变化如图所示(CO2饱和点是指植物光合速率开始达到最大值时的外界CO2浓度)。据图分析,下列说法错误的是(　　) A.在低CO2浓度下,C4植物光合速率更易受CO2浓度变化的影响 B.在C4植物CO2饱和点时,C4植物的光合速率要比C3植物的低 C.适当扩大C3植物的种植面积,可能更有利于实现碳中和的目标 D.在干旱条件下,气孔开度减小,C4植物生长效果要优于C3植物 答案:B 解析:分析题图可知,在低CO2浓度下,浓度稍微 提高,C4植物光合速率快速提高,C3植物在CO2 浓度很低时不进行光合作用,故低CO2浓度下C4 植物光合速率更易受CO2浓度变化的影响,A正 确;据题图可知,在C4植物CO2饱和点(外界CO2 体积分数为350×10-6左右)时,C4植物的光合速 率要比C3植物的高,B错误;C3植物的CO2饱和点更高,能利用更多的CO2,故适当扩大C3植物的种植面积,可能更有利于实现碳中和的目标,C正确;在干旱条件下,气孔开度减小,C4植物能利用更低浓度的CO2,生长效果要优于C3植物,D正确。 5.(2021·辽宁卷)早期地球大气中的O2浓度很低,大约3.5亿年前,大气中O2浓度显著增加,CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约390 μmol·mol-1, 是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是一种催化CO2固定的酶,在低浓度CO2条件下,催化效率低。有些植物在进化过程中形成了CO2浓缩机制,极大地提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度,促进了CO2的固定。回答下列问题。 (1)真核细胞叶绿体中,在Rubisco的催化下,CO2被固定形成__________ _______,进而被还原生成糖类,此过程发生在____________中。  三碳化合 物(C3) 叶绿体基质 解析:光合作用的暗反应中,CO2被固定形成三碳化合物(C3),进而被 还原生成糖类,此过程发生在叶绿体基质中。 (2)海水中的无机碳主要以CO2和HC两种形式存在,水体中CO2浓度低、扩散速度慢,有些藻类具有图1所示的无机碳浓缩过程,图中HC浓度最高的场所是________ (填“细胞外”“细胞质基质”或“叶绿体”),可为图示过程提供ATP的生理过程有___________________。  叶绿体 细胞呼吸和光合作用 解析: 由题图1可知,HC运输需要消耗ATP,说明HC的运输是主动运输,主动运输一般是逆浓度运输,由此推断图中HC浓度最高的场所是叶绿体。该过程中细胞质中需要的ATP由细胞呼吸提供,叶绿体中的ATP由光合作用提供。 (3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制,部分过程见图2。在叶肉细胞中,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将HC转化为有机物,该有机物经过一系列的变化,最终进入相邻的维管束鞘细胞释放CO2,提高了Rubisco附近的CO2浓度。 ①由这种CO2浓缩机制可以推测,PEPC与无机碳的亲和力_____(填“高 于”“低于”或“等于”)Rubisco。  ②图2所示的物质中,可由光合作用光反应提供的是_____________。图 中由Pyr转变为PEP的过程属于________ (填“吸能反应”或“放能反 应”)。  ③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所,可以使用___________技术。  高于 吸能反应 NADPH和ATP 同位素示踪 解析:①PEPC参与催化HC+PEP OAA过程,说明PEPC与无机碳的亲和力高于Rubisco。 ②图2所示的物质中,可由光合作用光反应提供的是ATP和NADPH。图中由Pyr转变为PEP的过程需要消耗ATP,说明图中由Pyr转变为PEP的过程属于吸能反应。 ③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所,可以使用同位素示踪技术。 (4)通过转基因技术或蛋白质工程技术,可以进一步提高植物光合作用的效率,以下研究思路合理的有_____。  A.改造植物的HC转运蛋白基因,增强HC的运输能力 B.改造植物的PEPC基因,抑制OAA的合成 C.改造植物的Rubisco基因,增强CO2固定能力 D.将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物 AC 解析: 改造植物的HC转运蛋白基因,增强HC的运输能力,可以提高植物光合作用的效率,A符合题意;改造植物的PEPC基因,抑制OAA的合成,不利于二氧化碳的生成,不能提高植物光合作用的效率,B不符合题意;改造植物的Rubisco基因,增强CO2固定能力,可以提高植物光合作用的效率,C符合题意;由于基因的表达受多种因素的影响,将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物,不一定能提高植物光合作用的效率,D不符合题意。 $$