2026届高考生物一轮复习讲义光合作用微专题-电子传递链 C3 C4 CAM 光呼吸

光合作用拓展微专题 一、光系统及电子传递链 【必背考点】 ①光系统II进行水的光解：H2O→O2+H++e-. ②电子经电子传递链传递，由高电势到低电势，释放能量，能量的去向： a驱动H+主动运输，由类囊体基质侧（低浓度，外侧）泵入囊腔侧（高浓度，内侧）； b参与NADPH合成：NADP++ H++e-→NADPH； ③类囊体膜对质子高度不通透，H+通过具有ATP合成酶活性的载体蛋白顺浓度梯度运出，同时伴随ATP的合成。 【例题】1．（2025·辽宁·三模）叶绿体在光下利用无机磷与ADP合成ATP的过程称为光合磷酸化。光合磷酸化与电子传递是通过ATP合酶联系在一起的。如图ATP合酶由CF1和CF0两个蛋白复合体构成，光系统I（PSI）和光系统Ⅱ（PSⅡ）是由蛋白质和光合色素组成的复合体。据图分析，下列相关叙述正确的是（　　） A．PSI和PSⅡ镶嵌在叶绿体的内膜上 B．膜内外H+浓度差是光合磷酸化的动力 C．CF1是疏水性复合体，CF0是亲水性复合体 D．电子传递抑制剂有利于光合磷酸化的进行 【例题】2．（2025·江苏徐州·二模）光是光合作用的必要条件，在光反应过程中光合电子传递包括线性电子传递和环式电子传递（如图所示）。物质X通过与质体醌（PQ）竞争PSⅡ上的结合位点而阻碍电子传递；除草剂二溴百里香醌是PQ的类似物，可接受来自PSⅡ反应中心的电子，且能够与细胞色素b6f特异性结合，阻止电子传递到细胞色素b6f。 (1)光合作用光反应的场所是 ，光反应中产生ATP的直接能量来源是 。 (2)ATP合成酶的作用是 、 ，增加膜两侧的H⁺浓度差的生理过程有 （答出2点即可）。 (3)物质X与PQ竞争PSⅡ上的结合位点，会使电子传递受阻，导致 （填物质名称）生成量减少，进而影响暗反应中 的还原。 (4)除草剂二溴百里香醌与细胞色素b6f特异性结合，阻止电子传递到细胞色素b6f，会影响 的形成，从而导致光反应中 的合成受阻。 (5)在樱桃种植基地，果农常用不透光的黑塑料膜覆盖地面进行物理除草，从光合作用角度分析，其作用原理最合理的是_______。 A．黑塑料膜反射大量阳光，使杂草吸收的光能显著减少 B．黑塑料膜阻碍了CO2进入杂草叶片，使暗反应无法进行 C．黑塑料膜阻断了杂草的光反应阶段使其无法进行光合作用 D．黑塑料膜抑制了杂草细胞内与光合作用有关酶的活性 ( C3途径 ) ( C4途径 )二、C3与C4植物 将仅有C3参与CO2固定的植物叫C3植物，如小麦、水稻等大多数绿色植物通常为C3途径。热带植物为了防止水分过多蒸发，常常关闭叶片上的气孔，导致空气中的CO2不易进入细胞，而玉米、甘蔗等热带植物含有PEP羧化酶对CO2有强亲和力，可将环境中低浓度的CO2固定下来，使叶肉细胞能有效固定和浓缩CO2，供维管束鞘细胞内叶绿体中的C3途径利用。 【必背考点】 C4植物特点：①C4植物能利用环境中低浓度CO2，无光合午休现象；②对CO2固定在空间上分离：叶肉细胞以C4途径固定和浓缩CO2,使维管束细胞内叶绿体中的C3途径利用。 【例题】3．玉米等C4植物叶肉细胞叶绿体中的PEPC酶催化CO2的固定形成C4，PEPC酶的活性是Rubisco酶（C3植物中催化CO2的固定）的60倍。图1表示PEPC酶催化玉米细胞光合作用的过程，实验小组为了探究PEPC能否提高水稻的光合速率，向水稻转入玉米PEPC基因，并比较了干旱和正常灌溉条件下，PEPC酶活性对转基因水稻光合作用速率的影响，实验结果如图2所示。回答下列问题： (1)实验室可采用 法研究玉米光合作用过程碳原子的转移途径，玉米和水稻对低浓度的CO2适应性更强的是 ，若PEPC活性下降，短时间内会导致维管束鞘细胞叶绿体中C3和C5的比值 。 (2)根据图1推测，玉米光合作用中碳原子的转移途径是 ，干旱环境下，PEPC活性增强能显著提高水稻的光合作用速率，其原因是 。 (3)转PEPC基因水稻在干旱胁迫下具有光合优势。若要进一步探究转PEPC基因水稻在实际农业生产中的应用潜力，还需从哪些方面进行研究 （请至少列举一个方面，并简要说明理由）。 三、CAM植物 景天科、仙人掌科等植物生活在炎热、干旱环境，没有明显的维管束鞘细胞，通过酶活性的昼夜调节实现对CO2的固定在时间上分离。 【必背考点】 ①晚上：气孔打开，吸收CO2，吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中，液泡中PH降低；②白天：气孔关闭，不吸收CO2，液泡中储存的苹果酸释放CO2用于光合作用。 【例题】4．（2025·宁夏吴忠·一模）CAM光合途径是指植物的气孔在夜晚张开，进行CO2吸收并转化成苹果酸以主动运输的方式转入液泡中，气孔在白天关闭，储存的苹果酸经过脱羧释放出CO2用于光合作用。而C3植物仅有C3光合途径，即气孔在白天张开以吸收CO2进行光合作用，且无苹果酸合成、转运和脱羧过程。铁皮石斛作为一种兼性CAM植物，其光合作用模式会根据光照环境的变化，在CAM途径与C3途径之间转换。下列相关推测不合理的是（    ） A．高温干旱条件下，铁皮石斛在暗期的气孔开放程度可能大于光期 B．铁皮石斛细胞中液泡的pH在暗期降低、光期上升 C．铁皮石斛暗期的CO2吸收速率较光期低，说明铁皮石斛在暗期的光合速率低于光期 D．铁皮石斛在暗期吸收的CO2可缓解光期CO2吸收不足，进而提高光合速率 【例题】5．（2021·全国乙卷·高考真题）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） 四、光呼吸 1.条件：Rubisco是一种双功能的酶：二氧化碳和氧气竞争性与Rubisco结合。 ①当二氧化碳浓度高时，Rubisco催化C5与CO2形成两分子3－磷酸甘油酸(PGA)，就是卡尔文循环中的C3，进行卡尔文循环； ②当氧气浓度高时，Rubisco催化RuBP与氧气形成1分子PGA(C3)和1分子磷酸乙醇酸(C2)，其中PGA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。 2.光呼吸是进行光合作用的细胞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。其生化途径和在细胞中的发生部位也与一般呼吸作用(也称暗呼吸)不同。 【光呼吸与细胞呼吸的区别】 ①光呼吸发生在叶绿体中，需要光照，而呼吸作用则主要发生在线粒体中，有光无光都可以进行。 ②光呼吸的底物是五碳化合物和氧气，发生反应时消耗光反应产生的ATP和NADPH，不产生ATP，而呼吸作用的底物则是有机物和氧气，反应过程中生成ATP。 3.意义：①回收碳元素。就是2分子的C2形成1分子的C3和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。强光时，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。 ③消除乙醇酸对细胞的毒害。 4.危害：较强光下，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。 【例题】6．（2022·江苏·高考真题）图1所示为光合作用过程中部分物质的代谢关系（①～⑦表示代谢途径）。Rubisco是光合作用的关键酶之一，CO2和O2竞争与其结合，分别催化C5的羧化与氧化。C5羧化固定CO2合成糖；C5氧化则产生乙醇酸（C2），C2在过氧化物酶体和线粒体协同下，完成光呼吸碳氧化循环。请都图回各下列问题： (1)图1中，类囊体膜直接参与的代谢途径有 （从①～⑦中选填），在红光照射条件下，参与这些途径的主要色素是 。 (2)在C2循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化，同时生成的 在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。 (3)将叶片置于一个密闭小室内，分别在CO2浓度为0和0.03%的条件下测定小室内CO2浓度的变化，获得曲线a、b（图Ⅱ）。 ①曲线a，0～t1时（没有光照，只进行呼吸作用）段释放的CO2源于呼吸作用；t1～t2时段，CO2的释放速度有所增加，此阶段的CO2源于 。 ②曲线b，当时间到达t2点后，室内CO2浓度不再改变，其原因是 。 (4)光呼吸可使光合效率下降20%-50%，科学家在烟草叶绿体中组装表达了衣藻的乙醇酸脱氢酶和南瓜的苹果酸合酶，形成了图Ⅲ代谢途径，通过 降低了光呼吸，提高了植株生物量。上述工作体现了遗传多样性的 价值。 7．（2023·湖南·高考真题）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450μmol·L-1（K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7μmol·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）。 答案第4页，共4页 第4页，共4页 学科网（北京）股份有限公司 参考答案 1．B 【详解】A、由题干可知，PSⅠ和PSⅡ是由蛋白质和光合色素组成的复合体，光合色素分布在类囊体薄膜上，所以PSI和PSⅡ应该是分布在类囊体薄膜上的，A错误； B、据图可知，跨膜的H+浓度差，推动ATP合酶合成ATP，B正确； C、CF1存在部位为磷脂亲水头部附近，所以应该有亲水性，CF0插入到磷脂疏水尾部中，所以应该有疏水性，C错误； D、电子传递抑制剂并不利于光合磷酸化的进行，因为它们会阻断光合电子传递链中的电子传递，从而阻止H+电化学梯度的形成和ATP的合成，D错误。 故选B。 2．(1) 类囊体薄膜 H+的电化学梯度 (2) 催化ATP的合成 协助H+跨膜运输 水的光解产生H+、PQ将H+从叶绿体基质侧运输到类囊体腔侧、合成NADPH消耗叶绿体基质侧的H+ (3) ATP和NADPH C3 (4) 质子梯度 ATP (5)C 【详解】（1）光反应的场所是类囊体薄膜。在光反应过程中，水在光下分解产生O2、e-和H+，e-在电子传递链中传递，同时伴随着H+从叶绿体基质向类囊体薄膜内转运，从而形成了类囊体薄膜内外的H+电化学梯度。H+顺浓度梯度通过ATP合成酶时，促使ADP和Pi合成ATP，因此，H+电化学梯度是产生ATP的直接能量来源。 （2）由题图可知，ATP合成酶的作用是催化ATP的合成，并协助H+跨膜运输。水的光解产生的H+使类囊体腔侧的H+浓度增加，另外，PQ可将H+从叶绿体基质侧运输到类囊体腔侧，合成NADPH也需要消耗叶绿体基质侧的H+，它们都可增加膜两侧的H+浓度差。 （3）已知物质X通过与PQ竞争PSⅡ上的结合位点而阻碍电子传递，电子传递受阻会使光反应中ATP和NADPH生成量减少，而暗反应中C3的还原需要ATP和NADPH，因此会影响C3的还原。 （4）由题图可知，电子传递到细胞色素b6f有助于质子梯度的形成，质子梯度驱动ATP的合成。除草剂二溴百里香醌阻止电子传递到细胞色素b6f，影响质子梯度的形成，进而使ATP的合成受阻。 （5）黑塑料膜主要是通过不透光的特性来减少杂草对光能的吸收，而不是通过反射，A错误；黑塑料膜覆盖地面的主要是光照，对CO2进入杂草叶片的阻碍作用不明显，B错误；因为黑塑料膜不透光，杂草无法接收光照而不能进行光反应，所以无法为暗反应提供ATP和NADPH，最终使杂草无法进行光合作用，生长受到抑制，达到除草目的，C正确；黑塑料膜覆盖地面虽然可能在一定程度上改变地面温度而影响与光合作用有关酶的活性，但这不是抑制杂草光合作用的主要原因，D错误。故选C。 3．(1) 同位素标记 玉米 降低 (2) CO2→C4→CO2→C3→有机物 干旱环境下气孔关闭，CO2供应不足，PEPC酶活性增强可以提高对低浓度CO2的固定能力，从而提高光合作用速率 (3)①研究转PEPC基因水稻的产量和品质，理由：产量是衡量其应用价值的重要指标；②研究转PEPC基因水稻对当地生态系统中其他生物的影响，理由：防止其对生态系统的生物多样性造成不利影响（答案不唯一，合理即可） 【详解】（1）研究光合作用过程中碳原子转移途径常用同位素标记法，标记追踪碳元素的转移途径。玉米是C4植物，其叶肉细胞叶绿体中的PEPC酶催化CO2的固定形成，PEPC酶的活性是Rubisco酶的60倍，对低浓度CO2的固定能力更强，所以玉米对低浓度CO2适应性更强。若PEPC活性下降，CO2固定形成C4减少，进入维管束鞘细胞的C4减少，释放的CO2减少，与C5固定形成C3的过程减弱，C3生成减少，C5消耗减少，所以短时间内维管束鞘细胞叶绿体中C3和C5的比值降低。 （2）根据图1推测，玉米光合作用中碳原子的转移途径是CO2→C4→CO2→C3→有机物。干旱环境下，植物气孔关闭，CO2供应不足，而玉米等植物中PEPC酶对CO2的固定能力强，水稻转入玉米PEPC基因后，PEPC酶活性增强能提高对低浓度CO2的固定能力，所以能显著提高水稻的光合作用速率。 （3）在探究转PEPC基因水稻在实际农业生产中的应用潜力时，产量是衡量其应用价值的重要指标；对生态系统中其他生物的影响涉及生态平衡和生物多样性保护，这些方面都对其实际应用有重要意义。 4．C 【详解】A、高温干旱环境下，为防止过度蒸腾作用，铁皮石斛白天气孔开放程度减小，夜晚开放程度大，夜晚吸收CO2并储存起来，为光期进行光合作用提供充足的CO2，A合理； B、CAM植物在暗期将CO2转化为苹果酸并储存于液泡中，苹果酸是酸性物质，其积累会导致液泡pH降低，光期苹果酸脱羧释放CO2，pH回升，B合理； C、铁皮石斛在暗期气孔开放所吸收的CO2仅用于储存，由于缺乏光照，暗期不进行光合作用，不能算光合速率，C不合理； D、铁皮石斛通过暗期吸收、储存的CO2可缓解光期吸收CO2的不足，从而提高光期光合速率，D合理。 故选C。 5． 细胞质基质、线粒体、叶绿体（类囊体薄膜） 细胞呼吸 蒸腾作用丢失大量水分 光合作用（暗反应） 实验思路：白天和夜间每隔一定时间取干旱条件下生长的植物甲的叶片， 测定叶肉细胞的pH； 预期结果：植物甲叶肉细胞pH 在夜间逐渐降低、白天逐渐升高 【详解】（1）白天有光照，叶肉细胞能利用液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2进行光合作用，也能利用光合作用产生的氧气和有机物进行有氧呼吸，光合作用光反应阶段能将光能转化为化学能储存在ATP中，有氧呼吸三阶段都能产生能量合成ATP，因此叶肉细胞能产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体（线粒体基质和线粒体内膜）、叶绿体类囊体薄膜。光合作用为有氧呼吸提供有机物和氧气，反之，细胞呼吸（呼吸作用）产生的二氧化碳也能用于光合作用暗反应，故光合作用所需的CO2可来源于苹果酸脱羧和细胞呼吸（或呼吸作用）释放的CO2。 （2）由于环境干旱，植物吸收的水分较少，为了维持机体的平衡适应这一环境，气孔白天关闭能防止白天因温度较高蒸腾作用较强导致植物体水分散失过多，晚上气孔打开吸收二氧化碳储存固定以保证光合作用等生命活动的正常进行。 （3）验证植物甲在干旱环境中晚上气孔打开吸收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用于光合作用，该实验自变量是植物甲所处的生存环境是白天还是黑夜，由于夜间气孔打开吸收二氧化碳，生成苹果酸储存在液泡中，导致液泡pH降低，故可通过检测液泡的pH验证植物甲存在该特殊方式，即因变量检测指标是液泡中的pH值。 实验思路：白天和夜间每隔一定时间取干旱条件下生长的植物甲的叶片， 测定叶肉细胞的pH； 预期结果：植物甲叶肉细胞pH 在夜间逐渐降低、白天逐渐升高。 6．(1) ①⑥ 叶绿素a和叶绿素b (2)过氧化氢 (3) 光呼吸和呼吸作用 光合作用消耗的CO2等于呼吸作用和光呼吸产生的CO2之和 (4) 将乙醇酸转化为苹果酸 直接 【详解】（1）类囊体薄膜发生的反应有水的光解产生[H]与氧气，以及ATP的形成，即①⑥。叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，叶绿素主要有叶绿素a和叶绿素b两种，叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色；类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，用红光照射参与反映的主要是叶绿素啊和叶绿素b。 （2）过氧化氢酶能将过氧化氢分解为O2和H2O，所以在C2循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化，同时生成的过氧化氢在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。 （3）a曲线t1～t2时段，有光照，所以CO2是由细胞呼吸和光呼吸共同产生。b曲线有光照后t1～t2时段CO2下降最后达到平衡，说明光呼吸、细胞呼吸和光合作用达到了平衡。 （4）图Ⅲ代谢途径，通过将乙醇酸转化为苹果酸降低了光呼吸，提高了植株生物量，直接提升了流入生态系统的能量，体现了遗传多样性的直接价值。 7．(1) 3-磷酸甘油醛 蔗糖 维管组织（韧皮部） (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；原核生物和真核生物光合作用机制有所不同 【详解】（1）玉米的光合作用过程与水稻相比，虽然CO2的固定过程不同，但其卡尔文循环的过程是相同的，结合水稻的卡尔文循环图解，可以看出CO2固定的直接产物是3-磷酸甘油酸，然后直接被还原成3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛在叶绿体中被转化成淀粉，在叶绿体外被转化成蔗糖，蔗糖是植物长距离运输的主要糖类，蔗糖在长距离运输时是通过维管组织（韧皮部）。 （2）干旱、高光强时会导致植物气孔关闭，吸收的CO2减少，而玉米的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；且玉米能将叶绿体内的光合产物通过维管组织及时转移出细胞。因此在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度高于水稻。 （3）将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻叶肉细胞，只是提高了叶肉细胞内的CO2浓度，而植物的光合作用强度受到很多因素的影响；在光饱和条件下如果光合作用强度没有明显提高，可能是水稻的酶活性达到最大，对CO2的利用率不再提高，或是受到ATP和NADPH等物质含量的限制，也可能是因为蓝细菌是原核生物，水稻是真核生物，二者的光合作用机制有所不同。 $$