第二单元 热点情境系列1 聚焦CO2固定的不同途径（课件PPT）-【高考领航】2026年高考生物大一轮复习学案

热点情境系列1 聚焦CO2固定的不同途径 返回 ‹#› (2023·湖南卷)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 返回 ‹#› 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： 返回 ‹#› (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。 返回 ‹#› (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)。 返回 ‹#› (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)。 返回 ‹#› 解析：(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。 返回 ‹#› (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。 返回 ‹#› (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。 返回 ‹#› 答案：(1)3-磷酸甘油醛　蔗糖　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；原核生物和真核生物光合作用机制有所不同 返回 ‹#› 1．C3途径固定CO2的方式 C3途径也称卡尔文循环，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、菜豆、水稻、马铃薯等。 返回 ‹#› 2．C4植物固定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进入维管束鞘细胞中的叶绿体，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。 返回 ‹#› 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的那种酶对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。 返回 ‹#› 3．景天科植物的CO2固定(CAM途径) 景天科酸代谢是许多肉质植物的一种特殊代谢方式，在夜间，大气中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，贮存于液泡中。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。 返回 ‹#› 4．蓝细菌的CO2浓缩机制 蓝细菌具有CO2浓缩机制，如下图所示。 注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散。 返回 ‹#› 1．(2025·福建福州检测)玉米叶片的横切结构及相关代谢过程与场所如图所示，从结构与功能统一的角度，分析下列说法错误的是(　　) A．除叶肉细胞外，维管束鞘细胞中也含有 叶绿体 B．若抑制PEP羧化酶活性，光合作用会明显 降低 C．如果提供14CO2，14C首先出现在叶肉细胞 的C3中 D．玉米的叶片结构，体现对高温干旱环境的适应 C　 返回 ‹#› 解析：C　图中维管束鞘细胞也含有叶绿体，可以进行暗反应，A正确；图中抑制PEP羧化酶活性，会抑制暗反应的进行，光合作用会明显降低，B正确；如果提供14CO2，14CO2首先和C3反应生成C4，14C首先出现在叶肉细胞的C4中，C错误；玉米叶片特殊的结构和功能，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， 所以它们对高温干旱环境有更好地适应， D正确。 返回 ‹#› 2．(2025·山东潍坊模拟)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，又有科学家发现某些植物中存在碳元素行踪的另一条途径，该途径同样存在于气孔的保卫细胞中，具体机理如图甲所示。 　 甲 乙 返回 ‹#› (1)据图分析，该途径固定CO2的场所有_________________________；该植物叶肉细胞中液泡的作用是_________________________________(答出两点作用)。 甲 乙 返回 ‹#› (2)苹果酸在白天和晚上的作用____________________(填“相同”或“不同”)，具体表现为____________________________________________ ____________________。 甲 乙 返回 ‹#› (3)气孔的开放与保卫细胞的细胞壁松弛有关，细胞内pH的下降可导致细胞壁松弛。与人体内环境稳态调节类似，气孔的开放程度与pH的变化之间存在着____________调节机制。图乙为该类植物叶片内有机酸含量的昼夜变化，据此推测该类植物夜间气孔开放的机理是______________。 甲 乙 返回 ‹#› 解析：(1)据图甲分析可知，夜间吸收的CO2在细胞质基质与PEP结合形成OAA，白天苹果酸分解产生的CO2可被C5固定形成C3，因此该途径固定CO2的场所有细胞质基质、叶绿体(基质)；该植物叶肉细胞的液泡中的细胞液具有一定渗透压，能维持叶肉细胞形态，同时夜间将苹果酸储存在液泡内，白天苹果酸分解产生CO2被光合作用吸收，细胞液泡还能调节叶肉细胞pH。 甲 乙 返回 ‹#› (2)夜间形成的苹果酸将CO2临时储存在液泡中，白天通过分解苹果酸将储存的CO2释放出来，因此苹果酸在白天和晚上的作用不同。 甲 乙 返回 ‹#› (3)人体内环境稳态的维持具有反馈调节的特点，气孔的开放与保卫细胞的细胞壁松弛有关，细胞内pH的下降可导致细胞壁松弛。与人体内环境稳态调节类似，因此气孔的开放程度与pH的变化之间存在着反馈调节机制。图乙有机酸的含量白天减少，夜晚增加，而细胞内pH的下降可导致细胞壁松弛，因此该类植物夜间气孔开放的机理是：夜间该类植物有机酸含量升高，导致细胞内pH下降，使细胞壁松弛，气孔开放。 甲 乙 返回 ‹#› 答案：(1)细胞质基质、叶绿体(基质)　维持叶肉细胞形态、调节叶肉细胞pH　(2)不同　夜间将CO2临时储存在液泡中，白天通过分解将储存的CO2释放出来　(3)反馈　夜间该类植物有机酸含量升高，导致细胞内pH下降，使细胞壁松弛，气孔开放 返回 ‹#› $