第3单元 拓展突破3 C3植物、C4植物、CAM植物、光呼吸和光抑制（课件PPT）-【正禾一本通】2026年新高考生物高三一轮总复习高效讲义（人教版 单选）

该高中生物学课件聚焦“细胞的能量供应和利用”单元，系统覆盖光合作用（卡尔文循环、光反应与暗反应）、C3/C4/CAM植物差异、光呼吸等高考核心考点，依据高考评价体系分析考点权重，归纳流程图解析、实验曲线分析等常考题型，体现备考针对性。 课件以“结构-过程-应用”为主线，融合生命观念（物质与能量观）和科学思维（建模分析），如通过代谢途径流程图解析卡尔文循环与光呼吸的物质联系，结合O2浓度影响CO2同化速率曲线培养实验分析能力，助力学生掌握答题技巧，教师可据此精准指导复习。

第三单元 细胞的能量供应和 利用 正禾一本通高三一轮总复习 生物学 C3植物、C4植物、CAM植物、光呼吸和光抑制 拓展突破3 热点突破 谢谢观看 50 【典例】(2024·广东高考)某湖泊曾处于重度富营养化状态，水面漂浮着大量浮游藻类。管理部门通过控源、清淤、换水以及引种沉水植物等手段，成功实现了水体生态恢复。引种的3种多年生草本沉水植物(①金鱼藻、②黑藻、③苦草，答题时植物名称可用对应序号表示)在不同光照强度下光合速率及水质净化能力见图。 　 回答下列问题： (1)湖水富营养化时，浮游藻类大量繁殖，水体透明度低，湖底光照不足。原有沉水植物因光合作用合成的有机物少于______________________的有机物，最终衰退和消亡❶。 (2)生态恢复后，该湖泊形成了以上述3种草本沉水植物为优势的群落垂直结构，从湖底到水面依次是______，其原因是_________________________ _________。 (3)为了达到湖水净化的目的，选择引种上述3种草本沉水植物的理由是________________________________________________________________，三者配合能实现综合治理效果。 (4)上述3种草本沉水植物中只有黑藻具有C4光合作用途径(浓缩CO2形成高浓度C4后，再分解成CO2传递给C5)使其在CO2受限的水体中仍可有效地进行光合作用，在水生植物群落中竞争力较强❹。根据图a设计一个简单的实验方案，验证黑藻的碳浓缩优势，完成下列表格。 实验设计方案 实验材料 对照组：______；实验组：黑藻 实验条件 控制光照强度为________μmol·m－2·s－1 营养及环境条件相同且适宜，培养时间相同 控制条件 __________________________________ 测量指标 __________________________________ 【高效解读】 (1)关键信息❶＋教材知识→由于湖底光照不足，导致原有沉水植物因光合作用合成的有机物少于细胞呼吸消耗的有机物，生物量在减少，不足以维持生长，最终衰退和消亡。 (2)关键信息❷＋教材知识→最大光合速率对应的光照强度依次升高，因此生态恢复后，该湖泊形成了以上述3种草本沉水植物为优势的群落垂直结构，从湖底到水面依次是③②①。 (3)关键信息❸＋教材知识→金鱼藻除藻率高，黑藻除氮率高，苦草除磷率高，三者配合能高效去除氮、磷和藻，能实现综合治理效果。 (4)关键信息❷→在相同光照强度下，①金鱼藻与②黑藻的光合作用强度高度接近，尤其在光照强度为500时，两者光合作用强度完全相同，有利于控制无关变量一致，而③苦草的光照强度与②黑藻相差较大。 关键信息❹→可知①③均无C4途径，而除了上述3种草本沉水植物外的其他植物是否有C4途径不确定→不能从①③外的其他植物为②选对照组→验证黑藻的碳浓缩优势，因此控制条件为低二氧化碳浓度。因变量是光合速率的快慢，因此检测指标是单位时间释放氧气的量。 一、C3植物、C4植物和CAM植物固定CO2方式的比较 1.C3植物固定CO2的方式 (1)C3途径：C3途径是碳同化的基本途径，也称为卡尔文循环，可合成糖类、淀粉等多种有机物。 (2)种类：大多数树木、粮食类植物、烟草、大麦、小麦、大豆、菜豆、水稻、马铃薯等。 (3)图示： 2.C4植物固定CO2的方式 (1)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化合物进入没有完整的叶绿体的维管束鞘细胞，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。 (2)种类：玉米、高粱、甘蔗、苋菜等。 (3)图示： (4)C4植物具有较高光合速率的原因 ①C4植物的叶肉细胞中的PEP羧化酶对底物CO2溶解产物HCO3-的亲和力极高，使细胞中有高浓度的CO2，从而促进暗反应，降低了光呼吸，且光呼吸释放的CO2又易被再固定。 ②高光强可产生更多的NADPH和ATP，以满足C4植物C4循环对ATP的额外需求。 ③维管束鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。 3.景天科植物(CAM植物)固定CO2的方式 (1)CAM途径：景天科植物在夜间，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，储存于液泡中，从而表现出夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH下降。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；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，从而表现出白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液pH上升。 (2)种类：仙人掌、菠萝和许多肉质植物等。 (3)图示： 4.比较C3、C4、CAM途径 (1)比较C4植物、CAM植物固定CO2的方式 ①相同点：都对CO2进行了两次固定。 ②不同点：C4植物两次固定CO2在空间上错开；CAM植物两次固定CO2在时间上错开。 (2)比较C3、C4、CAM途径 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。 (3)归纳总结 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 特征 C3植物 C4植物 CAM植物 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 【训练】1.(2024·湖北黄冈二模)水稻属于C3植物，其叶肉细胞能进行光合作用。玉米属于C4植物，叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成光合作用，过程如图1所示，图中PEP羧化酶对CO2的亲和力约是Rubisco对CO2的亲和力的60倍。某种玉米和水稻的光合速率随外界CO2浓度的变化如图2所示。据图推测，下列说法错误的是(　　) A.玉米的叶肉细胞可以给维管束鞘细胞提供ATP和NADPH B.检测玉米中淀粉的产生场所应选择维管束鞘细胞的叶绿体 C.图2中玉米和水稻分别对应曲线A和B D.种植C4植物比种植C3植物更有利于实现碳中和的目标 解析：选D。玉米的叶肉细胞有类囊体，可以进行光反应，给维管束鞘细胞提供ATP和NADPH，A正确；维管束鞘细胞的叶绿体有Rubisco，可以合成淀粉，B正确；玉米利用低浓度CO2的能力更强，所以图2中玉米和水稻分别对应曲线A和B，C正确；C3植物最大净光合速率更高，所以种植C3植物比种植C4植物更有利于实现碳中和的目标，D错误。 2.(2024·山东泰安模拟)甘蔗、玉米等一些植物的叶片具有特殊的结构，其叶肉细胞中的叶绿体有基粒，而维管束鞘细胞中的叶绿体不含基粒。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，其主要过程如图所示。请结合这些内容判断，下列说法中错误的是(　　) A.维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应，但能进行暗反应 B.维管束鞘细胞中暗反应过程不需要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.甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能，使其更适应高温干旱环境 解析：选B。光反应的场所是叶绿体的类囊体薄膜，基粒是由类囊体堆叠而成的，维管束鞘细胞的叶绿体没有基粒，所以维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应，叶肉细胞固定的CO2转移到维管束鞘细胞中释放，参与光合作用的暗反应，A正确；维管束鞘细胞中的暗反应过程需要光反应提供的ATP和NADPH，B错误；由图可知，PEP羧化酶可富集环境中较低浓度的CO2，C3与低浓度的CO2生成C4，C正确；甘蔗、玉米等一些植物的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，高温、干旱时植物会关闭部分气孔，甘蔗、玉米等在外界CO2供应不足时，C4能分解产生CO2继续供暗反应正常进行，故甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能，使其更适应高温干旱环境，D正确。 3.(2023·湖南高考)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： (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1点即可)。 解析：(1)玉米的光合作用过程与水稻相比，虽然CO2的来源不同，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，通过维管组织运输。(2)干旱、高光强会导致植物气孔关闭，吸收的CO2减少，而玉米的PEPC酶与CO2的亲和力高，可以利用低浓度的CO2进行光合作用，同时抑制植物的光呼吸，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。 (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。 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 二、光呼吸和光抑制 1.光呼吸 (1)概念：光呼吸是指绿色植物在光照情况下吸收O2，将叶绿体中的C5分解产生CO2的过程。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会与CO2竞争Rubisco，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。 (2)示意图： [深化理解] ①与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒体和过氧化物酶体。光呼吸产生的条件是光照、高O2含量和低CO2含量等。 ②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。由于光反应速率大于暗反应速率，此时光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的NADPH和ATP，防止强光对叶绿体的破坏，又可以为暗反应阶段提供原料，因此光呼吸对植物有重要的正面意义。 (3)图形解读： A表示光下净光合速率；B和C表示光下植物呼吸速率；B表示无论是光下还是暗处都可进行的呼吸速率；C表示只有光下才有的呼吸速率，即光呼吸现象。 (4)光呼吸与细胞呼吸的比较： 比较项目 光呼吸 细胞呼吸 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 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能利用的量时，光合功能便降低，这就是光合作用的光抑制。 (2)光抑制机理：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。 (3)光抑制的主要防御机制 ①减少光吸收，植物体也可以通过叶运动(减少叶片与主茎的夹角)或叶绿体运动这种对强光的快速响应以减少对光的吸收，从而避免光抑制。 ②增加热耗散：a.当依赖能量的叶绿素荧光猝灭增加时，通过增加激发能的热耗散可以部分避免光抑制。降低光饱和条件下的PSⅡ的光化学效率，可以避免光抑制破坏的发生。b.在强光下非光辐射能量耗散增加的同时，玉米黄素含量增加，玉米黄素与激发态的叶绿素作用，从而耗散其激发能，保护光合机构免受过量光能破坏。 ③进行光呼吸：C3植物的光呼吸有很高的能量需求。光呼吸可以防止强光和CO2亏缺条件下发生光抑制。 【训练】4.(2024·山东潍坊一模)光呼吸是O2/CO2偏高时与光合作用同时发生的生理过程，是经长期进化形成的适应机制。光呼吸和暗反应关系密切，机理如图所示。下列叙述错误的是(　　) A.光呼吸可保证CO2不足时，暗反应仍能正常进行 B.光合作用的光反应强于暗反应容易导致光呼吸发生 C.光呼吸过程虽消耗有机物，但不产生ATP D.抑制光呼吸能大幅度提高光合作用强度 解析：选D。从图中可知，光呼吸可为暗反应提供CO2，可以保证CO2不足时，暗反应仍能正常进行，A正确；当光合作用的光反应强于暗反应时，会使O2/CO2偏高，容易导致光呼吸发生，B正确；从图中可知，光呼吸过程消耗有机物和ATP，C正确；光呼吸可以为光合作用提供CO2，在O2/CO2偏高时光合作用仍能正常进行，因此抑制光呼吸，在O2/CO2偏高时光合作用强度会降低，D错误。 5.光呼吸是植物利用光能，吸收O2并释放CO2的过程。研究者将四种酶基因(GLO、CAT、GCL、TSR)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，下列推测正确的是(　　) A.光呼吸时，C5与O2的结合发生在叶绿体的类囊体薄膜上 B.在光呼吸中有ATP和NADPH的生成和消耗 C.GCGT支路有利于减少H2O2对叶绿体的损害 D.GCGT支路可以促进光呼吸从而降低光合效率 解析：选C。卡尔文循环的场所为叶绿体基质，图中光呼吸代谢支路利用卡尔文循环中的C5，故C5和O2的结合发生叶绿体基质中，A错误；GCGT支路中，甘油酸转化为PGA过程中有ATP的消耗，在丝氨酸转化为甘油酸过程中有NADPH的消耗，但没有ATP和NADPH的生成，B错误；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支路可以将部分碳重新回收进入卡尔文循环，用于降低光呼吸消耗从而提高光合速率，D错误。 6.(2024·湖北襄阳二模)Rubisco普遍分布于水稻、玉米、大豆等植物的叶绿体中，它是光呼吸(细胞在有光、高O2、低CO2情况下发生的生化反应)中不可缺少的加氧酶，也是卡尔文循环中固定CO2最关键的羧化酶。Rubisco的具体作用过程如图1所示。据图回答相关问题： (1)正常进行光合作用的植物，突然停止光照，引起______________减少，导致暗反应减弱；C5与O2结合增加，使细胞产生的CO2__________(填“增加”或“减少”)。 (2)光照过强时，植物吸收的过多光能无法被利用，一方面导致光反应相关结构被破坏，另一方面过高的NADPH/NADP＋值会导致更多自由基生成，破坏叶绿体结构，最终导致植物光合作用强度下降，出现光抑制现象。某科研小组的同学认为，光呼吸对光合作用不完全是消极的影响。请分析光呼吸在光照过强时对植物起保护作用的机理：______________________________ __________________________________________、_____________________ ___________________________________________________。 (3)根据对光呼吸机理的研究，科研人员利用基因编辑手段设计了只在叶绿体中完成的光呼吸替代途径AP，AP依然具有降解乙醇酸(图1中的C2)产生CO2的能力。同时利用RNA干扰技术，降低叶绿体膜上乙醇酸转运蛋白的表达量。检测三种不同类型植株的光合速率，实验结果如图2所示。当胞间CO2浓度较高时，三种类型植株中，AP＋RNA干扰型光合速率最高的原因可能是_________________________、____________________________， 进而促进光合作用过程。 解析：(1)正常进行光合作用的植物，突然停止光照，会引起光反应产物ATP和NADPH减少，导致暗反应减弱；C5与O2结合增加，加强细胞光呼吸，释放出CO2，使细胞释放的CO2增加。(2)分析题意可知，光呼吸是指植物的叶肉细胞在光下可进行一个吸收O2、释放CO2的呼吸过程，光呼吸消耗ATP、NADPH等光反应产物，使植物可进一步利用光能，减少过剩光能引起的光反应结构损伤，同时光呼吸释放CO2，可加快暗反应消耗NADPH，降低NADPH/NADP＋值，减少自由基生成。 (3)分析题图，当胞间CO2浓度较高时，三种类型植株中，AP＋RNA干扰型光合速率最高的原因可能是乙醇酸转运蛋白减少，叶绿体内乙醇酸浓度高、AP途径能够更快速高效地降解乙醇酸产生CO2，进而促进光合作用过程。 答案：(1)ATP和NADPH　增加　(2)减少过剩光能引起的光反应结构损伤　降低NADPH/NADP＋值，减少自由基生成　(3)乙醇酸转运蛋白减少，叶绿体内乙醇酸浓度高　AP途径能够更快速高效地降解乙醇酸产生CO2 $