专题二 课题研习(三) 光呼吸与二氧化碳固定的其他途径-【新高考方案】2026年高考生物二轮复习专题增分方略配套课件

课题研习(三)　光呼吸与二氧化碳固定的其他途径 目录 任务(一) 深化认知二氧化碳的三种浓缩机制 课时训练 任务(二) 破译光呼吸和光抑制的机理与意义 任务(一)　深化认知二氧化碳的三种浓缩机制 [情境应用] 材料1　C4植物的CO2浓缩机制 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。 维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，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。 材料2　蓝细菌的CO2浓缩机制 注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散。 材料3　景天科植物的CO2浓缩机制 　　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，作用机制如图所示(该机制也称CAM途径)。 　[融通知能] (1)C4植物光反应和CO2固定的场所：______________________________ ___________________________________________________________。  (2)科学家用含14C标记的CO2来追踪玉米光合作用中的碳原子的转移途径，这种碳原子的转移途径为________________________________。  C4植物光反应发生在叶肉细胞的叶 绿体类囊体薄膜上，而CO2固定发生在叶肉细胞和维管束鞘细胞中 CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)+C5 (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 (4)CO2依次以____________________方式通过蓝细菌细胞膜和光合片层膜。蓝细菌的CO2浓缩机制可提高羧化体中Rubisco周围的CO2浓度，从而促进__________。  (5)从进化角度看，景天科植物这种气孔开闭特点的形成是__________的结果。夜晚，该类植物吸收的CO2________(填“能”或“不能”)合成葡萄糖，原因是_____________________________________。  (6)分析图中信息推测，CAM途径是对_______(填“干旱”或“湿润”)环境的适应；该途径除维持光合作用外，对植物的生理意义还表现在_____________________________________________。  自由扩散和主动运输 CO2固定 自然选择 不能 没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH 干旱 有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成水分过多散失 深化认知：C3植物、C4植物和CAM植物的比较 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 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 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。 拓展认知 高温、干旱时C4植物保持高效光合作用的原因 (1)PEP羧化酶对CO2有很高的亲和力，C4植物能够利用极低浓度的CO2。 (2)C4植物已先通过C4途径把CO2储存起来形成C4，气孔关闭时，C4分解产生CO2，用于光合作用，所以高温、干旱时气孔关闭对玉米影响不大。 任务(二)　破译光呼吸和光抑制的机理与意义 突破点(一)　光呼吸 [情境应用] 　　光呼吸是在光照条件下伴随着光合作用发生的呼吸作用过程，其发生场所是叶绿体、过氧化物酶体和线粒体。虽然此过程也吸收O2放出CO2，但不生成ATP，反而消耗物质和能量。在强光下，光反应中形成的NADPH和ATP超过暗反应需要，激发高能电子传递给O2，形成自由基，对光合结构造成伤害。其过程如图所示。 　[融通知能] (1)光呼吸发生的原因。RuBP羧化酶(Rubisco)是双功能酶，既可催化C5与CO2的固定(羧化)，又可催化C5与O2(加氧)的反应，其催化方向取决于CO2/O2的比值，从CO2和O2浓度关系分析光呼吸发生的条件是__________________________________。  (2)光呼吸是在长期进化过程中，为了适应高氧低二氧化碳的环境，提高抗逆性而形成的一条代谢途径，具有重要的生理意义。试分析光呼吸的危害与意义。 CO2/O2的比值小(或O2浓度相对较高) ①危害：____________________________________________________ ____________________________________________________________ ______________________________________。  ②意义：____________________________________________________ _________________________________________________________。  在较强光下，光呼吸加强，使得C5氧化分解加强，部分C5以 CO2的形式散失，从而减少了光合产物的形成和积累；光呼吸过程中 消耗了ATP和NADPH，造成了能量的损耗 产生CO2用于光合作用，减少碳损失；防止ATP和NADPH 等积累过多；防止强光下产生过多自由基对叶绿体结构造成破坏 (3)研究发现，正在进行光合作用的叶片突然 停止光照后，短时间内会释放出大量的CO2， 这一现象被称为“CO2的猝发”。下图为适宜 条件下某植物叶片遮光前CO2吸收速率和遮光 后CO2释放速率随时间变化的曲线。 据曲线图分析，光照下的净光合速率为____段，呼吸速率为____段，光呼吸速率为_____段。  A B C 突破点(二)　光抑制 [情境应用] 　　光照过强时，过量光能会引起叶肉细胞内NADP+不足、O2浓度过高，并产生一些光有毒物质。这些光有毒物质会攻击PSⅡ(参与水光解的色素—蛋白质复合体)中的D1蛋白，损坏光合结构，引发光合速率下降，这种现象称为光抑制。植物细胞光合结构的部分保护机制如图。 　[融通知能] (1)强光条件下，叶肉细胞内NADP+不足的原因是_________________ _____________________________，此时O2会形成，植物启动消除机制。如果植物类胡萝卜素合成受阻，强光下会导致光合速率_____ (填“增大”“不变”或“减小”)，原因是______________________ _______________________________________________________(写出两点)。  光反应消耗NADP+ 的量多于暗反应产生NADP+的量 减小 缺乏类胡萝卜素，对蓝紫 光的吸收减少；无法及时清除光有毒产物，导致光合结构受损 (2)强光下，给植物提供用35S标记的甲硫氨酸，发现短时间内PSⅡ中约有30%~50%的放射性D1蛋白，但D1蛋白含量没有明显的变化，其原因可能是_______________________________________________。  (3)植物在长期进化过程中形成了多种方法来避免或减轻光抑制现象，例如，减少光的吸收、适度的光呼吸、_________________________ _______等(答出1点即可)。  切除损伤的D1蛋白与新合成D1蛋白的速率基本平衡 提高光合速率从而增加对光 的利用 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)发生场所：叶绿体、过氧化物酶体、线粒体。 (3)不利影响：光呼吸消耗掉暗反应的底物C5，导致光合作用减弱，农作物产量降低。 输入你的标题 深化知能·发展素养 (4)有利影响 ①光呼吸是进行光合作用的细胞为适应高光照及高O2低CO2的条件下，提高抗逆性而形成的一条代谢途径。 ②在干旱和高辐射等环境中，气孔关闭，胞间CO2浓度降低，会导致光抑制。此时光呼吸释放CO2，用于光合作用，减少碳损失；消耗高光强产生的过多NADPH和ATP，保护光合结构。 2.光呼吸与细胞呼吸的区别 (1)反应条件不同：光呼吸的强度大致和光强度成正比。只有在光照下，CO2浓度降低，O2浓度增高时才进行。 (2)产能情况不同：光呼吸虽然能使有机物分解为CO2，却不产生ATP。 3.光抑制和光保护 (1)当光照强度超过植物光合作用所能利用的程度，吸收的光能过剩，无法被光合作用有效利用。过剩的光能会导致光合效率下降。光抑制本质上是光损伤的表现。 (2)光保护是植物进化出了一系列机制来避免或减轻光抑制，这些机制统称为光保护机制。其核心是安全地耗散掉过剩的光能，防止它们积累并破坏光合机构。光呼吸是重要的光保护机制之一。 4.光呼吸与光保护 光呼吸是一种关键的光保护机制。它通过消耗掉光合作用中积累的过剩能量物质(ATP、NADPH)等，减轻了这些物质对光合结构的氧化损伤压力，从而帮助植物抵御光抑制。 课时训练 1 3 4 5 6 7 8 2  一、选择题 1.(2025·黄冈模拟)光照条件下，小麦叶肉细胞中的CO2和O2竞争性与C5结合，C5与O2在Rubisco催化下生成C3和乙醇酸(C2)，是光呼吸的一部分，涉及线粒体、过氧化物酶体等细胞器。科研人员通过导入相关基因，形成乙醇酸→乙醛酸→甘油酸(C3)的新代谢支路，该支路在叶绿体基质中完成，会消耗H2O2、NADPH和ATP，同时产生CO2。下列关于新的代谢支路的叙述，错误的是(　　) A.CO2与O2比值高时，有利于光呼吸 B.有利于减少H2O2对叶绿体的损害 C.可减少参与光呼吸的细胞器种类 D.可降低碳损失从而提高光合效率 √ 1 3 4 5 6 7 8 2 解析： CO2与O2比值低时，有利于光呼吸，A错误；新的代谢支路可消耗H2O2，有利于减少H2O2对叶绿体的损害，B正确；新的代谢支路可使光呼吸的相关反应在叶绿体中完成，减少参与光呼吸的细胞器种类，C正确；新的代谢支路可产生CO2，CO2可用于光合作用的暗反应阶段，可降低碳损失，从而提高光合效率，D正确。 1 5 6 7 8 2 3 4 2.(2025·武汉二模)蓝细菌具有一种特殊的CO2浓缩机制，部分过程如图所示。下列叙述正确的是 (　　) 1 5 6 7 8 2 3 4 A.蓝细菌含细胞膜、光合片层膜等生物膜系统 B.过程①需要ATP参与，过程②发生在细胞质基质中 C.图中CO2穿过蓝细菌的细胞膜和光合片层膜的方式相同 D.CO2必须转化为HC才能进入羧酶体实现CO2的浓缩 √ 解析：蓝细菌是原核生物，没有生物膜系统，A错误；过程①为二氧化碳的固定，不需要ATP的参与，B错误；图中CO2穿过细胞膜的方式是自由扩散，穿过光合片层膜需要消耗能量，需要转运蛋白的参与，为主动运输，即CO2穿过蓝细菌的细胞膜和光合片层膜的方式不同，C错误；结合图示可知，由于羧酶体具有蛋白质外壳，CO2无法进出，因此CO2必须转化为HC才能进入羧酶体实现CO2的浓缩，D正确。 1 5 6 7 8 3 4 2 3.(2025·鹰潭二模)干旱条件下，菠萝以气孔白天关闭、夜间开放的特殊方式适应环境。下图为菠萝叶肉细胞内的部分代谢示意图，图中苹果酸是一种酸性较强的有机酸，下列说法错误的是 (　　) 1 5 6 7 8 3 4 2 A.叶肉细胞因具有生物膜系统，所以能够同时进行多种化学反应而不会互相干扰 B.干旱环境中，夜间和白天菠萝叶肉细胞中与CO2发生反应的物质分别是RuBP、PEP C.夜间苹果酸运进液泡中，可以避免苹果酸降低细胞质基质的pH而影响其中的反应 D.物质C为丙酮酸，其可进入线粒体氧化分解为CO2 √ 1 5 6 7 8 3 4 2 解析：生物膜系统将细胞分隔成许多小的区室，使细胞内能够同时进行多种化学反应而不会互相干扰。叶肉细胞具有细胞膜、细胞器膜和核膜等构成的生物膜系统，所以能够同时进行多种化学反应而不会互相干扰，A正确；由题图可知，干旱环境中，夜间和白天菠萝叶肉细胞中与CO2发生反应的物质分别是PEP、RuBP，B错误；苹果酸是一种酸性较强的有机酸，夜间苹果酸运进液泡中，可以避免苹果酸降低细胞质基质的pH而影响其中的反应，C正确；由题图可知，物质C由苹果酸分解产生，可进入线粒体，应该是丙酮酸，丙酮酸可进入线粒体氧化分解为CO2，D正确。 1 5 6 7 8 3 4 2 4.(2025·西安模拟)植物的光合作用细胞依赖光照，但光能超过光合系统所能利用的能量时，光合器官可能遭到破坏，该现象称为光抑制。光呼吸能利用部分有机物，在吸收O2、放出CO2的同时消耗多余光能，对光合器官起保护作用。下图为某植物叶片在白天和夜晚的气体交换过程，其中PR、R、GP代表不同的生理过程。下列相关叙述错误的是 (　　) 1 5 6 7 8 3 4 2 A.图中的PR、R过程分别代表呼吸作用、光呼吸，叶片中有机物的积累量取决于GP、R、PR之间的差值 B.光呼吸虽然消耗部分有机物，但是从一定程度上能避免光抑制的发生，有利于植物生长发育 C.植物通过调节叶片角度回避强光或进行细胞内叶绿体的避光运动均可减弱光抑制现象 D.在农业生产中，适当抑制白天光呼吸和夜间呼吸作用的进行，有利于提高农作物产量 √ 1 5 6 7 8 3 4 2 解析：分析题图可知，由于叶片在夜晚和白天都进行R过程，故R代表呼吸作用；PR是叶片吸收O2和放出CO2的过程，只在白天进行，因此是光呼吸，A错误。由题干可知，光呼吸虽然消耗部分有机物，但可以消耗多余能量，对光合器官起保护作用，从一定程度上能避免光抑制的发生，有利于植物生长发育，B正确。光能超过光合系统所能利用的能量时，光合器官可能遭到破坏，植物本身的调节如叶子调节角度回避强光、叶绿体避光运动等都可以避免强光直射造成光合结构破坏，是对光抑制的保护性反应，C正确。白天光呼吸和夜间呼吸作用均会消耗光合作用产生的有机物，适当抑制白天光呼吸和夜间呼吸作用的进行可以增多有机物的积累，提高农作物产量，D正确。 1 5 6 7 8 3 4 2 5.(2025·广州模拟)C4途径是除卡尔文循环(C3途径)外的另一种独特的CO2固定途径，因固定CO2的初产物是四碳化合物而得名，其光合作用过程如图所示，研究表明，与C3植物细胞中的Rubisco(可催化CO2固定)相比，C4植物叶肉细胞中的PEP羧化酶具有非常高的CO2亲和力，可固定低浓度的CO2。下列说法错误的是 (　　) 1 5 6 7 8 3 4 2 A.若给C4植物提供14CO2，则植株体内14C的转移途径为14CO→14C4→14C3 B.C3植物和C4植物的暗反应阶段所需要的NADPH和ATP均来自光反应阶段 C.不同植物固定CO2途径存在差异的根本原因是它们的遗传物质存在差异 D.在低CO2浓度环境下，C4植物的光合速率可能比C3植物高 √ 1 5 6 7 8 3 4 2 解析：据题图可知，若给C4植物提供14CO2，则植株体内14C的转移途径为14CO2→14C→14CO2→14C3→(14CH2O)+14C5，A错误；由光合作用的过程可知，C3植物与C4植物的暗反应阶段利用的NADPH和ATP都来自光反应阶段，B正确；不同植物固定CO2的途径存在差异，这是由于它们的遗传物质(DNA)存在差异，进而导致了酶的种类和活性的不同，从而影响了植物对CO2的固定方式，C正确；由于C4植物叶肉细胞中的PEP羧化酶具有非常高的CO2亲和力，可固定低浓度的CO2，故C4植物能够利用较低浓度的CO2进行光合作用，而C3植物则不能，因此低CO2浓度环境下，C4植物的光合速率可能比C3植物高，D正确。 1 5 6 7 8 3 4 2 6.(2025·邢台模拟)CAM(景天科)植物具有特殊的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；白天气孔关闭时，液泡中储存的苹果酸运出至细胞质基质，经脱羧释放CO2用于光合作用。下列叙述正确的是 (　　) A.CAM植物白天和晚上均进行光合作用和细胞呼吸 B.CAM植物细胞白天产生CO2的具体部位是线粒体基质 C.CAM植物叶肉细胞液泡中的pH白天逐渐升高，夜间逐渐降低 D.CAM植物吸收CO2的速率与细胞膜上转运蛋白的数量呈正相关 √ 1 5 6 7 8 3 4 2 解析： CAM植物晚上不能进行光合作用，A错误；CAM植物细胞白天产生CO2的具体部位是线粒体基质和细胞质基质，B错误；CAM植物白天气孔关闭时，液泡中储存的苹果酸运出至细胞质基质，经脱羧释放的CO2可用于光合作用，叶肉细胞的pH白天逐渐升高，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，夜间pH逐渐降低，C正确；CAM植物吸收CO2不需要转运蛋白，D错误。 1 5 6 7 8 3 4 2 二、非选择题 7.(2025·驻马店模拟)水体中的HC含量比CO2含量高，水生藻类常面临CO2供应不足的情况。水生藻类在进化历程中演化形成了多种CO2浓缩机制，保证光合作用正常进行，以提高竞争优势。某些蓝细菌运输和浓缩CO2的过程如图所示。回答下列问题： 1 5 6 7 8 3 4 2 (1)HC通过BCT1进入蓝细菌细胞的运输方式是___________，判断依据是_________________________________。  解析：HC通过BCT1进入蓝细菌细胞需要借助载体蛋白和消耗能量，因此运输方式为主动运输。 主动运输 此运输过程需要载体蛋白且消耗ATP (2)羧化体的蛋白质外壳有选择透过性，对CO2的通透性低，碳酸酐酶能催化HC转化为CO2。CO2在羧化体内生成C3的反应被称为___________。C3移出羧化体后被还原需要具备光照条件，原因是___________________ ____________________________。 CO2的固定 为C3的还原提供ATP和NADPH 蓝细菌进行光反应， 解析：CO2在羧化体内生成C3的反应被称为CO2的固定。C3的还原需要光反应提供ATP和NADPH，而光反应在光照条件下才能进行。 1 5 6 7 8 3 4 2 (3)分析图可知，蓝细菌通过____________________________________ ___________________________________________________(答出2点)等机制来浓缩CO2，保证CO2的供应，以维持光合作用的正常进行。  碳酸酐酶催化HC转化为CO2、BCT1 和CO2泵主动运输HC和CO2、羧化体对CO2的通透性低 1 5 6 7 8 3 4 2 解析：分析题图可知，蓝细菌通过碳酸酐酶催化HC转化为CO2、BCT1和CO2泵主动运输HC和CO2、羧化体对CO2的通透性低等机制来浓缩CO2，保证CO2的供应，以维持光合作用的正常进行。 1 5 6 7 8 3 4 2 8.(2025·漳州模拟)植物光合作用的光反应依赖光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)。PSⅡ复合体含有光合色素，能吸收光能并分解水。研究发现，捕光色素复合体捕获传递的光能超出光系统“使用量”时，会发生光抑制现象。高温胁迫也会导致PSⅡ产生光抑制现象，机理如图所示(活性氧ROS氧化性非常强，会破坏细胞组分)。 1 5 6 7 8 3 4 2 (1)结合上述信息分析，影响光合速率的外部因素主要有____________ __________。  解析：由题意可知，PSⅡ复合体含有光合色素，能吸收光能并分解水；捕光色素复合体捕获传递的光能超出光系统“使用量”时，会发生光抑制现象；高温胁迫也会导致PSⅡ产生光抑制现象，所以影响光合速率的外部因素主要有光照、温度、水等。 温度、光照 强度、水 1 5 6 7 8 3 4 2 (2)PSⅡ复合体分解水会产生________________，其中_________可用于形成NADPH。  H+、电子和氧气 H+、电子 解析：PSⅡ复合体分解水会产生H+、电子和氧气，其中H+、电子可用于形成NADPH。 (3)研究发现，高温胁迫导致PSⅡ处的放氧复合体(OEC)及光合电子传递链失活，从而导致光抑制。此外，ROS过量合成，一方面通过________ ________，另一方面通过_____________________，引起PSⅡ光抑制。  光合组分 直接损伤 抑制D1蛋白的从头合成 解析：由题图可知，ROS过量合成，一方面通过直接损伤光合组分，另一方面通过抑制D1蛋白的从头合成，引起PSⅡ光抑制。 1 5 6 7 8 3 4 2 (4)当植物处于高温环境中，会通过代谢调节过程，使叶绿素含量降低，引起叶片衰老。该过程的积极意义是_____________________________ _______________。  减少叶绿素捕获的光能，减弱植 物受到光的伤害 解析：当植物处于高温环境中，会通过代谢调节，降低叶绿素含量，引起叶片衰老，减少叶绿素捕获的光能，减弱植物受到光的伤害。 本课结束 更多精彩内容请登录：www.zghkt.cn $