2026届高三生物二轮复习课件碳的固定和光呼吸

碳的固定和光呼吸 第三单元 细胞的能量供应和利用 必修一 CO2+H2O (CH2O)+O2 叶绿体 光能 叶绿体 中的色素 可见光 C5 2C3 ADP+Pi ATP H2O O2 H+ 多种酶 酶 (CH2O) CO2 吸收 光解 固定 还原 光反应（类囊体薄膜） 暗反应（叶绿体基质） NADP+ NADPH 酶 光合作用的过程 考点二　细胞的多样性和统一性 1.某研究小组在研究小麦、玉米的光合作用时，分别测得两种植物一昼夜CO2吸收速率的变化量，结果如图1： (1)图1中小麦在10～12时光合作用速率下降的原因是_________________ ______________________________________________。 温度过高，植物蒸腾作用失水过多导致气孔导度下降，CO2吸收减少 即时训练 (2)小麦进行暗反应时，CO2被C5固定后，形成C3，但科学家在研究玉米等原产在热带地区绿色植物的光合作用时发现，这类植物固定CO2时，CO2中的碳首先转移到含有四个碳原子的有机物(C4)中，然后才转移到C3中，科学家将这类植物 叫作C4植物，将其特有的固定CO2的途径叫作C4途径；此类作物没有“光合午休”的现象。而像小麦等仅有C3参与CO2固定的植物叫作C3植物，将其固定CO2的途径叫作C3途径。 若用14C标记大气中的CO2，则小麦植株中14C的转移途径为_________________ _________；玉米植株中14C的转移途径为________________________________。 14CO2→14C3→ (14CH2O) 14CO2→14C4→14CO2→14C3→(14CH2O) (3)C3途径的CO2固定是通过Rubisco来实现的；C4途径的CO2固定是通过PEP羧化酶催化完成的，PEP羧化酶催化CO2连接到PEP上，形成四碳酸。这两种酶对CO2的亲和力不同，PEP羧化酶对CO2的亲和力比Rubisco高出60多倍，有利于玉米等植物在叶肉细胞中把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来，形成C4后进入维管束鞘细胞并释放CO2，PEP羧化酶被形象地称为“CO2泵”。 请解释玉米在10～12 h光合作用速率不降反升的原因：①_____________ ____________________________________________________________________________________。 叶肉细胞中的PEP羧化酶对CO2有很高的亲和力，能浓缩低浓度的CO2，从而增加维管束鞘细胞中CO2的浓度 ②强光下，可产生更多的NADPH和ATP，以满足C4植物C4途径对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。 （2025·河南信阳·一模）玉米叶肉细胞中的叶绿体较小且数目较少，但叶绿体内有基粒；相邻的维管束鞘细胞中叶绿体较大且数目较多，但叶绿体内没有基粒。玉米细胞除C3途径外，还有另一条固定CO2的途径，简称C4途径。如图研究发现，C4植物中PEP羧化酶对CO2的亲和力强于Rubisco（RuBP羧化酶）。下列有关叙述错误的是（    ） A．维管束鞘细胞中光合作用所利用的CO2都是C4分解释放的 B．玉米叶片只能通过叶肉细胞捕获光能 C．玉米因C4途径的存在而更适应干旱环境 D．C4植物与C3合成有机物的途径都是通过卡尔文循环完成 A 还可来源于呼吸作用释放的 (1)C4植物叶肉细胞的叶绿体有类囊体能进行光反应，而维管束鞘细胞没有完整的叶绿体。所以C4植物光反应发生在叶肉细胞的叶绿体类囊体薄膜上 (2)用14C标记CO2追踪C4植物碳原子的转移途径为： CO2→C4→CO2→C3→(CH2O) C4植物的CO2浓缩机制 C4植物的CO2浓缩机制 (3)C4植物无“光合午休”现象的原因：PEP羧化酶与CO2的亲和力高，对CO2的利用率高，可以利用低浓度CO2进行光合作用，叶片部分气孔关闭对其光合作用无影响 (4)在干旱环境中，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：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 (2021·全国乙，29)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。 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 真题演练 真题演练 (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) 实验思路：植物甲在干旱的环境条件下(其他条件适宜)培养一段时间，分别在白天和晚上测定植物甲液泡内的pH，统计分析实验数据 预测结果：晚上的pH明显小于白天 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， 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，作用机制 如图所示： 考点二　细胞的多样性和统一性 (1)如果白天适当提高CO2浓度，景天科植物的光合作用速率基本不变。 (2)从进化角度看，这种气孔开闭特点的形成是自然选择的结果。但夜晚该类植物不能合成葡萄糖，原因是没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH。 (3)该途径除维持光合作用外，对植物的生理意义还表现在能有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成水分过多散失。 景天科植物的CO2固定—CAM途径 考点二　细胞的多样性和统一性 (1)比较C4植物、CAM植物固定CO2的方式 相同点：都对CO2进行了两次固定； 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。 小结：C3植物、C4植物和CAM植物固定CO2方式的比较 （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（    ） 即时训练 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 C 即时训练 真题演练 (2021·天津，15)Rubisco是光合作用过程中催化CO2固定的酶。但其也能催化O2与C5结合，形成C3和C2，导致光合效率下降。CO2与O2竞争性结合Rubisco的同一活性位点，因此提高CO2浓度可以提高光合效率。 (1)蓝细菌具有CO2浓缩机制， 如图所示。 注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散。 据图分析，CO2依次以________和________方式通过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，从而通过促进__________和抑制____________提高光合效率。 自由扩散 主动运输 CO2固定 O2与C5结合 (2)向烟草内转入蓝细菌Rubisco的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，应能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的________中观察到羧化体。 (3)研究发现，转基因烟草的光合速率并未提高。若再转入HCO3-和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用，理论上该转基因植株暗反应水平应______，光反应水平应_____，从而提高光合速率。 叶绿体 真题演练 提高 提高 （2025·湖北孝感·三模）科学研究发现：小麦、水稻等作物在强光、干旱时会发生比较强的光呼吸作用，在光呼吸过程中，叶绿体基质中的Rubisco起到重要作用，该酶在O2浓度较高时，可催化五碳化合物与O2结合生成一个三碳化合物和一个二碳化合物，此二碳化合物不参与光合作用，而是在消耗一定ATP和NADPH的基础上，重新形成五碳化合物，并释放CO2.此外，光合作用过程中，Rubisco也可催化五碳化合物与CO2结合，进行CO2固定。下列有关说法错误的是（　　） A．Rubisco既可参与光呼吸，也可参与光合作用的暗反应 B．强光、干旱条件下提高O2浓度，小麦植株内葡萄糖生成量将上升 C．提高O2的浓度不会抑制光呼吸 D．光呼吸和细胞呼吸的相同点是都会消耗O2，释放CO2 即时训练 B 强光、干旱条件下，O2浓度高时，小麦进行光呼吸，不会产生葡萄糖，不会使葡萄糖生成量上升 (1)发生条件： 干旱、炎热条件下，气孔关闭，阻止CO2进入叶片和O2逸出叶片 Rubisco具有两面性(或双功能) (2)过程： 光呼吸 (3)发生场所：叶绿体、过氧化物酶体、线粒体 (4)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 (5)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；消耗高光强产生过多的NADPH和ATP，保护光合结构 光呼吸 (6)光呼吸与细胞呼吸的区别 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 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或NADPH 光呼吸 (2023·湖南，17，节选)如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)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)。 高于 玉米PEPC对CO2的亲和力大，利用低浓度CO2能力强；维管束鞘细胞中O2含量低，光呼吸弱；玉米维管束鞘细胞的光合产物转运至输导组织的速度快 真题演练 (2)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) 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 真题演练 （2025·山西吕梁·三模）当CO2/O2比值低时，催化CO2固定的Rubisco酶，还可催化C5与O2结合生成乙醇酸，再经一系列过程生成C3，释放CO2，此过程称为光呼吸，相关过程如图所示。光呼吸只在有光条件下进行，会明显降低植物的光合作用效率。下列相关分析错误的是（　　） 即时训练 A．叶肉细胞中的Rubisco酶分布在叶绿体基质中 B．图中甘油酸生成C3的过程属于吸能反应 C．光呼吸与有氧呼吸的区别在于利用O2的场所不同以及是否需要线粒体参与 D．在强光照或干旱条件下，叶片气孔会部分关闭，导致光呼吸增强 C (2024·黑吉辽，21)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 真题演练 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。 (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_____________。 CO2的固定 细胞质基质 线粒体基质 真题演练 (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___________ ____________________________________________ ________________________________________________________________________。 光呼吸 呼吸作用 净光合速率＝总光合速率－呼吸速率－光呼吸速率，7～10时，随着光照强度的增加，与WT相比，株系1、株系2因转基因，降低了光呼吸强度 真题演练 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_________________________________________________________ __________________________________________________________。 不能 总光合速率＝净光合速率＋细胞呼吸速率＋光呼吸速率，在图3中，能看到净光合速率和呼吸作用速率，但无法得知光呼吸速率 真题演练 (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与WT相比，转基因株系1的净光合速率最大 真题演练 $