干旱条件下不同植物的二氧化碳浓缩机制课件-2025-2026学年高一上学期生物人教版必修1

　以C3植物、C4植物、CAM植物为例 干旱条件下不同植物的CO2浓缩机制 授课人：李老师 【情境导入】 2022年湖南遭遇严重干旱，大量作物减产，不同农作物展现出截然不同的抗旱能力。水稻大面积减产，而玉米却相对不受影响，多肉植物在干旱条件下仍能正常生长。在高温、光照强烈和干旱的条件下，绿色植物的气孔大量关闭。 【任务一】绘制C3植物的光合作用过程 C3植物的光合作用过程 C3植物的卡尔文循环 CO2固定途径： CO2+C5(RUBP)———→2C3 Rubisco O2 C3 ADP ATP C5 NADPH NADP+ 教材P103 教材P104 2026 【资料分析】水稻为什么在干旱条件下减产严重？ 干旱时，气孔部分关闭，分析水稻减产原因 高温干旱→部分气孔关闭→CO2吸收不足，浓度降低→O2/CO2比值升高→RuBP羧化酶对CO2的亲和力弱于O2→光呼吸增强→光合产物被消耗 1.暗反应催化CO2固定的酶(Rubisco酶)具有双功能性，且O2和CO2竞争Rubisco酶 2.环境中CO2浓度高、O2浓度低时:RuBP羧化酶催化C5与CO2形成C3 当O2浓度高、CO2浓度低时：O2会竞争Rubisco酶,在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。 3.正常生长条件下光呼吸就可损耗掉光合产物的25%～30% 2026 【任务二】观察叶片结构，结合模型探究C4植物的光合作用过程 C4植物的叶片结构 花环形结构 外圈：叶肉细胞 内圈：维管束鞘细胞 有基粒，无Rubisco 无基粒，有Rubisco 2026 叶肉细胞内的 作为CO2受体，在 的催化作用下，与环境中吸收的CO2结合，首先固定在 中；草酰乙酸转化为苹果酸,然后被运输到 中脱羧,放出的CO2在 催化下再与 反应生成 。 PEP(磷酸烯醇式丙酮酸) PEP羧化酶 C4(草酰乙酸) 维管束鞘细胞 Rubisco C5 C3 【任务二】观察叶片结构，结合模型探究C4植物的光合作用过程 花环形结构 外圈：叶肉细胞 内圈：维管束鞘细胞 有基粒，无Rubisco 无基粒，有Rubisco 2026 【思考1】C4植物光合作用的场所？ 光反应： CO2固定： （CH2O)生成： 叶肉细胞的叶绿体类囊体薄膜 叶肉细胞的细胞质基质 维管束鞘细胞的叶绿体基质 【思考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) 2026 【思考3】C4植物有无“光合午休”？为什么？ 无。 PEP羧化酶对CO2的亲和力高，叶片部分气孔关闭时C4植物可以利用低浓度CO2进行光合作用。 途径中固定 的酶是羧化酶，该酶对 有很高的亲和力，使叶肉细胞能有效地固定和浓缩 2026 【思考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？ (2022全国甲卷29题) 干旱环境中，气孔开度减小，植物吸收CO2减少；C4植物的CO2补偿点低于C3植物，在低浓度CO2下C4植物就可以进行光合作用合成有机物，所以比C3植物生长的好。 2026 (2023·湖南，17)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(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。请回答 【真题探究】 2026 (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。 3－磷酸甘油醛 蔗糖 (筛管/韧皮部中的筛管) 韧皮部 2026 (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)。 高于 ①玉米PEPC对CO2的亲和力大，利用低浓度CO2的能力强； ②维管束鞘细胞中CO2含量高、O2含量低，光呼吸弱； ③玉米维管束鞘细胞的光合产物转运至输导组织的速度快。 2026 【任务三】干旱环境下的多肉植物如何进行光合作用？ 【资料三】 生存环境：景天科植物(如 景天、仙人掌和瓦松 等)，生活在炎热、干旱的环境中,气孔只有 晚上 开放，白天 关闭。 2026 (1)夜间：气孔开放，大气中的CO2从气孔进入，与 结合形成 ，再经苹果酸脱氢酶作用还原为 ，储存于 中; PEP OAA(草酰乙酸) 苹果酸 液泡 【任务三】干旱环境下的多肉植物如何进行光合作用？ 2026 (2)白天：气孔关闭，液泡中的苹果酸进入 ，经脱羧酶作用形成 ，CO2进入 参与卡尔文循环形成淀粉等。CAM植物光合作用所需CO2直接来自于 。 细胞质基质 CO2和丙酮酸 叶绿体 苹果酸分解、细胞呼吸 2026 思考： 1、黑夜，植物能进行卡尔文循环吗？能合成糖类吗？ 2、白天，植物进行光合作用CO2的来源？ 3、白天，提高CO2浓度，植物的光合作用怎么变化？ 不能，没有光反应提供ATP和NADPH 苹果酸分解、细胞呼吸 基本不变 【任务三】干旱环境下的多肉植物如何进行光合作用？ 2026 C3植物 C4植物 CAM植物 总结 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。 2026 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） 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。 18 高温、干旱和强光等非生物胁迫是影响植物光合作用的主要因素，自然界的植物丰富多样，对环境的适应也有差异；自卡尔文发现光合作用中碳元素的行踪后，又有科学家发现碳元素行踪的其他路径。请据图回答下列问题。 【变式训练】 2026 (1)图1是C3植物碳元素代谢途径的示意图，则物质①、④依次是________、_____________；D过程是__________。 (2)暗反应中CO2的固定是由Rubisco酶催化进行的，但O2也能与CO2竞争Rubisco酶，使该酶催化C5和O2反应，生成C3和CO2，此反应过程消耗ATP和NADPH，被称为光呼吸。光呼吸过程中，C5和O2反应的场所为__________；该过程______（填“降低了”“促进了”或“不影响”）光合作用效率，同时使细胞内O2/CO2的值降低，有利于生物适应______（填“高氧低碳”或“低氧高碳”）的环境。 O2 C5 有氧呼吸二、三阶段 叶绿体基质 降低了 高氧低碳 2026 (3)图2是C4植物和CAM植物利用CO2途径的示意图，由图可知，C4植物是在不同_____________进行CO2的固定，而CAM植物是在不同_____________进行CO2固定。两种植物固定CO2的酶比C3植物多一种_________酶，从该酶功能的角度推测这两类植物更能适应高温、干旱的环境的原因是____________。 (4)典型的CAM植物如仙人掌在夜晚吸收的CO2不能立即用于C3途径，可能的原因是____________________。 细胞 时间 PEP羧化 该酶的亲和力对CO2高于RuBP羧化酶 夜晚光反应无法正常进行，无法为暗反应提供充足的ATP和NADPH 2026 【拓展】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。 自由扩散 主动运输 羧酶体的结构： 羧酶体是一种半透性的细胞器，内部包含Rubisco酶和碳酸酐酶（CA）。 羧酶体外围有一个选择渗透性蛋白外壳，这种外壳由带电荷的孔隙组成，能够阻止氧气（O2）进入，同时允许二氧化碳（CO2）和碳酸氢根（HCO3-）进入。 CO2的浓缩过程： 蓝细菌通过吸收环境中的CO2和HCO3-，并通过羧酶体的蛋白质外壳进入。 在羧酶体内，碳酸酐酶将HCO3-转化为CO2，这一过程在Rubisco酶的催化下进行，形成三碳酸（3-PGA），完成CO2的固定。 由于羧酶体的选择通透性，CO2在Rubisco酶周围富集，提高了光合效率。 提高光合效率： 通过这种方式，蓝细菌能够在较低的大气CO2浓度下，有效地进行光合作用，从而提高光合效率。 这种CO2浓缩机制使得蓝细菌成为地球上重要的初级生产者，对全球碳循环和气候变化有重要影响。 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。 叶绿体 (3)研究发现，转基因烟草的光合速率并未提高。若再转入 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。 提高 提高 HCO $