2027年高考一轮生物学总复习讲义-热点拓展二 光呼吸

热点拓展二　光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代谢类型 热点一　光呼吸 热|点|衔|接 1．光呼吸的实质 (1)条件：光照、高O2、低CO2。 (2)物质变化：消耗O2，生成CO2。 (3)能量变化：损耗能量的副反应。 2．光呼吸过程图解 3．光呼吸与一般有氧呼吸的比较 项目 光呼吸 一般有氧呼吸 与光的关系 只在光下进行 光下、黑暗中都可进行 反应条件 光照、高O2、低CO2环境 O2 底物 C5和O2 通常是葡萄糖、H2O和O2 产物 CO2 CO2和水 发生部位 叶绿体、线粒体 细胞质基质、线粒体 4．光呼吸产生的原因 (1)内因：Rubisco是一种兼性酶，具有催化羧化反应(C5＋CO2→2C3)和加氧反应(C5＋O2→C3＋C2)两种功能。 (2)外因：高O2环境下，光呼吸会明显加强，而提高CO2浓度可明显抑制光呼吸。 突|破|训|练 1．光照条件下，叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5，O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸。向水稻叶面喷施不同浓度的光呼吸抑制剂SoBS溶液，相应的光合作用强度和光呼吸强度见下表。光合作用强度用固定的CO2量表示，SoBS溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计。 SoBS浓 度(mg/L) 0 100 200 300 400 500 600 光合作用强度 (CO2μmol·m－2·s－1) 18.9 20.9 20.7 18.7 17.6 16.5 15.7 光呼吸强度 (CO2μmol·m－2·s－1) 6.4 6.2 5.8 5.5 5.2 4.8 4.3 (1)光呼吸中C5与O2结合的反应发生在叶绿体的______中。正常进行光合作用的水稻，突然停止光照，叶片CO2释放量先增加后降低，CO2释放量增加的原因是__________________________________________________________________ ________________________。 (2)与未喷施SoBS溶液相比，喷施100 mg/L SoBS溶液的水稻叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度______(填“高”或“低”)，据表分析，原因是______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (3)光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物，农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探究SoBS溶液利于增产的最适喷施浓度，据表分析，应在_________ mg/L之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。 答案：(1)基质　光照停止，产生的ATP、NADPH减少，暗反应C5和CO2结合减少，C5与O2结合增加，产生的CO2增多　(2)低　喷施SoBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸(及呼吸作用)释放的CO2减少，即叶片的CO2吸收量增加、释放量减少。此时，在更低的光照强度下，两者即可相等　(3)100～300 解析：(1)光合作用过程中CO2与C5结合发生在叶绿体基质中，根据光呼吸的概念，叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5，所以光呼吸中C5与O2结合的反应应该发生在叶绿体基质中。正常进行光合作用的水稻，突然停止光照，叶片中光反应停止，产生的ATP、NADPH减少，使暗反应减弱，暗反应中CO2与C5结合减弱，则C5与O2结合增加，CO2释放量增加。 (2)据表可知，与未喷施SoBS溶液相比，喷施100 mg/L SoBS溶液的水稻叶片光合作用强度增大即光合作用固定的CO2增加，而光呼吸强度减小即光呼吸释放的CO2减少，再结合题干中SoBS溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计，所以喷施SoBS溶液后，叶片的CO2吸收量增加、释放量减少。因此，在更低的光照强度下，叶片光合作用吸收的CO2量和光呼吸与细胞呼吸释放的CO2量相等。 (3)光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物，因此当光合作用强度与光呼吸强度差值最大时，最有利于农作物增产。结合表中数据可知，当喷施SoBS溶液浓度为200 mg/L时，光合作用强度与光呼吸强度差值最大，因此利于增产的最适喷施浓度应介于100～300 mg/L之间。 热点二　C4植物和C3植物 热|点|衔|接 1．C3植物和C4植物的含义 根据光合作用碳元素同化的最初光合产物(三碳化合物、四碳化合物)的不同，把高等植物分成C3、C4植物两类，常见的C4植物有甘蔗、玉米、高粱等。 2．光合作用C4途径产生的原因 C4植物中含有能固定CO2为C4的相关酶，即磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，简称为PEP羧化酶(对CO2有很强的亲和力)，可把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来。 3．C3和C4植物光合用途径的比较 项目 CO2受体 CO2固定后产物 CO2固定场所 光反应场所 暗反应场所 C3植物 RuBP(C5) PGA(C3) 叶肉细胞叶绿体 叶肉细胞叶绿体基粒 叶肉细胞叶绿体基质 C4植物 PEP(C3) RuBP(C5) OAA(C4) PGA(C3) 叶肉细胞细胞质基质、维管束鞘细胞叶绿体 叶肉细胞叶绿体基粒 维管束鞘细胞叶绿体基质 突|破|训|练 2．(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__________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(答出三点即可)。 答案：(1)3－磷酸甘油醛　蔗糖　韧皮部(或筛管或韧皮部中的筛管)　(2)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；玉米叶肉细胞中的PEP与CO2反应生成C4，C4进入维管束鞘细胞后释放CO2，使CO2得到浓缩，保障了暗反应的进行 (3)水稻的光反应强度不再增加；叶绿体内固定CO2的Rubisco酶的量有限；同化产物转运能力不强 解析：(1)玉米的暗反应先在叶肉细胞中进行，在PEPC酶的催化下，PEP与CO2反应生成C4，C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2，再进行卡尔文循环，据此推理，并结合水稻的暗反应图示，可知玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是3－磷酸甘油醛，在叶绿体内，其可用于淀粉等的合成，大部分运至叶绿体外，并转变成蔗糖。与葡萄糖相比，蔗糖属于非还原糖，较稳定，对渗透压影响也小，蔗糖通过筛管长距离运输到其他组织器官。 (2)在干旱环境下，大部分气孔关闭，植物能吸收的CO2减少，与水稻叶肉细胞中的Rubisco酶相比，玉米叶肉细胞中的PEPC酶对CO2的Km小，酶对底物的亲和力大，玉米在较低浓度的CO2下仍能固定CO2进行光合作用；在高光照强度环境下，光反应较强，产生的O2较多，与玉米维管束鞘细胞相比(水光解的主要场所为叶肉细胞的叶绿体)，水稻叶肉细胞O2较多易进行光呼吸，使得暗反应减弱；与水稻叶肉细胞相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘，叶肉细胞中的PEP与CO2反应生成C4，C4进入维管束鞘细胞后释放CO2，使CO2得到浓缩，保障了暗反应的进行。 (3)在光饱和条件下，水稻叶绿体的光反应强度不再增加，产生的ATP和NADPH不再增多，限制了C3的还原；水稻叶绿体内固定CO2的Rubisco酶的量有限；光合作用产生的有机物在叶绿体中积累多，抑制了反应的进行。 热点三　CAM途径 热|点|衔|接 ①仙人掌、菠萝和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用。这类植物特别适合于干旱地区，其特点是气孔夜间开放，白天关闭。 ②该类植物夜间吸收CO2，淀粉经糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，CO2与PEP结合，生成草酰乙酸，进一步还原为苹果酸储存在液泡中。而白天气孔关闭，苹果酸转移到细胞质基质中脱羧，放出CO2，进入C3途径合成淀粉；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。 ③该类植物叶肉细胞夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH下降；白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液pH上升。 突|破|训|练 3．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。 (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) ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 答案：(1)叶绿体、细胞质基质、线粒体　细胞呼吸　(2)蒸腾作用过强导致植物过度失水　光合作用　(3)实验思路：取若干长势相同的植物甲，平均分为A、B两组；将A组置于干旱条件下培养，B组置于水分充足的条件下培养，其他条件相同且适宜；一段时间后，分别测定两组植物甲白天和夜晚液泡中的pH。预期结果：B组液泡中的pH白天和夜晚无明显变化，A组液泡中的pH夜晚明显低于白天。 解析：(1)白天植物的叶肉细胞同时进行光合作用和呼吸作用，光合作用过程中产生ATP的场所是叶绿体，呼吸作用过程中产生ATP的场所是细胞质基质和线粒体。据题干信息可知，白天储存在液泡中的苹果酸脱羧释放出CO2用于光合作用，同时叶肉细胞也进行细胞呼吸，细胞呼吸释放出来的CO2也可用于光合作用。 (2)干旱的环境中，白天气孔关闭可以降低蒸腾作用，避免植物细胞过度失水；夜间气孔打开吸收CO2，通过生成苹果酸储存在液泡中，白天苹果酸脱羧释放的CO2为光合作用的进行提供原料，保证了光合作用的正常进行。 (3)该实验的目的是验证植物甲在干旱环境中存在特殊的CO2固定方式，根据题干信息，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，推测苹果酸的存在会导致液泡pH下降，由于白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用，可判断苹果酸分解释放出CO2后液泡中pH升高，因此实验中需要检测白天和夜晚叶肉细胞中液泡的pH。 学科网（北京）股份有限公司 $