专题2 击破命题热点4 光呼吸与光抑制、C4途径和CAM途径(模式图)-【红对勾讲与练】2026年高考生物二轮复习讲义

击破命题热点4一光呼吸与光抑制、C4途径和CAM途径（模式图） 真题引领 明晰方向。 35 2000 30 株系玉 600 25 (2024·黑吉辽卷)在光下叶绿体中的C,能 日。03 20 200 与CO2反应形成C3;当CO2/O2的值低时， 80o 0 8 光照强度 400 .[oun C,也能与O2反应形成C2等化合物。C2在 101214 16 18 叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系 时刻 列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶 图2 绿体与线粒体中主要物质变化如图1。 50 在叶绿体中.C:十C0,降R2C,① 解 株系 30 WT 株系 C+O,酵RC+C,@ 如 0 在线粒体中，2C,十NAD商C+CO,+ -I0 CO,浓度(umol·mol-) NADH+H ③ 图3 注：C2表示不同种类的二碳化合物，C也类似。 (4)结合上述结果分析，选择转基因株系1进 图1 行种植，产量可能更具优势，判断的依据是 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： 【思维导图】 (1)反应①是 过程。 光合作用过程分为光反应 (2)与光呼吸不同，以葡萄糖为反应物的有氧 过程和暗反应过程。光反 呼吸产生NADH的场所是 和 获取信息：反应①C 应过程中发生水的光解、 与CO2反应生成C NADPH和ATP的合成 (3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转 结论：CO2的固定 暗反应过程发生CO2的 入某种农作物野生型植株(WT),得到转基因 固定和C,的还原 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CO,的来源除了 有氧呼吸过程中，葡萄糖 获取信息：以葡萄糖 有外界环境外，还可来自 和 在细胞质基质中被分解成 为反应物的有氧呼吸 (填生理过程)。7一10时株系1和2与WT 丙酮酸并产生NADH,丙 产生NADH的场所 净光合速率逐渐产生差异，原因是 酮酸和水在线粒体基质中 结论：细胞质基质和 反应生成CO,和NADH 线粒体基质 叶肉细胞内产生CO2的 获取信息：植物光合 反应有呼吸作用、光呼吸 作用CO2的来源除 据图3中的数据 (填“能”或“不能”) 外界环境中的CO2也能 了外界环境外的生 计算出株系1的总光合速率，理由是 通过自由扩散进入叶肉细 理过程 胞，这些CO2都可供光合 结论：光呼吸和细胞 作用利用 呼吸 028 2对勾讲与练·高三二轮生物 获取信息：7一10时，光照强度在增 ②与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒 强，转基因株系1、2由WT转入改 体。光呼吸发生的条件是光照、高O2含量和低 变光呼吸的相关基因获得，则总光 CO2含量等。 合速率增大，光呼吸减弱。净光合 ③在干旱天气和过强光照下，因为温度很高，蒸腾 速率以CO2吸收量来衡量，则还受 作用很强，气孔大量关闭。此时的光呼吸可以消耗 光呼吸的影响，故净光合速率=总 光反应阶段生成的多余的NADPH和ATP,又可 光合速率一细胞呼吸速率一光呼 以为暗反应阶段提供原料，因此光呼吸对植物有重 吸速率 要意义。 结论：7一10时，随着光照强度的增 净光合速 2.光抑制 加，与WT相比，株系1、株系2因转 率=总 植物的光合系统所接受的光能超过光合作用 入了改变光呼吸的相关基因，增大 光合速 所能利用的量时，光合功能便降低，这就是光 了总光合速率，降低了光呼吸速率 率一细胞 合作用的光抑制。 呼吸速 获取信息：总光合速率=净光合速 (1)光抑制的机理：光合系统的破坏，PSⅡ是 率一光呼 率十细胞呼吸速率十光呼吸速 光破坏的主要场所。发生光破坏后的结果是 吸速率 率。净光合速率由图中可读取，但 电子传递受阻，光合效率下降。 图3未提供光呼吸速率和细胞呼吸 (2)光抑制的主要防御机制 速率的数据 ①减少光吸收，植物体也可以通过叶运动（减 结论：不能，总光合速率=净光合速 小叶片与主茎的夹角)或叶绿体运动这种对 率十细胞呼吸速率十光呼吸速 强光的快速响应以减少对光的吸收，从而避 率。在图3中，能得到净光合速率， 免光抑制。 但无法得知光呼吸速率和细胞呼吸 ②增加热耗散 速率 a.当依赖能量的叶绿素荧光猝灭增加时，通 获取信息：图2、3提供的净光合速 农作物产 过增加激发能的热耗散可以部分避免光抑 率数据中，株系1相比株系2、WT, 量衡量标 制。降低光饱和条件下的PSⅡ的光化学效 净光合速率都更大 准：农产 率，可以避免光抑制破坏的发生。 结论：与株系2、WT相比，转基因 品积累量 b.在强光下非光辐射能量耗散增加的同时， 株系1的净光合速率最大 玉米黄素含量增加，玉米黄素与激发态的叶 知识归纳 拓展思维 绿素作用，从而耗散其激发能，保护光合机构 1.光呼吸 免受过量光能破坏。 高CO,含量环境 高O,含量环境 ③进行光呼吸：C?植物的光呼吸有很高的能 下的光合作用 下的光合作用 CO, 量需求。光呼吸可以防止强光和CO2亏缺 条件下发生光抑制。 C.C. 2 3.景天科植物(CAM途径) 卡尔文 线粒体 C02 糖 、循环 C02 PEP (CHO) 光呼吸与光合作用的关系 OAA 点拨①光呼吸是指绿色植物在光照情况下吸收 苹酸 晚间苹果酸 白天 20 O2,将叶绿体中的C5分解产生CO2的过程。光呼 丙酮酸 光 ·叶绿体 液泡 吸是光合作用一个损耗能量的副反应。 线粒体 专题二 细胞代谢 029 (1)仙人掌、菠萝和许多肉质植物都进行这种 A.A表示NADPH,B表示NADP+,C表示 类型的光合作用。这类植物特别适合于干旱 ADP+Pi,D表示ATP,F表示RuBP 地区生长，其特点是气孔夜间开放，吸收并固 B.夏季晴朗的中午出现“午休现象”时，植物 定CO2,形成以苹果酸为主的有机酸，贮存于 光呼吸会有所增强 液泡中；白天则气孔关闭，不吸收CO2,但同 C.Rubisco位于叶绿体基质，玉米(C4植物) 时却通过卡尔文循环将从苹果酸中释放的 CO2还原为糖，该机制也称CAM途径。 通常比小麦(C3植物)光呼吸作用弱 (2)该途径除维持光合作用外，还能避免白天 D.光呼吸过程消耗ATP、NADPH,与光反 旺盛的蒸腾作用造成水分过多散失。参与 应相反，不利于植物细胞的正常生长 CO2转化的细胞器除了叶绿体之外，还有线 2.(2025·广东广州一模)2022年，我国科学家 粒体和液泡。 利用高光敏感的拟南芥突变体揭示了植物光 4.C4植物(C4途径) 适应的一种新机制。该突变体由正常光强转 叶肉细胞 维管束鞘细胞 移到高光强条件时，光合速率显著下降，表现 大气 ,C3 中的+(C0) CO,泵 (CO,)多种酶 出典型的光抑制现象。研究发现其叶绿体中 C02 高 CCHO) NAD磷酸激酶基因缺失，NAD磷酸激酶催 (1)玉米、高粱、甘蔗都是C4植物，适于在高 化NAD生成NADP。图1是光合作用的 温、干燥和强光的条件下生长。 部分过程，其中PSI和PSⅡ组成光反应系 (2)C4植物叶肉细胞的叶绿体和维管束鞘细 统。图2是野生型与突变型的叶绿体内 胞的叶绿体共同完成CO2的固定 (3)在高温、光照强烈和干旱的条件下，绿色 NADP+和NADPH的含量。 植物的气孔大量关闭。这时，C4植物能够利 用叶片内细胞间隙中含量很低的CO2进行 NADPH NADP++H+ATP H ADP+Pi 光合作用（通过CO2泵转变为高浓度的CO, ATP 环境)。 2222PsⅡ22Ps2225 合成酶 追踪集训 融会贯通。 H01/20,2H 图1 1.(2025·广东广州二模)RuBP羧化（或加氧）酶 1 缩写为Rubisco,当CO2浓度高时，Rubisco 60 100m 0.8 □野生型 催化C与CO2反应；当O2浓度高时，Rubisco ☐突变型 催化C,与O2经过一系列化学反应，消耗 0.4 ATP和NADPH,生成CO2和C3,这一过程 0.2 0 称为光呼吸。如图为小麦叶肉细胞中的部分 NADP NADPH NADP+和NADPH 图2 生理活动过程，大写字母代表相应的物质。 回答下列问题： 下列叙述不合理的是 (1)图1所示的生物膜是 叶绿体 过氧化 线粒体 物酶体 (2)据图2结果，可推测在暗反应过程中，突 甘油酸 CO, 变型拟南芥的C还原速率 (填“高 Rubisco B 光 会 军 HO→H 06 磷酸 于“等于”或“低于”)野生型拟南芥的。 F 乙醇酸 (CHO) (3)研究发现该突变型拟南芥中由psaA psaB蛋白复合体组成的PSI功能受损，进一 030 红对勾讲与练·高三二轮生物 步研究发现野生型拟南芥叶绿体的psaA 了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C psaB mRNA与核糖体的结合率明显大于突 植物具有较强光合作用能力（特别是在高温、 变型拟南芥。结合上述研究，推测NAD磷酸 光照强烈、干旱条件下)，并且无光合午休 激酶间接影响PSI功能的机制是NAD磷酸 现象。 激酶催化NAD生成NADP+, 叶肉细胞的叶绿体 维管束鞘细胞的叶绿体 ,更多的还原剂促进了 (有类囊体，没有Rubisco)) (没有类囊体，有Rubisco) psaA一psaB mRNA与核糖体的结合， C02 C----- ,C4 CO2·2C3、NADPH ,进而促进PSI的生成。 PEP羧化酶 /Rubisco 磷酸烯醇式 多种酶 (4)为验证NAD磷酸激酶具有缓解光抑制从 丙酮酸 丙酮酸、 (PEP)ADP (CH,O) ATP 而提升拟南芥光适应能力的作用。研究小组 +Pi 图2 设置A、B、C组进行实验，A组为野生型拟南 芥，B组为突变型拟南芥，C组为 资料（三） ,三组均给予强光照射，并在相 菠萝是CAM植物，夜间吸收CO2,经过一系 同且适宜的条件下培养，测定并比较三组拟 列转化生成苹果酸储存在液泡中，细胞液PH 南芥光合作用的速率。预期结果为 下降。而白天气孔关闭，苹果酸间接参与卡 尔文循环，最后合成淀粉或者转移到线粒体， 3.(2025·黑龙江哈尔滨二模)自然界中的绿色 进一步氧化释放CO2,又可进入C,途径。 植物根据光合作用暗反应过程中CO2的固 C02 CO2 CO2 定途径不同可以分为C3、C4和CAM三种途 CO. 气孔开放气孔关闭H0H,O 径。根据以下资料回答问题： 草酰乙酸P骏化酶PFP 叶绿体 CO.- 资料（一） NADH 淀粉 卡尔文 NAD 苹果酸 循环 小麦是C3植物，进行C3途径，如图1：也称卡 苹果酸 叶绿体 尔文循环，整个循环由RuBP(C)与CO2的 →苹果酸液泡 苹果酸 液泡 夜晚 白天 羧化开始到RuBP(C5)再生结束，在叶绿体 图3 基质中进行，可合成蔗糖、淀粉等多种有 (1)图1是小麦碳元素代谢途径的示意图。 机物。 ①②③④代表的是物质，A、B、C、D代表的是 C植物 A B C D 光能 →(CHO)葡萄糖 生理过程。③代表的物质是 ;从有 2 ④ ATP 丙酮酸→丙酮酸 NADH>H,O 氧呼吸的角度分析，NAD在小麦细胞的 H,O①NADPH CO 乙酰辅酶A↑ 2C0 阶段被消耗。 图1 (2)分析图1和图2，在C3和C4植物细胞中， 资料（二） 玉米是C4植物，进行C4途径，如图2：叶肉细 分别与CO2相结合的物质是 胞中的叶绿体有类囊体，能进行光反应，同 和 时，CO2被整合到C4化合物中，随后C4化合 (3)结合图2，在玉米叶肉细胞中CO2被整合 物进入维管束鞘细胞，进而生成有机物。 到C4化合物后，最终在 PEP羧化酶被形象地称为“CO2泵”，它提高 (填场所)中生成有机物。 专题二 细胞代谢 031 (4)结合图3，菠萝在夜晚吸收的CO2能不能 (5)植物的C?途径、C4途径、CAM途径都是 立即用于C3途径？ (填“能”或“不 植物制造有机物的途径，但只有C3途径是植 能”)，可能的原因是 物的碳同化的基本途径，依据三个资料，分析 其原因： 击破命题热点5一提高农作物的产量（长句表达） 真题引领 明晰方向。 (2024·安徽卷)为探究基因OsNAC对光合 3 作用的影响，研究人员在相同条件下种植某 2 品种水稻的野生型(WT)、OsNAC敲除突变 体(KO)及OsNAC过量表达株(OE),测定 0 WT KO OE 了灌浆期旗叶（位于植株最顶端）净光合速率 图1 和叶绿素含量，结果见下表。回答下列问题： 0 25 净光合速率/ 叶绿素含量/ 2 (umol·m2·s1) (mg·g) 2 50 WT 24.0 4.0 WT KO OE WT KO OE KO 20.3 3.2 图2 图3 OE 27.7 4.6 结合图表，分析OsNAC过量表达会使旗叶 净光合速率发生相应变化的原因：① (1)旗叶从外界吸收1分子CO2与核酮糖 1,5-二磷酸结合，在特定酶作用下形成2分 ② 子3磷酸甘油酸；在有关酶的作用下，3磷酸 甘油酸接受 释放的能量并被还 原，随后在叶绿体基质中转化为 【思维导图】 光合作用光反应过程进行 获取信息：在有关酶 (2)与WT相比，实验组KO与OE的设置分 水的光解，产生水和氧气， 的作用下，3磷酸甘 别采用了自变量控制中的 同时合成ATP NADPH。 油酸接受能量并被 (填科学方法)。 光合作用暗反应过程进行 还原 CO2的固定和C的还原。 (3)据表可知，OsNAC过量表达会使旗叶净 答案：ATP和NADPH ATP、NADPH为C的还原 光合速率 。 为进一步探究该基因的 核酮糖-1,5二磷酸和 提供能量，NADPH为C的 功能，研究人员测定了旗叶中编码蔗糖转运 淀粉等 还原提供还原剂 蛋白基因的相对表达量、蔗糖含量及单株产 量，结果如图。 032 红对勾讲与练·高三二轮生物酶，从而降低线粒体内膜两侧H+浓度 差，加入该物质后，消耗的O。量增加， 可知细胞呼吸产生的总能量增多，而 合成的ATP量变化不大，即使得线粒 体中氧化释放的能量转移到ATP的 比例减少，以热能形式散失的比例增 加，C错误，D正确。 击破命题热点4一光呼吸与光抑 制、C,途径和CAM途径（模式图） 真题引领 (1)CO,的固定 (2)细胞质基质 线粒体基质 (3)光呼吸细胞呼吸 7一10时，随 着光照强度的增加，转基因株系1和2 光呼吸速率降低，净光合速率比WT 更高不能总光合速率=净光合速 率十细胞呼吸速率十光呼吸速率，由 图示不能得出株系1的细胞呼吸速率 和光呼吸速率，故不能计算出其总光 合速率 (4)相同光照强度和CO。浓度下，株系 1 的净光合速率最高，积累的有机物 最多 解析：(1)在光合作用的暗反应过程 中，C),在特定酶的作用下，与C,结 合形成两个C,这个过程称作C)。的 固定，故反应①是CO,的固定过程。 (2)有氧呼吸的第一、第二、第三个阶 段的场所依次是细胞质基质、线粒体 基质、线粒体内膜。有氧呼吸第一个 阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和 NADH,并释放少量能量；第二个阶段 是丙酮酸和水反应生成C)。和 NADH,并释放少量能量。以葡萄糖 为反应物的有氧呼吸产生NADH的场 所是细胞质基质、线粒体基质。(3)由 图1可知，在线粒体进行光呼吸的过程 中，也会产生CO。,因此植物光合作用 C)。的来源除了有外界环境外，还可 来自光呼吸、细胞呼吸。7一10时，随 着光照强度的增加，转基因株系1和2 光呼吸速率降低，由题干可知，光呼吸 将已经同化的碳释放，且整体上是消 耗能量的过程，因此与WT相比，株系 1和2的净光合速率较高。总光合速 率=净光合速率十细胞呼吸速率十光 呼吸速率，由图示无法得出株系1的细 胞呼吸速率和光呼吸速率，故据图3中 的数据不能计算出株系1的总光合速 率。(4)由图2、图3可知，相同光照强 度和CO,浓度下，转基因株系1的净 光合速率最大，有机物积累量最多，因 此选择转基因株系1进行种植，产量可 能更具优势。 追踪集训 1.D由图可知，H十B→A,故A表示 NADPH,B表示NADP+,光反应过程 由C形成D,则C表示ADP+Pi,D表 2202对闪讲与练·高三二轮生物 示ATP,F表示RuBP,即C:,A正确； 夏季睛朗的中午出现“午休现象”时， 大量气孔关闭，进入叶肉细胞的C)。 减少，但光反应正常进行，导致叶肉细 胞内O2浓度较高，O2和C结合的概 率增加，因此植物光呼吸的强度较平 常会有所增大，B正确；Rubisco位于叶 绿体基质，玉米(C:植物)通常比小麦 (C3植物)的光呼吸作用弱，因为玉米 能利用较低浓度的CO,,C正确；植物 细胞产生的ATP和NADPH过多时 会破坏细胞，光呼吸能消耗光反应阶 段生成的多余的ATP和NADPH,故 光呼吸有利于植物细胞的正常生长， D错误。 2.(1)类囊体薄膜(2)低于 (3)形成更多的NADPH促进psaA 蛋白与psaB蛋白的合成 (4)导入了NAD磷酸激酶基因的突变 型拟南芥A组和C组光合作用的速 率相当，且高于B组 解析：(1)光反应阶段是在类囊体薄膜 上进行的。所以图1所示的生物膜是 类囊体薄膜。(2)据图2结果，野生型 拟南芥体内的NADP+与NADPH含 量均高于突变型，说明野生型拟南芥 体内光合作用中的暗反应所需的 NADPH量高于突变型拟南芥，因此可 推测在暗反应过程中，突变型拟南芥 的C?还原速率低于野生型拟南芥的。 (3)若NAD磷酸激酶间接影响PSI 功能的机制是NAD磷酸激酶催化 NAD生成NADP+,则野生型拟南芥 可以形成更多的NADPH,这些更多的 还原剂可以促进psaA一psaB mRNA 与核糖体的结合，提高mRNA与核糖 体的结合率，促进psaA蛋白与psaB 蛋白的合成，从而促进PSI的生成。 (4)为验证NAD磷酸激酶具有缓解光 抑制从而提升拟南芥光适应能力的作 用，可以设置A、B、C组进行实验，A组 为野生型拟南芥，作为对照组，B组为 突变型拟南芥，C组为导入了NAD磷 酸激酶基因的突变型拟南芥，三组均 给予强光照射，并在相同且适宜的条 件下培养，测定并比较三组拟南芥光 合作用的速率。若NAD磷酸激酶具 有缓解光抑制从而提升拟南芥光适应 能力的作用，则预期结果应是A组和 C组光合作用的速率无明显差异，且高 于B组。 3,(1)ADP和Pi有氧呼吸第一、第二 (2)C,C、PEP (3)维管束鞘细胞的叶绿体基质（或维 管束鞘细胞的叶绿体) (4)不能没有光照，光反应不能正常 进行，无法为暗反应提供足够的ATP 和NADPH (5)C,途径和CAM途径都只起固定 CO:的作用，最终还是通过C?途径合 成有机物 解析：(1)在光合作用暗反应过程中， ATP水解为ADP和Pi并释放能量用 于C3的还原，所以③代表ADP和Pi。 从有氧呼吸角度分析，NAD在有氧呼 吸第一、第二阶段接受氢形成NADH, 所以NAD在有氧呼吸第一、第二阶 段被消耗。(2)依据资料（一）和（二）， C3植物（如小麦）中，C)2与RuBP (C:)结合：C植物（如玉米）中，C)2与 RuBP(C,)和磷酸烯醇式丙酮酸(PEP) 结合。(3)由资料（二）可知，玉米是C 植物，叶肉细胞中C)2被整合到C,化 合物中，随后C,化合物进入维管束鞘 细胞，在维管束鞘细胞的叶绿体基质 中，利用相关酶和光反应产生的ATP、 NADPH等，通过卡尔文循环生成有机 物。(4)菠萝在夜晚吸收的C),不能 立即用于C,途径。原因是C?途径 (卡尔文循环)需要光反应提供ATP 和NADPH,夜晚没有光照，光反应不 能正常进行，无法为暗反应提供足够 的ATP和NADPH。(5)结合资料可 知，C,途径和CAM途径都只是在固 定CO,方面有特殊机制，但最终合成 有机物都还是通过C?途径（卡尔文循 环)来完成，所以C,途径是植物碳同 化的基本途径。 击破命题热点5—提高农作物的 产量（长句表达） 真题引领 (1)ATP和NADPH 核酮糖-1,5-二 磷酸和淀粉等 (2)减法原理加法原理 (3)增大①与WT相比，OE的叶绿 素含量较高，增加了对光能的吸收、传 递和转化，光反应增强，促进旗叶光合 作用②与WT相比，)E的旗叶中编 码蔗糖转运蛋白基因的相对表达量较 高，可以及时将更多的光合产物（蔗 糖)向外运出，从而促进旗叶的光合 作用 解析：(1)在光合作用的暗反应阶段， C),被固定后形成的两个3-磷酸甘油 酸(C?)分子，在有关酶的催化作用下， 接受ATP和NADPH释放的能量，并 且被NADPH还原。随后在叶绿体基 质中转化为核酮糖-1,5-二磷酸(C:)和 淀粉等。(2)与某品种水稻的野生型 (WT)相比，实验组K()为OsNAC敲 除突变体，其设置采用了自变量控制 中的减法原理；实验组)E为OsNAC 过量表达株，其设置采用了自变量控 制中的加法原理。(3)题图和表中信 息显示：OE的净光合速率、叶绿素含 量、旗叶中编码蔗糖转运蛋白基因的 相对表达量、单株产量都明显高于WT