第3单元 热点3 CO2固定的三种途径、光呼吸与光抑制(学用讲义)-【优学精研】2027年高考生物一轮总复习学用Word

该高中生物学高考复习学案系统整合了CO₂固定的三种途径（C₃、C₄、CAM植物）及光呼吸、光抑制等核心考点，通过情境探究（如C₄植物的CO₂浓缩机制、景天科植物的CAM途径）和思维建模（C₃/C₄/CAM植物比较表、光呼吸与细胞呼吸对比表）构建知识内在联系，以问题链引导学生自主梳理，形成结构化知识网络。 亮点在于真题引领与分层实践设计，开篇以2025年高考题为例证，情境探究设置进阶问题，针对练习包含模拟题，助力学生自主诊断薄弱点。通过比较表格建模培养科学思维，实验分析题提升探究实践能力，教师可依据答题情况精准指导，支持个性化复习与因材施教。

热点3　CO2固定的三种途径、光呼吸与光抑制 真题例证 （2025·陕晋青宁高考17题）叶绿体中R酶既能催化CO2固定，也能催化C5与O2反应，CO2和O2两种底物竞争R酶同一活性位点；线粒体中G酶参与催化甘氨酸转化为丝氨酸，如图a。为探究保卫细胞中G酶对植物光合作用的影响，研究者以野生型植株W为参照，构建了G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S，实验结果如图b。回答下列问题。 （1）R酶催化CO2固定的场所是叶绿体的　　　，产物C3在光反应生成的　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　参与下合成糖类等有机物。 （2）植物保卫细胞吸水，气孔开度增大。由图a、b可知，相同光照条件下植株S保卫细胞中G酶表达量提高，叶片的净光合速率高于植株W，原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　。 （3）保持环境中CO2浓度不变，当O2浓度从21％升高到40％时，植株S的净光合速率　　　　（填“增大”或“减小”）；相较于植株W，植株S的净光合速率变化幅度　　　　（填“大”“小”或“无法判断”）。 （4）若需确认保卫细胞中G酶对叶片净光合速率的影响，还需补充一个实验组。写出实验思路及预期结果。 情境探究 情境1　CO2固定的三种途径 1.C4植物的CO2浓缩机制 C4植物（如玉米）的叶片结构和光合作用过程 （1）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。 （2）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。 （3）C4植物的CO2补偿点低，光合午休小的原因： ①PEP羧化酶对CO2有很高的亲和力，气孔关闭时，仍然能够利用极低浓度的CO2。 ②玉米已先通过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，所以气孔关闭对玉米影响不大。 2.蓝细菌的CO2浓缩机制 蓝细菌具有CO2浓缩机制，如图所示。 3.景天科植物的CO2固定 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）。 1.（1）C4植物光反应和CO2固定发生在哪些场所？　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　。 （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，请表示这种碳原子的转移途径　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　。 （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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　。 （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　　　　（填“能”或“不能”）合成葡萄糖，原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　。 （6）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　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　。 思维建模 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。 情境2　光呼吸和光抑制 1.光呼吸 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。其过程图如下。 2.光抑制 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。 2.（1）光呼吸发生的原因。RuBP羧化酶是双功能酶，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）尝试分析光呼吸的危害与意义有哪些？ （3）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）。 （4）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　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　。 （5）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。 思维建模 光呼吸与细胞呼吸的区别 光呼吸 一般呼吸 与光的关系 只在光下进行 光下、暗中都可以进行 反应条件 光照、高氧低CO2环境下 — 底物 乙醇酸和O2 通常是葡萄糖和O2 产物 CO2、NH3 CO2和水 发生部位 在叶绿体中产生乙醇酸；过氧化物酶体内氧化；在线粒体内释放CO2 糖酵解在细胞质基质中进行；三羧酸循环、呼吸链及氧化磷酸化在线粒体上 针对练习 1.（2025·江西南昌二模）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则脱羧释放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 2.（2025·山东泰安模拟）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（　　） A.若给C4植物提供14CO2，则植株体内14C的转移途径为14CO2→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植物的光合作用速率可能比C3植物高 3.★（2025·重庆模拟）为助力“碳达峰”“碳中和”，我国研究人员通过研究光呼吸拟通过在植物体内构建人工代谢途径进一步提高植物的固碳能力。光呼吸与光合作用相伴发生，其过程如图所示： （1）已知R酶具有双重催化功能既可催化CO2与C5结合，生成C3；又能催化O2与C5结合，生成C3和乙醇酸（C2），该过程称为光呼吸。生产实际中，可以通过适当升高CO2浓度达到增产的目的，请从光合作用原理和R酶的作用特点两个方面解释其原理：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　。 （2）R酶起作用的场所是　　　　　　　。干旱条件下，暗反应受到　　　　（填“促进”或“抑制”），光呼吸可以消耗光反应积累的　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　。 （3）研究人员利用水稻自身的基因成功构建了一条新的光呼吸支路，简称GOC支路，并成功将支路导入水稻叶绿体，该支路的作用是使光呼吸的中间产物C2直接在叶绿体内代谢释放CO2，显著提高了水稻的光合速率和产量。请分析原因：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　。 4.（2025·河南驻马店模拟）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。 （1）HC通过BCT1进入蓝细菌细胞的运输方式是　　　　　，判断依据是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　。 （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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　。 （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。 5.（2024·重庆高考18题节选）重庆石柱是我国著名传统中药黄连的主产区之一，黄连生长缓慢，存在明显的光饱和（光合速率不再随光强增加而增加）和光抑制（光能过剩导致光合速率降低）现象。 （1）探寻提高黄连产量的技术措施，研究人员对黄连的光合特征进行了研究，结果见图1。 ①黄连的光饱和点约为　　　　μmol·m－2·s－1。光强大于1 300 μmol·m－2·s－1后，胞间二氧化碳浓度增加主要是由于　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ②推测光强对黄连生长的影响主要表现为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。黄连叶片适应弱光的特征有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（答2点）。 （2）黄连露天栽培易发生光抑制，严重时其光合结构被破坏（主要受损的部位是位于类囊体薄膜上的色素蛋白复合体），为减轻光抑制，黄连能采取调节光能在叶片上各去向（图2）的比例，提升修复能力等防御机制，具体可包括　　　　　　（多选）。 ①叶片叶绿体避光运动，②提高光合产物生成速率，③自由基清除能力增强，④提高叶绿素含量，⑤增强热耗散。 答案 热点3　CO2固定的三种途径、光呼吸与光抑制 真题例证 （1）基质　ATP、NADPH　（2）与植株W相比，植株S气孔开度大，吸收的CO2多，且植株S G酶表达量较高，催化甘氨酸分解生成的CO2增多，进入叶绿体用于光合作用的CO2较多　（3）减小　小　（4）实验思路：增加敲除保卫细胞中合成G酶相关基因的植株组别，在相同条件下处理敲除相关基因的植株，测量该植株的气孔开度和净光合速率，与植株W作比较。预期结果：敲除G酶相关基因的植株的气孔开度和净光合速率均低于植株W。 解析：（1）暗反应在叶绿体的基质中进行，该过程中植物通过气孔吸收的CO2，在特定酶的作用下，与C5结合，这个过程称作CO2的固定。光反应的产物主要包括O2、ATP和NADPH。CO2固定后的产物C3在有关酶的催化作用下，接受光反应生成的ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原，随后，被还原的C3在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类等有机物。（2）根据题意可知，线粒体中G酶参与催化甘氨酸转化为丝氨酸和CO2，相同光照条件下，与植株W相比，植株S保卫细胞中的G酶表达量较高，催化甘氨酸分解①生成的CO2较多，CO2可直接进入叶绿体用于CO2的固定；②生成的可溶性糖等溶质较多，导致保卫细胞渗透压增高，吸水增多，气孔开度增大，从而吸收更多的CO2，故相同光照条件下，植株S叶片的净光合速率高于植株W。（3）O2浓度升高后，在与CO2竞争R酶时占优势，导致R酶催化固定CO2的量减少，因此植株S的净光合速率会减小。相较于植株W，植株S保卫细胞中的G酶表达量高，G酶催化甘氨酸生成的丝氨酸和CO2的量更多，结合（2）分析，植株S的净光合速率变化幅度小。（4）本实验目的是确认保卫细胞中G酶对叶片净光合速率的影响，根据加法原理和减法原理，应补充敲除G酶基因的组别。实验思路：补充敲除保卫细胞中合成G酶相关基因的植株组别，用相同条件处理敲除相关基因的植株，测量该植株的气孔开度和净光合速率，与植株W作比较。预期结果：敲除G酶相关基因的植株的气孔开度和净光合速率均低于植株W。 情境探究 1.（1）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 （2）CO2→C4→CO2→C3→（CH2O） （3）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）自由扩散和主动运输　CO2固定 （5）自然选择　不能　没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH （6）干旱　有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成水分过多散失 2.（1）CO2/O2的值小，即O2浓度相对较高 （2）提示：危害：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，即造成了能量的损耗。 意义：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。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。 （3）强光条件下，光反应消耗的NADP＋多于暗反应产生的量，导致NADP＋不足　减小　缺乏类胡萝卜素，对蓝紫光的吸收减少；无法及时清除，损伤光合结构 （4）切除损伤的D1蛋白与新合成的D1蛋白速率基本平衡 （5）提高光合速率从而增加对光的利用 针对练习 1.C　CAM植物晚上不能进行光合作用，A错误；CAM植物细胞液泡中储存的苹果酸脱羧也产生CO2，B错误；CAM植物白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用，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；吸收CO2不需要转运蛋白，D错误。 2.A　C4植株能进行C4途径和C3途径，若给C4植物提供14CO2，则C4植株14C转移途径为14CO2→14C→14CO2→14C3→（14CH2O），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。这些遗传差异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，因此低浓度CO2条件下，C4植物的光合作用速率可能比C3植物高，D正确。 3.（1）CO2浓度升高可促进光合作用暗反应的进行，进而提高光合作用强度；同时还可促进R酶催化更多的C5与CO2结合，减少C5与O2的结合，从而降低光呼吸　（2）叶绿体基质　抑制　NADPH和ATP　（3）光呼吸使一部分碳以CO2的形式散失，GOC支路使光呼吸产生的CO2直接在叶绿体内释放，提高了CO2的利用率 解析：（1）二氧化碳是光合作用暗反应过程的原料，CO2浓度升高可促进光合作用暗反应的进行，进而提高光合作用强度；同时还可促进R酶催化更多的C5与CO2结合，减少C5与O2的结合，从而降低光呼吸，故生产实际中，可以通过适当升高CO2浓度达到增产的目的。（2）分析题意可知，R酶可催化CO2与C5结合生成C3，该过程是暗反应过程，场所是叶绿体基质；暗反应过程需要光反应提供的NADPH和ATP，而该产物与水的光解有关，故干旱条件下，暗反应受到抑制，光呼吸可以消耗光反应积累的NADPH和ATP。（3）结合题意可知，GOC支路的作用是使光呼吸的中间产物C2直接在叶绿体内代谢释放CO2，光呼吸使一部分碳以CO2的形式散失，GOC支路使光呼吸产生的CO2直接在叶绿体内释放，提高了CO2的利用率，故显著提高了水稻的光合速率和产量。 4.（1）主动运输　此运输过程需要载体蛋白且消耗ATP　 （2）CO2的固定　蓝细菌进行光反应，为C3的还原提供ATP和NADPH　（3）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 解析：（1）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。（2）CO2在羧化体内生成C3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。（3）分析图可知，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。 5.（1）①500　光合作用受到抑制，消耗的二氧化碳减少，且气孔导度增加　②黄连在弱光随光强增加生长快速达到最大，光照过强其生长受到抑制　叶片较薄，叶绿素较多，（叶色深绿，叶绿体颗粒较大，叶绿体类囊体膜面积更大）　 （2）①②③⑤　 解析：（1）①光饱和点为光合速率不再随光强增加而增加时的光照强度，由图1净光合速率的曲线可知当光强达到500 μmol·m－2·s－1时，光合速率不再增加；光强大于1 300 μmol·m－2·s－1后，由图1可知光合作用受到抑制，且气孔导度增加，所以胞间二氧化碳浓度增加主要是由于光合作用受到抑制，消耗的二氧化碳减少，且气孔导度增加。②由图1净光合速率曲线可知，光强对黄连生长的影响主要表现为在弱光随光强增加生长快速达到最大，光照过强其生长受到抑制；弱光时，可通过增加受光面积或增加光合色素的含量来增加光合速率，所以黄连叶片适应弱光的特征有叶片较薄，叶绿素较多（叶色深绿，叶绿体颗粒较大，叶绿体类囊体膜面积更大）。（2）为减轻光抑制，黄连能采取调节光能在叶片上各去向的比例，由图2可看出光能的主要去向为热消耗，所以黄连提升修复能力等防御机制，具体可包括⑤增强热耗散；①叶片叶绿体避光运动：减少对光的吸收；②提高光合产物生成速率，从而提高光合速率消耗更多的光能；③自由基清除能力增强：减少对光合结构的破坏。而④提高叶绿素含量会增加对光能的吸收不能减轻光抑制。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 $