微专题2 二氧化碳固定方式的多样性及光呼吸-【创新大课堂】2027年高三生物一轮总复习

高三总复习·生物学 (2)光照t时间时，a组CO2浓度 (填“大于”“小于”或“等于”)b组。 (3)若延长光照时间，c、d组O2浓度不再增加， 则光照t时间时，a、b、c中光合速率最大的是 组，判断依据是 (4)光照t时间后，将d组密闭装置打开，并以c组 光照强度继续照光，其幼苗光合速率会 (填“升高”“降低”或“不变”)。 教材知识·落实 >>》 1.(2022·福建，10节选)栅藻是一种真核微藻，具 有生长繁殖快、光合效率高、可产油脂等特点。 为测定两种培养模式的栅藻光合速率，有人提出 可以向装置中通人C8O2,培养一段时间后检 测18O2释放量。你认为该方法 (填“可 行”或“不可行”)，理由是 微专题2二氧化碳固定 [课标要求]说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获 过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。 【经典例题】 1.(2021·全国乙，29节选)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)光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和 释放的CO2。 (2)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)细胞呼吸(2)实验思路：分别在白天 和夜间每隔一定时间取干旱条件下生长的植物 甲的叶片，测定叶肉细胞液泡中的pH;预期结 果：植物甲叶肉细胞液泡中pH在夜间逐渐降 低、白天逐渐升高。 2.(2022·全国甲，29节选)C4植物的C02补偿点： 比C3植物的低。CO2补偿点通常是指环境CO2 浓度降低导致光合速率与呼吸速率相等时的环 境CO2浓度。回答问题： 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 精品教辅·智慧人生 68 ,(2020·山东，21节选)人工光合作用系统可利用 太阳能合成糖类，相关装置及过程如图所示，其 中甲、乙表示物质，模块3中的反应过程与叶绿 体基质内糖类的合成过程相同。请回答下列 问题： 大气C02 太阳能 发电 电极 汽泵 装置 -酶系统 电能 Q。糖类 开关 模块1 0模块2 模块3 在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下， 该系统糖类的积累量 (填“高于”“低于” 或“等于”)植物，原因是 温馨提示 请做课时分层检测（十三） 方式的多样性及光呼吸 能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的 答案干旱会导致气孔开度减小，CO2供应减 少，C4植物的CO2补偿点比C3植物低，因此在 低CO2浓度下，C4植物比C3植物合成的有机 物多 (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Cs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。蓝细菌具有 CO2浓缩机制，如图所示。回答问题： HCO. -HCO: HCO3、 HCO 转运蛋白 能量 C RubiseoCo 膜 C02 HCO 光合 转运蛋白 羧化体 片层 CO. 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。 答案自由扩散主动运输CO2固定O2与 Cs结合 4.(2021·辽宁，22节选)早期地球大气中的O2浓 度很低，到了大约3.5亿年前，大气中O2浓度显 著增加，CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2 浓度约为390umol·mol-1,是限制植物光合作 用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧 酶(Rubisco)是一种催化CO2固定的酶，在低浓 度CO2条件下，催化效率低。有些植物在进化过 程中形成了CO2浓缩机制，极大地提高了Rubi sco所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2 的固定。回答下列问题： (1)海水中的无机碳主要以CO2和HCO3两种 形式存在，水体中CO2浓度低、扩散速度慢，有些 藻类具有图1所示的无机碳浓缩过程，图中 HCO3浓度最高的场所是 (填 “细胞外”“细胞质基质”或“叶绿体”)，可为图示 过程提供ATP的生理过程有 细胞外 细胞质基质 叶绿体 ATP ATP HCO →HCO3 卡尔文 循环 ADP+Pi ADP+Pi 图1 (2)某些植物还有另一种CO2浓缩机制，部分过程 见图2。在叶肉细胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 (PEP℃)可将HCO3转化为有机物，该有机物经过 一系列的变化，最终进入相邻的维管束鞘细胞释放 CO2,提高了Rubisco附近的CO2浓度。由这种 CO2浓缩机制可以推测，PEP℃与无机碳的亲和力 (填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。 HCO NADPH NADP NADP+ NADPH PEP PEPCOAA -Mal -Mal- -CO. AMP Rubisco ATP 卡尔文 Pyr- Pyr 循环 叶肉细胞叶绿体 维管束鞘细胞叶绿体 PEP:磷酸烯醇式丙酮酸；OAA:草酰乙酸； Mal:苹果酸；Pyr:丙酮酸 图2 (3)通过转基因技术或蛋白质工程技术，能进一 步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理 的有 A.改造植物的HCO3转运蛋白基因，增强 HCO3的运输能力 B.改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成 C.改造植物的Rubisco基因，增强CO2固定能力 D.将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制 的植物 69 第三单元细胞的能量供应和利用 答案(1)叶绿体呼吸作用和光合作用 (2)高于(3)ACD (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450umol·L1(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 7mol·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： 水稻 C02 叶肉细胞 光呼吸 叶绿体 O Rubisco -RuBP、/ ADP 卡尔文 循环(3-磷酸甘油酸) ∠-NADPH ATP C ATP (B-磷酸甘油醛)NADP ADP+Pi (CHO) 玉米 CO, 维管束鞘细胞 叶肉细胞 ←-C4← PEPC PEP CO,C PEP 叶 卡尔文叶 绿 AMP 循环 体 ATP 体 C3 (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)。 (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 精品教辅·智慧人生 高三总复习·生物学 度无明显变化。其原因可能是 (答出三点即可)。 答案(1)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(2)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 【核心归纳】 1.C3植物、C4植物和CAM植物固定CO2方式的 比较 大气中C02 ⑨C☑夜晚 白天 C 定粉液泡 叶肉细胞 促韧废泡白天 C.H ②四 白天 CO维管東 c CO 鞘细胞 卡尔文循环 卡尔文循环 卡尔文循环 CAM植物 C植物 C,植物 (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。 2.光呼吸 (1)发生条件 ①干旱、炎热条件下，气孔关闭，阻止CO2进入叶 片和O2逸出叶片。 ②Rubisco具有两面性（或双功能）。 (2)过程 CO, 02 C 加氧上 Cs+ (CH,O) 羧化 ATP (CH2O) 卡尔文 NADPH Rubisco 光呼吸 ATP NADPH 循环 C3×2 Q2 一C0 2C3 ATP NADPH RuBP(C5)羧化加氧酶 (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。 精品教辅·智慧人生 70 (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。 (6)二氧化碳的猝发：指在光照突然停止之后释 放出大量的二氧化碳的现象。是光合作用停止 而光呼吸还在进行造成的。 (7)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。 光合产物及运输 H,O C02 卡尔文循环 ATP、NADPH ADP.P 光反应 NADP☑ Pi 磷酸丙糖→乙淀粉 合成 Pi 磷酸 转运器 02 Pi 蔗糖 ·←一磷酸丙糖 ①磷酸丙糖是光合作用中最先产生的糖，也是光合 作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。 ②光合作用产生的磷酸丙糖既可以在叶绿体中 形成淀粉，暂时储存在叶绿体中，又可以通过叶 绿体膜上的磷酸转运器运出叶绿体，在细胞质基 质中合成蔗糖。合成的蔗糖或临时储藏于液泡 内，或从光合细胞中输出，经韧皮部长距离运输 到其他部位。 跟踪训练] (2026·湖北襄阳一模)蓝细菌具有CO2浓缩机 制，如下图所示。已知Rubisco是光合作用过程中 催化CO2固定的酶，但其也能催化O2与C结合， 形成C3和C2,导致光合效率下降。下列相关分析 正确的是 ( ) HCO HCO HCO 细胞膜 HCO转运蛋白 能量 RubiscCO HCO C 一光合片 C0转运蛋白 羧化体 层膜 注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散。 A.光合片层膜是蓝细菌细胞内的一种生物膜，其 上有叶绿素和类胡萝卜素 B.CO2通过细胞膜和光合片层膜的方式分别为 自由扩散和主动运输 C.推测羧化体限制气体扩散可能是为了限制O2 和CO2从羧化体出去 D.推测O2不可能与CO2竞争性结合Rubisco 的同一活性位点 2.(2026·广东一模)玉米的光合作用既有C4途径 又有C3途径（如下图），PEP羧化酶对CO2具有 较强亲和力。据图分析，下列说法正确的是 ( CO PEP羧化酶 C -CO ② C途径 C途径 (卡尔文循环 PEP←-Ca C -B 叶肉细胞 维管束鞘细胞 A.物质B为C3,它和PEP均可固定CO2 B.卡尔文循环进行的场所是叶绿体基质 C.为过程②提供能量的物质有ATP和NADH D.在炎热夏季中午，叶肉细胞还可以生成淀粉 3.(2026·四川宜宾二模)CAM(景天科)植物的气 孔在夜间开放吸收CO2,白天关闭。下图为某 CAM(景天科)植物叶肉细胞部分代谢过程示意 图。下列叙述正确的是 CO PEP CH2O RuBP OAA t, 02 苹果酸 夜间 百天 苹果酸 PGA 叶绿体 液泡 线粒体) A.由图可知，CAM植物白天和晚上均进行光合 作用 B.图中C可能是丙酮酸，RuBP存在于叶绿体的 基质中 C.CAM植物细胞白天产生CO2的具体部位是 线粒体基质 D.晚上CAM植物将CO2以苹果酸的形式储存 在叶绿体和液泡中 4.(2026·宁夏银川模拟)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。 第三单元细胞的能量供应和利用 C植物 D →(CHO)→葡萄糖 光能、 丙刷酸→丙酮酸、O: ATP- CO H]H2O 乙酰辅酶A? NADPH 2C C02 图1 C植物叶肉细胞细胞质基质 维管束鞘细胞叶绿体 CO2]PEP羧化酶 C途径 CO2]Rubisco 3 CAM植物 叶肉细胞细胞质基质 :叶肉细胞叶绿体 绵 C02 COPEP)羧化酶，C C途径 C C￥ →CO21 Rubisco 晚上；白天 图2 (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。 (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 温馨提示 请做阶段检测（二） 精品教辅·智慧人生NADPH,光反应产生的ATP和NADPH增多，会使C的还原：(3)C,植物的叶肉细胞和维管束鞘细胞分工，CO,固定在不同 加快，而C的生成速率短时间内不变，所以短时间内叶肉细胞 细胞（叶肉细胞、维管束鞘细胞）进行。CAM植物的晚上和白 中C3含量将下降，而不是上升，C错误；12~18小时C),浓度 天C),固定在不同时间（晚上叶肉细胞细胞质基质，白天叶肉 下降速率渐缓，此时光照强度较强。可能是因为暗反应中某些！细胞叶绿体)进行。两种植物特有的固定CO,的酶是PEP羧 因素限制了暗反应的速率，比如暗反应中酶的活性、C的含量！ 化酶。PEP羧化酶能利用低浓度C),(高温千旱时气孔关闭， 等，从而导致暗反应速率下降，使得CO,的固定速率减慢，进而： CO2少，PEP羧化酶可固定少量C),),且在较低C),浓度下仍 使CO。浓度下降速率渐缓，D正确。] 高效工作，即该酶与无机碳的亲和力高于Rubisco,故更适应高 6,解析(2)b组O,浓度高于a组，说明光合速率大于呼吸速率， 温千早环境（避免气孔开放丢失水分，又能固定CO2)。 整体表现为吸收CO2,释放O,。因此，a组CO,浓度大于b组。 (4)CAM植物夜晚吸收C),不能立即用于C,途径，因为夜晚 (4)d组O,浓度等于c组是由于密闭容器中CO,的限制，此时！ 无光照，光反应无法进行，无法为暗反应提供充足的ATP和 光合速率等于呼吸速率，打开容器之后，提供了更多的C),,此： NADPH。 时即便以c组的光照强度照光仍然可以使幼苗的光合速率上· 答案(1)氧气/)，C,有氧呼吸第二、三阶段 升，大于呼吸速率。 (2)叶绿体基质降低了高氧低碳 答案(1)红光和蓝紫光光合色素可分为叶绿素和类胡萝卜· (3)细胞时间PEP羧化该酶与无机碳的亲和力高 素，叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫· 于Rubisco 光(2)大于(3)b密闭容器中，c的O。浓度不再增加，说明 (4)没有光照光反应不能正常进行，无法为暗反应提供充足的 此时由于CO。不足，导致光合速率减弱，光合速率等于呼吸速· ATP和NADPH 率；组)，浓度等于初始浓度，也意味着光合速率等于呼吸速 率：而b组此时的光合速率仍然大于呼吸速率。综上所述，b组 第四单元细胞的生命历程 的光合速率最大(4)升高 教材知识·落实 第14课时 细胞的增殖 1,不可行C0,中的0在暗反应中随C“O,转移到糖类等有考点一 机物中[C“0,→C,→(CH,O)],光反应中释放的O.来自基础知识·梳理 HO,排出的气体中检测不到“)， :1.细胞分裂发育遗传物质准备细胞分裂周期无丝 2.高于人工光合作用系统不进行细胞呼吸消耗糖类（或植物细分裂 胞呼吸消耗糖类) :2.连续分裂下一次分裂完成蛋白质蛋白质 微专题2二氧化碳固定方式的多样性及光呼吸 :3.染色体核膜着丝粒移向细胞两极加倍 染色质丝纺锤丝核膜、核仁 跟踪训练 !4.纺缍丝中心体细胞板缢裂 ,B汇蓝细菌属于原核生物，设有叶绿体，其光合片层度上含有5·染色体DNA平均遗传 叶绿素和葆蓝素等光合色素，而类胡萝卜素存在于叶绿体的类：6染色体纺锤丝细胞核蛙的红细胞中部 囊体薄膜等结构中，蓝细菌中没有类胡萝卜素，A错误；图中显 ,7.物质运输效率小低 示CO,通过细胞膜是通过自由扩散进行的，而通过光合片层膜 的方式为主动运输，因为该过程需要消耗能量，B正确；蓝细菌 :【正误辨析】 (1)/ 羧化体的蛋白质外壳通过限制内部CO,出去和限制外部O (2)X提示有丝分裂的分裂后期着丝粒分裂，但DNA含量 的进入从而实现内部高C),浓度，一方面能有效降低光呼吸， 另一方面还能有效提高光合效率，C错误；Rubisco也能催化O。 不变。 与C;结合，形成C,和C2,所以O,可能会与CO,竟争性结合 (3)X提示秋水仙素能够抑制纺锤体的形成，而纺锤体的 Rubisco的同一活性位，点，因此提高CO浓度可以提高光合效 形成是在分裂期。 率，D错误。] (4)/ 2.B[由图可知，B可参与CO,的固定，可知B为C,A错误；卡 :关键能力·突破 尔文循环（即暗反应）进行的场所是叶绿体基质，B正确：②为 (1)提示检验点5 C,的还原，光反应提供的ATP和NADPH可为其提供能量，C (2)提示纺锤体组装完成是在有丝分裂的前期，因此检验点4 错误；由图可知，淀粉等有机物在雏管束鞘细胞中合成，D, 可检验纺锤体是否组装完成，着丝粒是否正确连接到纺锤 错误。] 体上。 3.B[从图中可以看到，晚上CAM植物虽然吸收CO,,但没有 (3)提示第二次阻断应该在第一次洗去TR之后7~14h内 光照，不能进行光反应，而光合作用包括光反应和暗反应，所以 进行。经第-一次阻断，S期细胞立刻被抑制，则细胞至少停留在 晚上不能进行光合作用，A错误；在细胞呼吸过程中，葡萄糖分 G1/S交界处，至多停留在S/G2交界处，前者通过7h到达后 解为丙酮酸，图中C可能是丙酮酸：RuBP是卡尔文循环中固定 者，后者通过3十1+10=14(h)到达下一个周期的前者，因此若 CO,的关键物质，存在于叶绿体的基质中，B正确；从图中可 要使所有的细胞均停留在G,/S交界处，第二次阻断应该在第 知，白天CAM植物产生CO,的部位不仅有线粒体基质（有氧 一次洗去TdR之后7~14h内进行。 呼吸第二阶段产生C),),苹果酸分解也会产生C),,C错误； (4)提示S期细胞的细胞质中含有能促进G1期细胞进行 由图可知，晚上CAM植物将C)。以苹果酸的形式储存在液泡： DNA复制的调节因子 中，并没有储存在叶绿体中，D错误。] !命题考向·演练 4.解析(1)图1是Cg植物碳元素代谢途径的示意图。A表示1，D[图细胞有完整核膜，核仁，染色质呈丝状，处于有丝分裂 光反应阶段、B表示暗反应阶段、C表示呼吸作用第一阶段、D:间期，并非均处于分裂期，A错误；图b中染色体的着丝粒排列 代表的是呼吸作用的第二阶段和第三阶段，该过程发生的场所· 在赤道板上，细胞板是植物细胞有丝分裂末期出现的结构，而 是线粒体。①是O2、②是NADP+,③ADP、Pi,④代表的是C。 不是中期着丝粒所在位置，B错误；图b细胞处于有丝分裂中 (2)光呼吸中C和O反应，C存在于叶绿体基质，故场所是 期，此时染色体形态稳定、数目清晰，是观察染色体形态和数目 叶绿体基质。光呼吸消耗ATP和NADPH,还释放CO,,减少 的最佳时期。图处于有丝分裂后期，染色体已经开始慢慢解 了暗反应可用的ATP、NADPH,降低了光合作用效率。光呼： 旋，染色体形态不够清晰，C错误：该细胞没有中心体，且有丝 吸使细胞内O2/C),降低，说明环境中O,相对高、C),相对·分裂末期（图d)在赤道板位置形成细胞板进而扩展成细胞壁， 低，即适应高氧低碳环境。 可判断为高等植物细胞，D正确。] 450