5.5《光呼吸与作物增产机制》导学案2026-2027学年高一上学期生物人教版必修1

该高中生物学导学案围绕光呼吸与作物增产机制展开，通过任务一回归教材，复习光合色素提取分离、光合作用反应式及场所等基础，搭建知识支架，再过渡到光呼吸过程分析，形成从基础到拓展的学习脉络。 特色在于结合资料分析（如高温强光下光呼吸的适应意义）和探究实践（田间管理措施设计），融入高考真题训练，培养学生科学思维（分析底物竞争、酶专一性等问题）和探究实践能力，体现生命观念中的进化与适应观，助力学生联系生产实际理解生物学原理。

《光呼吸与作物增产机制》 导学案 学习目标：认识光呼吸作为植物适应逆境的一种生理机制。 任务一、回归教材: 1.光合色素的提取与分离 (1).色素的提取用：___________ (2).色素的分离用：___________ 2.光合作用的原理 (1).光合作用的反应式：___________________________________ (2).场所：______________________ 场所：_______________________ (3).能量转化：_______ → _____________________________________→ ___________________ 任务二 ：光呼吸的过程 1．（资料一 改编自2025·陕晋青宁卷·17） 叶绿体中的 Rubisco 酶，既能催化CO2固定（CO₂ + C₅ → 2C₃），也能催化C5与O2反应（O₂ + C₅ → C₃ + C₂），CO₂和O₂两种底物竞争 R 酶同一活性位点。加氧反应产生的 C₂（乙醇酸）进入过氧化物酶体转化为甘氨酸后进入线粒体，在线粒体中产生丝氨酸。丝氨酸回到过氧化物酶体转化为暗反应所能利用的 C₃。C₃重新进入卡尔文循环，光呼吸过程消耗 ATP 和 NADPH 思考讨论： (1).R酶分布在叶绿体的哪个部位？ 光呼吸主要涉及哪几个细胞结构？ (2).R酶催化CO2固定（CO₂+C₅→ 2C₃），还是催化C5与O2反应（O₂+C₅→C₃+C₂）取决于什么？ (3).保持环境中CO₂浓度不变，当O₂浓度从21%升高到40%时，该植株的净光合速率如何变化？ (4). R酶的双重催化作用是否违背酶的专一性？ 2.光呼吸的原理 光呼吸现象产生的分子机制是 O2和CO2竞争Rubisco酶。在暗反应中,Rubisco酶能够以CO2为底物实现CO2的固定;在光下,当O2浓度高、CO2浓度低时,O2会与CO2竞争Rubisco酶,在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。 [名师解读]与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒体。光呼吸产生的条件是光照、高O2含量和低CO2含量等。 3.资料二分析： 科学研究表明，植物积累的有机物，有四分之一左右被光呼吸“无效消耗”。既然有害，植物为什么进化出这一途径？结合以下材料分析。 高温强光下，气孔关闭，暗反应速率降低，如果光反应积累的过剩能量（ATP、NADPH）无法耗散，会产生活性氧，直接损伤光合系统，造成“光抑制”甚至“光破坏”。 任务三 ：如何促进暗反应，降低光呼吸，实现农作物增产 1、田间管理措施 背景：假如你是洋县黑米的“守护者”，结合资料从水、气、肥的角度思考我们可以采取哪些田间管理措施来降低光呼吸，提高黑米的产量和品质？ 资料一：农民在种植黑米过程中发现种植过稀，土地光能利用不够，总产量不高；种植过密，田间郁闭、通风差，叶片互相遮挡，产量反而下降。 资料二：洋县黑米坚持有机种植、不使用化肥农药。 资料三：稻农中流传一句谚语“浅水栽秧，湿润活棵，薄水分蘖（niè），够苗晒田，湿润壮粒，干湿到老”。 2、生态农业措施 根系作用方面解释“稻鸭共生”田能增加作物产量的原因： 鸭粪 → 鸭子活动增加水中溶氧 → 针对训练 1. （2025·陕晋青宁卷·高考真题）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02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： 。 课后巩固 2.（2025·黑吉辽蒙卷·高考真题）Rubisco是光合作用暗反应中的关键酶。科研人员将Rubisco基因转入某作物的野生型（WT）获得该酶含量增加的转基因品系（S），并做了相关研究。实验结果表明，这一改良提高了该作物的光合速率（如下图）和产量潜力。回答下列问题。 (1)Rubisco在叶绿体的   中催化   与CO2结合。部分产物经过一系列反应形成（CH2O），这一过程中能量转换是        ______ 。 (2)据图分析，当胞间CO2浓度高于B点时，曲线②与③重合是由于      不足。A点之前曲线①和②重合的最主要限制因素是     。胞间CO2浓度为300μmol·mol-1时，曲线①比②的光合速率高的具体原因是           。 (3)研究发现，在饱和光照和适宜CO2浓度条件下，S植株固定CO2生成C3的速率比WT更快。使用同位素标记的方法设计实验直接加以验证，简要写出实验思路。           《光合作用的应用》 导学案答案 任务一 ： 任务二 资料一 1. 叶绿体基质 主要涉及：叶绿体、过氧化物酶体、线粒体 2. 取决于CO₂和O₂的相对浓度 3. 净光合速率下降。 原因：O₂浓度升高→光呼吸增强→消耗更多有机物（ATP和NADPH），同时碳固定效率降低。 4. 酶的专一性是指一种酶通常催化一种或一类相似反应，但并非绝对只能催化唯一底物。 资料二 在干旱和强光下，因为温度高，蒸腾作用很强，气孔大量关闭。CO2吸收减少，光反应速率大于暗反应速率，此时光呼吸可以消耗光反应阶段生成的过剩的NADPH和ATP，防止强光对叶绿体的破坏，保护光合系统免受损伤。又可以为暗反应阶段提供原料. 任务三 鸭粪 →作为有机肥在土壤微生物分解过程中会释放CO₂ ，为光合作用提供更充足的原料，分解还会为水稻提供N,P,K等营养元素 鸭子活动增加水中溶解氧 → 促进根系的有氧呼吸，有利于水稻根系主动吸收无机盐。 从生态系统的角度分析：鸭子还可以除草（增加光能利用率），降低种间竞争，调整能量流动的关系，使能量更多的流向对人类最有益的部分 针对训练 1. （1） 基质 ATP、NADPH （2）植株S保卫细胞中G酶表达量提高，促进甘氨酸转化为丝氨酸，释放二氧化碳用于光合作用，从而生成更多的可溶性糖，提高了保卫细胞的细胞液浓度，植物保卫细胞吸水，气孔开度增大，二氧化碳吸收加快，碳反应速率加快 （3）减小 小 （4）实验思路：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 和 构建了G酶表达量仅在保卫细胞中减少的植株T为实验组，在相同且适宜条件下培养，测定三组植物在不同光照强度下的净光合速率。 预期结果：植株S净光合速率 大于 植株W 大于 植株T 2. （1）基质 C5  ATP和NADPH中活跃的化学能转化为有机物（CH2O）中稳定的化学能 （2）光照强度 CO2浓度 曲线①光照强度高 光反应速率快，产生更多的ATP和NADPH，使暗反应速率加快，光合速率高 （3.）用14C标记CO2，分别将S植株与WT植株置于相同的饱和光照和适宜14CO2，用14C标记CO2，分别将S植株与WT植株置于相同的饱和光照和适宜14CO2 2 【孟德尔学长】 学科网（北京）股份有限公司 $