第3单元 热点突破3 光呼吸、光抑制和光合作用的特殊类型(教师用书Word)-【高考领航】2027年高考生物大一轮复习学案（创新版）

该高中生物学高考复习讲义聚焦光合作用核心考点，涵盖光反应与暗反应过程、光呼吸机制及C₄植物、蓝细菌、景天科植物的CO₂固定特殊类型，以真题引领结合情境分析和问题探究构建知识网络，通过考点梳理、方法指导、真题训练三环节帮助学生突破难点，体现复习的系统性和针对性。 资料特色在于情境化问题设计与跨类型对比分析，如通过光呼吸与细胞呼吸的表格对比培养科学思维，设计G酶敲除实验验证影响强化探究实践。设置基础到综合的分层练习，配合思维升华总结规律，能有效提升学生应考能力，为教师把控复习节奏提供清晰指导。

热点突破3　光呼吸、光抑制和光合作用的特殊类型 (2025·陕晋宁青卷，17)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1。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2。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1、2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：_________________________。 解析：(1)光合作用暗反应的场所是叶绿体基质，物质变化主要包括CO2的固定和C3的还原，故R酶催化CO2固定的场所是叶绿体基质，暗反应中C3转化成糖类的过程需要光反应生成的ATP和NADPH的参与。(2)由图1可知，植株S保卫细胞中G酶表达量提高，可促进保卫细胞中和可溶性糖等溶质含量增加，细胞渗透压增大，保卫细胞吸水膨胀，气孔开度增大。由图2可知，相同光照条件下，植株S的气孔开度大于植株W，CO2供应充足，有利于光合作用的进行，提高净光合速率。(3)保持环境中CO2浓度不变，当O2浓度从21%升高到40%时，有利于R酶催化C5与O2反应，不利于暗反应进行，植物光合作用受到抑制，故植株S的净光合速率会减小。与植株W相比，植株S保卫细胞中G酶的表达量高，有利于CO2的生成(甘氨酸→丝氨酸＋CO2)和吸收(气孔开度更大)，CO2是光合作用的原料，故环境中CO2浓度不变，O2浓度提高时，植株S的净光合速率变化幅度小。(4)本实验的目的是确认保卫细胞中G酶对叶片净光合速率的影响，由此可知自变量是G酶的有无或多少，因变量是叶片净光合速率的大小，实验思路及预期结果见答案。 答案：(1)基质　ATP和NADPH　(2)植株S保卫细胞中G酶表达量提高，使更多甘氨酸转化为丝氨酸和CO2，从而使保卫细胞细胞质中和可溶性糖等溶质增加，渗透压增大，细胞吸水，气孔开度增大，CO2吸收量增加，净光合速率增大　(3)减小　小　(4)构建G酶表达量减少的植株(或敲除G酶基因或用G酶抑制剂处理)，其他条件与对照组(植株W)相同，培养一段时间后检测两组叶片净光合速率；预期结果为实验组净光合速率低于对照组 情境1 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。 [问题探究] (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CO2/O2的比值小，即O2浓度相对较高。 (2)尝试分析光呼吸的危害与意义有哪些？ 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和还原氢，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和还原型辅酶Ⅱ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，叶肉细胞内NADP＋不足的原因是强光条件下，光反应消耗的NADP＋多于暗反应产生的量，导致NADP＋不足，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减小(填“增大”“不变”或“减小”)，原因是缺少类胡萝卜素，对蓝紫光的吸收减少；无法及时清除，损伤光合结构(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，其原因可能是切除损伤的D1蛋白与新合成的D1蛋白速率基本平衡。 (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、提高光合速率从而增加对光的利用等(答出1点即可)。 [思维升华]　光呼吸与细胞呼吸的区别 项目 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 有氧、无氧都可进行，光下、暗处都可进行 底物 乙醇酸和O2 通常是葡萄糖和O2 产物 CO2、水及 部分有机物 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基质 情境2 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 蓝细菌内具有一种特殊的CO2浓缩机制，如下图所示，其中羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散，羧化体中含有许多酶，如碳酸酐酶(cA)，cA可催化和H＋反应生成CO2。 3．景天科植物的CO2固定 [问题探究] (1)C4植物光反应和CO2固定发生在哪些场所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)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CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)。 (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)CO2依次以自由扩散和主动运输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CO2固定。 (5)从进化角度看，景天科植物这种气孔开闭特点的形成是自然选择的结果。夜晚，该类植物吸收的CO2不能(填“能”或“不能”)合成葡萄糖，原因是没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH。 (6)分析图中信息推测，CAM途径是对干旱(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有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成水分过多散失。 [思维升华]　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。 1.(2026·辽宁大连模拟)植物体在进化过程中产生了一种具有双功能的RuBP羧化/加氧酶，CO2和O2竞争性地与之结合，当CO2浓度高时，该酶催化C5与CO2形成两分子C3(3磷酸甘油酸)，进入暗反应；当O2浓度高时，该酶催化C5与O2形成一分子C3和一分子C2(乙醇酸)，其中C3进入暗反应，而C2离开叶绿体进入光呼吸，反应机理如图所示，下列相关叙述错误的是(　　) A．植物体光呼吸的形成可能与RuBP羧化/加氧酶的空间结构有关 B．植物体光呼吸使得C5中的碳都以CO2的形式散失，明显减少了光合产物的形成 C．强光下，光呼吸加强，可消耗光反应中积累的ATP、NADPH，从而减轻对叶绿体的伤害 D．植物体光呼吸可保证CO2不足时，暗反应仍能正常进行 解析：B　绝大多数酶是蛋白质，而酶的功能由其结构决定，即与氨基酸的数目、种类、排列顺序及其盘曲、折叠方式形成的空间结构相关，A正确；由图可知，植物体光呼吸使得C5中的部分碳以CO2的形式散失，从而减少了光合产物的形成，B错误；强光下，光呼吸加强，可消耗光反应中积累的ATP、NADPH，从而减轻对叶绿体的伤害，C正确；当CO2不足时，植物体可以利用光呼吸产生的CO2进行暗反应，D正确。 2．(2026·江西九江模拟)某植物为适应热带干旱地区的环境，形成了独特的CO2利用模式，即白天气孔开放程度小，夜晚开放程度大，如图所示。下列说法错误的是(　　) A．据图推测过程①②③发生在不同细胞中 B．该植物白天CO2吸收速率低于O2释放速率 C．该植物在夜间无法通过卡尔文循环积累产物 D．该模式有利于植物白天减弱蒸腾作用而保水 解析：A　图中植物黑夜吸收的CO2在细胞质基质转化为，再经①②生成苹果酸(可储存在液泡中)，白天苹果酸从液泡中释放出来，通过③分解产生丙酮酸和CO2，CO2参与暗反应，①②③发生在同一植物细胞中，A错误；由于白天气孔开放程度小，CO2吸收较少，但在白天的较强光照下，该植物光反应可进行，可产生O2、ATP、NADPH等，同时利用夜晚储存的苹果酸分解产生的CO2进行暗反应，推知CO2吸收速率应低于O2释放速率，B正确；夜间不能进行光反应，没有光反应提供的ATP和NADPH，无法通过卡尔文循环积累产物，C正确；白天气孔开放程度小，有利于植物减弱蒸腾作用而保水，D正确。 3．(2026·齐鲁名校联考)蓝细菌能够进行光合作用释放O2，为地球上好氧生物的生存提供条件。R酶是蓝细菌光合作用过程中的关键酶，高浓度O2可导致其催化效率下降。如图所示，该酶通常存在于蓝细菌的羧化体中，羧化体是由蛋白质形成的多角形结构，可限制气体扩散。 (1)水质监测时，常通过测定水体光吸收值来确定浮游生物的量，蓝细菌和小球藻(真核藻类)都具有的能吸收光能的色素是____________。蓝细菌吸收光能后发生能量转化，为暗反应提供了__________________，暗反应阶段的______________过程发生在羧化体中。 (2)蓝细菌具有较高的光合效率，结合以上信息分析，可能的原因是_________________。 (3)研究人员将能够进行光合作用并分泌糖类的工程蓝细菌植入酿酒酵母细胞内，构建了酵母—蓝细菌嵌合体。若要验证蓝细菌固定CO2合成的糖类参与酵母菌的代谢，可利用__________________法进行研究。与普通酵母菌相比，利用酵母—蓝细菌嵌合体生产目的产物的优势是_________________________________。 解析：(2)据图可知，进入羧化体并转化为CO2，羧化体能够限制气体扩散，进而提高羧化体内CO2浓度，促进暗反应发生，羧化体不允许O2进入，从而避免羧化体内O2浓度过高引起R酶催化效率下降，因此蓝细菌具有较高的光合效率。(3)同位素标记法可用于示踪物质的运行和变化规律，若要验证蓝细菌固定CO2合成的糖类参与酵母菌的代谢，可利用(放射性)同位素标记法。酵母—蓝细菌嵌合体是研究人员将能够进行光合作用并分泌糖类的工程蓝细菌植入酿酒酵母细胞内构建而成，与普通酵母菌相比，该嵌合体生产目的产物的优势为生产过程中不需要提供有机碳源。 答案：(1)叶绿素　ATP和NADPH　CO2的固定　(2)羧化体限制气体扩散，一方面可提高CO2浓度，促进暗反应，另一方面可防止O2浓度过高导致R酶催化效率下降　(3)(放射性)同位素标记　生产过程中不需要提供碳源 4．(2026·云南昆明模拟)Rubisco是一种催化CO2固定的酶，在低浓度CO2条件下催化效率低。甘蔗在进化过程中形成了一种CO2浓缩机制，提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定，其浓缩机制如图。回答下列相关问题： (1)甘蔗光反应阶段发生于______________(填“叶肉细胞”或“维管束鞘细胞”)的叶绿体中，该阶段的产物有____________________________。 (2)由图中CO2浓缩机制可推测，Rubisco与无机碳的亲和力____________(填“高于”“等于”或“低于”)PEP羧化酶。 (3)甘蔗进行光合作用时，只有维管束鞘细胞内合成淀粉，而叶肉细胞中没有淀粉的合成，据图分析可能的原因是_____________________。 (4)与不具有CO2浓缩机制的植物相比，甘蔗的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)____________(填“高”或“低”)。 解析：(1)由题图可知，甘蔗光反应阶段发生于叶肉细胞的叶绿体中，该阶段的产物有O2、ATP和NADPH。(2)题图表示甘蔗在进化过程中形成了一种CO2浓缩机制，分析可知，PEP羧化酶催化和磷酸烯醇式丙酮酸形成草酰乙酸，表明了Rubisco与无机碳的亲和力低于PEP羧化酶。(3)分析题图可知，淀粉的生成是在维管束鞘细胞中经过卡尔文循环合成的，而叶肉细胞不形成淀粉，原因可能是甘蔗叶肉细胞没有与暗反应相关的酶，不进行卡尔文循环。(4)由题干信息可知，甘蔗存在CO2浓缩机制，提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定，导致在环境CO2浓度较低时可以适当提高光合速率；与不具有CO2浓缩机制的植物相比，甘蔗的CO2补偿点低。 答案：(1)叶肉细胞　O2、ATP和NADPH　(2)低于　(3)甘蔗叶肉细胞没有与暗反应相关的酶，不进行卡尔文循环　(4)低 5．(2026·山东济南高三检测)景天科植物(如景天、落地生根)的叶子有一个很特殊的CO2固定方式：夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中，白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用，其部分代谢途径如图所示。回答下列问题： (1)植物在黑暗条件下通过细胞呼吸氧化分解有机物释放能量，释放的能量的去向有两个：______________________。 若该植物在有氧条件下释放的CO2量小于O2的吸收量，说明细胞呼吸氧化底物有____________。 (2)据图可知，景天科植物参与卡尔文循环的CO2直接来源于____________________________________。该类植物夜晚吸收的CO2____________(填“能”或“不能”)合成葡萄糖，原因是____________。 (3)研究发现，气孔的开放与保卫细胞的细胞壁松弛有关，细胞内pH的下降可导致细胞壁松弛。如图为该类植物叶片内有机酸含量的昼夜变化，据此推测该类植物夜间气孔开放的机理是_________________________。 解析：(1)植物通过细胞呼吸氧化分解有机物释放的能量中一部分以热能形式散失，一部分转移至ATP中。由于脂肪C、H比例大，O比例小，则其氧化分解时释放的CO2量小于O2的吸收量。(2)由图可知，卡尔文循环的CO2一方面来自苹果酸的脱羧作用，一方面来自线粒体，即细胞呼吸作用。由于夜晚没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH，故该类植物夜晚吸收的CO2不能合成葡萄糖。(3)有机酸的含量白天减少，夜晚增加，而细胞内pH的下降可导致细胞壁松弛，因此该类植物夜间气孔开放的机理是夜间该类植物叶片内有机酸含量升高，导致细胞内pH下降，使细胞壁松弛，气孔开放。 答案：(1)一部分以热能形式散失，一部分转移至ATP中　脂肪　(2)苹果酸分解(脱羧作用)和细胞呼吸产生　不能　无光反应产生的ATP和NADPH用于暗反应　(3)夜间该类植物叶片内有机酸含量升高，导致细胞内pH下降，使细胞壁松弛，气孔开放 学科网（北京）股份有限公司 $