第3单元 微专题4 光合作用的特殊途径、光呼吸(Word学生用书)-【高考快车道】2027年高考生物大一轮复习（不定选版）

该高中生物学高考复习学案系统梳理了光合作用暗反应途径、CO2浓缩机制及光呼吸等核心考点，按“途径类型-结构功能-环境适应”逻辑架构知识网络，通过表格比较、问题链设计引导学生自主归纳C3、C4、CAM植物差异及光呼吸与细胞呼吸联系，体现考点梳理的系统性和层次性。 亮点在于诊断性自测与科学思维培养，开篇设置典型真题案例（如CAM植物代谢过程分析题），引导学生结合结构与功能观分析，每个模块配对比表格任务和错题归因表，培养生命观念和科学思维，帮助学生自主诊断提升，教师可通过学情数据精准指导，实现因材施教。

1.C3途径、C4途径、景天酸(CAM)途径 自然界中的绿色植物,根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同,可以分为C3植物、C4植物和CAM植物三种类型。 (1)C3途径 也称卡尔文循环,整个循环由RuBP(C5)与CO2的反应开始,到RuBP(C5)再生结束,在叶绿体基质中进行,可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有大麦、小麦、大豆、菜豆、水稻、马铃薯等。 (2)C4途径 研究玉米的叶片结构发现,玉米的维管束鞘细胞和叶肉细胞紧密排列。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中,随后C4进入维管束鞘细胞,维管束鞘细胞中的叶绿体没有基粒,在维管束鞘细胞中,C4释放出的CO2参与卡尔文循环,进而生成有机物。PEP羧化酶被形象地称为“CO2泵”,它提高了C4植物固定CO2的能力,使C4植物比C3植物具有更强的光合作用能力(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下),并且无“光合午休”现象。常见C4植物有玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。 C4植物的叶片结构 (3)景天酸代谢途径 指生长在热带或亚热带干旱及半干旱地区的一些肉质植物所具有的一种光合固定CO2的附加途径,具有这种途径的植物称为CAM植物。CAM植物的叶片夜间气孔开放吸进CO2,叶肉细胞中的淀粉经一系列反应还原为苹果酸储存在液泡中。而白天气孔关闭,苹果酸转移到细胞质基质中脱羧,放出CO2,CO2进入C3途径合成淀粉;形成的丙酮酸也可以转移到线粒体,进一步氧化释放CO2,又可进入C3途径(如图所示)。常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。 说明:PEP指磷酸烯醇式丙酮酸。 (4)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 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 1.[2025·四川宜宾二模] 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植物叶肉细胞部分代谢过程示意图。下列叙述正确的是 (　) A.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 2.[2025·河南郑州模拟] 高粱属于C4植物,其叶片存在内层为维管束鞘细胞、外层为叶肉细胞的“花环型”结构,叶肉细胞不能进行暗反应,但可通过C4途径初步固定CO2(酶1对CO2的亲和力极高),起到“CO2泵”的作用,把CO2“压进”维管束鞘细胞。这样可以把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来,光合作用部分过程如图所示。回答下列问题: 酶1:PEP羧化酶(PEPC);酶2:RuBP羧化酶(Rubisco) (1)图中X代表的物质是　　 　　　　,高粱植株体内固定CO2的场所是　　　　　　 　　　　。  (2)据题推测,酶1与无机碳的亲和力　　　　(填“高于”或“低于”)酶2。  (3)炎热夏季中午,高粱不会出现“光合午休”现象,光合速率仍较高,原因可能是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 。  (4)维管束鞘细胞的叶绿体通常只能进行暗反应,推测其叶绿体结构上的特点是　　　　 　　　。 分离光合色素所用的试剂是　　　　　　,三碳糖运出叶绿体,在细胞质基质中形成蔗糖,蔗糖　　　　(填“有”或“没有”)还原性,比较稳定,以该形式运输到其他部位不会造成碳素的丢失。若夜间有三碳糖从维管束鞘细胞的叶绿体中运出,其来源最可能是　　　　　　　　　。  2.藻类植物、蓝细菌的CO2浓缩机制 (1)藻类的CO2浓缩机制 ①HC主动运输 藻类利用细胞膜上的HC转运蛋白消耗ATP将海水中的HC主动运输至细胞。 ②碳酸酐酶催化转化 进入细胞的HC在碳酸酐酶作用下与H+反应生成CO2,使细胞内CO2浓度远高于海水。 (2)蓝细菌的CO2浓缩机制 ①无机碳吸收:蓝细菌通过细胞膜上的HC转运蛋白主动吸收环境中的HC,同时CO2可通过自由扩散进入细胞。 ②羧化体作用: 光合片层膜上的CO2转运蛋白将CO2主动运输至羧化体(一种蛋白质外壳包裹的微室结构),避免CO2逃逸。HC在羧化体内经碳酸酐酶催化转化为CO2,Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度显著提升。 ③Rubisco高效催化:高浓度CO2促进Rubisco的羧化活性,抑制其加氧酶活性(光呼吸),从而增强固碳效率。 3.[不定选][2025·山东济宁模拟] 中国科学家从热泉中分离获得了两株嗜热蓝细菌,它们具备独特的CO2富集机制,该机制的作用模式及部分代谢路径如图所示,羧酶体是由蛋白质外壳包裹的微区室。下列叙述正确的是 (　) A.图示CO2通过细胞膜进入嗜热蓝细菌,消耗的ATP可来自于光反应 B.嗜热蓝细菌内碳酸酐酶参与卡尔文循环且在高温环境下活性较高 C.过程②需要消耗ATP和NADPH,而过程①不需要 D.羧酶体是由单层膜构成的细胞器,有利于高效固定CO2 3.光呼吸及其与细胞呼吸的比较 (1)光呼吸的概念 在光照条件下,叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合 RuBP(C5),O2与RuBP结合后经一系列反应释放CO2的过程。这种反应在光照下进行,与有氧呼吸类似,故称光呼吸。 (2)光呼吸产生的原因 卡尔文循环中固定CO2的酶(Rubisco)具有两面性(或双功能)。(Rubisco即RuBP羧化酶/加氧酶) ①高CO2浓度、低O2浓度时,进行羧化 C5+CO22C3,C3进入卡尔文循环。 ②低CO2浓度、高O2浓度时,进行加氧 C5+O2C2+C3,其中C3进入卡尔文循环,2C2+O2C3+CO2。 (3)光呼吸的危害 ①如果在较强光照下,光呼吸加强,使得C5氧化分解加强,一部分碳以CO2的形式散失,从而减少了光合产物的形成和积累。 ②光呼吸过程中消耗了ATP和NADPH,即造成了能量的损耗。 (4)光呼吸的意义 强光时,由于光反应速率大于暗反应速率,因此,叶肉细胞中会积累ATP和NADPH,这些物质积累会产生自由基,尤其是超氧阴离子,这些自由基能损伤叶绿体,而强光下,光呼吸加强,会消耗光反应过程中积累的ATP和NADPH,从而减轻对叶绿体的伤害。 (5)光呼吸与有氧呼吸的比较 比较项目 光呼吸 有氧呼吸 发生部位 叶绿体、线粒体等 细胞质基质、线粒体 反应条件 光照 光或暗都可以 能量 消耗能量 产生能量 共同点 消耗O2、释放CO2 4.[2024·黑吉辽卷] 在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3;当CO2/O2的值低时,C5也能与O2反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶绿体与线粒体中主要物质变化如图甲。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。 甲 乙 丙 (1)反应①是　　　　　　过程。  (2)与光呼吸不同,以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是　　　　 和　　　　　　。  (3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株(WT),得到转基因株系1和2,测定净光合速率,结果如图乙、图丙。图乙中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外,还可来自　　　　　和 　(填生理过程)。7—10时  株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异,原因是 　 　。  据图丙中的数据　　　　(填“能”或“不能”)计算出株系1的总光合速率,理由是 　  　。  (4)结合上述结果分析,选择转基因株系1进行种植,产量可能更具优势,判断的依据是 　 　。  学科网（北京）股份有限公司 $ 微专题4　光合作用的特殊途径、光呼吸 1.B　[解析] 分析题图,晚上CAM植物虽然吸收CO2,但没有光照,不能进行光反应,而光合作用包括光反应和暗反应,所以晚上不能进行光合作用,A错误。在细胞呼吸过程中,葡萄糖等有机物分解为丙酮酸,丙酮酸进入线粒体,进一步氧化释放CO2,故题图中C可能是丙酮酸;RuBP是卡尔文循环中固定CO2的关键物质,存在于叶绿体的基质中,B正确。从题图中可知,白天CAM植物产生CO2的部位不仅有线粒体基质(有氧呼吸第二阶段产生CO2),还有细胞质基质(苹果酸分解也会产生CO2),C错误;由题图可知,晚上CAM植物将CO2以苹果酸的形式储存在液泡中,并没有储存在叶绿体中,D错误。 2.(1)ATP和NADPH　叶肉细胞叶绿体和维管束鞘细胞叶绿体 (2)高于 (3)高粱叶绿体含有的酶1对CO2的亲和力极高,能利用低浓度的CO2,进行光合作用 (4)不含类囊体(或不含基粒)　层析液　没有　由淀粉转化而来 [解析] (1)题图中X是光反应产生的,参与暗反应过程,所以X是ATP和NADPH,高粱属于C4植物,从图中看出,固定CO2的物质有PEP和五碳糖,所以场所有叶肉细胞叶绿体和维管束鞘细胞叶绿体。(2)C4植物通过C4途径初步固定CO2(酶1对CO2的亲和力极高),起到“CO2泵”的作用,把CO2“压进”维管束鞘细胞,所以可以推测酶1与无机碳的亲和力高于酶2。(3)炎热夏季中午,温度较高,部分气孔关闭,CO2供应减少,但高粱叶绿体含有的酶1对CO2的亲和力极高,能利用低浓度的CO2,进行光合作用,故不会出现“光合午休”现象。(4)类囊体薄膜是光反应场所,叶绿体基质是暗反应场所,维管束鞘细胞的叶绿体只进行暗反应,推测其叶绿体结构的特点是可能不含类囊体(或不含基粒)。不同色素在层析液中溶解度不同,所以在滤纸条上的扩散速度不同,因此分离光合色素所用的试剂是层析液。蔗糖不是还原糖,没有还原性。夜间不能进行光合作用合成三碳糖,结合题图所示可知,夜间形成的三碳糖最可能由淀粉转化而来。 3.AC　[解析] 嗜热蓝细菌可以进行光合作用,题图所示CO2通过细胞膜进入嗜热蓝细菌,消耗的ATP可来自于光反应,A正确;碳酸酐酶催化CO2转化为HC,未参与卡尔文循环,B错误;过程②是C3的还原,需要消耗光反应产生的ATP和NADPH,而过程①是CO2的固定,则不需要消耗ATP和NADPH,C正确;由题意可知,羧酶体是由蛋白质外壳包裹的微区室,不是由单层膜构成的细胞器,D错误。 4.(1)CO2的固定 (2)细胞质基质　线粒体基质 (3)光呼吸　细胞呼吸　随着光照增强,光呼吸增强,转基因株系1和2降低了光呼吸,净光合速率比WT更高　不能　总光合速率=净光合速率+光呼吸速率+细胞呼吸速率,无法获得株系1准确的光呼吸、细胞呼吸产生的CO2的速率,不能计算株系1的总光合速率 (4)株系1比株系2的净光合速率高,有机物积累更多 [解析] (1)在光合作用的暗反应过程中,CO2在特定酶的作用下与C5结合形成两个C3,这个过程称作CO2的固定,故反应①是CO2的固定过程。(2)有氧呼吸的第一、二、三阶段的场所依次是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜。有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和NADH,合成少量ATP;第二阶段是丙酮酸和水反应生成二氧化碳和NADH,合成少量ATP;第三阶段是NADH与O2结合生成水,合成大量ATP,故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)由图甲可知,在线粒体中进行光呼吸的过程中,也会产生二氧化碳,因此植物光合作用CO2的来源除了外界环境外,还可来自光呼吸、细胞呼吸。7—10时,随着光照强度的增加,光呼吸增强,株系1和2由于转入了改变光呼吸的相关基因,其光呼吸速率降低,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+光呼吸速率+细胞呼吸速率,无法获得株系1准确的光呼吸、细胞呼吸产生的CO2的速率,不能计算株系1的总光合速率。(4)由图乙、图丙可知,与株系2以及WT相比,转基因株系1在不同光照强度以及不同CO2浓度下的净光合速率更大,有机物积累更多,因此选择转基因株系1进行种植,产量可能更具优势。 学科网（北京）股份有限公司 $