第2单元 第16讲 光合作用和细胞呼吸的综合分析(教参Word版)-【创新教程】2027年高考生物总复习大一轮讲义（多选）

该高中生物学高考复习讲义聚焦光合作用和细胞呼吸综合分析，涵盖物质能量联系、净光合与总光合辨析、光合速率测定等核心考点，按知识复盘-能力提升-真题研析逻辑架构，通过考点梳理、方法指导、真题训练突破难点，体现复习系统性与针对性。 资料以生命观念、科学思维、科学探究为导向，如对比光合呼吸物质能量联系建立结构功能观，设计液滴移动法等实验培养探究能力。分层练习配合真题解析，助力学生高效掌握考点，为教师把控复习节奏、提升学生应考能力提供有力支撑。

第16讲　光合作用和细胞呼吸的综合分析 知识体系——定内容 核心素养——定能力 生命 观念 通过对比光合与呼吸在物质和能量方面的联系，建立结构与功能相适应的观点 科学 思维 通过光合与呼吸的关系，形成归纳与概括的科学思维方法 科学 探究 通过分析归纳提炼光合速率与呼吸速率的探究方法，培养实验探究能力 考点1　光合作用和细胞呼吸的联系 [必备知识·复盘] 1．细胞呼吸和光合作用的联系(如图) (1)物质转化 C H O (2)能量变化 (3)光合作用与有氧呼吸中有关物质的来源与去路 2．辨析净光合速率与总光合速率 (1)微观辨析总光合速率、净光合速率和呼吸速率的关系 (2)深度解读总光合速率与呼吸速率的关系 图1　光照强度对光合作用速率的影响 (假定呼吸速率始终不变) 图2　叶肉细胞光合速率与呼吸速率微观示意图 ①如果图1的实验对象是离体的叶肉细胞，则图2中的甲图对应的是图1中的　A点　，乙图对应图1中的　AB段(不含A、B两点)　，丙图对应图1中的　B点以后(不含B点)　，丁图对应图1中的　B点　。 ②如果图1的实验对象是叶片或者植株，则图1中的A点、B点、C点分别对应图2中的　甲　图、　丙　图和　丙　图。 ③如果实验对象是离体的叶绿体，则图1不能表示光照强度对其光合速率的影响，原因是　叶绿体不能进行细胞呼吸，因此光照强度为0时其CO2吸收量应为0，光照强度大于0时其CO2吸收量应大于0　。 (3)从语言文字中辨析 总(真正)光合速率 净(表观)光合速率 呼吸速率 “同化”“固定”或“消耗”的CO2量 “从环境(容器)中吸收”或“环境(容器)中减少”的CO2量 黑暗中释放的CO2量 “产生”或“制造”的O2量 “释放至环境(容器)中”或“环境(容器)中增加”的O2量 黑暗中吸收的O2量 “产生”“合成”或“制造”的有机物的量 “积累”“增加”或“净产生”的有机物的量 黑暗中消耗的有机物的量 　总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率 ①光合作用消耗的CO2量＝从环境中吸收的CO2量＋呼吸释放的CO2量 ②光合作用产生的O2量＝释放到环境中的O2量＋呼吸作用消耗的O2量 3．自然环境与密闭环境中一昼夜内光合速率曲线的比较 1．保卫细胞叶绿体中的淀粉大量合成需要依赖呼吸作用提供ATP。(2023·江苏卷，19(5)A)(×) 2．光合作用只能在光下进行，细胞呼吸时时刻刻都能进行。(√) 3．整株植物处于光补偿点时，叶肉细胞的光合作用强度和呼吸作用强度相等。(×) 1．如果用18O标记土壤中的H2O，那么植物产生的CO2和O2是否含有18O？如果有，写出18O的传递途径。 答案：有。HO经过光合作用光反应转移给18O2；HO经过有氧呼吸的第二阶段转移给C18O2。 2．(情景探究)如图为水稻叶肉细胞内部分生理过程示意图，其中①～⑤表示过程，Ⅰ～Ⅵ表示物质。请据图回答相关问题。 (1)图中Ⅲ与　________　(填序号)表示的物质相同，图中Ⅰ与Ⅳ表示的物质　________　(填“相同”或“不相同”)。 (2)图中消耗ADP的场所有　________________________________　；若该水稻植株长期处于黑暗状态，则图中①→②→①的循环　________　(填“能”或“不能”)进行，原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)为探究黄光培养条件下水稻幼苗的叶绿素含量是否发生改变，假设你是实验小组成员，请写出实验思路。 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 答案：(1)Ⅵ　不相同 (2)叶绿体类囊体的薄膜、细胞质基质、线粒体　不能　没有光反应提供的ATP与NADPH，暗反应不能进行 (3)分取白光(或自然光)和黄光条件下培养的水稻叶片，提取并分离其中的色素，通过比较叶绿素a、叶绿素b色素带的宽窄，来判断叶绿素含量是否发生改变。 [关键能力·提升] ◆[提升点1]　通过光合作用与细胞呼吸的联系考查观察能力、获取信息能力　 1．光合作用与细胞呼吸相互依存、密不可分，各自又具有相对的独立性。如图是某植物光合作用和细胞呼吸过程示意图，其中Ⅰ～Ⅶ代表物质，①～⑤代表过程。下列叙述错误的是(　　) A．图中Ⅶ被相邻细胞利用至少需要穿过6层生物膜 B．图中Ⅱ和Ⅴ、Ⅲ和Ⅶ分别是同一种物质，Ⅰ和Ⅳ是不同物质 C．图中①～⑤均伴随着ATP的合成或水解，其中③合成的ATP可被②利用 D．光合作用的产物脂肪、糖类、蛋白质的合成或分解都可通过细胞呼吸联系起来 解析：：C　[图中Ⅶ为CO2，其被相邻细胞利用至少需要穿过线粒体(2层膜)、细胞膜(1层膜)、相邻细胞的细胞膜(1层膜)、相邻细胞的叶绿体(2层膜)，A正确；图中Ⅱ是O2，Ⅲ能与C5结合形成C3，Ⅲ为CO2，Ⅴ是O2，Ⅶ为CO2，Ⅰ是NADPH，Ⅳ是NADH，B正确；①表示CO2固定，②表示C3还原，③表示细胞呼吸第一阶段，④表示有氧呼吸第三阶段，⑤表示有氧呼吸第二阶段，其中②过程伴随着ATP的水解，③④⑤过程伴随着ATP的合成，③合成的ATP不能被②利用，C错误；光合产物的蛋白质、糖类和脂肪的代谢，都可以通过细胞呼吸过程联系起来，D正确。] 2．(不定项)将某绿色植物放在特定的实验装置中，研究温度对光合作用与呼吸作用的影响(其他实验条件都是理想的)，实验以CO2的吸收量与释放量为指标。实验结果如表所示：下列对该表数据分析不正确的是(　　) 温度(℃) 5 10 15 20 25 30 35 光照下吸 收CO2 1.00 1.75 2.50 3.25 3.75 3.50 3.00 黑暗中 释放CO2 0.50 0.75 1.00 1.50 2.25 3.00 3.50 A.昼夜不停地光照，在35 ℃时该植物不能生长 B．昼夜不停地光照，在15 ℃时该植物生长得最快 C．每天交替进行12小时光照、12小时黑暗，在20 ℃时该植物积累的有机物最多 D．每天交替进行12小时光照、12小时黑暗，在30 ℃时该植物积累的有机物是10 ℃时的2倍 解析：：ABD　[表中“光照下吸收CO2(mg/h)”代表的是净光合作用速率，“黑暗中释放CO2(mg/h)”代表的是呼吸作用速率。由表可知，在昼夜不停地光照条件下，只要净光合速率大于0，植物就可以正常生长，所以昼夜不停地光照，在35 ℃时该植物能生长，A错误； 净光合速率越大，植物生长越快，故昼夜不停地光照，在25 ℃时该植物生长得最快，B错误； 一昼夜有机物积累量＝光照下积累的总有机物量－黑暗下消耗的总有机物量，每天光照12小时，黑暗12小时，只需考虑一小时的光照条件下的净光合速率和一小时呼吸速率的差值最大时，则一昼夜的有机物积累量即最大，由表格数据可知，在20 ℃时该植物的有机物积累量最大，C正确； 每天光照12小时，30 ℃时积累的有机物量是：(3.50－3.00)×12＝6(mg)，10 ℃时积累的有机物的量是：(1.75－0.75)×12＝12(mg)，即10 ℃时该植物积累的有机物是30 ℃时的2倍，D错误。] ◆[提升点2]　通过光合作用相关曲线考查获取信息能力、综合分析能力　 3．如图是夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片净光合作用速率(实际光合作用速率－呼吸作用速率)变化曲线图。下列相关分析错误的是(　　) A．净光合速率可用单位时间内叶片吸收CO2的量表示 B．BC段和DE段净光合速率下降的原因不同 C．A点与E点相比，叶绿体产生O2的速率不一定相同 D．E点后植物体内积累有机物的量开始减少 解析：：D　[净光合速率是实际光合作用速率与呼吸作用速率的差值，可用单位时间内叶片吸收CO2的量表示，也可用单位时间内叶片释放O2的量表示，A正确；图中曲线BC段净光合速率下降的原因是光照过强、温度过高引起部分气孔关闭，暗反应受阻，而DE段净光合速率下降的原因是光照强度减弱，B正确；A点与E点的净光合速率相等，即叶片释放O2的速率相等，由于呼吸作用速率不一定相同，故叶绿体产生O2的速率不一定相同，C正确；E点后该植物的净光合速率虽然在下降，但其数值大于0，仍存在有机物的积累，故植物体内积累有机物的量仍在增加，D错误。] 考点2　光合速率的测定方法 [必备知识·复盘] 1．“液滴移动法”——测定装置中O2的变化 　①总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。 ②物理误差的校正：为防止气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。 2．“黑白瓶法”——测溶氧量的变化 　①黑白瓶法常用于水生生态系统光合速率和呼吸速率的测定。 ②在没有初始值m0时，可利用计算出总光合速率。 3．“半叶法”——测定光合作用有机物的产生量 　遮光的一半测得的数据变化值代表细胞呼吸强度值，曝光的一半测得的数据变化值代表净光合作用强度值，最后计算总光合作用强度值。 1．用半叶法测光合速率可以直接测出总光合速率。(×) 2．高温下作物减产的原因是呼吸作用变强，消耗大量养分，同时光合作用强度减弱，有机物合成减少。(2023·湖北卷，11AB)(√) 3．液滴移动法测光合速率时，对照组(排除物理因素的干扰)应用死亡的同种植物做实验材料。(√) (情景探究) 某研究小组采用“半叶法”对莲藕叶片的光合速率进行测定。将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做处理，并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射6小时后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB(单位：mg)，则该植物细胞总光合作用速率为多少，写出推算过程。 答案：1/6(MB－MA)mg/h。相同时间段内遮光部分A只进行了细胞呼吸，而曝光部分B细胞呼吸和光合作用同时进行，实验开始时两者的起始质量相同(可设为a mg)，则两者的重量差M＝MB－MA＝(a＋6小时内光合作用合成量－6小时内细胞呼吸消耗量)－(a－6小时内细胞呼吸消耗量)＝6小时内光合作用合成量，故该植物总光合作用强度为1/6(MB－MA)mg/h。 [关键能力·提升] ◆[提升点]　通过光合速率的测定，考查科学探究能力　 1．利用装置甲，在相同条件下分别将绿色植物E、F的叶片制成大小相同的叶圆片，抽出空气，进行光合作用速率测定。图乙是利用装置甲测得的数据绘制成的坐标图。下列叙述正确的是(　　) A．从图乙可看出，F植物适合在较强光照下生长 B．光照强度为1 klx时，装置甲中放置植物E的叶圆片进行测定时，液滴不移动 C．光照强度为3 klx时，E、F两种植物的叶圆片产生O2的速率相等 D．光照强度为6 klx时，装置甲中E植物叶圆片比F植物叶圆片浮到液面所需时间短 解析：：D　[根据图乙可知，F植物叶圆片的光补偿点和光饱和点都比较低，适合在较弱光照下生长，A错误；光照强度为1 klx时，E植物叶圆片的呼吸速率大于光合速率，装置甲中E植物叶圆片会吸收装置中的O2，使液滴左移，B错误；光照强度为3 klx时，E、F两种植物叶圆片的净光合强度相等，但E植物叶圆片的细胞呼吸强度大于F植物叶圆片，故光照强度为3 klx时，E、F两种植物的叶圆片产生O2的速率不相等，C错误；光照强度为6 klx时，E植物叶圆片净光合作用强度大于F植物叶圆片的净光合作用强度，故此光照强度下，E植物叶圆片释放的O2多，故装置甲中E植物叶圆片比F植物叶圆片浮到液面所需时间短，D正确。] 2．)某生物科研小组从鸭绿江的某一深度取得一桶水样，分装于六对黑白瓶中，剩余的水样测得初始溶解氧的含量为10(mg·L－1)，白瓶为透明玻璃瓶，黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶。将它们分别置于六种不同的光照条件下(a<b<c<d<e)，温度保持不变，24 h后，实测获得六对黑白瓶中溶解氧的含量。请根据其记录数据(如表)判断，下列选项错误的是(　　) 光照强度/klx 0(黑暗) a b c d e 白瓶溶氧量/(mg·L－1) 3 10 16 24 30 30 黑瓶溶氧量/(mg·L－1) 3 3 3 3 3 3 A.黑瓶中的生物呼吸消耗氧气，但没有光照，植物不能进行光合作用产生氧 B．光照强度为a时，白瓶中溶解氧的含量与初始溶解氧量相等，说明此光照强度下植物仍然不能进行光合作用 C．当光照强度为c时，白瓶中植物产生的氧气量为21(mg·L－1) D．当光照强度为d时，再增加光照强度，白瓶中植物的光合速率不再增加 解析：：B　[黑瓶中的生物呼吸消耗氧气，但没有光照，植物不能进行光合作用产生氧，A正确；光照强度为a时，白瓶中溶解氧的含量与初始溶解氧的含量相等，说明植物光合作用产生的氧刚好用于细胞呼吸消耗，B错误；当光照强度为c时，白瓶中植物光合作用产生的氧气量即为总光合作用量＝净光合作用量＋细胞呼吸消耗量＝24－3＝21(mg·L－1)，C正确；由d、e两组数据可知，当光照强度为d时，再增加光照强度，白瓶中溶解氧的含量也不再增加，即白瓶中植物的光合速率不再增加，D正确。] [真题研析]——浸润素养 [例]　(2024·福建高考)叶片从黑暗中转移到光照下，其光合速率要先经过一个增高过程，然后达到稳定的高水平状态，这个增高过程称为光合作用的光诱导期。已知黑暗中的大豆叶片气孔处于关闭状态，壳梭孢素处理可使大豆叶片气孔充分开放。为研究气孔开放与光诱导期的关系，科研人员将大豆叶片分为两组，A组不处理，B组用壳梭孢素处理，将两组叶片从黑暗中转移到光照下，测定光合速率，结果如图所示。 下列分析正确的是(　　) A．0 min时，A组胞间CO2浓度等于B组胞间CO2浓度 B．30 min时，B组叶绿体中C3生成和还原速率均大于A组 C．30 min时，限制A组光合速率的主要因素是光照时间 D．与A组叶片相比，B组叶片光合作用的光诱导期更长 [关键信息点] ① 黑暗中的大豆叶片气孔处于关闭状态，壳梭孢素处理可使大豆叶片气孔充分开放 ② 研究气孔开放与光诱导期的关系 解析：：B　[题图横坐标是光照时间，在0 min之前，A和B两组已经黑暗了一段时间，而二者不是相同条件，B组已经用壳梭孢素处理，壳梭孢素处理可使大豆叶片气孔充分开放，所以B组和A组胞间CO2浓度不相等，A错误；30 min时，B组的光合速率相对值高于A组，叶绿体中C3生成和还原速率均大于A组，B正确；30 min时，限制A组光合速率的主要因素是气孔开放度，随着光照时间增加，A组光合速率相对值不再改变，限制因素不是光照时间，C错误；据题图可知叶片从黑暗中转移到光照下，其光合速率要先经过一个增高过程，然后达到稳定的高水平状态，这个增高过程称为光合作用的光诱导期。B组达到最高平衡点用的光照时间比A组短，与A组叶片相比，B组叶片光合作用的光诱导期更短，D错误。] [真题品悟]——厚积素养 [考向]　光合作用与细胞呼吸　 1．(2025·浙江6月卷)叶用桑树是重要的经济树种，苜蓿是重要的豆科牧草。间作是在同一土地上按一定比例分行或分带种植两种或多种作物的种植模式。有学者研究桑树和苜蓿间作对生长和产量的影响，部分指标如表所示。 处理 最大净光 合速率 光补 偿点 光饱 和点 叶绿素 a/b 土壤脲 酶活性 粗蛋白 含量 总产量 单作 苜蓿 19.0 36.5 1 493 1.8/0.7 10.0 17.7 8 031 间作 苜蓿 15.6 24.1 1 260 2.1/0.9 13.2 21.5 9 914 单作 桑树 24.9 78.7 1 529 2.4/1.3 10.8 23.3 676 间作 桑树 30.0 109.6 1 758 3.2/1.3 14.4 26.3 923 注：光补偿点指当光合速率等于呼吸速率时的光强度。光饱和点指光合速率达到最大值时的光强度。表中测定指标的单位省略。 回答下列问题。 (1)与单作相比，间作苜蓿的　___________　更低，表明间作苜蓿在较低的光照强度下就开始积累光合产物，同时叶绿素a和叶绿素b含量的提高有利于　___________　，但叶绿素a/b下降，说明间作苜蓿吸收的可见光中，不同 　___________　发生改变。该研究中，若用定性滤纸通过纸层析　___________　(填“能”或“不能”)测定叶绿素a和叶绿素b的含量。间作桑树的光饱和点高于单作，表明间作环境下的桑树在　___________　条件下光合速率更高。桑树和苜蓿的高矮搭配，可促进单位土地面积的　_______　效率增加，提高产量和土地资源的利用。 (2)间作模式下，苜蓿根瘤菌的　___________　作用可为桑树提供氮素营养。同时，间作系统中桑树和苜蓿根际土壤中　___________　产生的脲酶活性提高，从而为植物提供了更多的　___________　。因此，除了总产量提高外，　___________　含量也有所增加，从而进一步提升了牧草和桑叶的品质。 解析：：(1)光补偿点指光合速率等于呼吸速率时的光强度，间作苜蓿的光补偿点更低，意味着在较低光照强度下光合速率就能大于呼吸速率，开始积累光合产物。叶绿素a和叶绿素b的作用是吸收、传递和转化光能，其含量提高有利于光的吸收。 叶绿素a和叶绿素b对不同波长的光吸收有差异，叶绿素a/b下降说明间作苜蓿吸收的可见光中，不同波长光的比例发生改变。纸层析法只能将叶绿体中的色素进行分离，不能测定叶绿素a和叶绿素b的含量，所以不能。 光饱和点指光合速率达到最大值时的光强度，间作桑树的光饱和点高于单作，表明间作环境下的桑树在较强光照条件下光合速率更高。桑树和苜蓿高矮搭配，能充分利用不同层次的光照，可促进单位土地面积的光的利用效率。 (2)苜蓿根瘤菌具有固氮作用，能将空气中的氮气转化为含氮化合物，可为桑树提供氮素营养。 土壤中的微生物可以产生脲酶，间作系统中桑树和苜蓿根际土壤中微生物产生的脲酶活性提高。 脲酶能催化尿素分解产生氨，从而为植物提供了更多氨。 由于氮素营养增加，除了总产量提高外，粗蛋白含量也有所增加，提升了牧草和桑叶的品质。 答案：(1)光补偿点　光的吸收　波长比例　不能　强光　光的利用 (2)固氮　微生物　氨　粗蛋白 2．(2025·天津卷)为研究低氧条件下光合作用与呼吸作用的关系，采集某植物叶片，将叶柄浸入HO后，放于氧气置换为18O2的密闭装置中，18O2浓度设正常(21%)和低氧(2%)两个水平，测定短时间内、不同光照条件下的净光合速率和呼吸作用速率。其中，净光合速率＝光合作用速率－呼吸作用速率。结果如下： (1)光照条件下，密闭装置中18O2逐渐减少，而16O2逐渐增加，此时呼吸作用消耗的氧气来源于　________　和　________　。设最初密闭装置中18O2的量为x μmol，120秒后测得18O2的量为y μmol,16O2的量为zμmol，叶片面积为am2，则净光合速率为　________________　μmol(m2·s)。 (2)低氧下，500 μmol PAR/(m2·s)光照强度下，叶片光合作用速率为　________　μmol(m2·s)。 (3)低氧在　________　(光照、黑暗、光照和黑暗)条件下构成呼吸作用的限制因素。 (4)在两种氧浓度下，将叶片置于光照(强度为500 μmol PAR/(m2·s))、黑暗各1小时后，测定叶片中的糖含量。请推测低氧对叶片糖积累是否有利，并给出相应理由：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：：(1)光照条件下，植物同时进行光合作用和呼吸作用：叶柄浸入HO，光合作用光反应会产生16O2。呼吸作用消耗的氧气有两个来源：① 18O2；② 光合作用。净光合速率是单位时间单位面积的氧气积累量：初始18O2为xμmol,120秒后18O2为yμmol,16O2为zμmol。总氧气积累量为(y＋z－x)μmol(最终总氧气量y＋z减去初始x)。时间为120秒，叶片面积为am2，因此净光合速率为(y＋z－x)/(120×a)μmol/(m2·s)。 (2)从左侧 “光照强度 － 净光合速率” 图可知，低氧(2% O2)条件下，500 μmolPAR/(m2·s)时净光合速率为 10 μmol/(m2·s)。从右侧 “氧浓度 － 呼吸作用速率” 图可知，低氧(2% O2)黑暗条件下呼吸作用速率为 0.7 μmol/(m2·s)。光合作用速率 ＝ 净光合速率 ＋ 呼吸作用速率，因此光合作用速率为10＋0.7＝10.7 μmol/(m2·s)。 (3)光照条件下，21% 和 2% O2的呼吸作用速率几乎一致，说明低氧在光照下对呼吸无限制。黑暗条件下，21% O2的呼吸速率高于 2% O2，说明低氧在黑暗条件下限制了呼吸作用。 (4)光照时，两种氧浓度下净光合速率相同(由左侧图可知，500 μmolPAR/(m2·s)时净光合速率一致)，说明光照下有机物积累量相同。黑暗时，低氧下呼吸作用速率更低(由右侧图可知，黑暗条件下低氧呼吸速率小于正常氧)，说明黑暗下低氧消耗的有机物更少。综上，低氧对叶片糖积累有利，理由是：光照时两种氧浓度下净光合速率相同，但黑暗时低氧下呼吸作用速率更低，总有机物积累更多。 答案：(1)18O2(或光合作用)　光合作用(或18O2) (y＋z－x)/(120×a) (2)10.7 (3)黑暗 (4)有利，因为光照时两种氧浓度下净光合速率相同，但黑暗时低氧下呼吸作用速率更低 　 电子传递链、化学渗透假说及逆境胁迫 [深研真题　确定考向] (2025·江苏卷)科研人员从植物叶绿体中分离类囊体，构建含类囊体的人工细胞，并探究光照等因素对人工细胞功能的影响。请回答下列问题。 (1)细胞破碎后，在适宜温度下用低渗溶液处理，涨破　________　膜，获得类体悬液。经离心分离获得类囊体，为保持其活性、需加入　________　溶液重新悬浮，并保存备用。 (2)类囊体浓度用单位体积类囊体悬液中叶绿素的含量表示。吸取5 μl类囊体悬液溶于995 μl的　________　溶液中，混匀后，测定出叶绿素浓度为3 μg/ml，则类囊体的浓度为　________　μg/ml。 (3)为检测类囊体活性，实验前需对类囊体进行多次洗涤，目的是消除类囊体悬液中原有光反应产物对后续实验结果的影响，这些产物主要有　________________________　。 (4) 已知荧光素PY的强弱与pH大小正相关。图示具有光反应活性的人工细胞，在适宜光照下，荧光强度　________　(填“变强”“不变”或“变弱”)，说明类囊体膜具有的功能有　______________________________　。 (5)在光反应研究的基础上，利用人工细胞开展类似碳反应生成糖类的实验研究，理论上还需要的物质有________________________________________________________________。 解析：：(1)类囊体位于叶绿体内，故细胞破碎后，在适宜温度下用低渗溶液处理，涨破叶绿体内外膜，获得类囊体悬液。经离心分离获得类囊体，为保持其活性，保持类囊体的渗透压，需加入等渗溶液重新悬浮，并保存备用。 (2)类囊体浓度用单位体积类囊体悬液中叶绿素的含量表示。由于叶绿素溶解在有机溶剂，故吸取5 μl类囊体悬液溶于995的有机溶剂溶液中，稀释200倍，混匀后，测定出叶绿素浓度为3 μg/ml，则类囊体的浓度为600 μg/ml。 (3)光反应产物有O2、NADPH和ATP。 (4)已知荧光素PY的强弱与pH大小正相关。图示具有光反应活性的人工细胞，类囊体膜进行类囊体膜上分布着光合色素(如叶绿素)，在适宜光照下，这些色素能够捕捉光能并将其转化为化学能。在类囊体膜上裂解水分子，产生氧气、质子(H＋)和电子，其中氧气释放到胞外，质子在类囊体腔内累积形成pH梯度，pH降低，荧光强度变弱。 (5)要进行暗反应，需要原料CO2、C5。 答案：(1)叶绿体　等渗　(2)有机溶剂　600 (3)ATP、NADPH　(4)变弱　吸收(和转化)光能、裂解水分子　(5)CO2、C5、ATP等 [归纳概括　提炼核心] 1．光合作用和有氧呼吸的结构基础——ATP合酶 ATP产生机制：线粒体内膜、叶绿体类囊体薄膜的磷脂双分子层对H＋高度不通透，因此膜高浓度侧的H＋只能通过ATP合酶顺浓度梯度流出，而ATP合酶把H＋的电化学势能转化成ATP中的化学能。 2．光合磷酸化和氧化磷酸化 3．化学渗透假说 1961年，米切尔(Peter Mitchell)提出了化学渗透假说：①线粒体(叶绿体)的电子传递链将H＋由线粒体基质(叶绿体基质)泵入线粒体内、外膜间基质(类囊体基质)；②线粒体内膜(类囊体膜 )不允许H＋回流，膜内外产生H＋浓度梯度；③H＋顺浓度梯度回流释放能量合成ATP。 1963年，贾格道夫在黑暗条件下把离体的叶绿体类囊体置于pH＝4的酸性溶液中平衡，让类囊体腔的pH下降至4。平衡后将类囊体转移到含有ADP和Pi的pH＝8的缓冲溶液中，一段时间后有ATP产生。 贾格道夫实验表明：类囊体膜内外存在H＋浓度差是类囊体合成ATP的直接动力。 4．环境胁迫对光合作用的影响 环境胁迫，也称为逆境，是对植物生存生长不利的各种环境因素的总称，环境胁迫问题主要涉及环境条件对植物细胞代谢的影响，主要考查角度及原理分析如下： 类型 影响原理 主要表现 光照 主要指不合乎植物生长要求的光照强度和光质条件，通过影响光反应来影响农作物的光合作用 影响植物叶绿素的合成；对类囊体薄膜造成损伤 CO2 CO2是光合作用的反应物，低于CO2补偿点的CO2浓度会通过影响暗反应速率而影响光合作用强度 光合作用原料CO2不足导致暗反应速率下降 温度 低温逆境和高温逆境，主要通过影响酶的活性和气孔开放程度来影响光合作用 叶绿体的结构和酶的功能受到破坏；引起气孔关闭，影响CO2的吸收 水分 水分胁迫包括干旱和水淹两种情况，干旱时气孔关闭，影响CO2的吸收而影响暗反应，进而影响光合作用；农作物被水淹时，根细胞进行无氧呼吸产生酒精，对细胞造成毒害 无 机 盐 矿质元素对光合作用的影响主要包括：①影响叶绿体中物质和结构的形成，如叶绿素(Mg2＋)；②盐胁迫影响根系吸水，进而影响气孔开放程度；③重金属盐会影响叶绿素的合成和光合作用有关酶的活性 [演练提升　即时突破] 1．如图为真核细胞中两种传递电子并产生ATP的生物膜结构示意图。据图分析，下列有关叙述正确的是(　　) 甲 乙 A．图甲为叶绿体内膜，图乙为线粒体内膜 B．两种膜产生 ATP 的能量直接来源均为 H＋的跨膜运输 C．自养需氧型生物的细胞中都既有图甲结构又有图乙结构 D．图甲中NADPH为电子最终受体，图乙中O2为电子最终受体 B　[图甲中利用光能分解水，为光合作用的光反应阶段，所以图甲为叶绿体中的类囊体薄膜，存在于含叶绿体的生物体内，图乙中利用NADH生成水和ATP，应为有氧呼吸第三阶段，所以图乙为线粒体内膜，存在于含线粒体的生物中；自养需氧型生物，例如硝化细菌为原核生物，不存在图甲结构和图乙结构，AC错误；从图中可知，这两种膜结构上的ATP合酶在合成ATP时，都需要利用膜两侧的H＋跨膜运输，即H＋的梯度势能转移到ATP中，B正确；图甲中的NADP＋接受电子变成NADPH，NADP＋为电子最终受体，图乙中O2接受电子变成水，O2为电子最终受体，D错误。] 2．番茄体内存在如图所示的两条电子传递途径，其中，PSⅠ、PSⅡ是由光合色素和蛋白质构成的复合体。RCA是Rubisco的激活酶，Rubisco催化CO2的固定。在高温胁迫下，RCA的活性被抑制，进而降低Rubisco活性，导致光反应吸收的过剩能量激发活性氧(ROS)过量合成，ROS能使PSⅡ失活。回答下列问题。 (1)番茄叶绿体中的色素在层析液中溶解度最低的是　________　。适宜环境温度下，PSⅡ受光激发将水分解为　________　，同时产生电子(e－)；环式电子传递的发生会导致NADPH/ATP的值　________　(填“变大”“变小”或“基本不变”)。 (2)科研人员利用野生型番茄植株进行了以下实验，在实验第3天时测得相关实验数据如下表所示： 组别 温度 气孔 导度 净光合速率/(μmol·m－2·s－1) 胞间CO2浓度/ppm Rubisco酶活性/(U·mL－1) 甲 25 ℃ 99.2 11.8 282 172 乙 40 ℃ 30.8 1.1 403 51 从光合作用的过程分析，40 ℃时光合速率较低的原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________(答出两点即可)。 (3)提出一个利用生物技术工程缓解高温胁迫对Rubisco活性影响的方案：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：：(1)番茄叶绿体中的色素在层析液中溶解度最低的是叶绿素b。适宜环境温度下，PSⅡ受光激发将水光解为氧(O2)和H＋，同时产生电子(e－)；由图可知，环式电子传递会导致ATP量增加，使NADPH/ATP的值变小。 (2)由表可知，与25 ℃时相比，40 ℃时Rubisco酶活性下降，暗反应速率下降；由题干信息可知，高温胁迫下，RCA的活性被抑制，光反应吸收的过剩能量会激发活性氧(ROS)过量合成，ROS能使PSⅡ失活，使光反应速率降低。 (3)由题可知，Rubisco活性受到RCA的调节，RCA活性易受高温胁迫抑制。根据结构和功能相适应的观点，可运用蛋白质工程技术改变RCA的结构，从而提高其热稳定性，使其结构在高温环境中更具稳定性，从而缓解高温胁迫对光合能力和作物产量的影响。 答案：(1)叶绿素b　氧(O2)和H＋　变小 使Rubisco酶活性下降，暗反应速率降低；使PSⅡ失活，光反应速率降低　(3)运用蛋白质工程技术提高RCA的热稳定性 光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代谢类型 [深研真题　确定考向] 1．(2025·广西卷)科学家利用衣藻和大肠杆菌设计了一种共培养系统。该系统中，工程化衣藻在光合作用时，会通过光呼吸竞争性消耗C5产生甘醇酸(光呼吸强度受CO2/O2比值影响)；工程化大肠杆菌利用甘醇酸合成高价值生物产品。实验过程及结果见图。回答下列问题： 注：μE为光照强度单位μmol·m－2·s－1 (1)第①阶段向培养液中通入3%CO2，目的是　______________________________　。 (2)第②阶段大肠杆菌干重下降的主要原因是　________________________________　。 (3)据图分析，限制第③阶段衣藻干重增加的主要因素是　________　；第④阶段衣藻和大肠杆菌的干重均增加，原因是　______________________________________________________　。 (4)该系统对助力实现碳中和目标的优势是　________________________________________　。 解析：：(1)第①阶段向培养液中通入3%CO2，目的是为衣藻光合作用提供原料。 (2)该培养系统中衣藻可以光合自养，而大肠杆菌只能依赖衣藻产生的甘醇酸作为唯一碳源，第②阶段大肠杆菌干重下降的主要原因是培养系统中原有的甘醇酸耗尽，大肠杆菌缺乏碳源。 (3)对比第③阶段和第④阶段可知，限制第③阶段衣藻干重增加的主要因素是光照强度，提高光照强度即可显著加快衣藻干重增加。第④阶段提高了光照强度导致衣藻光反应增强，一方面使衣藻暗反应合成有机物增多，另一方面CO2/O2比值下降使衣藻产生更多甘醇酸，为大肠杆菌提供更多碳源，因此两者干重均增加。 (4)相比于其他方式，该系统对助力实现碳中和目标的优势是可以持续利用CO2合成高价值生物产品，经济效益高。 答案：(1)为衣藻光合作用提供原料 (2)培养系统中原有的甘醇酸耗尽，大肠杆菌缺乏碳源 (3)光照强度　光照强度提高导致衣藻光反应增强，一方面使衣藻暗反应合成有机物增多，另一方面CO2/O2比值下降使衣藻产生更多甘醇酸，为大肠杆菌提供更多碳源 (4)可以持续利用CO2合成高价值生物产品，经济效益高 2．(2023·湖南卷)下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450 μmol·L－1(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7 μmol·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： (1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是　________　(填具体名称)，该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成　________　(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后，再通过　________　长距离运输到其他组织器官。 (2)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)。 (3)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度无明显变化。其原因可能是　________________________　(答出三点即可)。 解析：：(1)玉米的光合作用过程与水稻相比，虽然CO2的来源不同，但其卡尔文循环的过程是相同的，结合水稻的卡尔文循环图解，可以看出CO2固定的直接产物是3－磷酸甘油酸，然后直接被还原成3－磷酸甘油醛。3－磷酸甘油醛在叶绿体中被转化成淀粉，在叶绿体外被转化成蔗糖，蔗糖是植物长距离运输的主要糖类，通过维管组织运输。 (2)干旱、高光强时会导致植物气孔关闭，吸收的CO2减少，而玉米的PEPC酶与CO2的亲和力高，可以利用低浓度的CO2进行光合作用，同时抑制植物的光呼吸，且玉米能将叶绿体内的光合产物通过维管组织及时转移出细胞。 (3)将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻叶肉细胞，只是提高了叶肉细胞内的CO2浓度，而植物的光合作用强度受到很多因素的影响；在光饱和条件下如果光合作用强度没有明显提高，可能是水稻的酶活性达到最大，对CO2的利用率不再提高，或是受到ATP和NADPH等物质含量的限制，也可能是因为蓝细菌是原核生物，水稻是真核生物，二者的光合作用机制有所不同。 答案：(1)3－磷酸甘油醛　蔗糖　维管组织 (2)高于　高光照条件下玉米可以将光合产物及时转移；玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通过PEPC酶生成C4，使维管束鞘内的CO2浓度高于外界环境，抑制玉米的光呼吸　(3)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 [归纳概括　提炼核心] 1．光呼吸 (1)光呼吸的实质 ①条件：光照、高O2、低CO2。 ②物质变化：消耗O2，生成CO2。 ③能量变化：损耗能量的副反应。 (2)光呼吸过程图解 注：PGA(C3)，PG(C2)，RuBP(C5)。 (3)光呼吸与一般有氧呼吸的比较 项目 光呼吸 一般有氧呼吸 与光的 关系 只在光下进行 光下、黑暗中都可进行 反应 条件 光照、高O2、低CO2环境 O2 底物 C5和O2 通常是葡萄糖、H2O和O2 产物 CO2 CO2和水 发生部位 叶绿体、线粒体 细胞质基质、线粒体 (4)光呼吸产生的原因 ①内因：Rubisco是一种兼性酶，具有催化羧化反应(C5＋CO2→2C3)和加氧反应(C5＋O2→C3＋C2)两种功能。 ②外因：高O2环境下，光呼吸会明显加强，而提高CO2浓度可明显抑制光呼吸。 2．C3植物和C4植物 (1)C3植物和C4植物的含义 根据光合作用碳元素同化的最初光合产物(三碳化合物、四碳化合物)的不同，把高等植物分成C3、C4植物两类，常见的C4植物有甘蔗、玉米、高粱等。 (2)光合作用C4途径产生的原因 C4植物中含有能固定CO2形成C4的相关酶，即磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，简称为PEP羧化酶(对CO2有很强的亲和力)，可把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来。 (3)C3和C4植物光合作用途径的比较 项 目 CO2 受体 CO2固 定后产物 CO2固定场所 光反应场所 暗反应 场所 C3 植 物 RuBP (C5) PGA(C3) 叶肉细胞叶绿体 叶肉细胞叶绿体基粒 叶肉细胞叶绿体基质 C4 植 物 PEP (C3) RuBP (C5) OAA (C4) PGA (C3) 叶肉细胞细胞质基质、维管束鞘细胞叶绿体 叶肉细胞叶绿体基粒 维管束鞘细胞叶绿体基质 3.CAM途径 (1)CAM途径的含义 景天科植物夜间将吸收的CO2固定在苹果酸(C4)中，白天苹果酸分解释放CO2参与光合作用的过程。 (2)CAM途径过程图解 注：PEP：磷酸烯醇式丙酮酸。 光合作用CAM途径过程图解 (3)CAM途径的意义 白天气孔关闭，减少蒸腾作用，保持植物体内水分并分解苹果酸产生CO2进行光合作用；夜晚开放气孔，吸收光合作用所需的CO2，使植物适应高温干旱环境。 [演练提升　即时突破] 1．小麦、水稻等大多数植物，在暗反应阶段，CO2被C5固定以后形成C3，进而被还原成(CH2O)，这类植物称为C3植物。玉米、甘蔗等原产在热带的植物，CO2中的碳首先转移到草酰乙酸(C4)中，然后转移到C3中，这类植物称为C4植物，其固定CO2的途径如图1所示。芦荟、仙人掌等植物白天气孔关闭，夜间气孔开放，这类植物在进化中形成了特殊的固碳途径，如图2所示，这类植物称为CAM植物。(注：PEP羧化酶比RuBP羧化酶对CO2的亲和力更强) 图1 图2 (1)C4植物中固定CO2的酶是　______________　，最初固定CO2的物质是________________________________________________________________________。 (2)C4植物的光反应发生在　________　细胞。在炎热干旱夏季的中午，C4植物的CO2补偿点　________　(填“大于”“等于”或“小于”)C3植物。 (3)CAM植物参与卡尔文循环的CO2直接来源于　____________________　过程，白天其叶肉细胞能产生ATP的场所是　____________________　。 (4)暗反应中RuBP羧化酶在CO2浓度高时催化RuBP固定CO2合成有机物；在CO2浓度低时催化RuBP与O2进行光呼吸，分解有机物。环境条件相同的情况下，分别测量单位时间内C3植物和C4植物干物质的积累量，发现C4植物干物质积累量近乎是C3植物的两倍，据题意推测原因是　______________________________________　。(至少答出两点，不考虑呼吸作用的影响) 解析：：(1)根据图1，C4植物中固定CO2的酶是PEP羧化酶和RuBP羧化酶，PEP羧化酶催化CO2与PEP(磷酸烯醇式丙酮酸) 结合，完成最初的CO2固定。 (2)结合图1可知，C4植物的叶肉细胞的叶绿体有基粒，可进行光反应；维管束鞘细胞的叶绿体无基粒，进行暗反应，因此C4植物的光反应发生在叶肉细胞。炎热干旱夏季中午，C3植物气孔关闭，CO2供应不足；而C4植物的PEP 羧化酶对CO2亲和力更强，能在更低CO2浓度下固定CO2，维持光合作用与呼吸作用的CO2平衡。因此，C4植物的CO2补偿点小于C3植物。 (3)结合图2可知，CAM植物因白天气孔关闭无法吸收外界CO2，此时卡尔文循环所需CO2来自液泡中苹果酸的分解和细胞呼吸释放。白天其叶肉细胞能产生ATP的过程是呼吸作用和光合作用，场所是细胞质基质、线粒体和叶绿体。 (4)C4植物干物质积累量近乎是C3植物的两倍，据题意推测原因是：C4植物能更高效利用低浓度CO2；C4植物有特殊的CO2浓缩机制，PEP羧化酶对CO2亲和力高，能在CO2浓度低时固定更多CO2，为暗反应提供充足原料；C4植物光合产物运输更高效：C4植物维管束鞘细胞与叶肉细胞协作，光合产物能更快速地运输出去，减少光合产物在细胞内的积累对光合作用的抑制，从而能积累更多物质。 答案：(1)PEP羧化酶和RuBP羧化酶　PEP(磷酸烯醇式丙酮酸) (2)叶肉　小于 (3)苹果酸的分解和细胞呼吸　细胞质基质、线粒体和叶绿体 (4)C4植物能更高效利用低浓度CO2；C4植物光合产物运输更高效 2．RuBP羧化/加氧酶缩写为Rubisco，CO2和O2竞争性与Rubisco结合，当CO2浓度高时，Rubisco催化C5与CO2反应；当O2浓度高时，Rubisco催化C5与O2反应生成磷酸乙醇酸和C3，磷酸乙醇酸经过一系列化学反应，消耗ATP和NADPH，生成CO2和C3，这一过程称为光呼吸。植物细胞产生的ATP和NADPH过多时会破坏细胞。如图为拟南芥叶肉细胞中的部分生理活动过程。已知G酶(可催化磷酸乙醇酸氧化分解为草酸和过氧化氢)，O酶(可催化草酸氧化为二氧化碳)和C酶(过氧化氢酶)可构建一条新的光呼吸代谢支路，简称GOC支路。请回答下列问题。 (1)图中大写字母A、B、E分别代表的物质是　_______________　，Rubisco发挥作用的场所是　________________　。 (2)当拟南芥处于　________________　(答3点)等任一外界环境时，容易促进拟南芥光呼吸的发生。 (3)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　__________________　。 (4)某同学认为可将GOC基因导入拟南芥线粒体中，培育得到GOC型拟南芥，检测GOC型拟南芥的胞间CO2浓度即可验证GOC支路抑制拟南芥光呼吸，促进拟南芥光合作用。请对该同学的实验思路进行修改。 修改1：_________________________________________________________________ 修改2：__________________________________________________________________ 修改3：__________________________________________________________________ 解析：：(1)图中左侧表示光合作用的光反应和暗反应。水的光解产生的H＋与B结合生成A可知，A是NADPH，B是NADP＋，光反应过程中C会转化成D，且参与C3的还原可知，C是ADP＋Pi，D是ATP，E是C3，F是C5。Rubisco参与二氧化碳的固定，故其发挥的场所是叶绿体基质。 (2)强光会增强光合作用的光反应速率，导致叶绿体中O2产生量增加，同时可能使Rubisco酶的加氧活性相对增强，促进光呼吸起始的加氧反应。高温干旱会导致植物气孔部分关闭，减少CO2进入叶片的量，使叶肉细胞内CO2浓度降低，O2/CO2比值升高，Rubisco更易催化O2与RuBP 结合，启动光呼吸，故当拟南芥处于强光照或高温或干旱等任一外界环境时，容易促进拟南芥光呼吸的发生。 (3)有氧呼吸过程中产生NADH的阶段是有氧呼吸第一、二阶段，有氧呼吸第一阶段的场所是细胞质基质，有氧呼吸第二阶段的场所是线粒体基质。 (4)已知G酶(可催化磷酸乙醇酸氧化分解为草酸和过氧化氢)，O酶(可催化草酸氧化为二氧化碳)和C酶(过氧化氢酶)可构建一条新的光呼吸代谢支路。某同学认为可将GOC基因导入拟南芥线粒体中，培育得到GOC型拟南芥，检测GOC型拟南芥的胞间CO2浓度即可验证GOC支路抑制拟南芥光呼吸，促进拟南芥光合作用。 思路修改： 修改1：光呼吸的起始物质磷酸乙醇酸在叶绿体中产生，应将GOC基因导入拟南芥叶绿体中； 修改2：胞间CO2浓度受光合作用吸收CO2和呼吸作用释放CO2的共同影响，单独检测无法区分是光呼吸抑制还是光合作用增强导致的变化，同时磷酸乙醇酸属于光呼吸的底物，草酸、过氧化氢属于产物，故应检测磷酸乙醇酸、草酸的含量，而非CO2浓度。 修改3：需设置对照组(如野生型拟南芥、导入空载体的拟南芥)，通过与GOC型拟南芥的指标对比，排除基因导入操作、空载体等无关变量对实验结果的干扰，增强实验的科学性。 答案：(1)NADPH、NADP＋、C3　叶绿体基质 (2)强光照或高温或干旱 (3)细胞质基质、线粒体基质 (4)应导入叶绿体内　应检测磷酸乙醇酸、草酸的含量，而非CO2浓度　应同时检测GOC型拟南芥应与野生拟南芥进行对照 学科网（北京）股份有限公司 $