2027届高三生物人教版一轮复习课件微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型

微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 SHENG WU XUE 一、光呼吸 1.概念：光呼吸是所有进行光合作用的细胞在光照和高氧低二氧化碳情况下发生的一个生化过程。 2.机制：光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco。如图所示： ①在CO2/O2值高时，Rubisco能催化RuBP(C5)结合 发生羧化，进行 。 ②在CO2/O2值低时，Rubisco能催化RuBP(C5)结合 发生氧化，进行 。 CO2 CO2的固定 O2 光呼吸 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 3.光呼吸产生的原因： (1)内因：Rubisco<m></m>是一种兼性酶，具有催化羧化反（C5＋CO2→ 2C3）应<m></m>和催化加氧反应(C5＋O2→C3＋C2)<m></m>两种功能。 (2)外因：高<m>O2</m>环境下，光呼吸会明显加强，而提高<m></m>CO2浓度可明显抑制光呼吸。 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 ①不利影响：消耗掉暗反应的底物 ，导致光合作用 ，农作物产量 。 ②有利影响：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 ， 这些物质积累会产生自由基， 这些自由基会损伤叶绿体。 而强光下，光呼吸加强， 会消耗光反应过程中积累的 ， 从而减轻对叶绿体的伤害。 4.光呼吸的影响 C5 ATP和NADPH 减弱 降低 ATP和NADPH 注：光呼吸是一个高耗能的反应，正常生长条件下， 光呼吸就可损耗掉光合产物的25%～30%。 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 项目 光呼吸 一般有氧呼吸 与光的关系 光下、黑暗中都可进行 反应条件 O2 底物 C5和O2 通常是葡萄糖、H2O和O2 产物 CO2和水 发生部位 5.光呼吸与一般有氧呼吸的比较 光照、高O2、低CO2环境 CO2 细胞质基质、线粒体 叶绿体、过氧化物酶体、线粒体 只在光下进行 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型  例(2024湖北模拟)：研究发现，强光照条件下植物叶肉细胞会进行光呼吸。光呼吸是由O2竞争性地结合卡尔文循环关键酶Rubisco造成的。该酶既能催化C5与CO2反应，完成光合作用；也能催化C5与O2反应，产物经一系列变化后在线粒体中生成CO2，如图。下列说法正确的是（　　） A.Rubisco是一个双功能酶，不具备 专一性 B.光呼吸可以消耗掉多余的O2，减少 自由基产生，降低对细胞结构的损伤 C.较强的光呼吸对于光合作用产物的 积累是很有利的 D.持续强光照时突然停止光照，CO2 释放量先减少后增加至稳定 B 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 例2（多选）光呼吸是绿色植物在光照和高氧低二氧化碳情况下，与光合作用同时发生的一个损耗能量的副反应。下图为某植物体内光合作用和光呼吸的示意图。 下列有关叙述正确的有（　　） A.由图可知，参与光呼吸的细胞器是过氧化物酶体和线粒体 B.消耗等量的C5，光呼吸存在时，叶绿体内C3酸的合成量减少 C.高O2环境中，C2和C6H12O6均可在线粒体内被彻底分解成CO2和H2O D.夏季中午，植物气孔关闭时，可通过光呼吸产生的CO2进行光合作用 BD 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 植物的光合系统所接受的光能超过光合作用所能利用的量时，光合功能便降低，这就是光合作用的光抑制。 (1)光抑制机理：光合系统的破坏，PS Ⅱ是光破坏的主要场所。发生光破坏后的结果：电子传递受阻，光合效率下降。 (2)光抑制的主要防御机制 ①减少光吸收：植物体也可以通过叶运动(减少叶片与主茎的夹角)或叶绿体运动这种对强光的快速响应以减少对光的吸收，从而避免光抑制。 ②增加热耗散：a.当依赖能量的叶绿素荧光猝灭增加时，通过增加激发能的热耗散可以部分避免光抑制。降低光饱和条件下的PSⅡ的光化学效率，可以避免光抑制破坏的发生。b.在强光下非光辐射能量耗散增加的同时，玉米黄素含量增加，玉米黄素与激发态的叶绿素作用，从而耗散其激发能，保护光合机构免受过量光能破坏。 ③进行光呼吸：C3植物的光呼吸有很高的能量需求。光呼吸可以防止强光和CO2亏缺条件下发生光抑制。 二、光抑制 二、光抑制 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 例：当光照强度大于光饱和点时，常引起光抑制或光损伤。科研人员探究了某植物对强光的生理响应变化及机制。光反应过程中的光合电子传递链主要由光系统等光合复合体组成，如图所示(活性氧：ROS，一种自由基)。下列叙述错误的是（ ） A.由图可知叶绿体膜是生成NADPH的场所 B.强光导致NADPH和电子累积可能是导致 光抑制的原因 C.强光导致活性氧大量增多可能是导致光 损伤的原因 D.适度增加铁氰化钾可能会解除光抑制 A 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 CO2直接进入叶肉细胞， 在其 中， 与RuBP(C5)发生反应，生成 ___ (固定CO2的初产物)， 直到RuBP(C5)再生结束，并合成________________等多种有机物， 又称为卡尔文循环 1.C3途径： C3 叶绿体基质 蔗糖、淀粉 【扩展】Rubisco(RuBP羧化酶)， 是卡尔文循环中的关键酶之一， 可催化RuBP(C5)结合CO2发生羧化， 但该酶与CO2的亲和力很小。 常见的C3植物：大麦、小麦、大豆、水稻、马铃薯等。 注：C3途径是所有植物光合作用碳同化的基本途径。 三、CO2的固定途径——根据光合作用碳元素同化的最初光合产物的不同 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 某些植物的维管束鞘细胞和叶肉细胞紧密排列(如图1)。叶肉细胞中的叶绿体有类囊体能进行光反应，同时，CO2在PEP羧化酶的作用下被整合到C4化合物中，随后C4化合物被运输进入维管束鞘细胞，维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，在维管束鞘细胞中，C4化合物分解释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物。(如图2)。 2..C4途径： 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 【思考1】C4植物 ①光反应发生在： ； ②CO2的固定发生在： . ； 叶肉细胞的叶绿体类囊体薄膜上 叶肉细胞的细胞质基质(C4) 维管束鞘细胞的叶绿体基质(C3) 2.C4途径： 【思考2】用14C标记CO2追踪C4植物碳原子的转移途径为? CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)。 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 2.C4途径： C4植物中的PEP羧化酶被形象地称为“CO2泵”，它对CO2的亲和力约是Rubisco(RuBP羧化酶)的60倍，当外界环境干旱导致植物气孔导度减小时，C4植物能利用细胞间隙低浓度的CO2以C4的形式固定下来，而C3植物则不能。C4植物通常生长在强光环境中，光合作用速率在所有植物中最高，并且 （有或无）光合“午休”现象。 常见C4植物有 等。 C4植物具有耐高温、光照强烈、干旱的能力； 玉米、甘蔗、高粱、苋菜 无 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 2.C4途径： （4）CO2补偿点： C4植物＜C3植物 C4植物能够利用低CO2浓度进行光合作用，目前大气CO2浓度不断增加，对C3植物有利，对C4植物益处不大。 二、C3植物、C4植物和CAM植物 （5）CO2饱和点： C4植物＜C3植物 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 例(2025河南模拟)玉米叶肉细胞中的叶绿体较小且数目较少，但叶绿体内有基粒；相邻的维管束鞘细胞中叶绿体较大且数目较多，但叶绿体内没有基粒。玉米细胞除C3途径外，还有另一条固定CO2的途径，简称C4途径。如图研究发现，C4植物中PEP羧化酶对CO2的亲和力强于Rubisco（RuBP羧化酶）。下列有关叙述错误的是（　　） A.维管束鞘细胞中光合作用所利用的CO2都是C4分解释放的 B.玉米叶片只能通过叶肉细胞捕获光能 C.玉米因C4途径的存在而更适应干旱环境 D.C4植物与C3合成有机物的途径都是通过卡尔文循环完成 A 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 例（多选）(2025内蒙古包头期末)科学家根据高等绿色植物固定CO2的机制，将玉米定为C4植物。C4植物的叶肉细胞和维管束鞘细胞整齐排列的双环，形象地被称为“花环型”结构，这两种不同类型细胞的叶绿体，具有各自固定CO2的机制，如图所示。下列有关叙述错误的有（　　） A.玉米维管束鞘细胞和叶肉细胞间发达的胞间连丝有利于保持细胞间频繁的物质交换 B.玉米叶肉细胞和维管束鞘细胞中均可发生水的光解和生成水 C.玉米叶肉细胞和维管束鞘细胞中均能发生有机物的合成和分解 D.玉米叶肉细胞和维管束鞘细胞固定CO2既需要酶催化又消耗能量 BD 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 CAM植物夜间气孔开放，吸进CO2，经一系列反应转化为苹果酸储存在液泡中。白天气孔关闭，苹果酸转移到细胞质基质中脱羧放出CO2，进入C3途径合成淀粉 该类植物叶肉细胞夜间淀粉______，苹果酸______，细胞液pH______; 白天淀粉______，苹果酸______，细胞液pH______; 3.CAM途径： 常见CAM植物：菠萝、芦荟、 等。 减少 增加 下降 增加 减少 上升 兰花、百合、仙人掌 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 【思考1】夜晚，CAM植物能不能合成葡萄糖？ 【思考2】如果白天适当提高CO2浓度，能不能提高CAM植物的光合作用速率？ 不能，因为夜晚不能进行光反应为暗反应提供ATP和NADPH。 不能，因为CAM植物白天气孔关闭，不吸收CO2。 【思考3】CAM途径是对干旱环境的适应，该途径除了维持光合作用外， 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。 3..CAM途径： 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 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。 RuBP(C5) PEP PEP C3 C4 草酰乙酸 白天 白天 夜晚和白天 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 叶肉细胞的 叶绿体基质 叶肉细胞的 叶绿体基质 维管束鞘细胞的 叶绿体基质 有 无 无 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 C3植物 C4植物 CAM植物 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。 C3植物、C4植物和CAM植物固定CO2方法的比较 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 例 (2025四川宜宾模拟)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（　　） 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 B 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 例(2021·全国乙卷，29)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)白天叶肉细胞产生ATP的场所有 。 光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和 释放的CO2。 (2)气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能防止 ，又能保证 正常进行。 叶绿体、细胞质基质、线粒体 细胞呼吸 蒸腾作用过强导致植物过度失水 光合作用 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 预期结果： A组： . B组： . 【实验思路·答题模板】 ①选材、分组、编号： . ②控制自变量： . ③控制无关变量： . ④检测因变量： . (3)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) 取若干长势相同的植物甲，平均分为A、B两组； 将A组置于干旱条件下培养，B组置于水分充足的条件下培养， 其他条件相同且适宜； 一段时间后，分别测定两组植物甲白天和夜晚液泡中的pH。 液泡中的pH夜晚明显低于白天。 液泡中的pH白天和夜晚无明显变化。 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 拓展：蓝细菌的CO2的浓缩机制： 例(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C5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。 (1)蓝细菌具有CO2浓缩机制，如下图所示。 注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散。 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 拓展：蓝细菌的CO2的浓缩机制： 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。 自由扩散 主动运输 CO2固定 O2与C5结合 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 (2)向烟草内转入蓝细菌Rubisco的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，应能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的_________中观察到羧化体。 叶绿体 拓展：蓝细菌的CO2的浓缩机制： 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 (3)研究发现，转基因烟草的光合速率并未提高。若再转入和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用，理论上该转基因植株暗反应水平应_______，光反应水平应______，从而提高光合速率。 拓展：蓝细菌的CO2的浓缩机制： 提高 提高 考点一 细胞的多样性和统一性 基础·精细梳理 微专题 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型 $