2027届高三生物人教版一轮复习课件常考素材1 CO2浓缩机制、光呼吸和光抑制现象

第三单元 细胞的能量供应和应用 常考素材1 CO2浓缩机制、光呼吸和光抑制现象 一轮复习：必修1 分子与细胞 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，并合成蔗糖、淀粉等多种有机物， 又称为卡尔文循环 1. C3途径 C3 叶绿体基质 【拓展】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。 一、CO2浓缩机制 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(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。 一、CO2浓缩机制 思考1: 用14C标记CO2追踪C4植物碳原子的转移途径为? 思考2: C4植物 ①光反应发生在: ②CO2的固定发生在： 一、CO2浓缩机制 2. C4途径 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) CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)。 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。 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。 常见C4植物有玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。 C4植物具有耐高温、光照强烈、干旱的能力； 无 一、CO2浓缩机制 一、CO2浓缩机制 2.C4途径 （1）CO2补偿点： C4植物＜C3植物 （2）CO2饱和点： C4植物＜C3植物 C4植物具有有效的CO2浓缩机制。 RuBP羧化酶固定CO2能力弱 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。 6 一、CO2浓缩机制 典例1 根据光合作用中CO2的固定方式不同，可将植物分为C3植物和C4植物等类型。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。CO2 补偿点通常是指在特定光照和温度下，光合速率与呼吸速率相等时的环境CO2浓度。回答下列问题： （1）不同植物（如C3植物和C4植物）光合作用光反应阶段的产物是相同的，光反应阶段的产物是__________________（答出3点即可）。 （2）正常条件下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位，原因是______________________________________________________________________________________________________（答出1点即可）。 （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____________________________________________________________。 O2、NADPH和ATP 植物叶片的光合产物为糖类等有机物，一部分要用于叶片细胞自身呼吸作用消耗，所以不会全部运输到其他部位 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 7 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 一、CO2浓缩机制 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 一、CO2浓缩机制 例(2022·全国甲卷，29).根据光合作用中CO2的固定方式不同，可将植物分为C3植物和C4植物等类型。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。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。 回答下列问题： (1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反应阶段的产物是相同的， 光反应阶段的产物是 (答出3点即可)。 (2)正常条件下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位，原因是： (答出1点即可)。 O2、NADPH和ATP 叶片自身呼吸作用需要消耗一部分光合产物 一、CO2浓缩机制 例(2022·全国甲卷，29)根据光合作用中CO2的固定方式不同，可将植物分为C3植物和C4植物等类型。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。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。 回答下列问题： (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 一、CO2浓缩机制 3. CAM途径 生长在热带干旱地区的植物如仙人掌等具有CAM途径。 一、CO2浓缩机制 （2）草酰乙酸(OAA)被还原后转变为苹果酸(C4) ，暂时储存在液泡中。 （1）夜晚气孔开放，叶肉细胞吸收的CO2，在PEP 羧化酶作用下，与PEP结合，形成草酰乙酸(OAA) 。 （3）白天气孔关闭，液泡中的苹果酸被运送到细胞质基质中，氧化脱羧生成丙酮酸，放出CO2，CO2 参与卡尔文循环，形成淀粉等。 （4）夜晚淀粉分解产生的丙糖磷酸通过糖酵解过程，形成PEP ，再进一步循环。 常见CAM植物：菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。 3. CAM途径： 一、CO2浓缩机制 夜间淀粉 ，苹果酸 ，细胞液pH_____ 减少 增加 下降 白天淀粉 ，苹果酸 ，细胞液pH____ 增加 减少 上升 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？ 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？ 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。 有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成水分过多散失。 一、CO2浓缩机制 1.(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 14 (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) 一、CO2浓缩机制 实验思路：取生理状态良好的植物甲，在干旱环境中培养，分别检测并比较白天和夜间叶肉细胞中液泡（细胞液）pH高低（大小）。 预期结果：叶肉细胞中液泡白天pH 高于晚上 2.  (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 一、CO2浓缩机制 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。 一、CO2浓缩机制 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 4. 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。 一、CO2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 (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 (3)研究发现，转基因烟草的光合速率并未提高。若再转入HCO3−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。 提高 提高 1.概念： 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 二、光呼吸 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。 3.光呼吸产生的原因 二、光呼吸 （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。 （1）内因：Rubisco是一种兼性酶，具有催化羧化反应(C5+​CO2→2C3)和催化加氧反应(C5+​O2→C3+​C2两种功能。 二、光呼吸 4.光呼吸的影响 （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 。 C5 减弱 降低 （2）有利影响： ①保护光合器官：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。 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%。 ATP和NADPH ②提供CO2 ：强光照下叶片部分气孔关闭，叶片内CO2浓度降低，光呼吸能把产生的CO2和三碳酸提供给暗反应 二、光呼吸 5.光呼吸与一般有氧呼吸的比较 只在光下进行 光照、高低 环境 C2化合物和 叶绿体、过氧化物酶体、线粒体 光下、黑暗中都可进行 等 通常是葡萄糖、和 和水 细胞质基质、线粒体 23 典例4 Rubisco是光合作用与光呼吸的关键酶，其既能催化CO2与C5 结合 （羧化反应），也能催化O2与C5结合（加氧反应）。下列关于Rubisco 及光呼吸的叙述，错误的是( )。 A.Rubisco的羧化活性受CO2/O2 浓度比影响 B.光呼吸过程中O2 的消耗发生在叶绿体基质中 C.光呼吸会消耗光合产物，降低植物光合效率 D.C4 植物通过 “花环结构” 可降低光呼吸强度 B 二、光呼吸  例1.(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 二、光呼吸 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 二、光呼吸 正常在夏季，中午太阳直射的时候，光合作用的效率很低，其实在太阳光强度超过一定的阈值后（光饱和点），生物会启动自我保护机制，不再接收更多的光，这即是光抑制现象。造成光能转化效率下降。 1.光系统 植物体中存在两种色素系统，各有不同的吸收峰，进行不同的光反应。把吸收长波长光的系统称为光系统Ⅰ（PSⅠ），吸收短波长 光的系统称为光系统Ⅱ （PSⅡ） 。#2.1 三、光抑制 2. Ⅱ光抑制 三、光抑制 (1)光照强度越高，胁迫时间越长，PSⅡ受损程度越大。研究表明强光直接抑制 PSⅡ 反应中心关键蛋白——D1蛋白的生物合成，从而造成光破坏。 (2)其他非生物胁迫，如高盐或低温，主要抑制 PSⅡ 的修复。 (3)热胁迫通过阻滞D1蛋白重新合成，从而抑制PSⅡ修复，间接加剧PSⅡ光破坏程度。 (4)对光抑制敏感性较低的植物通过减少PSⅡ损伤，增强PSⅡ修复或二者兼有的方式减弱光抑制程度。 (5)较低水平的光抑制还与PSⅡ的快速修复和D1 蛋白快速周转有很大的关系。 3. Ⅰ光抑制#4.2 三、光抑制 (1)光照是PSⅠ发生光抑制的根本因素，温度是PSⅠ 发生光抑制的必要条件，当温度高于或低于临界温度时植物才会发生PSⅠ 光抑制。 (2)光合电子传递链(PETC) 是将电能转变为活跃化学能的过程，当光照过强而导致激发态叶绿素不能驱动光化学反应时，过度光量子会诱导光抑制发生并通过PETC 在叶绿体中产生大量ROS（活性氧） ，如单线态氧，并通过非酶促和酶促反应产生过氧化氢，后者在有还原态金属离子存在情况下转变成羟基自由基，并破坏光合结构，其中就包括PSⅠ 。 4.光抑制的防御机制： (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。 如叶片变小、变厚，减少色素的量，提高电子传递和碳同化能力。 (2)增加热耗散，靠叶黄素循环，把多余光能转换成热能。这是最主要的保护机制，玉米黄质是关键角色。（小本练习P24第8题） (3)进行光呼吸，消耗多余的ATP、NADPH和电子 三、光抑制 例1.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 三、光抑制 例2（经典高考真题）当植物吸收的光能过 多时，过剩的光能会对光反应阶段的 复合 体造成损伤，使 活性降低，进而导 致光合作用强度减弱。细胞可通过非光化学淬 灭 将过剩的光能耗散，减少多余光能对的损伤。已知拟南芥的蛋白有2个功能：①修复损伤的；②参与 的调节。科研人员以拟南芥的野生型和 基因缺失突变体为材料进行了相关实验，结果如图所示。实验中强光照射时对野生型和突变体光照的强度相同，且强光对二者的 均造成了损伤。 (1)该实验的自变量为_________________________。该实验的无关变量中，影响 光合作用强度的主要环境因素有_______________（答出2个因素即可）。 光、蛋白（拟南芥种类） 浓度、温度 三、光抑制 三、光抑制 (2)根据本实验，______（填“能”或“不能”）比较出强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱，理由是____________________________________________________________。 突变体中𝐏𝐒Ⅱ损伤小但不能修复，野生型中𝐏𝐒Ⅱ损伤大但能修复 不能 (3)据图分析，与野生型相比，强光照射下突变体中流向光合作用的能量_____ （填“多”或“少”）。若测得突变体的暗反应强度高于野生型，根据本实验推测，原因是_____________________________________________________________________ _________________。 少 突变体𝐍𝐏𝐐强度相对值大，𝐏𝐒Ⅱ损伤小，虽无𝐇蛋白修复但𝐏𝐒Ⅱ活性高，光反应产物多 33 $