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第9讲　捕获光能的色素和结构及光合作用的原理
[课标内容]　1.说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量,这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中,转换并储存为糖分子中的化学能。2.实验:绿叶中色素的提取和分离。
微考点大突破
考点一　捕获光能的色素和结构
　
绿叶中色素的提取和分离实验
(1)实验原理。
(2)实验装置及操作步骤。
(3)实验结果及分析。
2.叶绿体中色素的吸收光谱分析
由图可以看出:
提醒　①植物的液泡中含有的色素(花青素)不参与光合作用。②植物幼嫩的茎和果实的细胞中也含有吸收光能的色素。
3.叶绿体的结构适于进行光合作用
提醒　恩格尔曼实验设计的4点巧妙之处
①实验材料选得妙:实验材料选择水绵和需氧细菌。水绵的叶绿体呈螺旋带状,便于观察;利用需氧细菌可确定释放氧气的部位。
②排除干扰的方法妙:没有空气的黑暗环境,排除了空气中氧气和光的干扰。
③观测指标设计得妙:用极细的光束点状投射,叶绿体上可分为获得光照多和光照少的部位,相当于一组对照实验。
④实验对照设计得妙:进行黑暗(局部光照)和曝光对照实验,明确实验结果完全是由光照引起的。
(1)植物叶片呈现绿色是因为含有绿色的色素,黄化叶片和白化叶片不含叶绿素。(源自必修1 P97)()
(2)色素可以用无水乙醇进行分离。(必修1 P98~99“探究·实践”)()
(3)叶绿素主要吸收蓝紫光和红光,对其他波段的可见光并非不吸收,只是吸收量较少。(必修1 P99“图5-12”)()
(4)生物光合作用的场所不一定是叶绿体,没有叶绿体的生物也可以是自养生物。(源自必修1 P100)()
(5)叶绿体中的色素主要分布在叶绿体内膜上,酶分布于类囊体薄膜和叶绿体基质中。(源自必修1 P100)()
(6)夏天叶片呈绿色是叶片吸收绿光导致的,秋天叶片变黄,是叶黄素含量增多导致的。(必修1 P101“概念检测”1)()
　分离叶绿体中的色素,也可用如图所示的方法,即在圆心处滴加适量滤液,待干燥后再滴加适量层析液进行层析,结果会出现不同颜色的4个同心圆,请写出①~④依次对应的色素及颜色。
①__________,②__________,
③__________,④__________。
能力　捕获光能的色素和结构(考查科学探究)
1.(2023·全国乙卷,T2)植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。下列有关叶绿体中色素的叙述,错误的是(　　)
A.氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素
B.叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上
C.用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰
D.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得越慢
2.(2023·江苏卷,T12)下列关于“提取和分离叶绿体色素”实验叙述合理的是(　　)
A.用有机溶剂提取色素时,加入碳酸钙是为了防止类胡萝卜素被破坏
B.若连续多次重复画滤液细线可累积更多的色素,但易出现色素带重叠
C.该实验提取和分离色素的方法可用于测定绿叶中各种色素含量
D.用红色苋菜叶进行实验可得到5条色素带,花青素位于叶绿素a、b之间
绿叶中色素的提取和分离实验异常现象分析
考点二　光合作用的原理
　
1.探索光合作用原理的部分经典实验
提醒　①希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应,原因是水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的,没有碳参与反应,而糖的合成需要碳的参与。
②鲁宾和卡门的实验以及卡尔文的实验都用到了同位素标记法。
③同位素标记法中使用的同位素不都具有放射性,如18O就没有放射性,不能检测其放射性;而14C有放射性,可被追踪检测。
2.光合作用的过程
(1)反应式:CO2+H2O(CH2O)+O2。
(2)基本过程。
图中:①__________,②__________,③__________,
④__________,⑤__________。
(3)比较光反应与暗反应。
提醒　①叶绿体中光合色素吸收的光能,一方面用于H2O分解产生氧和H+;一方面用于ATP的合成。
②NADPH既可作还原剂,又可为暗反应提供能量。
3.光合作用和化能合成作用的比较
(1)离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后,在合适的条件下可完成暗反应过程。(必修1 P103“图5-14”)()
(2)C3是指三碳化合物——3 磷酸甘油酸,C5是指五碳化合物——核酮糖 1,5 二磷酸(RuBP)。(必修1 P104“相关信息”)()
(3)光合作用的产物有淀粉和蔗糖,淀粉和蔗糖可以进入筛管,通过韧皮部运输到植株各处。(必修1 P104“相关信息”)()
(4)土壤中的硝化细菌可利用CO2和H2O合成糖类。(源自必修1 P106)()
　(必修1 P104“正文”拓展)光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO2,一定时间后杀死小球藻,同时提取产物并分析。实验发现,仅仅30 s的时间,放射性代谢产物多达几十种。缩短时间到7 s,发现放射性代谢产物减少到12种,想要探究CO2转化成的第一个产物,可能的实验思路是__________________________________________________________________。
1.环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
(1)“过程法”分析各物质变化。
如图中Ⅰ表示光反应,Ⅱ表示CO2的固定,Ⅲ表示C3的还原,当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化:
(2)“模型法”表示C3和C5的含量变化。
2.连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析
(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累,在光反应停止时,暗反应仍可持续进行一段时间,有机物还能继续合成。
(2)在总光照时间、总黑暗时间均相同的条件下,光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物积累量要多。
能力一　光合作用的过程(考查科学思维、科学探究)
1.(2021·重庆卷,T6)如图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析,下列叙述错误的是(　　)
A.水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,最少要穿过4层膜
B.NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH
C.产生的ATP可用于暗反应及其他消耗能量的反应
D.电子(e-)的有序传递是完成光能转换的重要环节
(1)暗反应的场所:__________。
(2)暗反应的过程:①CO2的固定:____________________________________________;
②三碳化合物的还原:______________________。
(3)暗反应中的能量变化:________________________________________。
2.(2022·重庆卷,T23)科学家发现,光能会被类囊体转化为“某种能量形式”,并用于驱动产生ATP(如图Ⅰ)。为探寻这种能量形式,他们开展了后续实验。
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
(1)制备类囊体时,提取液中应含有适宜浓度的蔗糖,以保证其结构完整,原因是____________________________________________;
为避免膜蛋白被降解,提取液应保持__________(填“低温”或“常温”)。
(2)在图Ⅰ实验基础上进行图Ⅱ实验,发现该实验条件下,也能产生ATP。但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内外的H+浓度差,原因是____________________________________________。
(3)为探究自然条件下类囊体膜内外产生H+浓度差的原因,对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理,结果如图Ⅲ所示,悬液的pH在光照处理时升高,原因是________________________________________。类囊体膜内外的H+浓度差是通过光合电子传递和H+转运形成的,电子的最终来源物质是__________。
(4)用菠菜类囊体和人工酶系统组装的人工叶绿体,能在光下生产目标多碳化合物。若要实现黑暗条件下持续生产,需稳定提供的物质有__________。生产中发现即使增加光照强度,产量也不再增加,若要增产,可采取的有效措施有________________________________________(答出两点)。
能力二　光合作用过程中物质含量的变化分析(考查科学思维)
3.在适宜反应条件下,用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后,突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质,组合正确的是(　　)
A.红光,ATP下降
B.红光,未被还原的C3上升
C.绿光,NADPH下降
D.绿光,C5上升
4.(2023·河北卷,T19)拟南芥发育早期的叶肉细胞中,未成熟叶绿体发育所需ATP须借助其膜上的转运蛋白H由细胞质基质进入。发育到一定阶段,叶肉细胞H基因表达量下降,细胞质基质ATP向成熟叶绿体转运受阻。回答下列问题:
(1)未成熟叶绿体发育所需ATP主要在__________合成,经细胞质基质进入叶绿体。
(2)光照时,叶绿体类囊体膜上的色素捕获光能,将其转化为ATP和__________中的化学能,这些化学能经__________阶段释放并转化为糖类中的化学能。
(3)
研究者通过转基因技术在叶绿体成熟的叶肉细胞中实现H基因过量表达,对转H基因和非转基因叶肉细胞进行黑暗处理,之后检测二者细胞质基质和叶绿体基质中ATP相对浓度,结果如图。相对于非转基因细胞,转基因细胞的细胞质基质ATP浓度明显__________。据此推测,H基因的过量表达造成细胞质基质ATP被__________(填“叶绿体”或“线粒体”)大量消耗,细胞有氧呼吸强度__________。
(4)综合上述分析,叶肉细胞通过下调______________阻止细胞质基质ATP进入成熟的叶绿体,从而防止线粒体__________,以保证光合产物可转运到其他细胞供能。
微真题重体悟
　
1.(2022·湖南卷,T13改编)在夏季晴朗无云的白天,10时左右某植物光合作用强度达到峰值,12时左右光合作用强度明显减弱。光合作用强度减弱的原因可能是(　　)
A.叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量增加
B.光合酶活性降低,呼吸酶不受影响,呼吸释放的CO2量大于光合固定的CO2量
C.叶绿体内膜上的部分光合色素被光破坏,吸收和传递光能的效率降低
D.光反应产物积累,产生反馈抑制,叶片转化光能的能力下降
2.(2020·天津卷,T5)研究人员从菠菜中分离类囊体,将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴,从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是(　　)
A.产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质
B.该反应体系不断消耗的物质仅是CO2
C.类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原
D.与叶绿体相比,该反应体系不含光合作用色素
3.(2022·湖北卷,T12)某植物的2种黄叶突变体表型相似,测定各类植株叶片的光合色素含量(单位:μg·g-1),结果如表。下列有关叙述正确的是(　　)
植株类型 叶绿素a 叶绿素b 类胡 萝卜素 叶绿素/ 类胡萝卜素
野生型 1 235 519 419 4.19
突变体1 512 75 370 1.59
突变体2 115 20 379 0.36
A.两种突变体的出现增加了物种多样性
B.突变体2比突变体1吸收红光的能力更强
C.两种突变体的光合色素含量差异,是由不同基因的突变所致
D.叶绿素与类胡萝卜素的比值大幅下降可导致突变体的叶片呈黄色
4.(2021·全国乙卷,T29)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。
(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)
5.(2024·甘肃卷,T17)类胡萝卜素不仅参与光合作用,还是一些植物激素的合成前体。研究者发现了某作物的一种胎萌突变体,其种子大部分为黄色,少部分呈白色,白色种子未完全成熟即可在母体上萌发。经鉴定,白色种子为某基因的纯合突变体。在正常光照下(400 μmol·m-2·s-1),纯合突变体叶片中叶绿体发育异常、类囊体消失。将野生型和纯合突变体种子在黑暗中萌发后转移到正常光和弱光(1 μmol·m-2·s-1)下培养一周,提取并测定叶片叶绿素和类胡萝卜素含量,结果如图所示。回答下列问题:
(1)提取叶片中叶绿素和类胡萝卜素常使用的溶剂是__________,加入少许碳酸钙可以__________。
(2)野生型植株叶片叶绿素含量在正常光下比弱光下高,其原因是________________________________________。
(3)正常光照条件下种植纯合突变体将无法获得种子,因为________________________________________。
(4)现已知此突变体与类胡萝卜素合成有关,本研究中支持此结论的证据有:①纯合体种子为白色;②________________________________________。
(5)纯合突变体中可能存在某种植物激素X的合成缺陷,X最可能是______________。若以上推断合理,则干旱处理能够提高野生型中激素X的含量,但不影响纯合突变体中X的含量。为检验上述假设,请完成下面的实验设计:
①植物培养和处理:取野生型和纯合突变体种子,萌发后在__________条件下培养一周,然后将野生型植株均分为A、B两组,将突变体植株均分为C、D两组,A、C组为对照,B、D组干旱处理4小时。
②测量指标:每组取3~5株植物的叶片,在显微镜下观察、测量并记录各组的______________________________。
③预期结果:____________________________________________。
第9讲　捕获光能的色素和结构及光合作用的原理
微考点·大突破
考点一
教材解读
1.(1)溶解度　(2)防止色素被破坏　(3)橙黄色　①色素种类　②色素含量　③溶解度
2.400~760 nm　可见光　红光和蓝紫光　蓝紫光
3.基粒　暗反应　光束照射　所有受光　红光和蓝紫光
教材基础辨析
　(1)√　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×　(6)×
教材素材拓展
　提示　①胡萝卜素、橙黄色　②叶黄素、黄色　③叶绿素a、蓝绿色　④叶绿素b、黄绿色
能力提升
1.D　解析　叶绿素的元素组成是C、H、O、N、Mg,氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素,A项正确;叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体的类囊体薄膜上,B项正确;类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰,C项正确;叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得越快,D项错误。
2.B　解析　提取叶绿体中的色素时,加入碳酸钙是为了防止叶绿素被破坏,A项错误;连续多次重复画滤液细线可累积更多的色素,但也会使滤液细线过粗,从而在分离中出现色素带重叠的现象,B项正确;该实验只能定性分析色素的种类及溶解度等,无法准确测定绿叶中各种色素的含量,C项错误;花青素是水溶性色素,不可通过该实验中的有机溶剂提取,D项错误。
考点二
教材解读
1.O2　水　ATP　二氧化碳
2.(2)①NADPH　②2C3　③ADP+Pi　④O2　⑤(CH2O)
(3)类囊体薄膜　叶绿体基质　光　色素　ATP　NADPH　ATP和NADPH　有机物中稳定的化学能
3.氧化无机物放出的能量(或NH3氧化释放的化学能)　CO2和H2O
教材基础辨析
　(1)√　(2)√　(3)×　(4)√
教材素材拓展
提示　不断缩短光照时间后杀死小球藻,同时提取产物并分析,直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物,该物质即为CO2转化成的第一个产物
能力提升
1.A　解析　分析题图可知,水光解产生的O2在类囊体腔内,叶绿体和线粒体均有双层膜,水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,至少要穿过5层膜,A项错误;光反应中NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH,提供给暗反应,B项正确;由题图可知,产生的ATP可用于暗反应以及核酸代谢、色素合成等其他消耗能量的反应,C项正确;电子(e-)的有序传递是完成光能转换的重要环节,D项正确。
回源教材　提示　(1)叶绿体基质　(2)①CO2+C52C3　②2C3(CH2O)+C5　(3)ATP和NADPH中活跃的化学能转变成储存在(CH2O)中的稳定的化学能
2.答案　(1)保持类囊体内外的渗透压,避免类囊体破裂　低温
(2)实验Ⅱ是在光照以及低pH条件下对类囊体进行培养,无法证明某种能量是来自光能还是来自膜内外H+浓度差　(3)类囊体膜外H+被转移到类囊体膜内,造成溶液pH升高　水　(4)NADPH、ATP和CO2　增加CO2浓度和适当提高环境温度
解析　(1)制备类囊体时,其提取液中需要添加适宜浓度的蔗糖,保持类囊体内外的渗透压,避免类囊体破裂,以保证其结构完整。提取液应该保持低温,降低蛋白酶的活性,避免膜蛋白被降解。(2)从题图Ⅱ实验中可知,在光照条件下,将pH=4条件下的类囊体转移到pH=8条件下,再在遮光的条件下加入ADP和Pi,也产生了ATP,但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内外的H+浓度差,因为实验Ⅱ是在光照以及低pH条件下对类囊体进行培养,无法证明某种能量是来自光能还是来自膜内外氢离子浓度差。(3)对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理,悬液的pH在光照处理时升高,推测可能是类囊体膜外H+被转移到类囊体膜内,造成溶液pH升高。类囊体膜内外的H+浓度差是通过光合电子传递和H+转运形成的,光反应过程中,水的光解伴随着电子的传递,故电子的最终来源是水。(4)人工叶绿体,能在光下生产目标多碳化合物,若要在黑暗条件下持续生产,则需要提供光反应产生的物质NADPH和ATP,以及暗反应的原料CO2。生产中发现即使增加光照强度,产量也不再增加,若要增产,可采取的有效措施有增加二氧化碳的浓度和适当提高环境温度等。
3.C　解析　叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光等可见光,吸收的绿光很少。将白光改为光照强度相同的红光,光反应增强,叶绿体内产生的ATP和NADPH增多,C3的还原加快,短时间内CO2的固定仍以原来的速率进行,导致未被还原的C3减少,A、B两项错误;将白光改为光照强度相同的绿光,光反应减弱,短时间内叶绿体内产生的ATP和NADPH减少,C项正确;NADPH和ATP的减少必然会导致C3还原生成C5减慢,此时CO2的固定仍以原来的速率消耗C5,则短时间内C5的含量会下降,D项错误。
4.答案　(1)线粒体(或线粒体内膜)　(2)NADPH(或还原型辅酶Ⅱ)　暗反应　(3)降低　叶绿体　升高　(4)H基因表达(或H蛋白数量)　过多消耗光合产物(或有氧呼吸增强)
解析　(1)由题干可知,拟南芥幼苗叶肉细胞的叶绿体仍在发育时,消耗的ATP主要来自自身线粒体。线粒体中能够大量合成ATP的化学反应在线粒体内膜上进行。(2)在植物光合作用的光反应阶段,光能被光合色素捕获后,转化为储存在ATP和NADPH中的化学能。在暗反应阶段,ATP和NADPH中的化学能再进一步转化固定到糖类等有机物中。(3)由题图可知,叶绿体成熟的非转基因叶肉细胞中细胞质基质ATP浓度远高于叶绿体基质。H基因过量表达后,细胞质基质中ATP浓度下降,且叶绿体基质中ATP浓度未显著升高,表明叶绿体消耗了从细胞质基质中转入的ATP。推测,H基因过量表达后,大量的ATP转运至叶绿体中被消耗,细胞需提高线粒体呼吸强度,以补充细胞质基质中的ATP。(4)由题分析可知,ATP由细胞质基质向叶绿体转运过程中,H转运蛋白的数量是限制运输速率的一个主要因素。叶绿体成熟的叶肉细胞中H基因的表达下调,H转运蛋白的数量减少,ATP由细胞质基质进入叶绿体被有效阻止,细胞质基质ATP可保持正常生理水平,从而避免了线粒体过多消耗光合产物,保证光合产物可转运到其他细胞供能。
微真题·重体悟
1.D　解析　夏季中午叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少,暗反应减慢,光合作用强度明显减弱,A项错误;夏季中午气温过高,导致光合酶活性降低,呼吸酶不受影响(呼吸酶最适温度高于光合酶),光合作用强度减弱,但此时光合作用强度仍然大于呼吸作用强度,即呼吸释放的CO2量小于光合固定的CO2量,B项错误;光合色素分布在叶绿体的类囊体薄膜上,而非叶绿体内膜上,C项错误;夏季中午叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少,暗反应减慢,导致光反应产物积累,产生反馈抑制,使叶片转化光能的能力下降,光合作用强度明显减弱,D项正确。
2.A　解析　题干信息“该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物乙醇酸”,说明乙醇酸是在暗反应中合成的,合成场所相当于叶绿体基质,A项正确;该反应体系既能在类囊体上进行光反应,又能利用16种酶等物质进行暗反应,因此该反应体系不断消耗的物质有CO2、H2O等,B项错误;类囊体上进行的光反应为暗反应中C3的还原提供了NADPH和ATP,光反应产生的O2不参与暗反应,C项错误;该反应体系中有类囊体,在光照条件下还可实现连续的CO2固定与还原,说明该反应体系中有吸收、传递和转化光能的光合作用色素,D项错误。
3.D　解析　两种突变体及野生型植株之间并无生殖隔离,仍属同一物种,只能体现遗传多样性,A项错误;叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,突变体2的叶绿素a和叶绿素b的含量比突变体1少,故突变体2比突变体1吸收红光的能力弱,B项错误;两种突变体的光合色素含量差异,可能是不同基因的突变所致,也可能是同一个基因突变方向不同导致的,C项错误;野生型的叶绿素与类胡萝卜素的比值为4.19,叶绿素含量较高,叶片呈绿色,突变体的叶绿素与类胡萝卜素的比值大幅下降,叶绿素含量少,不能掩盖类胡萝卜素的颜色,此时叶片呈黄色,D项正确。
4.答案　(1)细胞质基质、线粒体、叶绿体　细胞呼吸　(2)水分大量散失　光合作用　(3)实验思路: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。预期结果:B组液泡中的pH白天和夜晚无明显变化,A组液泡中的pH夜晚明显低于白天。
解析　(1)叶肉细胞的细胞呼吸场所为细胞质基质和线粒体,光合作用场所为叶绿体,细胞呼吸和光合作用均能产生ATP,所以白天叶肉细胞产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体。据题意可知,虽然白天气孔关闭,但液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用,此外细胞呼吸释放的CO2也可供给叶绿体,用于光合作用。(2)该类植物生活在干旱环境中,白天气孔关闭,可以防止蒸腾作用太强而导致水分大量散失;夜晚气孔打开,可以从外界吸收CO2,CO2通过生成苹果酸储存在液泡中,白天时苹果酸脱羧释放出CO2,保证了该类植物光合作用的正常进行。(3)由题干信息可知,夜间植物甲的叶肉细胞吸收CO2生成的苹果酸储存在液泡中,白天液泡中的苹果酸脱羧释放CO2用于光合作用,故可推知夜间植物甲叶肉细胞液的pH小于白天叶肉细胞液的pH,具体实验思路和预期结果见答案。
5.答案　(1)无水乙醇　防止研磨中色素被破坏　(2)叶绿素的形成需要光照,正常光下更有利于叶绿素的形成　(3)纯合突变体叶片中的叶绿素和类胡萝卜素的相对含量都极低,光合作用极弱,无法满足植株生长对有机物的需求　(4)②与野生型相比,纯合突变体叶片中类胡萝卜素含量极低(几乎为零)　(5)细胞分裂素　①含水量等适宜
②叶绿体的大小及数量,取其平均值　③B组叶绿体的大小及数量高于A组,C、D两组叶绿体的大小及数量无差异且均明显低于A、B两组
解析　(1)叶片中的叶绿素和类胡萝卜素都能溶解在有机溶剂中,所以常使用无水乙醇提取。加入少许碳酸钙可以防止研磨中色素被破坏。(2)叶绿素的形成需要光照,正常光下更有利于叶绿素的形成,所以野生型植株叶片叶绿素含量在正常光下比弱光下高。(3)在正常光照下(400 μmol·m-2·s-1),纯合突变体叶片中叶绿体发育异常、类囊体消失,叶绿素和类胡萝卜素的相对含量都极低,分别为0.3和0.1,说明纯合突变体的光合作用极弱,无法满足植株生长对有机物的需求,使得植株难以生长,因此正常光照条件下种植纯合突变体将无法获得种子。(4)由题图可知,与野生型相比,纯合体种子为白色且纯合突变体叶片中类胡萝卜素含量极低(几乎为零),说明此突变体与类胡萝卜素合成有关。(5)纯合突变体中可能存在某种植物激素X的合成缺陷。由题图可知,纯合突变体叶片中的叶绿素和类胡萝卜素的相对含量都极低,而细胞分裂素能促进叶绿素的合成,据此可推知,X最可能是细胞分裂素。若以上推断合理,则干旱处理能够提高野生型中激素X的含量,但不影响纯合突变体中X的含量。为检验上述假设,并结合题意“在正常光照下,纯合突变体叶片中叶绿体发育异常、类囊体消失”可知,该实验的自变量是植株的种类和培养条件,因变量是叶绿体的大小及数量,而在实验过程中对植株的生长有影响的无关变量应控制相同且适宜。实验设计应遵循对照原则和单一变量原则,补充完善的实验设计内容见答案。(共77张PPT)
第9讲
第二单元　细胞的能量供应和利用
捕获光能的色素和结构及光合作用的原理
课
标
内
容
1.说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。2.实验：绿叶中色素的提取和分离。
微考点 大突破
内容
索引
微真题 重体悟
考点一　捕获光能的色素和结构
考点二　光合作用的原理
考点一　捕获光能的色素和结构
微考点/大突破
第一部分
1.绿叶中色素的提取和分离实验
(1)实验原理。
溶解度
(2)实验装置及操作步骤。
防止色素被破坏
(3)实验结果及分析。
橙黄色
色素种类
色素含量
溶解度
2.叶绿体中色素的吸收光谱分析
由图可以看出：
提醒　①植物的液泡中含有的色素(花青素)不参与光合作用。②植物幼嫩的茎和果实的细胞中也含有吸收光能的色素。
400~760 nm
可见光
红光和蓝紫光
蓝紫光
3.叶绿体的结构适于进行光合作用
基粒
暗反应
光束照射
所有受光
红光和蓝紫光
提醒　恩格尔曼实验设计的4点巧妙之处
①实验材料选得妙：实验材料选择水绵和需氧细菌。水绵的叶绿体呈螺旋带状，便于观察；利用需氧细菌可确定释放氧气的部位。
②排除干扰的方法妙：没有空气的黑暗环境，排除了空气中氧气和光的干扰。
③观测指标设计得妙：用极细的光束点状投射，叶绿体上可分为获得光照多和光照少的部位，相当于一组对照实验。
④实验对照设计得妙：进行黑暗(局部光照)和曝光对照实验，明确实验结果完全是由光照引起的。
教材基础辨析
(1)植物叶片呈现绿色是因为含有绿色的色素，黄化叶片和白化叶片不含叶绿素。(源自必修1 P97)( )
(2)色素可以用无水乙醇进行分离。(必修1 P98~99“探究·实践”)( )
(3)叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，对其他波段的可见光并非不吸收,只是吸收量较少。(必修1 P99“图5-12”)( )
√
×
√
(4)生物光合作用的场所不一定是叶绿体，没有叶绿体的生物也可以是自养生物。(源自必修1 P100)( )
(5)叶绿体中的色素主要分布在叶绿体内膜上，酶分布于类囊体薄膜和叶绿体基质中。(源自必修1 P100)( )
(6)夏天叶片呈绿色是叶片吸收绿光导致的，秋天叶片变黄，是叶黄素含量增多导致的。(必修1 P101“概念检测”1)( )
√
×
×
教材素材拓展
　分离叶绿体中的色素，也可用如图所示的方法，即在圆心处滴加适量滤液，待干燥后再滴加适量层析液进行层析，结果会出现不同颜色的4个同心圆，请写出①~④依次对应的色素及颜色。
①__________________，②__________________，
③__________________，④__________________。
胡萝卜素、橙黄色
叶黄素、黄色
叶绿素a、蓝绿色
叶绿素b、黄绿色
能力　捕获光能的色素和结构(考查科学探究)
1.(2023·全国乙卷，T2)植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。下列有关叶绿体中色素的叙述，错误的是(　　)
A.氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素
B.叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上
C.用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液，其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰
D.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高，随层析液在滤纸上扩散得越慢
叶绿素的元素组成是C、H、O、N、Mg，氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素，A项正确；叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体的类囊体薄膜上，B项正确；类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液，其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰，C项正确；叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高，随层析液在滤纸上扩散得越快，D项错误。
解析
2.(2023·江苏卷，T12)下列关于“提取和分离叶绿体色素”实验叙述合理的是(　　)
A.用有机溶剂提取色素时，加入碳酸钙是为了防止类胡萝卜素被破坏
B.若连续多次重复画滤液细线可累积更多的色素，但易出现色素带重叠
C.该实验提取和分离色素的方法可用于测定绿叶中各种色素含量
D.用红色苋菜叶进行实验可得到5条色素带，花青素位于叶绿素a、b之间
提取叶绿体中的色素时，加入碳酸钙是为了防止叶绿素被破坏，A项错误；连续多次重复画滤液细线可累积更多的色素，但也会使滤液细线过粗，从而在分离中出现色素带重叠的现象，B项正确；该实验只能定性分析色素的种类及溶解度等，无法准确测定绿叶中各种色素的含量，C项错误；花青素是水溶性色素，不可通过该实验中的有机溶剂提取，D项错误。
解析
绿叶中色素的提取和分离实验异常现象分析
考点二　光合作用的原理
微考点/大突破
第一部分
1.探索光合作用原理的部分经典实验
O2
水
ATP
二氧化碳
提醒　①希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应,原因是水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的，没有碳参与反应，而糖的合成需要碳的参与。
②鲁宾和卡门的实验以及卡尔文的实验都用到了同位素标记法。
③同位素标记法中使用的同位素不都具有放射性，如18O就没有放射性，不能检测其放射性；而14C有放射性，可被追踪检测。
2.光合作用的过程
(1)反应式：CO2+H2O (CH2O)+O2。
(2)基本过程。
图中：①____________，②____________，③____________，
④____________，⑤____________。
NADPH
2C3
ADP+Pi
O2
(CH2O)
(3)比较光反应与暗反应。
类囊体薄膜
叶绿体基质
光
色素
ATP
NADPH
ATP和NADPH
有机物中稳定的
化学能
提醒　①叶绿体中光合色素吸收的光能，一方面用于H2O分解产生氧和H+；一方面用于ATP的合成。
②NADPH既可作还原剂，又可为暗反应提供能量。
3.光合作用和化能合成作用的比较
氧化无机物放出的能量(或NH3氧化释放的化学能)
CO2和H2O
教材基础辨析
(1)离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后，在合适的条件下可完成暗反应过程。(必修1 P103“图5-14”)( )
(2)C3是指三碳化合物——3-磷酸甘油酸，C5是指五碳化合物——核酮糖-1，5-二磷酸(RuBP)。(必修1 P104“相关信息”)( )
(3)光合作用的产物有淀粉和蔗糖，淀粉和蔗糖可以进入筛管，通过韧皮部运输到植株各处。(必修1 P104“相关信息”)( )
(4)土壤中的硝化细菌可利用CO2和H2O合成糖类。(源自必修1 P106)
( )
√
√
×
√
教材素材拓展
　(必修1 P104“正文”拓展)光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO2，一定时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析。实验发现，仅仅30 s的时间，放射性代谢产物多达几十种。缩短时间到7 s，发现放射性代谢产物减少到12种，想要探究CO2转化成的第一个产物，可能的实验思路是___________________________________________________
__________________________________________________________________________。
不断缩短光照时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析，直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物，该物质即为CO2转化成的第一个产物
1.环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
(1)“过程法”分析各物质变化。
如图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原,当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时，分析相关物质含量在短时间内的变化：
(2)“模型法”表示C3和C5的含量变化。
2.连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析
(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。
(2)在总光照时间、总黑暗时间均相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物积累量要多。
能力一　光合作用的过程(考查科学思维、科学探究)
1.(2021·重庆卷，T6)如图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析，下列叙述错误的是(　　)
A.水光解产生的O2若被有氧呼吸利用，最少要穿过4层膜
B.NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH
C.产生的ATP可用于暗反应及其他消耗能量的反应
D.电子(e-)的有序传递是完成光能转换的重要环节
分析题图可知，水光解产生的O2在类囊体腔内，叶绿体和线粒体均有双层膜，水光解产生的O2若被有氧呼吸利用，至少要穿过5层膜，A项错误；光反应中NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH，提供给暗反应，B项正确；由题图可知，产生的ATP可用于暗反应以及核酸代谢、色素合成等其他消耗能量的反应，C项正确；电子(e-)的有序传递是完成光能转换的重要环节，D项正确。
解析
(1)暗反应的场所：______________。
(2)暗反应的过程：①CO2的固定：____________________；
②三碳化合物的还原：_____________________________。
(3)暗反应中的能量变化：___________________________________
_______________________________。
叶绿体基质
CO2+C5 2C3
酶
2C3 (CH2O)+C5
NADPH、ATP
酶
ATP和NADPH中活跃的化学能转变成储存在(CH2O)中的稳定的化学能
2.(2022·重庆卷，T23)科学家发现，光能会被类囊体转化为“某种能量形式”，并用于驱动产生ATP(如图Ⅰ)。为探寻这种能量形式，他们开展了后续实验。
(1)制备类囊体时，提取液中应含有适宜浓度的蔗糖，以保证其结构完整，原因是_________________________________________；为避免膜蛋白被降解，提取液应保持_______(填“低温”或“常温”)。
(2)在图Ⅰ实验基础上进行图Ⅱ实验，发现该实验条件下，也能产生ATP。但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内外的H+浓度差，原因是____________________________________________
________________________________________________________。
保持类囊体内外的渗透压，避免类囊体破裂
低温
实验Ⅱ是在光照以及低pH条件下对类囊体进行培养，无法证明某种能量是来自光能还是来自膜内外H+浓度差
(3)为探究自然条件下类囊体膜内外产生H+浓度差的原因，对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理，结果如图Ⅲ所示，悬液的pH在光照处理时升高，原因是____________________________________
_____________。类囊体膜内外的H+浓度差是通过光合电子传递和H+转运形成的，电子的最终来源物质是_____。
类囊体膜外H+被转移到类囊体膜内，造成溶液pH升高
水
(4)用菠菜类囊体和人工酶系统组装的人工叶绿体，能在光下生产目标多碳化合物。若要实现黑暗条件下持续生产，需稳定提供的物质有______________________。生产中发现即使增加光照强度，产量也不再增加，若要增产，可采取的有效措施有________________________
__________ (答出两点)。
NADPH、ATP和CO2
增加CO2浓度和适当提高环境温度
(1)制备类囊体时，其提取液中需要添加适宜浓度的蔗糖，保持类囊体内外的渗透压，避免类囊体破裂，以保证其结构完整。提取液应该保持低温，降低蛋白酶的活性，避免膜蛋白被降解。(2)从题图Ⅱ实验中可知，在光照条件下，将pH=4条件下的类囊体转移到pH=8条件下，再在遮光的条件下加入ADP和Pi，也产生了ATP,但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内外的H+浓度差，因为实验Ⅱ是在光照以及低pH条件下对类囊体进行培养，无
解析
法证明某种能量是来自光能还是来自膜内外氢离子浓度差。(3)对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理，悬液的pH在光照处理时升高，推测可能是类囊体膜外H+被转移到类囊体膜内，造成溶液pH升高。类囊体膜内外的H+浓度差是通过光合电子传递和H+转运形成的，光反应过程中，水的光解伴随着电子的传递，故电子的最终来源是水。(4)人工叶绿体，能在光下生产目标多碳化合物，若要在黑暗条件下持续生产，则需要提供光反应产生的物质
解析
NADPH和ATP，以及暗反应的原料CO2。生产中发现即使增加光照强度，产量也不再增加，若要增产，可采取的有效措施有增加二氧化碳的浓度和适当提高环境温度等。
解析
能力二　光合作用过程中物质含量的变化分析(考查科学思维)
3.在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是(　　)
A.红光，ATP下降
B.红光，未被还原的C3上升
C.绿光，NADPH下降
D.绿光，C5上升
叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光等可见光，吸收的绿光很少。将白光改为光照强度相同的红光，光反应增强，叶绿体内产生的ATP和NADPH增多，C3的还原加快，短时间内CO2的固定仍以原来的速率进行，导致未被还原的C3减少，A、B两项错误；将白光改为光照强度相同的绿光，光反应减弱，短时间内叶绿体内产生的ATP和NADPH减少，C项正确；NADPH和ATP的减少必然会导致C3还原生成C5减慢，此时CO2的固定仍以原来的速率消耗C5，则短时间内C5的含量会下降，D项错误。
解析
4.(2023·河北卷，T19)拟南芥发育早期的叶肉细胞中，未成熟叶绿体发育所需ATP须借助其膜上的转运蛋白H由细胞质基质进入。发育到一定阶段，叶肉细胞H基因表达量下降，细胞质基质ATP向成熟叶绿体转运受阻。回答下列问题：
(1)未成熟叶绿体发育所需ATP主要在_____________________合成，经细胞质基质进入叶绿体。
(2)光照时，叶绿体类囊体膜上的色素捕获光能，将其转化为ATP和_________________________中的化学能，这些化学能经________阶段释放并转化为糖类中的化学能。
线粒体(或线粒体内膜)
NADPH(或还原型辅酶Ⅱ)
暗反应
(3)研究者通过转基因技术在叶绿体成熟
的叶肉细胞中实现H基因过量表达，对转
H基因和非转基因叶肉细胞进行黑暗处理，
之后检测二者细胞质基质和叶绿体基质中
ATP相对浓度，结果如图。相对于非转基
因细胞，转基因细胞的细胞质基质ATP浓度明显________。据此推测,
H基因的过量表达造成细胞质基质ATP被________(填“叶绿体”或“线粒体”)大量消耗，细胞有氧呼吸强度________。
降低
叶绿体
升高
(4)综合上述分析，叶肉细胞通过下调__________________________阻止细胞质基质ATP进入成熟的叶绿体，从而防止线粒体_________
__________________________，以保证光合产物可转运到其他细胞供能。
H基因表达(或H蛋白数量)
过多消耗光合产物(或有氧呼吸增强)
(1)由题干可知，拟南芥幼苗叶肉细胞的叶绿体仍在发育时，消耗的ATP主要来自自身线粒体。线粒体中能够大量合成ATP的化学反应在线粒体内膜上进行。(2)在植物光合作用的光反应阶段，光能被光合色素捕获后，转化为储存在ATP和NADPH中的化学能。在暗反应阶段，ATP和NADPH中的化学能再进一步转化固定到糖类等有机物中。(3)由题图可知，叶绿体成熟的非转基因叶肉细胞中细胞质基质ATP浓度远高于叶绿体基质。H基因过量表达后，细胞质基质中ATP浓度下降，且叶绿体基质中ATP浓度未显著升高，表
解析
明叶绿体消耗了从细胞质基质中转入的ATP。推测，H基因过量表达后，大量的ATP转运至叶绿体中被消耗，细胞需提高线粒体呼吸强度，以补充细胞质基质中的ATP。(4)由题分析可知，ATP由细胞质基质向叶绿体转运过程中，H转运蛋白的数量是限制运输速率的一个主要因素。叶绿体成熟的叶肉细胞中H基因的表达下调，H转运蛋白的数量减少，ATP由细胞质基质进入叶绿体被有效阻止，细胞质基质ATP可保持正常生理水平，从而避免了线粒体过多消耗光合产物，保证光合产物可转运到其他细胞供能。
解析
微真题/重体悟
第二部分
1.(2022·湖南卷，T13改编)在夏季晴朗无云的白天，10时左右某植物光合作用强度达到峰值，12时左右光合作用强度明显减弱。光合作用强度减弱的原因可能是( )
A.叶片蒸腾作用强，失水过多使气孔部分关闭，进入体内的CO2量增加
B.光合酶活性降低，呼吸酶不受影响，呼吸释放的CO2量大于光合固定的CO2量
C.叶绿体内膜上的部分光合色素被光破坏，吸收和传递光能的效率降低
D.光反应产物积累，产生反馈抑制，叶片转化光能的能力下降
夏季中午叶片蒸腾作用强，失水过多使气孔部分关闭，进入体内的CO2量减少，暗反应减慢，光合作用强度明显减弱，A项错误；夏季中午气温过高，导致光合酶活性降低，呼吸酶不受影响(呼吸酶最适温度高于光合酶)，光合作用强度减弱，但此时光合作用强度仍然大于呼吸作用强度，即呼吸释放的CO2量小于光合固定的CO2量，B项错误；光合色素分布在叶绿体的类囊体薄膜上，而非
解析
叶绿体内膜上，C项错误；夏季中午叶片蒸腾作用强，失水过多使气孔部分关闭，进入体内的CO2量减少，暗反应减慢，导致光反应产物积累，产生反馈抑制，使叶片转化光能的能力下降，光合作用强度明显减弱，D项正确。
解析
2.(2020·天津卷，T5)研究人员从菠菜中分离类囊体，将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴，从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原，并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是(　　)
A.产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质
B.该反应体系不断消耗的物质仅是CO2
C.类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原
D.与叶绿体相比，该反应体系不含光合作用色素
题干信息“该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物乙醇酸”，说明乙醇酸是在暗反应中合成的，合成场所相当于叶绿体基质，A项正确；该反应体系既能在类囊体上进行光反应，又能利用16种酶等物质进行暗反应，因此该反应体系不断消耗的物质有CO2、H2O等，B项错误；类囊体上进行的光反应为暗反应中C3的还原提供了NADPH和ATP，光反应产生的
解析
O2不参与暗反应，C项错误；该反应体系中有类囊体，在光照条件下还可实现连续的CO2固定与还原，说明该反应体系中有吸收、传递和转化光能的光合作用色素，D项错误。
解析
3.(2022·湖北卷，T12)某植物的2种黄叶突变体表型相似，测定各类植株叶片的光合色素含量(单位：μg·g-1)，结果如表。下列有关叙述正确的是(　　)
植株类型 叶绿素a 叶绿素b 类胡萝卜素 叶绿素/类胡萝卜素
野生型 1 235 519 419 4.19
突变体1 512 75 370 1.59
突变体2 115 20 379 0.36
A.两种突变体的出现增加了物种多样性
B.突变体2比突变体1吸收红光的能力更强
C.两种突变体的光合色素含量差异，是由不同基因的突变所致
D.叶绿素与类胡萝卜素的比值大幅下降可导致突变体的叶片呈黄色
两种突变体及野生型植株之间并无生殖隔离，仍属同一物种，只能体现遗传多样性，A项错误；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，突变体2的叶绿素a和叶绿素b的含量比突变体1少，故突变体2比突
解析
变体1吸收红光的能力弱，B项错误；两种突变体的光合色素含量差异，可能是不同基因的突变所致，也可能是同一个基因突变方向不同导致的，C项错误；野生型的叶绿素与类胡萝卜素的比值为4.19，叶绿素含量较高，叶片呈绿色，突变体的叶绿素与类胡萝卜素的比值大幅下降，叶绿素含量少，不能掩盖类胡萝卜素的颜色，此时叶片呈黄色，D项正确。
解析
4.(2021·全国乙卷，T29)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。
细胞质基质、线粒体、叶绿体
细胞呼吸
水分大量散失
光合作用
(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)
实验思路：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。预期结果：B组液泡中的pH白天和夜晚无明显变化，A组液泡中的pH夜晚明显低于白天。
(1)叶肉细胞的细胞呼吸场所为细胞质基质和线粒体，光合作用场所为叶绿体，细胞呼吸和光合作用均能产生ATP，所以白天叶肉细胞产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体。据题意可知，虽然白天气孔关闭，但液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用，此外细胞呼吸释放的CO2也可供给叶绿体，用于光合作用。(2)该类植物生活在干旱环境中，白天气孔关闭，可以防止蒸腾作用太强而导致水分大量散失；夜晚气孔打开，可以
解析
从外界吸收CO2，CO2通过生成苹果酸储存在液泡中，白天时苹果酸脱羧释放出CO2，保证了该类植物光合作用的正常进行。(3)由题干信息可知，夜间植物甲的叶肉细胞吸收CO2生成的苹果酸储存在液泡中，白天液泡中的苹果酸脱羧释放CO2用于光合作用，故可推知夜间植物甲叶肉细胞液的pH小于白天叶肉细胞液的pH，具体实验思路和预期结果见答案。
解析
5.(2024·甘肃卷，T17)类胡萝卜素不仅参与光合作用，还是一些植物激素的合成前体。研究者发现了某作物的一种胎萌突变体，其种子大部分为黄色，少部分呈白色，白色种子未完全成熟即可在母体上萌发。经鉴定，白色种子为某基因的纯合突变体。在正常光照下
(400 μmol·m-2·s-1)，纯合突变体叶片中叶绿体发育异常、类囊体消失。将野生型和纯合突变体种子在黑暗中萌发后转移到正常光和弱光(1 μmol·m-2·s-1)下培养一周，提取并测定叶片叶绿素和类胡萝卜素含量，结果如图所示。回答下列问题：
(1)提取叶片中叶绿素和类胡萝卜素常使用的溶剂是_____________，加入少许碳酸钙可以________________________。
无水乙醇
防止研磨中色素被破坏
(2)野生型植株叶片叶绿素含量在正常光下比弱光下高，其原因是____________________________________________________。
(3)正常光照条件下种植纯合突变体将无法获得种子，因为_________
_________________________________________________________________________________________________。
(4)现已知此突变体与类胡萝卜素合成有关，本研究中支持此结论的证据有：①纯合体种子为白色；②_____________________________
_________________________________。
叶绿素的形成需要光照，正常光下更有利于叶绿素的形成
纯合突变体叶片中的叶绿素和类胡萝卜素的相对含量都极低，光合作用极弱，无法满足植株生长对有机物的需求
与野生型相比，纯合突变体叶片中类胡萝卜素含量极低(几乎为零)
(5)纯合突变体中可能存在某种植物激素X的合成缺陷，X最可能是____________。若以上推断合理，则干旱处理能够提高野生型中激素X的含量，但不影响纯合突变体中X的含量。为检验上述假设，请完成下面的实验设计：
①植物培养和处理：取野生型和纯合突变体种子，萌发后在________________条件下培养一周，然后将野生型植株均分为A、B两组，将突变体植株均分为C、D两组，A、C组为对照，B、D组干旱处理4小时。
细胞分裂素
含水量等适宜
②测量指标：每组取3~5株植物的叶片，在显微镜下观察、测量并记录各组的______________________________________。
③预期结果：______________________________________________
___________________________________________。
叶绿体的大小及数量，取其平均值
B组叶绿体的大小及数量高于A组，C、D两组叶绿体的大小及数量无差异且均明显低于A、B两组
(1)叶片中的叶绿素和类胡萝卜素都能溶解在有机溶剂中，所以常使用无水乙醇提取。加入少许碳酸钙可以防止研磨中色素被破坏。(2)叶绿素的形成需要光照，正常光下更有利于叶绿素的形成，所以野生型植株叶片叶绿素含量在正常光下比弱光下高。(3)在正常光照下(400 μmol·m-2·s-1)，纯合突变体叶片中叶绿体发育异常、类囊体消失，叶绿素和类胡萝卜素的相对含量都极低，分别为0.3和0.1，说明纯合突变体的光合作用极弱，无法满足植株生长对有
解析
机物的需求，使得植株难以生长，因此正常光照条件下种植纯合突变体将无法获得种子。(4)由题图可知，与野生型相比，纯合体种子为白色且纯合突变体叶片中类胡萝卜素含量极低(几乎为零),说明此突变体与类胡萝卜素合成有关。(5)纯合突变体中可能存在某种植物激素X的合成缺陷。由题图可知，纯合突变体叶片中的叶绿素和类胡萝卜素的相对含量都极低，而细胞分裂素能促进叶绿素的合成，据此可推知，X最可能是细胞分裂素。若以上推断
解析
合理，则干旱处理能够提高野生型中激素X的含量，但不影响纯合突变体中X的含量。为检验上述假设，并结合题意“在正常光照下，纯合突变体叶片中叶绿体发育异常、类囊体消失”可知，该实验的自变量是植株的种类和培养条件，因变量是叶绿体的大小及数量，而在实验过程中对植株的生长有影响的无关变量应控制相同且适宜。实验设计应遵循对照原则和单一变量原则，补充完善的实验设计内容见答案。
解析课时微练(九)　捕获光能的色素和结构及光合作用的原理
　
一、选择题:本题共10小题,在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的
1.(2025·南阳模拟)在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂(悬浮液中有H2O,没有CO2),光照条件下可以释放出O2,该反应称为希尔反应。下列说法正确的是(　　)
A.希尔反应说明植物产生的O2中的氧元素全部来自水
B.希尔反应悬浮液中铁盐的作用与NADP+的作用相似
C.只提供水、光合色素和酶,在适宜光照等条件下可产生O2
D.希尔反应发生在叶绿体的内膜,反应中O2的释放速率代表净光合作用速率
2.下列有关实验变量的叙述,错误的是(　　)
A.用小球藻和CO2验证卡尔文循环的实验中,自变量是CO2中C是否被标记
B.利用淀粉酶、蔗糖、淀粉探究酶的专一性实验,因变量是是否产生还原糖
C.恩格尔曼利用水绵和需氧细菌研究光合作用的实验中,因变量观测指标是需氧细菌的分布情况
D.鲁宾和卡门研究光合作用中O2来源的实验中,自变量是被18O标记的原料
3.(2025·德州模拟)卡尔文与同事利用14C探明了光合作用中的碳固定途径,为了进一步探究14CO2和哪种物质结合生成C3,卡尔文在反应中将14CO2的浓度由1%突然降至0.003%,检测部分物质的含量变化,结果如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.图中的物质B表示C5化合物,物质C表示C3化合物
B.1分子14CO2固定生成的2个C3中,只有1个C3中含有14C
C.根据0 s后物质B含量上升即可判定物质B最先与CO2结合
D.若300 s后停止光照,短时间内C3含量上升而C5含量下降
4.(2023·湖北卷,T8)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PS Ⅰ和PS Ⅱ光复合体,PS Ⅱ光复合体含有光合色素,能吸收光能,并分解水。研究发现,PS Ⅱ光复合体上的蛋白质LHC Ⅱ,通过与PS Ⅱ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHC Ⅱ与PS Ⅱ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是(　　)
A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,PS Ⅱ光复合体对光能的捕获增强
B.Mg2+含量减少会导致PS Ⅱ光复合体对光能的捕获减弱
C.弱光下LHC Ⅱ与PS Ⅱ结合,不利于对光能的捕获
D.PS Ⅱ光复合体分解水可以产生H+、电子和O2
5.卡尔文为了探明暗反应中碳原子的转移途径,给植物提供14CO2,当反应进行至第5 s时,14C出现在一种C5和一种C6中,当时间缩短到0.5 s时,14C出现在一种C3中,下列相关叙述错误的是(　　)
A.用14C标记CO2的目的是追踪暗反应中的碳原子
B.卡尔文通过控制反应时间来探究碳原子的转移途径
C.若适当延长反应时间,则可能会检测到更多种含14C的化合物
D.该实验研究暗反应,因此应该在黑暗环境中进行
6.气孔保卫细胞的细胞膜中存在一种特殊的K+转运蛋白BLINK1,在光信号的诱导下,BLINK1可以促进K+进入保卫细胞,从而使气孔打开,实现对气孔的调控,过程如图所示。下列分析正确的是(　　)
A.BLINK1既有运输作用又有催化作用
B.光照越强,K+进入保卫细胞越多,气孔开度越大
C.气孔打开,短时间内会引起C3还原减少,C3含量增加
D.该调节过程会使气孔关闭,CO2吸收困难,不利于植物生命活动正常进行
7.植物光合作用过程(A)和人工合成淀粉过程(B)如图所示。下列叙述错误的是(　　)
A.植物光合作用和人工合成淀粉过程中所需的酶都是在细胞内合成的
B.植物光合作用与人工合成淀粉新途径中,能量转换方式和还原剂作用对象不相同
C.叶肉细胞内类似于CO2有机C1C3中间体的过程需光反应提供NADPH和ATP
D.与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,人工合成淀粉过程积累的淀粉的量大于植物积累的淀粉的量
8.如图是某绿藻适应水生环境,提高光合效率的机制图。光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成。下列叙述错误的是(　　)
A.物质X通过提高有氧呼吸水平促进HC进入细胞质基质
B.HC利用通道蛋白从细胞质基质进入叶绿体基质
C.水光解产生的H+提高类囊体腔CO2水平,促进CO2进入叶绿体基质
D.光反应通过确保暗反应的CO2的供应,帮助该绿藻适应水生环境
9.(2025·武汉模拟)光呼吸是植物利用光能,吸收O2并释放CO2的过程。研究者将四种酶基因(GLO、CAT、GCL、TSR)导入水稻叶绿体,创造了一条新的光呼吸代谢支路(GCGT支路),如图虚线所示。据图分析,下列推测不正确的是(　　)
A.光呼吸时C5与O2的结合发生在叶绿体基质中
B.光呼吸利用的C,一部分可重新进入卡尔文循环
C.有GCGT支路的转基因植物发生了基因突变
D.GCGT支路可以降低碳损失,从而提高光合速率
10.某生物技术研究所科研团队历时六年科研攻关,实现了世界上第一次二氧化碳到淀粉的人工合成,这是基础研究领域的重大突破。技术路径如图所示,图中①~⑥表示相关过程,以下分析错误的是(　　)
A.与叶肉细胞相比,该系统不进行细胞呼吸消耗糖类,能积累更多的有机物
B.过程④⑤⑥类似于固定二氧化碳产生糖类的过程
C.该过程实现了“光能→活跃的化学能→有机物中稳定的化学能”的能量转化
D.若该技术能推广应用,将能够缓解粮食短缺,同时能节约耕地
二、非选择题
11.(2020·山东卷,T21)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如图所示,其中甲、乙表示物质,模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是______________,模块3中的甲可与CO2结合,甲为______________。
(2)若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将_______(填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长,模块2中的能量转换效率也会发生改变,原因是____________________________________________________________________。
(3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,该系统糖类的积累量_______(填“高于”“低于”或“等于”)植物,原因是____________________________________________________________________。
(4)干旱条件下,很多植物光合作用速率降低,主要原因是_________________________________________________。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低,在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。
12.(科学探究)(2021·江苏卷,T20)线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要,如图表示叶肉细胞中部分代谢途径,虚线框内表示“草酰乙酸/苹果酸穿梭”。请据图回答下列问题:
(1)叶绿体在____________上将光能转变成化学能,参与这一过程的两类色素是_____________________。
(2)光合作用时,CO2与C5结合产生三碳酸,继而还原成三碳糖(C3)。为维持光合作用持续进行,部分新合成的C3必须用于再生_______;运到细胞质基质中的C3可合成蔗糖,运出细胞。每运出一分子蔗糖相当于固定了_______个CO2分子。
(3)在光照过强时,细胞必须耗散掉叶绿体吸收的过多光能,避免细胞损伤。草酰乙酸/苹果酸穿梭可有效地将光照产生的_______中的还原能输出叶绿体,并经线粒体转化为_______中的化学能。
(4)为研究线粒体对光合作用的影响,用寡霉素(电子传递链抑制剂)处理大麦,实验方法是取培养10~14 d大麦苗,将其茎浸入添加了不同浓度寡霉素的水中,通过蒸腾作用使药物进入叶片。光照培养后,测定、计算光合放氧速率(单位为μ mol O2·mg-1chl·h-1,chl为叶绿素)。请完成下表。
实验步骤和目的 简要操作过程
配制不同浓度的寡霉素丙酮溶液 寡霉素难溶于水,需先溶于丙酮,配制高浓度母液,再用丙酮稀释成不同药物浓度,用于加入水中
设置寡霉素为单一变量的对照组 ①____________________________________________________________________
②____________________________________________________________________ 对照组和各实验组均测定多个大麦叶片
光合放氧测定 用氧电极测定叶片放氧
③______________ 称重叶片,加乙醇研磨,定容,离心,取上清液测定
课时微练(九)　捕获光能的色素和结构及光合作用的原理
1.B　解析　希尔反应的结果仅说明了离体的叶绿体在适当的条件下可以发生水的光解,产生氧气,该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰,也并没有直接观察到氧元素的转移,因此不能证明植物产生的O2中的氧元素全部来自水,A项错误;希尔反应悬浮液中铁盐或其他氧化剂相当于光合作用中的NADP+,B项正确;只提供水、光合色素和酶,没有加入NADP+等氧化剂及叶绿体相应完整结构,适宜光照条件下不可产生O2,C项错误;希尔反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上,希尔反应的实验材料是离体的叶绿体,不进行呼吸作用,故反应中O2的释放速率不代表净光合作用速率,D项错误。
2.A　解析　用小球藻和CO2验证卡尔文循环的实验中,自变量是时间,A项错误;利用淀粉酶、蔗糖、淀粉探究酶的专一性实验中,需借助斐林试剂检测是否产生了还原糖,即因变量是是否产生还原糖,B项正确;恩格尔曼利用水绵和需氧细菌进行实验,通过观察需氧细菌的分布来判断O2产生的部位,最终证明叶绿体是进行光合作用的场所,C项正确;鲁宾和卡门用同位素示踪法证明光合作用释放的O2来自水,自变量是被18O标记的原料,D项正确。
3.C　解析　在CO2浓度突然降低时,CO2+C52C3这个反应会因为CO2减少、C5供应不变而使C3减少、C5增加,从题图中可以看出物质B在CO2浓度降低后含量上升,物质C在CO2浓度降低后含量下降,所以物质B表示C5化合物,物质C表示C3化合物,A项正确;CO2固定时,14CO2+C52C3,生成的2个C3分子中只有1个C3含有14C,B项正确;虽然0 s后物质B含量上升,但不能仅根据这一点就判定物质B最先与CO2结合,C项错误;若300 s后停止光照,NADPH和ATP的合成停止,C3的还原受阻,而CO2的固定仍在进行,所以短时间内C3含量上升而C5含量下降,D项正确。
4.C　解析　据题图可知,在强光下,PS Ⅱ与LHC Ⅱ分离,减弱PS Ⅱ光复合体对光能的捕获;在弱光下,PS Ⅱ与LHC Ⅱ结合,增强PS Ⅱ光复合体对光能的捕获。LHC Ⅱ和PS Ⅱ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化,叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,会导致类囊体膜上PS Ⅱ光复合体与LHC Ⅱ结合增多,从而使PS Ⅱ光复合体对光能的捕获增强,A项正确。镁是合成叶绿素的原料,叶绿素能吸收、传递和转化光能,若Mg2+含量减少,PS Ⅱ光复合体中光合色素含量降低,导致PS Ⅱ光复合体对光能的捕获减弱,B项正确。弱光下PS Ⅱ光复合体与LHC Ⅱ结合,有利于对光能的捕获,C项错误。类囊体膜上的PS Ⅱ光复合体含有光合色素,在光反应中,其能吸收光能并分解水产生H+、电子和O2,D项正确。
5.D　解析　该实验中用14C标记CO2的目的是追踪暗反应中的碳原子,便于根据放射性检测碳原子的转移途径,A项正确;卡尔文通过控制反应时间来探究碳原子的转移途径,在不同的时间点检测放射性,能探明碳原子的转移途径,B项正确;若适当延长反应时间,则14C可能会转移到更多的中间产物中,C项正确;该实验虽研究的是暗反应,但暗反应的进行需要光反应提供NADPH、ATP,因此该实验要在光照条件下进行,D项错误。
6.A　解析　由题图可知,BLINK1可以催化ATP形成ADP,同时还可以在光的驱动下将K+运入细胞内,故BLINK1既有运输作用又有催化作用,A项正确;在一定范围内,光照越强,进入保卫细胞的K+越多,气孔开度越大,超出该范围,光照越强,进入保卫细胞的K+可能减少,气孔开度可能减小,B项错误;气孔打开,短时间内会引起固定的CO2增多,而C3的还原不受影响,故C3含量增加,C项错误;该调节过程可以调控气孔的开启与关闭,有利于植物适应不同环境,有利于植物的生命活动正常进行,D项错误。
7.C　解析　酶是活细胞产生的,题图所示植物光合作用和人工合成淀粉过程中所需的酶都来自生物体内,都是在细胞内合成的,A项正确。光合作用中能量转换过程为光能→ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能,还原剂作用对象为C3;人工合成淀粉新途径中能量转换过程为光能→电能→有机物中稳定的化学能,还原剂作用对象为CO2,B项正确。人工合成淀粉新途径中由CO2→有机C1→C3中间体的过程,与绿色植物叶肉细胞内CO2的固定过程类似,不需要光反应提供NADPH和ATP,C项错误。在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,光合作用、人工合成淀粉两种途径合成糖类相等,而人工合成淀粉的过程中没有呼吸作用消耗糖类(植物呼吸作用消耗糖类),因此人工合成淀粉过程中积累的淀粉量更多,D项正确。
方法技巧　光合作用过程中的“二二三四”法则
8.B　解析　光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成,因此物质X可通过提高有氧呼吸水平促进HC进入细胞质基质,A项正确;HC进入叶绿体基质也需要线粒体产生的ATP供能,属于主动运输,通道蛋白只能参与协助扩散,B项错误;据题图可知,光反应中水光解产生的H+促进HC进入类囊体,并与HC在类囊体腔内反应产生CO2,因此能增大类囊体腔内外CO2浓度差,促进CO2自由扩散进入叶绿体基质,C项正确;据题图可知,光反应生成的物质X(O2)促进线粒体的有氧呼吸,产生更多的ATP,有利于HC进入叶绿体基质,产生CO2,保证了暗反应的CO2供应,D项正确。
9.C　解析　卡尔文循环的场所为叶绿体基质,题图中光呼吸代谢支路利用卡尔文循环中的C5,故C5和O2的结合发生在叶绿体基质中,A项正确;GCGT支路中,甘油酸可转化为PGA,进而将碳重新回收进入卡尔文循环,B项正确;转基因属于基因重组,C项错误;光呼吸代谢支路(GCGT支路)可以将部分碳重新回收进入卡尔文循环,有利于降低光呼吸消耗,从而提高光合速率,D项正确。
10.C　解析　与叶肉细胞相比,该系统不进行细胞呼吸消耗糖类,能积累更多的有机物,A项正确;④⑤⑥过程形成淀粉,类似于固定二氧化碳产生糖类的过程,B项正确;该过程实现了“光能→电能→有机物中稳定的化学能”的能量转化,C项错误;该研究成果的意义是有助于实现碳中和、缓解人类粮食短缺问题和节约耕地资源,D项正确。
11.答案　(1)模块1和模块2　五碳化合物(或C5)　(2)减少　模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足　(3)高于　人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或植物呼吸作用消耗糖类)　(4)叶片气孔开放程度降低,CO2的吸收量减少
解析　(1)根据题图可知,模块1利用太阳能发电装置将吸收的光能转换为电能,模块2利用电能电解H2O生成H+和O2,并发生能量转换过程。该系统中的模块1和模块2执行相当于叶绿体中光反应功能。模块3将大气中的CO2转换为糖类,相当于光合作用的暗反应。暗反应中CO2和C5结合生成C3,C3在光反应提供的NADPH和ATP的作用下被还原,随后经过一系列反应形成糖类和C5,故该系统中模块3中的甲为五碳化合物(C5),乙为三碳化合物(C3)。(2)若正常运转过程中气泵突然停转,则CO2浓度突然降低,CO2的固定受阻,而三碳化合物(C3)的还原短时间内仍正常进行,因此短时间内会导致三碳化合物(C3)含量减少。暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+,若该系统气泵停转时间较长,则模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足,从而导致模块2中的能量转换效率发生改变。(3)植物中糖类的积累量=光合作用合成糖类的量-细胞呼吸消耗糖类的量。与植物相比,人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类,所以在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,该系统糖类的积累量高于植物。(4)干旱条件下,土壤含水量低,导致植物叶片气孔开放程度降低,CO2的吸收量减少,因而光合作用速率降低。
12.答案　(1)类囊体薄膜　叶绿素、类胡萝卜素　(2)C5　12　(3)NADPH　ATP　(4)①在水中加入相同体积不含寡霉素的丙酮
②减少叶片差异造成的误差　③叶绿素定量测定(或测定叶绿素含量)
解析　(2)C3在叶绿体基质中合成,一些C3必须用于再生C5以维持光合作用持续进行,另一部分被运到细胞质基质中,运到细胞质基质中的C3可合成蔗糖,运出细胞。蔗糖是二糖,一分子蔗糖是由两分子六碳糖结合形成的,每运出一分子蔗糖需要固定12个CO2分子。(3)光反应的产物有ATP和NADPH,其中NADPH起还原剂的作用,含有还原能,草酰乙酸/苹果酸穿梭可将还原能输出叶绿体,经线粒体进行呼吸作用转化为ATP中的化学能。(4)设计实验应遵循单一变量原则和对照原则,①在水中加入相同体积不含寡霉素的丙酮,即设置寡霉素为单一变量的对照组;②对照组和各实验组均测定多个大麦叶片,可减少叶片差异产生的误差;③叶绿素定量测定、计算光合放氧速率以研究线粒体对光合作用的影响,故称重叶片,加乙醇研磨,定容,离心,取上清液进行叶绿素定量测定。(共41张PPT)
课时微练（九）
捕获光能的色素和结构及光合作用的原理
一、选择题：本题共10小题，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的
1.(2025·南阳模拟)在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂
(悬浮液中有H2O，没有CO2)，光照条件下可以释放出O2，该反应称为希尔反应。下列说法正确的是( )
A.希尔反应说明植物产生的O2中的氧元素全部来自水
B.希尔反应悬浮液中铁盐的作用与NADP+的作用相似
C.只提供水、光合色素和酶，在适宜光照等条件下可产生O2
D.希尔反应发生在叶绿体的内膜，反应中O2的释放速率代表净光合作用速率
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希尔反应的结果仅说明了离体的叶绿体在适当的条件下可以发生水的光解，产生氧气，该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移，因此不能证明植物产生的O2中的氧元素全部来自水，A项错误；希尔反应悬浮液中铁盐或其他氧化剂相当于光合作用中的NADP+，B项正确；只提供水、光合色素和酶，没有加入NADP+等氧化剂及叶绿体相应完整结构，适宜光照条件下不可产生O2，C项错误；希尔反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上，希尔反应的实验材料是离体的叶绿体，不进行呼吸作用，故反应中O2的释放速率不代表净光合作用速率，D项错误。
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2.下列有关实验变量的叙述，错误的是( )
A.用小球藻和CO2验证卡尔文循环的实验中，自变量是CO2中C是否被标记
B.利用淀粉酶、蔗糖、淀粉探究酶的专一性实验，因变量是是否产生还原糖
C.恩格尔曼利用水绵和需氧细菌研究光合作用的实验中，因变量观测指标是需氧细菌的分布情况
D.鲁宾和卡门研究光合作用中O2来源的实验中，自变量是被18O标记的原料
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用小球藻和CO2验证卡尔文循环的实验中，自变量是时间，A项错误；利用淀粉酶、蔗糖、淀粉探究酶的专一性实验中，需借助斐林试剂检测是否产生了还原糖，即因变量是是否产生还原糖，B项正确；恩格尔曼利用水绵和需氧细菌进行实验，通过观察需氧细菌的分布来判断O2产生的部位，最终证明叶绿体是进行光合作用的场所，C项正确；鲁宾和卡门用同位素示踪法证明光合作用释放的O2来自水，自变量是被18O标记的原料，D项正确。
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3.(2025·德州模拟)卡尔文与同事利用14C探明了光合作用中的碳固定途径，为了进一步探究14CO2和哪种物质结合生成C3，卡尔文在反应中将14CO2的浓度由1%突然降至0.003%，检测部分物质的含量变化，结果如图所示。下列说法错误的是( )
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A.图中的物质B表示C5化合物，物质C表示C3化合物
B.1分子14CO2固定生成的2个C3中，只有1个C3中含有14C
C.根据0 s后物质B含量上升即可判定物质B最先与CO2结合
D.若300 s后停止光照，短时间内C3含量上升而C5含量下降
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在CO2浓度突然降低时，CO2+C5 2C3这个反应会因为CO2减少、C5供应不变而使C3减少、C5增加，从题图中可以看出物质B在CO2浓度降低后含量上升，物质C在CO2浓度降低后含量下降，所以物质B表示C5化合物，物质C表示C3化合物，A项正确；CO2固定时，14CO2+C5 2C3,生成的2个C3分子中只有1个C3含有14C，B项正确;虽然0 s后物质B含量上升，但不能仅根据这一点就判定物质B最先与CO2结合，C项错误；若300 s后停止光照，NADPH和ATP的合成停止，C3的还原受阻，而CO2的固定仍在进行，所以短时间内C3含量上升而C5含量下降，D项正确。
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4.(2023·湖北卷，T8)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PS Ⅰ和PS Ⅱ光复合体，PS Ⅱ光复合体含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究发现，PS Ⅱ光复合体上的蛋白质LHC Ⅱ，通过与PS Ⅱ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHC Ⅱ与PS Ⅱ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是( )
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A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，PS Ⅱ光复合体对光能的捕获增强
B.Mg2+含量减少会导致PS Ⅱ光复合体对光能的捕获减弱
C.弱光下LHC Ⅱ与PS Ⅱ结合，不利于对光能的捕获
D.PS Ⅱ光复合体分解水可以产生H+、电子和O2
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据题图可知，在强光下，PS Ⅱ与LHC Ⅱ分离，减弱PS Ⅱ光复合体对光能的捕获；在弱光下，PS Ⅱ与LHC Ⅱ结合，增强PS Ⅱ光复合体对光能的捕获。LHC Ⅱ和PS Ⅱ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化，叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，会导致类囊体膜上PS Ⅱ光复合体与LHC Ⅱ结合增多，从而使PS Ⅱ光复合体对光能的捕获增强，A项正确。镁是合成叶绿素的原料，叶绿素能吸收、传递和转化光能，若Mg2+含量减少，PS Ⅱ光复合体中光合色素含量
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降低，导致PS Ⅱ光复合体对光能的捕获减弱，B项正确。弱光下PS Ⅱ光复合体与LHC Ⅱ结合，有利于对光能的捕获，C项错误。类囊体膜上的PS Ⅱ光复合体含有光合色素，在光反应中，其能吸收光能并分解水产生H+、电子和O2，D项正确。
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5.卡尔文为了探明暗反应中碳原子的转移途径，给植物提供14CO2，当反应进行至第5 s时，14C出现在一种C5和一种C6中，当时间缩短到0.5 s时，14C出现在一种C3中，下列相关叙述错误的是( )
A.用14C标记CO2的目的是追踪暗反应中的碳原子
B.卡尔文通过控制反应时间来探究碳原子的转移途径
C.若适当延长反应时间，则可能会检测到更多种含14C的化合物
D.该实验研究暗反应，因此应该在黑暗环境中进行
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该实验中用14C标记CO2的目的是追踪暗反应中的碳原子，便于根据放射性检测碳原子的转移途径，A项正确；卡尔文通过控制反应时间来探究碳原子的转移途径，在不同的时间点检测放射性，能探明碳原子的转移途径，B项正确；若适当延长反应时间，则14C可能会转移到更多的中间产物中，C项正确；该实验虽研究的是暗反应，但暗反应的进行需要光反应提供NADPH、ATP，因此该实验要在光照条件下进行，D项错误。
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6.气孔保卫细胞的细胞膜中存在一种特殊的K+转运蛋白BLINK1，在光信号的诱导下，BLINK1可以促进K+进入保卫细胞，从而使气孔打开，实现对气孔的调控，过程如图所示。
下列分析正确的是( )
A.BLINK1既有运输作用又有催化作用
B.光照越强，K+进入保卫细胞越多，气孔
开度越大
C.气孔打开，短时间内会引起C3还原减少，C3含量增加
D.该调节过程会使气孔关闭，CO2吸收困难，不利于植物生命活动正常进行
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由题图可知，BLINK1可以催化ATP形成ADP，同时还可以在光的驱动下将K+运入细胞内，故BLINK1既有运输作用又有催化作用，A项正确；在一定范围内，光照越强，进入保卫细胞的K+越多，气孔开度越大，超出该范围，光照越强，进入保卫细胞的K+可能减少，气孔开度可能减小，B项错误；气孔打开,短时间内会引起固定的CO2增多，而C3的还原不受影响，故C3含量增加，C项错误；该调节过程可以调控气孔的开启与关闭，有利于植物适应不同环境，有利于植物的生命活动正常进行，D项错误。
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7.植物光合作用过程(A)和人工合成淀粉过程(B)如图所示。下列叙述错误的是( )
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A.植物光合作用和人工合成淀粉过程中所需的酶都是在细胞内合成的
B.植物光合作用与人工合成淀粉新途径中，能量转换方式和还原剂作用对象不相同
C.叶肉细胞内类似于CO2→有机C1→C3中间体的过程需光反应提供NADPH和ATP
D.与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，人工合成淀粉过程积累的淀粉的量大于植物积累的淀粉的量
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酶是活细胞产生的，题图所示植物光合作用和人工合成淀粉过程中所需的酶都来自生物体内，都是在细胞内合成的，A项正确。光合作用中能量转换过程为光能→ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能，还原剂作用对象为C3；人工合成淀粉新途径中能量转换过程为光能→电能→有机物中稳定的化学能，还原剂作用对象为CO2，B项正确。人工合成淀粉新途径中由CO2
→有机C1→C3中间体的过程，与绿色植物叶肉细胞内CO2的固定
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过程类似，不需要光反应提供NADPH和ATP，C项错误。在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，光合作用、人工合成淀粉两种途径合成糖类相等，而人工合成淀粉的过程中没有呼吸作用消耗糖类(植物呼吸作用消耗糖类)，因此人工合成淀粉过程中积累的淀粉量更多，D项正确。
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光合作用过程中的“二二三四”法则
方法技巧
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8.如图是某绿藻适应水生环境，提高光合效率的机制图。光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成。下列叙述错误的是( )
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A.物质X通过提高有氧呼吸水平促进HC进入细胞质基质
B.HC利用通道蛋白从细胞质基质进入叶绿体基质
C.水光解产生的H+提高类囊体腔CO2水平，促进CO2进入叶绿体基质
D.光反应通过确保暗反应的CO2的供应，帮助该绿藻适应水生环境
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光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成，因此物质X可通过提高有氧呼吸水平促进HC进入细胞质基质，A项正确；HC进入叶绿体基质也需要线粒体产生的ATP供能，属于主动运输，通道蛋白只能参与协助扩散，B项错误；据题图可知，光反应中水光解产生的H+促进HC进入类囊体，并与HC在类囊体腔内反应产生CO2，因此能增大类囊体腔内外CO2浓度差,促进CO2自由扩散进入叶绿体基质，C项正确；据题图可知，光反应生成的物质X(O2)促进线粒体的有氧呼吸，产生更多的ATP，有利于HC进入叶绿体基质，产生CO2，保证了暗反应的CO2供应，D项正确。
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9.(2025·武汉模拟)光呼吸是植物利用光能，吸收O2并释放CO2的过程。研究者将四种酶基因(GLO、CAT、GCL、TSR)导入水稻叶绿体,创造了一条新的光呼吸代谢支路(GCGT支路)，如图虚线所示。据图分析，下列推测不正确的是( )
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A.光呼吸时C5与O2的结合发生在叶绿体基质中
B.光呼吸利用的C，一部分可重新进入卡尔文循环
C.有GCGT支路的转基因植物发生了基因突变
D.GCGT支路可以降低碳损失，从而提高光合速率
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卡尔文循环的场所为叶绿体基质，题图中光呼吸代谢支路利用卡尔文循环中的C5，故C5和O2的结合发生在叶绿体基质中，A项正确；GCGT支路中，甘油酸可转化为PGA，进而将碳重新回收进入卡尔文循环，B项正确；转基因属于基因重组，C项错误；光呼吸代谢支路(GCGT支路)可以将部分碳重新回收进入卡尔文循环，有利于降低光呼吸消耗，从而提高光合速率，D项正确。
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10.某生物技术研究所科研团队历时六年科研攻关，实现了世界上第一次二氧化碳到淀粉的人工合成，这是基础研究领域的重大突破。技术路径如图所示，图中①~⑥表示相关过程，以下分析错误的是( )
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A.与叶肉细胞相比，该系统不进行细胞呼吸消耗糖类，能积累更多的有机物
B.过程④⑤⑥类似于固定二氧化碳产生糖类的过程
C.该过程实现了“光能→活跃的化学能→有机物中稳定的化学能”的能量转化
D.若该技术能推广应用，将能够缓解粮食短缺，同时能节约耕地
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与叶肉细胞相比，该系统不进行细胞呼吸消耗糖类，能积累更多的有机物，A项正确；④⑤⑥过程形成淀粉，类似于固定二氧化碳产生糖类的过程，B项正确；该过程实现了“光能→电能→有机物中稳定的化学能”的能量转化，C项错误；该研究成果的意义是有助于实现碳中和、缓解人类粮食短缺问题和节约耕地资源，D项正确。
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二、非选择题
11.(2020·山东卷，T21)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类，相关装置及过程如图所示，其中甲、乙表示物质，模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
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(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是_____________，模块3中的甲可与CO2结合，甲为___________________。
(2)若正常运转过程中气泵突然停转，则短时间内乙的含量将________
(填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长，模块2中的能量转换效率也会发生改变，原因是_______________________________________。
模块1和模块2
五碳化合物(或C5)
减少
模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足
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(3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量_________(填“高于”“低于”或“等于”)植物，原因是_____________
_______________________________________________________。
(4)干旱条件下，很多植物光合作用速率降低，主要原因是_______________________________________。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低，在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。
高于
人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或植物呼吸作用消耗糖类)
叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少
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(1)根据题图可知，模块1利用太阳能发电装置将吸收的光能转换为电能，模块2利用电能电解H2O生成H+和O2，并发生能量转换过程。该系统中的模块1和模块2执行相当于叶绿体中光反应功能。模块3将大气中的CO2转换为糖类，相当于光合作用的暗反应。暗反应中CO2和C5结合生成C3，C3在光反应提供的NADPH和ATP的作用下被还原，随后经过一系列反应形成糖类和C5，故该系统中模块3中的甲为五碳化合物(C5)，乙为三碳化合物(C3)。(2)若正常运转过程中气泵突然停转，则CO2浓度突然降低，CO2的固定受阻，而三碳化合物(C3)的还原短时间内仍正常进行，因此短时间内会导致三碳化合物(C3)含量减
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少。暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+，若该系统气泵停转时间较长，则模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足，从而导致模块2中的能量转换效率发生改变。(3)植物中糖类的积累量=光合作用合成糖类的量-细胞呼吸消耗糖类的量。与植物相比，人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类，所以在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量高于植物。(4)干旱条件下，土壤含水量低，导致植物叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少，因而光合作用速率降低。
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12.(科学探究)(2021·江苏卷，T20)线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要，如图表示叶肉细胞中部分代谢途径，虚线框内表示“草酰乙酸/苹果酸穿梭”。请据图回答下列问题:
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(1)叶绿体在_____________上将光能转变成化学能，参与这一过程的两类色素是__________________________。
(2)光合作用时，CO2与C5结合产生三碳酸，继而还原成三碳糖(C3)。为维持光合作用持续进行，部分新合成的C3必须用于再生_______；运到细胞质基质中的C3可合成蔗糖，运出细胞。每运出一分子蔗糖相当于固定了________个CO2分子。
类囊体薄膜
叶绿素、类胡萝卜素
C5
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(3)在光照过强时，细胞必须耗散掉叶绿体吸收的过多光能，避免细胞损伤。草酰乙酸/苹果酸穿梭可有效地将光照产生的___________中的还原能输出叶绿体，并经线粒体转化为_________中的化学能。
(4)为研究线粒体对光合作用的影响，用寡霉素(电子传递链抑制剂)处理大麦，实验方法是取培养10~14 d大麦苗，将其茎浸入添加了不同浓度寡霉素的水中，通过蒸腾作用使药物进入叶片。光照培养后，测定、计算光合放氧速率(单位为μ mol O2·mg-1chl·h-1，chl为叶绿素)。请完成下表。
NADPH
ATP　
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实验步骤和目的 简要操作过程
配制不同浓度的寡霉素丙酮溶液 寡霉素难溶于水，需先溶于丙酮，配制高浓度母液，再用丙酮稀释成不同药物浓度，用于加入水中
设置寡霉素为单一变量的对照组 ①__________________________________
②_______________________ 对照组和各实验组均测定多个大麦叶片
光合放氧测定 用氧电极测定叶片放氧
③__________________________ ___________________________ 称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定
在水中加入相同体积不含寡霉素的丙酮
减少叶片差异造成的误差
叶绿素定量测定(或测定
叶绿素含量)
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(2)C3在叶绿体基质中合成，一些C3必须用于再生C5以维持光合作用持续进行，另一部分被运到细胞质基质中，运到细胞质基质中的C3可合成蔗糖，运出细胞。蔗糖是二糖，一分子蔗糖是由两分子六碳糖结合形成的，每运出一分子蔗糖需要固定12个CO2分子。(3)光反应的产物有ATP和NADPH，其中NADPH起还原剂的作用，含有还原能，草酰乙酸/苹果酸穿梭可将还原能输出叶绿体，经线粒体进行呼吸作用转化为ATP中的化学能。(4)设计实验应遵循单一变量原则和对照原则，①在水中加入相同体积不含寡霉素的丙
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酮，即设置寡霉素为单一变量的对照组；②对照组和各实验组均测定多个大麦叶片，可减少叶片差异产生的误差；③叶绿素定量测定、计算光合放氧速率以研究线粒体对光合作用的影响，故称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液进行叶绿素定量测定。
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