资源简介

光合作用与呼吸作用的关系
植物光合作用方式与环境的适应性
高考第二轮复习
“核心价值”命题“金线”(为什么考)
“知能素养”命题“银线”(考什么)
(1)光合作用固定CO2的途径除了卡尔文循环以外，还有C4途径和景天酸代谢(CAM)途径等；植物除了细胞呼吸(暗呼吸)外，还有光呼吸。近几年的高考试题更多的围绕C4植物、光呼吸等特殊过程进行考查。
(2)通过对特殊光合作用过程和光呼吸的探究学习，提升知识迁移、发散思维和运用所学解答实际情境问题的能力。
(1)以C3植物的光合作用为基础，了解C4植物和景天科植物的光合作用过程。
(2)了解光呼吸的原理、过程和意义。
(3)通过构建“CO2固定途径”，浸润“物质能量观”，构建解题“思维模型”，发展思维品质，提升创新解决问题的能力。
[见识新情境]水稻、小麦等植物是 ???????? 植物，这类植物在干旱、炎热的环境下，气孔会关闭，故长期处于高温、干燥环境中， ???????? 植物会减产；玉米、甘蔗等植物是 ???????? 植物，体内有特殊的结构，能够适应高温、干燥环境。右图为某 ???????? 植物的暗反应过程（包括 ???????? 途径和 ???????? 途径）。
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1．C4植物光反应和CO2固定发生在哪些场所？
2．用含14C标记的CO2来追踪玉米光合作用中的碳原子的转移途径：_________________
3．与水稻、小麦等C3植物相比，C4植物的CO2的补偿点较________。
高温、干旱时C4植物还能保持高效光合作用的原因是什么？
[追根于教材]
一、 ???????? 植物的CO2浓缩机制
?
[追根于教材]
1．C4植物光反应和CO2固定发生在哪些场所？
提示：光反应发生在叶肉细胞的叶绿体类囊体薄膜上；
CO2固定发生在叶肉细胞和维管束鞘细胞中。
提示：CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)。
提示： PEP羧化酶对CO2具有高亲和力，C4植物可利用低浓度的CO2进行光合作用。
2．用含14C标记的CO2来追踪玉米光合作用中的碳原子的转移途径，请表示这种碳原子的转移途径。
3．与水稻、小麦等C3植物相比，C4植物的CO2的补偿点较________。高温、干旱时C4植物还能保持高效光合作用的原因是什么？
低
一、 ???????? 植物的CO2浓缩机制
?
考查 C3 与 C4 植物的光合作用的题型往往以图形题的形式出现，展示了 C3 与 C4 途径，要求依据图形，结合题干信息和教材内容，综合分析后进行解答。
?
题型解读
C3 途径是所有植物光合作用碳同化的基本途径，只有该途径能合成光
合产物；后来发现的 C4 途径补充了 C3 途径， C4 途径通过形成草酰乙酸，从而固定CO2 ，之后仍需通过 C3 途径形成光合作用产物。
?
两者联系
一、 ???????? 植物的CO2浓缩机制
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突破训练
1、下图所示中A、B两曲线分别表示一种C3 植物与一种 C4 植物的光合作用速率与环境中CO2浓度的关系（其他条件相同）。下列相关叙述中不正确的是（ ）
?
A、B植物在较低CO2浓度时比A植物具有生长优势
B、A植物的光合作用速率将随着CO2浓度的升高而不断提高
C、CO2浓度时为n，A、B两植物光合速率相等
D、若能改善光照条件，两植物的m点的光合速率还可提高
B
突破训练
2、玉米叶肉细胞中的叶绿体较小数目少但有基粒；相邻的维管束鞘细胞中叶绿体较大数目较多但没有基粒。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，如下图。研究发现，C4植物中PEP羧化酶对CO2的亲和力约时Rubisco酶的60倍。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、若叶肉细胞中光合作用速率大于细胞呼吸速率，植物的干重不一定增加
C、玉米的有机物是在维管束鞘细胞通过C3途径合成的
D、干旱条件下C3途径植物光合速率比C4途径植物小
A
[见识新情境]景天科酸代谢是许多肉质植物的一种特殊代谢方式，在夜间，大气中CO2从气孔进入，被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化，与PEP结合形成草酰乙酸(OAA)，再经苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸，贮存于液泡中。在白天，苹果酸从液泡中释放出来，经脱羧酶作用形成CO2和丙酮酸，CO2产生后用于卡尔文循环，作用机制如图所示(该机制也称CAM途径)。
二、景天科植物的CO2固定
[追根于教材]
1．从进化角度看，这种气孔开闭特点的形成是
__________的结果。夜晚，该类植物吸收的_____
(填“能”或“不能”)合成葡萄糖，原因是____________________________________。
2．如果白天适当提高CO2浓度，景天科植物的光合作用速率变化是
________ (填“增加”“降低”或“基本不变”)。
3．由图中信息推测,CAM途径是对_____(填“干旱”或“湿润”)环境的适应;该途径除维持光合作用外,对植物的生理意义还表现在________________________________________________。
自然选择
不能
没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH
基本不变
干旱
有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成水分过多散失
二、景天科植物的CO2固定
突破训练
3、（不定向）景天科植物（CAM）多为一年生或多年生肉质草本，其光合作用过程如图所示。下列有关叙述错误的是（ ）
A、由图推测，CAM植物叶肉细胞细胞液的pH夜晚比白天低
B、与非CAM植物相比，夜间CAM植物更适于放置卧室
C、若白天适当增加外界CO2浓度，该过程中C3生成量增加
D、CAM代谢途径的出现，可能与植物适应干旱条件有关
E、CAM植物参与卡尔文循环的CO2全来自苹果酸的分解
CE
[见识新情境]光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco酶。在暗反应中，Rubisco酶能够以CO2为底物实现CO2的固定；在光下，当O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco酶，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。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%。过程如图所示：
三、光呼吸与CO2固定
1．由于光呼吸的存在，会降低植物体内有机物的积累速率。Rubisco酶的催化方向取决于CO2与O2的浓度比，请推测说明具体的情况。
[追根于教材]
2．研究发现，光合产物1/3以上要消耗在光呼吸底物上。生产实际中，常通过适当升高CO2浓度达到增产的目的：CO2浓度升高可促进__________,进而提高光合作用强度，同时还可促进Rubisco酶催化更多的_________的结合,减少_________的结合，
从而降低光呼吸速率。
提示：当CO2与O2浓度比高时，Rubisco酶催化
当CO2与O2浓度比低时，Rubisco酶催化
三、光呼吸与CO2固定
暗反应
C5与CO2
C5与O2，
3．已知强光下ATP和NADPH的积累会产生O2－(超氧阴离子自由基)，而O2－会对叶绿体光合作用的反应中心造成伤害。依据图中信息，可知植物在干旱天气和过强光照下，叶片缺水，气孔部分关闭，CO2吸收减少，低浓度CO2使得________增强,可以消耗多余的_______________，从而减少产生O2－对叶绿体造成的伤害。
光呼吸
ATP和NADPH
固定CO2反应加强；
光呼吸反应加强。
题型解读
光呼吸的题型会给出简图或较复杂的图示，考查的内容往往涉及光呼吸的过程分析、光呼吸与细胞呼吸的区别、光呼吸与光合作用的联系等。
三、光呼吸与CO2固定
知识补漏
1.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。
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（2）外因： CO2/O2 的值： Rubisco 催化反应的方向取决于 CO2/O2 的值。比值增大，羧化反应增强，进行光合作用；比值减小，加氧反应增强，进入 C2 途径，如图所示。因此，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.光呼吸的不利影响：呼吸作用消耗掉暗反应的底物 C5 ，导致光合作用减弱，
农作物产量降低。
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3.光呼吸的有利影响：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 ATP和 NADPH ，这些物质积累会产生自由基，从而损伤叶绿体。而强光下，光呼吸加强，会消耗光反应过程中积累的ATP和 NADPH ，从而减轻这些物质对叶绿体的伤害。
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4、(2022·辽宁沈阳市高三月考)Rubisco是一种双功能酶，它既能催化RuBP的羧化反应(即C5与CO2生成2C3)同时又能催化RuBP的加氧反应(即C5与O2生成1个C3和1个C2)。在O2浓度过高时，植物会出现光呼吸现象。下图为不同O2和CO2浓度下，植物体内发生的光合作用和光呼吸示意图。下列相关叙述正确的是( 　　)A、光呼吸全过程是在线粒体中进行的B、光呼吸的存在会使暗反应C3的生成量减少C、当O2与CO2比值高时，有利于光呼吸而
不利于光合作用D、在高O2环境中植物无法进行光合作用
突破训练
BC
突破训练
5、光呼吸是进行光合作用的细胞为适应 O2/CO2 气体环境变化，提高抗逆性而形成的一条代谢途径。该过程是叶肉细胞在 Rubisco 酶的催化下，消耗 O2 生成 CO2 ，并消耗能量的反应，过程如下图所示。下列说法错误的是( )
?
A.环境中 O2/CO2 的值升高，有利于有机物的积累
B.光呼吸和有氧呼吸相似，都能消耗 O2 并产生 CO2
C.从能量利用角度看，光呼吸与暗反应都消耗ATP
D.光呼吸是植物在不利条件下，对细胞的一种保护措施
?
A
1、 (2022·全国甲卷)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）。
?
NADPH 、ATP、 O2
?
（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）。
叶片（叶肉细胞及叶片其他细胞）的细胞呼吸需要消耗一部分光合产物（或叶片的生长发育需要消耗一部分光合产物）
（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 补偿点比 C3
植物的低， C4 植物在低浓度 CO2 条件下就能合成生长所需的有机物，因此生长得好
?
巩固提升
2、(2022江苏高考题)图1所示为光合作用过程中部分物质的代谢关系（①～⑦表示代谢途径）。Rubisco是光合作用的关键酶之一，CO2和O2竞争与其结合，分别催化C5的羧化与氧化。C5羧化固定CO2合成糖；C5氧化则产生乙醇酸（C2），C2在过氧化物酶体和线粒体协同下，完成光呼吸碳氧化循环。请都图回各下列问题：
(1)图1中，类囊体膜直接参与的代谢途径有___________（从①～⑦中选填），在红光照射条件下，参与这些途径的主要色素是________________。(2)在C2循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化，同时生成的________在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。(3)将叶片置于一个密闭小室内，分别在CO2浓度为0和0.03%的条件下测定小室内CO2浓度的变化，获得曲线a、b（图Ⅱ）。①曲线a，0～t1时（没有光照，只进行呼吸作用）段释放的CO2源于细胞呼吸；t1～t2时段，CO2的释放速度有所增加，此阶段的CO2源于________________________。②曲线b，当时间到达t2点后，室内CO2浓度不再改变，其原因是____________________。
①⑥
叶绿素a和叶绿素b
过氧化氢
光呼吸和呼吸作用
光合速率等于呼吸速率
巩固提升
(4)光呼吸可使光合效率下降20%-50%，科学家在烟草叶绿体中组装表达了衣藻的乙醇酸脱氢酶和南瓜的苹果酸合酶，形成了图Ⅲ代谢途径，通过降低了光呼吸，提高了植株生物量。上述工作体现了遗传多样性的___________价值。
直接价值
2、(2022江苏高考题)图1所示为光合作用过程中部分物质的代谢关系（①～⑦表示代谢途径）。Rubisco是光合作用的关键酶之一，CO2和O2竞争与其结合，分别催化C5的羧化与氧化。C5羧化固定CO2合成糖；C5氧化则产生乙醇酸（C2），C2在过氧化物酶体和线粒体协同下，完成光呼吸碳氧化循环。请都图回各下列问题：
巩固提升
巩固提升
3、光合作用中，有一种特殊的固定CO2和节水的模式。
菠萝、仙人掌和许多肉质植物都进行这类光合作用，
称为景天科(CAM)植物，特点是气孔夜晚打开，白
天关闭，特别适应干旱地区。如图为菠萝叶肉细胞
内的部分代谢途径（CAM途径）示意图，
途中苹果酸是一种酸性较强的有机酸。
（1）据图分析，特测图中叶肉细胞右侧a过程的活动发生在_____（填“白天”/“夜晚”），理由是_______________________________________________________。菠萝在夜晚吸收的CO2，能否立即用来完成途中叶肉细胞左侧的生命活动？_______（填“能”/“不能”）。
（2）图中苹果酸通过过程a运输到液泡内，又会通过过程b运出液泡进入细胞质，推测过程b发生在_____（填“白天”/“夜晚”）。过程a的生理意义有__________________________
__________________________________________________________（写出两个方面即可）
（3）长期在强光照、高温、缺水等逆境胁迫下，以菠萝为代表的CAM植物形成了适应性机制：夜晚气孔开放有利于_____________，白天气孔关闭有利于________________,且可以通过________________________获得光合作用反应所需的CO2。
苹果酸的分解和有氧呼吸
夜晚
夜间气孔打开，CO2才能进入细胞并转变成苹果酸储存在液泡中
不能
白天
促进CO2与PEP生成OAA进而生成苹果酸（CO2的吸收）;避免苹果酸降低细胞质基质的pH,影响细胞质基质内的反应
从外界吸收CO2
降低蒸腾作用，
减少水分散失
4、水稻是我国最主要的粮食作物。在有光、高氧和低二氧化碳情况下，水稻的叶肉细胞会吸收O2并生成CO2的过程称为光呼吸。光呼吸会抵消30%的光合作用，因此降低光呼吸被认为是提高光合作用效能的途径之一。图1是水稻光合作用和有氧呼吸示意图，①、②、③、④代表的是物质，A、B、C、D代表的是生理过程；图2是水稻细胞的暗反应和光呼吸部分过程示意图。请据图回答下列问题：
巩固提升
（1）图1中①和④依次是______、________,合成ATP的过程有________（填字母）
（2）植物的Rubisco具有“两面性”：在CO2/O2的比值高时，Rubisco催化C5与________反应，在CO2/O2的比值低时则催化C5与________反应，这与酶的专一性相矛盾，其“两面性”可能是因为在不同环境中，Rubisco的___________发生变化而导致其功能改变。
（3）与光呼吸相区别，研究人员常把有氧呼吸称为“暗呼吸”，从能量代谢的角度看，光呼吸和暗呼吸的最大区别是_____________________________________________________
(4)光呼吸是植物在长期进化过程中,为适应高温干旱环境以提高抗逆性而形成的一条代谢途径。在高温干旱条件下,水稻___________________________，导致叶肉细胞中CO2/O2的比值降低,此时的光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的有机物_______________,以减少对叶绿体的伤害，同时光呼吸产生的CO2又可以作为______________的原料，因此有观点指出光呼吸在一定条件下对植物生长有重要的正面意义，在水稻的实际生产中可以通过____________等措施，既减少光呼吸对光合产物的损耗，又增加土壤肥力。


O2
C5
ACD
CO2
O2
空间结构
光呼吸消耗能量（ATP）,暗（有氧）呼吸产生能量（ATP）
蒸腾作用过强，气孔大量关闭
ATP和NADPH
暗反应阶段
增施农家肥
突破训练
巩固提升
5.(2022·葫芦岛二模)1920年，德国科学家发现光照条件下植物会出现光呼吸现象，
黑暗时被抑制。光呼吸的发生与 Rubisco （暗反应中催化 CO2 固定的关键酶）的特
殊性质有关。 CO2 浓度较高时，该酶催化 C5 与 CO2 反应，完成光合作用； O2 浓度
较高时，该酶催化 C5 与 O2 反应，产物经一系列变化后到线粒体中会产生 CO2 （如
下图所示）；在二者浓度相同的条件下， Rubisco 对 CO2 亲和力更高，若在高温条
件下， Rubisco 对 O2 的亲和力则会更高。
?
巩固提升
据图回答问题：
（1）推测叶肉细胞内 Rubisco 的存在场所为____________。 Rubisco既 可催化 C5
与 CO2 反应，也可催化 C5 与 O2 反应，这与酶的专一性相矛盾，其两面性的原因可
能是在不同环境中 Rubisco 的__________发生变化，导致其功能改变。
?
叶绿体基质
空间结构
（2）在较高 CO2 浓度环境中， Rubisco 所催化反应的产物是____，该产物进一步反
应还需要的条件是______________（填物质名称或符号缩写）。
?
C3
?
NADPH 和ATP
?
（3）研究表明，光呼吸会消耗光合作用新形成有机物的 1/4 ，因此提高农作物产量
需降低光呼吸。某同学提出了削弱光呼吸、提高农作物产量的措施，包括降低温度
和提高 CO2 浓度，其中不能有效达到目的的措施是__________。
?
降低温度
（4）与光呼吸相区别，研究人员常把细胞呼吸称为暗呼吸。请从反应发生条件来
看，列举光呼吸与暗呼吸的不同点：________________________________________。
光呼吸需要光，暗呼吸有光、无光都可以进行
巩固提升
6.(2022·江苏高三模拟)自然界的植物丰富多样，对环境的适应各有差异，自卡尔文发现光合作用中碳元素的行踪后，又有科学家发现碳元素行踪的其他路径。请据图回答下列问题。
巩固提升
(1)图1是C3植物碳元素代谢途径的示意图。①、②、③、④代表的是物质，A、B、C、D代表的是生理过程，则①、④依次是______、_____；D过程是_____________________，ATP的合成除发生在A过程外，还发生在______(填字母)过程。
(2)C3植物在干旱、炎热的环境中，由于气孔关闭造成________________
_____________________________，从而不利于光合作用。
氧气
有氧呼吸第二、三阶段
C、D
C5
CO2不能进入叶
片，同时引起O2在细胞内积累
巩固提升
(3)图2是C4植物和CAM植物利用CO2途径的示意图。据图分析，这两类植物固定CO2的酶比C3植物多一种_________酶，该酶比Rubisco对CO2的亲和力大且不与O2亲和，具有该酶的植物更能适应___________的环境。
PEP羧化
低CO2浓度
(4)由图2可知，C4植物是在不同_____进行CO2的固定，而CAM植物是在不同_____进行CO2固定。典型的CAM植物如仙人掌在夜晚吸收的CO2能否立即用于C3途径？_____(填“能”或“不能”)，可能的原因是______
____________________________________________________________。
没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提供足够ATP和NADPH
细胞
时间
不能

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