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解惑练1
C3植物、C4植物和CAM植物
自然界中的绿色植物根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同可以分为C3、C4和CAM三种类型。
1.C3途径：也称卡尔文循环，整个循环由RuBP(C5)与CO2的羧化开始到RuBP(C5)再生结束，在叶绿体基质中进行，可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有大麦、小麦、大豆、菜豆、水稻、马铃薯等。
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被整合到C4
化合物中，随后C4化合物进入维管束鞘细胞，维管束
鞘细胞中没有完整的叶绿体，在维管束鞘
细胞中，C4化合物释放出的CO2参与卡尔文
循环，进而生成有机物(如图2)。PEP羧化酶
被形象地称为“CO2泵”，它提高了C4植物
固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有较
强光合作用(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)能力，并且无光合午休现象。常见C4植物有玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。
3.CAM途径：CAM植物夜间吸进CO2，淀粉经糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，CO2与PEP结合，生成草酰乙酸，进一步还原为苹果酸储存在液泡中。从而表现出夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH下降。而白天气孔关闭，苹果酸转移到细胞质中脱羧，放出CO2，进入C3途径合成淀粉；形成的丙酮
酸可以形成PEP再还原成三碳糖，
最后合成淀粉或者转移到线粒体，
进一步氧化释放CO2，又可进入
C3途径。从而表现出白天淀粉增
加，苹果酸减少，细胞液pH上升。
常见的CAM植物有菠萝、芦荟、
兰花、百合、仙人掌等。
归纳总结
C3植物、C4植物和CAM植物的比较
特征 C3植物 C4植物 CAM植物
与CO2结合的物质 RuBP(C5) PEP PEP
CO2固定的最初产物 C3 C4 草酰乙酸
CO2固定的时间 白天 白天 夜晚和白天
光反应的场所 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
卡尔文循环的场所 叶肉细胞的叶绿体基质 维管束鞘细胞的叶绿体基质 叶肉细胞的叶绿体基质
有无光合午休 有 无 无
归纳总结
C3植物、C4植物和CAM植物的比较
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。
1.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：
跟踪训练
(1)图1是C3植物碳元素代谢途径的示意图。①②③④代表的是物质，A、B、C、D代表的是生理过程，则①④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。
跟踪训练
氧气
C5
有氧呼吸第二、三阶段
C、D
(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。
跟踪训练
CO2不能进入叶片，
同时引起O2在细胞内积累
(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。
跟踪训练
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___________________________
_______________________________________。
跟踪训练
细胞
时间
不能
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
2.(2021·辽宁，22)早期地球大气中的O2浓度很低，到了大约3.5亿年前，大气中O2浓度显著增加，CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约390 μmol·mol－1，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是一种催化CO2固定的酶，在低浓度CO2条件下，催化效率低。有些植物在进化过程中形成了CO2浓缩机制，极大地提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定。回答下列问题：
(1)真核细胞叶绿体中，在Rubisco的催化下，CO2被固定形成__________，进而被还原生成糖类，此过程发生在___________中。
跟踪训练
三碳化合物
叶绿体基质
细胞呼吸和光合作用
叶绿体
跟踪训练
跟踪训练
跟踪训练
①由这种CO2浓缩机制可以推测，PEPC与无机碳的亲和力______(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。
高于
跟踪训练
②图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是______________。图中由Pyr转变为PEP的过程属于_________(填“吸能反应”或“放能反应”)。
NADPH和ATP
吸能反应
跟踪训练
跟踪训练
图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是ATP和NADPH，图中由Pyr转变为PEP的过程需要消耗ATP，说明图中由Pyr转变为PEP的过程属于吸能反应。
③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所，可以使用___________技术。
同位素示踪
跟踪训练
B.改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成
C.改造植物的Rubisco基因，增强CO2固定能力
D.将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物
(4)通过转基因技术或蛋白质工程技术，可能进一步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理的有_____。
AC
跟踪训练
改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成，不利于最终CO2的生成，不能提高植物光合作用的效率，B不符合题意；
将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物，不一定提高植物光合作用的效率，D不符合题意。
跟踪训练自然界中的绿色植物根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同可以分为C3、C4和CAM三种类型。
1．C3途径：也称卡尔文循环，整个循环由RuBP(C5)与CO2的羧化开始到RuBP(C5)再生结束，在叶绿体基质中进行，可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有大麦、小麦、大豆、菜豆、水稻、马铃薯等。
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被整合到C4化合物中，随后C4化合物进入维管束鞘细胞，维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，在维管束鞘细胞中，C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物(如图2)。PEP羧化酶被形象地称为“CO2泵”，它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有较强光合作用(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)能力，并且无光合午休现象。常见C4植物有玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。
3．CAM途径：CAM植物夜间吸进CO2，淀粉经糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，CO2与PEP结合，生成草酰乙酸，进一步还原为苹果酸储存在液泡中。从而表现出夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH下降。而白天气孔关闭，苹果酸转移到细胞质中脱羧，放出CO2，进入C3途径合成淀粉；形成的丙酮酸可以形成PEP再还原成三碳糖，最后合成淀粉或者转移到线粒体，进一步氧化释放CO2，又可进入C3途径。从而表现出白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液pH上升。常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。
归纳总结　C3植物、C4植物和CAM植物的比较
特征 C3植物 C4植物 CAM植物
与CO2结合的物质 RuBP(C5) PEP PEP
CO2固定的最初产物 C3 C4 草酰乙酸
CO2固定的时间 白天 白天 夜晚和白天
光反应的场所 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
卡尔文循环的场所 叶肉细胞的叶绿体基质 维管束鞘细胞的叶绿体基质 叶肉细胞的叶绿体基质
有无光合午休 有 无 无
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。
跟踪训练
1．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：
(1)图1是C3植物碳元素代谢途径的示意图。①②③④代表的是物质，A、B、C、D代表的是生理过程，则①④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。
(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。
(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______________________________________。
2．(2021·辽宁，22)早期地球大气中的O2浓度很低，到了大约3.5亿年前，大气中O2浓度显著增加，CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约390 μmol·mol－1，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是一种催化CO2固定的酶，在低浓度CO2条件下，催化效率低。有些植物在进化过程中形成了CO2浓缩机制，极大地提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定。回答下列问题：
(1)真核细胞叶绿体中，在Rubisco的催化下，CO2被固定形成______________，进而被还原生成糖类，此过程发生在________________中。
(2)海水中的无机碳主要以CO2和HCO两种形式存在，水体中CO2浓度低、扩散速度慢，有些藻类具有图1所示的无机碳浓缩过程，图中HCO浓度最高的场所是________(填“细胞外”或“细胞质基质”或“叶绿体”)，可为图示过程提供ATP的生理过程有_____________。
(3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制，部分过程见图2。在叶肉细胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将HCO转化为有机物，该有机物经过一系列的变化，最终进入相邻的维管束鞘细胞释放CO2，提高了Rubisco附近的CO2浓度。
①由这种CO2浓缩机制可以推测，PEPC与无机碳的亲和力____________(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。
②图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是_________________________________。
图中由Pyr转变为PEP的过程属于__________________________________(填“吸能反应”或“放能反应”)。
③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所，可以使用________________技术。
(4)通过转基因技术或蛋白质工程技术，可能进一步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理的有______________________。
A．改造植物的HCO转运蛋白基因，增强HCO的运输能力
B．改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成
C．改造植物的Rubisco基因，增强CO2固定能力
D．将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物

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