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2　光合作用和细胞呼吸的综合
高考生物素养加强课
1．物质名称
b.O2，c.ATP，d.ADP，e.NADPH，f.C5，g.CO2，h.C3。
2．生理过程及场所
序号 ① ② ③ ④ ⑤
生理 过程 光反应 暗反应 有氧呼吸 第一阶段 有氧呼吸 第二阶段 有氧呼吸
第三阶段
场所 叶绿体 类囊体 薄膜 叶绿体 基质 细胞质 基质 线粒体 基质 线粒体
内膜
1．(2022·江苏连云港模拟预测)图1所示为线粒体内膜上发生的质子转运和ATP合成过程，图2所示为光合作用光合磷酸化过程，①～⑤表示过程，⑥～⑧表示结构，据图回答下列问题。
图1
图2
(1)图1所示的过程是__________________阶段，图2所示__________阶段。
(2)①②③⑤过程都表示质子的跨膜运输，其中属于主动运输过程是________________。参与②⑤过程的蛋白质是同一种，由CF0、CF1两部分构成，该蛋白质的作用是_____________________________。
(3)据图2判断，水的裂解发生在________________(填“⑥”“⑦”或“⑧”)，其上发生的反应产物有____________________。 叶绿素a(P680和P700)接受光的照射后被激发，释放势能高的电子，电子的最终供体是____________，水的裂解造成膜内外质子势能差，而高能的电子沿电子传递链传递时又促进③过程，进一步加大了质子势能差，导致这一现象的另一个原因是_______________________，NADPH的作用是_________________________________________。
[解析]　(1)据图分析，图1中发生在线粒体内膜，是有氧呼吸的第三阶段；图2中发生水的裂解，是光反应过程。
(2)主动运输是逆浓度梯度的运输，且该过程需要能量，据图可知，①②③⑤过程中属于主动运输的是①③；在该蛋白质的作用下，可将H＋跨膜运输，且可促进ATP的生成，故该蛋白质的作用是转运质子并合成ATP。
(3)水的裂解主要是在光的作用下将水分解为O2、H＋和e－，据图可知，该过程发生在⑦上，其反应产物有ATP、NADPH、O2；电子的最终供体是水；水的裂解造成膜内外质子势能差，而高能的电子沿电子传递链传递时又促进③过程，进一步加大了质子势能差，导致这一现象的另一个原因是NADP＋(氧化型辅酶Ⅱ)与H＋、e－结合形成NADPH(还原型辅酶Ⅱ)时消耗叶绿体基质中的H＋，NADPH的作用是作为还原剂，并提供能量。
[答案]　(1)有氧呼吸第三　光反应
(2)①③　转运质子并合成ATP
(3)⑦　ATP、NADPH、O2　水　NADP＋(氧化型辅酶Ⅱ)与H＋、e－结合形成NADPH(还原型辅酶Ⅱ)时消耗叶绿体基质中的H＋　作为还原剂，并提供能量
2．(2022·江苏响水中学高三开学考试)图a为叶绿体的结构示意图，图b为叶绿体中某种生物膜的部分结构及光反应过程的简化示意图。据图回答问题：
图a
图b
(1)图b表示图a中的________________(填结构)，该结构中有______ __________________________两类光合色素，这些色素主要捕获________________光。膜上发生的光反应过程将水裂解成O2、H＋和e－，光能转化成电能，最终转化为________________和ATP中活跃的化学能。暗反应过程可以为图b中的光反应过程提供物质____ ____________________________，若CO2浓度降低，暗反应速率减慢，叶绿体中电子受体NADP＋减少，则图b中电子传递速率会________________(填“加快”或“减慢”)。
(2)在适宜温度和大气CO2浓度条件下，测得某森林中四种主要乔木幼苗叶片的生理指标(见下表)。完成下列分析。
物种指标 构树 刺槐 香樟 胡颓子
光补偿点(千勒克斯) 6 4 1.8 1.1
光饱和点(千勒克斯) 13 9 3.5 2.6
(光补偿点：光合速率等于呼吸速率时的光照强度；光饱和点：达到最大光合速率所需的最小光照强度。)
①光照强度为1.1千勒克斯时，胡颓子的幼苗的净光合速率_______零(填“大于” “小于”或“等于”)，此时细胞中产生ATP的场所有 ______________________________。
②光照强度为10千勒克斯时，影响构树幼苗光合速率的环境因素有____________________________________，影响刺槐幼苗光合速率的环境因素有____________________________。
③若将光照强度突然由2千勒克斯增加到3千勒克斯，香樟幼苗叶绿体中的C3会________________。
④光照强度大于13千勒克斯时，构树幼苗光合作用固定的CO2来自 ________________，产生的O2用于该细胞的有氧呼吸，要穿过___ _____________层生物膜。
[解析]　(1)观察图b，在图b上进行水的裂解和ATP和NADPH的合成，故图b表示图a中的类囊体膜，其上含有叶绿素和类胡萝卜素，叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。水在光下裂解成O2和NADPH，ADP与Pi接受光能变成ATP，此过程将光能变为NADPH和ATP中活跃的化学能。暗反应过程ATP水解形成ADP和Pi，NADPH形成NADP＋，故暗反应过程可以为图b中的光反应过程提供物质ADP、Pi、NADP＋。若CO2浓度降低，将会影响暗反应的速率，暗反应速率减慢，导致叶绿体中NADP＋减少，根据图b可知，NADP＋与H＋在电子的作用下结合生成NADPH，若NADP＋减少，则图b中电子传递速率减慢。
(2)①光照强度为1.1千勒克斯时，叶片的净光合作用为0，而幼苗有绿色部分和非绿色部分，非绿色部分不能进行光合作用，幼苗的净光合作用小于0，此时呼吸作用和光合作用均都会合成ATP，故此时细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体。②光照强度为10千勒克斯时，构树幼苗光合速率未达到最大值，影响构树幼苗光合速率的环境因素有光照强度和CO2浓度；光照强度为10千勒克斯时，刺槐幼苗光合速率达到最大值，此时影响刺槐幼苗光合速率的环境因素为CO2浓度。③若将光照强度突然由2千勒克斯增加到
3千勒克斯，香樟幼苗叶肉细胞中产生的NADPH和ATP会增多，C3的还原增多，由于CO2浓度不变，故短时间CO2的固定速率不变，所以C3会减少。④光照强度大于13千勒克斯时，已经达到构树的最大光合速率，此时净光合速率大于0，所以构树幼苗光合作用固定的CO2部分来自外界，部分来自线粒体呼吸作用产生；产生的O2用于该细胞的有氧呼吸，要穿过1层类囊体膜、叶绿体的内外膜和线粒体的内外膜，共5层生物膜。
[答案]　(1)类囊体膜　叶绿素和类胡萝卜素
红光和蓝紫　NADPH　ADP、Pi、NADP＋　减慢
(2)①小于　细胞质基质、线粒体和叶绿体　②光照强度和CO2浓度　CO2浓度　③减少　④线粒体呼吸作用产生和外界环境　5
1．总光合速率、净光合速率和细胞呼吸速率的关系
(1)内在关系
①细胞呼吸速率：植物非绿色组织(如苹果果肉细胞)或绿色组织在黑暗条件下测得的值——单位时间内一定量组织的CO2释放量或O2吸收量。
②净光合速率：植物绿色组织在有光条件下测得的值——单位时间内一定量叶面积所吸收的CO2量或释放的O2量。
③真正(总)光合速率＝净光合速率＋细胞呼吸速率。
(2)判定方法
①根据坐标曲线判定
a.当光照强度为0时，若CO2吸收值为负值，则该值的绝对值代表细胞呼吸速率，该曲线代表净光合速率，如图甲。
b.当光照强度为0时，光合速率也为0，该曲线代表总光合速率，如图乙。
②根据关键词判定
检测指标 细胞呼吸速率 净光合速率 真正(总)光合速率
CO2 释放量(黑暗) 吸收量(植物)、 减少量(环境) 利用量、固定
量、消耗量
O2 吸收量(黑暗)、 消耗量(黑暗) 释放量(植物)、 增加量(环境) 产生量、生成量、
制造量、合成量
葡萄糖 消耗量(黑暗) 积累量、增加量 产生量、生成量、
制造量、合成量
2．光合速率的测定方法
(1)液滴移动法
①测定呼吸速率
a.装置小烧杯中放入适宜浓度NaOH溶液，用于吸收CO2。
b.玻璃钟罩应遮光处理，目的是排除光合作用的干扰。
c.置于适宜温度环境中。
d.红色液滴向左移动，单位时间内移动距离代表呼吸速率。
②测定净光合速率
a.装置小烧杯中放入适宜浓度的CO2缓冲液，用于维持容器内CO2浓度的恒定。
b.给予较强光照处理，且温度适宜。
c.红色液滴向右移动，单位时间内移动距离代表净光合速率。
③误差校正
为排除温度、气压等因素引起的气体体积膨胀，应设计对照实验。对照实验与如图不同之处在于不放植物或放置死亡的植物。
④总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。
(2)黑白瓶法——测溶氧量的变化
①“黑瓶”不透光，测定的是有氧呼吸量；“白瓶”给予光照，测定的是净光合作用量。总光合作用量(强度)＝净光合作用量(强度)＋有氧呼吸量(强度)。
②有初始值的情况下，黑瓶中O2的减少量为有氧呼吸量；白瓶中O2的增加量(或CO2的减少量)为净光合作用量；二者之和为总光合作用量。
③在没有初始值的情况下(初始值设为X)，白瓶中测得的现有量(设为M)－黑瓶中测得的现有量(设为N)＝总光合作用量，即(X－N)＋(M－X)＝M－N。
注：该方法假设植物不进行无氧呼吸。
(3)半叶法——测定光合作用有机物的产生量
如图所示，“半叶法”的原理是将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不作处理，并采用适当的方法(可先在叶柄基部用热水或热石蜡液烫伤)阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射一段时间后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB，获得相应数据，则可计算出该叶片的光合作用强度。若M＝MB－MA，则M表示B叶片被截取部分在这段时间内光合作用合成的有机物总量。
1．(2022·江苏泰州模拟预测)“半叶法”测定光合速率时，将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不作处理，设法阻止两部分联系。光照6小时，在A、B截取等面积的叶片，烘干称重，分别记为a、b，光照前截取同等面积的叶片烘干称重的数据为m0，下列说法错误的是(　　)
A．若m0－a＝b－m0，则表明该实验条件下番茄叶片的光合速率等于呼吸速率
B．本实验需阻止叶片光合产物向外运输，同时不影响水和无机盐的输送
C．忽略水和无机盐的影响，A部分叶片可在给B光照时剪下进行等时长的暗处理
D．选择叶片时需注意叶龄、着生节位、叶片的对称性及受光条件的一致性
A　[A遮光，只进行呼吸作用，故m0－a代表呼吸作用消耗，B不作处理，进行光合作用和呼吸作用，b－m0代表净光合作用积累，若m0－a＝b－m0，即净光速率等于呼吸速率，则表明该实验条件下番茄叶片的光合速率大于呼吸速率，A错误；本实验需阻止叶片光合产物向外运输，同时不影响无关变量水和无机盐的输送，B正确；若忽略水和无机盐的影响，时间是无关变量，故实验时可将A部分叶片在给B光照时剪下进行等时长的暗处理，C正确；叶龄、着生节位、叶片的对称性及受光条件属于无关变量，选择叶片时需注意无关变量的一致性，D正确。故选A。]
2．为了研究某种植物光合速率和呼吸速率对生长发育的影响，研究者做了以下相关实验：将长势相同的该植物幼苗分成若干组，分别置于不同温度下(其他条件相同且适宜)，暗处理1 h，再光照1 h，测其干重变化，得到如图所示的结果。下列说法错误的是(　　)
A．32 ℃时植物的光合速率大于呼吸速率
B．24小时恒温26 ℃条件下，当光照时间超过4小时，该植物幼苗能正常生长
C．该植物进行光合作用时，当光照强度突然增加，C3的量减少
D．将该植物放在H218O的水中培养，光照一段时间后可以在体内发现(CH 218O)
B　[32 ℃时，暗处理1 h后的重量变化是－4 mg，说明呼吸速率是4 mg/h，光照1 h后与暗处理前的变化是0 mg，说明此条件下光合速率是8 mg/h，光合速率与呼吸速率的数量关系为光合速率是呼吸速率的2倍，A正确；据图中信息可知，26 °C条件下呼吸速率是1 mg/h，光合速率是3＋1＋1＝5 mg/h，设在光照强度适宜且恒定、一昼夜恒温26 ℃条件下，至少需要光照X小时以上，该番茄幼苗才能正常生长，则有5X－1×24＝0，可求出X＝4.8 h，B错误；当光照强度突然增加时，光反应增强，产生的ATP和NADPH增多，从而促进C3的还原，但是CO2固定形成的C3的过程不受影响，故当光照强度突然增加时，C3的量减少，C正确；将该植物放在H218O的水中培养，H218O先通过有氧呼吸第二阶段进入C18O2，然后再通过光合作用暗反应进入有机物(CH218O)中，D正确。故选B。]
3．(2022·浙江6月选考)通过研究遮阴对花生光合作用的影响，为花生的合理间种提供依据。研究人员从开花至果实成熟，每天定时对花生植株进行遮阴处理。实验结果如表所示。
处理 指标 光饱 和点 (klx) 光补 偿点 (lx) 低于5 klx光合曲线的斜率(mgCO2· dm－2·hr－1·klx－1) 叶绿素 含量 (mg· dm－2) 单株光 合产量 (g干重) 单株叶光 合产量(g干重) 单株果
实光合
产量(g
干重)
不遮阴 40 550 1.22 2.09 18.92 3.25 8.25
遮阴2小时 35 515 1.23 2.66 18.84 3.05 8.21
遮阴4小时 30 500 1.46 3.03 16.64 3.05 6.13
注：光补偿点指当光合速率等于呼吸速率时的光照强度。光合曲线指光照强度与光合速率关系的曲线。
回答下列问题：
(1)从实验结果可知，花生可适应弱光环境，原因是在遮阴条件下，植株通过增加________________________，提高吸收光的能力；结合光饱和点的变化趋势，说明植株在较低光照强度下也能达到最大的________________；结合光补偿点的变化趋势，说明植株通过降低________________，使其在较低的光照强度下就开始了有机物的积累。根据表中_____________________________________的指标可以判断，实验范围内，遮阴时间越长，植株利用弱光的效率越高。
(2)植物的光合产物主要以______________形式提供给各器官。根据相关指标的分析，可知较长遮阴处理下，植株优先将光合产物分配至________________中。
(3)与不遮阴相比，两种遮阴处理的光合产量均________________。根据实验结果推测，在花生与其他高秆作物进行间种时，高秆作物一天内对花生的遮阴时间为________________________(A ． <2小时　B．2小时　C．4小时 D．>4小时)，才能获得较高的花生产量。
[解析]　(1)从表中数据可以看出，遮阴一段时间后，花生植株的叶绿素含量在升高，提高了对光的吸收能力。光饱和点在下降，说明植株为适应低光照强度条件，可在弱光条件下达到饱和点。光补偿点也在降低，说明植物的光合作用下降的同时呼吸速率也在下降，以保证植物在较低的光照强度下就能达到净光合大于0的积累效果。低于5 klx光合曲线的斜率体现弱光条件下与光合速率的提高幅度变化，在实验范围内随遮阴时间增长，光合速率提高幅度加快，故说明植物对弱光的利用效率变高。
(2)植物的光合产物主要是以有机物(蔗糖)形式储存并提供给各个器官。结合表中数据看出，较长(4小时)遮阴处理下，整株植物的光合产量下降，但叶片的光合产量没有明显下降，从比例上看反而有所上升，说明植株优先将光合产物分配给了叶。
(3)与对照组相比，遮阴处理的两组光合产量有不同程度的下降。若将花生与其他高秆作物间种，则应尽量减少其他作物对花生的遮阴时间，才能获得较高花生产量。
[答案]　(1)叶绿素含量　光合速率　呼吸速率　低于5 klx光合曲线的斜率
(2)蔗糖　叶
(3)下降　A
1．光呼吸
在固定二氧化碳的反应中，催化二氧化碳与1，5-二磷酸核酮糖结合的酶是核酮糖二磷酸羧化/氧化酶。这种酶不仅能催化二氧化碳与二磷酸核酮糖的反应，还能催化氧气与二磷酸核酮糖的反应，生成3-磷酸甘油酸和磷酸乙醇酸。3-磷酸甘油酸参加糖类的合成，磷酸乙醇酸可转化成甘氨酸或通过其他代谢途径释放出二氧化碳。上述过程，即植物消耗氧气，将二磷酸核酮糖转化成二氧化碳的过程，称作光呼吸。在光呼吸中，没有ATP或NADPH的生成，是一个消耗能量的过程。科学家尝试利用基因工程改造核酮糖二磷酸羧化/氧化酶的基因，希望使其成为没有光呼吸作用的酶。
2．C3植物、C4植物和CAM植物
对于小麦、水稻等大多数绿色植物来说，在暗反应阶段，一个二氧化碳被一个五碳化合物(C5)固定以后，形成的是两个三碳化合物(C3)。但是，科学家在研究玉米、甘蔗等原产在热带地区绿色植物的光合作用时发现，在这类绿色植物的光合作用中，二氧化碳中的碳首先转移到含有四个碳原子的有机物(C4)中，然后才转移到C3中。科学家将这类植物叫作C4植物，将其固定二氧化碳的途径，叫作C4途径；将仅有C3参与二氧化碳固定的植物叫作C3植物，将其固定二氧化碳的途径，叫作C3途径。上文中介绍的二氧化碳的固定过程即为C4途径。下面详细介绍C4途径。
在C4植物中，叶片中构成维管束鞘的细胞中的叶绿体以C3途径固定二氧化碳，而在叶肉细胞中主要为C4途径。维管束鞘的细胞呼吸放出的二氧化碳可以被叶肉细胞通过C4途径来固定，其过程如下图：
C4途径的生物学意义在于，热带植物为了防止水分过多蒸发，常常关闭叶片上的气孔，这样空气中的二氧化碳不易进入细胞。这时，C4植物能够利用叶片内细胞间隙中含量很低的二氧化碳进行光合作用。这是因为C4途径中能够固定二氧化碳的那种酶对二氧化碳有很高的亲和力，使叶肉细胞能有效地固定和浓缩二氧化碳，供维管束鞘细胞内叶绿体中的C3途径利用。
许多起源于热带的植物，如景天科、仙人掌科、凤梨科、兰科等植物多具肉质茎、叶，叶片表面有较厚的角质层，叶肉细胞有很大的液泡，从形态结构上对高温、干旱有很强的适应性。同时，这类植物在进化中还发展了特殊的碳固定代谢途径——景天酸代谢(CAM)途径。该途径具有两套羧化固定CO2的系统，这与C4植物很类似，但不同的是CAM植物没有明显的维管束鞘细胞，两类酶都存在于叶肉细胞中，是通过酶活性的昼夜调节使羧化反应与CO2再固定分别在夜间和白天完成的。
1．(多选)(2022·江苏南通二模)玉米固定CO2的能力比小麦的强70倍，这与其具有的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC，玉米等C4植物特有的固定CO2的关键酶)密切相关。将转玉米PEPC基因的高产小麦幼苗与普通小麦幼苗分别放置在相同的密闭小室中，在充足光照条件下，检测小室中的CO2浓度随时间的变化情况，结果如图所示。下列有关叙述正确的是(　　)
A．曲线Ⅰ表示的是普通小麦CO2浓度随时间的变化
B．30～40 min，两种小麦的光合速率都与其各自的呼吸速率相等
C．若突然降低光照强度，则两种小麦叶肉细胞中C3的含量与合成速率都增大
D．将两种小麦幼苗放在同一小室中重复实验，一段时间后普通小麦先停止生长
ABD　[结合题干可知，转玉米PEPC基因的高产小麦固定CO2的速率更大，相同时间内，CO2浓度下降更大，如图中的曲线Ⅱ，则曲线Ⅰ表示的是普通小麦CO2浓度随时间的变化，A正确；30～40 min，两个容器内的CO2浓度都不变，说明两种小麦的光合速率都与其各自的呼吸速率相等，B正确；若突然降低光照强度，光反应减弱，C3的还原减慢，则两种小麦叶肉细胞中C3的含量上升，由于RuBP(五碳糖)的合成速率减慢，因此C3的合成速率也减慢，C错误；由于转基因小麦能利用更低浓度的CO2，因此将两种小麦幼苗放在同一小室中重复实验，一段时间后普通小麦先停止生长，D正确。故选ABD。]
2．(2022·江苏如皋中学三模)很久以前，大气中O2浓度显著增加，CO2浓度明显下降成为限制植物光合速率的重要因素。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所在局部空间的CO2浓度，促进了CO2的固定。请回答下列问题：
(1)有一些植物具有图1所示的CO2浓缩机制，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，已知PEP与无机碳的结合力远大于RuBP(C5)。
图1
①图1所示植物无机碳的固定场所为__________________________，苹果酸脱羧释放CO2的过程属于____________________________(填“吸能反应”或“放能反应”)。
②玉米有类似的CO2浓缩机制，据此可以推测，夏天中午玉米可能________________(填“存在”或“不存在”)“光合午休”现象，原因是____________________________________________________ ________________________________________________________。
(2)还有些藻类具有图2所示的无机碳浓缩过程，该过程中无机碳穿过________________层磷脂进入叶绿体参与卡尔文循环，为该过程提供ATP的生理过程有_____________________________________ _________________________________________________________。
图2
(3)已知Rubisco同时也能催化C5与O2结合，C5与O2结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸。CO2与O2竞争性结合Rubisco的同一活性位点，据此分析可通过提高____________________________ ____________________(措施)减弱光呼吸提高光合效率。某研究小组测得在适宜条件下某植物叶片遮光前吸收CO2的速率和遮光(完全黑暗)后释放CO2的速率，结果如图3所示(吸收或释放CO2的速率是指单位面积叶片在单位时间内吸收或释放CO2的量)。突然停止光照
时，植物所释放CO2的来源是________________________。在光照条件下，该植物在一定时间内单位面积叶片光合作用固定的CO2总量是________________________________________(用图3中A、B、C表示每一块的面积大小)。
图3
[解析]　(1)①图1所示植物的叶肉细胞叶绿体中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将无机碳HCO 转化为有机物；在维管束鞘细胞的叶绿体中，Rubisco可固定无机碳CO2，因此图1所示植物无机碳的固定场所为叶肉细胞的叶绿体和维管束鞘细胞的叶绿体。由图1可知，苹果酸Mal脱羧释放CO2的过程生成NADPH和ATP，说明过程属于放能反应。②在CO2浓缩机制中，PEP与无机碳的结合力远大于RuBP(C5)，能利用胞间较低浓度的CO2，因为玉米有类似的CO2浓缩机制，夏天中午玉米在气孔导度小的情况下也能进行正常光合作用，不存在“光合午休”现象。
(2)由图2可知，无机碳浓缩过程中无机碳穿过1层细胞质膜(2层磷脂)、1层叶绿体外膜(2层磷脂)、1层叶绿体内膜(2层磷脂)，共6层磷脂，从而进入叶绿体参与卡尔文循环。该过程属于光合作用的暗反应过程，光合作用的光反应和呼吸作用可为该过程提供ATP。
(3)因为CO2与O2竞争性结合Rubisco的同一活性位点，在O2浓度高的情况下，C5与O2结合，促进光呼吸且抑制光合作用，在CO2浓度高的情况下，C5与CO2结合，抑制光呼吸且促进光合作用，因此可通过提高CO2浓度减弱光呼吸提高光合效率。突然停止光照，植物
释放CO2除了光呼吸一个来源外，还有植物本身的呼吸作用释放CO2。题中CO2的吸收表示净光合速率，CO2的释放速率表示呼吸速率，CO2的固定总量是总光合作用的概念，总光合作用速率等于呼吸作用速率＋净光合速率，则植物在一定时间内单位面积叶片光合作用固定的CO2总量＝A＋B＋C。
[答案]　(1)①叶肉细胞的叶绿体和维管束鞘细胞的叶绿体　放能反应　②不存在　PEP与无机碳的结合力远大于RuBP(C5)，能利用胞间较低浓度的CO2
(2)6　光合作用、呼吸作用
(3)CO2浓度　细胞呼吸和光呼吸释放　A＋B＋C
(教师用书独具)
1．(2022·江苏新沂第一中学高三阶段练习)有研究表明，水中CO2浓度降低能诱导轮叶黑藻(一种沉水植物)光合途径由C3途径向C4途径转变，而且两条途径在同一细胞中进行。如图是轮叶黑藻细胞光合作用相关过程示意图。请据图回答下列问题：
(1)CO2转变为HCO 过程中，生成的H＋以________________的方式运出细胞。催化过程①和过程④中CO2固定的两种酶(PEPC、Rubisco)中，与CO2亲和力较高的是_____________________。
(2)过程②消耗的NADPH主要来源于结构A中进行的_____________过程，完成该过程需要_________________等条件。
(3)过程③发生的场所是________________________，细胞中丙酮酸产生的场所还可能有________________________________。丙酮酸分子可在________________________中被彻底分解。
(4)为证明低浓度CO2能诱导轮叶黑藻光合途径的转变，研究人员开展相关实验，请完成下表(提示：实验中利用pH-stat法测定轮叶黑藻净光合速率；用缓冲液提取光合酶)。
实验步骤的目的 主要实验步骤
制作生态缸 取20只玻璃缸，在缸底铺经处理的底泥并注入适量池水；每只缸中各移栽3株生长健壮、长势基本一致的轮叶黑藻，驯化培养10 d。
设置对照实验 ①________________________________。
实验步骤的目的 主要实验步骤
控制无关变量 两组生态缸均置于②____________________等条件下培养14d；每天定时利用pH-stat法测定轮叶黑藻净光合速率。
制备酶粗提液 取等量的两组轮叶黑藻叶片，利用液氮冷冻处理后迅速研磨；再加入适量冷的缓冲液继续研磨，离心取③________________。
实验步骤的目的 主要实验步骤
测定酶活性 利用合适方法测定两组酶粗提液中PEPC的活性，并比较。
预期实验结果 ④________________________________。
[解析]　(1)根据图示，H＋转运需要相应转运蛋白参与并消耗ATP，属于主动运输；根据题干信息“水中CO2浓度降低，能诱导其光合途径由C3途径向C4途径转变”，说明C4循环中PEPC与CO2的亲和力高于C3循环中的Rubisco。
(2)图示结构A为叶绿体类囊体膜，是光反应场所，光反应过程需要光照、叶绿素等光合色素、酶等条件，光反应产生ATP、NADPH、O2。
(3)根据图示过程③在叶绿体基质中完成，细胞中的丙酮酸还可以由葡萄糖在细胞质基质中分解产生，丙酮酸在线粒体基质被彻底氧化分解形成CO2。
(4)根据实验目的“证明低浓度CO2能诱导轮叶黑藻光合途径的转变”，确定实验自变量是轮叶黑藻培养时的CO2浓度，因变量为净光合速率，因此设置的对照实验为：将20只生态缸随机均分为两组；一组密闭，另一组通入适量CO2，温度和光照等为本实验的无关变量，为排除无关变量的影响，两组生态缸均置于适宜温度和光照等条件下培养14 d；制备酶粗提液步骤中，叶片研磨并离心后，酶存在上清液中，因此应该取上清液。根据题干信息“水中CO2浓度降低能诱导轮叶黑藻(一种沉水植物)光合途径由C3途径向C4途径转变”，因此预期实验结果是实验组轮叶黑藻因低浓度CO2诱导，PEPC活性和净光合速率(C4循环)明显大于对照组。
[答案]　(1)主动运输　PEPC
(2)光反应　光、光合色素、酶
(3)叶绿体基质　细胞质基质　线粒体基质
(4)①将20只生态缸随机均分为两组；一组密闭，另一组通入适量CO2　②适宜温度和光照等　③上清液　④实验组轮叶黑藻净光合速率和PEPC的活性明显高于对照组
2．(2022·江苏苏州模拟预测)光合作用的暗反应过程被称为碳同化。植物在长期进化过程中逐渐形成了多种碳同化途径。如图1所示，玉米、甘蔗等C4植物，长期生活在热带地区，其PEP羧化酶与CO2有强亲和力，可以将环境中低浓度的CO2固定下来，集中到维管束鞘细胞。而景天科等CAM(景天酸代谢)植物，长期生活在干旱或半干旱环境中，它们在夜晚捕获CO2，然后转变成苹果酸储存在液泡中，白天气孔关闭，苹果酸脱羧释放CO2用于卡尔文循环。
图1　C4植物和CAM植物光合作用过程图解
(1)在显微镜下观察玉米叶片结构发现，叶肉细胞包围在维管束鞘细胞四周，形成花环状结构。维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，推测其可能缺少________________(填“基粒”或“基质”)结构。CAM植物叶肉细胞液泡的pH夜晚比白天要________________(填“高”或“低”)。由图1可知，C4植物与CAM植物在捕获和固定大气中的CO2的方式上最明显的区别是__________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________。
(2)蝴蝶兰因其花姿优美、花色艳丽成为国际花卉市场最受欢迎的兰花之一，被誉为“兰花皇后”。图2为蝴蝶兰叶片净CO2吸收速率和有机酸含量的昼夜变化。据图推测，蝴蝶兰________________(填“存在”或“不存在”)CAM途径，判断依据是_________________ _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
图2　蝴蝶兰叶片净CO2吸收速率和有机酸含量的昼夜变化
(3)Rubisco是卡尔文循环中催化CO2固定的酶。Rubisco对CO2和O2都有亲和力，在光照条件下，当CO2/O2比值高时，Rubisco可催化C5固定CO2合成有机物，当CO2/O2比值低时，Rubisco可催化C5结合O2发生氧化分解，消耗有机物，此过程称为光呼吸，它会导致光合效率下降。有人认为，景天酸代谢(CAM)途径是景天科植物长期进化得到的一种可以抑制光呼吸的碳浓缩机制。你认为这种说法________________(填“合理”或“不合理”)，理由是___________ _________________________________________________________。
[解析]　(1)在显微镜下观察玉米叶片结构发现，叶肉细胞包围在维管束鞘细胞四周，形成花环状结构。维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，推测其可能缺少“基粒”结构，因为其中只进行卡尔文循环，该过程发生在叶绿体基质中。结合图示可知，CAM植物在晚上气孔张开，吸收CO2变成苹果酸，苹果酸进入液泡储存起来，白天苹果酸分解释放出CO2用于卡尔文循环，因此CAM植物叶肉细胞液泡的pH夜晚比白天要“低”。由图1可知，C4植物与CAM植物在捕获和固定大气中的CO2的方式上最明显的区别表现在C4植物捕获和固定CO2的反应在空间上分离(或在不同的细胞内捕获和固定CO2)，CAM植物捕获和固定CO2的反应在时间上分离(或在夜晚捕获CO2，白天固定CO2)，这些特性都是长期适应环境的结果。
(2)蝴蝶兰因其花姿优美、花色艳丽成为国际花卉市场最受欢迎的兰花之一，被誉为“兰花皇后”。图2为蝴蝶兰叶片净CO2吸收速率和有机酸含量的昼夜变化。由图2可知蝴蝶兰在夜间叶片吸收CO2出现高峰，而白天吸收CO2较少，同时蝴蝶兰叶片中白天有机酸的含量下降，夜晚有机酸的含量升高，这些都是CAM植物的光合特性，据此可判断蝴蝶兰存在CAM途径。
(3)Rubisco是卡尔文循环中催化CO2固定的酶。Rubisco对CO2和O2都有亲和力，在光照条件下，当CO2/O2比值高时，Rubisco可催化C5固定CO2合成有机物，当CO2/O2比值低时，Rubisco可催化C5结合O2发生氧化分解，消耗有机物，此过程称为光呼吸，它会导致光合效率下降。CAM植物的叶肉细胞可以在夜晚吸收大量的CO2，转变为苹果酸储存在液泡中，在白天苹果酸脱羧释放CO2，使得叶绿体中Rubisco周围的CO2浓度升高，从而使CO2在与O2竞争Rubisco时有优势，抑制了光呼吸，因此，景天酸代谢(CAM)途径是景天科植物长期进化得到的一种可以抑制光呼吸的碳浓缩机制。
[答案]　(1)基粒　低　C4植物捕获和固定CO2的反应在空间上分离(或在不同的细胞内捕获和固定CO2)，CAM植物捕获和固定CO2的反应在时间上分离(或在夜晚捕获CO2，白天固定CO2)
(2)存在　由图2可知蝴蝶兰叶片吸收CO2主要发生在夜间，白天吸收CO2较少(或白天的净CO2吸收速率较低，夜晚的净CO2吸收速率较高)；蝴蝶兰叶片中白天有机酸的含量下降，夜晚有机酸的含量升高，符合CAM植物的光合特性
(3)合理　CAM植物的叶肉细胞可以在夜晚吸收大量的CO2，转变为苹果酸储存在液泡中，在白天苹果酸脱羧释放CO2，使得叶绿体中Rubisco周围的CO2浓度升高，在与O2竞争Rubisco时有优势，抑制了光呼吸

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