资源简介

(共25张PPT)
微专题四：
C4途径、CAM途径
光呼吸、电子传递链
一、C4 途径
玉米的叶肉细胞含有有类囊体的叶绿体,维管束鞘细胞含叶绿体结构不完整（无类囊体）。在其进行光合作用时,CO2中的碳首先转移到有机物C4中,该过程称为C4途径。C4在维管束鞘细胞中再释放出CO2,参与卡尔文循环。具体过程如图所示,其中PEP羧化酶对CO2的亲和力远大于Rubisco。像玉米这样具有C4途径的植物称为C4植物,不具有C4途径的植物称为C3植物。
常见C4植物有玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。
(1)C4植物中可固定CO2的物质是_____,光反应主要发生在　　　　　　　　　　　　　(填“叶肉细胞”“维管束鞘细胞”或“叶肉细胞和维管束鞘细胞”)的叶绿体中。
答案：PEP、C5
(2)干旱条件下,很多植物的光合作用速率降低,主要原因是______。一般来说,C4植物与C3植物相比,_____植物的CO2补偿点较低,原因_____。
答案：干旱条件下，气孔导度下降，CO2吸收减少，暗反应减弱，光合速率降低。
C4 C4植物中PEP羧化酶对CO2的亲和力远大于Rubisco，因此可以将低浓度CO2固定成C4，C4释放出CO2用于卡尔文循环；而C3植物在低浓度CO2条件下不能生长
(3)科学家以14CO2为原料,通过放射性同位素标记法探明了玉米光合作用过程中CO2中碳的转移途径。请推测该科学探究的实验思路:____________。
利用14CO2为原料培养玉米，培养一段时间后，检测含14C的物质。
若含有14C的物质不止一种，则需要缩短反应时间，直至反应中只出现一种含14C的物质，即为CO2中碳转移形成的第一种化合物。
然后依次延长反应时间，检测出形成的第二种化合物，第三种化合物等，从而探明玉米光合作用过程中CO2中碳的转移途径。
【典例】玉米是C4植物，通过C4途径固定CO2；水稻为C3植物，通过C3途径固定CO2。在玉米叶维管束的周围有两层细胞，内层细胞是鞘细胞，叶绿体中几乎无基粒；外层为叶肉细胞，叶绿体中有发达的基粒。甲图是C3、C4途径示意图，乙图为玉米在有光和黑暗条件下的CO2吸收速率。回答下列问题：
叶肉细胞的叶绿
体基粒(类囊体薄膜)上
(1)玉米叶片中光反应的场所是________________
______________________。
(2)与C3途径相比，C4途径的特点有__________
_______________________________________(答出2点)。
(3)在暗期,玉米吸收的CO2并不能转化为糖类等光合产物,原因是________________________________。
能富集CO2、
消耗ATP、由C4运载CO2、需要PEP羧化酶
暗期不进行光反应，缺少NADPH及ATP
(4)PEP羧化酶(PEPC)是C4途径的关键酶，对CO2的亲和力高，C3植物缺少PEPC。胞内CO2浓度较低是限制C3植物光合速率的重要因素，请就改进C3植物、提高光合速率提出你的设想。
通过基因工程将PEPC基因导入C3植物
二、CAM途径
景天科植物夜间将吸收的CO2固定在苹果酸(C4)中,白天苹果酸分解释放CO2参与光合作用的过程。常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。
1.羧化：夜晚气孔开放，吸收CO2，在PEP羧化酶作用下，被PEP固定为OAA（草酰乙酸，C4）
2.还原：OAA被NADH还原为苹果酸，储存在液泡中。
3.脱羧：白天气孔关闭，液泡中苹果酸运送到细胞质基质，在苹果酸脱羧酶作用下产生丙酮酸和CO2，丙酮酸转变为淀粉，CO2参与卡尔文循环。
4.再生：夜晚，淀粉分解产生磷酸丙糖，再生为PEP，参与下一次循环
CAM途径的意义:
白天气孔关闭,减少蒸腾作用,保持植物体内水分并分解苹果酸产生CO2进行光合作用;
夜晚开放气孔,吸收光合作用所需的二氧化碳,使植物适应炎热干旱环境。
CAM植物体内淀粉和液泡内pH的变化：
植物体在夜晚液泡内有机酸含量十分高，pH下降；而淀粉分解，最终转变成PEP，因此淀粉含量下降；
白天则相反，液泡内有机酸下降，pH上升，而糖分增多。
【典例】1.芦荟是一种经济价值很高的植物,可净化空气。芦荟夜晚气孔开放,通过PEP羧化酶固定CO2形成草酰乙酸(C4H4O5),再将其转变成苹果酸(C4H6O5)储存在液泡中;白天气孔关闭,液泡里的苹果酸转化并释放出CO2,CO2进入叶绿体通过卡尔文循环合成糖类。下列说法错误的是(　　)
A.夜晚气孔开放,芦荟能进行暗反应产生糖类
B.芦荟叶片进行光合作用所需CO2来自液泡中苹果酸和线粒体
C.芦荟叶片内CO2固定会产生两种不同的产物
D.芦荟可能原产于炎热干旱地区,其气孔在夜晚和白天开放度不同是对炎热干旱环境的适应
答案：A
（2）白天进行光合作用所需CO2的来源是__ ____________________，CO2在卡尔文循环中首先被固定为______。
2.以景天科植物为代表的多种植物，其体内具有特殊的CO2固定方式，即CAM途径又称为景天酸代谢途径。其过程为：夜晚气孔开放，在PEP羧化酶等酶催化作用下，通过一系列反应将CO2固定于苹果酸内，储存在液泡中；白天气孔关闭，苹果酸从液泡中运出并释放CO2，为叶绿体提供光合作用的原料。具体过程如下图所示，请据图回答下列问题：
（1）此类植物夜晚吸收CO2，但并不能合成有机物，原因是____________________________________________。
夜晚没有光照，不能进行光反应，不能为暗反应提供ATP和[H]，不能进行暗反应生成有机物
苹果酸分解和呼吸作用
C3
（4）具有景天酸代谢过程的植物通过改变其代谢途径以适应特殊环境，这种特殊环境最可能是____________。此途径可以使植物在白天______________________________，从而保证其生命活动能够正常进行。
2.以景天科植物为代表的多种植物，其体内具有特殊的CO2固定方式，即CAM途径又称为景天酸代谢途径。其过程为：夜晚气孔开放，在PEP羧化酶等酶催化作用下，通过一系列反应将CO2固定于苹果酸内，储存在液泡中；白天气孔关闭，苹果酸从液泡中运出并释放CO2，为叶绿体提供光合作用的原料。具体过程如下图所示，请据图回答下列问题：
叶绿体、线粒体和细胞质基质
（3）白天叶肉细胞产生ATP的部位是______________________________。
干旱炎热环境
降低蒸腾作用减少水分的散失
3.(2021·全国乙卷)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。
答案：（1）细胞质基质、线粒体（线粒体基质和线粒体内膜）、叶绿体类囊体薄膜 细胞呼吸（或呼吸作用）
（2）蒸腾作用过强导致水分散失过多 光合作用
3.(2021·全国乙卷)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:
(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：白天和夜间，每隔一定时间，取干旱条件下生长的植物甲叶片，测定叶肉细胞的pH值
预期结果：植物甲叶肉细胞的pH值在夜间逐渐降低，白天逐渐升高。
【C3、C4、CAM途径的联系与区别】
1.联系：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。
2.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。
答案：细胞 时间
三、光呼吸的发现
1955年科学家德柯尔用红外线气体分析仪测定烟草光合速率时发现正在进行光合作用的烟草叶片在光照停止后会快速释放CO2，这种现象称为“二氧化碳的猝发”
（1）A表示光下净光合速率。
（2）B和C表示光下时植物呼吸速率。
（3）B表示无论是光下还是暗处都可进行的呼吸速率。
（4）C表示只有光下才有的呼吸速率。即光呼吸现象。
光照停止，产生的ATP、 NADPH减少，暗反应消耗的C5少， C5与O2结合增加，产生的CO2增多
联系生物学知识问题:
(1)光呼吸是所有进行光合作用的细胞在_____________________情况下发生的一个生化过程。(2)光呼吸是光合作用一个____
（填消耗或产生）能量的副反应。(3)此过程中消耗_____,产生_____。
(填气体名称）
光照、高O2、低CO2
消耗
O2
CO2
光呼吸的危害
如果在较强光下，光呼吸加强，使得C5氧化分解加强，一部分碳以CO2的形式散失，从而减少了光合产物的形成和积累。其次，光呼吸过程中消耗了ATP和NADPH，即造成了能量的损耗。
作物减产、能量损耗
光呼吸的意义
1. 防止强光对叶绿体的破坏。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，尤其是超氧阴离子，这些自由基能损伤叶绿体，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。当然植物体还有很多避免强光下损伤叶绿体的机制。光呼吸算是其中之一。
答案：ATP和NADPH
2. 消除乙醇酸对细胞的毒害。
【典例】 光呼吸是O2/CO2偏高时与光合作用同时发生的生理过程，是经长期进化形成的适应机制。光呼吸和暗反应关系密切，机理如图所示。下列叙述错误的是 (　　)
A．光呼吸可保证CO2不足时，暗反应仍能正常进行
B．光合作用的光反应强于暗反应容易导致光呼吸发生
C．光呼吸过程虽消耗有机物，但不产生ATP
D．抑制光呼吸能大幅度提高光合作用强度
答案：D
四、电子传递链
线粒体内膜
类囊体薄膜

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