资源简介

(共35张PPT)
微专题四：
CAM途径、 C4途径
光呼吸、电子传递链
高考生物创新考法—破译新情境
由“C4植物和光呼吸”等一些特例，评价创新思维能力
“核心价值”(为什么考) “知能素养”(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)本课题通过对特殊光合作用过程和光呼吸的探究学习，旨在提升学生的知识迁移、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。
探究路径(一)　景天科植物的CO2固定
景天科酸代谢是许多肉质植物的一种特殊代谢方式，这类植物特别适合于炎热干旱地区。其特点是气孔夜间开放，吸收并固定CO2，形成以苹果酸为主的有机酸储存在液泡中；白天则气孔关闭，不吸收CO2，但却从苹果酸中释放出CO2参与卡尔文循环。
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。
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．分析图中信息推测，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
（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
注：维管束主要作用是为植物体输导水分、无机盐和有机养料等。
热带植物为了防止水分过度蒸发，常常关闭叶片上的气孔，这样空气中的CO2就不易进入叶肉细胞，不能满足光合作用对CO2的需求。而C4途径中能固定CO2的那种酶对CO2有很高的亲和力，使叶肉细胞能有效地固定和浓缩CO2，供维管束鞘细胞中叶绿体内的C3途径利用。
探究路径(二)　C4植物的CO2浓缩机制
玉米、甘蔗等起源于热带的植物，其叶肉细胞的叶绿体内，在有关酶的催化作用下，CO2首先被一种三碳化合物[磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)]固定，形成一个四碳化合物(C4)。C4进入维管束鞘细胞的叶绿体中，释放出一个CO2，并形成另一种三碳化合物——丙酮酸。释放出来的CO2进入卡尔文循环；丙酮酸则再次进入叶肉细胞中的叶绿体内，在有关酶的催化下，通过ATP提供的能量，转化成PEP，继续固定CO2，具体过程如下图所示。这种以四碳化合物(C4)为光合最初产物的途径称为C4途径，而卡尔文循环这种以三碳化合物(C3)为光合最初产物的途径则称为C3途径。相应的植物被称为C4植物和C3植物。
二、光合作用C4途径基本概念
①玉米、高粱、甘蔗都是C4植物，适于在高温、干燥和强光的条件下生长。
②C4植物叶肉细胞的叶绿体和维管束鞘细胞的叶绿体共同完成CO2的固定。
③在高温、光照强烈和干旱的条件下，绿色植物的气孔大量关闭。这时，C4植物能够利用叶片内细胞间隙中含量很低的CO2进行光合作用。
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。
三、C4植物具有较高光合速率的原因
（1）C4植物的叶肉细胞中的PEP羧化酶（PEPC）对CO2的亲和力极高，使细胞中有高浓度的CO2，从而促进暗反应。
（2）鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。
（3） C4植物的叶肉细胞中的PEP羧化酶（PEPC）对CO2的亲和力极高，使细胞中有高浓度的CO2，降低了光呼吸。
这些都使C4植物可以具有较高的产量。
(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
、C5
、C5
【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
[探究素材]
据联合国经济与社会事务部预测，2050年全球人口将增至97亿。如果农作物产量依然维持在现有水平，届时人类必将面临严重的粮食短缺问题。世界范围内便掀起了一场以通过生物工程技术提高植物光合效率为中心的“第二次绿色革命”。而“光呼吸代谢工程”被认为是此次革命的核心，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，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1所示：
一、探究路径（三）光呼吸
三、光呼吸
光呼吸是指绿色植物在光照情况下吸收O2，将叶绿体中的C5分解产生CO2的过程。光呼吸是一个“耗能浪费”的生理过程，因此，抑制植物的光呼吸可实现农作物的增产。正常生长条件下光呼吸就可损耗掉光合产物的25%～30%
（1）卡尔文循环中CO2固定的酶(Rubisco)具有两面性(或双功能)
（2）Rubisco即RuBP羧化加氧酶
①高CO2浓度、低O2时，进行羧化
②低CO2浓度、高O2时，进行加氧
C5+CO2
2C3
Rubisco
C5+O2
C2+C3
Rubisco
C3进入卡尔文循环
C3进入卡尔文循环
三、光呼吸的起因
(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ATP和还原氢，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ATP和还原力，从而减轻对叶绿体的伤害。
四、光呼吸的意义
2．辨析光呼吸与细胞呼吸的关系，构建解答“光呼吸类”题目的思维模型
光呼吸 细胞呼吸
底物 底物是光照下叶绿体新形成的，如光合作用中的乙醇酸 常用底物是葡萄糖，可以是新形成，也可以是储存的
场所 只发生在光合细胞中，在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体协同作用下进行 所有活细胞中都可以进行
条件 光下，O2/CO2比值相对高时 有氧、无氧都可进行，光下、暗处都可进行
意义 CO2供应不足时，消耗过多的NADPH和ATP，以避免对细胞造成伤害 为生命活动提供直接能源物质ATP
【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
(1)暗反应的进行不需要光照，但受到光照的影响，这是因为____________。
(2)由于光呼吸的存在，会降低植物体内有机物的积累速率。Rubisco的催化方向取决于CO2与O2的浓度比，请推测具体的情况：——————————————————————————————。
(3)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，请分析并解释其原理： ————————————————————————(从光合作用原理和Rubisco催化反应特点两个方面作答)
（4）请解释C4植物光呼吸比C3植物小很多的原因：——————————————————————。
答案：(1)光照影响光反应产生ATP和NADPH的数量，而ATP和NADPH参与暗反应中C3的还原　
(2)当CO2与O2浓度比高时，Rubisco酶催化羧化反应加强；当CO2与O2浓度比低时，Rubisco酶催化加氧反应加强　
(3)CO2浓度升高可促进光合作用暗反应的进行，进而提高光合作用强度，同时还可促进Rubisco酶催化更多的C5与CO2结合，减少C5与O2的结合，从而降低光呼吸速率　
(4)C4植物叶肉细胞中高效的PEP羧化酶能够利用极低浓度的CO2，使得维管束鞘细胞CO2浓度高，在与O2竞争Rubisco酶中有优势，抑制光呼吸。
1.(2021·山东卷)光照条件下，向水稻叶面喷施不同浓度的光呼吸抑制剂SoBS溶液，相应的光合作用强度和光呼吸强度见下表。光合作用强度用固定的CO2量表示，SoBS溶液对叶片呼吸作用的影响忽略不计。
(1)光呼吸中C5与O2结合的反应发生在叶绿体的________中，正常进行光合作用的水稻突然停止光照，叶片CO2释放量先增加后降低，CO2释放量增加的原因是———————————————————————————————。
(2)与未喷施SoBS溶液相比，喷施100 mg·L－1 SoBS溶液的水稻叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度______(填“高”或“低”)，据表分析，原因是______________________________________________________________
基质
光照停止，产生的ATP、 NADPH减少，暗反应消耗的C5减少， C5与
O2结合增加，产生的CO2增多
低
喷施SoBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸(及呼吸作用)释放的CO2减少，即叶片的CO2吸收量增加，释放量减少。此时，在更低的光照强度下，两者即可相等　
（3）光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物，农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探究 SoBS 溶液利于增产的最适喷施浓度，据表分析，应在________mg/L 之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。
100～300
四、电子传递链

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