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微专题1
C3植物、C4植物、CAM(景天酸途径)、光呼吸的分析应用
新高考生物
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C3植物、C4植物、CAM(景天酸途径)、光呼吸常见问题归纳
光合作用的暗反应过程被称为碳同化。高等植物碳同化有三条途径:卡尔文循环(C3途径)、C4途径和景天科(CAM)植物代谢途径。卡尔文循环就是高中生物学教材中介绍的光合作用暗反应,C4途径和CAM植物碳同化途径如图甲所示。
(1)C3、C4植物和景天科植物光反应产物相同,它们的光反应产物是　　　 　　　　; C4途径和CAM途径固定CO2都要经历C3循环,其发生的场所是　　 　　。 观察图乙,发现C4植物维管束鞘细胞没有完整的叶绿体,结合图甲,推测其可能缺少　　　(填“基粒”或“基质”),不能进行　　　　(填 “光反应”或“暗反应”)。
O2、NADPH、ATP　
　叶绿体基质　
　基粒　
光反应
(2)据图甲可知,C4植物和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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 。C4植物可固定CO2的物质是　　　　　　,PEP羧化酶与CO2的亲和力是Rubisco的60倍,能固定低浓度的CO2。据此分析,C4植物在高温干旱地区仍有较高的光合速率的原因是
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 　。
C4植物捕获和固定CO2的反应在空间上分离,CAM植物捕获和固定CO2的反应在时间上分离
　PEP和C5　
干旱环境下部分气孔关闭,PEP羧化酶与CO2的亲和力强,能利用低浓度的CO2继续进行光合作用
(3)CAM植物叶肉细胞液泡的pH白天比夜晚要　　　　(填“高”或“低”)。CAM植物夜晚能吸收CO2却不能合成葡萄糖是因为　 　 　 　。从适应性角度分析,CAM植物夜间开启气孔,白天关闭气孔的意义是 　
。
高　
CAM植物夜晚开启气孔吸收CO2以满足光合作用的需求,白天气孔关闭降低蒸腾作用,减少水分的散失, 以适应高温干旱条件
夜晚没有光照,不能进行光反应,不能为暗反应提供ATP和NADPH　
(4)光呼吸是指O2浓度高、CO2浓度低时,O2会竞争Rubisco使其在光下驱动加氧反应。正午时C3植物有光合午休现象而C4植物无此现象,请分析在正午时,　　　　(填“C3植物”或“C4植物”)的光呼吸强度更小,原因是 　 。
(5)从CO2固定途径分析(不考虑光呼吸),与C4植物相比,CAM植物的光合速率　　　　(填“更大”“更小”或“无差异”),原因是 　 　 　 。
C4植物　
C3植物有光合午休现象,气孔关闭,CO2浓度低,而CO2浓度低时,O2会竞争Rubisco使其在光下驱动加氧反应,而C4植物无光合午休现象
更小　
C4植物有C4途径, C4途径可以在CO2浓度较低时有效地将其固定,二氧化碳是光合作用的原料之一;而CAM植物晚上气孔打开,吸收CO2生成苹果酸储存在液泡中,白天气孔关闭,苹果酸释放CO2完成暗反应
(6)将叶片置于一个密闭小室内,分别在CO2初始浓度为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。
①曲线a,0~t1时段(没有光照,只进行呼吸作用),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　　　　　　　　　　　　　　　　。
光呼吸和细胞呼吸　
光合作用强度等于呼吸作用强度
[2023·湖南卷] 如图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。卡尔文循环的Rubisco酶对CO2的Km为450 μmol·L-1(Km越小,酶对底物的亲和力越大),该酶既可催化RuBP与CO2反应,进行卡尔文循环,又可催化RuBP与O2反应,进行光呼吸(绿色植物在光照下消耗O2并释放CO2的反应)。该酶的酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影响。
典型例题
与水稻相比,玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘,其中叶肉细胞叶绿体是水光解的主要场所,维管束鞘细胞的叶绿体主要与ATP生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利用PEPC酶(PEPC对CO2的Km为7 μmol·L-1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与CO2反应生成C4,固定产物C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2,再进行卡尔文循环。回答下列问题:
典型例题
(1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是　　　　　 　(填具体名称),该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成　　　　(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后,再通过　　　　　长距离运输到其他组织器官。
3-磷酸甘油醛　
　蔗糖　
维管组织
[解析] (1)玉米的光合作用过程与水稻相比,虽然CO2的来源不同,但其卡尔文循环的过程是相同的,结合水稻的卡尔文循环图解,可以看出CO2固定的直接产物是3-磷酸甘油酸,然后该产物直接被还原成3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛在叶绿体中被转化成淀粉,在叶绿体外被转化成蔗糖,蔗糖是植物长距离运输的主要糖类,通过维管组织运输。
典型例题
(2)在干旱、高光照强度环境下,玉米的光合作用强度　　　　(填“高于”或“低于” )水稻。从光合作用机制及其调控分析,原因是 　 　 　 (答出三点即可)。
高于　
高光照条件下玉米可以将光合产物及时转移;玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高;玉米能通过PEPC酶生成C4,使维管束鞘细胞内的CO2浓度高于外界环境,抑制玉米的光呼吸
[解析] (2)干旱、高光强时植物气孔关闭,吸收的CO2减少,而玉米的PEPC酶与CO2的亲和力高,可以利用低浓度的CO2进行光合作用,同时抑制植物的光呼吸,且玉米能将叶绿体内的光合产物通过维管组织及时转移出细胞。
典型例题
(3)某研究将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻,水稻叶绿体中CO2浓度大幅提升,其他生理代谢不受影响,但在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化。其原因可能是 　 　 (答出三点即可)。
酶的活性达到最大,对CO2的利用率不再提高;受到ATP以及NADPH等物质含量的限制;原核生物和真核生物光合作用机制有所不同
[解析] (3)将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻叶肉细胞,只是提高了叶肉细胞内的CO2浓度,而植物的光合作用强度受到很多因素的影响;在光饱和条件下如果光合作用强度没有明显提高,可能是水稻的酶活性达到最大,对CO2的利用率不再提高,或是受到ATP和NADPH等物质含量的限制,也可能是因为蓝细菌是原核生物,水稻是真核生物,二者的光合作用机制有所不同。

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