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第2单元
细胞的代谢
第11课时　综合分析影响光合作用的因素
内容索引
核心体系
学习目标
活动方案
检测反馈
学 习 目 标
1. 说明环境因素影响光合作用速率的原因。2. 通过对影响因素的分析，学会科学探究的一般方法。
核 心 体 系
活 动 方 案
下图1是光照强度影响光合作用强度的曲线；图2是温度对光合作用强度的影响曲线；图3是CO2浓度对光合作用的影响曲线。请回答下列相关问题。
活动一 分析影响光合作用强度的主要外部因素
(1) 光照强度通过影响植物的________阶段，制约________________的产生，进而制约________阶段。
(2) 图1中的A点进行的生理过程是什么？B点、C点的含义是什么？限制C点的环境因素可能有哪些？
【答案】 A点：只进行呼吸作用。B点：光合速率等于细胞呼吸速率时的光照强度，即光补偿点，C点：光饱和点，即继续增加光照强度，光合速率不再增加。温度或CO2浓度。
(3) 欲使植物正常生长，则必须使光照强度大于图1中______点对应的光照强度。
光反应
ATP和NADPH
暗反应
B
(4) 温度是通过影响___________来影响光合作用。图2中B点代表的是___________________________。
(5) 温室栽培中，白天可适当__________温度，夜间适当________温度，适当提高昼夜温差，可以提高作物产量(有机物积累量)。
(6) CO2浓度是通过影响____________制约光合速率。图3中A点、B点分别表示什么？
【答案】 A点表示在此CO2浓度下，植物光合作用速率和呼吸作用速率相等，B点表示CO2饱和点。
酶的活性
光合作用最适宜的温度
提高
降低
暗反应
(7) 种植农作物应确保良好的通风透光和增施有机肥，请从光合作用的角度分析原因。
【答案】 通风透光可以保障植物得到充足的光照，及时补充CO2；有机肥中的有机物在微生物的作用之下，分解为CO2，为光合作用提供原料。
植物生活的环境是复杂多样的，环境中的各种因素对光合作用的影响是综合的。下列曲线是科学家研究多种因素对光合作用影响得到的结果。请回答下列相关问题。
活动二 分析多种环境因素对光合速率的影响
(1) 这三种研究的自变量分别是什么？
【答案】 光照强度、温度；光照强度、温度；光照强度、CO2浓度。
(2) 图3的研究中，对温度条件的设定有何要求？为什么？
【答案】 需要保持在最适温度，这样可以使实验结果更加明显。
(3) 图1的P点的光照强度下，要想提高光合速率，可以采取什么措施？图2的P点温度条件下，要想提高光合速率，可以采取什么措施？图3的P点的光照强度下，要想提高光合速率，可以采取什么措施？
【答案】 提高CO2浓度。提高CO2浓度。适当提高温度。
(4) 根据图1分析，在30 ℃条件下，光照强度达到Q点的光照强度之后，光合作用速率不再增加，限制因素可能有哪些？
【答案】 光合色素的含量、空气中CO2浓度等。
(5) 图1结果不足以说明30 ℃是光合作用最适宜的温度，为什么？如何改进实验才能获得正确的结果？
【答案】 实验提供的温度条件太少。需要在20～40 ℃之间增加温度梯度进行实验。
(6) 图中Q点之后，曲线会明显下降的是哪一个？原因是什么？
【答案】 图2。温度升高，酶的活性会下降，甚至失活。
下图1是叶片年龄与光合速率的关系；图2是叶面积指数对光合作用和呼吸作用的影响情况，叶面积指数是指单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数。即：叶面积指数＝叶片总面积/土地面积。请回答下列问题。
活动三 分析内部因素对光合速率的影响
(1) 图1中OA段上升的原因是什么？BC段下降的原因是什么？
【答案】 随幼叶发育为壮叶，叶面积增大，叶绿体不断增多，叶绿素含量不断增加。老叶内叶绿素被破坏。
(2) 图2中OA段表明什么？A点之后，光合作用强度不再增加，原因是什么？
【答案】 随着叶面积指数的增大，光合作用增强。随着叶面积指数的增大，叶片相互遮挡阳光，光合作用不再增强。
(3) 图2中，BC段下降的原因是什么？
【答案】 随叶面积的不断增大，光合作用实际量随叶面积的增大不断增大，OB段表明干物质量随光合作用增加而增加，而由于A点以后光合作用强度不再增加，但叶片随叶面积的不断增加，呼吸量不断增加，所以干物质积累量不断下降。
检 测 反 馈
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1 将状况相同的某种绿叶分成四等组，在不同温度下分别暗处理1 h，再光照1 h (光强相同)，测其重量变化，得到如下表的数据。可以得出的结论是(　　)
组　别 一 二 三 四
温度(℃) 27 28 29 30
暗处理后重量变化(mg) －1 －2 －3 －1
光照后与暗处理前重量变化(mg) ＋3 ＋3 ＋3 ＋1
A. 光合作用的最适温度约是27 ℃
B. 呼吸作用的最适温度是29 ℃
C. 27～29 ℃下的净光合速率相等
D. 30 ℃下的真正光合速率为2 mg/h
【答案】 B
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2 下图表示是某绿色植物在光合作用最适温度下(未达到呼吸作用最适温度)测得植株O2释放量与光照强度的关系。不恰当的解释是(　　)
A. 在b点之前，随光照强度增强，光合作用增强
B. 光照强度为a时，叶肉细胞的光合作用强度与呼吸作用强度相等
C. 在坐标所示各阶段该植株始终进行着呼吸作用
D. 适当提高温度将使b点左移
【答案】 B
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3 下图为某一植物在不同实验条件下测得的净光合速率，下列假设条件中能使图中结果成立的是(　　)
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A. 横坐标是CO2浓度，甲表示较高温度，乙表示较低温度
B. 横坐标是温度，甲表示较高CO2浓度，乙表示较低CO2浓度
C. 横坐标是光波长，甲表示较高温度，乙表示较低温度
D. 横坐标是光照强度，甲表示较高CO2浓度，乙表示较低CO2浓度
【答案】 D
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4 (多选)下图为不同光照强度下浙东1号和洞头本地菜2种坛紫菜的光合熵(光合作用净产氧量与光合作用固碳量的摩尔比值)。下列相关叙述正确的有(　　)
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A. 随光强度的增加，两品系坛紫菜光合熵均先升后降
B. 光强度为3 800 lx时，两品系坛紫菜光合作用速率相同
C. 浙东1号和洞头本地菜的最适宜光强度均为2 000 lx
D. 2 800 lx时，浙东1号每天至少光照14.4 h才能正常生长
1
【解析】 随光强度的增加，两品系坛紫菜光合熵均先升后降，洞头本地菜上升更明显，A正确；光强度为3 800 lx时，两品系坛紫菜光合熵相同，净光合和总光合的比值相同，但不能判定光合作用是否相同，B错误；浙东1号和洞头本地菜的最适宜光强度不一定是2 000 lx，需要缩小光照强度梯度继续探究，C错误；2 800 lx时，浙东1号的光合熵是0.40，净光合量比总光合量为0.40，设净光合为0.40，总光合为1，则呼吸为0.60，设光照时间为x h，若要正常生长，0.40x－0.60×(24－x)>0，解得x大于14.4，每天至少光照14.4 h才能正常生长，D正确。
【答案】 AD
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5 科研人员用不同温度和光强组合对菠菜植株进行处理，分别测定光合速率、气孔开度、胞间CO2浓度，实验结果下图所示。请回答下列问题。
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(1) 如果要测定不同条件处理对菠菜叶绿体内色素含量的影响，在提取菠菜叶绿体色素的过程中，研磨时需加入________溶解色素。用纸层析法分离叶绿体色素的原理是_____________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________，层析后滤纸条上最宽的色素带呈现出的颜色是________。
(2) 研究表明，在遮光条件下，以蓝紫光为主的散射光占比增加。在遮光条件下培养菠菜时，菠菜叶片中叶绿素a/b含量比值将会________(填“上升”“不变”或“下降”)。
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(3) 在强光和40 ℃条件下，此时蔬菜的气孔开度________(填“是”或“不是”)限制菠菜光合速率的主要因素，判断的依据是这种条件下___________________。此时，菠菜的光合速率相对值较低的原因可能是_____________________________________________________________。
(4) 已知D1蛋白是一种对类囊体薄膜上色素和蛋白质活性起保护作用的关键蛋白。水杨酸(SA)是一种与抗热性(较高温)有关的植物激素。为避免较高温度对菠菜产量的影响，该科研小组进一步研究发现：较高温度会降低细胞内D1蛋白的含量而使光合作用强度降低，在正常和较高温度下，喷洒适宜浓度的水杨酸(SA)均可促进D1蛋白的合成从而增加产量。某中学生物学兴趣小组的同学设计了下表所示的实验验证这一结论，请填写表格中的空格。
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实验步骤 实验操作
分组 选取①____________的菠菜植株(幼苗)若干，平均分为A、B、C、D四组。
②________处理 A组置于适宜温度的环境下
实验组处理 B组置于较高温度下；C组置于适宜温度下，同时喷洒适宜浓度的水杨酸(SA)；D组置于③___________________ _________________________________________________
结果检测 ④______________________________________________
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【解析】 (2) 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，遮光条件下，蓝紫光为主的散光占比增加，说明叶绿素的含量比值可能下降，所以预测在适当遮光条件下叶片中叶绿素a/b含量降低。(3) 在强光和40 ℃条件下，胞间CO2的含量较高，说明气孔开度较大，所以此时菠菜的气孔开度不是限制菠菜光合速率的主要因素。此时可能温度较高，降低了酶的活性(破坏了叶绿体的结构)，导致菠菜的光合速率相对值较低。(4) 本实验是为了探究较高温度下水杨酸可促进D1蛋白的合成从而增加产量，所以实验的自变量有温度和是否喷洒水杨酸。实验应该避免其他因素的干扰，所以选取的菠菜植株应该生长状况一致。实验步骤为：对照组的处理，A组置于适宜温度的环境下；实验组的处理为：B组置于较高温度下；C组置于适宜温度下，同时喷洒适宜浓度的水杨酸(SA)；D组置于较高温度下，同时喷洒(与C组等量的)适宜浓度的水杨酸(SA)。通过检测各组D1蛋白的含量来验证水杨酸的作用。
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【答案】 (1) 无水乙醇　不同色素在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸条上扩散的速度不同　蓝绿色　(2) 下降　(3) 不是　胞间CO2浓度较高　温度较高，降低了酶的活性(破坏了叶绿体的结构)　(4) ①生长状况一致　②对照组　③较高温度下，同时喷洒(与C组等量的)适宜浓度的水杨酸(SA)　④检测各组D1蛋白的含量
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6 下图甲是利用小球藻进行光合作用实验的示意图；图乙是植物N净光合速率受光质与CO2浓度影响的曲线(不考虑光质对呼吸作用的影响)。请分析并回答下列问题。
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甲
乙
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(1) 黑暗条件下，向试管中通入18O2，则一段时间后，18O________ (填“能”或“不能”)出现在其呼吸产生的CO2中。若在密闭且其他条件相同的情况下，测定A、B试管中O2的变化，初始O2浓度为300 mg/L，24 h后，A试管O2浓度为500 mg/L，B试管O2浓度为116 mg/L，则A试管中，小球藻光合作用产生的O2量为__________mg/(L·h)。
(2) 分析图乙，该实验的自变量是_________________。若用绿光替代黄光一组的实验，则所得曲线位于原曲线________(填“之上”“之下”或“同位置”)。
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能
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光质和CO2浓度
之下
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(3) 图乙中，黄光、CO2浓度为300 μL/L时，该植物细胞内合成ATP的细胞器是________________；当植物由b点状态转为a点状态时，短时间内叶绿体中的C5含量________。
(4) 据图乙研究结果，为提高温室作物的产量，你的建议是____________________和___________________。
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线粒体和叶绿体
增加
采用自然光照(白光)
适当增加CO2浓度
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7 植物的叶肉细胞在光下有一个与呼吸作用不同的生理过程，即在光照下叶肉细胞吸收O2，释放CO2。由于这种反应需叶绿体参与，并与光合作用同时发生，故称光呼吸。Rubisco是一个双功能的酶，具有催化羧化反应和加氧反应两种功能。RuBP(C5)既可与CO2结合，经此酶催化生成PGA(C3)，进行光合作用；又可与O2在此酶催化下生成1分子PGA和1分子PG(C2)，进行光呼吸。具体过程如下图。请回答下列问题。
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(1) 在光照条件下，Rubisco催化RuBP与CO2生成PGA的过程称为_________________，该过程发生在____________(填场所)中。Rubisco也可以催化RuBP与O2反应，推测O2与CO2比值________(填“高”或“低”)时，有利于光呼吸而不利于光合作用。
(2) 分析下表，________遮光比例条件下植物积累的有机物最多，结合已学的生物学知识和图中的信息，从两个方面解释为什么该条件下比不遮光条件下积累的有机物多？___________________________________ _______________________________________________。
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CO2的固定
叶绿体基质
高
10%
适当遮光可以提高叶绿素的含量、增
强光合效率，同时可以抑制光呼吸进而提高光合效率
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遮光 比例(%) 叶绿素 含量(mg/g) 净光合速率 (μmoL·m－2·s－1) 植株干
重(g)
0 2.1 8.0 7.5
10 2.3 9.6 9.9
30 2.4 8.9 9.2
50 2.6 5.0 7.2
70 2.9 2.7 4.8
90 3.0 0 3.2
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(3) 在干旱和过强光照下，因为温度高，蒸腾作用强，气孔大量关闭。此时的光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的_______________，光呼吸产生的________又可以作为暗反应阶段的原料，因此有观点指出光呼吸在一定条件下对植物也有重要的正面意义。
(4) 1955年，科学家通过实验观察到对正在进行光合作用的叶片突然停止光照，短时间内会释放出大量的CO2，他们称之为“CO2的猝发”。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，吸收或释放CO2的速率随时间变化趋势的示意图如下图所示(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)。
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ATP和NADPH
CO2
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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___________(用图形的面积表示，图中A、B、C表示每一块的面积大小)。
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细胞呼吸释放的CO2和
光呼吸释放的CO2
A＋B＋C
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8 美国红枫和北美枫香均原产于北美，由于富含水溶性的花青素且叶色季相变化明显具有较高的观赏价值。科研人员选择长势大小一致，生长良好的美国红枫和北美枫香各3株，挂牌标记树冠中上部南面受光条件好的枝条从上至下第4、5片健康的成熟叶片(每株3～5片)进行实验，部分结果如下图所示。请回答下列问题。
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图1　蒸腾速率日变化
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图2　净光合速率日变化
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(1) 美国红枫和北美枫香叶肉细胞中含色素的细胞器有__________。中学实验通常采用________法分析光合色素的种类和含量。
(2) 实验中不能直接测得两者的总光合速率的原因是___________________________________________________________。
净光合速率的日变化除了受温度影响外还主要受________的影响。温度主要通过影响________，从而影响光合作用的过程。
(3) 图1和图2结果表明，美国红枫和北美枫香的净光合速率日变化与蒸腾速率日变化呈现明显的________(填“正相关”或“负相关”)，原因是_________________________________________________________。
图2表明，美国红枫和北美枫香光合作用均呈现出明显的“午休”现象，其中________现象更显著。
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(4) 如果将美国红枫与北美枫香引种到我国南方地区，更适合的是________。管理者可采取____________的措施提高异地栽培的成活率。
(5) 杜牧在诗歌《山行》中写道：“停车坐爱枫林晚，霜叶红于二月花”。关于霜打后枫叶变红的原因，某同学提出以下观点：①霜打降温后叶绿素被彻底破坏，此时枫叶的颜色均来源于红色的花青素；②霜打降温后叶肉细胞仍含有叶绿素，此时枫叶的颜色是由于花青素增加覆盖了叶绿素的颜色。为了探究哪种观点正确，取红色枫叶加沸水浸煮一段时间后，取出观察。若____________，则观点①正确；若____________，则观点②正确。
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【解析】 (3) 由于美国红枫和北美枫香的蒸腾速率日变化与净光合速率的日变化基本是同步发生的，因此两者的蒸腾速率日变化与净光合速率日变化呈明显的正相关，图2中北美枫香在中午时净光合速率降低更明显，表明北美枫香的“午休”更显著。(4) 南方地区温度高，植物蒸腾作用强度大，植物的蒸腾速率越大，对水的需求量越大，北美枫香的蒸腾速率较小，对水的需求量小于美国红枫，因此北美枫香更适合引种到南方地区。提高栽培成活率的方法是去掉部分叶片，以降低蒸腾作用；或者中午适当遮阴和洒水。(5) 高温会降解花青素，取红色枫叶加沸水浸煮一段时间后，取出观察。若叶片无色或淡黄色，说明观点①正确。若叶片出现绿色，则观点②正确。
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【答案】 (1) 叶绿体和液泡　纸层析　(2) 植物进行光合作用的同时进行着呼吸作用　光照强度　酶的活性　(3) 正相关　叶片通过气孔从外界吸收二氧化碳，叶片的蒸腾作用是通过气孔将水以气体的形式散失到外界，温度较高时，为减少水分蒸发，气孔开放度降低，吸收的二氧化碳少，因此净光合速率降低，同时蒸腾速率也降低　北美枫香　(4) 北美枫香　适当去掉部分叶片(或中午适当遮阴和洒水)　(5) 叶片接近无色(或枫叶淡黄色，水呈红色)　叶片出现浅绿色(或枫叶呈绿色，水呈红色)
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