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专题六　光合作用与能量转化
考典13.光合作用的原理
A、五年高考真题（2020-2024）
（山东五年二考）
1.(2023·湖北,8,2分,难度★★★)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体,PSⅡ光复合体含有光合色素,能吸收光能,并分解水。研究发现,PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ,通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与 PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是( )
A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,PSⅡ光复合体对光能的捕获增强
B.Mg2+含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱
C.弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,不利于对光能的捕获
D.PSⅡ光复合体分解水可以产生H+、电子和O2
2.(2021·湖南,7,2分,难度★★)绿色植物的光合作用是在叶绿体内进行的一系列能量和物质转化过程。下列叙述错误的是( )
A.弱光条件下植物没有O2的释放,说明未进行光合作用
B.在暗反应阶段,CO2不能直接被还原
C.在禾谷类作物开花期剪掉部分花穗,叶片的光合速率会暂时下降
D.合理密植和增施有机肥能提高农作物的光合作用强度
3.(2021·广东,12,2分,难度★★★)在高等植物光合作用的卡尔文循环中,唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco,下列叙述正确的是( )
A.Rubisco存在于细胞质基质中
B.激活Rubisco需要黑暗条件
C.Rubisco催化CO2固定需要ATP
D.Rubisco催化C5和CO2结合
4.(2021·重庆,6,2分,难度★★)下图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析,下列叙述错误的是( )
A.水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,最少要穿过4层膜
B.NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH
C.产生的ATP可用于暗反应及其他消耗能量的反应
D.电子(e-)的有序传递是完成光能转换的重要环节
5.(2020·天津,5,4分,难度★★)研究人员从菠菜中分离类囊体,将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴,从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是( )
A.产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质
B.该反应体系不断消耗的物质仅是CO2
C.类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原
D.与叶绿体相比,该反应体系不含光合作用色素
6.(2022·全国甲,29,9分,难度★★)根据光合作用中CO2的固定方式不同,可将植物分为C3植物和C4植物等类型。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。CO2补偿点通常是指环境CO2浓度降低导致光合速率与呼吸速率相等时的环境CO2浓度。回答下列问题。
(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反应阶段的产物是相同的,光反应阶段的产物是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答出3点即可)。
(2)正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位,原因是　　　　　　　　　　　　　(答出1点即可)。
(3)干旱会导致气孔开度减小,研究发现在同等程度干旱条件下,C4植物比C3植物生长得好。从两种植物CO2补偿点的角度分析,可能的原因是 　。
7.(2022·江苏,20,9分,难度★★★)图Ⅰ所示为光合作用过程中部分物质的代谢关系(①~⑦表示代谢途径)。Rubisco是光合作用的关键酶之一,CO2和O2竞争与其结合,分别催化C5的羧化与氧化。C5羧化固定CO2合成糖;C5氧化则产生乙醇酸(C2),C2在过氧化物酶体和线粒体协同下,完成光呼吸碳氧化循环。请据图回答下列问题。
图Ⅰ 图Ⅱ
(1)图Ⅰ中,类囊体膜直接参与的代谢途径有　　　　　(从①~⑦中选填),在红光照射条件下,参与这些途径的主要色素是　　　　　。
(2)在C2循环途径中,乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化,同时生成的　　　　在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。
(3)将叶片置于一个密闭小室内,分别在CO2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(图Ⅱ)。
①曲线a,0~t1时(没有光照,只进行呼吸作用)段释放的CO2源于　　　　　;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 　。
(4)光呼吸可使光合效率下降20%~50%,科学家在烟草叶绿体中组装表达了衣藻的乙醇酸脱氢酶和南瓜的苹果酸合酶,形成了图Ⅲ代谢途径,通过
降低了光呼吸,提高了植株生物量。上述工作体现了遗传多样性的　　　　价值。
图Ⅲ
8.(2022·重庆,23,14分,难度★★★★)科学家发现,光能会被类囊体转化为“某种能量形式”,并用于驱动产生ATP(如图Ⅰ)。为探寻这种能量形式,他们开展了后续实验。
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
(1)制备类囊体时,提取液中应含有适宜浓度的蔗糖,以保证其结构完整,原因是
　　　　　　　　　　　　　;为避免膜蛋白被降解,提取液应保持　　　　(填“低温”或“常温”)。
(2)在图Ⅰ实验基础上进行图Ⅱ实验,发现该实验条件下也能产生ATP。但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内外的H+浓度差,原因是　。
(3)为探究自然条件下类囊体膜内外产生H+浓度差的原因,对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理,结果如图III所示,悬液的pH在光照处理时升高,原因是 　　　　　　　　　　。类囊体膜内外的H+浓度差是通过光合电子传递和H+转运形成的,电子的最终来源物质是　　　　。
(4)用菠菜类囊体和人工酶系统组装的人工叶绿体,能在光下生产目标多碳化合物。若要实现黑暗条件下持续生产,需稳定提供的物质有　　　　　　　　　　。生产中发现即使增加光照强度,产量也不再增加,若要增产,可采取的有效措施有　 　(答两点)。
9.(2021·天津,15,10分,难度★★★)Rubisco是光合作用过程中催化CO2固定的酶。但其也能催化O2与C5结合,形成C3和C2,导致光合效率下降。CO2与O2竞争性结合Rubisco的同一活性位点,因此提高CO2浓度可以提高光合效率。
(1)蓝细菌具有CO2浓缩机制,如下图所示。
注:羧化体具有蛋白质外壳,可限制气体扩散
据图分析,CO2依次以　　　　　和　　　　　方式通过细胞膜和光合片层膜。蓝细菌的CO2浓缩机制可提高羧化体中Rubisco周围的CO2浓度,从而通过促进　　　　　和抑制　　　　　提高光合效率。
(2)向烟草内转入蓝细菌Rubisco的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应,应能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的　　　　　　　中观察到羧化体。
(3)研究发现,转基因烟草的光合速率并未提高。若再转入HC和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用,理论上该转基因植株暗反应水平应　　　　　,光反应水平应　　　　　,从而提高光合速率。
10.(2021·山东,21,8分,难度★★★)光照条件下,叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5,O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸。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溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计。
SoBS浓度/(mg·L-1) 0 100 200 300 400 500 600
光合作用强度/(CO2 μmol·m2·s-1) 18.9 20.9 20.7 18.7 17.6 16.5 15.7
光呼吸强度/(CO2 μmol·m2·s-1) 6.4 6.2 5.8 5.5 5.2 4.8 4.3
(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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(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-1之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。
11.(2021·辽宁,22,13分,难度★★★)早期地球大气中的O2浓度很低,到了大约3.5亿年前,大气中O2浓度显著增加,CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约为390 μmol·mol-1,是限制植物光合作用速率的重要因素。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所在局部空间位置的CO2浓度,促进了CO2的固定。回答下列问题:
(1)真核细胞叶绿体中,在Rubisco的催化下,CO2被固定形成　　　　　,进而被还原生成糖类,此过程发生在　　　　　中。
(2)海水中的无机碳主要以CO2和HC两种形式存在,水体中CO2浓度低、扩散速度慢,有些藻类具有图1所示的无机碳浓缩过程。图中HC浓度最高的场所是　　　　　(填“细胞外”“细胞质基质”或“叶绿体”),可为图示过程提供ATP的生理过程有　　　　　　　　　　。
图1
(3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制,部分过程见图2。在叶肉细胞中,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将HC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。
图2
①由这种CO2浓缩机制可以推测,PEPC与无机碳的亲和力　　　　　(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。
②图2所示的物质中,可由光合作用光反应提供的是　　　　　。图中由Pyr转变为PEP的过程属于　　　　　(填“吸能反应”或“放能反应”)。
③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所,可以使用　　　　　技术。
(4)通过转基因技术或蛋白质工程技术,可能进一步提高植物光合作用的效率,以下研究思路合理的有　　　　　(多选)。
A.改造植物的HC转运蛋白基因,增强HC的运输能力
B.改造植物的PEPC基因,抑制OAA的合成
C.改造植物的Rubisco基因,增强CO2固定能力
D.将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物
12.(2020·山东,21,9分,难度★★★)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如下图所示,其中甲、乙表示物质,模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是　　　　　　　　　　　,模块3中的甲可与CO2结合,甲为　　　　　　　　。
(2)若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将　　　　(填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长,模块2中的能量转换效率也会发生改变,原因是　 　。
(3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,该系统糖类的积累量　　　　(填“高于”“低于”或“等于”)植物,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)干旱条件下,很多植物光合作用速率降低,主要原因是　　　　　　　　　　　　　　。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低,在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。
13.(2020·江苏,27,8分,难度★★★)大豆与根瘤菌是互利共生关系,下图所示为大豆叶片及根瘤中部分物质的代谢、运输途径,请据图回答下列问题。
(1)在叶绿体中,光合色素分布在
上;在酶催化下直接参与CO2固定的化学物质是H2O和　　　　。
(2)上图所示的代谢途径中,催化固定CO2形成3-磷酸甘油酸(PGA)的酶在
中,PGA还原成磷酸丙糖(TP)运出叶绿体后合成蔗糖,催化TP合成蔗糖的酶存在于　　　　　　　　　。
(3)根瘤菌固氮产生的NH3可用于氨基酸的合成,氨基酸合成蛋白质时,通过脱水缩合形成　　　键。
(4)CO2和N2的固定都需要消耗大量ATP。叶绿体中合成ATP的能量来自　　　　;根瘤中合成ATP的能量主要源于　　　　的分解。
(5)蔗糖是大多数植物长距离运输的主要有机物,与葡萄糖相比,以蔗糖作为运输物质的优点是 　。
B、二年山东一模试题（2024-2025）
1.（2025济南一模）下列关于光合色素的说法正确的是
A.与油菜相比,发菜中不仅含有叶绿素,还含有藻蓝素
B.光合色素仅能感受可见光,参与光合作用的调节过程
C.缺Mg会影响绿色植物的光合作用,使其光补偿点和光饱和点均变大
D.叶绿素b的分子量大于叶绿素a是其在纸层析后的滤纸条上更接近滤液细线的直接原因
2.（2024烟台德州一模）科学家从菠菜中分离出类囊体，将其与多种辅因子和多样化的还原酶一起包裹在油包水滴中，构建出如图所示能实现CO 的连续转化且可编辑的人工光合细胞。下列说法错误的是（ ）
A. 人工光合细胞膜应该由单层磷脂分子组成
B. 需持续加入多种辅因子为CO 转化提供能量和还原剂
C. 通过改变还原酶的种类能实现可定制的CO 转化
D. 与菠菜叶肉细胞相比，人工光合细胞更有利于有机物积累
3.（2024菏泽一模）英国植物学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生氧气的化学反应称为“希尔反应”。下列说法错误的是（ ）
A. 希尔反应不能说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部来自水
B. 可用放射性同位素标记法追踪水中氧原子的去路
C. 希尔反应模拟了叶绿体反应阶段的部分变化
D. 希尔反应说明水的光解和糖的合成不是同一个化学反应
4. （2025枣庄一模，不定项）英国植物学家罗伯特·希尔1937年发现，在离体叶绿体的悬浮液中（无CO2）加入氧化剂，在光照条件下可以释放O2，现在把这种现象称为希尔反应。下列有关说法正确的是（　　）
A. 希尔反应发生的场所是叶绿体基质
B. 如果不加入氧化剂，O2不会持续产生
C. 希尔反应证明了产生的O2全部来源于水
D. 希尔反应证明氧气的产生和糖类的合成是相对独立的过程
5.（2025齐鲁名校联考）蓝细菌能够进行光合作用释放O2，为地球上好氧生物的生存提供条件。R酶是蓝细菌光合作用过程中的关键酶，高浓度O2可导致其催化效率下降。如图所示，该酶通常存在于蓝细菌的羧酶体中，羧酶体是由蛋白质形成的多角形结构，可限制气体扩散。
（1）水质监测时，常通过测定水体光吸收值来确定浮游生物的量，蓝细菌和小球藻（真核藻类）都具有的能吸收光能的色素是____________。蓝细菌吸收光能后发生能量转化，为暗反应提供了____________，暗反应阶段的____________过程发生在羧酶体中。
（2）蓝细菌具有较高的光合效率，结合以上信息分析，可能的原因是____________。
（3）研究人员将能够进行光合作用并分泌糖类的工程蓝细菌植入酿酒酵母细胞内，构建了酵母一蓝细菌嵌合体。若要验证蓝细菌固定CO2合成的糖类参与酵母菌的代谢，可利用____________法进行研究。与普通酵母菌相比，利用酵母一蓝细菌嵌合体生产目的产物的优势为____________。
6.（2025济南一模）(9分)光系统复合物由蛋白质和光合色素组成,共同完成光能的转化作用,D1蛋白是其中的关键蛋白。当光照强度超过光系统复合物利用限度时会导致光合强度下降,即发生光抑制现象。下图为某高等植物叶绿体中光合作用过程及光抑制发生机理图，回答下列问题:
(1)光系统复合物位于 上，它受损的结果首先影响光合作用的 阶段。据图推测，psbA基因的遗传 (填“遵循”或“不遵循”)孟德尔的遗传定律。
(2)一般情况下植物正常进行光合作用时,若气孔增大,其他条件均未发生变化,C5的生成速率将 ，原因是 。
(3)当光抑制现象初始发生时,NADP+浓度会暂时 ，从生物工程角度分析,写出一个缓解光抑制现象的思路 。
7.（2024潍坊滨州一模）人工光合系统是指通过人工方法模拟光合作用生成有机物的技术，图为一种将无机半导体与还原CO2的微生物催化剂相结合，利用太阳能高效还原CO2的人工光合系统。图中双极膜是特种离子交换膜，由一张阳膜和一张阴膜复合制成，可在直流电场的作用下，将复合层间的 H2O 解离为 H+和OH-。生物阴极引入了特定的功能微生物——嗜氢产甲烷菌，可将CO2转化为CH4进一步利用。
（1）从发挥的作用看，光阳极相当于叶绿体中的_______。光阳极吸收光子并产生光生电子（e ）和“空穴”， “空穴”带_______（填“正”或“负”） 电。
（2）生物阴极在人工光合系统中对 CO2起到了______的作用。自光照开始，整个系统的能量转换过程是________（用文字和箭头表示）。
（3）嗜氢产甲烷菌是专性厌氧菌，由此推测该系统中双极膜具有选择透过性，具体表现为________。
（4）该人工光合系统在生态学上的重要意义是________（答两点即可）。
8.（2024菏泽一模）大豆生长发育过程中，处于弱光等逆境中可能造成产量降低。研究表明，前期经过“荫蔽锻炼”，可以使植物产生“抗逆境记忆”，提高后期的耐受能力。如图所示为大豆叶肉细胞中部分结构及反应，其中①②③代表物质，PSI是光系统Ⅰ、PSⅡ是光系统Ⅱ。在光合链中，质子醌PQ既可传递电子，又可传递质子。研究人员用大豆做了三组实验，A组持续光照，B组照光后进行弱光逆境处理，C组进行照光—荫蔽锻炼—照光—弱光逆境，实验结果如下表。请回答下列问题：
组别 叶绿素a含量 （mg·g-1） 叶绿素b含量 （mg·g-1） 叶绿素a/叶绿素b 净光合速率 （μmolCO2·m-2·s-1）
A组 1.754 0.408 4.303 4.62
B组 1.577 0.466 3.387 9.78
C组 1.763 0.543 3.222 10.81
（1）图中物质②代表_____。
（2）图中的膜结构为_____，能完成水光解的结构是_____（填“PSⅠ”或“PSⅡ”）。电子由水释放出来后，经过一系列的传递体形成电子流，电子流的最终受体是_____。
（3）图中H+从B侧流向A侧的过程中合成了_____，H+浓度梯度的建立依赖于_____（至少答出2点）。
（4）根据表中的实验数据，说明荫蔽锻炼使植物产生“抗逆性记忆”的机理是_____。
9.（2024聊城一模）当光照过强、超过棉花叶片需要吸收的光能时，会导致光合速率下降，这种现象称为光抑制。有关光抑制的机制，一般认为：在强光下，一方面因NADP+不足使电子传递给O2形成O2-1；另一方面会导致还原态电子积累，形成3chl，3chl与O2反应生成1O2。O2-1和1O2都非常活泼，如不及时清除，会攻击叶绿素和PSII反应中心的D1蛋白，从而损伤光合结构。类胡萝卜素可快速淬灭3chl，也可以直接清除1O2。下图1是棉花的叶肉细胞中进行光合作用的示意图，①、②、③为相关过程，PSI和PSII都是由蛋白质和光合色素组成的光系统复合物；图2、图3分别表示正常棉花和突变棉花绿叶中色素纸层析结果示意图（I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示不同色素带）；图4是正常棉花的色素总吸收光谱、光合作用的作用光谱（指不同波长光照下植物的光合作用效率）和色素带Ⅱ的吸收光谱。回答下列问题：
（1）图1中，类囊体膜上传递的电子的最初供体是___。过程②和③中消耗能量的过程是___，物质A的功能是___。
（2）图2、3中，色素带Ⅱ代表的色素名称是___。通过测量不同波长光照下的O2释放量绘制的曲线是图4所示的___光谱。总吸收光谱与色素带Ⅱ的吸收光谱曲线不吻合的原因是___。
（3）强光导致光抑制时，突变棉花植株比正常棉花植株光合速率下降更快的原因是___。
（4）已知Deg蛋白酶可降解受损的D1蛋白，提高其更新速度。强光下，若抑制Deg蛋白酶的活性，则光合速率会受到抑制，其原因可能是___，进而影响电子的传递，使光合速率下降。
C、山东考题原创预测
【命题趋势】
1. 情境化设计：涵盖农业技术（LED补光）、生态修复（湿地植物）、基因工程（耐盐水稻）等真实场景，体现学科应用价值。
2. 图表结合：通过曲线图、数据表格和代谢流程图，考查信息提取与逻辑分析能力。
3. 核心素养：突出科学探究（实验设计）、生命观念（物质与能量观）及社会责任（生态治理）。
（一）单项选择题
1.（农业生产）某地农民为提高大棚蔬菜产量，采用红光和蓝紫光组合的LED灯补光。此措施主要依据光合色素对光的吸收特性。以下说法正确的是（ ）
A. 叶绿素a和叶绿素b均主要吸收红光和蓝紫光
B. 类胡萝卜素吸收的蓝紫光可直接用于光反应中ATP的合成
C. 红光和蓝紫光组合可提高所有光合色素的吸收效率
D. 若仅用绿光补光，光合速率会显著高于自然光条件
2.下图所示为叶绿体中色素蛋白等成分在膜上的分布。下列关于相关过程以及发生场所的说法,不正确的是()
A.H O→H++O 发生在光反应阶段,场所是叶绿体类囊体薄膜
B.膜上的叶绿素主要吸收蓝紫光和红光用于光合作用
C.类囊体内H+浓度高于膜外是形成ATP的能量来源
D.水光解产生的O 若被有氧呼吸利用,最少要穿过4层膜
3.（生态保护）研究发现，某湿地植物在CO 浓度升高的环境中，暗反应速率显著提高，但光反应速率未明显变化。此现象最可能与下列哪种物质的变化直接相关？（ ）
A. RuBP羧化酶活性 B. ATP合成酶数量
C. 叶绿体类囊体膜面积 D. NADPH的再生速率
（二）不定项选择题（每题3分，少选得1分，错选不得分）
4.（实验探究·突变体分析）研究者用叶绿体发育异常（叶绿素含量明显较低）的玉米突变体进行实验，检测发现其叶片中ATP含量显著低于野生型。下列推断正确的是（ ）
A. 突变体光反应中水的分解受阻
B. 突变体叶片可能呈现黄化现象
C. 突变体暗反应CO 固定速率下降
D. 突变体无法进行卡尔文循环
5.（科研实验分析）科学家利用同位素标记法研究玉米（C4植物）和菠菜（C3植物）的CO2固定途径，发现两者叶肉细胞中放射性出现的位置不同。下图为C4植物的CO2固定途径，下列叙述错误的是（ ）
A. 玉米的叶肉细胞中，14C首先出现在C3化合物中
B. 菠菜的叶肉细胞中，14C直接进入卡尔文循环
C. 玉米的维管束鞘细胞中，RuBP羧化酶活性较高
D. 干旱条件下，玉米的光合速率下降幅度小于菠菜
（三）非选择题
6. 某植物在适宜条件下进行光合作用，研究人员测定其叶绿体中磷酸丙糖（G3P）的转运机制，发现其去向受细胞质基质中Pi（无机磷酸盐）浓度调控（如图）。请回答：
（1）G3P是暗反应中__________阶段的产物，其合成需光反应提供的__________（物质）。
（2）当细胞质基质中Pi浓度较低时，叶绿体中淀粉合成量__________（填“增加”或“减少”），原因是__________。
（3）若长时间黑暗处理，推测细胞质基质中Pi浓度将__________，此时叶绿体内G3P的转运方向为__________。
（4）农业生产中，通过调控Pi浓度可提高作物产量。请结合本题机制提出一项增产措施：__________。
7.图(1)和图(2)为植物光合作用过程(部分)示意图，其中PSI和PSII是吸收、传递、转化光能的光系统。请回答下列问题:
图(2)
(1)图(1)中的“ ”与图(2)的_ 表示同一种物质，该物质从产生部位扩散至细胞外需要经过____层磷脂分子。
(2)图(2)中①表示的场所是 。ATP合成酶也是运输H+的载体,其在跨膜H+浓度梯度推动下合成ATP,由此可推测H+跨膜运输方式为 。若膜两侧的H+浓度梯度突然消失,其他条件不变,短时间内暗反应中五碳化合物含量会______。
(3)植物细胞中含有ATP合成酶的生物膜还有_____ 。
(4)为进一步了解植物代谢机制,研究人员在密闭恒温玻璃温室内进行植物栽培实验。连续48h测定温室内CO2浓度及植物CO2吸收/释放速率,得到图（3）所示曲线(整个过程中呼吸作用强度恒定)。请据图分析并回答:
图（3）
①实验的前3h叶肉细胞产生ATP的场所有 。如改用相同强度绿光
进行实验，c点的位置将______。
②图2中植物呼吸速率与光合速率相等的时间点有___个。实验中该植物前24h有机物积累量 (填“<”“=”或“>”)后24h有机物积累量。
【附】2015-2019年高考
1.(2019·全国1,3,6分,难度★★)将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中,一段时间后植株达到40 g,其增加的质量来自于( )　　　　　　　　　　　　　　
A.水、矿质元素和空气
B.光、矿质元素和水
C.水、矿质元素和土壤
D.光、矿质元素和空气
2.(2019·海南,9,2分,难度★★)下列关于高等植物光合作用的叙述,错误的是 ( )
A.光合作用的暗反应阶段不能直接利用光能
B.红光照射时,胡萝卜素吸收的光能可传递给叶绿素a
C.光反应中,将光能转变为化学能需要有ADP的参与
D.红光照射时,叶绿素b吸收的光能可用于光合作用
3.(2018·北京,3,6分,难度★)光反应在叶绿体类囊体上进行。在适宜条件下,向类囊体悬液中加入氧化还原指示剂DCIP,照光后DCIP由蓝色逐渐变为无色,该反应过程中( )
A.需要ATP提供能量 B.DCIP被氧化
C.不需要光合色素参与 D.会产生氧气
参考答案与详细解析
考典13.光合作用的原理
A、五年高考真题（2020-2024）
（山东五年二考）
1.(2023·湖北,8,2分,难度★★★)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体,PSⅡ光复合体含有光合色素,能吸收光能,并分解水。研究发现,PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ,通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与 PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是(C)
A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,PSⅡ光复合体对光能的捕获增强
B.Mg2+含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱
C.弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,不利于对光能的捕获
D.PSⅡ光复合体分解水可以产生H+、电子和O2
解析 根据题干信息可知,LHC 蛋白激酶催化 LHCⅡ 与 PSⅡ 的分离,当 LHC 蛋白激酶活性下降时,LHCⅡ 无法与 PSⅡ 分离,导致 PSⅡ 光复合体对光能的捕获增强,A项正确。Mg2+ 是叶绿素的重要组成成分,如果 Mg2+ 含量减少,PSⅡ 光复合体对光能的捕获会减弱,B项正确。在弱光条件下,LHCⅡ与PSⅡ结合,这有助于增强PSⅡ光复合体对光能的捕获,LHCⅡ是光合色素蛋白复合体,它可以吸收光能并传递给PSⅡ,进而促进光合作用的进行,C项错误。PSⅡ光复合体在光反应中参与水的光解反应,产生H+、电子和O2,D项正确。
2.(2021·湖南,7,2分,难度★★)绿色植物的光合作用是在叶绿体内进行的一系列能量和物质转化过程。下列叙述错误的是 (A)
A.弱光条件下植物没有O2的释放,说明未进行光合作用
B.在暗反应阶段,CO2不能直接被还原
C.在禾谷类作物开花期剪掉部分花穗,叶片的光合速率会暂时下降
D.合理密植和增施有机肥能提高农作物的光合作用强度
解析 弱光条件下,若植物叶肉细胞的光合作用小于呼吸作用,也没有O2的释放,A项错误;在暗反应阶段,CO2需要先固定形成三碳化合物后才能被还原,B项正确;在禾谷类作物开花期,植物光合作用合成有机物供应花穗,若剪掉部分花穗,则会导致叶片的光合速率会暂时下降,C项正确;合理密植可提高光照强度和二氧化碳浓度从而提高光合作用强度,增施有机肥能提高二氧化碳浓度从而提高农作物的光合作用强度,D项正确。
3.(2021·广东,12,2分,难度★★★)在高等植物光合作用的卡尔文循环中,唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco,下列叙述正确的是 (D)
A.Rubisco存在于细胞质基质中
B.激活Rubisco需要黑暗条件
C.Rubisco催化CO2固定需要ATP
D.Rubisco催化C5和CO2结合
解析 CO2的固定发生于暗反应阶段,场所是叶绿体基质,A项错误。CO2的固定过程在有光和无光条件下都能进行,但Rubisco需要光激活,B项错误。CO2的固定过程需要酶的参与,不需要消耗ATP,C项错误;由题干信息可知,催化CO2固定形成C3的酶是Rubisco,D项正确。
光合作用过程中光反应和暗反应的比较
比较 项目 光反应 暗反应
场所 叶绿体的类囊体薄膜 叶绿体基质
物质 变化 2H2OO2+4H++4e- ADP+PiATP NADP++H++4e-NADPH CO2+C52C3 2C3 (CH2O)+C5
能量 变化 光能→ATP中活跃的化学能 ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
4.(2021·重庆,6,2分,难度★★)下图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析,下列叙述错误的是 (A)
A.水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,最少要穿过4层膜
B.NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH
C.产生的ATP可用于暗反应及其他消耗能量的反应
D.电子(e-)的有序传递是完成光能转换的重要环节
解析 水光解产生O2的场所是叶绿体的类囊体薄膜,若被有氧呼吸利用,氧气至少需穿过一层类囊体膜、叶绿体双层膜和线粒体双层膜,共5层膜,A项错误;光反应中NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH,提供给暗反应,B项正确;据题图中信息可知,产生的ATP可用于暗反应以及核酸代谢、色素合成等其他消耗能量的反应,C项正确;分析题图可知,光反应产生的电子(e-)通过一系列的有序传递,将光能转化为储存在ATP中的活跃的化学能,D项正确。
5.(2020·天津,5,4分,难度★★)研究人员从菠菜中分离类囊体,将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴,从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是 (A)
A.产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质
B.该反应体系不断消耗的物质仅是CO2
C.类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原
D.与叶绿体相比,该反应体系不含光合作用色素
解析 CO2的固定和C3还原发生在暗反应过程中,暗反应的场所是叶绿体基质,A项正确;暗反应过程消耗的物质除了CO2,还有NADPH和ATP等物质,B项错误;光反应的场所是类囊体薄膜,光反应产生的ATP可用于暗反应,光反应产生的氧气可以用于细胞有氧呼吸,多余的氧气释放到空气中,C项错误;该反应体系中含有类囊体,因此该反应体系含有光合作用色素,D项错误。
6.(2022·全国甲,29,9分,难度★★)根据光合作用中CO2的固定方式不同,可将植物分为C3植物和C4植物等类型。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。CO2补偿点通常是指环境CO2浓度降低导致光合速率与呼吸速率相等时的环境CO2浓度。回答下列问题。
(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反应阶段的产物是相同的,光反应阶段的产物是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答出3点即可)。
(2)正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位,原因是　　　　　　　　　　　　　(答出1点即可)。
(3)干旱会导致气孔开度减小,研究发现在同等程度干旱条件下,C4植物比C3植物生长得好。从两种植物CO2补偿点的角度分析,可能的原因是 　。
答案 (1)ATP、NADPH和O2　(2)自身呼吸需要消耗有机物或建造植物体结构需要有机物(答出1点即可)　(3)干旱导致植物气孔开度减小,叶片吸收的CO2减少;C4植物的CO2补偿点比C3植物的低,C4植物在较低CO2浓度下就能合成满足自身生长所需的有机物(答案合理即可)
解析 (1)光合作用的光反应阶段发生的物质变化包括ATP的形成和水的光解,因此光反应阶段的产物有ATP、NADPH和O2。(2)叶片的光合产物,一部分被自身呼吸消耗,一部分用来建造植物体结构,一部分被输送到植物体的储藏器官储存起来。正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位。(3)干旱条件下,植物叶片的大部分气孔会关闭,导致植物从外界吸收的CO2减少;因为C4植物的CO2补偿点比C3植物的低,C4植物能够利用较低浓度的CO2,所以在同等程度干旱条件下,C4植物比C3植物生长得好。
7.(2022·江苏,20,9分,难度★★★)图Ⅰ所示为光合作用过程中部分物质的代谢关系(①~⑦表示代谢途径)。Rubisco是光合作用的关键酶之一,CO2和O2竞争与其结合,分别催化C5的羧化与氧化。C5羧化固定CO2合成糖;C5氧化则产生乙醇酸(C2),C2在过氧化物酶体和线粒体协同下,完成光呼吸碳氧化循环。请据图回答下列问题。
图Ⅰ 图Ⅱ
(1)图Ⅰ中,类囊体膜直接参与的代谢途径有　　　　　(从①~⑦中选填),在红光照射条件下,参与这些途径的主要色素是　　　　　。
(2)在C2循环途径中,乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化,同时生成的　　　　在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。
(3)将叶片置于一个密闭小室内,分别在CO2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(图Ⅱ)。
①曲线a,0~t1时(没有光照,只进行呼吸作用)段释放的CO2源于　　　　　;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 　。
(4)光呼吸可使光合效率下降20%~50%,科学家在烟草叶绿体中组装表达了衣藻的乙醇酸脱氢酶和南瓜的苹果酸合酶,形成了图Ⅲ代谢途径,通过
降低了光呼吸,提高了植株生物量。上述工作体现了遗传多样性的　　　　价值。
图Ⅲ
答案 (1)①⑥　叶绿素(叶绿素a和叶绿素b)　(2)H2O2(过氧化氢)　(3)①细胞呼吸　光呼吸和细胞呼吸　②光合作用速率等于光呼吸和细胞呼吸速率之和　(4)将乙醇酸转化为苹果酸,增加叶绿体中的CO2浓度　直接
解析 (1)光合作用光反应阶段的场所是类囊体膜,主要代谢过程包括水的光解、ATP和NADPH的合成,对应图Ⅰ中的①⑥过程;光反应过程需要光合色素的参与,叶绿素(叶绿素a和叶绿素b)主要吸收红光和蓝紫光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。(2)由题空后半句“过氧化氢酶”“O2和H2O”可知,分解的底物为H2O2(过氧化氢)。(3)①由题干信息“CO2和O2竞争与其结合……完成光呼吸碳氧化循环”及图Ⅰ可知,在光照条件下(H2O可进行水的光解产生O2)且CO2浓度较低时,O2结合Rubisco的能力较强,易催化C5氧化产生C2,C2在过氧化物酶体和线粒体协同下参与完成光呼吸碳氧化循环,产生CO2;此外,细胞呼吸作用也会产生CO2,而黑暗条件下(0~t1),不能进行光呼吸,CO2来自呼吸作用;曲线a在t1点施加光照后,t1~t2时段CO2的释放速度有所增加,CO2来自光呼吸和细胞呼吸。②曲线b到达t2点后,室内CO2浓度不再改变,说明CO2的吸收与释放速度达到动态平衡,即光合作用速率等于光呼吸和细胞呼吸速率之和。(4)根据(2)和图Ⅰ所示可知,光呼吸代谢途径为叶绿体中的乙醇酸(C2)运出后直接或间接被转化为过氧化氢、CO2和C3(消耗ATP)等,其中过氧化氢会被进一步分解为O2和水,一定程度上造成了物质和能量的浪费。与光呼吸途径相比,图Ⅲ所示途径通过将乙醇酸转化为苹果酸,把物质保留在叶绿体内,苹果酸转化过程中生成2分子CO2,提高了叶绿体中CO2与O2的比值,这不但降低了光呼吸,还提高了植物生物量,属于科学研究方面的非实用意义的价值,体现了遗传多样性的直接价值。
8.(2022·重庆,23,14分,难度★★★★)科学家发现,光能会被类囊体转化为“某种能量形式”,并用于驱动产生ATP(如图Ⅰ)。为探寻这种能量形式,他们开展了后续实验。
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
(1)制备类囊体时,提取液中应含有适宜浓度的蔗糖,以保证其结构完整,原因是
　　　　　　　　　　　　　;为避免膜蛋白被降解,提取液应保持　　　　(填“低温”或“常温”)。
(2)在图Ⅰ实验基础上进行图Ⅱ实验,发现该实验条件下也能产生ATP。但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内外的H+浓度差,原因是　。
(3)为探究自然条件下类囊体膜内外产生H+浓度差的原因,对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理,结果如图III所示,悬液的pH在光照处理时升高,原因是 　　　　　　　　　　。类囊体膜内外的H+浓度差是通过光合电子传递和H+转运形成的,电子的最终来源物质是　　　　。
(4)用菠菜类囊体和人工酶系统组装的人工叶绿体,能在光下生产目标多碳化合物。若要实现黑暗条件下持续生产,需稳定提供的物质有　　　　　　　　　　。生产中发现即使增加光照强度,产量也不再增加,若要增产,可采取的有效措施有　 　(答两点)。
答案 (1)保持类囊体内外的渗透压,避免类囊体破裂　低温
(2)实验Ⅱ是在光照条件下对类囊体进行培养,无法证明某种能量是来自光能还是来自膜内外H+浓度差
(3)类囊体膜外H+被转移到类囊体膜内,造成溶液pH升高　水
(4)[H]、ATP和CO2　增加CO2的浓度,适当提高环境温度
解析 (1)制备类囊体时,其提取液中需要添加适宜浓度的蔗糖,保持类囊体内外的渗透压,避免类囊体破裂,以保证其结构完整。提取液应保持低温降低蛋白酶的活性,避免膜蛋白被降解。(2)从图Ⅱ实验中可知,在光照条件下,将处于pH=4的类囊体转移到pH=8的锥形瓶中,再在遮光的条件下加入ADP和Pi,也产生了ATP,但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内外的H+浓度差,原因是实验Ⅱ是在光照条件下对类囊体进行培养,无法证明某种能量是来自光能还是来自膜内外H+浓度差。(3)对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理,悬液的pH在光照处理时升高,推测可能是类囊体膜外H+被转移到类囊体膜内,造成溶液pH升高。类囊体膜内外的H+浓度差是通过光合电子传递和H+转运形成的,光反应过程中,水的光解伴随着电子的传递,故电子的最终来源是水。(4)人工叶绿体,能在光下生产目标多碳化合物,若要在黑暗条件下持续生产,则需要提供光反应产生的物质NADPH和ATP,以及暗反应的原料CO2。生产中发现即使增加光照强度,产量也不再增加,说明暗反应已经达到最大速率,增加二氧化碳的浓度和适当提高环境温度增加酶的活性,可有效提高光合效率。
9.(2021·天津,15,10分,难度★★★)Rubisco是光合作用过程中催化CO2固定的酶。但其也能催化O2与C5结合,形成C3和C2,导致光合效率下降。CO2与O2竞争性结合Rubisco的同一活性位点,因此提高CO2浓度可以提高光合效率。
(1)蓝细菌具有CO2浓缩机制,如下图所示。
注:羧化体具有蛋白质外壳,可限制气体扩散
据图分析,CO2依次以　　　　　和　　　　　方式通过细胞膜和光合片层膜。蓝细菌的CO2浓缩机制可提高羧化体中Rubisco周围的CO2浓度,从而通过促进　　　　　和抑制　　　　　提高光合效率。
(2)向烟草内转入蓝细菌Rubisco的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应,应能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的　　　　　　　中观察到羧化体。
(3)研究发现,转基因烟草的光合速率并未提高。若再转入HC和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用,理论上该转基因植株暗反应水平应　　　　　,光反应水平应　　　　　,从而提高光合速率。
答案 (1)自由扩散　主动运输　CO2的固定　O2与C5结合　(2)叶绿体　(3)提高　提高
解析 (1)CO2通过细胞膜的方式为自由扩散,进入光合片层膜时需要膜上的CO2转运蛋白协助并消耗能量,为主动运输。蓝细菌通过CO2浓缩机制使羧化体中Rubisco周围的CO2浓度升高,从而通过促进CO2的固定进行光合作用,同时抑制O2与C5结合,进而抑制光呼吸,最终提高光合效率。(2)若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应,暗反应的场所为叶绿体基质,故能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的叶绿体中观察到羧化体。(3)若转入HC和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用,理论上可以增大羧化体中CO2的浓度,使转基因植株暗反应水平提高,进而消耗更多的NADPH和ATP,使光反应水平也随之提高,从而提高光合速率。
10.(2021·山东,21,8分,难度★★★)光照条件下,叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5,O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸。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溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计。
SoBS浓度/(mg·L-1) 0 100 200 300 400 500 600
光合作用强度/(CO2 μmol·m2·s-1) 18.9 20.9 20.7 18.7 17.6 16.5 15.7
光呼吸强度/(CO2 μmol·m2·s-1) 6.4 6.2 5.8 5.5 5.2 4.8 4.3
(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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(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-1之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。
答案 (1)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
(2)低　喷施SoBS溶液后,光合作用固定的CO2增加,光呼吸释放的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)100~300
解析 (1)由于C5位于叶绿体基质中,可推测O2与C5结合发生的场所在叶绿体基质中。突然停止光照,叶片光反应停止,则光反应产生的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。(2)叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度即为光饱和点,与对照相比,喷施100 mg·L-1 SoBS溶液后,光合作用固定的CO2增加,光呼吸释放的CO2减少,若使二者相等,则需适当降低光照强度,才能使叶片吸收和放出CO2量相等。(3)光呼吸会消耗有机物,但光呼吸会释放CO2,补充光合作用的原料,适当抑制光呼吸可以增加作物产量,由表可知,在SoBS溶液浓度为200 mg·L-1时,光合作用强度与光呼吸强度差值最大,即光合产量最大,为了进一步探究最适喷施浓度,应在100~300 mg·L-1之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。
11.(2021·辽宁,22,13分,难度★★★)早期地球大气中的O2浓度很低,到了大约3.5亿年前,大气中O2浓度显著增加,CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约为390 μmol·mol-1,是限制植物光合作用速率的重要因素。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所在局部空间位置的CO2浓度,促进了CO2的固定。回答下列问题:
(1)真核细胞叶绿体中,在Rubisco的催化下,CO2被固定形成　　　　　,进而被还原生成糖类,此过程发生在　　　　　中。
(2)海水中的无机碳主要以CO2和HC两种形式存在,水体中CO2浓度低、扩散速度慢,有些藻类具有图1所示的无机碳浓缩过程。图中HC浓度最高的场所是　　　　　(填“细胞外”“细胞质基质”或“叶绿体”),可为图示过程提供ATP的生理过程有　　　　　　　　　　。
图1
(3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制,部分过程见图2。在叶肉细胞中,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将HC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。
图2
①由这种CO2浓缩机制可以推测,PEPC与无机碳的亲和力　　　　　(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。
②图2所示的物质中,可由光合作用光反应提供的是　　　　　。图中由Pyr转变为PEP的过程属于　　　　　(填“吸能反应”或“放能反应”)。
③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所,可以使用　　　　　技术。
(4)通过转基因技术或蛋白质工程技术,可能进一步提高植物光合作用的效率,以下研究思路合理的有　　　　　(多选)。
A.改造植物的HC转运蛋白基因,增强HC的运输能力
B.改造植物的PEPC基因,抑制OAA的合成
C.改造植物的Rubisco基因,增强CO2固定能力
D.将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物
答案 (1)三碳化合物　叶绿体基质
(2)叶绿体　细胞呼吸和光合作用
(3)①高于　②NADPH和ATP　吸能反应　③同位素示踪　(4)AC
解析 (1)在光合作用的暗反应中,CO2被固定形成三碳化合物,进而被还原生成糖类和C5,此过程发生在叶绿体基质中。(2)HC运输需要消耗ATP,说明HC的运输是主动运输,主动运输一般是逆浓度梯度运输,由此推断图中HC浓度最高的场所是叶绿体。该过程中ATP在细胞质中由细胞呼吸提供,叶绿体中的ATP由光合作用提供。(3)①PEPC参与催化HC+PEP过程,说明PEPC与无机碳的亲和力高于Rubisco。②图2所示的物质中,可由光合作用光反应提供的是ATP和NADPH,图中由Pyr转变为PEP的过程需要消耗ATP,说明图中由Pyr转变为PEP的过程属于吸能反应。③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所,可以使用同位素示踪技术。(4)改造植物的HC转运蛋白基因,增强HC的运输能力,可以提高植物光合作用的效率,A项正确;改造植物的PEPC基因,抑制OAA的合成,不利于最终二氧化碳的生成,不能提高植物光合作用的效率,B项错误;改造植物的Rubisco基因,增强CO2固定能力,可以提高植物光合作用的效率,C项正确;将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物,不一定提高植物光合作用的效率,D项错误。
12.(2020·山东,21,9分,难度★★★)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如下图所示,其中甲、乙表示物质,模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是　　　　　　　　　　　,模块3中的甲可与CO2结合,甲为　　　　　　　　。
(2)若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将　　　　(填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长,模块2中的能量转换效率也会发生改变,原因是　 　。
(3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,该系统糖类的积累量　　　　(填“高于”“低于”或“等于”)植物,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)干旱条件下,很多植物光合作用速率降低,主要原因是　　　　　　　　　　　　　　。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低,在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。
答案 (1)模块1和模块2　五碳化合物(或:C5)
(2)减少　模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足
(3)高于　人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或:植物呼吸作用消耗糖类)
(4)叶片气孔开放程度降低,CO2的吸收量减少
解析 (1)分析图示可知,模块1为将光能转化为电能的过程,模拟的是色素吸收光能的过程,模块2模拟的是水分子氧化以产生氧分子和氢离子,并合成ATP的过程,因此两个模块模拟的是光反应过程。模块3则模拟的是暗反应过程。(2)模块3模拟暗反应过程,气泵泵入的是CO2,其中甲表示C5,乙表示C3,若正常运转过程中气泵突然停转,则输入到暗反应系统中的CO2浓度下降,CO2固定减少,则C3的含量会减少,若气泵停转的时间较长,则暗反应过程为光反应提供的ADP、Pi和NADP+不足,会导致模块2中的能量转换效率下降。(3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,该系统糖类的积累量与植物的总光合作用量相等,由于该系统未模拟细胞呼吸,不会通过呼吸作用消耗糖类,而植物会发生呼吸作用,因此该系统积累的糖类多于植物。(4)干旱条件下,植物的光合作用速率降低的主要原因是干旱导致植物的蒸腾作用加强,植物为了防止水分散失会关闭气孔,叶片气孔开放程度降低,CO2吸收量减少。
13.(2020·江苏,27,8分,难度★★★)大豆与根瘤菌是互利共生关系,下图所示为大豆叶片及根瘤中部分物质的代谢、运输途径,请据图回答下列问题。
(1)在叶绿体中,光合色素分布在
上;在酶催化下直接参与CO2固定的化学物质是H2O和　　　　。
(2)上图所示的代谢途径中,催化固定CO2形成3-磷酸甘油酸(PGA)的酶在
中,PGA还原成磷酸丙糖(TP)运出叶绿体后合成蔗糖,催化TP合成蔗糖的酶存在于　　　　　　　　　。
(3)根瘤菌固氮产生的NH3可用于氨基酸的合成,氨基酸合成蛋白质时,通过脱水缩合形成　　　键。
(4)CO2和N2的固定都需要消耗大量ATP。叶绿体中合成ATP的能量来自　　　　;根瘤中合成ATP的能量主要源于　　　　的分解。
(5)蔗糖是大多数植物长距离运输的主要有机物,与葡萄糖相比,以蔗糖作为运输物质的优点是 　。
答案 (1)类囊体(薄)膜　C5　(2)叶绿体基质　细胞质基质　(3)肽　(4)光能　糖类　(5)非还原糖较稳定(或蔗糖分子为二糖,对渗透压的影响相对小)
解析 (1)叶绿体是绿色植物细胞进行光合作用的场所,光合色素分布在叶绿体的类囊体(薄)膜上,其功能是吸收光能;在酶催化下,光能使H2O裂解成氧和H+,NADP+与H+结合形成NADPH,NADPH参与暗反应中CO2的固定,参与CO2固定的化学物质还有C5。(2)光合作用分为两个阶段,光反应阶段和暗反应阶段,暗反应包括CO2的固定和C3的还原,暗反应的场所是叶绿体基质,参与暗反应的酶在叶绿体基质中。由题图可知TP合成后运出叶绿体,在细胞质基质中合成蔗糖,则催化TP合成蔗糖的酶存在于细胞质基质中。(3)氨基酸是合成蛋白质的基本单位,氨基酸合成蛋白质时通过脱水缩合形成肽键。(4)叶绿体中的类囊体是光反应的场所,色素捕获的光能用于水的光解和合成ATP;根瘤菌中合成ATP的能量主要来源于糖类的分解。(5)葡萄糖是还原糖,而蔗糖是二糖(非还原性糖),蔗糖的性质较稳定。相同质量的蔗糖与葡萄糖相比,蔗糖对渗透压的影响相对较小。
B、二年山东一模试题（2024-2025）
1.（2025济南一模）下列关于光合色素的说法正确的是
A.与油菜相比,发菜中不仅含有叶绿素,还含有藻蓝素
B.光合色素仅能感受可见光,参与光合作用的调节过程
C.缺Mg会影响绿色植物的光合作用,使其光补偿点和光饱和点均变大
D.叶绿素b的分子量大于叶绿素a是其在纸层析后的滤纸条上更接近滤液细线的直接原因
答案：A。
解析：
A 选项：油菜是高等植物，含有叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和胡萝卜素等光合色素。发菜属于蓝藻，是原核生物，没有叶绿体，但含有叶绿素和藻蓝素，能进行光合作用，该选项正确。
B 选项：光合色素能吸收、传递和转化光能，而不仅仅是感受可见光并参与光合作用的调节过程，该选项错误。
C 选项：Mg是合成叶绿素的重要元素，缺Mg会导致叶绿素合成不足，光合作用强度减弱。光补偿点是指光合作用强度等于呼吸作用强度时的光照强度，由于光合作用减弱，在较低光照强度下就能达到光补偿点，所以光补偿点会变小；光饱和点是指光合作用达到最大时的最小光照强度，因为叶绿素含量减少，光合作用的最大强度降低，达到最大光合作用强度所需的光照强度也会降低，即光饱和点变小，该选项错误。
D 选项：在纸层析法分离色素时，叶绿素b在滤纸条上更接近滤液细线的直接原因是其在层析液中的溶解度小于叶绿素a，溶解度小的色素在滤纸上扩散速度慢，而不是因为分子量大小，该选项错误。
2.（2024烟台德州一模）科学家从菠菜中分离出类囊体，将其与多种辅因子和多样化的还原酶一起包裹在油包水滴中，构建出如图所示能实现CO 的连续转化且可编辑的人工光合细胞。下列说法错误的是（ ）
A. 人工光合细胞膜应该由单层磷脂分子组成
B. 需持续加入多种辅因子为CO 转化提供能量和还原剂
C. 通过改变还原酶的种类能实现可定制的CO 转化
D. 与菠菜叶肉细胞相比，人工光合细胞更有利于有机物积累
【答案】B
【解析】
【分析】光合作用：
（1）光反应阶段：水光解产生[H]和氧气，ADP和Pi 结合形成ATP。
（2）暗反应阶段：二氧化碳和五碳化合物结合形成三碳化合物，三碳化合物在ATP和[H]的作用下，还原成五碳化合物，同时ATP水解成ADP和Pi。
【详解】A、人工光合细胞膜是油里面是水，磷脂分子的头部亲水，尾部疏水，人工光合细胞膜中磷脂分子的排布呈单层排列，且表现为头朝里，尾部朝外，A正确；
B、ATP和NADPH能为CO2转化提供能量和还原剂，由光反应提供，而多种辅因子参与CO2的固定，且C3还原能产生，故不需持续加入多种辅因子，B错误；
C、通过改变还原酶的种类能实现可定制的CO 转化，从而得到不同的有机物，C正确；
D、叶肉细胞需要进行消耗有机物的细胞呼吸，而人工光合系统能够进行光合作用，不能进行呼吸作用，能够更有效的积累有机物，D正确。
故选B。
3.（2024菏泽一模）英国植物学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生氧气的化学反应称为“希尔反应”。下列说法错误的是（ ）
A. 希尔反应不能说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部来自水
B. 可用放射性同位素标记法追踪水中氧原子的去路
C. 希尔反应模拟了叶绿体反应阶段的部分变化
D. 希尔反应说明水的光解和糖的合成不是同一个化学反应
【答案】B
【解析】
【分析】题意分析，希尔反应为离体叶绿体在适当（铁盐或其他氧化剂、光照）条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应，即光反应的部分过程。
【详解】A、希尔反应证明了光合作用产生O2，但不能证明植物光合作用产生的O2中的氧元素全部来自H2O，也可能来自于其他有机物，A正确；
B、氧原子的同位素18O是稳定性同位素，无放射性，B错误；
C、希尔反应模拟的是光合作用光反应阶段的部分变化，发生在叶绿体中，C正确；
D、希尔反应的悬浮液中只有水，没有CO2，不能合成糖类，说明水的光解和糖的合成不是同一个化学反应，D正确。
故选B。
4. （2025枣庄一模，不定项）英国植物学家罗伯特·希尔1937年发现，在离体叶绿体的悬浮液中（无CO2）加入氧化剂，在光照条件下可以释放O2，现在把这种现象称为希尔反应。下列有关说法正确的是（　　）
A. 希尔反应发生的场所是叶绿体基质
B. 如果不加入氧化剂，O2不会持续产生
C. 希尔反应证明了产生的O2全部来源于水
D. 希尔反应证明氧气的产生和糖类的合成是相对独立的过程
【答案】BD
【解析】
【分析】由题意可知，希尔反应为离体叶绿体在适当（铁盐或其他氧化剂、光照）条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应，即光反应。
【详解】A、希尔反应是指离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生氧气的化学反应，即光反应，发生在叶绿体的类囊体薄膜上，A错误；
B、据题干信息可知，希尔反应的发生需要加入氧化剂，故不加入氧化剂，则O2不会持续产生，B正确；
C、希尔反应并不能证明植物光合作用产生的O2中的氧元素全部来自H2O，因为它也可能来自于其他含氧的物质，C错误；
D、希尔反应的悬浮液中没有CO2，不能合成糖类，说明水光解产生氧气与糖类的合成不是同一个化学反应，二者是相对独立的过程， D正确。
故选BD。
5.（2025齐鲁名校联考）蓝细菌能够进行光合作用释放O2，为地球上好氧生物的生存提供条件。R酶是蓝细菌光合作用过程中的关键酶，高浓度O2可导致其催化效率下降。如图所示，该酶通常存在于蓝细菌的羧酶体中，羧酶体是由蛋白质形成的多角形结构，可限制气体扩散。
（1）水质监测时，常通过测定水体光吸收值来确定浮游生物的量，蓝细菌和小球藻（真核藻类）都具有的能吸收光能的色素是____________。蓝细菌吸收光能后发生能量转化，为暗反应提供了____________，暗反应阶段的____________过程发生在羧酶体中。
（2）蓝细菌具有较高的光合效率，结合以上信息分析，可能的原因是____________。
（3）研究人员将能够进行光合作用并分泌糖类的工程蓝细菌植入酿酒酵母细胞内，构建了酵母一蓝细菌嵌合体。若要验证蓝细菌固定CO2合成的糖类参与酵母菌的代谢，可利用____________法进行研究。与普通酵母菌相比，利用酵母一蓝细菌嵌合体生产目的产物的优势为____________。
【答案】（1） ①. 叶绿素 ②. ATP和NADPH ③. CO2的固定
（2）羧酶体限制气体扩散，一方面可提高CO2浓度，促进暗反应，另一方面可防止O2浓度过高导致R酶活性（或催化效率）下降
（3） ①. （放射性）同位素标记 ②. 生产过程中不需要提供碳源
【解析】
【分析】①根据题目信息可知，羧酶体能够使HCO3-进入，并使其在羧酶体内转化为CO2，同时羧酶体能够限制气体扩散，由此可推测，能够提高羧酶体内CO2浓度，促进暗反应发生，另一方面羧酶体不允许O2进入，从而避免羧酶体内O2浓度过高导致R酶催化效率下降；
②同位素标记可用于示踪物质的运行和变化规律，通过追踪用同位素标记的化合物，可以弄清楚化学反应的详细过程。
【小问1详解】
①蓝细菌是能进行光合作用的原核生物，含叶绿素，因此蓝细菌和小球藻都具有的能吸收光能的色素是叶绿素；
②蓝细菌的叶绿素吸收光能后将其转化为ATP和NADPH中活跃的化学能，用于暗反应中C3的还原，因此蓝细菌吸收光能后发生能量转化，为暗反应提供了ATP和NADPH；
③据图可知，在羧酶体内，CO2与C5在R酶的作用下转化为C3，这个过程称作CO2的固定。
【小问2详解】
据图可知，羧酶体能够使HCO3-进入，并使其在羧酶体内转化为CO2，根据题目信息可知，羧酶体能够限制气体扩散，由此可推测，能够提高羧酶体内CO2浓度，促进暗反应发生，另一方面羧酶体不允许O2进入，从而避免羧酶体内O2浓度过高导致R酶催化效率下降，综上所述，蓝细菌具有较高的光合效率，结合以上信息分析，可能的原因是羧酶体限制气体扩散，一方面可提高CO2浓度，促进暗反应，另一方面可防止O2浓度过高导致R酶活性（或催化效率）下降。
【小问3详解】
①同位素标记可用于示踪物质的运行和变化规律，通过追踪用同位素标记的化合物，可以弄清楚化学反应的详细过程。因此若要验证蓝细菌固定CO2合成的糖类参与酵母菌的代谢，可利用放射性同位素标记法；
②根据题目信息可知，酵母一蓝细菌嵌合体是研究人员将能够进行光合作用并分泌糖类的工程蓝细菌植入酿酒酵母细胞内构建而成，因此嵌合体能够利用光能和无机物生产有机物，利用酵母一蓝细菌嵌合体生产目的产物的优势为生产过程中不需要提供有机碳源。
6.（2025济南一模）(9分)光系统复合物由蛋白质和光合色素组成,共同完成光能的转化作用,D1蛋白是其中的关键蛋白。当光照强度超过光系统复合物利用限度时会导致光合强度下降,即发生光抑制现象。下图为某高等植物叶绿体中光合作用过程及光抑制发生机理图，回答下列问题:
(1)光系统复合物位于 上，它受损的结果首先影响光合作用的 阶段。据图推测，psbA基因的遗传 (填“遵循”或“不遵循”)孟德尔的遗传定律。
(2)一般情况下植物正常进行光合作用时,若气孔增大,其他条件均未发生变化,C5的生成速率将 ，原因是 。
(3)当光抑制现象初始发生时,NADP+浓度会暂时 ，从生物工程角度分析,写出一个缓解光抑制现象的思路 。
答案：（1）叶绿体类囊体薄膜 光反应 不遵循
（2）加快 气孔增大，为暗反应提供较多的CO2，暗反应速率加快，C3和C5的生成速率均将加快
（3）增加 通过基因工程手段导入能分解超氧阴离子自由基O2-的酶的基因；通过蛋白质工程改造D1蛋白，增强其稳定性，减少被超氧阴离子自由基O2-破坏
解析：(1)光系统复合物位于叶绿体的类囊体薄膜上，它受损首先影响光合作用的光反应阶段。据图可知，psbA基因位于叶绿体中，属于细胞质基因，其遗传不遵循孟德尔的遗传定律。
(2)一般情况下植物正常进行光合作用时，若气孔增大，其他条件均未发生变化，
C3的生成速率将增大。原因是气孔增大，为暗反应提供较多的CO2，暗反应速率加快，CO2固定形成C3的速率加快，C5的生成速率也将加快。
(3)当光抑制现象初始发生时，光系统复合物受损，光反应产生的NADPH和ATP减少，NADPH用于还原NADP+生成NADPH的过程受阻，所以NADP+浓度会暂时升高。通过基因工程技术，提高植物中D1蛋白的表达量或蛋白质工程改造D1蛋白，增强D1蛋白的稳定性与活性，或者通过基因工程手段导入能分解超氧阴离子自由基O2-的酶的基因，增强D1蛋白稳定性，减少被超氧阴离子自由基O2-破坏，使其能更好地修复光系统复合物，从而减轻光抑制现象。
7.（2024潍坊滨州一模）人工光合系统是指通过人工方法模拟光合作用生成有机物的技术，图为一种将无机半导体与还原CO2的微生物催化剂相结合，利用太阳能高效还原CO2的人工光合系统。图中双极膜是特种离子交换膜，由一张阳膜和一张阴膜复合制成，可在直流电场的作用下，将复合层间的 H2O 解离为 H+和OH-。生物阴极引入了特定的功能微生物——嗜氢产甲烷菌，可将CO2转化为CH4进一步利用。
（1）从发挥的作用看，光阳极相当于叶绿体中的_______。光阳极吸收光子并产生光生电子（e ）和“空穴”， “空穴”带_______（填“正”或“负”） 电。
（2）生物阴极在人工光合系统中对 CO2起到了______的作用。自光照开始，整个系统的能量转换过程是________（用文字和箭头表示）。
（3）嗜氢产甲烷菌是专性厌氧菌，由此推测该系统中双极膜具有选择透过性，具体表现为________。
（4）该人工光合系统在生态学上的重要意义是________（答两点即可）。
【答案】（1） ①. 类囊体（基粒） ②. 正
（2） ①. 固定、还原 ②. 光能→电能→甲烷中的化学能
（3）只允许H+、OH-通过，不允许O2通过
（4）消耗CO2有利于减弱温室效应；制备清洁能源有利于减少空气污染
【解析】
【分析】图可知，光阳极有氧气产生，光阳极相当于叶绿体中的类囊体（基粒），生物阴极可将CO2转化为CH ，消耗CO2有利于减弱温室效应，且可制备清洁能源有利于减少空气污染。
【小问1详解】
由图可知，光阳极有氧气产生，光阳极相当于叶绿体中的类囊体（基粒）。由电子守恒可知，光阳极吸收光子并产生光生电子（e ）和“空穴”， “空穴”带正电。
【小问2详解】
生物阴极可将CO2转化为CH4，生物阴极在人工光合系统中对 CO2起到了固定、还原的作用。自光照开始，整个系统的能量转换过程是光能→电能→甲烷中的化学能。
【小问3详解】
嗜氢产甲烷菌是专性厌氧菌，有氧条件会抑制其增殖，光阳极有氧气产生，由此推测该系统中双极膜具有选择透过性，具体表现为只允许H+、OH-通过，不允许O2通过。
【小问4详解】
该人工光合系统可将CO2转化为CH4，该人工光合系统在生态学上的重要意义是消耗CO2有利于减弱温室效应；制备清洁能源有利于减少空气污染。
8.（2024菏泽一模）大豆生长发育过程中，处于弱光等逆境中可能造成产量降低。研究表明，前期经过“荫蔽锻炼”，可以使植物产生“抗逆境记忆”，提高后期的耐受能力。如图所示为大豆叶肉细胞中部分结构及反应，其中①②③代表物质，PSI是光系统Ⅰ、PSⅡ是光系统Ⅱ。在光合链中，质子醌PQ既可传递电子，又可传递质子。研究人员用大豆做了三组实验，A组持续光照，B组照光后进行弱光逆境处理，C组进行照光—荫蔽锻炼—照光—弱光逆境，实验结果如下表。请回答下列问题：
组别 叶绿素a含量 （mg·g-1） 叶绿素b含量 （mg·g-1） 叶绿素a/叶绿素b 净光合速率 （μmolCO2·m-2·s-1）
A组 1.754 0.408 4.303 4.62
B组 1.577 0.466 3.387 9.78
C组 1.763 0.543 3.222 10.81
（1）图中物质②代表_____。
（2）图中的膜结构为_____，能完成水光解的结构是_____（填“PSⅠ”或“PSⅡ”）。电子由水释放出来后，经过一系列的传递体形成电子流，电子流的最终受体是_____。
（3）图中H+从B侧流向A侧的过程中合成了_____，H+浓度梯度的建立依赖于_____（至少答出2点）。
（4）根据表中的实验数据，说明荫蔽锻炼使植物产生“抗逆性记忆”的机理是_____。
【答案】（1）NADPH
（2） ①. 叶绿体的类囊体薄膜 ②. PSⅡ ③. NADP+
（3） ①. ATP ②. 水光解产生H+增加了B侧H+的浓度，PQ传递H+增加了B侧H+的浓度，NADP+与H+结合降低了A侧H+的浓度
（4）植物经“荫蔽锻炼”，恢复了叶绿素a的含量，提高了叶绿素b的含量，进而提高净光合速率
【解析】
【分析】光合作用过程：①光反应场所在叶绿体类囊体薄膜，发生水的光解、ATP和NADPH的生成；②暗反应场所在叶绿体的基质，发生CO2的固定和C3的还原，消耗ATP和NADPH。
【小问1详解】
图中物质②是由NADP+、H+和e-形成的NADPH。
【小问2详解】
图中膜结构可吸收光能、进行水光解，为叶绿体类囊体薄膜，由图可知，能完成水光解的结构是PSⅡ。电子由水释放出来后，e-经过一系列的传递体形成电子流，接受电子的是NADP+，该物质接受电子和H+后，生成了NADPH。
小问3详解】
图中H+从B侧流向A侧的过程中促进ADP和Pi合成了ATP。水光解产生H+增加了B侧H+的浓度，PQ传递H+增加了B侧H+的浓度，NADP+与H+结合降低了A侧H+的浓度，从而维持了A侧和B侧的H+浓度差。
【小问4详解】
根据表中实验数据，说明荫蔽锻炼使植物产生“抗逆境记忆”的机理是植物经“荫蔽锻炼”，恢复了叶绿素a的含量，提高了叶绿素b的含量，进而提高净光合速率。
9.（2024聊城一模）当光照过强、超过棉花叶片需要吸收的光能时，会导致光合速率下降，这种现象称为光抑制。有关光抑制的机制，一般认为：在强光下，一方面因NADP+不足使电子传递给O2形成O2-1；另一方面会导致还原态电子积累，形成3chl，3chl与O2反应生成1O2。O2-1和1O2都非常活泼，如不及时清除，会攻击叶绿素和PSII反应中心的D1蛋白，从而损伤光合结构。类胡萝卜素可快速淬灭3chl，也可以直接清除1O2。下图1是棉花的叶肉细胞中进行光合作用的示意图，①、②、③为相关过程，PSI和PSII都是由蛋白质和光合色素组成的光系统复合物；图2、图3分别表示正常棉花和突变棉花绿叶中色素纸层析结果示意图（I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示不同色素带）；图4是正常棉花的色素总吸收光谱、光合作用的作用光谱（指不同波长光照下植物的光合作用效率）和色素带Ⅱ的吸收光谱。回答下列问题：
（1）图1中，类囊体膜上传递的电子的最初供体是___。过程②和③中消耗能量的过程是___，物质A的功能是___。
（2）图2、3中，色素带Ⅱ代表的色素名称是___。通过测量不同波长光照下的O2释放量绘制的曲线是图4所示的___光谱。总吸收光谱与色素带Ⅱ的吸收光谱曲线不吻合的原因是___。
（3）强光导致光抑制时，突变棉花植株比正常棉花植株光合速率下降更快的原因是___。
（4）已知Deg蛋白酶可降解受损的D1蛋白，提高其更新速度。强光下，若抑制Deg蛋白酶的活性，则光合速率会受到抑制，其原因可能是___，进而影响电子的传递，使光合速率下降。
【答案】（1） ①. H2O（水） ②. ③ ③. 作为还原剂，参与暗反应阶段的化学反应，储存部分能量供暗反应阶段利用
（2） ①. 叶绿素a ②. 作用 ③. 绿叶中除了叶绿素a，还含有其他色素，也能吸收光能
（3）该突变体棉花植株缺乏类胡萝卜素，无法淬灭3chl并清除1O2而使叶绿体受损、缺乏类胡萝卜素导致吸收的蓝紫光减少，影响光合作用
（4）Deg蛋白酶的活性被抑制后，受损的D1蛋白降解速率下降使受损的D1蛋白积累，新合成的D1蛋白无法替换受损的蛋白
【解析】
【分析】根据题图分析可知：图1中①为光反应过程，②为CO2的固定过程，③为C3的还原过程，A为NADPH，B为ATP，PSII中的光合色素吸收光能后，将水光解为氧气和H+，同时产生的电子传递给PSⅠ，可用于NADP+和H+结合形成NADPH，同时在ATP酶的作用下，氢离子顺浓度梯度转运提供分子势能，促使ADP与Pi反应形成ATP；图2中Ⅰ为叶绿素b，Ⅱ为叶绿素a，Ⅲ为叶黄素，Ⅳ胡萝卜素。
【小问1详解】
由图可知，类囊体膜上传递的电子的最初供体是H2O。②为CO2的固定过程，不需要消耗能量，③为C3的还原过程，光合作用的暗反应阶段为CO2被C5固定形成C3，C3在光反应提供的ATP和NADPH的作用下还原生成糖类等有机物，所以③过程需要消耗能量。物质A为NADPH，其作用是作为还原剂，参与暗反应阶段的化学反应，储存部分能量供暗反应阶段利用。
【小问2详解】
色素带Ⅱ为叶绿素a，作用光谱代表各种波长下植物的光合作用效率，可以通过测量不同波长相应的O2释放量来绘制；色素带Ⅱ为叶绿素a，总吸收光谱与叶绿素a吸收光谱曲线不吻合，说明绿叶中除了叶绿素a，还含有其他色素，也能吸收光能。
【小问3详解】
由于类胡萝卜素可快速淬灭3chl，也可以直接清除1O2，故缺乏类胡萝卜素的突变体因无法淬灭3chl并清除1O2而使叶绿体受损，同时缺乏类胡萝卜素会导致光反应吸收的蓝紫光减少，所以光合速率下降。
【小问4详解】
已知Deg蛋白酶可降解受损的D1蛋白，提高其更新速度，有利于PSⅡ正常发挥作用，强光下，若抑制Deg蛋白酶的活性，受损D1蛋白降解速率下降，会使受损的D1蛋白积累，新合成的D1蛋白无法替换受损的D1蛋白，进而影响电子的传递，使光合速率下降。
C、山东考题原创预测
【命题趋势】
1. 情境化设计：涵盖农业技术（LED补光）、生态修复（湿地植物）、基因工程（耐盐水稻）等真实场景，体现学科应用价值。
2. 图表结合：通过曲线图、数据表格和代谢流程图，考查信息提取与逻辑分析能力。
3. 核心素养：突出科学探究（实验设计）、生命观念（物质与能量观）及社会责任（生态治理）。
（一）单项选择题
1.（农业生产）某地农民为提高大棚蔬菜产量，采用红光和蓝紫光组合的LED灯补光。此措施主要依据光合色素对光的吸收特性。以下说法正确的是（ ）
A. 叶绿素a和叶绿素b均主要吸收红光和蓝紫光
B. 类胡萝卜素吸收的蓝紫光可直接用于光反应中ATP的合成
C. 红光和蓝紫光组合可提高所有光合色素的吸收效率
D. 若仅用绿光补光，光合速率会显著高于自然光条件
答案：A
解析：叶绿素 a 和叶绿素 b 主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，A正确。类胡萝卜素吸收蓝紫光后，将光能传递给叶绿素 a，才能用于光反应中 ATP 的合成，而不能直接用于 ATP 合成，B错误。光合色素中的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，红光和蓝紫光组合不能提高所有光合色素的吸收效率，例如对吸收绿光的色素就没有提高吸收效率，C错误。
光合色素吸收绿光最少，若仅用绿光补光，光合速率会低于自然光条件，D错误。
2.下图所示为叶绿体中色素蛋白等成分在膜上的分布。下列关于相关过程以及发生场所的说法,不正确的是()
A.H O→H++O 发生在光反应阶段,场所是叶绿体类囊体薄膜
B.膜上的叶绿素主要吸收蓝紫光和红光用于光合作用
C.类囊体内H+浓度高于膜外是形成ATP的能量来源
D.水光解产生的O 若被有氧呼吸利用,最少要穿过4层膜
答案：D
解析：H O→H++O 是水的光解过程，发生在光反应阶段，场所是叶绿体类囊体薄膜，A正确。膜上的叶绿素主要吸收蓝紫光和红光用于光合作用，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，B正确。在光反应过程中，类囊体膜上的色素吸收光能，将水分解产生H+和氧气，同时将H+从叶绿体基质转运到类囊体内，使得类囊体内H+浓度高于膜外，形成的质子梯度为 ATP 的合成提供能量，C 正确。水光解产生的O 若被有氧呼吸利用，在植物细胞中，O 从叶绿体类囊体薄膜产生后，需要穿过类囊体薄膜、叶绿体的两层膜、线粒体的两层膜，共5 层膜才能被有氧呼吸利用，D 错误。
3.（生态保护）研究发现，某湿地植物在CO 浓度升高的环境中，暗反应速率显著提高，但光反应速率未明显变化。此现象最可能与下列哪种物质的变化直接相关？（ ）
A. RuBP羧化酶活性 B. ATP合成酶数量
C. 叶绿体类囊体膜面积 D. NADPH的再生速率
答案：A
解析：RuBP 羧化酶是暗反应中催化CO 固定的关键酶。在CO 浓度升高的环境中，若 RuBP 羧化酶活性显著提高，可使暗反应中CO 的固定加快，从而使暗反应速率显著提高。而该酶活性的变化对光反应速率没有直接影响，A符合题意。ATP 合成酶主要参与光反应中 ATP 的合成。如果 ATP 合成酶数量增加，会使光反应合成 ATP 的速率加快，进而可能会影响到暗反应。但题干中光反应速率未明显变化，说明 ATP 合成酶数量不是导致暗反应速率显著提高的直接原因，B不符合题意。叶绿体类囊体膜是光反应的场所，类囊体膜面积的大小会影响光反应的进行。若类囊体膜面积增大，光反应速率通常会提高，C不符合题意。
NADPH 是光反应的产物，用于暗反应中三碳化合物的还原。NADPH 的再生速率与光反应密切相关，如果 NADPH 再生速率加快，会伴随着光反应速率的提高，D不符合题意。
（二）不定项选择题（每题3分，少选得1分，错选不得分）
4.（实验探究·突变体分析）研究者用叶绿体发育异常（叶绿素含量明显较低）的玉米突变体进行实验，检测发现其叶片中ATP含量显著低于野生型。下列推断正确的是（ ）
A. 突变体光反应中水的分解受阻
B. 突变体叶片可能呈现黄化现象
C. 突变体暗反应CO 固定速率下降
D. 突变体无法进行卡尔文循环
答案：ABC
解析：光反应过程中，水在光下分解产生氧气和 NADPH，同时将光能转化为电能，进而转化为 ATP 中活跃的化学能。叶绿素含量明显较低，吸收、转化的光能减少，会导致光反应中水的分解受阻，ATP 合成减少，A正确。叶绿素含量明显较低，会影响叶片对光的吸收和反射，使叶片呈现黄化现象，B正确。 ATP 含量显著低，会影响暗反应中 C 的还原，进而影响 CO 的固定速率，C正确。 虽然ATP 合成量减少，但是仍能进行卡尔文循环，只是卡尔文循环的速率可能会下降，D错误。
5.（科研实验分析）科学家利用同位素标记法研究玉米（C4植物）和菠菜（C3植物）的CO2固定途径，发现两者叶肉细胞中放射性出现的位置不同。下图为C4植物的CO2固定途径，下列叙述错误的是（ ）
A. 玉米的叶肉细胞中，14C首先出现在C3化合物中
B. 菠菜的叶肉细胞中，14C直接进入卡尔文循环
C. 玉米的维管束鞘细胞中，RuBP羧化酶活性较高
D. 干旱条件下，玉米的光合速率下降幅度小于菠菜
答案：ABC
解析：玉米是C4植物，在叶肉细胞中，CO2首先与磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）结合，形成C4化合物，所以14 C首先出现在C4化合物中，而不是C3化合物，A错误。菠菜是C3植物，在叶肉细胞中，CO2直接进入卡尔文循环，与五碳化合物（C5，即RuBP）结合生成C3化合物，B正确。玉米是C4植物，其维管束鞘细胞中含有无基粒的叶绿体，是进行暗反应的场所，含有较高活性的PEP羧化酶，而不是RuBP羧化酶，RuBP羧化酶在C3植物中活性较高，C错误。干旱条件下，植物气孔关闭，CO2供应不足。玉米是C4植物，能利用低浓度的CO2进行光合作用，而菠菜是C3植物，对CO2的利用能力相对较弱，所以玉米的光合速率下降幅度小于菠菜，D正确。
（三）非选择题
6. 某植物在适宜条件下进行光合作用，研究人员测定其叶绿体中磷酸丙糖（G3P）的转运机制，发现其去向受细胞质基质中Pi（无机磷酸盐）浓度调控（如图）。请回答：
（1）G3P是暗反应中__________阶段的产物，其合成需光反应提供的__________（物质）。
（2）当细胞质基质中Pi浓度较低时，叶绿体中淀粉合成量__________（填“增加”或“减少”），原因是__________。
（3）若长时间黑暗处理，推测细胞质基质中Pi浓度将__________，此时叶绿体内G3P的转运方向为__________。
（4）农业生产中，通过调控Pi浓度可提高作物产量。请结合本题机制提出一项增产措施：__________。
答案：
（1）还原；ATP和NADPH
（2）增加；Pi浓度低抑制G3P运出，促进其在叶绿体内转化为淀粉
（3）升高；运出叶绿体合成蔗糖
（4）合理施肥补充含磷肥料
解析：（1）G3P 是暗反应中C 的还原阶段的产物，其合成需光反应提供的ATP 和 NADPH。在暗反应中，二氧化碳与五碳化合物结合生成 2 分子三碳化合物，然后在光反应提供的 ATP 和 NADPH 的作用下，三碳化合物被还原生成 G3P。
（2）当细胞质基质中 Pi 浓度较低时，叶绿体中淀粉合成量增加。原因是：Pi 浓度低时，G3P - Pi 转运器向叶绿体基质转运 G3P 加快，同时从叶绿体基质向细胞质基质转运 Pi 减慢，使叶绿体基质中 G3P 积累，促进淀粉合成。
（3）若长时间黑暗处理，光反应无法进行，不能合成 ATP，ATP 水解产生的 Pi 减少，同时细胞质基质中 Pi 进入叶绿体减少，推测细胞质基质中 Pi 浓度将降低。此时叶绿体内 G3P 的转运方向为从叶绿体基质转运到细胞质基质，因为黑暗条件下，淀粉合成停止，需要将叶绿体中的 G3P 转运到细胞质基质中，转化为蔗糖等其他物质，以维持细胞的代谢需要。
（4）农业生产中，结合本题机制可采取的一项增产措施是：合理施肥，控制土壤中 Pi 的浓度，保证作物光合作用过程中 G3P 的正常转运和代谢，从而提高作物的光合效率，增加产量。例如，根据作物的生长阶段和土壤肥力状况，适时适量地施加含磷肥料，以维持胞质溶胶中适宜的 Pi 浓度。
7.图(1)和图(2)为植物光合作用过程(部分)示意图，其中PSI和PSII是吸收、传递、转化光能的光系统。请回答下列问题:
图(2)
(1)图(1)中的“ ”与图(2)的_ 表示同一种物质，该物质从产生部位扩散至细胞外需要经过____层磷脂分子。
(2)图(2)中①表示的场所是 。ATP合成酶也是运输H+的载体,其在跨膜H+浓度梯度推动下合成ATP,由此可推测H+跨膜运输方式为 。若膜两侧的H+浓度梯度突然消失,其他条件不变,短时间内暗反应中五碳化合物含量会______。
(3)植物细胞中含有ATP合成酶的生物膜还有_____ 。
(4)为进一步了解植物代谢机制,研究人员在密闭恒温玻璃温室内进行植物栽培实验。连续48h测定温室内CO2浓度及植物CO2吸收/释放速率,得到图（3）所示曲线(整个过程中呼吸作用强度恒定)。请据图分析并回答:
图（3）
①实验的前3h叶肉细胞产生ATP的场所有 。如改用相同强度绿光
进行实验，c点的位置将______。
②图2中植物呼吸速率与光合速率相等的时间点有___个。实验中该植物前24h有机物积累量 (填“<”“=”或“>”)后24h有机物积累量。
答案：(1)甲 8
叶绿体基质 协助扩散 C5
（3）线粒体内膜
（4）①细胞质基质和线粒体 右移 ②4 <
解析：(1) 图 (1) 中的 “ ” 表示氧气，与图 (2) 的甲表示同一种物质。氧气从叶绿体类囊体薄膜产生部位扩散至细胞外，需要经过类囊体膜（1 层）、叶绿体两层膜和细胞膜（1 层），共 4 层生物膜，每层生物膜由 2 层磷脂分子构成，所以需要经过 8 层磷脂分子。
(2) 图 (2) 中①表示的场所是叶绿体基质。由题干 “ATP 合成酶也是运输 H + 的载体，其在跨膜 H + 浓度梯度推动下合成 ATP”，可推测 H + 跨膜运输方式为协助扩散。若膜两侧的 H + 浓度梯度突然消失，其他条件不变，光反应产生的 ATP 和 NADPH 减少， C3还原受阻，生成的五碳化合物减少，而短时间内二氧化碳固定消耗的五碳化合物的量不变，所以五碳化合物含量会减少。
(3) 植物细胞中含有 ATP 合成酶的生物膜还有线粒体内膜，有氧呼吸第三阶段在该膜上进行，会产生大量 ATP。
(4) ①实验的前 3h 没有光照，叶肉细胞只能进行呼吸作用，产生 ATP 的场所有细胞质基质和线粒体。植物对绿光吸收很少，光合作用减弱，呼吸作用不变，吸收相同量的 CO2需要更长时间，所以 c 点的位置将右移。 ②图中植物呼吸速率与光合速率相等的时间点，即 CO2吸收 / 释放速率为 0 的点，有 4 个，分别是 6h、18h、30h、42h。实验中该植物前 24h 二氧化碳吸收量小于后 24h 二氧化碳吸收量，所以前 24h 有机物积累量小于后 24h 有机物积累量。
【附】2015-2019年高考
1.(2019·全国1,3,6分,难度★★)将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中,一段时间后植株达到40 g,其增加的质量来自于(A)　　　　　　　　　　　　　　
A.水、矿质元素和空气
B.光、矿质元素和水
C.水、矿质元素和土壤
D.光、矿质元素和空气
解析 黄瓜幼苗在光照等适宜的环境中由20 g长到40 g,是同化作用大于异化作用的结果,增加的质量来自吸收的水、矿质元素以及通过光合作用将水和空气中的CO2转化成的有机物,故A项正确。
2.(2019·海南,9,2分,难度★★)下列关于高等植物光合作用的叙述,错误的是 (B)
A.光合作用的暗反应阶段不能直接利用光能
B.红光照射时,胡萝卜素吸收的光能可传递给叶绿素a
C.光反应中,将光能转变为化学能需要有ADP的参与
D.红光照射时,叶绿素b吸收的光能可用于光合作用
解析 光合作用的暗反应阶段需要利用光反应阶段形成的NADPH和ATP,A项正确;胡萝卜素不能吸收红光,B项错误;光反应中,将光能转变为ATP中活跃的化学能,需要有ADP和Pi及ATP合成酶的参与,C项正确;红光照射时,叶绿素b吸收的光能可用于光合作用,光能可以转变为ATP中活跃的化学能,D项正确。
3.(2018·北京,3,6分,难度★)光反应在叶绿体类囊体上进行。在适宜条件下,向类囊体悬液中加入氧化还原指示剂DCIP,照光后DCIP由蓝色逐渐变为无色,该反应过程中(D)
A.需要ATP提供能量 B.DCIP被氧化
C.不需要光合色素参与 D.会产生氧气
解析 光反应过程中有H2O的光解,产生O2和H+。氧化还原指示剂DCIP由蓝色变为无色,说明DCIP被NADPH还原。光合色素吸收、传递、转化光能。

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