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第6讲　素养提升课——破译新情境·系统实验知能·增分主观大题
一、破译新情境——抽象、理性的学科情境要读懂
新情境问题(一)　三类生物的CO2浓缩机制解读
[科普科研材料]
1.C4植物的CO2浓缩机制
(1)C3植物和C4植物叶片结构的比较
C3植物叶片中的维管束鞘细胞几乎不含有叶绿体,维管束鞘以外是排列疏松的含有叶绿体的叶肉细胞。C4植物叶片中围绕维管束的是呈“花环型”的两圈细胞,里面的一圈是维管束鞘细胞,这种维管束鞘细胞不仅个体大,而且含有叶绿体,外面的一圈是富含叶绿体的叶肉细胞。
(2)C4植物的光合作用过程
与C3植物相比,C4植物叶肉细胞的细胞质基质具有一种特殊的PEP羧化酶,它催化如下反应:C3+CO2C4(苹果酸)。C4进入维管束鞘细胞,生成CO2用于暗反应,再生出的C3(丙酮酸)回到叶肉细胞中,进行循环利用。PEP羧化酶与CO2的亲和力是Rubisco的60倍,能固定低浓度的CO2。
　　[信息助读]
(1)叶肉细胞中的叶绿体有类囊体能进行光反应,同时,CO2被整合到C4中,随后C4进入维管束鞘细胞。
(2)维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体,在维管束鞘细胞中,C4释放出的CO2参与卡尔文循环,进而生成有机物。　
(3)C4植物的CO2补偿点低,“光合午休”影响小的原因:
①PEP羧化酶对CO2有很高的亲和力,气孔关闭时,仍然能够利用极低浓度的CO2。
②C4植物已先通过C4途径把CO2储存起来形成C4,气孔关闭时,C4分解产生CO2,用于光合作用,所以“光合午休”时气孔关闭对C4植物影响不大。
2.景天科植物的CO2浓缩机制(CAM途径)
在夜间,大气中CO2从气孔进入景天科植物,被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化,与PEP结合形成草酰乙酸(OAA),再经苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸,储存于液泡中。在白天,苹果酸从液泡中释放出来,经脱羧酶作用形成CO2和丙酮酸,CO2产生后用于卡尔文循环。
　　[信息助读]
　　景天科植物夜间气孔开放,吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中;白天气孔关闭,液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2和呼吸作用产生的CO2用于光合作用暗反应,白天外界CO2浓度变化对光合作用影响不大。
3.蓝细菌的CO2浓缩机制
蓝细菌具有的CO2浓缩机制,如图所示。
注:羧化体具有蛋白质外壳,可限制气体扩散。
　　[信息助读]
HC和CO2以主动运输方式进入蓝细菌细胞质,以增大HC浓度 细胞质中HC以自由扩散方式进入羧化体后,释放CO2,参与暗反应
[内蕴知识融通]
(1)C4植物的CO2固定发生在　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)科学家用含14C标记的CO2来追踪玉米(C4植物)光合作用中的碳原子的转移途径,请用箭头表示这种碳原子的转移途径:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)与水稻、小麦等C3植物相比,C4植物的CO2的补偿点较　　　。高温、干旱时植物气孔部分关闭,C4植物还能保持高效光合作用的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)从进化角度看,景天科植物这种气孔开闭特点的形成是　　　　的结果。夜晚,该类植物吸收的CO2　　　(填“能”或“不能”)合成葡萄糖,原因是____________________________________________。
(5)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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(6)CO2依次以　　　　　　　方式通过蓝细菌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,从而促进　　　　。
(7)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。
[迁移创新训练]
1.(2025·天津和平区模拟)蓝细菌能通过其产生的一组特殊蛋白质将CO2浓缩在Rubisco(固定CO2的关键酶)周围。下列有关叙述错误的是 (　　)
A.Rubisco是在蓝细菌的核糖体上合成的
B.激活Rubisco不需要黑暗条件
C.蓝细菌中的叶绿素和类胡萝卜素位于叶绿体类囊体薄膜上
D.蓝细菌的CO2浓缩机制有利于其适应低CO2浓度环境
2.(2025·广州模拟)甘蔗、玉米是常见的C4植物, C4植物的叶片具有特殊的花环结构,其叶肉细胞中的叶绿体有类囊体但没有 Rubisco,而维管束鞘细胞中的叶绿体没有类囊体但有 Rubisco。C4植物的光合作用过程如图所示。已知PEP羧化酶对 CO2的亲和力远高于Rubisco,下列叙述错误的是 (　　)
A.维管束鞘细胞可以通过卡尔文循环制造糖类
B.叶肉细胞可以通过光反应产生 ATP和NADPH
C.甘蔗、玉米等C4植物具有较低的 CO2补偿点
D.甘蔗、玉米等C4植物具有明显的“光合午休”现象　
3.(2025·合肥模拟)景天科植物有一个很特殊的CO2同化方式:夜间气孔开放,吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中;白天气孔关闭,液泡中的苹果酸经脱羧酶作用释放 CO2用于光合作用,其部分代谢途径如图所示。据图分析,下列叙述错误的是 (　　)
A.景天科植物固定CO2的物质分布在叶肉细胞的叶绿体基质和细胞质基质中
B.在外界0.01%CO2的浓度条件下,叶肉细胞叶绿体内的C3的含量比C5的含量高
C.将该种植物置于黑暗密闭装置内,装置中CO2的变化速率不能表示呼吸速率
D.干旱条件下,白天该种植物正常进行光合作用固定的CO2来源于苹果酸分解
新情境问题(二)　光呼吸现象解读
[科普科研材料]
　　产生光呼吸现象的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco。在暗反应中,Rubisco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,在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%。过程如图所示:
光呼吸对生物体有一定的危害。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;光呼吸过程中消耗了ATP和NADPH,即造成了能量的损耗。其实光呼吸和卡尔文循环是一种动态平衡,适当的光呼吸对植物体有一定积极意义,光呼吸可以回收碳元素,防止强光对叶绿体的破坏。
　　[信息助读]
[内蕴知识融通]
(1)Rubisco的催化方向取决于CO2与O2的浓度比,请推测具体的情况:　　　　　　　 　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)研究发现,较多的光合产物要消耗在光呼吸底物上。实际生产中,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)。
(3)已知强光下ATP和NADPH的积累会产生O2-(超氧阴离子自由基),而O2-会对叶绿体光合作用的反应中心造成伤害。依据材料,说明植物在干旱天气和过强光照下光呼吸的积极意义:　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
[迁移创新训练]
1.(2025·黄冈模拟)光呼吸是植物利用光能,吸收O2并释放CO2的过程。研究者将四种酶基因(GLO、CAT、GCL、TSR)导入水稻叶绿体,创造了一条新的光呼吸代谢支路(GCGT支路),如图虚线所示。据图分析,下列推测正确的是 (　　)
A.光呼吸时C5与O2的结合发生在线粒体内膜上
B.在光呼吸中有ATP和NADH的生成和消耗
C.有GCGT支路的转基因植物发生了基因突变
D.GCGT支路可以降低碳损失从而提高光合效率
2.(2025·重庆一模)光照条件下,叶肉细胞中的O2与C5结合后经一系列反应释放CO2,该过程称为光呼吸。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(见表),SoBS溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计。下列叙述错误的是 (　　)
SoBS浓度/(ml/L) 0 100 200 300 400 500 600
光合作用强度/(CO2μmol·m-2·s-1) 18.9 20.9 20.7 18.7 17.6 16.5 15.7
光呼吸强度/(CO2μmol·m-2·s-1) 6.4 6.2 5.8 5.5 5.2 4.8 4.3
A.光呼吸中C5与O2结合的反应整体上属于吸能反应
B.研究发现水稻光呼吸缺陷型不能在正常大气CO2浓度条件下存活,只有在高CO2浓度条件下才能存活,说明在正常大气CO2浓度条件下,光呼吸是不可缺少的生理活动
C.为探究SoBS溶液利于增产的最适喷施浓度,应在100~300 mg/L而不是0~200 mg/L再设置有一定浓度梯度的一系列实验组进行进一步实验
D.与未喷施SoBS溶液相比,喷施100 mg/L SoBS 溶液的水稻叶片的光补偿点高
3.(2024·黑吉辽高考)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3;当CO2与O2比值低时,C5也能与O2反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶绿体与线粒体中主要物质变化如图1。
光呼吸将已经同化的碳释放,且整体上是消耗能量的过程。回答下列问题。
(1)反应①是　　　　过程。
(2)与光呼吸不同,以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是　　　　和　　　　。
(3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株(WT),得到转基因株系1和2,测定净光合速率,结果如图2、图3。
图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境,还可来自　　　　和　　　　(填生理过程)。7~10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。据图3中的数据　　　　(填“能”或“不能”)计算出株系1的总光合速率,理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)结合上述结果分析,选择转基因株系1进行种植,产量可能更具优势,判断的依据是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
二、系统实验知能——实验变量与实验设计的原则
(一)变量的类型
又称实验变量,是研究者主动操控即实验所探究的条件和因子,是作用于实验对象的刺激变量,坐标中横轴标识一般为自变量
又称反应变量,是随自变量变化而产生反应或发生变化的变量,应具有可测性和客观性,坐标中纵轴标识一般为因变量
又称干扰变量、控制变量,是指与研究目标无关,但却影响研究结果的变量,实验时一般需控制无关变量适宜且相同
(二)实验设计的三大原则
1.单一变量原则
无论一个实验有几个自变量,都应确定一个自变量对应观测一个因变量,这就是单一变量原则,它是处理实验中复杂关系的准则之一。单一变量原则要求在实验组和对照组的实验中都只能有一个变量,这样得出的实验结果与单一变量之间就能形成一一对应关系,便于观察实验结果以及分析实验结果的成因。
2.平行重复原则
在实验设计中为了避免实验结果的偶然性,必须对所做实验进行足够次数的重复,以获得多次实验结果的平均值,保证实验结果的准确性。
3.对照原则
在实验设计中应设置对照实验,以便减小实验误差。常用的对照方法包括:空白对照、自身对照、条件对照、相互对照(也叫对比实验),如下表:
对照组为不进行任何处理的对象组。这里的不进行处理,并非什么因素都不给予,而是针对实验所要研究的因素不给予,以体现实验因素的有无对实验结果的影响。如“探究影响酶活性的条件”实验中:
实验与对照在同一个对象上进行,不另设对照组。如“探究植物细胞的吸水和失水”实验,是典型的自身对照——蔗糖溶液处理前的对象为对照组,蔗糖溶液处理后的对象为实验组;清水处理前的对象为对照组,清水处理后的对象为实验组
给对照组施以某种实验处理,但该处理不是所研究的实验因素,以突出实验实施的处理因素与实验所研究因素的差异,从侧面衬托实验因素对实验结果所造成的影响。如肺炎链球菌转化实验中以下两组实验: S型细菌DNA+R型活细菌S型菌落+R型菌落(实验组); S型细菌DNA+DNA酶+R型活细菌R型菌落(条件对照组)
如果并不知道两组(或多组)实验中的自变量对实验结果所造成的影响,需要通过实验来进行确定。不单独设对照组,而是几个实验组相互对比对照,其中每一组既是实验组也是其他组别的对照组,由此得出相应的实验结论。 相互对照实验也称对比实验。如“探索生长素类调节剂促进插条生根的最适浓度”实验
(三)实验设计策略
[专题提能训练]
1.(2024·广州二模)甲试管中装有2 mL可溶性淀粉溶液、2 mL酶①溶液;乙试管中装有2 mL蔗糖溶液、2 mL酶①溶液;丙试管中装有2 mL可溶性淀粉溶液、2 mL酶②溶液。利用上述试管验证酶的专一性。下列有关该实验的叙述,正确的是 (　　)
A.验证酶的专一性时,只需要考虑自变量的影响,不需要考虑无关变量
B.若酶①为淀粉酶,则甲、乙试管进行对比时可选用碘液作为检测试剂
C.若酶①为淀粉酶,酶②为蔗糖酶,则甲、丙试管进行对比时可选用斐林试剂作为检测试剂
D.甲试管中加入的淀粉溶液、酶溶液都是2 mL,是为了排除无关变量的干扰　
2.(2025·齐齐哈尔一模)研究人员以酪蛋白为原料,探究不同温度及酶与底物的比例对酶促反应速率的影响。他们将几组经过预处理的酪蛋白溶液装在烧杯内,设计温度分别为56 ℃、58 ℃、60 ℃、62 ℃及酶与底物的比例分别为4%、5%、6%、7%,各组置于适宜的pH条件下并加入酪蛋白酶,水解相同的时间后测定酪氨酸的含量。下列叙述错误的是 (　　)
A.本实验可以不设计空白对照组
B.各组所加入酪蛋白酶的用量为无关变量
C.酪蛋白酶可降低酪蛋白水解反应所需的活化能
D.酪氨酸的含量越高,说明酶促反应速率越大　
3.(2025·广州模拟)研究者将玉米幼苗置于三种条件下培养10天后(如图),测定相关指标(如表),探究遮阴比例对植物生长的影响。
组别 遮阴 比例/% 叶绿素含量/ (mg·dm-2) 净光合速率/ (CO2μmol·m-2·s-1)
A 0 4.2 11.8
B B1:0 5.3 20.5
B2:100 3.9 7.0
C 100 4.7 8.6
(1)本实验的自变量为　　　　,因变量的观测指标有　　　　　　　　　　　　　。
(2)依据实验结果可推测　　　　组玉米产量可能更高,可在收获后分别测量　　　　　　　　　　　　进行验证。
(3)某兴趣小组为验证C组的叶绿素含量升高,需要分析玉米植株遮阴处理后光合色素含量的变化,应以　　 　组为对照,请设计实验验证这种差异:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　(简要写出实验思路)。
(4)基于实验现象及结果,提出一个科学问题:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
4.氮素是限制玉米生长发育以及产量增加的首要因素,研究人员以东北春玉米为对象探究不同浓度的氮素对苗期玉米生长的影响。回答下列问题:
(1)氮元素参与　　　　的合成,因此缺氮地块的玉米苗通常叶子发黄,长势较弱。除此之外合成暗反应所需要的　　　　　　　　　　　　(写出其中两种)也需要氮元素。
(2)土壤中的氮元素主要以N(硝态氮)和N(铵态氮)的形式存在,通常情况下,玉米对硝态氮的吸收偏好高于铵态氮。据此推断玉米根细胞膜上　　　　　　　　的数量更多。
(3)研究人员共设置了4组实验:对照(N0)、减量施氮(N120)、优化施氮(N150)和高量氮肥(N180),对东北春玉米幼苗处理后,测得4组玉米的根系形态及地上部分鲜重与地下部分鲜重如图所示。
①图1结果显示,不同施肥处理玉米根系形态差异不大,但N150处理组的　　　　　　　　要高于其他组,后经进一步研究发现,高浓度N能促进玉米根部细胞内生长素合成基因(M基因)的甲基化,这一结论可通过检测　　　　　　　　　　　　　　　　获得。
②图2结果显示,随着施氮量增加,玉米幼苗地上部分鲜重与地下部分鲜重比值的变化趋势为　　　　　　　。
(4)综合上述分析,土壤高氮环境会通过　　　　　　　限制玉米根系的生长,从而影响玉米幼苗的生长。这说明　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
三、增分主观大题——细胞代谢类主观题的题点考法集训
　　细胞代谢类主观题是高考必考大题之一,常借助文字信息、细胞代谢过程示意图或曲线图创设情境,考查细胞呼吸和光合作用的相关原理分析,试题情境既有农业生产和生活实践,又有科学实验与探究,重点考查对题干信息的获取、分析和理解以及识图、析图的能力。在复习中要重点关注相关曲线变化与光合作用和细胞呼吸原理之间的联系,通过训练掌握解答有关细胞代谢类主观题的答题技巧。
1.(2024·湖南高考,节选)钾是植物生长发育的必需元素,主要生理功能包括参与酶活性调节、渗透调节以及促进光合产物的运输和转化等。研究表明,缺钾导致某种植物的气孔导度下降,使CO2通过气孔的阻力增大;Rubisco的羧化酶(催化CO2的固定反应)活性下降,最终导致净光合速率下降。回答下列问题:
(1)从物质和能量转化角度分析,叶绿体的光合作用即在光能驱动下,水分解产生　　　　　;光能转化为电能,再转化为　　　　　　　中储存的化学能,用于暗反应的过程。
(2)长期缺钾导致该植物的叶绿素含量　　　　,从叶绿素的合成角度分析,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答出两点即可)。
2.(2024·广东高考,节选)某湖泊曾处于重度富营养化状态,水面漂浮着大量浮游藻类。管理部门通过控源、清淤、换水以及引种沉水植物等手段,成功实现了水体生态恢复。引种的3种多年生草本沉水植物(①金鱼藻、②黑藻、③苦草,答题时植物名称可用对应序号表示)在不同光照强度下光合速率及水质净化能力见图。
回答下列问题:
(1)湖水富营养化时,浮游藻类大量繁殖,水体透明度低,湖底光照不足。原有沉水植物因光合作用合成的有机物少于　　　　　　　　的有机物,最终衰退和消亡。
(2)生态恢复后,该湖泊形成了以上述3种草本沉水植物为优势的群落垂直结构,从湖底到水面依次是　　　　,其原因是　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)为了达到湖水净化的目的,选择引种上述3种草本沉水植物的理由是　　　　　　　　　　　　　　,三者配合能实现综合治理效果。
(4)目前在湖边浅水区种植的沉水植物因强光抑制造成生长不良,此外,大量沉水植物叶片凋落,需及时打捞,增加维护成本。针对这两个实际问题从生态学角度提出合理的解决措施:　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
3.(2025年1月·八省联考云南卷)为了研究干旱胁迫对植物的影响,研究人员以具有较高经济价值和生态价值的优良灌木细叶小蘗为实验材料。选取多株生长状况相近的幼苗,随机均分为两组;Ⅰ组正常浇水管理,Ⅱ组干旱处理,在其他相同且适宜的条件下培养,一段时间后,测定每株相关指标,数据如下。回答下列问题:
　　指标 组别 叶片相对含水量/% 叶片净光合速率 /(μmol CO2·m-2·s-1) 气孔导度/(mol·m-2·s-1) 蒸腾速率/(μmol·m-2·s-1)
Ⅰ组 61.32 5.45 0.12 1.39
Ⅱ组 56.15 4.12 0.08 0.72
注:气孔导度越大,气孔开放程度越大。
(1)该实验的无关变量中,影响光合作用的主要环境因素有　　　　　　　　　 　(答出2点即可)。实验中Ⅰ组、Ⅱ组均测定多株植株相关数据的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)气孔导度减小直接影响光合作用的　　　　　阶段,导致为另一阶段提供的　　　 　　　　和　　　 　　减少。
(3)绿色植物光合作用过程中,水光解产生的电子若有剩余,则和氧气结合形成超氧阴离子自由基,攻击生物膜系统,导致生物膜损伤。生物膜在植物光合作用中的功能主要体现在两个方面:
①是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
②是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)干旱胁迫时,植物叶片萎蔫卷曲下垂是一种自我保护行为,综上分析其原理是　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
4.(2023·湖南高考,节选)下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(K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。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糖类生成有关。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:
(1)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)。
(2)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)。
5.(2023·山东高考,节选)当植物吸收的光能过多时,过剩的光能会对光反应阶段的PSⅡ复合体(PSⅡ)造成损伤,使PSⅡ活性降低,进而导致光合作用强度减弱。细胞可通过非光化学淬灭(NPQ)将过剩的光能耗散,减少多余光能对PSⅡ的损伤。已知拟南芥的H蛋白有2个功能:①修复损伤的PSⅡ;②参与NPQ的调节。科研人员以拟南芥的野生型和H基因缺失突变体为材料进行了相关实验,结果如图所示。实验中强光照射时对野生型和突变体光照的强度相同,且强光对二者的PSⅡ均造成了损伤。
(1)根据本实验,　　　　(填“能”或“不能”)比较出强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱,理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)据图分析,与野生型相比,强光照射下突变体中流向光合作用的能量　　　(填“多”或“少”)。若测得突变体的暗反应强度高于野生型,根据本实验推测,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
第6讲　素养提升课
一、破译新情境——抽象、理性的学科情境要读懂
新情境问题(一)
[内蕴知识融通]
(1)叶肉细胞和维管束鞘细胞的叶绿体基质中　(2)CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)　(3)低　PEP羧化酶对CO2具有高亲和力，C4植物可利用低浓度的CO2进行光合作用；C4植物能利用储存的C4进行光合作用　(4)自然选择　不能　没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH　(5)干旱　有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成水分过多散失　(6)自由扩散和主动运输　CO2固定　(7)叶绿体
[迁移创新训练]
1．选C　Rubisco的化学成分是蛋白质，而核糖体是合成蛋白质的场所，据此可知，Rubisco是在蓝细菌的核糖体上合成的，A正确；暗反应有光无光都能进行，Rubisco作用于CO2的固定过程，因此激活Rubisco不需要黑暗条件，B正确；蓝细菌含有叶绿素和藻蓝素，没有叶绿体也没有类胡萝卜素，C错误；蓝细菌的CO2浓缩机制便于其对CO2的吸收，有利于其适应低CO2浓度环境，D正确。
2．选D　卡尔文循环属于暗反应过程，维管束鞘细胞中的叶绿体没有类囊体但有 Rubisco，维管束鞘细胞可以通过卡尔文循环制造糖类，A正确；叶肉细胞中的叶绿体有类囊体，类囊体薄膜上含有光合色素，因此叶肉细胞可以通过光反应产生ATP和NADPH, B正确；PEP羧化酶对CO2的亲和力远高于Rubisco，在CO2浓度较低时，PEP羧化酶仍可催化CO2固定， CO2与某种C3结合成C4，C4从叶肉细胞运输至维管束鞘细胞，又释放出CO2，因此对低浓度CO2具有富集作用，所以甘蔗、玉米等C4植物具有较低的CO2补偿点，但“光合午休”现象不明显，C正确，D错误。
3．选D　由题图可知，景天科植物固定CO2的物质有磷酸烯醇式丙酮酸和C5，分别分布在细胞质基质和叶绿体基质中，A正确；在外界0.01%CO2的浓度条件下，液泡中的苹果酸经脱羧酶作用释放CO2和线粒体进行有氧呼吸释放的CO2均可用于进行正常光合作用，叶肉细胞叶绿体内的C3的含量比C5的含量高，B正确；这种植物在黑暗条件下进行呼吸作用产生CO2的同时也吸收CO2用于合成苹果酸，因此装置中CO2的变化速率不能表示呼吸速率，C正确；根据题图可知，干旱条件下，白天气孔关闭，该种植物进行光合作用固定的CO2来源于苹果酸的分解和线粒体进行有氧呼吸释放的CO2，D错误。
新情境问题(二)
[内蕴知识融通]
(1)当CO2与O2的浓度比高时，Rubisco催化CO2与C5结合反应加强；当CO2与O2的浓度比低时，Rubisco催化O2与C5结合反应加强　(2)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　(3)干旱天气和过强光照导致气孔部分关闭，CO2吸收减少，低浓度CO2使得光呼吸增强，光呼吸可以消耗多余的ATP和NADPH，减少O2－的产生，避免对叶绿体光合作用的反应中心造成伤害
[迁移创新训练]
1．选D　卡尔文循环的场所为叶绿体基质，图中光呼吸代谢支路利用卡尔文循环中的C5，故C5和O2的结合发生在叶绿体基质中，A错误；由题图可知，在光呼吸中，消耗了ATP和NADH，但没有ATP和NADH的生成，B错误；转基因属于基因重组，而非基因突变，C错误；光呼吸代谢支路(GCGT支路)可以将部分碳转化为CO2，使其进入卡尔文循环，有利于降低碳损失从而提高光合效率，D正确。
2．选D　光呼吸是一种高耗能的反应，A正确；研究发现水稻光呼吸缺陷型不能在正常大气CO2浓度条件下存活，只有在高CO2浓度条件下才能存活，说明在正常大气CO2浓度条件下，光呼吸是不可缺少的生理活动，B正确；为探究SoBS溶液利于增产的最适喷施浓度，据表可知，应在表中光合作用强度－光呼吸强度的最大值的两侧浓度之间，即应在100～300 mg/L再设置有一定浓度梯度的一系列实验组进行进一步实验，C正确；叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度即为光补偿点，与对照组相比，喷施100 mg/L 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，D错误。
3．解析：(1)题图1中反应①是CO2和C5在酶的作用下形成C3，此反应是发生在叶绿体基质中的CO2的固定过程。
(2)以葡萄糖为反应物的有氧呼吸会在第一阶段产生少量的NADH，第二阶段产生大量的NADH，有氧呼吸第一阶段的场所是细胞质基质，第二阶段的场所是线粒体基质。
(3)题图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境，还可来自细胞呼吸和光呼吸；7～10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异，原因是与WT相比，随着光照的增强，改变光呼吸的转基因株系1和2的光呼吸增长较慢，从而使其净光合速率增长较快；总光合速率＝净光合速率＋细胞呼吸速率＋光呼吸速率，由题图3中的数据无法获得株系1的细胞呼吸速率和光呼吸速率，因此不能计算出株系1的总光合速率。
(4)据题图2和题图3可知，相同光照强度或CO2浓度下，株系1的净光合速率比株系2和WT的更高，因此其积累的有机物更多，产量可能更具优势。
答案：(1)CO2的固定　(2)细胞质基质　线粒体基质　(3)光呼吸　细胞呼吸　与WT相比，随着光照的增强，改变光呼吸的转基因株系1和2的光呼吸增长较慢，从而使其净光合速率增长较快　不能　总光合速率＝净光合速率＋细胞呼吸速率＋光呼吸速率，由图3中的数据无法获得株系1的细胞呼吸速率和光呼吸速率，因此不能计算出株系1的总光合速率　(4)相同光照强度或CO2浓度下，株系1的净光合速率比株系2和WT的更高
二、系统实验知能——实验变量与实验设计的原则
1．选C　验证酶的专一性时，实验的自变量应为酶的种类或底物的种类，且实验设计遵循单一变量原则，需控制无关变量相同且适宜，A错误；若酶①为淀粉酶，则甲、乙试管进行对比时不可选用碘液作为检测试剂，因为碘液无法检测蔗糖是否被水解，B错误；若酶①为淀粉酶，酶②为蔗糖酶，则甲、丙试管进行对比时可选用斐林试剂作为检测试剂，根据是否有还原糖的生成判断淀粉是否被水解，C正确；甲试管中加入的底物量与酶量相等，是为了保证在合理的浓度和用量下，反应能顺利进行，D错误。
2．选B　探究不同温度及酶与底物的比例对酶促反应速率的影响为对比实验，各实验组相互对照，不用设计空白对照组，A正确；在探究酶与底物的比例对酶促反应的影响时，酪蛋白酶的用量是自变量，B错误；酶可以降低化学反应所需的活化能，所以酪蛋白酶可降低酪蛋白水解反应所需的活化能，C正确；酪氨酸(生成物)的含量越高说明酪蛋白分解的越多，说明酶促反应速率越大，D正确。
3．解析：(1)自变量是人为控制不一样的条件，结合表格可知，本实验的自变量为遮阴比例，因变量的观测指标有叶绿素含量、净光合速率。
(2)依据实验结果可推测B组玉米产量可能更高，因为B2组与A、C组相比净光合速率相差不大，而B1组净光合速率显著高于A、C组，可在收获后分别测量各组玉米籽粒的平均重量进行验证。
(3)某兴趣小组为验证C组的叶绿素含量升高，需要分析玉米植株遮阴处理后光合色素含量的变化，应以A组(A组处于正常条件下，为对照组)为对照，验证这种差异的实验思路参见答案。
(4)基于实验现象及结果，可以提出相关问题(参见答案)。
答案：(1)遮阴比例　叶绿素含量、净光合速率　(2)B　各组玉米籽粒的平均重量　(3)A　取等量A、C两组玉米叶片若干，记为A、C两组，分别提取和分离两组叶片中的光合色素，比较两组叶片中叶绿素含量的多少　(4)提高玉米产量的最适遮阴比例是多少(或为什么B2组叶绿素含量和光合速率最低)
4．解析：(1)叶子发黄是缺少叶绿素的缘故，叶绿素的组成元素为C、H、O、N、Mg，因此缺氮地块的玉米苗叶子发黄；暗反应所需的NADPH、ATP以及酶都含氮元素。
(2)NO和NH的吸收需要转运蛋白的协助，玉米吸收这两种离子的差异与转运蛋白的数量有关。通常情况下，玉米对硝态氮的吸收偏好高于铵态氮，据此推断玉米根细胞膜上转运NO的蛋白质的数量更多。
(3)①图1结果显示，N150处理组根的数量和长度高于其他组；M基因甲基化会影响该基因的转录，因此可以通过检测根细胞中M基因相应的mRNA的含量来加以验证。②图2结果显示，随着施氮量增加，玉米幼苗地上部分与地下部分鲜重比值的变化趋势为先增加后降低。
(4)土壤高氮环境会通过抑制M基因的转录，使得根部细胞合成生长素减少，玉米根系生长受限，从而影响玉米幼苗的生长。这说明只有合理施用氮肥才能满足玉米生长的需求。
答案：(1)叶绿素　NADPH、ATP、酶　(2)转运NO的蛋白质　(3)①根的数量和长度　根细胞中M基因相应的mRNA的含量　②先增加后降低　(4)抑制M基因的转录　只有合理施用氮肥才能满足玉米生长的需求
三、增分主观大题——细胞代谢类主观题的题点考法集训
1．(1)O2和H＋　ATP和NADPH　(2)减少　缺钾会使叶绿素合成相关酶的活性降低；缺钾会影响细胞的渗透调节，进而影响细胞对Mg、N等的吸收，使叶绿素合成减少
2．(1)呼吸作用消耗　(2)③②①　最大光合速率对应的光照强度依次升高　(3)①(金鱼藻)除藻率高，②(黑藻)除氮率高，③(苦草)除磷率高　(4)合理引入浮水植物，减弱沉水植物受到的光照强度；合理引入以沉水植物凋落叶片为食物的生物(合理即可)
3．(1)CO2浓度、光照强度、温度等(答出2点即可)　排除偶然情况，减小实验误差　(2)暗反应　ADP＋Pi　NADP＋(后两个空位置可颠倒)　
(3)吸收、传递和转化光能　影响气孔的开闭　(4)植物叶片萎蔫卷曲下垂可避免吸收更多热量，避免水分过度蒸发，从而保证气孔的相对开度，进而保证光合作用在一定强度下进行
4．(1)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，使维管束鞘内的CO2浓度高于外界环境，抑制玉米的光呼吸　(2)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
5．(1)不能　强光照射下突变体的NPQ强度相对值大于野生型的，能减少强光对PSⅡ的损伤，但不能修复，而野生型含有H蛋白，能对损伤后的PSⅡ进行修复，故不能确定强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱　(2)少　突变体的NPQ强度大，能够减少强光对PSⅡ的损伤，突变体的PSⅡ活性高，能为暗反应提供较多的NADPH和ATP，促进暗反应的进行(共62张PPT)
素养提升课——破译新情境·
系统实验知能·增分主观大题
第6讲
一、破译新情境——抽象、理性的
学科情境要读懂
[科普科研材料]
1．C4植物的CO2浓缩机制
(1)C3植物和C4植物叶片结构的比较
新情境问题(一)　三类生物的CO2浓缩机制解读
C3植物叶片中的维管束鞘细胞几乎不含有叶绿体，维管束鞘以外是排列疏松的含有叶绿体的叶肉细胞。C4植物叶片中围绕维管束的是呈“花环型”的两圈细胞，里面的一圈是维管束鞘细胞，这种维管束鞘细胞不仅个体大，而且含有叶绿体，外面的一圈是富含叶绿体的叶肉细胞。
(2)C4植物的光合作用过程
与C3植物相比，C4植物叶肉细胞的细胞质基质具有一种特殊的PEP羧化酶，它催化如下反应：C3＋CO2―→C4(苹果酸)。C4进入维管束鞘细胞，生成CO2用于暗反应，再生出的C3(丙酮酸)回到叶肉细胞中，进行循环利用。PEP羧化酶与CO2的亲和力是Rubisco的60倍，能固定低浓度的CO2。
[信息助读]
(1)叶肉细胞中的叶绿体有类囊体能进行光反应，同时，CO2被整合到C4中，随后C4进入维管束鞘细胞。
(2)维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，在维管束鞘细胞中，C4释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物。
(3)C4植物的CO2补偿点低，“光合午休”影响小的原因：
①PEP羧化酶对CO2有很高的亲和力，气孔关闭时，仍然能够利用极低浓度的CO2。
②C4植物已先通过C4途径把CO2储存起来形成C4，气孔关闭时，C4分解产生CO2，用于光合作用，所以“光合午休”时气孔关闭对C4植物影响不大。
2．景天科植物的CO2浓缩机制(CAM途径)
在夜间，大气中CO2从气孔进入景天科植物，被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化，与PEP结合形成草酰乙酸(OAA)，再经苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸，储存于液泡中。在白天，苹果酸从液泡中释放出来，经脱羧酶作用形成CO2和丙酮酸，CO2产生后用于卡尔文循环。
[信息助读]
景天科植物夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2和呼吸作用产生的CO2用于光合作用暗反应，白天外界CO2浓度变化对光合作用影响不大。
3．蓝细菌的CO2浓缩机制
蓝细菌具有的CO2浓缩机制，如图所示。
注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散。
[信息助读]
[内蕴知识融通]
(1)C4植物的CO2固定发生在______________________________________。
(2)科学家用含14C标记的CO2来追踪玉米(C4植物)光合作用中的碳原子的转移途径，请用箭头表示这种碳原子的转移途径：____________________
___________。
(3)与水稻、小麦等C3植物相比，C4植物的CO2的补偿点较________。高温、干旱时植物气孔部分关闭，C4植物还能保持高效光合作用的原因是__________________________________________________________________
____________________________________。
叶肉细胞和维管束鞘细胞的叶绿体基质中
CO2→C4→CO2→C3
→(CH2O)
低
PEP羧化酶对CO2具有高亲和力，C4植物可利用低浓度的CO2进行光合作用；C4植物能利用储存的C4进行光合作用
(4)从进化角度看，景天科植物这种气孔开闭特点的形成是__________的结果。夜晚，该类植物吸收的CO2________(填“能”或“不能”)合成葡萄糖，原因是_________________________________________。
(5)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____________________
___________________________。
(6)CO2依次以_____________________方式通过蓝细菌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，从而促进__________。
(7)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。
自然选择
不能
没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH
干旱
蒸腾作用造成水分过多散失
有效避免白天旺盛的
自由扩散和主动运输
CO2固定
叶绿体
[迁移创新训练]
1．(2025·天津和平区模拟)蓝细菌能通过其产生的一组特殊蛋白质将CO2浓缩在Rubisco(固定CO2的关键酶)周围。下列有关叙述错误的是(　　)
A．Rubisco是在蓝细菌的核糖体上合成的
B．激活Rubisco不需要黑暗条件
C．蓝细菌中的叶绿素和类胡萝卜素位于叶绿体类囊体薄膜上
D．蓝细菌的CO2浓缩机制有利于其适应低CO2浓度环境
√
解析：Rubisco的化学成分是蛋白质，而核糖体是合成蛋白质的场所，据此可知，Rubisco是在蓝细菌的核糖体上合成的，A正确；
暗反应有光无光都能进行，Rubisco作用于CO2的固定过程，
因此激活Rubisco不需要黑暗条件，B正确；
蓝细菌含有叶绿素和藻蓝素，没有叶绿体也没有类胡萝卜素，C错误；
蓝细菌的CO2浓缩机制便于其对CO2的吸收，有利于其适应低CO2浓度环境，D正确。
2．(2025·广州模拟)甘蔗、玉米是常见的C4植物，C4植物的叶片具有特殊的花环结构，其叶肉细胞中的叶绿体有类囊体但没有 Rubisco，而维管束鞘细胞中的叶绿体没有类囊体但有 Rubisco。C4植物的光合作用过程如图所示。已知PEP羧化酶对 CO2的亲和力远高于Rubisco，下列叙述错误的是(　　)
A．维管束鞘细胞可以通过卡尔文循环制造糖类
B．叶肉细胞可以通过光反应产生ATP和NADPH
C．甘蔗、玉米等C4植物具有较低的 CO2补偿点
D．甘蔗、玉米等C4植物具有明显的“光合午休”现象
解析：卡尔文循环属于暗反应过程，维管束鞘细胞中的叶绿体没有类囊体但有 Rubisco，维管束鞘细胞可以通过卡尔文循环制造糖类，A正确；叶肉细胞中的叶绿体有类囊体，类囊体薄膜上含有光合色素，因此叶肉细胞可以通过光反应产生ATP和NADPH, B正确；PEP羧化酶对CO2的亲和力远高于Rubisco，在CO2浓度较低时，PEP羧化酶仍可催化CO2固定，CO2与某种C3结合成C4，C4从叶肉细胞运输至维管束鞘细胞，又释放出CO2，因此对低浓度CO2具有富集作用，所以甘蔗、玉米等C4植物具有较低的CO2补偿点，但“光合午休”现象不明显，C正确，D错误。
√
3．(2025·合肥模拟)景天科植物有一个很特殊的CO2同化方式：夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧酶作用释放 CO2用于光合作用，其部分代谢途径如图所示。据图分析，下列叙述错误的是(　　)
A．景天科植物固定CO2的物质分布在叶肉细胞的叶绿体基质和细胞质基质中
B．在外界0.01%CO2的浓度条件下，叶肉细胞叶绿体内的C3的含量比C5的含量高
C．将该种植物置于黑暗密闭装置内，装置中CO2的变化速率不能表示呼吸速率
D．干旱条件下，白天该种植物正常进行光合作用固定的CO2来源于苹果酸分解
解析：由题图可知，景天科植物固定CO2的物质有磷酸烯醇式丙酮酸和C5，分别分布在细胞质基质和叶绿体基质中，A正确；在外界0.01%CO2的浓度条件下，液泡中的苹果酸经脱羧酶作用释放CO2和线粒体进行有氧呼吸释放的CO2均可用于进行正常光合作用，叶肉细胞叶绿体内的C3的含量比C5的含量高，B正确；这种植物在黑暗条件下进行呼吸作用产生CO2的同时也吸收CO2用于合成苹果酸，因此装置中CO2的变化速率不能表示呼吸速率，C正确；根据题图可知，干旱条件下，白天气孔关闭，该种植物进行光合作用固定的CO2来源于苹果酸的分解和线粒体进行有氧呼吸释放的CO2，D错误。
√
[科普科研材料]
产生光呼吸现象的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco。在暗反应中，Rubisco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，在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%。过程如图所示：
新情境问题(二)　光呼吸现象解读
光呼吸对生物体有一定的危害。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；光呼吸过程中消耗了ATP和NADPH，即造成了能量的损耗。其实光呼吸和卡尔文循环是一种动态平衡，适当的光呼吸对植物体有一定积极意义，光呼吸可以回收碳元素，防止强光对叶绿体的破坏。
[信息助读]
[内蕴知识融通]
(1)Rubisco的催化方向取决于CO2与O2的浓度比，请推测具体的情况：______________________________________________________
__________________________________________________________。
(2)研究发现，较多的光合产物要消耗在光呼吸底物上。实际生产中,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)。
当CO2与O2的浓度比高时,Rubisco催化CO2与C5结合反应加强；当CO2与O2的浓度比低时，Rubisco催化O2与C5结合反应加强
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
(3)已知强光下ATP和NADPH的积累会产生O2－(超氧阴离子自由基)，而O2－会对叶绿体光合作用的反应中心造成伤害。依据材料，说明植物在干旱天气和过强光照下光呼吸的积极意义：_______________________
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
气孔部分关闭，CO2吸收减少，低浓度CO2使得光呼吸增强,光呼吸可以消耗多余的ATP和NADPH，减少O2－的产生，避免对叶绿体光合作用的反应中心造成伤害
干旱天气和过强光照导致
[迁移创新训练]
1．(2025·黄冈模拟)光呼吸是植物利用光能，吸收O2并释放CO2的过程。研究者将四种酶基因(GLO、CAT、GCL、TSR)导入水稻叶绿体，创造了一条新的光呼吸代谢支路(GCGT支路)，如图虚线所示。据图分析，下列推测正确的是(　　)
A．光呼吸时C5与O2的结合发生在线粒体内膜上
B．在光呼吸中有ATP和NADH的生成和消耗
C．有GCGT支路的转基因植物发生了基因突变
D．GCGT支路可以降低碳损失从而提高光合效率
解析：卡尔文循环的场所为叶绿体基质，图中光呼吸代谢支路利用卡尔文循环中的C5，故C5和O2的结合发生在叶绿体基质中，A错误；由题图可知，在光呼吸中，消耗了ATP和NADH，但没有ATP和NADH的生成，B错误；转基因属于基因重组，而非基因突变，C错误；光呼吸代谢支路(GCGT支路)可以将部分碳转化为CO2，使其进入卡尔文循环，有利于降低碳损失从而提高光合效率，D正确。
√
2．(2025·重庆一模)光照条件下，叶肉细胞中的O2与C5结合后经一系列反应释放CO2，该过程称为光呼吸。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(见表)，SoBS溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计。下列叙述错误的是(　　)
SoBS浓度/(mg/L) 0 100 200 300 400 500 600
光合作用强度/ (CO2μmol·m－2·s－1) 18.9 20.9 20.7 18.7 17.6 16.5 15.7
光呼吸强度/ (CO2μmol·m－2·s－1) 6.4 6.2 5.8 5.5 5.2 4.8 4.3
A.光呼吸中C5与O2结合的反应整体上属于吸能反应
B.研究发现水稻光呼吸缺陷型不能在正常大气CO2浓度条件下存活，只有在高CO2浓度条件下才能存活，说明在正常大气CO2浓度条件下，光呼吸是不可缺少的生理活动
解析：光呼吸是一种高耗能的反应，A正确；
研究发现水稻光呼吸缺陷型不能在正常大气CO2浓度条件下存活，只有在高CO2浓度条件下才能存活，说明在正常大气CO2浓度条件下，光呼吸是不可缺少的生理活动，B正确；
C.为探究SoBS溶液利于增产的最适喷施浓度,应在100～300 mg/L而不是0～200 mg/L再设置有一定浓度梯度的一系列实验组进行进一步实验
D.与未喷施SoBS溶液相比，喷施100 mg/L SoBS 溶液的水稻叶片的光补偿点高
解析：为探究SoBS溶液利于增产的最适喷施浓度，据表可知，应在表中光合作用强度－光呼吸强度的最大值的两侧浓度之间，即应在100～300 mg/L再设置有一定浓度梯度的一系列实验组进行进一步实验，C正确；
叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度即为光补偿点，与对照组相比，喷施100 mg/L 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，D错误。
√
3．(2024·黑吉辽高考)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3；当CO2与O2比值低时，C5也能与O2反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶绿体与线粒体中主要物质变化如图1。
光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程。回答下列问题。
(1)反应①是_____________过程。
(2)与光呼吸不同，以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是______________和______________。
CO2的固定
细胞质基质
线粒体基质
(3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株(WT)，得到转基因株系1和2，测定净光合速率，结果如图2、图3。
图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境，还可来自________和___________(填生理过程)。7～10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异,原因是___________________________________
____________________________________________________________。据图3中的数据________(填“能”或“不能”)计算出株系1的总光合速率,理由是_________________________________________________
_________________________________________________________________________________________。
光呼吸
细胞呼吸
与WT相比,随着光照的增强,改变光呼吸
的转基因株系1和2的光呼吸增长较慢，从而使其净光合速率增长较快
总光合速率＝净光合速率＋细胞呼吸速率＋光呼吸速率，由图3中的数据无法获得株系1的细胞呼吸速率和光呼吸速率，因此不能计算出株系1的总光合速率
不能
(4)结合上述结果分析，选择转基因株系1进行种植,产量可能更具优势，判断的依据是____________________________________________________
______________。
解析：(1)题图1中反应①是CO2和C5在酶的作用下形成C3，此反应是发生在叶绿体基质中的CO2的固定过程。
(2)以葡萄糖为反应物的有氧呼吸会在第一阶段产生少量的NADH，第二阶段产生大量的NADH，有氧呼吸第一阶段的场所是细胞质基质，第二阶段的场所是线粒体基质。
相同光照强度或CO2浓度下，株系1的净光合速率比株系2
和WT的更高
(3)题图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境，还可来自细胞呼吸和光呼吸；7～10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异，原因是与WT相比，随着光照的增强，改变光呼吸的转基因株系1和2的光呼吸增长较慢，从而使其净光合速率增长较快；总光合速率＝净光合速率＋细胞呼吸速率＋光呼吸速率，由题图3中的数据无法获得株系1的细胞呼吸速率和光呼吸速率，因此不能计算出株系1的总光合速率。
(4)据题图2和题图3可知，相同光照强度或CO2浓度下，株系1的净光合速率比株系2和WT的更高，因此其积累的有机物更多，产量可能更具优势。
二、系统实验知能——实验变量与实验设计的原则
(一)变量的类型
自变量 又称实验变量，是研究者主动操控即实验所探究的条件和因子，是作用于实验对象的刺激变量，坐标中横轴标识一般为自变量
因变量 又称反应变量，是随自变量变化而产生反应或发生变化的变量，应具有可测性和客观性，坐标中纵轴标识一般为因变量
无关 变量 又称干扰变量、控制变量，是指与研究目标无关，但却影响研究结果的变量，实验时一般需控制无关变量适宜且相同
(二)实验设计的三大原则
1．单一变量原则
无论一个实验有几个自变量，都应确定一个自变量对应观测一个因变量，这就是单一变量原则，它是处理实验中复杂关系的准则之一。单一变量原则要求在实验组和对照组的实验中都只能有一个变量，这样得出的实验结果与单一变量之间就能形成一一对应关系，便于观察实验结果以及分析实验结果的成因。
2．平行重复原则
在实验设计中为了避免实验结果的偶然性，必须对所做实验进行足够次数的重复，以获得多次实验结果的平均值，保证实验结果的准确性。
3．对照原则
在实验设计中应设置对照实验，以便减小实验误差。常用的对照方法包括：空白对照、自身对照、条件对照、相互对照(也叫对比实验)，如下表：
续表
相互对照 如果并不知道两组(或多组)实验中的自变量对实验结果所造成的影响，需要通过实验来进行确定。不单独设对照组，而是几个实验组相互对比对照，其中每一组既是实验组也是其他组别的对照组，由此得出相应的实验结论。
相互对照实验也称对比实验。如“探索生长素类调节剂促进插条生根的最适浓度”实验
续表
(三)实验设计策略
[专题提能训练]
1．(2024·广州二模)甲试管中装有2 mL可溶性淀粉溶液、2 mL酶①溶液；乙试管中装有2 mL蔗糖溶液、2 mL酶①溶液；丙试管中装有2 mL可溶性淀粉溶液、2 mL酶②溶液。利用上述试管验证酶的专一性。下列有关该实验的叙述，正确的是(　　)
A．验证酶的专一性时，只需要考虑自变量的影响，不需要考虑无关变量
B．若酶①为淀粉酶，则甲、乙试管进行对比时可选用碘液作为检测试剂
C．若酶①为淀粉酶，酶②为蔗糖酶，则甲、丙试管进行对比时可选用斐林试剂作为检测试剂
D．甲试管中加入的淀粉溶液、酶溶液都是2 mL，是为了排除无关变量的干扰
√
解析：验证酶的专一性时，实验的自变量应为酶的种类或底物的种类，且实验设计遵循单一变量原则，需控制无关变量相同且适宜，A错误；
若酶①为淀粉酶，则甲、乙试管进行对比时不可选用碘液作为检测试剂，因为碘液无法检测蔗糖是否被水解，B错误；
若酶①为淀粉酶，酶②为蔗糖酶，则甲、丙试管进行对比时可选用斐林试剂作为检测试剂，根据是否有还原糖的生成判断淀粉是否被水解，C正确；
甲试管中加入的底物量与酶量相等，是为了保证在合理的浓度和用量下，反应能顺利进行，D错误。
2．(2025·齐齐哈尔一模)研究人员以酪蛋白为原料，探究不同温度及酶与底物的比例对酶促反应速率的影响。他们将几组经过预处理的酪蛋白溶液装在烧杯内，设计温度分别为56 ℃、58 ℃、60 ℃、62 ℃及酶与底物的比例分别为4%、5%、6%、7%，各组置于适宜的pH条件下并加入酪蛋白酶，水解相同的时间后测定酪氨酸的含量。下列叙述错误的是(　　)
A．本实验可以不设计空白对照组
B．各组所加入酪蛋白酶的用量为无关变量
C．酪蛋白酶可降低酪蛋白水解反应所需的活化能
D．酪氨酸的含量越高，说明酶促反应速率越大
√
解析：探究不同温度及酶与底物的比例对酶促反应速率的影响为对比实验，各实验组相互对照，不用设计空白对照组，A正确；
在探究酶与底物的比例对酶促反应的影响时，酪蛋白酶的用量是自变量，B错误；
酶可以降低化学反应所需的活化能，所以酪蛋白酶可降低酪蛋白水解反应所需的活化能，C正确；
酪氨酸(生成物)的含量越高说明酪蛋白分解的越多，说明酶促反应速率越大，D正确。
3．(2025·广州模拟)研究者将玉米幼苗置于三种条件下培养10天后(如图)，测定相关指标(如表)，探究遮阴比例对植物生长的影响。
组别 遮阴比例/% 叶绿素含量/(mg·dm－2) 净光合速率/
(CO2μmol·m－2·s－1)
A 0 4.2 11.8
B B1：0 5.3 20.5
B2：100 3.9 7.0
C 100 4.7 8.6
(1)本实验的自变量为__________，因变量的观测指标有_____________
____________。
(2)依据实验结果可推测______组玉米产量可能更高，可在收获后分别测量________________________进行验证。
(3)某兴趣小组为验证C组的叶绿素含量升高，需要分析玉米植株遮阴处理后光合色素含量的变化,应以_____组为对照，请设计实验验证这种差异：__________________________________________________________________
_____________________________________________(简要写出实验思路)。
(4)基于实验现象及结果,提出一个科学问题：_______________________
_________________________________________________？
遮阴比例
净光合速率
B
各组玉米籽粒的平均重量
A
取等量A、C两组玉米叶片若干，记为A、C两组，分别提取和分离两组叶片中的光合色素,比较两组叶片中叶绿素含量的多少
叶绿素含量、
提高玉米产量的最适遮阴比例是多少(或为什么B2组叶绿素含量和光合速率最低)
解析：(1)自变量是人为控制不一样的条件，结合表格可知，本实验的自变量为遮阴比例，因变量的观测指标有叶绿素含量、净光合速率。
(2)依据实验结果可推测B组玉米产量可能更高，因为B2组与A、C组相比净光合速率相差不大，而B1组净光合速率显著高于A、C组，可在收获后分别测量各组玉米籽粒的平均重量进行验证。
(3)某兴趣小组为验证C组的叶绿素含量升高，需要分析玉米植株遮阴处理后光合色素含量的变化，应以A组(A组处于正常条件下，为对照组)为对照，验证这种差异的实验思路参见答案。
(4)基于实验现象及结果，可以提出相关问题(参见答案)。
4．氮素是限制玉米生长发育以及产量增加的首要因素，研究人员以东北春玉米为对象探究不同浓度的氮素对苗期玉米生长的影响。回答下列问题：
(1)氮元素参与________的合成，因此缺氮地块的玉米苗通常叶子发黄，长势较弱。除此之外合成暗反应所需要的__________________
(写出其中两种)也需要氮元素。
叶绿素
NADPH、ATP、酶
(3)研究人员共设置了4组实验：对照(N0)、减量施氮(N120)、优化施氮(N150)和高量氮肥(N180)，对东北春玉米幼苗处理后，测得4组玉米的根系形态及地上部分鲜重与地下部分鲜重如图所示。
(4)综合上述分析，土壤高氮环境会通过_________________限制玉米根系的生长，从而影响玉米幼苗的生长。这说明_____________
______________________________。
根的数量和长度
根细胞中M基因相应的mRNA的含量
先增加后降低
抑制M基因的转录
只有合理施用
氮肥才能满足玉米生长的需求
(3)①图1结果显示，N150处理组根的数量和长度高于其他组；M基因甲基化会影响该基因的转录，因此可以通过检测根细胞中M基因相应的mRNA的含量来加以验证。②图2结果显示，随着施氮量增加，玉米幼苗地上部分与地下部分鲜重比值的变化趋势为先增加后降低。(4)土壤高氮环境会通过抑制M基因的转录，使得根部细胞合成生长素减少，玉米根系生长受限，从而影响玉米幼苗的生长。这说明只有合理施用氮肥才能满足玉米生长的需求。
三、增分主观大题——细胞代谢类主观题的题点考法集训
细胞代谢类主观题是高考必考大题之一，
常借助文字信息、细胞代谢过程示意图或
曲线图创设情境，考查细胞呼吸和光合作用的相关原理分析，试题情境既有农业生产和生活实践，又有科学实验与探究，重点考查对题干信息的获取、分析和理解以及识图、析图的能力。在复习中要重点关注相关曲线变化与光合作用和细胞呼吸原理之间的联系，通过训练掌握解答有关细胞代谢类主观题的答题技巧。
1．(2024·湖南高考，节选)钾是植物生长发育的必需元素，主要生理功能包括参与酶活性调节、渗透调节以及促进光合产物的运输和转化等。研究表明，缺钾导致某种植物的气孔导度下降，使CO2通过气孔的阻力增大；Rubisco的羧化酶(催化CO2的固定反应)活性下降，最终导致净光合速率下降。回答下列问题：
(1)从物质和能量转化角度分析，叶绿体的光合作用即在光能驱动下，水分解产生___________；光能转化为电能，再转化为__________________中储存的化学能，用于暗反应的过程。
(2)长期缺钾导致该植物的叶绿素含量________，从叶绿素的合成角度分析,原因是_______________________________________________________
__________________________________________________________________ (答出两点即可)。
O2和H＋
ATP和NADPH
减少
缺钾会使叶绿素合成相关酶的活性降低；缺钾会影响细胞的渗透调节，进而影响细胞对Mg、N等的吸收，使叶绿素合成减少
2．(2024·广东高考，节选)某湖泊曾处于重度富营养化状态，水面漂浮着大量浮游藻类。管理部门通过控源、清淤、换水以及引种沉水植物等手段，成功实现了水体生态恢复。引种的3种多年生草本沉水植物(①金鱼藻、②黑藻、③苦草，答题时植物名称可用对应序号表示)在不同光照强度下光合速率及水质净化能力见图。
回答下列问题：
(1)湖水富营养化时，浮游藻类大量繁殖，水体透明度低，湖底光照不足。原有沉水植物因光合作用合成的有机物少于_______________的有机物，最终衰退和消亡。
(2)生态恢复后，该湖泊形成了以上述3种草本沉水植物为优势的群落垂直结构，从湖底到水面依次是________，其原因是____________________________________。
(3)为了达到湖水净化的目的，选择引种上述3种草本沉水植物的理由是_________________________________________________________,三者配合能实现综合治理效果。
(4)目前在湖边浅水区种植的沉水植物因强光抑制造成生长不良，此外，大量沉水植物叶片凋落，需及时打捞，增加维护成本。针对这两个实际问题从生态学角度提出合理的解决措施：_____________________________________________________
____________________________________________。
呼吸作用消耗
③②①
最大光合速率对应的光照强度依次升高
①(金鱼藻)除藻率高，②(黑藻)除氮率高，③(苦草)除磷率高
合理引入浮水植物，减弱沉水植物受到的光照强度；合理引入以沉水植物凋落叶片为食物的生物(合理即可)
3.(2025年1月·八省联考云南卷)为了研究干旱胁迫对植物的影响，研究人员以具有较高经济价值和生态价值的优良灌木细叶小蘗为实验材料。选取多株生长状况相近的幼苗，随机均分为两组；Ⅰ组正常浇水管理，Ⅱ组干旱处理，在其他相同且适宜的条件下培养，一段时间后，测定每株相关指标，数据如下。回答下列问题：
指标 组别 叶片相对 含水量/% 叶片净光合速率 /(μmol CO2· m－2·s－1) 气孔导度 /(mol·m－2·s－1) 蒸腾速率
/(μmol·m－2·s－1)
Ⅰ组 61.32 5.45 0.12 1.39
Ⅱ组 56.15 4.12 0.08 0.72
注：气孔导度越大，气孔开放程度越大。
(1)该实验的无关变量中，影响光合作用的主要环境因素有____________________________(答出2点即可)。实验中Ⅰ组、Ⅱ组均测定多株植株相关数据的目的是_______________________________。
(2)气孔导度减小直接影响光合作用的__________阶段，导致为另一阶段提供的___________和__________减少。
(3)绿色植物光合作用过程中，水光解产生的电子若有剩余，则和氧气结合形成超氧阴离子自由基，攻击生物膜系统，导致生物膜损伤。生物膜在植物光合作用中的功能主要体现在两个方面：
①是____________________________；
②是___________________。
CO2浓度、光照强度、温度等
排除偶然情况，减小实验误差
暗反应
ADP＋Pi
NADP＋
吸收、传递和转化光能
影响气孔的开闭
(4)干旱胁迫时，植物叶片萎蔫卷曲下垂是一种自我保护行为，
综上分析其原理是__________________________________________
______________________________________________________________________________。
植物叶片萎蔫卷曲下垂可避免吸收更多热量，避免水分过度蒸发，从而保证气孔的相对开度，进而保证光合作用在一定强度下进行
4．(2023·湖南高考，节选)下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(K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。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糖类生成有关。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：
(1)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)。
(2)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)。
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，使维管束鞘内的CO2浓度高于外界环境，抑制玉米的光呼吸
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
酶的活性达到最大，
5．(2023·山东高考，节选)当植物吸收的光能过多时，过剩的光能会对光反应阶段的PSⅡ复合体(PSⅡ)造成损伤，使PSⅡ活性降低，进而导致光合作用强度减弱。细胞可通过非光化学淬灭(NPQ)将过剩的光能耗散，减少多余光能对PSⅡ的损伤。已知拟南芥的H蛋白有2个功能：①修复损伤的PSⅡ；②参与NPQ的调节。科研人员以拟南芥的野生型和H基因缺失突变体为材料进行了相关实验，结果如图所示。实验中强光照射时对野生型和突变体光照的强度相同，且强光对二者的PSⅡ均造成了损伤。
(1)根据本实验，________(填“能”或“不能”)比较出强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱，理由是___________________________
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
不能
强光照射下突变体的NPQ强度相对值大于野生型的，能减少强光对PSⅡ的损伤，但不能修复，而野生型含有H蛋白，能对损伤后的PSⅡ进行修复，故不能确定强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱
(2)据图分析,与野生型相比,强光照射下突变体中流向光合作用的能量________(填“多”或“少”)。若测得突变体的暗反应强度高于野生型，根据本实验推测,原因是____________________________________________
___________________________________________________________________________。
少
突变体的NPQ强度大,能够减少强光对PSⅡ的损伤,突变体的PSⅡ活性高，能为暗反应提供较多的NADPH和ATP，促进暗反应的进行

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