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(共71张PPT)
素养加强课2　光呼吸，C3、C4植物和CAM植物
必修1　分子与细胞
第二单元　细胞代谢
1．光呼吸的实质
(1)是所有进行光合作用的细胞在光照、高O2低CO2情况下发生的一个生化过程。
(2)是光合作用一个损耗能量的副反应。
(3)此过程中消耗O2，生成CO2。
提升点1　光呼吸
2．光呼吸过程图解
3．光呼吸与一般有氧呼吸的比较
比较项目 光呼吸 一般有氧呼吸
与光的关系 只在光下进行 光下、黑暗中都可进行
反应条件 光照、高O2低CO2环境 氧气充足环境
底物 乙醇酸和O2 通常是葡萄糖、H2O和O2
产物 CO2 CO2和水
发生部位 叶绿体、线粒体 细胞质基质、线粒体
4．光呼吸产生的原因
(1)内因：Rubisco是一种兼性酶，具有催化羧化反应(C5＋CO2→2C3)和加氧反应(C5＋O2→C3＋C2)两种功能。
(2)外因：高O2环境下，光呼吸会明显加强，而提高CO2浓度可明显抑制光呼吸。
(2024·黑、吉、辽卷)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3；当CO2/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外，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______________________________________________________________________________________________________________________________________________。
光呼吸
呼吸作用
7～10时，随着光照强度的增加，株系1和2由于转入了改变光呼吸的相关基因，导致光呼吸速率降低，光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程
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_________________________________________________________________________________________________________________________________。
不能
速率，无法获得株系1准确的光呼吸、细胞呼吸产生CO2的速率，不能计算株系1的总光合速率
总光合速率＝净光合速率＋光呼吸速率＋细胞呼吸
(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________________________________________________。
与株系2和WT相比，转基因株系1的净光合速
率最大
[解析]　(1)在光合作用的暗反应过程中，CO2在特定酶的作用下，与C5结合形成两个C3，这个过程称作CO2的固定，故反应①是CO2的固定过程。(2)有氧呼吸的第一、二、三阶段的场所依次是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜。有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和NADH，合成少量ATP；第二阶段是丙酮酸和水反应生成CO2和NADH，合成少量ATP，以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是细胞质基质、线粒体基质。
(3)由图1可知，在线粒体中进行光呼吸的过程中，也会产生CO2，因此植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外，还可来自光呼吸、呼吸作用。7～10时，随着光照强度的增加，株系1和2由于转入了改变光呼吸的相关基因，导致光呼吸速率降低，光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程，因此与WT相比，株系1和2的净光合速率较高。总光合速率＝净光合速率＋光呼吸速率＋细胞呼吸速率，无法获得株系1准确的光呼吸、细胞呼吸产生CO2的速率，不能计算株系1的总光合速率。(4)由图2、图3可知，与株系2和WT相比，转基因株系1的净光合速率最大，因此选择转基因株系1进行种植，产量可能更具优势。
1．C3植物和C4植物
(1)C3植物和C4植物的含义
根据光合作用碳元素同化的最初光合产物(三碳化合物、四碳化合物)的不同，把高等植物分成C3、C4植物两类，常见的C4植物有甘蔗、玉米、高粱等。
提升点2　C3、C4 植物和CAM植物
(2)光合作用C4途径产生的原因
C4植物中含有能固定CO2为C4的相关酶，即磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，简称为PEP羧化酶(对CO2有很强的亲和力)，可把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来。
(3)C3和C4植物光合作用途径的比较
项目 CO2受体 CO2固定后产物 CO2固定场所 光反应场所 暗反应场所
植物 RuBP (C5) PGA (C3) 叶肉细胞 叶绿体 叶肉细 胞叶绿 体基粒 叶肉细
胞叶绿
体基质
植物 PEP (C3)、 RuBP (C5) PGA (C3)、 OAA (C4) 叶肉细 胞细胞 质基质、 维管束 鞘细胞 叶绿体 叶肉细 胞叶绿 体基粒 维管束
鞘细胞
叶绿体
基质　
2．CAM植物
(1)CAM途径的含义
景天科植物夜间将吸收的CO2固定在苹果酸(C4)中，白天苹果酸分解释放CO2参与光合作用的过程。
(2)CAM途径过程图解
(3)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CO2，使植物适应高温干旱环境。
(2024·湖南长郡中学检测)绿色植物通过光合作用将CO2固定并合成有机物，根据固定CO2的途径不同，可将植物主要分为C3植物、C4植物和CAM植物，它们的部分特性如表所示。回答下列问题。
分类 C3植物 C4植物 CAM植物
光呼吸 ？ ？ 低
CO2固 定途径 C3途径 C3途径和C4途径(C4途径：叶肉细胞中相关酶作用下催化CO2生成C4，C4被运到维管束鞘细胞后生成CO2) C3途径和CAM途径(CAM途径：晚上气孔打开吸收CO2生成苹果酸储存在液泡，白天气孔关闭苹果酸释放CO2完成暗反应)
Rubisco 酶特性 既能催化C5和CO2反应又能催化C5和O2反应
PEP酶 特性 PEP酶与CO2的亲和力是Rubisco酶的60倍，能固定低浓度的CO2
(1)三类植物光反应产物相同，它们的光反应产物是__________________；Rubisco酶催化C5和CO2反应称为____________。
(2)光呼吸是指O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco酶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__________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
_______。
O2、NADPH、
CO2的固定
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酶使其在光下驱动加氧反应，而C4植物无光合午休现象，故C4植物光呼吸强度小于C3植物
ATP
(3)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_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
更小
C4植物有C4途径，可以在CO2浓度较低时有效地将其固定，而CAM植物晚上气孔打开吸收CO2生成苹果酸储存在液泡，白天气孔关闭苹果酸释放CO2完成暗反应，故与C4植物相比，CAM植物的光合速率更小
(4)现提供凡士林(可用于堵塞气孔)，若干生理状况相同置于暗处相同时间的CAM植物，药物b(抑制液泡内苹果酸的分解)，清水，注射器，光合速率检测仪等材料，请设计实验证明CAM植物白天进行暗反应时气孔关闭，所需CO2主要来自液泡中的苹果酸的分解。_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ (呼吸作用提供的CO2不予考虑，简要写出实验思路即可)。
将若干生理状况相同置于暗处相同时间的CAM植物均分为两组，一组向植物注射适量清水，另一组注射等量的药物b，植物叶片均涂抹等量凡士林，置于光下，一段时间后，利用光合速率检测仪检测两组植物光合速率大小并比较
[解析]　(1)光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上，发生了水的光解和ATP的生成，光反应的产物有O2、NADPH、ATP，其中NADPH、ATP还参与暗反应C3的还原；暗反应包括CO2的固定和C3的还原，Rubisco酶催化C5和CO2反应称为CO2的固定。(2)正午时C3植物有光合午休现象，光合午休，意味着植物气孔关闭，进入细胞的CO2减少，CO2浓度降低，结合题干“光呼吸是指O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco酶使其在光下驱动加氧反应”可知，CO2浓度越低，光呼吸强度越大，而C4植物无光合午休现象，故在正午时，C4植物的光呼吸强度更小。
(3)结合题中所给表格可知，C4途径：叶肉细胞中相关酶作用下催化CO2生成C4，C4被运到维管束鞘细胞后生成CO2，C4植物有C4途径，可以在CO2浓度较低时有效地将其固定，而CAM植物无C4途径，CAM植物只在晚上气孔打开吸收CO2生成苹果酸储存在液泡，白天气孔关闭苹果酸释放CO2完成暗反应，故与C4植物相比，CAM植物的光合速率更小。
(4)实验遵循对照和单一变量原则，为证明“CAM植物白天进行暗反应时气孔关闭，所需CO2主要来自液泡中的苹果酸的分解”可设计实验思路：将若干生理状况相同置于暗处相同时间的CAM植物均分为两组，一组向植物注射适量清水，另一组注射等量的药物b，植物叶片均涂抹等量凡士林，置于光下，一段时间后，利用光合速率检测仪检测两组植物光合速率大小并比较。
(教师用书独具)
1．(2025·福建宁德月考)Rubisco酶是绿色植物光合作用过程中的关键酶，当CO2浓度较高时，该酶催化CO2与C5反应进行光合作用。当O2浓度较高时，该酶催化C5与O2反应，最后在线粒体内生成CO2，植物的这种现象称为光呼吸。下列叙述错误的是(　　)
素养加强集训(二)　光呼吸，C3、C4 植物和CAM植物
题号
1
3
5
2
4
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8
7
9
10
11
A．植物叶肉细胞中，Rubisco酶发挥作用的场所是叶绿体基质
B．植物的光呼吸与细胞呼吸过程都会利用O2产生CO2
C．当细胞间CO2与O2浓度的比值减小时，不利于植物进行光呼吸
D．提高局部CO2浓度可抑制光呼吸，增加光合作用有机物的产量
题号
1
3
5
2
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11
√
C　[Rubisco酶是绿色植物光合作用过程中的关键酶，该酶催化CO2与C5反应进行光合作用，因此Rubisco酶发挥作用的场所是叶绿体基质，A正确；植物的光呼吸与细胞呼吸过程都会利用O2产生CO2，B正确；当细胞间CO2与O2浓度的比值减小时，即O2浓度相对较高，有利于植物进行光呼吸，C错误；当CO2浓度较高时，该酶催化CO2与C5反应进行光合作用，因此提高局部CO2浓度可抑制光呼吸，增加光合作用有机物的产量，D正确。]
题号
1
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11
2．(2024·湖北荆州模拟)研究发现，强光照条件下植物叶肉细胞会进行光呼吸。光呼吸是由于O2竞争性地结合卡尔文循环关键酶Rubisco造成的。该酶既能催化C5与CO2反应，完成光合作用；也能催化C5与O2反应，产物经一系列变化后在线粒体中生成CO2，如下图。下列说法正确的是(　　)
题号
1
3
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2
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11
A．Rubisco是一个双功能酶，不具备专一性
B．光呼吸可以消耗掉多余的O2，减少自由基产生，降低对细胞结构的损伤
C．较强的光呼吸对于光合作用产物的积累是很有利的
D．持续强光照时突然停止光照，CO2释放量先减少后增加至稳定
题号
1
3
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2
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11
√
B　[Rubisco具有专一性，A错误；光反应阶段产生的高能电子会激发形成自由基，损伤叶绿体，光呼吸过程中叶绿体、线粒体等多种细胞器共同完成消耗O2、生成CO2的生理过程，从而将光反应中积累的大量NADPH和ATP通过光呼吸消耗掉，即光呼吸可以减少NADPH和ATP的积累，防止自由基的形成，因而能避免叶绿体等被强光破坏，B正确；较强的光呼吸会消耗较多的光反应产物ATP和NADPH，使光合作用减弱，因此对于光合作用产物的积累是不利的，C错误；持续强光照时突然停止光照，光合作用会减弱，而光呼吸并未立即停止，因此CO2释放量先增加，随着光呼吸的消失，只剩细胞呼吸释放CO2，故CO2释放量减少，然后至稳定，D错误。]
题号
1
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11
3．(2024·湖北八市联考)研究者用仪器检测拟南芥叶片在光—暗条件下CO2吸收量的变化，每2 s记录一个实验数据，并在图中以点的形式呈现(光—暗处理过程中温度等条件保持适宜且稳定)，下列相关分析正确的是
(　　)
题号
1
3
5
2
4
6
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11
A．200 s以后叶肉细胞内ATP和NADPH的合成均停止
B．光下拟南芥叶片的总光合速率约为0.2～0.6 μmol CO2·m-2·s-1
C．300 s后CO2释放量逐渐增加，并达到一个相对稳定的水平
D．据图可知，光下拟南芥叶片可能存在另一个释放CO2的过程
题号
1
3
5
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11
√
D　[停止光照后叶肉细胞可以通过细胞呼吸合成ATP，A错误；总光合速率是净光合速率和呼吸速率之和，图中纵坐标为CO2吸收量，代表净光合速率，B错误；由图可知，300 s后CO2释放量减少并达到一个相对稳定的水平，C错误；停止光照后CO2的释放速率大于呼吸作用产生CO2的速率，说明存在另一个生理过程在释放CO2，D正确。]
题号
1
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10
11
4．(2024·福建福州检测)玉米叶片的横切结构及相关代谢过程与场所如图所示，从结构与功能统一的角度，分析下列说法错误的是
(　　)
题号
1
3
5
2
4
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10
11
A．除叶肉细胞外，维管束鞘细胞中也含有叶绿体
B．若抑制PEP羧化酶活性，光合作用会明显降低
C．如果提供14CO2，14C首先出现在叶肉细胞的C3中
D．玉米的叶片结构，体现对高温干旱环境的适应
题号
1
3
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2
4
6
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7
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11
√
C　[图中维管束鞘细胞也含有叶绿体，可以进行暗反应，A正确；图中抑制PEP羧化酶活性，会抑制暗反应的进行，光合作用会明显降低，B正确；如果提供14CO2，14CO2首先和C3反应生成C4，14C首先出现在叶肉细胞的C4中，C错误；玉米叶片特殊的结构和功能，使其在气孔关闭的条件下仍能有效利用低浓度的CO2，既减少了蒸腾作用，又保证了光合作用的进行，所以它们能更好地适应高温干旱环境，D正确。]
题号
1
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11
5．(2024·湖南师大附中月考)甘蔗、玉米等植物的叶片具有特殊的结构，其叶肉细胞中的叶绿体有基粒，而维管束鞘细胞中的叶绿体不含基粒。维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以将CO2传递给维管束鞘细胞进行卡尔文循环，其主要过程如图所示。下列叙述错误的是(　　)
题号
1
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11
A．甘蔗、玉米等植物叶片进行光合作用光反应的场所是叶肉细胞中的叶绿体
B．PEP羧化酶对环境中较低浓度的CO2具有富集作用
C．PEP羧化酶基因仅存在于部分叶肉细胞中，维管束鞘细胞中没有
D．甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能，使其更适应高温干旱环境
题号
1
3
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2
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7
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√
C　[叶肉细胞中的叶绿体有基粒，甘蔗、玉米等植物叶片进行光合作用光反应的场所是叶肉细胞中的叶绿体，A正确；PEP羧化酶可将较低浓度的CO2，与C3结合成C4，并从叶肉细胞运输至维管束鞘细胞中释放出来，因此对低浓度CO2具有富集作用，B正确；同一个体不同体细胞基因相同，PEP羧化酶基因也存在于维管束鞘细胞中，只不过没有表达，C错误；甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能，使其在气孔关闭的条件下仍能有效利用低浓度的CO2，既减少了蒸腾作用，又保证了光合作用的进行，所以它们能更好地适应高温干旱环境，D正确。]
题号
1
3
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6
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11
6．(2024·山东省实验中学期末)生长于热带干旱地区的景天科植物白天气孔开放程度小，夜晚开放程度大，经过长期适应和进化形成独特的固定CO2的方式，如下图所示，下列说法不正确的是(　　)
题号
1
3
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11
A．景天科植物白天气孔开放程度小，防止过度蒸腾作用
B．景天科植物夜间CO2净吸收速率可能大于0
C．景天科植物光期pH小于暗期，利于暗反应进行
D．景天科植物在暗期不能将CO2转化为糖类等光合产物
题号
1
3
5
2
4
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9
10
11
√
C　[分析图解可知，采用苹果酸代谢途径，景天科植物白天气孔开放程度小，可减少水分的流失，防止景天科植物在白天过度蒸腾作用，大量散失水分，A正确；景天科植物白天气孔开放程度小，夜晚开放程度大，吸收的二氧化碳可以合成苹果酸，故景天科植物夜间CO2净吸收速率可能大于0，B正确；景天科植物CO2固定后能够在暗期转化为酸性物质储存起来，而光期苹果酸分解形成二氧化碳用于暗反应，故景天科植物光期pH大于暗期，C错误；由于暗期没有光反应提供的ATP和NADPH，所以不能将CO2转化为糖类等光合产物，D正确。]
题号
1
3
5
2
4
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11
7．(2024·广东广州二模)光照充足时，叶肉细胞中Rubisco催化O2与CO2竞争性结合C5。O2和CO2与Rubisco的亲和力与各自的相对浓度有关，相对浓度高则与酶的亲和力高。O2与C5结合后经一系列的反应，最终释放CO2的过程称为光呼吸。下图中实线部分表示植物叶肉细胞的光合作用和光呼吸等正常的生命活动过程，虚线部分表示为科学家通过基因工程所构建的新的光呼吸代谢支路。下列叙述，错误的是(　　)
题号
1
3
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题号
1
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11
A．Rubisco既能催化CO2的固定，又能催化C5与O2反应
B．光呼吸会消耗一部分的C5，从而降低光合作用产量
C．新的光呼吸代谢支路，有利于植物积累有机物
D．在农业生产中，可通过给大棚通风的方式，提高农作物的光呼吸过程
题号
1
3
5
2
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6
8
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10
11
√
D　[叶肉细胞中Rubisco催化O2与CO2竞争性结合C5，催化CO2与C5生产C3酸，催化O2与C5生成C3酸与C2酸，A正确；光呼吸O2与C5结合生成C3酸与C2酸，C2酸最终又生成CO2，参与二氧化碳固定的C5减少，导致光合作用产量降低，B正确；新的光呼吸代谢支路，将C2酸转化为叶绿体内的二氧化碳，增大叶绿体中二氧化碳浓度，促进叶绿体中二氧化碳的固定，有利于植物积累有机物，C正确；在农业生产中，给大棚通风可增大大棚中的气体交换速率，增大大棚中的二氧化碳浓度，降低O2浓度，可降低农作物的光呼吸，D错误。]
题号
1
3
5
2
4
6
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11
8．(2024·重庆开学考试)景天科植物(如景天、落地生根)的叶子有一个很特殊的CO2同化方式：夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸(一种有机酸)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用于光合作用，其部分代谢途径如图所示。下列有关分析错误的是
(　　)
题号
1
3
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11
A．景天科植物白天进行光反应，夜晚进行暗反应
B．由景天科植物特殊的CO2同化方式推测其可能生活在高温干旱地区
C．如果白天适当提高CO2浓度，景天科植物的光合作用速率基本不变
D．白天景天科植物叶肉细胞内苹果酸和葡萄糖的含量变化趋势可能相反
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
9
10
11
√
A　[暗反应需要光反应提供ATP和NADPH，所以暗反应也需要在白天进行，长期黑暗无法进行暗反应，A错误；由景天科植物特殊的CO2同化方式推测其可能生活在高温干旱地区，高温干旱使气孔关闭能保证暗反应正常进行，不影响光合作用过程，B正确；白天气孔关闭，如果白天适当提高CO2浓度，该景天科植物也不会从外界吸收二氧化碳，但景天科植物因为有苹果酸分解提供CO2，保证其浓度足够进行暗反应，光合作用速率基本不变，C正确；白天景天科植物叶肉细胞内有机酸(主要为苹果酸)分解，含量降低，而光合作用产生葡萄糖，含量增加，D正确。]
题号
1
3
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11
9．(2024·湖北黄冈二模)水稻属于C3植物，其叶肉细胞能进行光合作用。玉米属于C4植物，叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成光合作用，过程如图1所示，图中PEP羧化酶对CO2的亲和力约是Rubisco对CO2的亲和力的60倍。某种玉米和水稻的光合速率随外界CO2浓度的变化如图2所示。据图推测，下列说法不合理的是(　　)
题号
1
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A．玉米的叶肉细胞可以给维管束鞘细胞提供ATP和NADPH
B．检测玉米中淀粉的产生场所应选择维管束鞘细胞的叶绿体
C．图2中玉米和水稻分别对应曲线A和B
D．种植C4植物比种植C3植物更有利于实现碳中和的目标
题号
1
3
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2
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√
D　[玉米的叶肉细胞有类囊体，可以进行光反应，给维管束鞘细胞提供ATP和NADPH，A正确；维管束鞘细胞的叶绿体有Rubisco，可以合成淀粉，B正确；玉米利用低浓度CO2的能力更强，所以图2中玉米和水稻分别对应曲线A和B，C正确；C3植物最大净光合速率更高，所以种植C3植物比种植C4植物更有利于实现碳中和的目标，D错误。]
题号
1
3
5
2
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6
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10．(2024·山东济南一模)在叶肉细胞中，固定CO2形成C3的植物称为C3植物；而玉米等植物的叶肉细胞中，PEP在PEP羧化酶的作用下固定CO2进行C4循环，这样的植物称为C4植物。C4植物的维管束鞘细胞含无基粒的叶绿体，光反应发生在叶肉细胞，暗反应发生在维管束鞘细胞。在C4循环中PEP羧化酶对CO2的高亲和力，可将周围较低浓度的 CO2高效运往维管束鞘细胞形成高浓度CO2，如下图所示。暗反应中RuBP羧化酶(对CO2的亲和力约为PEP羧化酶的1/60)在CO2浓度高时催化 RuBP固定CO2合成有机物；在CO2浓度低时催化 RuBP 与O2进行光呼吸，分解有机物，回答下列问题。
题号
1
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题号
1
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11
(1)C4植物中固定CO2的酶是_______________________，最初固定CO2的物质是______。
(2)C3植物与C4植物相比较，CO2补偿点较高的是__________；干旱时，对光合速率影响较小的是__________。
题号
1
3
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9
10
11
PEP羧化酶和RuBP羧化酶
PEP
C3植物
C4植物
(3)C4循环中，苹果酸和丙酮酸能穿过在叶肉细胞和维管束鞘细胞之间形成的特殊结构，该结构使两细胞原生质相通，还能进行信息交流，该结构是____________。据题意分析，C4植物叶肉细胞不发生暗反应的原因是_____________________________________________________________________________________________________________________。
题号
1
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胞间连丝
PEP羧化酶对CO2的亲和力远大于RuBP羧化酶，使暗反应因缺少CO2而无法进行(PEP羧化酶对CO2亲合力高或CO2用于合成 C4)
(4)环境条件相同的情况下，分别测量单位时间内 C3植物和 C4植物干物质的积累量，发现C4植物干物质积累量近乎是C3植物的两倍，据题意推测原因是________________________________________________________________________________________________________________________。
(至少答出两点，不考虑呼吸作用的影响)
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C4循环使维管束鞘细胞内有高浓度CO2，促进了光合作用，增加了有机物的合成；高浓度CO2抑制了光呼吸，减少了有机物的消耗
[解析]　(1)由题意可知，PEP在PEP羧化酶的作用下固定CO2进行C4循环，在C4循环中PEP羧化酶对CO2的高亲和力，可将周围较低浓度的CO2高效运往维管束鞘细胞形成高浓度CO2，即C4植物中固定CO2的酶是PEP羧化酶和RuBP羧化酶，最初固定CO2的物质是PEP。(2)与C3植物相比，C4植物能利用更低浓度的CO2，因此C4植物的CO2补偿点比C3植物低，故C4植物的有机物积累量往往较高，因此当干旱时气孔关闭，对光合速率影响较小的是C4植物。
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(3)高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接也有信息交流的作用，C4植物叶肉细胞不发生暗反应的原因是PEP羧化酶对CO2的亲和力远大于RuBP羧化酶，使叶肉细胞暗反应因缺少CO2而无法进行。(4)C4植物干物质积累量近乎是C3植物的两倍，据题意推测原因是C4循环使维管束鞘细胞内有高浓度CO2，促进了光合作用，增加了有机物的合成；高浓度CO2抑制了光呼吸，减少了有机物的消耗。
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11．(2023·湖南卷)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(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。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。
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(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。
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3-磷酸甘油醛
蔗糖
维管组织
(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)。
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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
(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)。
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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；有机物在叶绿体中积累较多
[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，可以看出卡尔文循环中CO2固定的直接产物是3-磷酸甘油酸，然后直接被还原成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。
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(2)干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度高于水稻。干旱、高光强时会导致植物气孔关闭，吸收的CO2减少，而玉米的PEPC酶与CO2的亲和力更高，同时玉米能通过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，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。
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(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，也可能是光合作用产生的有机物在叶绿体中积累较多，抑制了反应的进行。
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谢 谢 ！提升点1　光呼吸
1．光呼吸的实质
(1)是所有进行光合作用的细胞在光照、高O2低CO2情况下发生的一个生化过程。
(2)是光合作用一个损耗能量的副反应。
(3)此过程中消耗O2，生成CO2。
2．光呼吸过程图解
3．光呼吸与一般有氧呼吸的比较
比较项目 光呼吸 一般有氧呼吸
与光的关系 只在光下进行 光下、黑暗中都可进行
反应条件 光照、高O2低CO2环境 氧气充足环境
底物 乙醇酸和O2 通常是葡萄糖、H2O和O2
产物 CO2 CO2和水
发生部位 叶绿体、线粒体 细胞质基质、线粒体
4．光呼吸产生的原因
(1)内因：Rubisco是一种兼性酶，具有催化羧化反应(C5＋CO2→2C3)和加氧反应(C5＋O2→C3＋C2)两种功能。
(2)外因：高O2环境下，光呼吸会明显加强，而提高CO2浓度可明显抑制光呼吸。
(2024·黑、吉、辽卷)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3；当CO2/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：
在叶绿体中：C5＋CO22C3　①
C5＋O2C3＋C2　②
在线粒体中：2C2＋NAD＋C3＋CO2＋NADH＋H＋　③
注：C2表示不同种类的二碳化合物，C3也类似。
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外，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_______________________________________
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_____________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
(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_____________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
提升点2　C3、C4植物和CAM植物
1．C3植物和C4植物
(1)C3植物和C4植物的含义
根据光合作用碳元素同化的最初光合产物(三碳化合物、四碳化合物)的不同，把高等植物分成C3、C4植物两类，常见的C4植物有甘蔗、玉米、高粱等。
(2)光合作用C4途径产生的原因
C4植物中含有能固定CO2为C4的相关酶，即磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，简称为PEP羧化酶(对CO2有很强的亲和力)，可把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来。
(3)C3和C4植物光合作用途径的比较
项目 CO2 受体 CO2固定 后产物 CO2固定 场所 光反应 场所 暗反应 场所
C3植物 RuBP (C5) PGA (C3) 叶肉细胞 叶绿体 叶肉细 胞叶绿 体基粒 叶肉细 胞叶绿 体基质
C4植物 PEP (C3)、 RuBP (C5) PGA (C3)、 OAA (C4) 叶肉细 胞细胞 质基质、 维管束 鞘细胞 叶绿体 叶肉细 胞叶绿 体基粒 维管束 鞘细胞 叶绿体 基质　
2．CAM植物
(1)CAM途径的含义
景天科植物夜间将吸收的CO2固定在苹果酸(C4)中，白天苹果酸分解释放CO2参与光合作用的过程。
(2)CAM途径过程图解
(3)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CO2，使植物适应高温干旱环境。
(2024·湖南长郡中学检测)绿色植物通过光合作用将CO2固定并合成有机物，根据固定CO2的途径不同，可将植物主要分为C3植物、C4植物和CAM植物，它们的部分特性如表所示。回答下列问题。
分类 C3植物 C4植物 CAM植物
光呼吸 ？ ？ 低
CO2固 定途径 C3途径 C3途径和C4途径(C4途径：叶肉细胞中相关酶作用下催化CO2生成C4，C4被运到维管束鞘细胞后生成CO2) C3途径和CAM途径(CAM途径：晚上气孔打开吸收CO2生成苹果酸储存在液泡，白天气孔关闭苹果酸释放CO2完成暗反应)
Rubisco 酶特性 既能催化C5和CO2反应又能催化C5和O2反应
PEP酶 特性 PEP酶与CO2的亲和力是Rubisco酶的60倍，能固定低浓度的CO2
(1)三类植物光反应产物相同，它们的光反应产物是__________________；Rubisco酶催化C5和CO2反应称为____________。
(2)光呼吸是指O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco酶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____
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_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(3)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___________________
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(4)现提供凡士林(可用于堵塞气孔)，若干生理状况相同置于暗处相同时间的CAM植物，药物b(抑制液泡内苹果酸的分解)，清水，注射器，光合速率检测仪等材料，请设计实验证明CAM植物白天进行暗反应时气孔关闭，所需CO2主要来自液泡中的苹果酸的分解。_________________________________________
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___________________(呼吸作用提供的CO2不予考虑，简要写出实验思路即可)。
素养加强课2　光呼吸，C3、C4植物和CAM植物
提升点1
素能训练
　(1)CO2的固定　(2)细胞质基质　线粒体基质　(3)光呼吸　呼吸作用　7～10时，随着光照强度的增加，株系1和2由于转入了改变光呼吸的相关基因，导致光呼吸速率降低，光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程　不能　总光合速率＝净光合速率＋光呼吸速率＋细胞呼吸速率，无法获得株系1准确的光呼吸、细胞呼吸产生CO2的速率，不能计算株系1的总光合速率　(4)与株系2和WT相比，转基因株系1的净光合速率最大
提升点2
素能训练
(1) O2、NADPH、ATP　CO2的固定　(2)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酶使其在光下驱动加氧反应，而C4植物无光合午休现象，故C4植物光呼吸强度小于C3植物　(3)更小　C4植物有C4途径，可以在CO2浓度较低时有效地将其固定，而CAM植物晚上气孔打开吸收CO2生成苹果酸储存在液泡，白天气孔关闭苹果酸释放CO2完成暗反应，故与C4植物相比，CAM植物的光合速率更小　(4)将若干生理状况相同置于暗处相同时间的CAM植物均分为两组，一组向植物注射适量清水，另一组注射等量的药物b，植物叶片均涂抹等量凡士林，置于光下，一段时间后，利用光合速率检测仪检测两组植物光合速率大小并比较
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