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第12讲　第四课时　光合作用、细胞呼吸的联系与综合运用
考点一 细胞呼吸、光合作用的物质和能量转化
夯实基础 精研教材
1.光合作用与细胞呼吸的物质转化过程
(1)生理过程及场所
生理过程 　　 暗反应 有氧呼吸 第一阶段 有氧呼吸 第二阶段 有氧呼吸
第三阶段
场所 叶绿体类 囊体薄膜 　 　 　　 线粒体基质 　 　
光反应
叶绿体基质
细胞质基质
线粒体内膜
(2)完善光合作用与细胞呼吸的物质联系
C3H4O3
有氧呼吸Ⅲ
有氧呼吸Ⅰ、Ⅱ
2.光合作用与细胞呼吸的能量转化
ATP、
NADPH
有机物
ATP
3.NADPH、NADH([H])、ATP的来源与去路
思维探究 考教衔接
(根据2017·全国卷、2021·江苏卷情境设计)下图是表示某植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图。
据图回答下列问题。
(1)图中[H]代表的物质主要是　　　　　　　　。
(2)B代表一种反应过程,C代表细胞质基质,D代表线粒体,则ATP合成发生在A过程,还发生在　　　　　　　　(填“B和C”“C和D”或“B和D”)。
NADH
C和D　
(3)线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要。下图是叶肉细胞中部分代谢途径,虚线框内是“草酰乙酸/苹果酸穿梭”,请据图回答下列问题。
①光合作用时,CO2与C5结合产生三碳酸,继而还原成C3,为维持光合作用持续进行,部分新合成的C3必须用于再生　　　　　　　;运到细胞质基质中的C3可合成蔗糖,运出细胞。每运出一分子蔗糖相当于固定了　　　　个CO2分子。
②在光照过强时,细胞必须耗散掉叶绿体吸收的过多光能,避免细胞损伤。草酰乙酸/苹果酸穿梭可有效地将光照产生的　　 　中的还原能输出叶绿体,并经线粒体转化为　　　中的化学能。
C5　
12
NADPH
ATP
考法练透 素养提升
考法一　物质和能量转化
1.如图是某种植物光合作用及呼吸作用部分过程示意图,下列关于此图说法错误的是(　　)
A.HC经主动运输进入细胞质基质
B.HC通过通道蛋白进入叶绿体基质
C.光反应生成的H+促进了HC进入类囊体
D.光反应生成的物质X保障了暗反应的CO2供应
B
解析 据图分析可知,HC进入细胞质基质需要消耗线粒体产生的ATP,方式为主动运输,A项正确;HC进入叶绿体基质需要消耗线粒体产生的ATP,方式为主动运输,通道蛋白介导的运输方式为协助扩散,B项错误;据图可知,光反应阶段水光解产生的H+促进了HC进入类囊体,C项正确;据图可知,光反应阶段生成的物质X为O2,O2浓度增大会使有氧呼吸增强,产生的ATP增多,有利于HC进入叶绿体基质,HC分解可产生CO2,从而保障暗反应的CO2供应,D项正确。
考法二　NADPH、NADH、ATP的来源与去路
2.(2024·山东威海期末)NADH和NADPH是两种重要的还原型辅酶,分别在细胞呼吸和光合作用等反应中发挥重要作用。下列说法正确的是(　　)
A.细胞呼吸和光合作用过程中均能产生NADH和NADPH
B.光合作用暗反应过程中所需的能量由NADH和ATP提供
C.有氧呼吸过程中只有前两个阶段有NADPH生成
D.NADH与氧结合发生在线粒体内膜上
D
解析 细胞呼吸过程产生的是NADH,而光合作用的光反应产生的是NADPH,A项错误;光合作用暗反应过程需要的能量由光反应产生的NADPH和ATP提供,而不是NADH,B项错误;有氧呼吸前两个阶段生成的是NADH,不是NADPH,C项错误;有氧呼吸前两个阶段生成的NADH在线粒体内膜上与O2结合生成水,D项正确。
考点二 真正(总)光合速率、净光合速率和呼吸速率的关系
夯实基础 精研教材
1.辨析净光合速率与总光合速率
(1)微观辨析(以光合速率大于呼吸速率为例)
(2)结合曲线辨析
2.真正(总)光合速率、净光合速率和呼吸速率的关系
(1)判定方法
净光合速率
真正(总)光合速率
固定量
产生量
制造量、产生量　
吸收量
释放量
积累量
(2)相关计算
①光合作用实际产氧量(叶绿体产氧量)
=实测植物氧气　　　　+　　　　　　　　。
②光合作用实际CO2消耗量(叶绿体消耗CO2量)=实测植物
　　　　　　　　+细胞呼吸CO2释放量。
③光合作用葡萄糖净生产量(葡萄糖积累量)=光合作用实际葡萄糖生产量(叶绿体产生或合成的葡萄糖量)-细胞呼吸葡萄糖消耗量。
释放量
细胞呼吸耗氧量
CO2吸收量
思维探究 考教衔接
如图为在晴朗夏季,某植物在大田(图甲)和密闭玻璃罩(图乙)内一昼夜植物吸收、释放二氧化碳速率变化曲线(水平虚线:实验开始时玻璃罩内CO2浓度)。据图分析下列问题。
甲
乙
(1)图甲中,白昼是指横坐标中的　　　　段,其中一昼夜中有机物积累量达到最大值的时间是　　　点。
(2)图甲中,在ef段中CO2吸收速率下降的原因是　　　　　　　　　,而cd段CO2吸收速率下降的原因是　　　　　　 　　　。
(3)图甲中,一昼夜光合作用强度超过细胞呼吸强度的时间段是　　段。
(4)从光合作用和细胞呼吸角度分析,在图乙中,与图甲植物在b点的整体生理状态相同的点有　　　　　　　　　。根据图乙,该植物一昼夜能否积累有机物 依据是什么
ag
　f
光照减弱
温度过高,气孔部分关闭,CO2供应不足
bf
D、H　能,据图乙可知,K点时玻璃罩内的CO2浓度比A点低,说明该植物经过一昼夜后,吸收了CO2,即植物细胞光合作用合成有机物的总量多于细胞呼吸消耗有机物的总量,因此能积累有机物。
(5)有人提出图甲中cd段光合速率变小的原因还可能是中午温度过高,高温破坏了类囊体膜结构,使叶绿体吸收光能效率降低,光反应受抑制。实验小组尝试采用根部滴灌的方式,发现光合速率迅速恢复,试分析其原因。
滴灌能够补充水分,叶片蒸腾作用加强,叶片温度降低,减少了高温对叶绿体的破坏。
考法练透 素养提升
考法一　光合速率和呼吸速率的关系
1.(2024·湖北模拟)某研究小组利用特定的实验装置来研究温度对某绿色植物光合作用与细胞呼吸的影响(其他实验条件均相同且适宜),根据结果绘制成如图所示曲线。下列有关叙述正确的是(　　)
A.大于35 ℃时,该植物不能正常生长的原因是不能进行光合作用
B.25 ℃和30 ℃时该植物的CO2消耗量基本相等
C.该植物的细胞呼吸最适温度为35 ℃左右
D.5~25 ℃,该植物积累的有机物逐渐减少
B
解析 由图分析可知,大于35 ℃时,该植物光合作用消耗CO2的量小于细胞呼吸产生CO2的量,说明光合作用强度小于呼吸作用强度,该植物不能正常生长,A项错误;由图可知,25 ℃和30 ℃时该植物的CO2消耗量基本相等,B项正确;大于35 ℃时,细胞呼吸产生CO2的量还在增加,说明该植物呼吸作用的最适温度大于35 ℃,C项错误;5~25 ℃,光合作用消耗CO2的量一直大于细胞呼吸产生CO2的量,说明净光合速率大于0,该植物积累的有机物逐渐增多,D项错误。
2.(2025·天津南开模拟)现以某种多细胞绿藻为材料,研究环境因素对其叶绿素a含量和光合速率的影响。实验结果如图所示,其中的绿藻质量为鲜重。下列说法错误的是(　　)
甲
乙
A.由甲图可知,绿藻在低光强下比高光强下需吸收更多的Mg2+
B.由乙图可知,在实验温度范围内,高光强条件下光合速率并不是随着温度升高而升高
C.由乙图可知,在20 ℃下持续光照2 h,高光强组比低光强组多吸收
CO2 150 μmol/g
D.若细胞呼吸的耗氧速率为30 μmol/(g·h),则在30 ℃、高光强下每克绿藻每小时积累葡萄糖129 μmol
答案 D　
解析 由甲图可知,叶绿素a含量在低光强下比高光强下高,而叶绿素a含有Mg2+,所以绿藻在低光强下比高光强下需吸收更多的Mg2+,A项正确;由乙图可知,在高光强条件下,25 ℃下的光合速率高于20 ℃下和30 ℃下的光合速率,B项正确;乙图中的绿藻放氧速率表示净光合速率,则在20 ℃下持续光照2 h,高光强组比低光强组释放的氧气量多2×75=150(μmol/g),根据光合作用的反应式可知,1分子的氧气对应1分子的二氧化碳,则多吸收二氧化碳的量也为150 μmol/g,C项正确;乙图中的绿藻放氧速率表示净光合速率,根据光合作用的反应式可知,6分子的氧气对应1分子的葡萄糖,则绿藻在30 ℃、高光强条件下,每克绿藻每小时积累的葡萄糖量为129÷6=21.5(μmol),D项错误。
考法二　不同环境中一昼夜内光合速率曲线分析
3.(2024·南京模拟)如图为自然环境中一昼夜测得某植物CO2的吸收速率曲线图,下列关于该图的叙述,错误的是(　　)
A.a点产生的原因是夜间温度降低,细胞呼吸减弱,CO2释放减少
B.开始进行光合作用的点是b点,结束光合作用的点是m点
C.光合速率与呼吸速率相等的点是c、h点,有机物积累量最大的点是m点
D.de段下降的原因是部分气孔关闭,CO2吸收减少,fh段下降的原因是光照减弱
答案 C　
解析 a点释放CO2的速率减小的原因是夜间温度降低,呼吸酶活性降低,呼吸速率降低,CO2释放减少,A项正确;由图可知,b点是光合作用开始的点,m点之后,CO2释放速率不变,说明m点之后不再进行光合作用,B项正确;h点之后,光合速率小于呼吸速率,有机物减少,因此有机物积累量最大的点是h点,C项错误;de段光照较强,温度较高致使部分气孔关闭,CO2通过气孔进入叶肉细胞的量减少,光合速率降低,fh段光合速率下降的原因是光照减弱,D项正确。
4.(2024·全国新课标卷)某同学将一种高等植物幼苗分为4组(a、b、c、d),分别置于密闭装置中照光培养,a、b、c、d组的光照强度依次增大,实验过程中温度保持恒定。一段时间(t)后测定装置内O2浓度,结果如图所示,其中M为初始O2浓度,c、d组O2浓度相同。回答下列问题。
(1)太阳光中的可见光由不同颜色的光组成,其中高等植物光合作用利用的光主要是　 　　　　,
原因是____________________________________
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)光照t时间时,a组CO2浓度　　　　　(填“大于”“小于”或“等于”)b组。
红光和蓝紫光
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
大于
(3)若延长光照时间,c、d组O2浓度不再增加,则光照t时间时a、b、c中光合速率最大的是　　组,判断依据是
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　。
(4)光照t时间后,将d组密闭装置打开,并以c组光照强度继续照光,其幼苗光合速率会　　　　　　(填“升高”“降低”或“不变”)。
b　
密闭装置中O2浓度不再增加时光合速率等于呼吸速率,仅b组光合速率大于呼吸速率
升高
解析 (1)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。因此,高等植物光合作用利用的光主要是红光和蓝紫光。
(2)光照t时间时,a组O2浓度小于b组,说明a组光合作用吸收的CO2少于b组,a组CO2浓度大于b组。
(3)由题意和题图可知,a、b、c组的呼吸速率相同。延长光照时间,c组O2浓度不再增加,说明c组光合速率等于呼吸速率;a组O2浓度没有变化,说明光合速率等于呼吸速率;b组O2浓度增加,说明光合速率大于呼吸速率。
(4)d组O2浓度等于c组是由于密闭装置中CO2的限制,此时光合速率等于呼吸速率。将d组密闭装置打开后,提供了更多的CO2,此时以c组光照强度继续照光,可以使幼苗光合速率升高。
考点三 细胞呼吸和光合作用的相关实验设计与分析
透析重难 精准突破
1.光合速率与呼吸速率的探究方法
(1)“液滴移动法”——测定装置中气体体积变化
①在测定了净光合速率和呼吸速率的基础上可计算得出二者之和,即总光合速率。
②物理误差的校正:为使实验结果精确,除减少无关变量的干扰外,还应设置对照装置。与图示两装置相比,对照装置的不同点是用“死亡的绿色植物”代替“绿色植物”,其余均相同。
(2)“半叶法”——测定光合作用有机物的产生量
将叶片一半遮光、一半曝光,遮光的一半测得的数据变化值代表细胞呼吸强度值,曝光的一半测得的数据变化值代表净光合作用强度值,最后计算真正光合作用强度值。需要注意的是该种方法在实验之前需对叶片进行特殊处理,以防止有机物的运输。
(3)“黑白瓶法”——测定溶氧量的变化
Ⅰ.“黑瓶”不透光,测定的是　　　　　　;“白瓶”给予光照,测定的是　 。
Ⅱ.在有初始值的情况下,黑瓶中
　　　　 　　为有氧呼吸量;白瓶中
　　　　　　 　　　　　为
有氧呼吸量
净光合作用量　
O2的减少量(或CO2的增加量)
O2的增加量(或CO2的减少量)
净光合作用量;二者之和为　　　　　　 　。
Ⅲ.在没有初始值的情况下,_______________________________________　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　=总光合作用量。
总光合作用量
白瓶中测得的现有量-黑瓶中测得的现有量
(4)“叶圆片称重法”——测定有机物的变化量
本方法测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量,下图表示以有机物的变化量测定光合速率(S为叶圆片面积)。
净光合速率=(z-y)/2S;呼吸速率=(x-y)/2S;总光合速率=净光合速率+呼吸速率=(x+z-2y)/2S。
(5)“叶圆片上浮法”——定性检测O2释放速率
本方法利用真空技术排出叶肉细胞间隙中的空气,充以水分,使叶片沉于水中;在光合作用过程中,植物吸收CO2释放O2,由于O2在水中的溶解度很小而在细胞间积累,结果使原来下沉的叶片上浮。根据在相同时间内上浮叶片数目的多少(或者叶片全部上浮所需时间的长短),即能比较光合作用强度的大小。
2.光合作用和细胞呼吸探究实验中常用条件的控制方法
实验条件 控制方法
增加水中O2 泵入空气或吹气或放入绿色水生植物
减少水中O2 容器密封或油膜覆盖或用凉开水
除去容器中CO2 NaOH溶液
维持容器内CO2浓度的恒定 适宜浓度的NaHCO3溶液
除去叶中原有淀粉 置于黑暗环境中
除去叶中叶绿素 酒精隔水加热
除去光合作用对细胞呼吸的干扰 植株遮光处理
得到单色光 棱镜色散或薄膜滤光
考法练透 素养提升
1.图甲为光合作用最适温度条件下,植物光合速率测定装置图,图乙中a、b为测定过程中某些生理指标相对值的变化。下列说法错误的是(　　)
A.图甲装置在较强光照下有色液滴
向右移动,再放到黑暗环境中有色液滴向左移动
B.若将图甲中的CO2缓冲液换成质量分数为1%的NaOH溶液,其他条件不变,则植物幼苗叶绿体产生NADPH的速率将不变
C.一定光照条件下,如果再适当升高温度,真正光合速率会发生图乙中从b到a的变化
D.若图乙表示图甲植物光合速率由a到b的变化,则可能是适当提高了CO2缓冲液的浓度
B
解析 图甲装置在较强光照下,植物光合作用强度大于细胞呼吸强度,植物所需CO2由CO2缓冲液提供,而产生的O2会使装置中气体体积增大,因此有色液滴向右移动,如果再放到黑暗环境中,植物呼吸消耗O2,而产生的CO2又被CO2缓冲液吸收,因此有色液滴向左移动,A项正确;若将图甲中的CO2缓冲液换成质量分数为1%的NaOH溶液,装置内的CO2被NaOH溶液吸收,植物只能利用自身呼吸作用产生的CO2进行光合作用,因此光合速率下降,产生NADPH的速率将下降,B项错误;在光合作用最适温度时再升高温度,与光合作用有关的酶活性会下降,真正光合速率下降,C项正确;影响光合速率的因素有光照强度、CO2浓度等,适当提高图甲装置中CO2缓冲液的浓度,可能会增大光合速率,D项正确。
2.(2024·湖南雅礼中学模拟)某生物科研小组从鸭绿江的某一深度取得一桶水样,分装于六对黑白瓶中,剩余的水样测得初始溶解氧的含量为10 mg/L,白瓶为透明玻璃瓶,黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶。将它们分别置于六种不同的光照条件下(a光照强度/klx 0(黑暗) a b c d e
白瓶溶氧量/(mg·L-1) 3 10 16 24 30 30
黑瓶溶氧量/(mg·L-1) 3 3 3 3 3 3
A.黑瓶中的生物呼吸消耗氧气,但没有光照,植物不能进行光合作用产生氧
B.光照强度为a时,白瓶中溶解氧的含量与初始溶解氧量相等,说明此光照强度下植物仍然不能进行光合作用
C.当光照强度为c时,白瓶中植物产生的氧气量为21 mg/L
D.当光照强度为d时,再增加光照强度,白瓶中植物的光合速率不再增加
答案 B　
解析 黑瓶中的生物呼吸消耗氧气,但没有光照,植物不能进行光合作用产生氧,A项正确;光照强度为a时,白瓶中溶解氧的含量与初始溶解氧的含量相等,说明植物光合作用产生的氧刚好用于细胞呼吸消耗,B项错误;当光照强度为c时,白瓶中植物光合作用产生的氧气量即为总光合作用量=净光合作用量+细胞呼吸消耗量=(24-10)+(10-3)=21(mg/L),C项正确;由d、e两组数据可知,当光照强度为d时,再增加光照强度,白瓶中溶解氧的含量也不再增加,即白瓶中植物的光合速率不再增加,D项正确。
3.某研究小组采用“半叶法”对番茄叶片的光合速率进行测定。将对称叶片的一部分(A)遮光,另一部分(B)不做处理,并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射6小时后,在A、B的对应部位截取同等面积的叶片,烘干称重,分别记为MA、MB,获得相应数据,则可计算出该叶片的光合速率,其单位是mg/(dm2·h)。请分析回答下列问题。
(1)MA表示6小时后A部分被截取叶片初始质量-细胞呼吸有机物的消耗量;MB表示6小时后B部分被截取(　　　　　　　)+(　　 　　　 )-细胞呼吸有机物的消耗量。
叶片初始质量
光合作用有机物的总产量
(2)若M=MB-MA,则M表示
　。
(3)总光合速率的计算方法是　　　　　　　　　　 　　。
(4)本方法也可用于测定叶片的呼吸速率,写出实验设计思路:
　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　。
B部分被截取叶片在6小时内光合作用合成的有机物总量
M/(截取面积×时间)
从叶片B部分切割等面积叶片若干,均分成两部分,一部分立即烘干称重,另一部分在黑暗环境中保存几小时后再烘干称重,根据二者干重差即可计算出叶片的呼吸速率
解析 (1)(2)叶片A部分遮光,虽不能进行光合作用,但仍可照常进行细胞呼吸。叶片B部分不做处理,既能进行光合作用,又可以进行细胞呼吸。分析题意可知,MB表示6小时后截取B部分叶片初始质量+光合作用有机物的总产量-细胞呼吸有机物的消耗量,MA表示6小时后截取A部分叶片初始质量-细胞呼吸有机物的消耗量,则MB-MA就是光合作用6小时B部分被截取叶片干物质的生成量(B部分被截取叶片在6小时内光合作用合成的有机物总量)。(3)由以上分析可知,总光合速率=M/(截取面积×时间)。(4)本方法也可用于测定叶片的呼吸速率,实验设计思路为从叶片B部分切割等面积叶片若干,均分成两部分,一部分立即烘干称重,另一部分在黑暗环境中保存几小时后再烘干称重,根据二者干重差即可计算出叶片的呼吸速率。
聚焦表达 回扣落实
1.(原因分析类)种子萌发过程中,从第12 h到胚根长出期间,萌发种子的干物质总量会减少,主要原因是
　 。
2.(原因分析类)已知甲种植物的CO2补偿点大于乙种植物。将正常生长的甲、乙两种植物放置在同一密闭小室中,适宜条件下照光培养。培养后发现两种植物的光合速率都降低,原因是
　 　。
种子不进行光合作用制造有机物,但进行细胞呼吸消耗有机物,使有机物的总量下降
植物在光下进行光合作用吸收CO2的量大于细胞呼吸释放CO2的量,使密闭小室中CO2浓度降低,光合速率也随之降低
3.(经典高考题节选)若将某种植物密闭在无O2、但其他条件适宜的小室中,照光培养一段时间后,发现植物的有氧呼吸强度增加,原因是
　 　。
该植物在光下进行光合作用释放的O2使密闭小室中O2含量增加,而O2与有机物分解产生的[H]发生作用形成水是有氧呼吸的第三阶段,所以当O2增多时,有氧呼吸强度会增加

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