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情境突破课4　二氧化碳固定的三种特殊途径、光呼吸
情境一 二氧化碳固定途径的多样性和适应性
命题情境阅读
不同的植物的CO2固定的过程不一样,而且叶片的解剖结构也不相同,这是植物对环境适应的结果。以下3种类型是因CO2的固定这一过程的不同而划分的。
(1)C3途径:C3途径是碳同化的基本途径,也称为卡尔文循环,可合成糖类等多种有机物。C4途径和CAM途径都只起固定CO2的作用,最终还是通过C3途径合成光合产物等。
通过C3途径固定CO2的植物称为C3植物,C3植物属于高光呼吸植物类型,光合速率较低,其种类多,分布广,多生长于暖湿条件下,如大多数树木、粮食类植物、烟草等。
(2)C4植物:通过C4途径固定CO2的植物称为C4植物,它们主要是那些生活在干旱热带地区的植物。在这种环境中,植物若长时间开放气孔吸收CO2,会导致水分通过蒸腾作用过快散失。所以,植物只能短时间开放气孔,CO2的摄入量必然少。植物必须利用这些少量的CO2进行光合作用,合成自身生长所需的物质。C4植物的两次CO2固定在空间上分开:在叶肉细胞内固定CO2,在维管束鞘细胞中同化CO2。
C4植物的叶片结构
(3)CAM途径(景天科酸代谢):CAM途径指生长在热带或亚热带干旱及半干旱地区的一些肉质植物所具有的一种光合固定CO2的附加途径。具有这种途径的植物称为CAM植物。该途径的特点是CAM植物气孔只有晚上开放,将CO2生成苹果酸等进行固定,白天气孔关闭,苹果酸等则由液泡转入叶绿体中再释放CO2,再通过卡尔文循环转变成糖类。这是植物对干旱环境的适应。
命题角度设计
(1)C4植物光反应发生在叶肉细胞的　　　　　　　　　 上,而CO2固定发生在　　　　　　　　　　　　　　　细胞中。
(2)科学家用含 14C 标记的14CO2来追踪玉米光合作用中的碳原子的转移途径,这种碳原子的转移途径是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。暗反应阶段中 C3的还原在　　　　　　　　细胞中完成。
(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C4植物还能保持高效光合作用的原因是
　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　 　　　　　　　　。
叶绿体类囊体薄膜
叶肉细胞和维管束鞘　
14CO2→CO2→14C3→(14CH2O)、14C5
维管束鞘
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
(4)景天科植物吸收的CO2　　　　　(填“能”或“不能”)合成葡萄糖,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(5)如果白天适当提高CO2浓度,景天科植物的光合作用速率变化是
　　　　　　(填“增加”“降低”或“基本不变”)。
不能
没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH
基本不变
情境突破训练
1.(2024·广东模拟)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
答案 D　
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项正确;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项正确;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,一般没有光合午休现象,C项正确,D项错误。
2.(2025·北京昌平模拟)蓝细菌的光合作用过程需要较高浓度CO2,而空气中的CO2浓度一般较低,蓝细菌具有的CO2浓缩机制如下图所示。研究还发现,R酶能催化O2与C5结合形成C3和C2,O2和CO2竞争性结合R酶同一位点。下列相关叙述正确的是(　　)
A.CO2以协助扩散的方式通过光合片层膜
B.R酶可抑制CO2固定,减少有机物积累
C.浓缩机制可提高CO2与R酶的结合率
D.转入转运蛋白基因后光合速率减小
C
解析 由图可知,CO2通过光合片层膜需要CO2转运蛋白,同时需要消耗能量,故CO2通过光合片层膜的方式为主动运输,A项错误;O2和CO2竞争性结合R酶同一位点,蓝细菌的CO2浓缩机制可提高蓝细菌羧化体中CO2的浓度,进而提高CO2与R酶结合的机会,提高CO2与R酶的结合率,C项正确;向蓝细菌转入HC转运蛋白基因能合成更多的HC转运蛋白,介导更多的HC进入蓝细菌,HC在羧化体中转化为CO2,R酶催化CO2和C5结合形成C3,促进CO2的固定,光合作用增强,增加有机物的积累,B、D两项错误。
情境二 光呼吸
命题情境阅读
光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco酶。在暗反应中,Rubisco酶能够以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酶,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:
(1)与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒体。光呼吸产生的条件是光照、高O2含量和低CO2含量等。
(2)在干旱天气和过强光照下,因为温度很高,蒸腾作用很强,气孔大量关闭。由于光反应速率大于暗反应速率,此时光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的NADPH和ATP,防止强光对叶绿体的破坏,又可以为暗反应阶段提供原料,因此光呼吸对植物有重要的正面意义。
命题角度设计
(1)由于光呼吸的存在,会降低植物体内有机物的积累速率。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)光呼吸与有氧呼吸都冠以“呼吸”二字,二者的“共同”之处表现在 　。
当CO2与O2浓度比高时,Rubisco酶催化RuBP与CO2结合生成C3酸的反应加强;当CO2与O2浓度比低时,Rubisco酶催化RuBP与O2结合生成C3酸的反应加强
光呼吸过程与有氧呼吸过程都消耗O2并生成CO2
(3)研究发现,光合产物1/3以上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)。
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酶催化更多的C5与CO2结合,减少C5与O2的结合,从而降低光呼吸速率
情境突破训练
1.(2024·广东肇庆二模)大豆、玉米等植物的叶绿体中存在一种名为Rubisco的酶,参与卡尔文循环和光呼吸。在较强光照下,Rubisco以五碳化合物(RuBP)为底物,在CO2/O2值高时,使RuBP结合CO2发生羧化;在CO2/O2值低时,使RuBP结合O2发生氧化进行光呼吸,具体过程如下图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A.大豆、玉米等植物的叶片中消耗O2的场所有叶绿体、线粒体
B.光呼吸发生在叶肉细胞的细胞质基质和叶绿体中
C.有氧呼吸和光呼吸均产生ATP
D.干旱、晴朗的中午,叶肉细胞中光呼吸强度较通常条件下会降低
答案 A　
解析 玉米、大豆叶片中通过有氧呼吸消耗氧气的场所是线粒体内膜,通过光呼吸消耗氧气的场所在叶绿体基质,A项正确;在较强光照下,Rubisco以五碳化合物(RuBP)为底物,在CO2/O2值高时,使RuBP结合CO2发生羧化,在CO2/O2值低时,使RuBP结合O2发生氧化进行光呼吸,由以上可知,光呼吸和卡尔文循环发生场所一致,在叶绿体基质中进行,B项错误;由图可知,在CO2/O2的值低时,RuBP结合O2发生光呼吸,光呼吸会消耗多余的ATP、NADPH,C项错误;干旱、晴朗的中午,胞间CO2浓度会降低,叶肉细胞中光呼吸强度较通常条件下会增强,D项错误。
2.(2024·重庆一模)光照条件下,叶肉细胞中的O2与CO2竞争性结合C2,O2与C2结合后经一系列反应释放CO3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(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-1) 0 100 200 300 400 500 600
光合作用强度/(μmol·m-2·s-1) 18.9 20.9 20.7 18.7 17.6 16.5 15.7
光呼吸强度/(μmol·m-2·s-1)　 6.4 6.2 5.8 5.5 5.2 4.8 4.3
A.光呼吸中C2与O2结合的反应发生在叶绿体的基质中
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CO 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之间而不是0~200 mg/L之间再设置有一定浓度梯度的一系列实验组进一步进行实验
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
答案 D　
解析 C5位于叶绿体基质中,则O2与C5结合发生的场所在叶绿体基质中,A项正确;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,由于叶肉细胞中的O2与CO2竞争性结合C5,即抑制光呼吸的条件下才能存活,这也说明了在正常大气CO2浓度条件下,光呼吸是不可缺少的生理活动,B项正确;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与光呼吸强度差值的最大值的两侧浓度之间,即应在100~300 mg/L之间再设置有一定浓度梯度的一系列实验组进一步进行实验,C项正确;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/LSoBS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项错误。
3.(2024·吉林卷)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3,当CO2/O2的值低时,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的主要物质变化如图1所示。
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(两空答案可对调)
(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所示。图2中植物光合作用所需CO2的来源除了有外界环境,还有　　　　　　和
　　　　　 　　　(填生理过程)。7—10时株系1和2与WT的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
呼吸作用(两空答案可对调)　
株系1和2导入了改变光呼吸的基因,光呼吸强度发生改变,因为光呼吸能将已经同化的碳释放,故株系1和2与WT的净光合速率产生差异
不能
除了净光合速率,总光合速率还与呼吸速率、光呼吸速率有关,从图3无法得出呼吸速率和光呼吸速率,所以不能计算出株系1的总光合速率
(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______________________________________________________
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
图2
图3
在相同光照强度和CO2浓度下,株系1与株系2和WT相比,株系1的净光合速率最大
解析 (1)由反应式①可知,这个过程在叶绿体基质中进行,称为CO2的固定。(2)以葡萄糖为反应物的有氧呼吸有三个阶段,第一阶段在细胞质基质中进行,产物为丙酮酸和NADH;第二阶段在线粒体基质中进行,产物为CO2和NADH;第三阶段在线粒体内膜上进行,产物为水,故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和线粒体基质。(3)由题干可知,光呼吸将已经同化的碳释放,且整体上是消耗能量的过程,再根据题图2和题图3可以判断出净光合速率的大小与光照强度以及CO2浓度的关系,从而进行解题。(4)由题图2可知,在相同光照条件下,株系1的净光合速率最大;由题图3可知,在相同CO2浓度下,株系1的净光合速率最大。

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