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命题情境2　光系统、光呼吸、C4途径、CAM途径、人工合成淀粉等
情境一　光系统
【典题引领1】　(2021·湖南卷)图a为叶绿体的结构示意图，图b为叶绿体中某种生物膜的部分结构及光反应过程的简化示意图。回答下列问题：
　e－表示电子。
(1)图b表示图a中的类囊体薄膜结构，膜上发生的光反应过程将水分解成O2、H＋和e－，光能转化成电能，最终转化为NADPH和ATP中活跃的化学能。若CO2浓度降低，暗反应速率减慢，叶绿体中电子受体NADP＋减少，则图b中电子传递速率会减慢(填“加快”或“减慢”)。
(2)为研究叶绿体的完整性与光反应的关系，研究人员用物理、化学方法制备了4种结构完整性不同的叶绿体，在离体条件下进行实验，用Fecy或DCIP替代NADP＋为电子受体，以相对放氧量表示光反应速率，实验结果如表所示。
项目 叶绿体A：双层膜结构完整 叶绿体B：双层膜局部受损，类囊体略有损伤 叶绿体C：双层膜瓦解，类囊体松散但未断裂 叶绿体D：所有膜结构解体破裂成颗粒或片段
实验一： 以Fecy 为电子 受体时 的放氧量 100 167.0 425.1 281.3
实验二： 以DCIP 为电子 受体时 的放氧量 100 106.7 471.1 109.6
　Fecy具有亲水性，DCIP具有亲脂性。
据此分析：
①叶绿体A和叶绿体B的实验结果表明，叶绿体双层膜对以Fecy(填“Fecy”或“DCIP”)为电子受体的光反应有明显阻碍作用。得出该结论的推理过程是实验一中叶绿体B双层膜局部受损时，以Fecy为电子受体的放氧量明显大于双层膜完整时，实验二中叶绿体B双层膜局部受损时，以DCIP为电子受体的放氧量与双层膜完整时无明显差异；结合所给信息：“Fecy具有亲水性，DCIP具有亲脂性”，可推知叶绿体双层膜对以Fecy为电子受体的光反应有明显阻碍作用。
②该实验中，光反应速率最高的是叶绿体C，表明在无双层膜阻碍、类囊体又松散的条件下，更有利于类囊体上的色素吸收光能、转化光能，从而提高光反应速率。
③以DCIP为电子受体进行实验，发现叶绿体A、B、C和D的ATP产生效率的相对值分别为1、0.66、0.58和0.41。结合图b对实验结果进行解释：ATP的合成依赖于水光解的电子传递和H＋顺浓度梯度通过类囊体薄膜上的ATP合成酶，叶绿体A、B、C、D类囊体薄膜的受损程度依次增大，因此ATP的产生效率逐渐降低。
解析：(1)光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上，即图b表示图a的类囊体薄膜，光反应过程中，色素吸收的光能最终转化为ATP和NADPH中活跃的化学能，若CO2浓度降低，暗反应速率减慢，叶绿体中电子受体NADP＋减少，则图b中电子传递速率会减慢。(2)①比较叶绿体A和叶绿体B的实验结果，实验一中叶绿体B双层膜局部受损时，以Fecy为电子受体的放氧量明显大于双层膜完整时，实验二中叶绿体B双层膜局部受损时，以DCIP为电子受体的放氧量与双层膜完整时无明显差异；结合所给信息：“Fecy具有亲水性，DCIP具有亲脂性”，可推知叶绿体双层膜对以Fecy为电子受体的光反应有明显阻碍作用。②在无双层膜阻碍、类囊体松散的条件下，更有利于类囊体上的色素吸收、转化光能，从而提高光反应速率，所以该实验中，光反应速率最高的是叶绿体C。③根据图b可知，ATP的合成依赖于水光解的电子传递和H＋顺浓度梯度通过类囊体薄膜上的ATP合成酶，叶绿体A、B、C、D类囊体薄膜的受损程度依次增大，因此ATP的产生效率逐渐降低。
光系统的机理
植物光合作用的光系统及电子传递链如下图：
(1)光系统Ⅰ(PSⅠ)主要介导NADPH的产生。
(2)光系统Ⅱ(PSⅡ)进行水的光解，产生氧气、H＋和自由电子(e－)。
(3)电子(e－)经过电子传递链：质体醌(PQ)→细胞色素b6f复合体→质体蓝素→光系统Ⅰ(PSⅠ)→铁氧还蛋白(Fd)→NADPH。
(4)电子传递过程是由高电势到低电势，因此，电子传递过程中释放能量，质体醌(PQ)利用这部分能量将H＋逆浓度梯度从类囊体的基质侧泵入囊腔侧，从而建立了H＋浓度梯度。光系统Ⅱ(PSⅡ)在类囊体的囊腔侧进行的水的光解产生H＋以及在类囊体的基质侧进行的H＋和NADP＋形成NADPH的过程，为建立H＋浓度梯度也有所贡献。
(5)类囊体膜对H＋是高度不通透的，因此，类囊体内的高浓度H＋只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出，而ATP合成酶利用H＋顺浓度梯度流出的能量来合成ATP。
情境二　光呼吸
【典题引领2】　(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主要物质变化如图1。
在叶绿体中：C5＋CO22C3① C5＋O2C3＋C2② 在线粒体中：2C2＋NAD＋C3＋CO2＋NADH＋H＋③ 　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CO2的固定过程。
(2)与光呼吸不同，以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是细胞质基质和线粒体基质。
(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，还可来自有氧呼吸和光呼吸(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，原因是株系1和2转入了改变光呼吸的相关基因，7～10时，随着光照强度的增加，WT的光呼吸速率大于株系1和2的光呼吸速率，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中的数据不能(填“能”或“不能”)计算出株系1的总光合速率，理由是总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，由图示不能得出株系1的呼吸速率，故不能计算出其总光合速率。
(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，判断的依据是相同光照强度和CO2浓度下株系1的净光合速率较高，积累的有机物较多。
解析：(1)反应①C5和CO2在酶R的作用下生成C3，是CO2的固定过程。(2)有氧呼吸的第一阶段和第二阶段产生NADH，场所分别为细胞质基质和线粒体基质。(3)光呼吸过程也可以产生CO2，有氧呼吸第二阶段也可以产生CO2，故图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外，还可来自光呼吸和有氧呼吸。根据题中信息“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”推测，7～10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异是株系1和2与WT的光呼吸速率存在差异导致的，再结合题干信息“光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程”推测，7～10时，随着光照强度的增加，WT的光呼吸速率大于株系1和2的光呼吸速率，从而导致株系1和2的净光合速率较大。总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，根据图3无法推出株系1的呼吸速率，故据图3中的数据不能计算出株系1的总光合速率。(4)由图2和图3可以看出，在相同光照强度和CO2浓度下，与株系2相比，株系1的净光合速率较高，积累的有机物较多，产量可能更具优势。
光呼吸
(1)光呼吸过程图解
　PGA(C3)，PG(C2)，RuBP(C5)。
(2)光呼吸产生的原因
①内因：Rubisco是一种多功能酶，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。
(3)光呼吸的生理意义
①不利影响：光呼吸消耗暗反应的底物C5，导致光合作用减弱，农作物产量降低。
②有利影响：消除代谢产物乙醇酸对细胞的不利影响；防止强光对光合结构的破坏。
(4)光呼吸与细胞呼吸的区别
比较项目 光呼吸 细胞呼吸
底物 乙醇酸 糖、脂肪、蛋白质
发生部位 叶绿体、过氧化物 酶体、线粒体 细胞质基质、 线粒体
反应条件 光照 光或暗都可以
能量 消耗能量(消耗 ATP和NADPH) 产生能量
共同点 消耗氧气，放出二氧化碳
情境三　C4途径、CAM途径
【典题引领3】　(2023·湖南卷)如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：
(1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是3－磷酸甘油醛(填具体名称)，该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成蔗糖(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后，再通过韧皮部(或输导组织)长距离运输到其他组织器官。
(2)在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度高于(填“高于”或“低于”)水稻。从光合作用机制及其调控角度分析，原因是①在干旱、高光照强度环境下，水稻关闭大部分气孔，CO2的吸收减少，而玉米的PEPC酶对CO2的亲和力更大，提高了玉米固定CO2的能力，可以为暗反应提供足够的CO2；②水稻中的Rubisco酶在CO2吸收减少时，催化RuBP与O2反应进行光呼吸，从而使水稻暗反应固定的CO2减少，而玉米的光呼吸较弱甚至没有；③玉米的光合产物可以通过维管束鞘细胞及时转移，从而提高光合速率(答出三点即可)。
(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①光合色素含量的限制；②与光合作用有关的酶的含量和活性的限制；③在光饱和条件下，水稻的光呼吸较强，限制其光合速率(答出三点即可)。
解析：(1)玉米和水稻的卡尔文循环过程相同，分析题图可知，玉米卡尔文循环中第一个光合还原产物是3－磷酸甘油醛。3－磷酸甘油醛跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成蔗糖；光合作用的产物有一部分是淀粉，还有一部分是蔗糖，蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部长距离运输到植株其他组织器官。(2)在干旱、高光照强度环境下，为减少蒸腾作用，水稻关闭大部分气孔，部分气孔关闭会导致水稻吸收CO2的量减少，光合作用减弱，而玉米为C4植物，根据题中信息可知，PEPC酶对CO2的Km为7 μmol·L-1，Rubisco酶对CO2的Km为450 μmol·L-1，则PEPC酶对CO2的固定能力较强，在CO2浓度较低时，能够固定较多的CO2，有利于光合作用的进行；结合(1)中分析可知，玉米的光合产物能通过维管束鞘及时转移，从而提高光合速率；又知水稻中的Rubisco酶在CO2吸收减少时，可催化RuBP与O2反应进行光呼吸，从而使水稻暗反应固定的CO2减少，而玉米的光呼吸较弱甚至没有。综上可知，在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度高于水稻。(3)将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻后，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的原因可能是受光合色素含量的限制、受与光合作用有关的酶的含量和活性的限制及受光呼吸的影响等。
1．C4途径
(1)C4途径过程图解
(2)C4途径的意义：固定CO2的酶(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植物光合途径的比较
项目 C3植物 C4植物
CO2受体 RuBP(C5) PEP(C3)、RuBP(C5)
CO2固定 后的产物 PGA(C3) PGA(C3)、OAA(C4)
CO2固 定场所 叶肉细胞 叶绿体 叶肉细胞细胞质基质、维管束鞘细胞叶绿体
光反应 场所 叶肉细胞 叶绿体基粒 叶肉细胞叶绿体基粒
暗反应 场所 叶肉细胞 叶绿体基质 维管束鞘细胞叶绿体基质
2.CAM途径
(1)CAM途径过程图解
　PEP为磷酸烯醇式丙酮酸。
(2)CAM途径的意义
①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。
②夜晚：气孔开放，吸收光合作用所需的CO2，使植物适应高温干旱环境。
情境四　人工合成淀粉
【典题引领4】　(2020·山东卷)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1和模块2，模块3中的甲可与CO2结合，甲为五碳化合物(或C5)。
(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减少(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，原因是模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP＋不足。
(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高于(填“高于”“低于”或“等于”)植物，原因是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)干旱条件下，很多植物光合作用速率降低，主要原因是叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少。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。
解析：(1)叶绿体中光反应阶段是将光能转化成电能，再转化成ATP中活跃的化学能，题图中模块1将光能转化为电能，模块2将电能转化为活跃的化学能，两个模块加起来相当于叶绿体中光反应的功能。在模块3中，CO2和甲反应生成乙的过程相当于暗反应中CO2的固定，因此甲为五碳化合物(或C5)。(2)据图分析可知乙为C3，气泵突然停转，大气中CO2无法进入模块3，相当于暗反应中CO2浓度降低，短时间内CO2浓度降低，C3的合成减少，而C3仍在正常还原，因此C3的含量会减少。若气泵停转时间较长，模块3中CO2的量严重不足，导致暗反应的产物ADP、Pi和NADP＋不足，无法正常供给光反应的需要，因此模块2中的能量转换效率也会发生改变。(3)糖类的积累量＝产生量－消耗量，在植物中光合作用产生糖类，呼吸作用消耗糖类，而在人工光合作用系统中没有呼吸作用消耗糖类，因此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要高于植物。(4)在干旱条件下，植物为了保住水分会将叶片气孔开放程度降低，导致二氧化碳的吸收量减少，因此光合作用速率降低。
　继20世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。人工合成淀粉的技术工艺路线大致为CO2→C1→FADH→DHA→DHAP→GAP→F－6－P→G－6－P→G－1－P→G→淀粉，整个过程涉及11步重要的生化反应。而在自然条件下，光反应和暗反应涉及的化学反应则有60多步，而且效率较低。
情境练2
(总分：30分)
一、选择题(每小题5分，共5分)
1．(2025·河北唐山模拟)Science发表了中国科学家人工合成淀粉的论文，在实验条件下，科学家们设计了化学聚糖主反应。对比植物光合作用，此反应大大提高了淀粉合成效率。据图分析，下列叙述正确的是(　B　)
A．光合作用中类似于CO2→C1中间体→C3中间体的过程，有酶和ATP即可进行
B．人工合成淀粉过程中需多种酶参与，可以通过改造酶基因来提高催化的效率
C．植物光合作用与人工合成淀粉的途径中，都是利用还原剂作用于CO2
D．若两者固定CO2量相等，植物光合作用与人工合成淀粉的途径积累的淀粉量相等
解析：绿色植物叶肉细胞内类似于人工合成淀粉新途径中由CO2→C1中间体→C3中间体的过程的是CO2的固定，不需要光反应提供ATP，A错误；可通过蛋白质工程实现对相关酶基因的改造，从而提高催化效率，B正确；植物光合作用中还原剂作用于C3，而图示中人工合成过程还原剂作用于CO2，C错误；在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，光合作用、人工合成淀粉两种途径合成淀粉的量相同，而人工合成淀粉途径没有呼吸作用消耗淀粉，因此人工合成淀粉途径积累的淀粉量更多，D错误。
二、非选择题(共25分)
2．(12分)(2025·山东枣庄模拟)光能超过光合系统所能利用的数量时，光合功能下降的现象称为光抑制，其中动态光抑制是由于适度过量的光照引起光能利用效率下降，但最大光合速率保持不变。慢光抑制是由过度过量的光照引起的，过度光照破坏了PSⅡ反应中心，降低了光能利用效率和最大光合速率。如图为叶肉细胞进行光反应过程的模式图，回答下列问题：
(1)图中位于叶绿体类囊体薄膜的PSⅡ(填“PSⅠ”或“PSⅡ”)是光抑制发生的主要部位。
(2)据图可知，ATP合成酶合成ATP的直接动力是H＋势能，光反应生成的ATP和NADPH为暗反应提供了能量和还原剂。
(3)动态光抑制并没有导致植物最大光合速率的下降，推测其原因可能是叶肉细胞吸收的过剩的光能可以热能的形式散失，从而有效缓解强光对植物细胞内光系统PSⅡ的损伤。
(4)当强光和其他环境胁迫因素如高温和干旱等同时存在时，光抑制会加剧，判断依据是高温和干旱条件，导致植物气孔关闭，CO2供应减少，暗反应减弱，消耗的ATP和NADPH减少，ATP和NADPH在类囊体中积累，抑制了光反应对光能的吸收和利用，导致光抑制加剧。
解析：(1)题图中PSⅡ和PSⅠ是由光合色素和蛋白质组成的复合物，主要完成光合作用的光反应，位于叶绿体的类囊体薄膜上。慢光抑制是由过度过量的光照引起的，过度光照破坏了PSⅡ反应中心，导致光能利用效率和最大光合速率降低，由此可见，PSⅡ是光抑制发生的主要部位。(2)PSⅡ产生的H＋以及PSⅠ和细胞色素bf复合物对H＋的运输，使类囊体腔中的H＋浓度高于外侧，H＋的顺浓度梯度运输为ATP的合成提供能量；光反应生成的ATP和NADPH参与暗反应中C3的还原，为C3的还原提供能量和还原剂。(3)据题干信息可知，动态光抑制是由于适度过量的光照引起光能利用效率下降，但最大光合速率保持不变，推测叶肉细胞吸收的过剩的光能可以热能的形式散失，从而有效缓解强光对植物细胞内光系统PSⅡ的损伤。(4)高温和干旱条件，导致植物气孔关闭，CO2供应减少，暗反应减弱，消耗的ATP和NADPH减少，ATP和NADPH在类囊体中积累，抑制了光反应对光能的吸收和利用，光抑制加剧。
3．(13分)(2024·江苏苏州模拟)玉米等C4植物通过光合作用C4途径，使其能在高温下保持产量。仙人掌等景天科植物则以光合作用CAM途径，助其在沙漠和其他缺水地区生存。研究表明，马齿苋的光合作用整合了C4途径和CAM途径，主要过程如下图。请回答下列问题：
(1)C4途径和CAM途径中，CO2先经历C4途径，然后在RuBP羧化酶的作用下与C5结合，这个过程被称作CO2的固定，其发生的场所是维管束鞘细胞叶绿体(基质)。
(2)马齿苋的光合细胞有叶肉细胞和维管束鞘细胞，维管束鞘细胞中的叶绿体只能进行暗反应，据图推测其原因是其缺少了类囊体(薄膜)(结构)。图中A表示的物质有ATP和NADPH。
(3)图中①表示的结构是胞间连丝，叶肉细胞和维管束鞘细胞间具有大量该结构的意义是提高了物质的运输效率。
(4)研究发现，当水分充足时，马齿苋叶片中主要进行C4途径，而处于干旱环境时，可以进行C4途径和CAM途径，该调节机制使马齿苋即使在干旱环境下也可通过在夜间吸收CO2，并且以苹果酸的形式储存，为光合作用提供足够原料。说明马齿苋具有抵御长期干旱同时更加高产的优势。
解析：(1)据题图可知，C4途径和CAM途径中，CO2先经历C4途径，然后在RuBP羧化酶的作用下与C5结合，这个过程被称作CO2的固定，发生的场所为维管束鞘细胞叶绿体(基质)。(2)马齿苋的光合作用整合了C4途径和CAM途径，C4途径中CO2固定分别发生在叶肉细胞中通过PEP羧化酶作用与PEP反应生成草酰乙酸和发生于维管束鞘细胞中与C5结合形成C3，因此马齿苋的光合细胞有叶肉细胞和维管束鞘细胞。而维管束鞘细胞中的叶绿体只能进行暗反应，通过题图可推测其原因是缺少了类囊体(薄膜)，没有色素和与光反应有关的酶。光反应能产生ATP和NADPH，可以用于暗反应中C3的还原，因此推测A代表的物质是ATP和NADPH。(3)题图中①是细胞间可以进行物质运输和信息交流的结构，表示胞间连丝。高等植物细胞间可以通过胞间连丝进行物质运输和信息交流，所以叶肉细胞和维管束鞘细胞间具有大量该结构的意义是可以提高物质运输的效率。(4)马齿苋叶片在处于干旱环境时可以进行C4途径和CAM途径，而CAM途径中夜晚吸收CO2，经过一系列过程形成苹果酸，储存在液泡中，白天气孔关闭，苹果酸释放CO2用于光合作用，为光合作用提供足够原料，更加高产，同时说明了马齿苋具有抗干旱的优势。

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