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核心素养测评
第三单元 第14讲　光合作用与细胞呼吸的关系
(30分钟　57分)
一、选择题:本题共7小题,每小题3分,共21分。每小题只有一个选项符合题目要求。
1.(2026·韶关模拟)某植物叶肉细胞中光合作用与有氧呼吸的部分过程如图所示,其中在生物膜上进行的是(　　)
A.过程①、过程② B.过程②、过程③
C.过程③、过程④ D.过程①、过程④
【解析】选A。光合作用消耗水(物质a)和CO2(物质b)产生葡萄糖(C6H12O6),并且消耗水的过程(光反应阶段)产生了ATP和NADPH(过程①)用于暗反应中C3的还原(过程③),光反应阶段在类囊体膜上进行,故①过程在生物膜上进行;呼吸作用消耗氧气产生水(物质a)和CO2(物质b),过程②为有氧呼吸第三个阶段,在线粒体内膜(生物膜)上进行,过程④为有氧呼吸第一、二个阶段,产生NADH,过程②④都产生ATP。故在生物膜上进行的是过程①、过程②,A正确。
2.如图①~⑨表示某植物叶肉细胞代谢的过程,下列有关说法错误的是(　　)
A.过程③所需还原剂不能由过程⑧供给
B.鲁宾和卡门用同位素标记法证明了过程②释放的氧气来自水
C.红光条件下类胡萝卜素可通过过程②将光能转化为ATP中活跃的化学能
D.若突然停止对植物的光照,短时间内过程③的中间产物C3含量增加
【解析】选C。过程③是暗反应过程,过程⑧是有氧呼吸第二阶段,过程③所需还原剂来自光反应,过程⑧有氧呼吸第二阶段产生的还原剂不能用于光合作用,A正确;过程②是光反应过程,鲁宾和卡门用同位素标记法标记氧元素,证明了光反应过程释放的氧气来自水,B正确;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,不能吸收红光,C错误;过程③是暗反应过程,若突然停止对植物的光照,NADPH和ATP的合成减少,二氧化碳固定后形成的C3不能被还原,所以短时间内过程③的中间产物C3含量增加,D正确。
3.如图为在有氧条件下某高等植物体内有关的生理过程示意图,①~⑤表示有关过程,X、Y、Z和W表示相关物质。请据图判断下列说法正确的是(　　)
A.X、Y、Z物质分别表示C3、ATP和丙酮酸
B.①~⑤过程中能产生ATP的有①②③④
C.②⑤过程分别表示C3的还原和CO2的固定
D.光合速率大于呼吸速率时,④过程产生的CO2会释放到细胞外
【解析】选C。Z物质是ATP,Y物质是丙酮酸,X物质是C3,A错误;光合作用的光反应阶段(①)和有氧呼吸的三个阶段(③④)均能产生ATP,而光合作用暗反应阶段中的C3的还原过程(②)不能产生ATP,B错误;图中②过程表示C3的还原,⑤过程表示CO2的固定,C正确;光合速率小于呼吸速率时,④过程产生的CO2会释放到细胞外,D错误。
4.在光照充足、CO2浓度适宜的条件下,温度对某植物光合速率和呼吸速率的影响如图甲所示;图乙表示该植物在CO2浓度适宜条件下,光照强度对光合作用的影响。据图分析,下列说法正确的是(　　)
A.与呼吸作用有关的酶对温度更敏感
B.温度25 ℃时,一天中至少需要10 h以上光照植物才能正常生长
C.图乙是用温度30 ℃时测得的数据绘制的
D.提高CO2浓度,图乙中a点会右移
【解析】选B。分析图甲,实线代表的是光合作用,虚线代表的是呼吸作用,由两条曲线看出光合作用的温度范围小并且变化剧烈,超过50 ℃光合速率为0,而呼吸速率还很大,可推测出与光合作用相关的酶对温度更敏感,A错误;温度25 ℃时,光合速率为6 mg·h-1,呼吸速率为2.5 mg·h-1,净光合速率为3.5 mg·h-1,每天的净积累量大于0时,植物才能正常生长,假设一天光照为X小时,6X-2.5×24>0,X>10,所以温度25 ℃时,一天中需要10 h以上光照植物才能正常生长,B正确;图乙光照强度为0时的O2吸收量代表的是呼吸速率,为3 mg·h-1,不对应图甲的30 ℃,C错误;图乙中的a是光补偿点,提高CO2浓度,光合速率增加,此时若要光合速率=呼吸速率,应降低光照强度,图乙中a点会左移,D错误。
5.在有氧呼吸过程中,代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水,同时释放能量驱动ADP发生磷酸化生成ATP,这种氧化与磷酸化相偶联的过程称为氧化磷酸化,是细胞生成ATP的主要途径。下列叙述错误的是(　　)
A.上述氧化磷酸化过程发生在线粒体内膜上
B.有氧呼吸过程生成水,但不需要水参与
C.氧化磷酸化过程中,ATP合酶的空间构象发生改变
D.抑制氧化磷酸化过程,动物细胞内可能会积累乳酸
【解析】选B。代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水,该过程发生在线粒体内膜,A正确;有氧呼吸的第二阶段为丙酮酸与水生成CO2与[H]并释放少量能量,B错误;氧化磷酸化过程中,ADP发生磷酸化生成ATP,该过程需要ATP合成酶的催化,ATP合酶的空间构象发生改变,C正确;抑制氧化磷酸化过程,动物细胞内可能进行无氧呼吸,会积累乳酸,D正确。
6.将叶面积相等的甲、乙两种植物分别置于两个相同的、温度恒定且适宜的密闭透明玻璃小室内,给予充足光照,定时测定CO2含量。一段时间后,甲、乙植物的装置内CO2含量均达到平衡且乙植物的装置内CO2含量较低。下列有关说法正确的是(　　)
A.实验过程中,甲、乙两植物的呼吸速率相同且一直保持不变
B.达到平衡时,甲、乙两植物的光合作用强度均与呼吸作用强度相等
C.达到平衡时,甲、乙两植物积累的有机物相等
D.若两植物放在上述同一密闭装置中,乙植物可能先死亡
【解析】选B。由题干信息无法判断甲、乙植物的呼吸速率大小,且因为氧气含量的变化,呼吸作用的速率也是变化的,A错误;达到平衡时,密闭小室中CO2浓度相对稳定,表示为既不吸收CO2,也不消耗CO2,即光合作用强度等于呼吸作用强度,B正确;甲、乙植物的装置内CO2含量均达到平衡且乙植物的装置内CO2含量较低,乙植物固定CO2的能力比甲高,故乙植物积累的有机物量大于甲植物,C错误;甲、乙植物的装置内CO2含量均达到平衡且乙植物的装置内CO2含量较低,说明乙植物CO2的补偿点低,因此若两植物放在上述同一密闭装置中,甲植物可能先死亡,D错误。
7.植物光合速率目前主要使用CO2红外分析仪进行测定,一般用单位时间内同化CO2的浓度变化量表示。将生长状况相同的某种植物在不同温度下分别暗处理1 h,再光照1 h(光照强度相同),测定分析仪密闭气路中CO2的浓度,转换得到如图数据。下列分析正确的是(　　)
A.该植物在29 ℃和30 ℃时依然表现生长现象
B.该植物细胞呼吸和光合作用的最适温度都在28 ℃左右
C.在27 ℃、28 ℃和29 ℃时,光合作用制造的有机物的量相等
D.30 ℃时光合作用速率等于细胞呼吸速率,CO2变化都是20μ mol/h
【解析】选A。暗处理后CO2浓度的增加量代表呼吸作用强度,光照后与暗处理前的CO2浓度变化表示的是光合作用进行了1 h和呼吸作用进行了2 h后的重量变化。由表中数据可知:四组温度下,该植物都表现为生长现象,A正确。总光合作用强度=CO2浓度的减少量+2×CO2浓度的增加量,表格中29 ℃最大,而呼吸作用强度也是在29 ℃最大,故该植物细胞呼吸和光合作用的最适温度都是29 ℃,B错误。图中白柱代表1 h呼吸产生的CO2,黑柱代表1 h光合作用吸收的CO2减去2 h细胞呼吸产生的CO2,光合作用强度等于黑柱读数减去2倍的白柱读数,所以,27 ℃、28 ℃和29 ℃时光合作用固定的CO2分别为100、140、180,光合作用制造的有机物的量不相等,C错误。30 ℃时,光合作用速率大于细胞呼吸速率,呼吸作用过程中CO2变化是20 μmol/h;光合作用过程中CO2变化是60 μmol/h,D错误。
二、非选择题
8.(12分)(2024·天津高考)蓝细菌所处水生环境随时会发生光线强弱变化。蓝细菌通过调控图1中关键酶XPK的活性以适应这种变化。
(1)图1所示循环过程为蓝细菌光合作用的暗反应,反应场所为________ ________。
(2)光暗循环条件下,将蓝细菌的野生型和xpk基因敲除株(Δxpk)分别用含NaH14CO3的培养基培养,测定其碳固定率和胞内ATP浓度,结果如图2。
在第10~11 min,野生型菌XPK被激活,将暗反应的中间产物6-磷酸果糖等转化为其他物质,导致暗反应快速终止。推测ATP是XPK的____________(填“激活剂”或“抑制剂”)。在同一时期,Δxpk会继续进行暗反应,此时消耗的ATP和NADPH来源于__________________。在第11~13 min,Δxpk碳固定率继续升高,胞内__________过程来源的ATP被用于________而消耗,导致Δxpk的生长速率比野生型更慢。
(3)蓝细菌在高密度培养时,由于互相遮挡,菌体环境也会出现光线强弱变化。为验证该条件下,蓝细菌是否采用上述机制进行调节,可分别使用野生型和Δxpk,选用如下____________条件组合进行实验,定时测定14C固定率和胞内ATP浓度。
①高浓度蓝细菌　②低浓度蓝细菌　③持续光照　④光暗循环　⑤培养基中加入NaH14CO3　⑥培养基中加入14C6H12O6
【解析】(1)蓝细菌为原核生物,其光合作用的暗反应发生于细胞质基质。
(2)由图2可知,在第10~11 min,野生型蓝细菌ATP含量急剧下降,同时由题意可知,此时野生型菌XPK被激活,可见ATP含量与XPK活性存在负相关,推测ATP是XPK的抑制剂。同一时期,Δxpk由于敲除了“xpk”基因,暗反应中间产物未受影响,会继续进行暗反应,其消耗的ATP和NADPH来源于第10 min之前的光反应。在第11~13 min,无光反应提供ATP,但Δxpk碳固定率继续升高,消耗ATP的暗反应并未终止,曲线显示胞内ATP浓度反而开始逐渐升高,判断此时的ATP应来自细胞呼吸,并部分提供给了暗反应。细胞呼吸消耗大量的营养物质,且产生的ATP部分被暗反应所消耗,可用于其他生理活动的ATP相对减少,导致Δxpk的生长速率比野生型更慢。
(3)为验证高密度培养时蓝细菌是否采用题干所示机制来适应菌体互相遮挡造成的光线强弱变化,可分别使用野生型和Δxpk,在一定条件下进行实验,条件的选择要能够满足研究目的。要研究的是高密度培养下蓝细菌互相遮挡的情况,所以要选用高浓度蓝细菌;光线强弱变化是互相遮挡造成的,而不是外界光源的变化而形成的,所以要进行持续光照;实验需要研究的是蓝细菌通过光合作用进行的碳固定,所以需要使用无机碳源NaHCO3提供CO2,而不能利用有机碳源C6H12O6提供CO2,故应在培养基中加入NaH14CO3。
答案:(1)细胞质基质(或细胞质)
(2)抑制剂　第10 min之前的光反应　细胞呼吸(或呼吸作用)　暗反应(或碳固定,或C3还原,或碳反应)　
(3)①③⑤
9.(12分)图1是长势相同、数量相等的甲、乙两品种的大豆幼苗,分别置于两个相同的密闭透明玻璃罩内,在光照、温度等相同且适宜的条件下培养,定时测定玻璃罩内的CO2含量。图2表示在不同温度下,测定甲品种大豆叶片1 cm2质量(mg)变化情况(均考虑为有机物的质量变化)的操作流程及实验结果,据图分析回答问题。
(1)图1中0~25 min,影响甲品种大豆幼苗光合作用强度的主要因素是______含量。
(2)若将图1中的甲、乙两个品种大豆幼苗置于同一密闭的玻璃罩中,在光照等其他条件适宜的情况下,一段时间内,生长首先受影响的是____品种,判断依据是_______________________________________。
(3)分析图2可知,该植物的呼吸速率可表示为____mg·cm-2·h-1(用图中字母表示),实际光合速率可表示为________mg·cm-2·h-1(用图中字母表示)。
(4)从图2分析,恒定在上述14 ℃下,维持10 h光照,14 h黑暗,该植物叶片100 cm2增重了______mg。
【解析】(1)图1中0~25 min,在密闭容器内随着光合作用的进行,玻璃罩内CO2含量随着时间的推移而逐渐下降,影响甲品种大豆幼苗光合作用强度的主要因素是CO2含量。
(2)二氧化碳浓度变化对两种植物光合作用强度的影响不同,在低浓度二氧化碳条件下,甲植物利用二氧化碳进行光合作用能力弱,积累光合产物少,随着玻璃罩中二氧化碳浓度的降低,甲植物生长首先受影响,所以将上述两种植物幼苗置于同一密闭的玻璃罩中,在光照等其他条件适宜的情况下,一段时间内,生长首先受影响的是甲植物。
(3)图2无光时单位时间内叶片重量的减少量等于呼吸强度,故1小时呼吸消耗的有机物为X,该植物的呼吸速率可表示为X mg·cm-2·h-1,而单位时间光照下叶片重量的增加量表示的是净光合速率,故光照1小时总光合速率=净光合速率+呼吸速率=M+Y-(M-X)+X=Y+2X mg·cm-2·h-1。
(4)从结果可以看出,在14 ℃下,维持10小时光照,14小时黑暗,1 cm2叶片净光合作用=总光合作用-呼吸作用=(3+2×2)×10-2×24=22 mg,则100 cm2叶片增重了22×100=2 200 mg。
答案:(1)CO2　(2)甲　在低浓度CO2条件下,与乙相比,甲植物利用CO2进行光合作用的能力弱,积累光合产物少,故随着玻璃罩中CO2浓度的降低,甲植物生长首先受到影响
(3)X　Y+2X
(4)2 200
10.(12分)★为了研究某种树木树冠上下层叶片光合作用的特性,某同学选取来自树冠不同层的A、B两种叶片,分别测定其净光合速率,结果如图所示。据图回答问题。
(1)由图可知,B叶片是树冠________(填“上层”或“下层”)的叶片,判断依据是________________________________________。
(2)据图分析,黑暗条件下A叶片呼吸速率__________(填“大于”“小于”或“等于”)B叶片呼吸速率。
(3)光照强度达到一定数值时,B叶片的净光合速率不再增加,其原因可能是______反应受到限制,如果提高________浓度,净光合速率会升高。
【解析】(1)根据题图中的曲线可知,A叶片净光合速率最大时,对应的光照强度约为1 200 μmol·m-2·s-1,B叶片净光合速率最大时,对应的光照强度至少为2 000 μmol·m-2·s-1,即A叶片的净光合速率达到最大时所需的光照强度低于B叶片,因此A叶片位于树冠下层,B叶片位于树冠上层。
(2)根据题图中的曲线可知,黑暗条件下A叶片呼吸速率为2 μmol·m-2·s-1,黑暗条件下B叶片呼吸速率为5 μmol·m-2·s-1,所以黑暗条件下A叶片呼吸速率小于B叶片呼吸速率。
(3)光合作用包括光反应和暗反应过程,其中光反应可为暗反应提供NADPH和ATP,此外,光合作用还需要酶的催化,光照强度达到一定数值时,B叶片的净光合速率不再增加,其原因可能是光反应中产生的ATP、NADPH的含量增加,但暗反应中CO2不足,导致暗反应受到限制,所以提高CO2浓度会提高净光合速率。
答案:(1)上层　B叶片的净光合速率达到最大时所需光照强度高于A叶片　(2)小于　(3)暗　CO2
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核心素养测评 第三单元 第14讲　光合作用与细胞呼吸的关系
(30分钟　57分)
一、选择题:本题共7小题,每小题3分,共21分。每小题只有一个选项符合题目要求。
1.(2026·韶关模拟)某植物叶肉细胞中光合作用与有氧呼吸的部分过程如图所示,其中在生物膜上进行的是(　　)
A.过程①、过程②
B.过程②、过程③
C.过程③、过程④
D.过程①、过程④
√
【解析】选A。光合作用消耗水(物质a)和CO2(物质b)产生葡萄糖(C6H12O6),并且消耗水的过程(光反应阶段)产生了ATP和NADPH(过程①)用于暗反应中C3的还原(过程③),光反应阶段在类囊体膜上进行,故①过程在生物膜上进行;呼吸作用消耗氧气产生水(物质a)和CO2(物质b),过程②为有氧呼吸第三个阶段,在线粒体内膜(生物膜)上进行,过程④为有氧呼吸第一、二个阶段,产生NADH,过程②④都产生ATP。故在生物膜上进行的是过程①、过程②,A正确。
2.如图①~⑨表示某植物叶肉细胞代谢的过程,下列有关说法错误的是(　　)
A.过程③所需还原剂不能由过程⑧供给
B.鲁宾和卡门用同位素标记法证明了过程②释放的氧气来自水
C.红光条件下类胡萝卜素可通过过程②将光能转化为ATP中活跃的化学能
D.若突然停止对植物的光照,短时间内过程③的中间产物C3含量增加
√
【解析】选C。过程③是暗反应过程,过程⑧是有氧呼吸第二阶段,过程③所需还原剂来自光反应,过程⑧有氧呼吸第二阶段产生的还原剂不能用于光合作用,A正确;过程②是光反应过程,鲁宾和卡门用同位素标记法标记氧元素,证明了光反应过程释放的氧气来自水,B正确;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,不能吸收红光,C错误;过程③是暗反应过程,若突然停止对植物的光照,NADPH和ATP的合成减少,二氧化碳固定后形成的C3不能被还原,所以短时间内过程③的中间产物C3含量增加,D正确。
3.如图为在有氧条件下某高等植物体内有关的生理过程示意图,①~⑤表示有关过程,X、Y、Z和W表示相关物质。请据图判断下列说法正确的是(　　)
A.X、Y、Z物质分别表示C3、ATP和丙酮酸
B.①~⑤过程中能产生ATP的有①②③④
C.②⑤过程分别表示C3的还原和CO2的固定
D.光合速率大于呼吸速率时,④过程产生的CO2会释放到细胞外
√
【解析】选C。Z物质是ATP,Y物质是丙酮酸,X物质是C3,A错误;光合作用的光反应阶段(①)和有氧呼吸的三个阶段(③④)均能产生ATP,而光合作用暗反应阶段中的C3的还原过程(②)不能产生ATP,B错误;图中②过程表示C3的还原,⑤过程表示CO2的固定,C正确;光合速率小于呼吸速率时,④过程产生的CO2会释放到细胞外,D错误。
4.在光照充足、CO2浓度适宜的条件下,温度对某植物光合速率和呼吸速率的影响如图甲所示;图乙表示该植物在CO2浓度适宜条件下,光照强度对光合作用的影响。据图分析,下列说法正确的是(　　)
A.与呼吸作用有关的酶对温度更敏感
B.温度25 ℃时,一天中至少需要10 h以上光
照植物才能正常生长
C.图乙是用温度30 ℃时测得的数据绘制的
D.提高CO2浓度,图乙中a点会右移
√
【解析】选B。分析图甲,实线代表的是光合作用,虚线代表的是呼吸作用,由两条曲线看出光合作用的温度范围小并且变化剧烈,超过50 ℃光合速率为0,而呼吸速率还很大,可推测出与光合作用相关的酶对温度更敏感,A错误;温度25 ℃时,光合速率为6 mg·h-1,呼吸速率为2.5 mg·h-1,净光合速率为3.5 mg·h-1,每天的净积累量大于0时,植物才能正常生长,假设一天光照为X小时,6X-2.5×24>0,X>10,所以温度
25 ℃时,一天中需要10 h以上光照植物才能正常生长,B正确;图乙光照强度为0时的O2吸收量代表的是呼吸速率,为3 mg·h-1,不对应图甲的30 ℃,C错误;图乙中的a是光补偿点,提高CO2浓度,光合速率增加,此时若要光合速率=呼吸速率,应降低光照强度,图乙中a点会左移,D错误。
5.在有氧呼吸过程中,代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水,同时释放能量驱动ADP发生磷酸化生成ATP,这种氧化与磷酸化相偶联的过程称为氧化磷酸化,是细胞生成ATP的主要途径。下列叙述错误的是(　　)
A.上述氧化磷酸化过程发生在线粒体内膜上
B.有氧呼吸过程生成水,但不需要水参与
C.氧化磷酸化过程中,ATP合酶的空间构象发生改变
D.抑制氧化磷酸化过程,动物细胞内可能会积累乳酸
√
【解析】选B。代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水,该过程发生在线粒体内膜,A正确;有氧呼吸的第二阶段为丙酮酸与水生成CO2与[H]并释放少量能量,B错误;氧化磷酸化过程中,ADP发生磷酸化生成ATP,该过程需要ATP合成酶的催化,ATP合酶的空间构象发生改变,C正确;抑制氧化磷酸化过程,动物细胞内可能进行无氧呼吸,会积累乳酸,D正确。
6.将叶面积相等的甲、乙两种植物分别置于两个相同的、温度恒定且适宜的密闭透明玻璃小室内,给予充足光照,定时测定CO2含量。一段时间后,甲、乙植物的装置内CO2含量均达到平衡且乙植物的装置内CO2含量较低。下列有关说法正确的是(　　)
A.实验过程中,甲、乙两植物的呼吸速率相同且一直保持不变
B.达到平衡时,甲、乙两植物的光合作用强度均与呼吸作用强度相等
C.达到平衡时,甲、乙两植物积累的有机物相等
D.若两植物放在上述同一密闭装置中,乙植物可能先死亡
√
【解析】选B。由题干信息无法判断甲、乙植物的呼吸速率大小,且因为氧气含量的变化,呼吸作用的速率也是变化的,A错误;达到平衡时,密闭小室中CO2浓度相对稳定,表示为既不吸收CO2,也不消耗CO2,即光合作用强度等于呼吸作用强度,B正确;甲、乙植物的装置内CO2含量均达到平衡且乙植物的装置内CO2含量较低,乙植物固定CO2的能力比甲高,故乙植物积累的有机物量大于甲植物,C错误;甲、乙植物的装置内CO2含量均达到平衡且乙植物的装置内CO2含量较低,说明乙植物CO2的补偿点低,因此若两植物放在上述同一密闭装置中,甲植物可能先死亡,D错误。
7.植物光合速率目前主要使用CO2红外分析仪进行测定,一般用单位时间内同化CO2的浓度变化量表示。将生长状况相同的某种植物在不同温度下分别暗处理1 h,再光照1 h(光照强度相同),测定分析仪密闭气路中CO2的浓度,转换得到如图数据。下列分析正确的是(　　)
A.该植物在29 ℃和30 ℃时依然表现生长现象
B.该植物细胞呼吸和光合作用的最适温度都在
28 ℃左右
C.在27 ℃、28 ℃和29 ℃时,光合作用制造的有机物的量相等
D.30 ℃时光合作用速率等于细胞呼吸速率,CO2变化都是20μ mol/h
√
【解析】选A。暗处理后CO2浓度的增加量代表呼吸作用强度,光照后与暗处理前的CO2浓度变化表示的是光合作用进行了1 h和呼吸作用进行了2 h后的重量变化。由表中数据可知:四组温度下,该植物都表现为生长现象,A正确。总光合作用强度=CO2浓度的减少量+2×CO2浓度的增加量,表格中29 ℃最大,而呼吸作用强度也是在29 ℃最大,故该植物细胞呼吸和光合作用的最适温度都是29 ℃,B错误。图中白柱代表1 h呼吸产生的CO2,黑柱代表1 h光合作用吸收的CO2减去2 h细胞呼吸产生的CO2,光合作用强度等于黑柱读数减去2倍的白柱读数,所以,27 ℃、28 ℃和29 ℃时光合作用固定的CO2分别为100、140、180,光合作用制造的有机物的量不相等,C错误。30 ℃时,光合作用速率大于细胞呼吸速率,呼吸作用过程中CO2变化是20 μmol/h;光合作用过程中CO2变化是60 μmol/h,D错误。
二、非选择题
8.(12分)(2024·天津高考)蓝细菌所处水生环境随时会发生光线强弱变化。蓝细菌通过调控图1中关键酶XPK的活性以适应这种变化。
(1)图1所示循环过程为蓝细菌光合作用的暗反应,反应场所为_______________________。
【解析】(1)蓝细菌为原核生物,其光合作用的暗反应发生于细胞质基质。
细胞质基质(或细胞质)
(2)光暗循环条件下,将蓝细菌的野生型和xpk基因敲除株(Δxpk)分别用含NaH14CO3的培养基培养,测定其碳固定率和胞内ATP浓度,结果如图2。
在第10~11 min,野生型菌XPK被激活,将暗反应的中间产物
6-磷酸果糖等转化为其他物质,导致暗反应快速终止。
推测ATP是XPK的____________(填“激活剂”或“抑制剂”)。
在同一时期,Δxpk会继续进行暗反应,此时消耗的ATP和
NADPH来源于_________________________。在第11~
13 min,Δxpk碳固定率继续升高,胞内_______________________过程来源的ATP被用于________________________________________而消耗,导致Δxpk的生长速率比野生型更慢。
抑制剂　　　
第10 min之前的光反应
细胞呼吸(或呼吸作用)
暗反应(或碳固定,或C3还原,或碳反应)　
【解析】 (2)由图2可知,在第10~11 min,野生型蓝细菌ATP含量急剧下降,同时由题意可知,此时野生型菌XPK被激活,可见ATP含量与XPK活性存在负相关,推测ATP是XPK的抑制剂。同一时期,Δxpk由于敲除了“xpk”基因,暗反应中间产物未受影响,会继续进行暗反应,其消耗的ATP和NADPH来源于第
10 min之前的光反应。在第11~13 min,无光反应提供ATP,但Δxpk碳固定率继续升高,消耗ATP的暗反应并未终止,曲线显示胞内ATP浓度反而开始逐渐升高,判断此时的ATP应来自细胞呼吸,并部分提供给了暗反应。细胞呼吸消耗大量的营养物质,且产生的ATP部分被暗反应所消耗,可用于其他生理活动的ATP相对减少,导致Δxpk的生长速率比野生型更慢。
(3)蓝细菌在高密度培养时,由于互相遮挡,菌体环境也会出现光线强弱变化。为验证该条件下,蓝细菌是否采用上述机制进行调节,可分别使用野生型和Δxpk,选用如下____________条件组合进行实验,定时测定14C固定率和胞内ATP浓度。
①高浓度蓝细菌　②低浓度蓝细菌　③持续光照　④光暗循环　⑤培养基中加入NaH14CO3　⑥培养基中加入14C6H12O6
①③⑤
【解析】 (3)为验证高密度培养时蓝细菌是否采用题干所示机制来适应菌体互相遮挡造成的光线强弱变化,可分别使用野生型和Δxpk,在一定条件下进行实验,条件的选择要能够满足研究目的。要研究的是高密度培养下蓝细菌互相遮挡的情况,所以要选用高浓度蓝细菌;光线强弱变化是互相遮挡造成的,而不是外界光源的变化而形成的,所以要进行持续光照;实验需要研究的是蓝细菌通过光合作用进行的碳固定,所以需要使用无机碳源NaHCO3提供CO2,而不能利用有机碳源C6H12O6提供CO2,故应在培养基中加入NaH14CO3。
9.(12分)图1是长势相同、数量相等的甲、乙两品种的大豆幼苗,分别置于两个相同的密闭透明玻璃罩内,在光照、温度等相同且适宜的条件下培养,定时测定玻璃罩内的CO2含量。图2表示在不同温度下,测定甲品种大豆叶片
1 cm2质量(mg)变化情况(均考虑为有机物的质量变化)的操作流程及实验结果,据图分析回答问题。
(1)图1中0~25 min,影响甲品种大豆幼苗光合作用强度的主要因素是______含量。
(2)若将图1中的甲、乙两个品种大豆幼苗置于同一密闭的玻璃罩中,在光照等其他条件适宜的情况下,一段时间内,生长首先受影响的是____品种,判断依据是________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________。
在低浓度CO2条件下,与乙相比,甲植物利用CO2进行光合作用的能力弱,积累光合产物少,故随着玻璃罩中CO2浓度的降低,甲植物生长首先受到影响
CO2
甲
【解析】(1)图1中0~25 min,在密闭容器内随着光合作用的进行,玻璃罩内CO2含量随着时间的推移而逐渐下降,影响甲品种大豆幼苗光合作用强度的主要因素是CO2含量。
(2)二氧化碳浓度变化对两种植物光合作用强度的影响不同,在低浓度二氧化碳条件下,甲植物利用二氧化碳进行光合作用能力弱,积累光合产物少,随着玻璃罩中二氧化碳浓度的降低,甲植物生长首先受影响,所以将上述两种植物幼苗置于同一密闭的玻璃罩中,在光照等其他条件适宜的情况下,一段时间内,生长首先受影响的是甲植物。
(3)分析图2可知,该植物的呼吸速率可表示为____mg·cm-2·h-1(用图中字母
表示),实际光合速率可表示为________mg·cm-2·h-1(用图中字母表示)。
(4)从图2分析,恒定在上述14 ℃下,维持10 h光照,14 h黑暗,该植物叶片
100 cm2增重了_________mg。
X　
Y+2X
2 200
【解析】 (3)图2无光时单位时间内叶片重量的减少量等于呼吸强度,故1小时呼吸消耗的有机物为X,该植物的呼吸速率可表示为X mg·cm-2·h-1,而单位时间光照下叶片重量的增加量表示的是净光合速率,故光照1小时总光合速率=净光合速率+呼吸速率=M+Y-(M-X)+X=Y+2X mg·cm-2·h-1。
(4)从结果可以看出,在14 ℃下,维持10小时光照,14小时黑暗,1 cm2叶片净光合作用=总光合作用-呼吸作用=(3+2×2)×10-2×24=22 mg,则100 cm2叶片增重了22×100=2 200 mg。
10.(12分)★为了研究某种树木树冠上下层叶片光合作用的特性,某同学选取来自树冠不同层的A、B两种叶片,分别测定其净光合速率,结果如图所示。据图回答问题。
(1)由图可知,B叶片是树冠________(填“上层”或“下层”)的叶片,判断依据是________________________________________________________。
(2)据图分析,黑暗条件下A叶片呼吸速率__________(填“大于”“小于”或“等于”)B叶片呼吸速率。
上层　　
B叶片的净光合速率达到最大时所需光照强度高于A叶片
小于
【解析】(1)根据题图中的曲线可知,A叶片净光合速率最大时,对应的光照强度约为1 200 μmol·m-2·s-1,B叶片净光合速率最大时,对应的光照强度至少为2 000 μmol·m-2·s-1,即A叶片的净光合速率达到最大时所需的光照强度低于B叶片,因此A叶片位于树冠下层,B叶片位于树冠上层。
(2)根据题图中的曲线可知,黑暗条件下A叶片呼吸速率为2 μmol·m-2·s-1,黑暗条件下B叶片呼吸速率为5 μmol·m-2·s-1,所以黑暗条件下A叶片呼吸速率小于B叶片呼吸速率。
(3)光照强度达到一定数值时,B叶片的净光合速率不再增加,其原因可能是______反应受到限制,如果提高________浓度,净光合速率会升高。
【解析】 (3)光合作用包括光反应和暗反应过程,其中光反应可为暗反应提供NADPH和ATP,此外,光合作用还需要酶的催化,光照强度达到一定数值时,B叶片的净光合速率不再增加,其原因可能是光反应中产生的ATP、NADPH的含量增加,但暗反应中CO2不足,导致暗反应受到限制,所以提高CO2浓度会提高净光合速率。
暗　
CO2第14讲　光合作用与细胞呼吸的关系
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1.阐明光合作用和细胞呼吸的关系。运用模型与建模的方法分析光合作用和细胞呼吸的关系。 2.应用光合作用和细胞呼吸的原理解决生产实践中的问题。 3.通过分析探究光合作用和细胞呼吸的有关实验,提升设计实验思路和分析实验结果的能力。 4.从物质与能量视角,探索光合作用与呼吸作用,解释光合作用在碳中和方面的重要作用,阐明细胞生命活动中贯穿着物质与能量的变化。
考点一　光合作用与细胞呼吸过程的关系
【命题探究·释疑解惑】
【典例】下图是大麦叶肉细胞中的有关代谢过程,其中A、B代表相关细胞器。回答下列问题。
(1)过程①中消耗的 ATP 和NADPH的合成场所是______________________。研究表明酶X是由核 DNA和叶绿体DNA共同控制合成的,据此推测,酶X的具体合成场所是____________________中的核糖体。
(2)在适宜光照条件下,过程③所需O2来自______反应。细胞中某些氨基酸、核苷酸和脂肪酸等都可直接或间接地与乙酰 CoA 相互转化,这说明_____________
______________________________________________。
(3)据图推测,大麦叶肉细胞中合成淀粉所需的酶主要存在于____________ ________。研究发现叶肉细胞叶绿体中的淀粉含量会出现“昼多夜少”规律性的变化,据此推测,叶绿体中淀粉的主要用途是_______________。
聚焦考查点:光合作用与细胞呼吸过程的关系。
【解析】(1)ATP和NADPH是在光反应中形成的,场所是(叶绿体的)类囊体薄膜。酶X是由核 DNA和叶绿体DNA共同控制合成的,故酶X的具体合成场所是细胞质和叶绿体中的核糖体。
(2)O2来自光合作用光反应中水的光解。细胞中某些氨基酸、核苷酸和脂肪酸等都可直接或间接地与乙酰 CoA 相互转化,说明细胞呼吸可作为代谢的枢纽,在细胞呼吸过程中产生的中间产物,可转化为甘油、氨基酸等非糖物质;非糖物质代谢形成的某些产物与细胞呼吸中间产物相同,这些物质可以进一步形成葡萄糖。蛋白质、糖类和脂质的代谢,都可以通过细胞呼吸过程联系起来。
(3)①为3-磷酸甘油酸在ATP和NADPH的作用下形成3-磷酸甘油醛的过程,3-磷酸甘油醛进一步形成淀粉,该过程为光合作用暗反应的部分反应,反应的场所为叶绿体基质,故大麦叶肉细胞中合成淀粉所需的酶主要存在于叶绿体基质。叶肉细胞叶绿体中的淀粉含量会出现“昼多夜少”的规律性变化,可推测,叶绿体中淀粉可以为夜间细胞的生命活动提供物质和能量。
答案:(1)(叶绿体的)类囊体薄膜　细胞质和叶绿体　(2)光　细胞呼吸可作为代谢的枢纽(或蛋白质、糖类、核酸和脂质的代谢都可以通过细胞呼吸联系起来,合理即可)
(3)叶绿体基质　为夜间细胞的生命活动提供物质和能量
破解策略
1.模型法分析光合作用与细胞呼吸过程中的物质转化关系:
2.比较法分析光合作用与细胞呼吸的关系:
项目 光合作用 细胞呼吸
代谢 类型 合成作用(或同化作用) 分解作用(或异化作用)
范围 含叶绿体的植物细胞;蓝细菌、光合细菌等 所有活细胞
场所 叶绿体(真核生物);细胞质(原核生物) 有氧呼吸:细胞质基质、线粒体(真核生物);细胞质(原核生物) 无氧呼吸:细胞质基质
条件 只在光下进行 有光、无光都能进行
物质 变化 无机物有机物 有机物无机物
能量 变化 光能→化学能 化学能→热能、ATP中活跃的化学能
实质 无机物有机物;储存能量 有机物无机物(或简单有机物);释放能量
能量转化的联系
【扣点专练·通法悟道】
图1为某种植物光合作用与有氧呼吸的部分过程示意图,其中①~④表示相关生理过程;图2表示该植物在最适温度、不同光照强度下净光合作用速率(用CO2吸收速率表示)的变化,净光合作用速率是指总光合作用速率与呼吸作用速率之差。分析图1、图2,回答下列问题。
(1)图1中过程②属于有氧呼吸的第________阶段,过程③发生的场所是__________________。
(2)图2中C点时该植物总光合作用速率____(填“>”“=”或“<”)呼吸作用速率。B点对应的条件下,该植物能完成图1中的生理过程有__________(填序号)。
(3)当光照强度突然增大,在其他条件不变的情况下,叶肉细胞中C3含量短时间内会________(填“增加”“不变”或“减少”)。当光照强度为C点对应的光照强度时,限制光合作用速率不再增加的环境因素主要是________________。
(4)如果将该植物先放置在图2中 A 点对应的条件下4 h,B 点对应的条件下6 h,接着放置在 C点对应的条件下14 h,则在这24 h内该植物每平方厘米叶面积的有机物积累量(用 CO2吸收量表示)为______mg。
(5)研究小组另选甲、乙两种植物,分别从两种植物上取多片相似且等量的叶片,在最适温度条件下分别测定不同光照强度下甲、乙两种植物叶片的CO2吸收速率,所得数据如表所示:
光照强度 0 1 3 5 7 9 11 13
CO2吸收速率/ (μmol·m﹣2·s﹣1) 叶片 甲 -5 0.5 5 16 25 29 30 30
叶片 乙 -4 1.5 5 8 10 12 12 12
从表中可以看出光照强度为____klx 时,甲、乙两叶片中叶绿体的 CO2固定速率相等。
【解析】(1)图中②表示有氧呼吸第一、二阶段,④属于有氧呼吸的第三阶段,①表示暗反应的场所是叶绿体基质,③表示光合作用的光反应阶段,发生的场所是叶绿体类囊体薄膜。
(2)图2中C点为光饱和点,此时净光合速率最大,即C点时该植物总光合作用速率大于呼吸作用速率。图2中B点为光的补偿点,此点表示光合速率等于呼吸速率,即植物可同时进行光合作用和呼吸作用,故该植物能完成图1中的生理过程有①②③④。
(3)当光照强度突然增大,光反应增强,产生的[H](或NADPH)和ATP增多,在其他条件不变的情况下,C3还原加快,而CO2的固定不变,故叶肉细胞中C3含量短时间内会减少;当光照强度为C时,为植物的光饱和点,由于是在最适温度下进行的,故限制光合作用不再增加的环境因素是CO2浓度。
(4)如果将该植物先放置在图2中A点的条件下4小时,即只进行呼吸作用,有机物消耗量为5×4=20 mg,B点的条件下6小时,即光合作用与呼吸作用相等,此阶段有机物的制造量与有机物的消耗量相同,接着放置在C点的条件下14小时,有机物的积累量为20×14=280 mg,故在这24小时内该植物单位叶面积的有机物积累量=14×20-5×4=260 mg。
(5)二氧化碳固定速率表示总光合速率,总光合速率=净光合速率+呼吸速率,当光照强度为1 klx时,甲的总光合速率=0.5+5=5.5,乙的总光合速率=1.5+4=5.5,故二者的二氧化碳固定速率相等。
答案:(1)一、二　叶绿体类囊体薄膜
(2)>　①②③④
(3)减少　CO2浓度
(4)260
(5)1
考点二　光合速率与呼吸速率的关系
【命题探究·释疑解惑】
【典例】自然环境中一昼夜测得某植物CO2的吸收速率曲线如图1所示。该植物叶肉细胞中的叶绿体在光照条件下可以消耗一定量的O2,这属于植物细胞光呼吸的重要环节。图2表示光合作用和光呼吸的部分过程。回答下列问题。
(1)a点产生的原因是_________________________________________。
(2)在c、h点,该植株叶肉细胞中光合速率______(填“>”“<”或“=”)呼吸速率。若土壤中缺Mg,则该植株光补偿点________。
(3)催化过程②和③的均是Rubisco酶,CO2和O2会竞争酶的同一活性位点。因此当O2/CO2偏高时,会________(填“促进”或“抑制”)过程②。
(4)de段下降的原因是______________________________________________。在此环境中,光呼吸可为光合作用提供____________________,在一定程度上减缓植物光合速率的下降。
聚焦考查点:光合速率与呼吸速率的关系。
【解析】(1)图1中a点CO2释放速率下降,是夜间温度降低,呼吸酶活性降低,呼吸速率降低引起的,表现为CO2释放减少。
(2)在c、h点,该植株光合速率(主要发生在叶肉细胞)与呼吸速率相等,由于植株中存在不能进行光合作用的细胞,故植株叶肉细胞中光合速率大于呼吸速率。若土壤中缺Mg,影响叶绿素合成,而叶绿素具有捕获光能的作用,进而引起光合速率下降,则需要增加光照强度以增强光合速率,实现与呼吸速率的平衡,因此,该植株光补偿点增大。
(3)催化过程②和③的均是Rubisco酶,CO2和O2会竞争酶的同一活性位点,因此当O2/CO2偏高时,会抑制过程②,即暗反应过程,促进过程③光呼吸过程。
(4)de段下降的原因是温度过高,蒸腾作用增强,为了减少水分的散失,部分气孔关闭,CO2吸收减少,进而表现为光合速率下降。在干旱、强光照环境中,有利于光呼吸的进行,此时光呼吸可为光合作用提供CO2、C3,因而在一定程度上减缓植物光合速率的下降。
答案:(1)夜间温度降低,呼吸速率降低,CO2释放减少　(2)>　增大　(3)抑制
(4)部分气孔关闭,CO2吸收减少　CO2、C3
破解策略
1.光合速率与呼吸速率关系分析:
(1)光合速率与呼吸速率的常用表示方法:
项目 表示方法
O2 CO2 有机物
真正光合 速率 O2产生(生成)速率或叶绿体释放O2速率 CO2固定速率或叶绿体吸收CO2速率 有机物产生(制造、生成)速率
净光 合速率　 植物或叶片或叶肉细胞O2释放速率 植物或叶片或叶肉细胞CO2吸收速率 有机物积累速率
呼吸 速率 黑暗中O2吸收速率 黑暗中CO2释放速率 有机物消耗速率
(2)表达式:真正光合速率=净光合速率+呼吸速率。
(3)曲线:
2.密闭容器内一昼夜植物光合作用与细胞呼吸的关系分析:
【扣点专练·通法悟道】
1.光补偿点是指光合速率等于呼吸速率时的光照强度,光饱和点是指达到最大光合速率所需的最小光照强度。在温度适宜且CO2充足的条件下,测得甲、乙两种植物的光补偿点分别为E1和E2,且E1小于E2;甲、乙两种植物的光饱和点分别为E3和E4,且E3小于E4。下列有关叙述错误的是(　　)
A.若持续保持光照强度为E1,则甲植物停止生长,乙植物能正常生长
B.若将甲、乙两种植物转移到缺镁条件下培养,二者的光补偿点均变大
C.光照强度低于E2时,限制乙植物光合速率的环境因素主要是光照强度
D.与E3相比,光照强度为E4时,乙植物叶绿体中C3合成速率更快
【解析】选A。若持续保持光照强度为E1,甲、乙两种植物的光补偿点分别为E1和E2,且E1小于E2,甲植物的光合速率等于呼吸速率停止生长,乙植物呼吸速率大于光合速率不能生长,A错误;镁是合成叶绿素的原料,若将甲、乙两种植物转移到缺镁条件下培养,叶绿素不能合成,光合作用减弱,要想光合作用等于呼吸作用,需要增大光照强度,因此二者的光补偿点均变大,B正确;光照强度低于E2时,没有达到乙植物的光饱和点,限制乙植物光合速率的环境因素是光照强度,C正确;甲、乙两种植物的光饱和点分别为E3和E4,且E3小于E4,与E3相比,光照强度为E4时,光照增强,光反应增强,暗反应也增强,乙植物的叶绿体中C3合成速率更快,D正确。
提升·关键能力——实验探究
光合作用相关四点的移动规律
(1)A点:代表呼吸速率,有利于细胞呼吸,A点下移,反之,A点上移。
(2)B点:为光补偿点,代表光合速率等于呼吸速率,存在三种情况:
①呼吸速率不变,光合速率改变。光合作用增强,B点左移,反之右移,如增加CO2浓度,光合作用增强,B点左移;或者当植物缺镁时,光合作用减弱,B点右移。
②光合速率不变,呼吸速率改变。细胞呼吸增强,B点右移反之则左移,如添加呼吸酶的抑制剂,B点左移;增加O2浓度,B点右移。
③光合速率与呼吸速率均发生改变。具体分析,如温度从25 ℃升高到30 ℃(设细胞呼吸最适温度为30 ℃,光合作用最适温度为25 ℃),光合速率下降,呼吸速率增大,B点右移。
(3)C点:代表光饱和点,此时光合速率不随光照强度的增强而增强,可改变影响光合作用的其他因素,若改变有利于光合作用,则C点右移,反之左移,如升高CO2浓度,C点右移,添加光合作用酶抑制剂,C点左移。
(4)D点:代表最大光合速率,横坐标等于C点,如果C点左移,D点向左下方移动,若C点右移,D点向右上方移动。
2.图甲表示水稻的叶肉细胞在光照强度分别为a、b、c、d时,单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化,图乙表示蓝细菌光合作用速率与光照强度的关系。有关说法正确的是(　　)
A.图甲中,光照强度为b时,光合作用速率等于呼吸作用速率
B.图甲中,光照强度为d时,单位时间内细胞从周围吸收2个单位的CO2
C.图乙中,当光照强度为x时,细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体
D.图乙中,限制a、b、c点光合作用速率的因素主要是光照强度
【解析】选B。图甲中,光照强度为a时,O2产生总量为0,只进行细胞呼吸,据此可知,呼吸强度为6,光照强度为b时,CO2释放量大于0,说明光合作用速率小于呼吸作用速率,A错误;光照强度为d时,O2产生总量为8,则光合作用总吸收二氧化碳为8,因而单位时间内细胞从周围吸收8-6=2个单位的CO2,B正确;图乙中所示生物为蓝细菌,蓝细菌不含线粒体和叶绿体,C错误;限制c点光合作用速率的因素是温度、CO2浓度等,而限制a、b点光合作用速率的因素主要是光照强度,D错误。
3.(2026·东莞联考)我国是柑橘的重要原产地之一,有4 000多年栽培历史,经长期选育,传至淮河以南、长江下游及岭南地区。某兴趣小组观测不同光照条件下生长的柑橘,结果见下表,请回答下列问题:
光照 强度 叶色 平均叶面积/ cm2 气孔密度/ (个·mm-2) 净光合速率/(μmolCO2 ·m-2·s-1)
强 浅绿 13.6(100%) 826(100%) 4.33(100%)
中 绿 20.3(149%) 768(93%) 4.17(96%)
弱 深绿 28.4(209%) 752(91%) 3.87(89%)
注:括号内的百分数以强光照的数据作为参考。
(1)CO2以__________ 方式进入叶绿体后,与____________ 结合而被固定,固定产物的还原需要光反应提供的______________ 。
(2)在弱光下,柑橘通过__________________和__________________ 来吸收更多的光能,以适应弱光环境。
(3)与弱光下相比,强光下柑橘平均每片叶的气孔总数________,单位时间内平均每片叶CO2吸收量________。对强光下生长的柑橘适度遮阴,持续观测叶色、叶面积和净光合速率,这三个指标中,最先发生改变的是______________,最后发生改变的是________。
【解析】(1)CO2进入细胞的方式是自由扩散;在光合作用的暗反应过程中,CO2与细胞中的C5结合生成C3,该过程叫作CO2的固定;C3在ATP供能下,被NADPH还原成有机物或C5。
(2)据表可知,弱光下,叶片颜色深,且平均叶面积大,因此弱光下柑橘可以通过增加叶绿素的含量和增大叶面积,来吸收更多的光能。
(3)气孔总数=气孔密度×平均叶面积,即强光比弱光的气孔总数少;单位时间内平均每片叶CO2吸收量=净光合速率×平均叶面积,因此强光比弱光下单位时间内平均每片叶CO2吸收量少;光照条件是影响光合速率的环境因素,因此降低光照强度,净光合速率首先发生变化,叶面积随着植物的生长发生变化,需要的时间长,因此叶面积最后发生变化。
答案:(1)自由扩散　五碳化合物(C5)　ATP和NADPH
(2)增加叶面积　提高叶绿素含量
(3)较少　较少　净光合速率　叶面积
悟高考·瞻动向
体验高考·淬炼考能
1.(2023·北京高考)在两种光照强度下,不同温度对某植物CO2吸收速率的影响如图。对此图理解错误的是(　　)
A.在低光强下,CO2吸收速率随叶温升高而下降的原因是呼吸速率上升
B.在高光强下,M点左侧CO2吸收速率升高与光合酶活性增强相关
C.在图中两个CP点处,植物均不能进行光合作用
D.图中M点处光合速率与呼吸速率的差值最大
【解析】选C。本题主要考查光照和温度对光合作用速率的影响。CO2吸收速率代表净光合速率,低光强下光反应比较弱,呼吸速率随叶温升高而上升,CO2吸收速率下降,A正确;在高光强下,M点左侧CO2吸收速率升高主要原因是光合酶的活性增强,B正确;CP点呼吸速率等于光合速率,植物可以进行光合作用,C错误;图中M点处CO2吸收速率最大,即净光合速率最大,光合速率与呼吸速率的差值最大,D正确。
2.(2024·江苏高考)科研人员对蓝细菌的光合放氧、呼吸耗氧和叶绿素a含量等进行了系列研究。图1是蓝细菌光合作用部分过程示意图,图2是温度对蓝细菌光合放氧和呼吸耗氧影响的曲线图。请回答下列问题。
(1)图1中H+从类囊体膜内侧到外侧只能通过ATP合酶,而O2能自由通过类囊体膜,说明类囊体膜具有的特性是__________________________。暗反应中C3在__________________的作用下转变为(CH2O),此过程发生的区域位于蓝细菌的____________________中。
(2)图2中蓝细菌光合放氧的曲线是____(填“甲”或“乙”),据图判断,总光合速率最高时对应的温度是________(填“20℃”“25℃”或“30℃”),理由为____________
__________________________________________。
(3)在一定条件下,测定样液中蓝细菌密度和叶绿素a含量,建立叶绿素a含量与蓝细菌密度的相关曲线,用于估算水体中蓝细菌密度。请完成下表:
实验目的 简要操作步骤
测定样液蓝 细菌数量 按一定浓度梯度稀释样液,分别用血细胞计数板计数,取样前需①______
浓缩蓝细菌 ②______________________
③________ 将浓缩的蓝细菌用一定量的乙醇重新悬浮
④________ 用锡箔纸包裹装有悬浮液的试管,避光存放
建立相关曲线 用分光光度计测定叶绿素a含量,计算
【解析】本题综合考查蓝细菌的光合作用过程及温度对蓝细菌光合放氧和呼吸耗氧的影响。
(1)类囊体膜允许某些物质通过,而限制另一些物质通过,这体现了类囊体膜具有选择透过性。暗反应中,C3在光反应产生的ATP和NADPH的作用下,被还原为糖类等有机物。蓝细菌是原核生物,此过程发生在蓝细菌的细胞质基质中。
(2)光合作用相关酶的最适温度在25℃左右,此时光合速率较高,即放氧速率较高,所以蓝细菌光合放氧的曲线是乙。总光合速率=净光合速率(放氧速率)+呼吸速率(耗氧速率),在20~30℃范围内,30℃时蓝细菌光合放氧速率和呼吸耗氧速率之和最高,即总光合速率最高。
(3)第一步:测定样液蓝细菌数量时,取样前需摇匀,以保证计数的准确性。
第二步:浓缩蓝细菌,将稀释样液离心,取下层沉淀物。
第三步:将浓缩的蓝细菌用一定量的乙醇重新悬浮,是为了破坏蓝细菌,提取叶绿素。
第四步:用锡箔纸包裹装有悬浮液的试管,避光存放,以防止叶绿素降解。
答案:(1)选择透过性　ATP和NADPH　细胞质基质
(2)乙　30℃　30℃时蓝细菌光合放氧速率和呼吸耗氧速率之和最高
(3)摇匀　将稀释样液离心,取下层沉淀物　提取叶绿素　防止叶绿素降解
3.(2022·福建高考)栅藻是一种真核微藻,具有生长繁殖快、光合效率高、可产油脂等特点。为提高栅藻的培养效率和油脂含量,科研人员在最适温度下研究了液体悬浮培养和含水量不同的吸附式膜培养(如图1)对栅藻生长和产油量的影响,结果如图2。
回答下列问题。
(1)实验中,悬浮培养和膜培养装置应给予相同的________________ ______________________________________________________________________________________________________________(答出2点即可)。
(2)为测定两种培养模式的栅藻光合速率,有人提出可以向装置中通入C18O2,培养一段时间后检测C18O2释放量。你认为该方法__________(填“可行”或“不可行”),理由是_____________________________________________。
(3)由图2的结果可知,膜培养的栅藻虽然叶绿素含量较低,但膜培养仍具一定的优势,体现在______________________________________________。
结合图1,从影响光合效率因素的角度分析,膜培养具有这种优势的原因是______
__________________________________________________。
(4)根据图2的结果,对利用栅藻生产油脂的建议是________________________
______________________________________。
【解析】(1)分析题意可知,本实验中科研人员在最适温度下研究了液体悬浮培养和含水量不同的吸附式膜培养,实验的自变量是含水量等不同,实验除了自变量,其他的无关变量要保持相同且适宜,所以悬浮培养和膜培养装置应给予相同的光照强度、通气量、接种量。
(2)分析题意,本实验目的是测定两种培养模式的栅藻光合速率,由于C18O2经光合作用可转移到水中,生成物水参与呼吸作用可生成C18O2,释放的CO2也有来自呼吸作用的,因此根据被标记的CO2的减少量不能测定栅藻光合速率。
(3)由图2的结果可知,与悬浮培养相比,膜培养的栅藻生物量(产率)和油脂产率更高,可能是虽然膜培养的栅藻叶绿素含量较低,但栅藻更充分利用光照和CO2。
(4)比较图2各组膜培养的栅藻,2%琼脂浓度培养基培养的栅藻油脂产率最高,所以建议对栅藻采用2%琼脂浓度培养基对应含水量的膜培养方式。
答案:(1)光照强度、通气量、接种量
(2)不可行　C18O2中的18O经光合作用可转移到水中,生成物水参与呼吸作用可生成C18O2,释放的CO2也有来自呼吸作用的,因此根据被标记的CO2的减少量不能测定栅藻光合速率
(3)生物量(产率)和油脂产率较高　膜培养时栅藻更充分利用光照和CO2(膜培养时栅藻对光照和CO2利用率更高)
(4)使用2%琼脂浓度培养基对应含水量的膜培养方式
瞭望高考·探悟动态
锁定新情境:
探索提高粮食产量的新途径
　　为探索采用生物工程技术提高光合作用效率的途径,提高粮食产量,科研工作者以作物甲为材料进行了一系列研究。图1是作物甲光合产物的形成及运输大致示意图,图2是作物甲改造后叶肉细胞中部分碳代谢过程的模式图(图中TP、X、Y等代表物质,数字编号①~⑧代表代谢或运输过程),已知乙醇酸的积累对叶绿体有较强毒害作用,叶绿体中碳原料的丢失会降低光合效率。回答下列问题。
基于核心素养的新考向:
1.(比较分析)由图1可知,蔗糖可作为该作物长距离运输的主要有机物。与葡萄糖相比,蔗糖作为运输物质的优点是________________________________(请至少答出两点);蔗糖及时地运输进入维管束,有利于直接促进叶绿体内____(填数字编号)过程。
2.(物质与能量观)由图2可知,在改造前的作物甲叶绿体中缺乏乙醇酸代谢途径。在光合作用条件下,R酶可催化C5与CO2反应生成______________________;在另一些条件下(如CO2缺乏时),R酶也可催化C5与O2反应产生C3与2-磷酸乙醇酸,后者在酶的作用下转化成乙醇酸后经载体T运离叶绿体,再经叶绿体外的代谢途径(途径Ⅰ)转变为甘油酸运回叶绿体。此图中相当于教材中光合作用暗反应的是__________(填数字编号)过程。经测定,由代谢途径Ⅰ回到叶绿体中的碳有所减少,原因是________________________________________________________。
3.(批判性思维)研究人员利用转基因技术将C酶(乙醇酸脱氢酶)的基因和M酶(苹果酸合成酶)基因转入作物甲,与原有的代谢途径Ⅲ相连,人为地在叶绿体中建立一个新的乙醇酸代谢途径(图2中的途径Ⅱ),将C酶和M酶的编码基因转入作物甲,能够实现的目的:利用途径Ⅱ,通过________________________________,降低叶绿体基质中该物质的含量,减少其对叶绿体的毒害作用;在此基础上,途径Ⅱ和途径Ⅲ能够提高光合作用效率的两个原因是:①_________________________;
②_________________________________________________________________。
【解析】1.蔗糖是大多数作物长距离运输的主要有机物,蔗糖及时地运输进入维管束,有利于直接促进叶绿体中②过程产生更多的TP。葡萄糖是单糖,而蔗糖是二糖,以蔗糖作为运输物质,其溶液中溶质分子个数相对较少,渗透压相对稳定,而且蔗糖为非还原糖,性质较稳定。
2.由图2细胞代谢途径可知,叶绿体基质中,R酶可催化⑤过程C5与CO2形成3-磷酸甘油醛进而进行⑦过程合成C3,再被还原成(CH2O)。在CO2缺乏的条件下,R酶还可以催化C5和O2反应生成1分子C3和1分子2-磷酸乙醇酸。故此图中相当于教材中光合作用暗反应的是⑤⑦⑧。因为代谢途径Ⅰ(即叶绿体外的代谢途径)中产生了CO2,并释放出去,这部分碳不能回到叶绿体中,故代谢途径Ⅰ回到叶绿体中的碳有所减少。
3.通过转基因技术将C酶和M酶的编码基因转入作物甲,增加了途径Ⅱ,通过该途径将乙醇酸转化为苹果酸,降低叶绿体基质中乙醇酸的含量,减少其对叶绿体的毒害作用。在此基础上,途径Ⅱ和途径Ⅲ能够提高光合作用效率的两个原因是途径Ⅱ减少了乙醇酸从叶绿体的输出,从而减少了由此过程造成的叶绿体中碳原料的丢失,同时,途径Ⅱ提高了苹果酸的含量,经途径Ⅲ使叶绿体基质内CO2的浓度增加,直接增加了光合作用中暗反应的反应(底)物。
答案:1.蔗糖为二糖,比单糖运输效率高,(溶液中溶质分子个数相对少)对渗透压的影响小;蔗糖为非还原糖,性质较稳定等　②
2.3-磷酸甘油醛　⑤⑦⑧　代谢途径Ⅰ(即叶绿体外的代谢途径)中产生了CO2,并释放出去,这部分碳不能回到叶绿体中
3.将乙醇酸转化为苹果酸　途径Ⅱ减少了乙醇酸从叶绿体的输出,从而减少了此过程造成的叶绿体中碳原料的丢失　途径Ⅱ提高了苹果酸的含量,经途径Ⅲ使叶绿体基质内CO2的浓度增加,直接增加了光合作用中暗反应的反应(底)物
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第14讲　光合作用与细胞呼吸的关系
考点一　光合作用与细胞呼吸过程的关系
考点二　光合速率与呼吸速率的关系
悟高考·瞻动向
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1.阐明光合作用和细胞呼吸的关系。运用模型与建模的方法分析光合作用和细胞呼吸的关系。 2.应用光合作用和细胞呼吸的原理解决生产实践中的问题。 3.通过分析探究光合作用和细胞呼吸的有关实验,提升设计实验思路和分析实验结果的能力。 4.从物质与能量视角,探索光合作用与呼吸作用,解释光合作用在碳中和方面的重要作用,阐明细胞生命活动中贯穿着物质与能量的变化。
考点一　光合作用与细胞呼吸过程的关系
【命题探究·释疑解惑】
【典例】下图是大麦叶肉细胞中的有关代谢过程,其中A、B代表相关细胞器。回答下列问题。
(1)过程①中消耗的 ATP 和NADPH的合成场所是______________________。
研究表明酶X是由核 DNA和叶绿体DNA共同控制合成的,据此推测,酶X的
具体合成场所是____________________中的核糖体。
(2)在适宜光照条件下,过程③所需O2来自______反应。细胞中某些氨基酸、
核苷酸和脂肪酸等都可直接或间接地与乙酰 CoA 相互转化,这说明
___________________________________________________________
__________________________________________________________。
细胞呼吸可作为代谢的枢纽(或蛋白质、糖类、核酸和脂质的代谢都可以通过细胞呼吸联系起来,合理即可)
细胞质和叶绿体
(叶绿体的)类囊体薄膜
光
【解析】(1)ATP和NADPH是在光反应中形成的,场所是(叶绿体的)类囊体薄膜。酶X是由核 DNA和叶绿体DNA共同控制合成的,故酶X的具体合成场所是细胞质和叶绿体中的核糖体。
(2)O2来自光合作用光反应中水的光解。细胞中某些氨基酸、核苷酸和脂肪酸等都可直接或间接地与乙酰 CoA 相互转化,说明细胞呼吸可作为代谢的枢纽,在细胞呼吸过程中产生的中间产物,可转化为甘油、氨基酸等非糖物质;非糖物质代谢形成的某些产物与细胞呼吸中间产物相同,这些物质可以进一步形成葡萄糖。蛋白质、糖类和脂质的代谢,都可以通过细胞呼吸过程联系起来。
(3)据图推测,大麦叶肉细胞中合成淀粉所需的酶主要存在于____________。
研究发现叶肉细胞叶绿体中的淀粉含量会出现“昼多夜少”规律性的变化,据
此推测,叶绿体中淀粉的主要用途是_______________________________
________。
聚焦考查点:光合作用与细胞呼吸过程的关系。
叶绿体基质　
为夜间细胞的生命活动提供物质
和能量
【解析】(3)①为3-磷酸甘油酸在ATP和NADPH的作用下形成3-磷酸甘油醛的过程,3-磷酸甘油醛进一步形成淀粉,该过程为光合作用暗反应的部分反应,反应的场所为叶绿体基质,故大麦叶肉细胞中合成淀粉所需的酶主要存在于叶绿体基质。叶肉细胞叶绿体中的淀粉含量会出现“昼多夜少”的规律性变化,可推测,叶绿体中淀粉可以为夜间细胞的生命活动提供物质和能量。
破解策略
1.模型法分析光合作用与细胞呼吸过程中的物质转化关系:
2.比较法分析光合作用与细胞呼吸的关系:
项目 光合作用 细胞呼吸
代谢 类型 合成作用(或同化作用) 分解作用(或异化作用)
范围 含叶绿体的植物细胞;蓝细菌、光合细菌等 所有活细胞
场所 叶绿体(真核生物);细胞质(原核生物) 有氧呼吸:细胞质基质、线粒体(真核生物);细胞质(原核生物)
无氧呼吸:细胞质基质
项目 光合作用 细胞呼吸
条件 只在光下进行 有光、无光都能进行
物质 变化 无机物 有机物 有机物 无机物
能量 变化 光能→化学能 化学能→热能、ATP中活跃的化学能
项目 光合作用 细胞呼吸
实质 无机物 有机物;储存能量 有机物 无机物(或简单有机
物);释放能量
能量转化的联系
【扣点专练·通法悟道】
图1为某种植物光合作用与有氧呼吸的部分过程示意图,其中①~④表示相关生理过程;图2表示该植物在最适温度、不同光照强度下净光合作用速率(用CO2吸收速率表示)的变化,净光合作用速率是指总光合作用速率与呼吸作用速率之差。分析图1、图2,回答下列问题。
(1)图1中过程②属于有氧呼吸的第__________阶段,过程③发生的场所是______________________________。
(2)图2中C点时该植物总光合作用速率____(填“>”“=”或“<”)呼吸作用速率。B点对应的条件下,该植物能完成图1中的生理过程有__________(填序号)。
叶绿体类囊体薄膜
>
①②③④
【解析】(1)图中②表示有氧呼吸第一、二阶段,④属于有氧呼吸的第三阶段,①表示暗反应的场所是叶绿体基质,③表示光合作用的光反应阶段,发生的场所是叶绿体类囊体薄膜。
(2)图2中C点为光饱和点,此时净光合速率最大,即C点时该植物总光合作用速率大于呼吸作用速率。图2中B点为光的补偿点,此点表示光合速率等于呼吸速率,即植物可同时进行光合作用和呼吸作用,故该植物能完成图1中的生理过程有①②③④。
(3)当光照强度突然增大,在其他条件不变的情况下,叶肉细胞中C3含量短时间内会________(填“增加”“不变”或“减少”)。当光照强度为C点对应的光照强度时,限制光合作用速率不再增加的环境因素主要是____________。
(4)如果将该植物先放置在图2中 A 点对应的条件下4 h,B 点对应的条件下
6 h,接着放置在 C点对应的条件下14 h,则在这24 h内该植物每平方厘米叶面积的有机物积累量(用 CO2吸收量表示)为______mg。
减少　
CO2浓度
260
【解析】 (3)当光照强度突然增大,光反应增强,产生的[H](或NADPH)和ATP增多,在其他条件不变的情况下,C3还原加快,而CO2的固定不变,故叶肉细胞中C3含量短时间内会减少;当光照强度为C时,为植物的光饱和点,由于是在最适温度下进行的,故限制光合作用不再增加的环境因素是CO2浓度。
(4)如果将该植物先放置在图2中A点的条件下4小时,即只进行呼吸作用,有机物消耗量为5×4=20 mg,B点的条件下6小时,即光合作用与呼吸作用相等,此阶段有机物的制造量与有机物的消耗量相同,接着放置在C点的条件下14小时,有机物的积累量为20×14=280 mg,故在这24小时内该植物单位叶面积的有机物积累量=14×20-5×4=260 mg。
(5)研究小组另选甲、乙两种植物,分别从两种植物上取多片相似且等量的叶片,在最适温度条件下分别测定不同光照强度下甲、乙两种植物叶片的CO2吸收速率,所得数据如表所示:
光照强度 0 1 3 5 7 9 11 13
CO2吸收速率/ (μmol·m﹣2·s﹣1) 叶片甲 -5 0.5 5 16 25 29 30 30
叶片乙 -4 1.5 5 8 10 12 12 12
从表中可以看出光照强度为____klx 时,甲、乙两叶片中叶绿体的 CO2固定速率相等。
1
【解析】 (5)二氧化碳固定速率表示总光合速率,总光合速率=净光合速率+呼吸速率,当光照强度为1 klx时,甲的总光合速率=0.5+5=5.5,乙的总光合速率=1.5+4=5.5,故二者的二氧化碳固定速率相等。
考点二　光合速率与呼吸速率的关系
【命题探究·释疑解惑】
【典例】自然环境中一昼夜测得某植物CO2的吸收速率曲线如图1所示。该植物叶肉细胞中的叶绿体在光照条件下可以消耗一定量的O2,这属于植物细胞光呼吸的重要环节。图2表示光合作用和光呼吸的部分过程。回答下列问题。
(1)a点产生的原因是_________________________________________。
(2)在c、h点,该植株叶肉细胞中光合速率______(填“>”“<”或“=”)呼吸速率。若土壤中缺Mg,则该植株光补偿点________。
(3)催化过程②和③的均是Rubisco酶,CO2和O2会竞争酶的同一活性位点。因此当O2/CO2偏高时,会________(填“促进”或“抑制”)过程②。
夜间温度降低,呼吸速率降低,CO2释放减少　
>
增大
抑制
【解析】(1)图1中a点CO2释放速率下降,是夜间温度降低,呼吸酶活性降低,呼吸速率降低引起的,表现为CO2释放减少。
(2)在c、h点,该植株光合速率(主要发生在叶肉细胞)与呼吸速率相等,由于植株中存在不能进行光合作用的细胞,故植株叶肉细胞中光合速率大于呼吸速率。若土壤中缺Mg,影响叶绿素合成,而叶绿素具有捕获光能的作用,进而引起光合速率下降,则需要增加光照强度以增强光合速率,实现与呼吸速率的平衡,因此,该植株光补偿点增大。
(3)催化过程②和③的均是Rubisco酶,CO2和O2会竞争酶的同一活性位点,因此当O2/CO2偏高时,会抑制过程②,即暗反应过程,促进过程③光呼吸过程。
(4)de段下降的原因是________________________________。在此环境中,光呼吸可为光合作用提供____________________,在一定程度上减缓植物光合速率的下降。
聚焦考查点:光合速率与呼吸速率的关系。
部分气孔关闭,CO2吸收减少　
CO2、C3
【解析】(4)de段下降的原因是温度过高,蒸腾作用增强,为了减少水分的散失,部分气孔关闭,CO2吸收减少,进而表现为光合速率下降。在干旱、强光照环境中,有利于光呼吸的进行,此时光呼吸可为光合作用提供CO2、C3,因而在一定程度上减缓植物光合速率的下降。
破解策略
1.光合速率与呼吸速率关系分析:
(1)光合速率与呼吸速率的常用表示方法:
项目 表示方法
O2 CO2 有机物
真正光合 速率 O2产生(生成)速率或叶绿体释放O2速率 CO2固定速率或叶绿体吸收CO2速率 有机物产生(制造、生成)速率
项目 表示方法
O2 CO2 有机物
净光 合速率　 植物或叶片或叶肉细胞O2释放速率 植物或叶片或叶肉细胞CO2吸收速率 有机物积累速率
呼吸 速率 黑暗中O2吸收速率 黑暗中CO2释放速率 有机物消耗速率
(2)表达式:真正光合速率=净光合速率+呼吸速率。
(3)曲线:
2.密闭容器内一昼夜植物光合作用与细胞呼吸的关系分析:
【扣点专练·通法悟道】
1.光补偿点是指光合速率等于呼吸速率时的光照强度,光饱和点是指达到最大光合速率所需的最小光照强度。在温度适宜且CO2充足的条件下,测得甲、乙两种植物的光补偿点分别为E1和E2,且E1小于E2;甲、乙两种植物的光饱和点分别为E3和E4,且E3小于E4。下列有关叙述错误的是(　　)
A.若持续保持光照强度为E1,则甲植物停止生长,乙植物能正常生长
B.若将甲、乙两种植物转移到缺镁条件下培养,二者的光补偿点均变大
C.光照强度低于E2时,限制乙植物光合速率的环境因素主要是光照强度
D.与E3相比,光照强度为E4时,乙植物叶绿体中C3合成速率更快
√
【解析】选A。若持续保持光照强度为E1,甲、乙两种植物的光补偿点分别为E1和E2,且E1小于E2,甲植物的光合速率等于呼吸速率停止生长,乙植物呼吸速率大于光合速率不能生长,A错误;镁是合成叶绿素的原料,若将甲、乙两种植物转移到缺镁条件下培养,叶绿素不能合成,光合作用减弱,要想光合作用等于呼吸作用,需要增大光照强度,因此二者的光补偿点均变大,B正确;光照强度低于E2时,没有达到乙植物的光饱和点,限制乙植物光合速率的环境因素是光照强度,C正确;甲、乙两种植物的光饱和点分别为E3和E4,且E3小于E4,与E3相比,光照强度为E4时,光照增强,光反应增强,暗反应也增强,乙植物的叶绿体中C3合成速率更快,D正确。
提升·关键能力——实验探究
光合作用相关四点的移动规律
(1)A点:代表呼吸速率,有利于细胞呼吸,A点下移,反之,A点上移。
(2)B点:为光补偿点,代表光合速率等于呼吸速率,存在三种情况:
①呼吸速率不变,光合速率改变。光合作用增强,B点左移,反之右移,如增加CO2浓度,光合作用增强,B点左移;或者当植物缺镁时,光合作用减弱,B点右移。
②光合速率不变,呼吸速率改变。细胞呼吸增强,B点右移反之则左移,如添加呼吸酶的抑制剂,B点左移;增加O2浓度,B点右移。
③光合速率与呼吸速率均发生改变。具体分析,如温度从25 ℃升高到
30 ℃(设细胞呼吸最适温度为30 ℃,光合作用最适温度为25 ℃),光合速率下降,呼吸速率增大,B点右移。
(3)C点:代表光饱和点,此时光合速率不随光照强度的增强而增强,可改变影响光合作用的其他因素,若改变有利于光合作用,则C点右移,反之左移,如升高CO2浓度,C点右移,添加光合作用酶抑制剂,C点左移。
(4)D点:代表最大光合速率,横坐标等于C点,如果C点左移,D点向左下方移动,若C点右移,D点向右上方移动。
2.图甲表示水稻的叶肉细胞在光照强度分别为a、b、c、d时,单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化,图乙表示蓝细菌光合作用速率与光照强度的关系。有关说法正确的是(　　)
A.图甲中,光照强度为b时,光合作用速率等于呼吸作用速率
B.图甲中,光照强度为d时,单位时间内细胞从周围吸收2个单
位的CO2
C.图乙中,当光照强度为x时,细胞中产生ATP的场所有细胞
质基质、线粒体和叶绿体
D.图乙中,限制a、b、c点光合作用速率的因素主要是光照强度
√
【解析】选B。图甲中,光照强度为a时,O2产生总量为0,只进行细胞呼吸,据此可知,呼吸强度为6,光照强度为b时,CO2释放量大于0,说明光合作用速率小于呼吸作用速率,A错误;光照强度为d时,O2产生总量为8,则光合作用总吸收二氧化碳为8,因而单位时间内细胞从周围吸收8-6=2个单位的CO2,B正确;图乙中所示生物为蓝细菌,蓝细菌不含线粒体和叶绿体,C错误;限制c点光合作用速率的因素是温度、CO2浓度等,而限制a、b点光合作用速率的因素主要是光照强度,D错误。
3.(2026·东莞联考)我国是柑橘的重要原产地之一,有4 000多年栽培历史,经长期选育,传至淮河以南、长江下游及岭南地区。某兴趣小组观测不同光照条件下生长的柑橘,结果见下表,请回答下列问题:
光照 强度 叶色 平均叶面积/ cm2 气孔密度/ (个·mm-2) 净光合速率/(μmolCO2·m-2·s-1)
强 浅绿 13.6(100%) 826(100%) 4.33(100%)
中 绿 20.3(149%) 768(93%) 4.17(96%)
弱 深绿 28.4(209%) 752(91%) 3.87(89%)
注:括号内的百分数以强光照的数据作为参考。
(1)CO2以____________方式进入叶绿体后,与___________________结合而被固定,固定产物的还原需要光反应提供的_____________________。
(2)在弱光下,柑橘通过__________________和____________________来吸收更多的光能,以适应弱光环境。
自由扩散
五碳化合物(C5)
ATP和NADPH
增加叶面积
提高叶绿素含量
【解析】(1)CO2进入细胞的方式是自由扩散;在光合作用的暗反应过程中,CO2与细胞中的C5结合生成C3,该过程叫作CO2的固定;C3在ATP供能下,被NADPH还原成有机物或C5。
(2)据表可知,弱光下,叶片颜色深,且平均叶面积大,因此弱光下柑橘可以通过增加叶绿素的含量和增大叶面积,来吸收更多的光能。
(3)与弱光下相比,强光下柑橘平均每片叶的气孔总数________,单位时间内平均每片叶CO2吸收量________。对强光下生长的柑橘适度遮阴,持续观测叶色、叶面积和净光合速率,这三个指标中,最先发生改变的是________________,最后发生改变的是________。
较少　　　
较少
净光合速率
叶面积
【解析】 (3)气孔总数=气孔密度×平均叶面积,即强光比弱光的气孔总数少;单位时间内平均每片叶CO2吸收量=净光合速率×平均叶面积,因此强光比弱光下单位时间内平均每片叶CO2吸收量少;光照条件是影响光合速率的环境因素,因此降低光照强度,净光合速率首先发生变化,叶面积随着植物的生长发生变化,需要的时间长,因此叶面积最后发生变化。
悟高考·瞻动向
体验高考·淬炼考能
1.(2023·北京高考)在两种光照强度下,不同温度对某植物CO2吸收速率的影响如图。对此图理解错误的是(　　)
A.在低光强下,CO2吸收速率随叶温升高而下降的
原因是呼吸速率上升
B.在高光强下,M点左侧CO2吸收速率升高与光合
酶活性增强相关
C.在图中两个CP点处,植物均不能进行光合作用
D.图中M点处光合速率与呼吸速率的差值最大
√
【解析】选C。本题主要考查光照和温度对光合作用速率的影响。CO2吸收速率代表净光合速率,低光强下光反应比较弱,呼吸速率随叶温升高而上升,CO2吸收速率下降,A正确;在高光强下,M点左侧CO2吸收速率升高主要原因是光合酶的活性增强,B正确;CP点呼吸速率等于光合速率,植物可以进行光合作用,C错误;图中M点处CO2吸收速率最大,即净光合速率最大,光合速率与呼吸速率的差值最大,D正确。
2.(2024·江苏高考)科研人员对蓝细菌的光合放氧、呼吸耗氧和叶绿素a含量等进行了系列研究。图1是蓝细菌光合作用部分过程示意图,图2是温度对蓝细菌光合放氧和呼吸耗氧影响的曲线图。请回答下列问题。
(1)图1中H+从类囊体膜内侧到外侧只能通过ATP合酶,而O2能自由通过类囊体膜,说明类囊体膜具有的特性是__________________________。暗反应中C3在__________________的作用下转变为(CH2O),此过程发生的区域位于蓝细菌的____________________中。
(2)图2中蓝细菌光合放氧的曲线是____(填“甲”或“乙”),据图判断,总光合速率最高时对应的温度是________(填“20℃”“25℃”或“30℃”),理由为______________________________________________________。
选择透过性　　
ATP和NADPH
细胞质基质
30℃时蓝细菌光合放氧速率和呼吸耗氧速率之和最高
乙
30℃
(3)在一定条件下,测定样液中蓝细菌密度和叶绿素a含量,建立叶绿素a含量与蓝细菌密度的相关曲线,用于估算水体中蓝细菌密度。请完成下表:
实验目的 简要操作步骤
测定样液蓝 细菌数量 按一定浓度梯度稀释样液,分别用血细胞计数板计数,取样前需①______
浓缩蓝细菌 ②_______________________________
③______________ 将浓缩的蓝细菌用一定量的乙醇重新悬浮
④______________ 用锡箔纸包裹装有悬浮液的试管,避光存放
建立相关曲线 用分光光度计测定叶绿素a含量,计算
摇匀　　　
将稀释样液离心,取下层沉淀物
提取叶绿素
防止叶绿素降解
【解析】本题综合考查蓝细菌的光合作用过程及温度对蓝细菌光合放氧和呼吸耗氧的影响。
(1)类囊体膜允许某些物质通过,而限制另一些物质通过,这体现了类囊体膜具有选择透过性。暗反应中,C3在光反应产生的ATP和NADPH的作用下,被还原为糖类等有机物。蓝细菌是原核生物,此过程发生在蓝细菌的细胞质基质中。
(2)光合作用相关酶的最适温度在25℃左右,此时光合速率较高,即放氧速率较高,所以蓝细菌光合放氧的曲线是乙。总光合速率=净光合速率(放氧速率)+呼吸速率(耗氧速率),在20~30℃范围内,30℃时蓝细菌光合放氧速率和呼吸耗氧速率之和最高,即总光合速率最高。
(3)第一步:测定样液蓝细菌数量时,取样前需摇匀,以保证计数的准确性。
第二步:浓缩蓝细菌,将稀释样液离心,取下层沉淀物。
第三步:将浓缩的蓝细菌用一定量的乙醇重新悬浮,是为了破坏蓝细菌,提取叶绿素。
第四步:用锡箔纸包裹装有悬浮液的试管,避光存放,以防止叶绿素降解。
3.(2022·福建高考)栅藻是一种真核微藻,具有生长繁殖快、光合效率高、可产油脂等特点。为提高栅藻的培养效率和油脂含量,科研人员在最适温度下研究了液体悬浮培养和含水量不同的吸附式膜培养(如图1)对栅藻生长和产油量的影响,结果如图2。
回答下列问题。
(1)实验中,悬浮培养和膜培养装置应给予相同的________________ ________________ (答出2点即可)。
(2)为测定两种培养模式的栅藻光合速率,有人提出可以向装置中通入C18O2,培养一段时间后检测C18O2释放量。你认为该方法__________(填“可行”或“不可行”),理由是_____________________________________________
___________________________________________________________
__________________________________________________________。
C18O2中的18O经光合作用可转移到水中,生成物水参与呼吸作用可生成C18O2,释放的CO2也有来自呼吸作用的,因此根据被标记的CO2的减少量不能测定栅藻光合速率
光照强度、通
气量、接种量
不可行
【解析】(1)分析题意可知,本实验中科研人员在最适温度下研究了液体悬浮培养和含水量不同的吸附式膜培养,实验的自变量是含水量等不同,实验除了自变量,其他的无关变量要保持相同且适宜,所以悬浮培养和膜培养装置应给予相同的光照强度、通气量、接种量。
(2)分析题意,本实验目的是测定两种培养模式的栅藻光合速率,由于C18O2经光合作用可转移到水中,生成物水参与呼吸作用可生成C18O2,释放的CO2也有来自呼吸作用的,因此根据被标记的CO2的减少量不能测定栅藻光合速率。
(3)由图2的结果可知,膜培养的栅藻虽然叶绿素含量较低,但膜培养仍具一定的优势,体现在______________________________。 结合图1,从影响光合效率因素的角度分析,膜培养具有这种优势的原因是_____________________
_________________________________________________。
(4)根据图2的结果,对利用栅藻生产油脂的建议是________________ ______________________________________________。
生物量(产率)和油脂产率较高　
膜培养时栅藻更充分利用光照和CO2(膜培养时栅藻对光照和CO2利用率更高)
使用2%琼脂浓度培养基对应含水量的膜培养方式
【解析】 (3)由图2的结果可知,与悬浮培养相比,膜培养的栅藻生物量(产率)和油脂产率更高,可能是虽然膜培养的栅藻叶绿素含量较低,但栅藻更充分利用光照和CO2。
(4)比较图2各组膜培养的栅藻,2%琼脂浓度培养基培养的栅藻油脂产率最高,所以建议对栅藻采用2%琼脂浓度培养基对应含水量的膜培养方式。
瞭望高考·探悟动态
锁定新情境:
探索提高粮食产量的新途径
　　为探索采用生物工程技术提高光合作用效率的途径,提高粮食产量,科研工作者以作物甲为材料进行了一系列研究。图1是作物甲光合产物的形成及运输大致示意图,图2是作物甲改造后叶肉细胞中部分碳代谢过程的模式图(图中TP、X、Y等代表物质,数字编号①~⑧代表代谢或运输过程),已知乙醇酸的积累对叶绿体有较强毒害作用,叶绿体中碳原料的丢失会降低光合效率。回答下列问题。
基于核心素养的新考向:
1.(比较分析)由图1可知,蔗糖可作为该作物长距离运输的主要有机物。与葡萄糖相比,蔗糖作为运输物质的优点是___________________________ ______________________________________________________________________________ (请至少答出两点);蔗糖及时地运输进入维管束,有利于直接促进叶绿体内____(填数字编号)过程。
蔗糖为二糖,比单糖运输效率高,(溶液中溶质分子个数相对少)对渗透压的影响小;蔗糖为非还原糖,性质较稳定等　
②
【解析】1.蔗糖是大多数作物长距离运输的主要有机物,蔗糖及时地运输进入维管束,有利于直接促进叶绿体中②过程产生更多的TP。葡萄糖是单糖,而蔗糖是二糖,以蔗糖作为运输物质,其溶液中溶质分子个数相对较少,渗透压相对稳定,而且蔗糖为非还原糖,性质较稳定。
2.(物质与能量观)由图2可知,在改造前的作物甲叶绿体中缺乏乙醇酸代谢途径。在光合作用条件下,R酶可催化C5与CO2反应生成___________________;在另一些条件下(如CO2缺乏时),R酶也可催化C5与O2反应产生C3与2-磷酸乙醇酸,后者在酶的作用下转化成乙醇酸后经载体T运离叶绿体,再经叶绿体外的代谢途径(途径Ⅰ)转变为甘油酸运回叶绿体。此图中相当于教材中光合作用暗反应的是__________(填数字编号)过程。经测定,由代谢途径Ⅰ回到 叶绿体中的碳有所减少,原因是____________________________________
________________________________________________________。
3-磷酸甘油醛　　
⑤⑦⑧
代谢途径Ⅰ(即叶绿体外的代谢途径)中产生了CO2,并释放出去,这部分碳不能回到叶绿体中
【解析】2.由图2细胞代谢途径可知,叶绿体基质中,R酶可催化⑤过程C5与CO2形成3-磷酸甘油醛进而进行⑦过程合成C3,再被还原成(CH2O)。在CO2缺乏的条件下,R酶还可以催化C5和O2反应生成1分子C3和1分子2-磷酸乙醇酸。故此图中相当于教材中光合作用暗反应的是⑤⑦⑧。因为代谢途径Ⅰ(即叶绿体外的代谢途径)中产生了CO2,并释放出去,这部分碳不能回到叶绿体中,故代谢途径Ⅰ回到叶绿体中的碳有所减少。
3.(批判性思维)研究人员利用转基因技术将C酶(乙醇酸脱氢酶)的基因和M酶(苹果酸合成酶)基因转入作物甲,与原有的代谢途径Ⅲ相连,人为地在叶绿体中建立一个新的乙醇酸代谢途径(图2中的途径Ⅱ),将C酶和M酶的编码基因转入作物甲,能够实现的目的:利用途径Ⅱ,通过________________________,降低叶绿体基质中该物质的含量,减少其对叶绿体的毒害作用;在此基础上,途径Ⅱ和途径Ⅲ能够提高光合作用效率的两个原因是:①__________________________________________
____________________________________; ②____________________________
____________________________________________________________________________________。
　途径Ⅱ提高了苹果酸的含量,经途径Ⅲ使叶绿体基质内CO2的浓度增加,直接增加了光合作用中暗反应的反应(底)物
将乙醇酸转化为苹果酸
途径Ⅱ减少了乙醇酸从叶绿体的输出,从而减少了此过程造成的叶绿体中碳原料的丢失
【解析】3.通过转基因技术将C酶和M酶的编码基因转入作物甲,增加了途径Ⅱ,通过该途径将乙醇酸转化为苹果酸,降低叶绿体基质中乙醇酸的含量,减少其对叶绿体的毒害作用。在此基础上,途径Ⅱ和途径Ⅲ能够提高光合作用效率的两个原因是途径Ⅱ减少了乙醇酸从叶绿体的输出,从而减少了由此过程造成的叶绿体中碳原料的丢失,同时,途径Ⅱ提高了苹果酸的含量,经途径Ⅲ使叶绿体基质内CO2的浓度增加,直接增加了光合作用中暗反应的反应(底)物。

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