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(共27张PPT)
热考微专题(一)　
光呼吸、C4途径、CAM途径
热点一　光呼吸
【精析·悟典例】
【典例】(2021·山东高考)光照条件下,叶肉细胞中 O2与 CO2 竞争性结合 C5,O2与 C5结合后经一系列反应释放 CO2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,SoBS 溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计。
SoBS浓度/(mg·L-1) 0 100 200 300 400 500 600
光合作用强度/(CO2μmol·m-2·s-1) 18.9 20.9 20.7 18.7 17.6 16.5 15.7
光呼吸强度/(CO2μmol·m-2·s-1) 6.4 6.2 5.8 5.5 5.2 4.8 4.3
(1)光呼吸中 C5与 O2结合的反应发生在叶绿体的__________中。正常进行光合作用的水稻,突然停止光照,叶片 CO2释放量先增加后降低,CO2释放量增加的原因是___________________________________________________
___________________________________________________。
(2)与未喷施 SoBS 溶液相比,喷施 100 mg·L-1 SoBS 溶液的水稻叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度________(填“高”或“低”),据表分析,原因是_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
____________。
基质
光照停止,产生的ATP、NADPH减少,暗反应消耗的C5减少,C5与O2结合增加,产生的CO2增多
低
喷施 SoBS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
【解析】(1)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。突然停止光照,则光反应产生的ATP、NADPH减少,暗反应消耗的C5减少,C5与O2结合增加,产生的CO2增多。
(2)与对照相比,喷施100 mg·L-1 SoBS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。
(3)光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物,农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探究 SoBS 溶液利于增产的最适喷施浓度,据表分析,应在____________mg·L-1再设置多个浓度梯度进一步进行实验。
100~300
【解析】 (3)光呼吸会消耗有机物,但光呼吸会释放CO2,补充光合作用的原料,适当抑制光呼吸可以增加作物产量,由表可知,在 SoBS溶液浓度为
200 mg·L-1时,光合作用强度与光呼吸强度差值最大,即光合产量最大,为了进一步探究最适喷施浓度,应在100~300 mg·L-1再设置多个浓度梯度进一步进行实验。
【精研·破疑难】
1.光呼吸的实质:
(1)条件:光照、高O2、低CO2。
(2)物质变化:消耗O2,生成CO2。
(3)能量变化:损耗能量的副反应。
2.光呼吸过程图解:
3.光呼吸与一般有氧呼吸的比较:
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 —
底物 C5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。
5.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:
①消除代谢产物乙醇酸对细胞的不利影响;
②防止强光对光合结构的破坏。
热点二　C4途径
【精析·悟典例】
【典例】(2023·湖南高考节选)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(K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_________________ (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。
(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角度分析,原因是_____________
_______________________________________________________________
______________________________________________________________________________________________________________ (答出三点即可)。
3-磷酸甘油醛　
蔗糖　
筛管(韧皮部)
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,使维管束鞘细胞内的CO2浓度高于外界环境,抑制玉米的光呼吸
【解析】本题考查光合作用的相关知识,意在考查考生的理解能力和综合应用能力。
(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,通过筛管(韧皮部)运输。
(2)干旱、高光照强度时会导致植物气孔关闭,吸收的CO2减少,而玉米的PEPC酶与CO2的亲和力高,可以利用低浓度的CO2进行光合作用,同时抑制植物的光呼吸,且玉米能将叶绿体内的光合产物通过筛管(韧皮部)及时转移出细胞。
【精研·破疑难】
1.C3植物和C4植物的区分依据:根据光合作用碳元素同化的最初光合产物的种类不同,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.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
3.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。
热点三　CAM途径
【精析·悟典例】
【典例】(2021·全国乙卷)生活在干旱地区的一些植物 (如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2,吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中;白天气孔关闭,液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题。
(1)白天叶肉细胞产生ATP的场所有_________________________________ _________。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和_____________ ___________释放的CO2。
细胞质基质、线粒体、叶绿体(类囊
体薄膜)
　呼吸作用
(细胞呼吸)
(2)气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式,这种方式既能防止________________________, 又能保证____________________正常进行。
蒸腾作用丢失大量水分　
光合作用(暗反应)
(3)若以pH作为检测指标,请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。(简要写出实验思路和预期结果)
答案:实验思路:取若干生理状态相同的植物甲,平均分为A、B两组并于夜晚测定其细胞液pH;将A组置于干旱条件下培养,B组置于水分充足的条件下培养,其他条件保持相同且适宜;一段时间后,分别测定A、B两组植物甲夜晚细胞液的pH并记录。预期结果:A组pH小于B组,且B组pH在实验前后变化不大,说明植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。
【解析】本题考查光合作用的过程和影响光合作用的因素。(1)白天叶肉细胞进行光合作用和呼吸作用,光合作用产生ATP的场所是叶绿体类囊体薄膜,呼吸作用产生ATP的场所是细胞质基质和线粒体,细胞内产生CO2的生理过程主要是细胞呼吸,景天科植物还存在苹果酸脱羧过程。(2)生活在干旱地区的植物气孔白天关闭,夜晚打开,既能防止白天蒸腾作用过强、失水过多而萎蔫,又能保证光合作用(暗反应)正常进行。
(3)据题干分析可知:
实验思路:取若干生理状态相同的植物甲,平均分为A、B两组并于夜晚测定其细胞液pH;将A组置于干旱条件下培养,B组置于水分充足的条件下培养,其他条件保持相同且适宜;一段时间后,分别测定A、B两组植物甲夜晚细胞液的pH并记录。本实验为验证实验,所以其预期结果只有一个,即A组pH小于B组,且B组pH在实验前后变化不大,说明植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。
【精研·破疑难】
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:
(1)羧化:夜晚气孔开放,吸进CO2,在PEP羧化酶作用下,与PEP结合,形成草酰乙酸(OAA)。
↓
(2)还原:草酰乙酸被NADH还原后转变为苹果酸,积累在液泡中。
↓
(3)脱羧:白天气孔关闭,液泡中的苹果酸运到细胞质基质,在苹果酸脱羧酶作用下,氧化脱羧生成丙酮酸,放出CO2。CO2参与卡尔文循环,形成淀粉等;丙酮酸转化生成淀粉等。
↓
(4)再生:夜晚淀粉分解产生的磷酸丙糖通过一系列变化,形成PEP,再进一步循环。
3.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。(共21张PPT)
热考专题提分练 热考微专题(一)　光呼吸、C4途径、CAM途径
(20分钟　30分)
1.(2分)光呼吸是植物利用光能,吸收O2并释放CO2的过程。研究者将四种酶基因(GLO、CAT、GCL、TSR)导入水稻叶绿体,创造了一条新的光呼吸代谢支路(GCGT支路),如图虚线所示。
据图分析,下列推测不正确的是(　　)
A.光呼吸时C5与O2的结合发生在叶绿体基质中
B.光呼吸利用的C,一部分可重新进入卡尔文循环
C.有GCGT支路的转基因植物发生了基因突变
D.GCGT支路可以降低碳损失,从而提高光合效率
√
【解析】选C。卡尔文循环的场所为叶绿体基质,图中光呼吸代谢支路利用卡尔文循环中的C5,故C5和O2的结合发生在叶绿体基质中,A正确;GCGT支路中,甘油酸可转化为PGA,进而将碳回收进入卡尔文循环,B正确;转基因属于基因重组,C错误;光呼吸代谢支路(GCGT支路)可以将释放至胞外的部分碳回收进入卡尔文循环,降低光呼吸消耗,从而提高光合速率,D正确。
2.(2分)(2026·广州模拟)玉米的光合作用既有C4途径又有C3途径(如下图),PEP羧化酶对CO2具有较强亲和力。据图分析,下列说法正确的是(　　)
A.物质B为C3,它和PEP均可固定CO2
B.卡尔文循环进行的场所是叶绿体基质
C.为过程②提供能量的物质有ATP和NADH
D.在炎热夏季中午,叶肉细胞还可以生成淀粉
√
【解析】选B。由题图可知,B可参与CO2的固定,B为C5,A错误;卡尔文循环(即暗反应)进行的场所是叶绿体基质,B正确;②为C3的还原,光反应提供的ATP和NADPH可为其提供能量,C错误;淀粉等有机物在维管束鞘细胞中合成,D错误。
3.(2分)原本生活在干旱地区的多肉植物,经研究发现其CO2固定过程非常特殊,被称为景天酸代谢途径。其光合作用产生的中间产物苹果酸在CO2的固定和利用过程中起到重要作用。过程如图所示。据图分析,下列说法错误的是(　　)
A.进行景天酸代谢的植物白天进行光反应,积累ATP和NADPH,晚上进行暗反应合成有机物
B.图示的代谢方式可以有效地避免植物蒸腾过度导致脱水,从而使该类植物适应干旱环境
C.与常见的C3代谢途径植物相比,夜间更适于放置在室内的是景天酸代谢途径植物
D.多肉植物在其原生地环境中,其液泡中的pH会呈现白天升高、晚上降低的周期性变化
√
【解析】选A。白天在光照条件下,进行景天酸代谢的植物通过光反应可生成NADPH和ATP用于暗反应,A错误;图示景天酸代谢途径,白天气孔关闭减少水分的流失,因此可以有效地避免植物蒸腾过度导致脱水,从而使该类植物适应干旱环境,B正确;由于景天酸代谢途径植物晚上气孔张开,不断吸收CO2用于合成苹果酸,减少了空气中的CO2,因此,与常见的C3代谢途径植物相比,夜间更适合放置在室内的是景天酸代谢途径植物,C正确;多肉植物在晚上吸收CO2生成的苹果酸进入液泡(pH降低),白天苹果酸分解产生CO2用于暗反应(pH升高),因此这些植物的液泡中的pH会呈现白天升高、晚上降低的周期性变化,D正确。
4.(12分)(2024·黑吉辽高考)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________________________________________________________________________________
___________________________________。
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,消耗的有机物减少,O2与C5结合减弱,因此CO2与C5结合增强,使暗反应产生的有机物增多
不能
总光合速率=净光合速率+呼吸速率,呼吸速率为光照强度为0时CO2的释放速率,图3的横坐标为CO2的浓度,无法得出呼吸速率
(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______________________________________________________。
与转基因株系2、WT相比,转基因株系1的净光合速率最大
【解析】本题考查光合作用过程与光呼吸。
(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,光呼吸速率降低,消耗的有机物减少,O2与C5结合减弱,因此CO2与C5结合增强,使暗反应产生的有机物增多,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+呼吸速率,呼吸速率为光照强度为0时CO2的释放速率,图3的横坐标为CO2的浓度,因此无法得出呼吸速率,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、图3可知,与转基因株系2、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。
5.(12分)根据光合作用中CO2的固定方式不同,可将植物分为C3植物和C4植物等类型。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。CO2补偿点通常是指光合速率与呼吸速率相等时的环境CO2浓度。据图回答下列问题。
(1)正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位,原因是______________________________(答出1点即可)。
(2)干旱会导致气孔开度减小,研究发现在同等程度干旱条件下,C4植物比C3植物生长得好。从两种植物CO2补偿点的角度分析,可能的原因是_______________________________________________________________
____________________________________________________________。
干旱会导致气孔开度减小,CO2吸收减少,由于C4植物的CO2补偿点低于C3植物,则C4植物能够利用较低浓度的CO2
部分用于自身呼吸作用消耗
【解析】(1)叶片光合作用的产物一部分用来供给自身呼吸作用消耗,因此叶片的光合产物不会全部运输到其他部位。
(2)在干旱条件下气孔开度减小,导致CO2吸收减少,胞间CO2浓度较低,C4植物的CO2补偿点低于C3植物,其更能利用低浓度CO2,因此C4植物受到影响较小。
(3)C4植物固定CO2最初产物是四碳化合物,所以称这种途径为C4途径。C4植物可以在外界CO2浓度很低时固定CO2,不断运输到维管束鞘细胞中,使CO2增加,从而使卡尔文循环得以进行。据此推测PEP羧化酶固定CO2的能力比RuBP羧化酶______。C4途径是一个______________________的途径,是植物适应热带环境的主要途径。
高　
固定低浓度CO2
【解析】 (3)C4植物可以在外界CO2浓度很低时固定CO2,此过程需要PEP羧化酶参与,RuBP羧化酶是催化CO2和C5结合的酶,即参与C3途径的酶,在C4植物中,PEP羧化酶固定CO2的能力比RuBP羧化酶高。由题干“C4植物可以在外界CO2浓度很低时固定CO2”可知,C4途径是一个固定低浓度CO2的途径。
(4)CAM植物(例如仙人掌)多分布在干旱环境中,晚上气孔开放从外界吸收CO2,并储存在液泡中。白天气孔关闭或气孔开度小,储存在液泡中的CO2释放出来,合成有机物。C4植物和CAM植物只是在C3途径前增加了C4途径,由于C4途径可以利用低浓度CO2,因此______途径是后来逐渐进化而来的。C4植物和CAM植物都要进行C4途径和C3途径,C4植物是在___________________________分别进行C3途径和C4途径,而CAM植物是在_______________分别进行C3途径和C4途径。
C4　　
维管束鞘细胞、叶肉细胞
白天、晚上
【解析】(4)C4植物和CAM植物只是在C3途径前增加了C4途径,说明C4途径是植物适应低浓度CO2环境而逐渐进化来的。由题图可知,C4植物利用PEP羧化酶进行C4途径是在叶肉细胞中进行的,利用RuBP羧化酶催化CO2和C5结合,即C3途径是在维管束鞘细胞中进行的;CAM植物利用PEP羧化酶进行C4途径是在晚上进行的,利用RuBP羧化酶催化CO2和C5结合,即C3途径是在白天进行的。热考微专题(一)　光呼吸、C4途径、CAM途径
热点一　光呼吸
【精析·悟典例】
【典例】(2021·山东高考)光照条件下,叶肉细胞中 O2与 CO2 竞争性结合 C5,O2与 C5结合后经一系列反应释放 CO2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,SoBS 溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计。
SoBS浓度/ (mg·L-1) 0 100 200 300 400 500 600
光合作用强度/(CO2μmol·m-2·s-1) 18.9 20.9 20.7 18.7 17.6 16.5 15.7
光呼吸强度/(CO2μmol·m-2·s-1) 6.4 6.2 5.8 5.5 5.2 4.8 4.3
(1)光呼吸中 C5与 O2结合的反应发生在叶绿体的__________中。正常进行光合作用的水稻,突然停止光照,叶片 CO2释放量先增加后降低,CO2释放量增加的原因是____________________________________________________。
(2)与未喷施 SoBS 溶液相比,喷施 100 mg·L-1 SoBS 溶液的水稻叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度________(填“高”或“低”),据表分析,原因是___________________________________________________________________。
(3)光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物,农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探究 SoBS 溶液利于增产的最适喷施浓度,据表分析,应在____________mg·L-1再设置多个浓度梯度进一步进行实验。
【解析】(1)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。突然停止光照,则光反应产生的ATP、NADPH减少,暗反应消耗的C5减少,C5与O2结合增加,产生的CO2增多。
(2)与对照相比,喷施100 mg·L-1 SoBS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。
(3)光呼吸会消耗有机物,但光呼吸会释放CO2,补充光合作用的原料,适当抑制光呼吸可以增加作物产量,由表可知,在 SoBS溶液浓度为200 mg·L-1时,光合作用强度与光呼吸强度差值最大,即光合产量最大,为了进一步探究最适喷施浓度,应在100~300 mg·L-1再设置多个浓度梯度进一步进行实验。
答案:(1)基质　光照停止,产生的ATP、NADPH减少,暗反应消耗的C5减少,C5与O2结合增加,产生的CO2增多
(2)低　喷施 SoBS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
(3)100~300
【精研·破疑难】
1.光呼吸的实质:
(1)条件:光照、高O2、低CO2。
(2)物质变化:消耗O2,生成CO2。
(3)能量变化:损耗能量的副反应。
2.光呼吸过程图解:
3.光呼吸与一般有氧呼吸的比较:
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 —
底物 C5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。
5.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:
①消除代谢产物乙醇酸对细胞的不利影响;
②防止强光对光合结构的破坏。
热点二　C4途径
【精析·悟典例】
【典例】(2023·湖南高考节选)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(K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____________________(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。
(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角度分析,原因是______________________
________________________________(答出三点即可)。
【解析】本题考查光合作用的相关知识,意在考查考生的理解能力和综合应用能力。
(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,通过筛管(韧皮部)运输。
(2)干旱、高光照强度时会导致植物气孔关闭,吸收的CO2减少,而玉米的PEPC酶与CO2的亲和力高,可以利用低浓度的CO2进行光合作用,同时抑制植物的光呼吸,且玉米能将叶绿体内的光合产物通过筛管(韧皮部)及时转移出细胞。
答案:(1)3-磷酸甘油醛　蔗糖　筛管(韧皮部)
(2)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,使维管束鞘细胞内的CO2浓度高于外界环境,抑制玉米的光呼吸
【精研·破疑难】
1.C3植物和C4植物的区分依据:根据光合作用碳元素同化的最初光合产物的种类不同,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.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
3.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。
热点三　CAM途径
【精析·悟典例】
【典例】(2021·全国乙卷)生活在干旱地区的一些植物 (如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2,吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中;白天气孔关闭,液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题。
(1)白天叶肉细胞产生ATP的场所有_________________________________ _________。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和_____________ ___________释放的CO2。
(2)气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式,这种方式既能防止____________________________, 又能保证____________________正常进行。
(3)若以pH作为检测指标,请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。(简要写出实验思路和预期结果)
【解析】本题考查光合作用的过程和影响光合作用的因素。(1)白天叶肉细胞进行光合作用和呼吸作用,光合作用产生ATP的场所是叶绿体类囊体薄膜,呼吸作用产生ATP的场所是细胞质基质和线粒体,细胞内产生CO2的生理过程主要是细胞呼吸,景天科植物还存在苹果酸脱羧过程。(2)生活在干旱地区的植物气孔白天关闭,夜晚打开,既能防止白天蒸腾作用过强、失水过多而萎蔫,又能保证光合作用(暗反应)正常进行。
(3)据题干分析可知:
实验思路:取若干生理状态相同的植物甲,平均分为A、B两组并于夜晚测定其细胞液pH;将A组置于干旱条件下培养,B组置于水分充足的条件下培养,其他条件保持相同且适宜;一段时间后,分别测定A、B两组植物甲夜晚细胞液的pH并记录。本实验为验证实验,所以其预期结果只有一个,即A组pH小于B组,且B组pH在实验前后变化不大,说明植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。
答案:(1)细胞质基质、线粒体、叶绿体(类囊体薄膜)　呼吸作用(细胞呼吸)
(2)蒸腾作用丢失大量水分　光合作用(暗反应)
(3)实验思路:取若干生理状态相同的植物甲,平均分为A、B两组并于夜晚测定其细胞液pH;将A组置于干旱条件下培养,B组置于水分充足的条件下培养,其他条件保持相同且适宜;一段时间后,分别测定A、B两组植物甲夜晚细胞液的pH并记录。预期结果:A组pH小于B组,且B组pH在实验前后变化不大,说明植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。
【精研·破疑难】
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:
(1)羧化:夜晚气孔开放,吸进CO2,在PEP羧化酶作用下,与PEP结合,形成草酰乙酸(OAA)。
↓
(2)还原:草酰乙酸被NADH还原后转变为苹果酸,积累在液泡中。
↓
(3)脱羧:白天气孔关闭,液泡中的苹果酸运到细胞质基质,在苹果酸脱羧酶作用下,氧化脱羧生成丙酮酸,放出CO2。CO2参与卡尔文循环,形成淀粉等;丙酮酸转化生成淀粉等。
↓
(4)再生:夜晚淀粉分解产生的磷酸丙糖通过一系列变化,形成PEP,再进一步循环。
3.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。
- 9 -热考专题提分练
热考微专题(一)　光呼吸、C4途径、CAM途径
(20分钟　30分)
1.(2分)光呼吸是植物利用光能,吸收O2并释放CO2的过程。研究者将四种酶基因(GLO、CAT、GCL、TSR)导入水稻叶绿体,创造了一条新的光呼吸代谢支路(GCGT支路),如图虚线所示。
据图分析,下列推测不正确的是(　　)
A.光呼吸时C5与O2的结合发生在叶绿体基质中
B.光呼吸利用的C,一部分可重新进入卡尔文循环
C.有GCGT支路的转基因植物发生了基因突变
D.GCGT支路可以降低碳损失,从而提高光合效率
【解析】选C。卡尔文循环的场所为叶绿体基质,图中光呼吸代谢支路利用卡尔文循环中的C5,故C5和O2的结合发生在叶绿体基质中,A正确;GCGT支路中,甘油酸可转化为PGA,进而将碳回收进入卡尔文循环,B正确;转基因属于基因重组,C错误;光呼吸代谢支路(GCGT支路)可以将释放至胞外的部分碳回收进入卡尔文循环,降低光呼吸消耗,从而提高光合速率,D正确。
2.(2分)(2026·广州模拟)玉米的光合作用既有C4途径又有C3途径(如下图),PEP羧化酶对CO2具有较强亲和力。据图分析,下列说法正确的是(　　)
A.物质B为C3,它和PEP均可固定CO2
B.卡尔文循环进行的场所是叶绿体基质
C.为过程②提供能量的物质有ATP和NADH
D.在炎热夏季中午,叶肉细胞还可以生成淀粉
【解析】选B。由题图可知,B可参与CO2的固定,B为C5,A错误;卡尔文循环(即暗反应)进行的场所是叶绿体基质,B正确;②为C3的还原,光反应提供的ATP和NADPH可为其提供能量,C错误;淀粉等有机物在维管束鞘细胞中合成,D错误。
3.(2分)原本生活在干旱地区的多肉植物,经研究发现其CO2固定过程非常特殊,被称为景天酸代谢途径。其光合作用产生的中间产物苹果酸在CO2的固定和利用过程中起到重要作用。过程如图所示。据图分析,下列说法错误的是(　　)
A.进行景天酸代谢的植物白天进行光反应,积累ATP和NADPH,晚上进行暗反应合成有机物
B.图示的代谢方式可以有效地避免植物蒸腾过度导致脱水,从而使该类植物适应干旱环境
C.与常见的C3代谢途径植物相比,夜间更适于放置在室内的是景天酸代谢途径植物
D.多肉植物在其原生地环境中,其液泡中的pH会呈现白天升高、晚上降低的周期性变化
【解析】选A。白天在光照条件下,进行景天酸代谢的植物通过光反应可生成NADPH和ATP用于暗反应,A错误;图示景天酸代谢途径,白天气孔关闭减少水分的流失,因此可以有效地避免植物蒸腾过度导致脱水,从而使该类植物适应干旱环境,B正确;由于景天酸代谢途径植物晚上气孔张开,不断吸收CO2用于合成苹果酸,减少了空气中的CO2,因此,与常见的C3代谢途径植物相比,夜间更适合放置在室内的是景天酸代谢途径植物,C正确;多肉植物在晚上吸收CO2生成的苹果酸进入液泡(pH降低),白天苹果酸分解产生CO2用于暗反应(pH升高),因此这些植物的液泡中的pH会呈现白天升高、晚上降低的周期性变化,D正确。
4.(12分)(2024·黑吉辽高考)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________________。
(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____________________________________________________________。
(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______________________________________________________。
【解析】本题考查光合作用过程与光呼吸。
(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,光呼吸速率降低,消耗的有机物减少,O2与C5结合减弱,因此CO2与C5结合增强,使暗反应产生的有机物增多,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+呼吸速率,呼吸速率为光照强度为0时CO2的释放速率,图3的横坐标为CO2的浓度,因此无法得出呼吸速率,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、图3可知,与转基因株系2、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。
答案:(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,消耗的有机物减少,O2与C5结合减弱,因此CO2与C5结合增强,使暗反应产生的有机物增多　不能　总光合速率=净光合速率+呼吸速率,呼吸速率为光照强度为0时CO2的释放速率,图3的横坐标为CO2的浓度,无法得出呼吸速率
(4)与转基因株系2、WT相比,转基因株系1的净光合速率最大
5.(12分)根据光合作用中CO2的固定方式不同,可将植物分为C3植物和C4植物等类型。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。CO2补偿点通常是指光合速率与呼吸速率相等时的环境CO2浓度。据图回答下列问题。
(1)正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位,原因是_________ _______________(答出1点即可)。
(2)干旱会导致气孔开度减小,研究发现在同等程度干旱条件下,C4植物比C3植物生长得好。从两种植物CO2补偿点的角度分析,可能的原因是_______________
__________________________________________________。
(3)C4植物固定CO2最初产物是四碳化合物,所以称这种途径为C4途径。C4植物可以在外界CO2浓度很低时固定CO2,不断运输到维管束鞘细胞中,使CO2增加,从而使卡尔文循环得以进行。据此推测PEP羧化酶固定CO2的能力比RuBP羧化酶______。C4途径是一个______________________的途径,是植物适应热带环境的主要途径。
(4)CAM植物(例如仙人掌)多分布在干旱环境中,晚上气孔开放从外界吸收CO2,并储存在液泡中。白天气孔关闭或气孔开度小,储存在液泡中的CO2释放出来,合成有机物。C4植物和CAM植物只是在C3途径前增加了C4途径,由于C4途径可以利用低浓度CO2,因此______途径是后来逐渐进化而来的。C4植物和CAM植物都要进行C4途径和C3途径,C4植物是在______________________________分别进行C3途径和C4途径,而CAM植物是在__________分别进行C3途径和C4途径。
【解析】(1)叶片光合作用的产物一部分用来供给自身呼吸作用消耗,因此叶片的光合产物不会全部运输到其他部位。
(2)在干旱条件下气孔开度减小,导致CO2吸收减少,胞间CO2浓度较低,C4植物的CO2补偿点低于C3植物,其更能利用低浓度CO2,因此C4植物受到影响较小。
(3)C4植物可以在外界CO2浓度很低时固定CO2,此过程需要PEP羧化酶参与,RuBP羧化酶是催化CO2和C5结合的酶,即参与C3途径的酶,在C4植物中,PEP羧化酶固定CO2的能力比RuBP羧化酶高。由题干“C4植物可以在外界CO2浓度很低时固定CO2”可知,C4途径是一个固定低浓度CO2的途径。
(4)C4植物和CAM植物只是在C3途径前增加了C4途径,说明C4途径是植物适应低浓度CO2环境而逐渐进化来的。由题图可知,C4植物利用PEP羧化酶进行C4途径是在叶肉细胞中进行的,利用RuBP羧化酶催化CO2和C5结合,即C3途径是在维管束鞘细胞中进行的;CAM植物利用PEP羧化酶进行C4途径是在晚上进行的,利用RuBP羧化酶催化CO2和C5结合,即C3途径是在白天进行的。
答案:(1)部分用于自身呼吸作用消耗
(2)干旱会导致气孔开度减小,CO2吸收减少,由于C4植物的CO2补偿点低于C3植物,则C4植物能够利用较低浓度的CO2
(3)高　固定低浓度CO2
(4)C4　维管束鞘细胞、叶肉细胞　白天、晚上
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