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第13讲　捕获光能的色素和结构、光合作用的原理
【课标要求】
1.说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量,这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中,转换并储存为糖分子中的化学能。
2.活动:提取和分离绿叶中的色素。
考点一　捕获光能的色素和结构
【精梳攻教材】
【基础整合】
1.绿叶中色素的提取和分离:
(1)实验原理:
步骤 试剂 原理
提取 无水乙醇 绿叶中的色素溶于有机溶剂,而不溶于水
分离 层析液 各种色素在层析液中的溶解度不同,溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快,反之则慢
(2)实验装置:
(3)实验步骤:
(4)实验结果:
【名师点睛】
层析结果的4点说明
(1)色素带的条数与色素的种类有关。
(2)叶绿素a的含量最多,色素带最宽。
(3)胡萝卜素的含量最少,色素带最窄。
(4)胡萝卜素在层析液中溶解度最大,叶绿素b在层析液中溶解度最小。
2.捕获光能色素的吸收光谱:
【名师点睛】
植物显色原理:植物的颜色是它们“反射”的光的颜色决定的,如绿色叶片对绿光吸收最少,反射绿光最多,我们看起来才是绿色的。
3.叶绿体的结构适合进行光合作用:
(1)叶绿体的结构模式图
(2)叶绿体功能的实验验证
【多维赋能】
1.实验异常现象分析:
2.圆形滤纸片分离色素的方法:
提取叶绿体中的色素,也可用如图所示的方法:在圆心处滴加适量滤液,待干燥后再滴加适量滤液进行层析,结果会出现不同颜色的4个同心圆。
【自测强化】
1.将小麦色素提取液滴加到滤纸条上,然后将色素滴加部位浸入层析液进行层析。(2025·河北卷,5C)(×)
分析:不能将色素滴加部位浸入层析液,因为这样会导致滤纸条上的色素溶解于层析液中,无法分离色素。
2.分离菠菜叶中的色素时,因层析液有挥发性,需在通风好的条件下进行。(2025·黑吉辽内蒙古卷,11D)(√)
3.通常,红外光和紫外光可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用。(必修1 P99)(×)
分析:一般情况下,光合作用所利用的光都是可见光,而红外光和紫外光不能被利用。
4.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得越慢。(2023·全国乙卷,2D)(×)
分析:叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得越快。
5.用有机溶剂提取色素时,加入碳酸钙是为了防止类胡萝卜素被破坏。(2023·江苏卷,12A)(×)
分析:防止色素被破坏。
【精练提素养】
1. 【不定项】(2024·贵州卷【改编】)为探究不同光照强度对叶色的影响,取紫鸭跖草在不同光照强度下,其他条件相同且适宜,分组栽培,一段时间后获取各组光合色素提取液,用分光光度法(一束单色光通过溶液时,溶液的吸光度与吸光物质的浓度成正比)分别测定每组各种光合色素含量。下列叙述正确的是(　　)
A.叶片研磨时加入碳酸钙可防止破坏色素
B.分离提取液中的光合色素可采用纸层析法
C.光合色素相对含量不同可使叶色出现差异
D.测定叶绿素的含量时可使用蓝紫光波段
【解析】选A、B、C。本题考查绿叶中色素的提取和分离实验。提取光合色素加入碳酸钙可以防止色素被破坏,A正确;由于不同色素在层析液中溶解度不同,因此在滤纸上的扩散速度不同,从而达到分离的效果,这是纸层析法,B正确;不同光合色素颜色不同,因此光合色素相对含量不同可使叶色出现差异,叶绿素多使叶片呈绿色,而秋季叶绿素减少,类胡萝卜素相对增多使叶片呈黄色,C正确;叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收蓝紫光,所以不能用蓝紫光波段测定叶绿素含量,D错误。
2.(2024·河北卷【改编】)高原地区蓝光和紫外光较强,常采用覆膜措施辅助林木育苗。为探究不同颜色覆膜对藏川杨幼苗生长的影响,研究者检测了白膜、蓝膜和绿膜对不同光的透过率,以及覆膜后幼苗光合色素的含量,结果如图、表所示。
覆膜处理 叶绿素 含量/(mg·) 类胡萝卜素 含量/(mg·)
白膜 1.67 0.71
蓝膜 2.20 0.90
绿膜 1.74 0.65
回答下列问题:
(1)如图所示,三种颜色的膜对紫外光、蓝光和绿光的透过率有明显差异,其中________光可被位于叶绿体____________上的光合色素高效吸收后用于光反应,进而使暗反应阶段的C3还原转化为__________和______________。与覆盖白膜相比,蓝膜和绿膜透过的__________较少,可更好地减弱幼苗受到的辐射。
(2)光合色素溶液的浓度与其光吸收值成正比,选择适当波长的光可对色素含量进行测定。提取光合色素时,可利用____________作为溶剂。
(3)研究表明,覆盖蓝膜更有利于藏川杨幼苗在高原环境的生长。根据上述检测结果,其原因为__________________________________________________________
____________________________________________________________________
__________________________________________ (答出两点即可)。
【解析】本题考查光合作用场所、叶绿体的结构和功能、叶绿体中色素的提取、光合作用过程、光合色素吸收光谱的差异性等知识,并考查学生结合图表信息分析问题的能力。
(1)叶绿体由双层膜包被,内部有许多基粒。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成,这些囊状结构称为类囊体。吸收光能的4种色素就分布在类囊体的薄膜上。其中叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光,胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。这 4种色素吸收的光波长有差别,但是都可以用于光合作用。光合色素吸收的光能在光反应阶段转化为ATP和NADPH中活跃的化学能用于暗反应,在这一阶段,一些接受能量并被还原的C3,在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类;另一些接受能量并被还原的C3,经过一系列变化,又形成C5。据图可知,与覆盖白膜相比,蓝膜和绿膜透过的紫外光较少,可更好地减弱幼苗受到的辐射。
(2)绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,所以,可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。
(3)高原地区紫外光强烈,覆盖蓝膜后,紫外光透过率降低,可减少紫外光对幼苗的伤害,此外,覆盖蓝膜时幼苗叶绿素和类胡萝卜素的含量最高,可以提高植物对光能的利用率,促进植物的光合作用,提高产量。
答案:(1)蓝　类囊体薄膜　 C5　糖类或(CH2O)　紫外光
(2)无水乙醇
(3)高原地区紫外光强烈,覆盖蓝膜后,紫外光透过率降低,可减少紫外光对幼苗的伤害;覆盖蓝膜时幼苗叶绿素和类胡萝卜素的含量最高,可以提高植物对光能的利用率
【加固训练】
1.(2024·广东卷)银杏是我国特有的珍稀植物,其叶片变黄后极具观赏价值。某同学用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,下列实验操作正确的是(　　)
A.选择新鲜程度不同的叶片混合研磨
B.研磨时用水补充损失的提取液
C.将两组滤纸条置于同一烧杯中层析
D.用过的层析液直接倒入下水道
【解析】选C。本题考查光合色素的提取与分离实验。本实验目的是用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,应选择新鲜程度不同的叶片分开研磨,A错误;色素溶于有机溶剂,提取液为无水乙醇,光合色素不溶于水,B错误;由于滤纸条不会相互影响,且层析液成分相同,故两组滤纸条可以置于同一烧杯中层析,C正确;用过的层析液含有石油醚、丙酮和苯,不能直接倒入下水道,D错误。
2.(2025·保定模拟)科学家将色素溶液与阳光之间放置一块三棱镜,分别让不同颜色的光照射色素溶液,得到色素溶液的吸收光谱如下图所示,①②③代表不同色素。下列说法正确的是(　　)
A.①在红光区吸收的光能可转化为ATP中的化学能
B.②为蓝绿色,③为黄绿色,二者均含有M
C.纸层析法分离色素时,②处于滤纸条最下端
D.种植蔬菜大棚时可使用蓝紫色或红色的塑料薄膜
【解析】选C。由图可知,①是类胡萝卜素,②是叶绿素b,③是叶绿素a。类胡萝卜素不吸收红光,A错误;叶绿素b为黄绿色,叶绿素a为蓝绿色,二者均含有Mg2+,B错误;叶绿素b在层析液中的溶解度最低,随层析液在滤纸条上扩散的速度最慢,故纸层析法分离色素时,处于滤纸条最下端的是叶绿素b,C正确;蔬菜大棚使用的塑料薄膜应该是无色透明的,以提高太阳光中的可见光的利用率,D错误。
考点二　光合作用的原理
【精梳攻教材】
【基础整合】
1.探索光合作用原理的部分实验:
2.光合作用的过程:
【名师点睛】
光照停止后暗反应不能长时间进行
光照停止后暗反应短时间内仍然能够持续,但无法长时间正常进行,原因是暗反应中C3的还原需要光反应提供ATP和NADPH,停止光照使光反应停止,叶绿体中仍有少量ATP和NADPH能使暗反应持续进行一段时间,但是这段时间后,暗反应因缺少ATP和NADPH而无法进行。
3.光合作用和化能合成作用的比较:
项目 光合作用 化能合成作用
条件 光、色素、酶 酶
原料 CO2和H2O等无机物
产物 糖类等有机物
能量 来源 光能 某些无机物氧化时释放的能量
生物 种类 绿色植物、蓝细菌等 硝化细菌、硫细菌等
【多维赋能】
1.同位素标记元素转移途径:
2.实例分析:
(必修1 P102 思考·讨论 分析)希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应,请说明理由:水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的,没有碳参与反应,而糖的合成需要碳的参与。
【自测强化】
1.光合作用的暗反应不消耗ATP。(2025·河北卷,1B)(×)
分析:光反应中生成ATP用于暗反应。
2.绿色植物的光合作用和呼吸作用过程中,类囊体膜上消耗H2O,而线粒体基质中生成H2O。(2025·河北卷,4A)(×)
分析:类囊体膜上进行水的光解消耗H2O,而线粒体内膜上进行有氧呼吸第三个阶段生成H2O,线粒体基质中进行有氧呼吸第二个阶段不生成H2O。
3.离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后,在合适的条件下可完成暗反应过程。(必修1 P103图5-14)(√)
4.高温使作物叶绿素降解,光反应生成的NADH和ATP减少。(2023·湖北卷,11D)(×)
分析:光反应中生成NADPH。
5.弱光条件下植物没有O2的释放,说明未进行光合作用。(2021·湖南卷,7A)(×)
分析:可能此时光合作用等于或小于呼吸作用。
6.光合作用中,水的光解发生在类囊体薄膜上。(2024·江西卷,5D)(√)
【精研强思维】
【思维探究】
　人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,提高资源利用效率,为推进“碳中和”提供新思路。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)(生命观念)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是____________________,模块3中的甲可与CO2结合,甲是什么物质
提示:模块1和模块2　五碳化合物(或C5)
(2)(科学思维)若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将如何变化 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,原因是什么
提示:减少;模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足。
(3)(科学思维)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__________(填“高于”“低于”或“等于”)植物,原因是什么
提示:高于　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)(社会责任)干旱条件下,很多植物光合作用速率降低,主要原因是什么
提示:叶片气孔开放程度降低,CO2的吸收量减少。
【思维建构】
环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
　(1)“过程法”分析各物质变化
当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化:
(2)“模型法”表示C3和C5的含量变化
说明:起始值C3高于C5(约为其2倍)
【精练提素养】
1.如图所示,将草酸铁(含F)加入含有离体叶绿体的溶液中,除去空气并给予适宜的光照后,溶液颜色发生变化并产生氧气。在相同条件下,不添加草酸铁时,则不产生氧气。下列有关论述正确的是(　　)
A.可通过差速离心法提取叶绿体并置于蒸馏水中保存
B.相较于蓝紫光,绿光照射时叶绿体释放氧气量更多
C.颜色变化是由于F被还原,F相当于叶绿体基质内的NADH
D.实验说明叶绿体中氧气的产生过程与糖类的合成过程相对独立
【解析】选D。可通过差速离心法提取叶绿体,但是不能置于蒸馏水中保存,否则会吸水涨破,A错误;相较于绿光,蓝紫光吸收量大,用蓝紫光照射时叶绿体释放氧气量更多,B错误;NADH是呼吸作用中的还原剂,颜色变化是由于F被还原,F不是还原剂,C错误;实验过程中除去了空气,说明叶绿体中氧气的产生过程与糖类的合成过程相对独立,D正确。
2.(2026·吉林模拟)如图表示某生物膜结构及其发生的部分生理过程,下列叙述正确的是(　　)
A.图中膜结构表示叶绿体内膜,B侧为叶绿体基质
B.图示过程的能量变化是光能转变成ATP中稳定的化学能
C.甲可表示色素分子,其中类胡萝卜素主要吸收蓝紫光和红光
D.图示为光反应部分过程,水分解为O2和H+的同时还产生电子
【解析】选D。据题图分析,图示生物膜吸收了光能,发生了水被分解成H+和O2的过程,因此该生物膜为叶绿体的类囊体膜,是光合作用光反应的场所;光能来自A侧,H+运输到A侧参与暗反应,说明A侧为叶绿体基质,A错误;图示过程为光反应,能量变化是光能转变成ATP中活跃的化学能,B错误;甲表示色素分子,其中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,C错误;图示为光反应部分过程,水分解为O2和H+的同时还产生电子,D正确。
3.(2026·朝阳模拟)如图所示为叶肉细胞中叶绿体进行光合作用的过程,A、B代表物质。下列叙述错误的是(　　)
A.叶绿体能将光能转变为化学能储存在有机物中
B.①上产生的B物质移动到②上参与C3的还原
C.②中产生的NADP+移动到①上参与H2O的光解
D.①上产生的A物质可用于CO2的固定和C3的还原
【解析】选D。叶肉细胞光合作用的场所是叶绿体,叶绿体通过光合作用将光能转变为化学能储存在有机物中,A正确;①类囊体薄膜上产生的B物质NADPH移动到②叶绿体基质中,参与C3的还原,形成糖类等有机物,B正确;②叶绿体基质中产生的NADP+移动到①类囊体薄膜上接受水光解产生的氢,形成NADPH,C正确;①类囊体薄膜上产生的A物质ATP可用于C3的还原,而CO2的固定不需要消耗能量,D错误。
【加固训练】
　(2025·菏泽模拟)科研人员对绿色植物光暗转换过程中的适应机制进行研究。测定绿色植物由黑暗到光照的过程中CO2吸收速率(μmol·m-2·s-1)和光反应相对速率(μmol·m-2·s-1)的变化,结果如图。下列叙述正确的是(　　)
A.黑暗时植物的CO2吸收速率为-0.1 μmol·m-2·s-1,与线粒体内膜产生CO2有关
B.由黑暗转变为光照条件后,叶肉细胞中NADPH和ATP的量会一直增加
C.光照0~0.5 min光反应相对速率下降,与暗反应激活延迟造成NADPH和ATP积累有关
D.光照2 min后,光反应和暗反应速率均稳定,暗反应速率大于光反应速率
【解析】选C。黑暗时植株的CO2吸收速率为-0.1 μmol·m-2·s-1,说明植株的呼吸速率为0.1 μmol·m-2·s-1,与线粒体基质中产生CO2有关,A错误;光反应为暗反应提供NADPH和ATP,正常情况下如果0~0.5 min暗反应被激活,CO2吸收速率会增加,而图中0~0.5 min光反应相对速率下降,CO2吸收速率变化不显著,说明暗反应未被立即激活,出现该现象的原因是暗反应激活延迟,造成光反应产生的NADPH和ATP积累,导致光反应被抑制,后续暗反应被激活,光反应产生的NADPH和ATP会被消耗,故叶肉细胞中NADPH和ATP的量不会一直增加,B错误,C正确;光照
2 min后,光反应和暗反应速率均稳定,暗反应速率与光反应速率基本相同,D错误。
【体验高考真题溯源】
1.(2025·山东卷)→(必修1 P98~P99探究·实践)“绿叶中色素的提取和分离”实验操作中要注意“干燥”,下列说法错误的是(　　)
A.应使用干燥的定性滤纸
B.绿叶需烘干后再提取色素
C.重复画线前需等待滤液细线干燥
D.无水乙醇可用加入适量无水碳酸钠的95%乙醇替代
【教考融通】题目考查了材料用具和操作流程等:新鲜的绿叶(如菠菜的绿叶),干燥的定性滤纸(选项A、B);用毛细吸管吸取少量滤液,沿铅笔线均匀地画出一条细线,待滤液干后,再重画一到二次(选项C),无水乙醇(也可用体积分数为95%的乙醇加入适量无水碳酸钠来代替)(选项D)。
【解析】选B。光合色素分离实验需要使用干燥的定性滤纸,水分会影响层析液在滤纸条上扩散从而影响色素的分离,A正确;提取光合色素可以使用新鲜的绿叶,烘干会破坏色素,B错误;重复画线前需等待滤液细线干燥,否则会导致滤液细线变粗,最终导致分离的色素条带不清晰,C正确;提取光合色素一般用无水乙醇,若没有无水乙醇,可以用加入适量无水碳酸钠的95%乙醇替代,D正确。
【加固训练】
(2025·黑吉辽内蒙古卷)→(必修1 P108非选择题2)Rubisco是光合作用暗反应中的关键酶。科研人员将Rubisco基因转入某作物的野生型(WT)获得该酶含量增加的转基因品系(S),并做了相关研究。实验结果表明,这一改良提高了该作物的光合速率(如下图)和产量潜力。回答下列问题。
(1)Rubisco在叶绿体的__________中催化__________与CO2结合。部分产物经过一系列反应形成(CH2O),这一过程中能量转换是_________________________。
【解析】(1)Rubisco是光合作用暗反应中的关键酶,暗反应的场所是叶绿体基质,因此Rubisco在叶绿体基质中催化C5与CO2结合生成C3。在C3的还原过程中需要ATP和NADPH提供能量,部分产物经过一系列反应形成(CH2O),这一过程中能量转化是ATP和NADPH中活跃的化学能转化为有机物(CH2O)中稳定的化学能。
(2)据图分析,当胞间CO2浓度高于B点时,曲线②与③重合是由于__________不足。A点之前曲线①和②重合的最主要限制因素是__________。胞间CO2浓度为300 μmol·mol-1时,曲线①比②的光合速率高的具体原因是___________。
【解析】(2)①②曲线的自变量是有无补光(光照强度),②③曲线的自变量是有无转入Rubisco基因(Rubisco的含量)。据图分析,当胞间CO2浓度低于B点时,曲线②高于③,是因为②中Rubisco的含量多,固定CO2的能力强,当胞间CO2浓度高于B点时,曲线②与③重合,说明Rubisco的量已经不是限制光合速率的因素,而曲线①光合速率高于曲线②③,曲线①有较高的光照强度,因此曲线②与③重合是由于光照强度不足。曲线①的光照强度高于②,但是A点之前曲线①和②重合,光照强度不是限制因素,此时最主要的限制因素是CO2浓度。胞间CO2浓度为300 μmol·mol-1时,曲线①比②的光合速率高的具体原因是曲线①光照强度高,光反应速率快,产生更多的ATP和NADPH,使暗反应速率加快,光合速率高。
(3)研究发现,在饱和光照和适宜CO2浓度条件下,S植株固定CO2生成C3的速率比WT更快。使用同位素标记的方法设计实验直接加以验证,简要写出实验思路。
_______________________________________________________________
【解析】(3)研究发现,在饱和光照和适宜CO2浓度条件下,S植株固定CO2生成C3的速率比WT更快。要验证此结论,实验思路为:用14C标记CO2,分别将S植株与WT植株置于相同的饱和光照和适宜14CO2浓度条件下,定时检测C3放射性强度,比较S植株与WT的C3生成速率。
【教考融通】本题源于教材中CO2与光合作用的关系,借助坐标曲线图,结合光合作用的影响因素,考查光合作用的原理及应用。
答案:(1)基质　C5　ATP和NADPH中活跃的化学能转化为有机物(CH2O)中稳定的化学能
(2)光照强度　CO2浓度　曲线①光照强度高,光反应速率快,产生更多的ATP和NADPH,使暗反应速率加快,光合速率高
(3)用14C标记CO2,分别将S植株与WT植株置于相同的饱和光照和适宜14CO2浓度条件下,定时检测C3放射性强度,比较S植株与WT的C3生成速率。
【深研教材预测高考】
2.(必修1 P102 思考·讨论 素材分析)1937年,植物学家希尔发现在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂,在光下可以释放出O2,该实验被称为希尔反应。后来科学家将叶绿体破碎离心,分别收集绿色沉淀部分和无色上清液部分,绿色沉淀部分悬浮后照光可以产生O2。下列说法正确的是(　　)
A.绿色沉淀部分含量最多的色素是叶绿素b
B.希尔反应场所是叶绿体类囊体薄膜
C.铁盐等氧化剂是希尔反应的催化剂
D.在无色上清液中加入CO2不能合成C3
【解析】选B。绿色沉淀部分含量最多的色素是叶绿素a,A错误;离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应被称为希尔反应,场所是叶绿体类囊体薄膜,B正确;铁盐等氧化剂是氢受体,接受H+,参与反应,不是催化剂,C错误;叶绿体破碎离心获得无色上清液,其中含有C5及相关的酶,因此在无色上清液中加入CO2能合成C3,D错误。
3.(必修1 P103~P104光合作用的过程分析)我国科学家模拟植物光合作用,设计了一条利用CO2合成淀粉的人工路线,流程如图所示。下列相关分析正确的是(　　)
A.①②过程与光反应的过程完全相同,③④过程与暗反应过程完全相同
B.该过程与植物光合作用的本质都是将光能转化成化学能储藏于有机物中
C.该过程与光合作用合成淀粉都是在常温常压下进行的较温和的反应
D.步骤①需要催化剂,②③④既不需要催化剂也不需要消耗能量
【解析】选B。分析题图可知,①②过程模拟暗反应中CO2的固定,③④过程模拟暗反应中C3的还原,A错误;植物光合作用的本质是利用光能将无机物(CO2和H2O)转化为有机物,同时将光能转化为有机物中的化学能,图示过程也将CO2和H2O转化为淀粉,同时储存能量,二者的本质是相同的,B正确;由题图可知,①过程是利用催化剂在一定条件下进行的化学反应,反应过程不一定温和,②③④是在酶的催化下完成的,反应条件较温和,C错误;分析图示可知,图中②③④需要在酶的催化下进行,是由小分子聚合成大分子的反应,为吸能反应,需要消耗能量,D错误。核心素养测评　
第二单元　第13讲　捕获光能的色素和结构、光合作用的原理
(20分钟　38分)
【基础过关练】
1.(2分)(2023·全国乙卷)植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。下列有关叶绿体中色素的叙述,错误的是 (　　)
A.氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素
B.叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上
C.用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰
D.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得越慢
【解析】选D。本题考查叶绿体中的色素的元素组成、分布、功能和提取的相关知识。氮元素和镁元素是构成叶绿素的重要元素,A正确;叶绿体中的光合色素均分布在叶绿体类囊体的薄膜上,B正确;由于类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,所以用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰,C正确;叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸条上的扩散速度越快,D错误。
【知识拓展】影响叶绿素合成的三大因素
2.(2分)(2023·江苏卷)下列关于提取和分离叶绿体色素实验的叙述合理的是 (　　)
A.用有机溶剂提取色素时,加入碳酸钙是为了防止类胡萝卜素被破坏
B.若连续多次重复画滤液细线,可累积更多的色素,但易出现色素带重叠
C.该实验提取和分离色素的方法可用于测定绿叶中各种色素含量
D.用红色苋菜叶进行实验可得到5条色素带,花青素位于叶绿素a、b之间
【解析】选B。用有机溶剂提取色素时,加入碳酸钙可以中和细胞液的酸性,有助于保护叶绿体色素,A错误;画滤液细线时要间断画2~3次,若连续多次重复画滤液细线,虽可累积更多的色素,但会造成滤液细线过宽,易出现色素带重叠,B正确;该实验中分离色素的方法是纸层析法,可根据各种色素在滤纸条上呈现的色素带的宽窄来比较判断各色素的相对含量,但不能具体测定绿叶中各种色素含量,C错误;花青素存在于液泡中,溶于水,不易溶于有机溶剂,若得到5条色素带,距离滤液细线最近的色素带为花青素,应在叶绿素b的下方,D错误。
3.(2分)在高等植物光合作用的卡尔文循环中,唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco,下列叙述正确的是 (　　)
A.Rubisco存在于细胞质基质中
B.激活Rubisco需要黑暗条件
C.Rubisco催化CO2固定需要ATP
D.Rubisco催化C5和CO2结合
【解析】选D。Rubisco参与植物光合作用过程中的暗反应,暗反应场所在叶绿体基质,故Rubisco存在于叶绿体基质中,A错误;暗反应不直接依赖光,但需要光照间接影响,激活Rubisco不依赖黑暗条件,B错误;Rubisco催化CO2固定不需要ATP,C错误;Rubisco催化二氧化碳的固定,即C5和CO2结合生成C3的过程,D正确。
4.(2分)如图表示某植物叶片暗反应中C3和C5物质的量浓度的变化趋势,该植物在Ⅰ阶段处于适宜环境条件下,Ⅱ阶段改变的环境条件是降低光照强度或者降低CO2浓度中的某一项。下列分析正确的是 (　　)
A.图中物质甲转变成乙需要消耗光反应提供的ATP
B.图中Ⅱ阶段所改变的环境条件是降低了光照强度
C.图中Ⅱ阶段甲上升是因为叶绿体中NADPH和ATP的积累
D.图中Ⅱ阶段光合速率最大时所需光照强度比Ⅰ阶段低
【解析】选D。因为暗反应中1 mol C5和1 mol CO2可生成2 mol C3,所以在适宜条件下,叶肉细胞内C3是C5的2倍,因此图中甲是C5,乙是C3。图中物质甲C5与CO2结合形成乙C3,该过程只需要酶的催化,不需要消耗光反应提供的ATP和NADPH,A错误;植物在Ⅰ阶段处于适宜环境条件下,如果Ⅱ阶段改变的环境条件是降低光照强度,则ATP和NADPH产生量减少,那么C3增加,C5减少,与图形的走势不符合,B错误;图中Ⅱ阶段甲上升,乙下降,则改变的条件可能是降低CO2浓度,进而导致C5消耗减少而表现为含量上升,同时C3生成减少而表现为含量下降,C错误;由以上分析可知,Ⅱ阶段的变化是由CO2浓度下降导致的,所以Ⅱ阶段光合速率最大时所需光照强度比Ⅰ阶段低,D正确。
5.(2分)如图所示,测定新鲜菠菜叶片中提取的色素的吸收光谱,下列相关说法正确的是 (　　)
A.吸收光谱中红光和蓝紫光区域较为明亮,绿光区域较暗
B.若在提取色素时没有加入碳酸钙,则吸收光谱的红光区域会变亮
C.若在提取色素时研磨不充分,则吸收光谱的红光和蓝紫光区域都变暗
D.提取的色素放置一段时间后实验效果变差,主要原因是色素的挥发
【解析】选B。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,对绿光吸收最少,所以吸收光谱中绿光区域较亮,红光和蓝紫光区域较暗,A错误;碳酸钙的作用是防止叶绿素被破坏,若没有加入碳酸钙,叶绿素会被破坏,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,所以吸收光谱的红光区域会变亮,B正确;研磨不充分会使色素提取量减少,吸收的光减少,更多的光会穿过三棱镜,所以吸收光谱的红光和蓝紫光区域都变亮,C错误;提取的色素放置一段时间后实验效果变差,主要原因是色素被氧化分解,而不是挥发,D错误。
6.(2分)光合作用的卡尔文循环可分为羧化、还原和再生3个阶段,如图所示。下列有关说法错误的是 (　　)
A.RuBP是一种五碳化合物
B.图中羧化表示CO2的固定过程
C.CO2浓度突然降低,PGA/RuBP的值减小
D.卡尔文循环的3个阶段均直接受光反应影响
【解析】选D。在羧化阶段,RuBP与CO2结合,而光合作用过程中CO2与五碳化合物结合生成三碳化合物,故RuBP为一种五碳化合物,A正确;在羧化阶段,RuBP与CO2结合,表示CO2的固定过程,B正确;当CO2浓度突然降低时,CO2的固定过程受阻,RuBP的量会增加,PGA的量会减少,故PGA/RuBP的值减小,C正确;光反应产生NADPH和ATP应用于暗反应,即卡尔文循环中的还原和再生2个阶段直接受光反应的影响,而羧化不直接受光反应的影响,D错误。
【思维进阶练】
7.(3分) 【不定项】(2025·四平模拟)羟基乙酸可作为合成多种有机物的原料。研究人员构建了一种非天然的酶催化CO2固定新途径(CETCH循环),高效地将CO2转化为羟基乙酸,并利用该途径研制出能合成羟基乙酸的人造叶绿体(如图)。下列分析正确的是 (　　)
A.人造叶绿体内的水既作为多种物质的溶剂,还参与相关代谢
B.为了使人造叶绿体持续地运作,需要源源不断地输入光能
C.图中的CETCH循环需要NADP+、ADP和Pi作为直接原料
D.若人造叶绿体得到广泛应用,一定程度上可抵消碳排放的影响
【解析】选A、B、D。人造叶绿体内的水可以作为多种物质的溶剂,同时水还参与光合作用的相关过程,A正确;为了使人造叶绿体持续地运作,需要源源不断地输入光能,保证光反应的持续进行,B正确;图中的CETCH循环需要利用NADPH、ATP作为直接原料,C错误;人造叶绿体可利用CO2,故若其得到广泛应用,一定程度上可抵消碳排放的影响,D正确。
8.(3分) 【不定项】(2026·大连模拟)如图为光合作用暗反应的产物磷酸丙糖的代谢途径,其中磷酸丙糖转运体(TPT)的活性是限制光合速率大小的重要因素。已知:CO2充足时,TPT活性降低;磷酸丙糖与Pi通过TPT的运输严格按1∶1的比例进行转运。据图分析,下列有关叙述正确的是 (　　)
A.叶肉细胞的光合产物主要是以蔗糖形式运出细胞的
B.暗反应中磷酸丙糖的合成需要消耗光反应产生的ATP
C.若磷酸丙糖的合成速率超过Pi转运进叶绿体的速率,则有利于蔗糖的合成
D.农业生产上可以通过增加CO2来提高作物中淀粉和蔗糖的含量
【解析】选A、B。由题图可知,叶肉细胞的光合产物主要是以蔗糖形式运出细胞的,A正确;C3被还原合成磷酸丙糖,需要消耗光反应产生的ATP和NADPH,B正确;若磷酸丙糖的合成速率超过Pi转运进叶绿体的速率,则有利于淀粉的合成,C错误;CO2充足时,TPT活性降低,导致磷酸丙糖运出叶绿体合成蔗糖的过程受到影响,所以增加CO2能提高作物中淀粉的含量,但蔗糖的含量会下降,D错误。
【加固训练】
(2025·盐城模拟)植物中许多含铁化合物都参与了光合作用,植物体内约有80%的铁储存于叶绿体内,在缺铁条件下,叶绿素含量会减少。下列叙述正确的是 (　　)
A.光合作用的光反应发生在叶绿体外膜和类囊体薄膜上
B.缺铁时叶绿素含量减少说明铁是合成叶绿素的元素
C.铁为微量元素,但对细胞的正常生命活动至关重要
D.在铁充足时,光反应产生的ATP可用于CO2固定
【解析】选C。光合作用的光反应发生在叶绿体类囊体薄膜上,不在叶绿体外膜,A错误;叶绿素的元素组成包括C、H、O、N、Mg等,不含Fe,B错误;铁为微量元素,在细胞中含量较少,但对细胞的正常生命活动至关重要,C正确;在铁充足时,光反应产生的ATP可用于暗反应中C3的还原,CO2固定不消耗能量,D错误。
9.(10分)(2025·贵州卷)牡丹绿色系品种“豆绿”开花初期花瓣绿色逐渐加深,中后期逐渐褪绿转为淡粉色。叶绿素是影响该花呈色的主要色素,其合成与降解需多种酶参与。回答下列问题:
(1)(4分)开花初期花瓣绿色逐渐加深,影响这一过程的主要环境因素是　温度和光照　,叶绿素分布在叶绿体的　类囊体薄膜　上,开花初期叶绿素使花呈现绿色的原因是　叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,几乎不吸收绿光,绿光被反射出来　。
【解析】(1)叶绿素是影响牡丹绿色系品种“豆绿”呈色的主要色素,其合成与降解需多种酶参与,酶活性受温度的影响,此外叶绿素还会在光下分解,据此推测,开花初期花瓣绿色逐渐加深,影响这一过程的主要环境因素是温度和光照,叶绿素分布在叶绿体的类囊体薄膜上。开花初期叶绿素使花呈现绿色的原因是叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,反射绿光。
(2)(3分)为研究不同时期花瓣中叶绿素含量变化,需在不同时间取样,并将样品低温保存,低温保存的目的是　低温条件下,酶活性低,叶绿素不易被降解　。用于提取“豆绿”花瓣中叶绿素的试剂是　无水乙醇　。
【解析】(2)为研究不同时期花瓣中叶绿素含量变化,需在不同时间取样,并将样品低温保存,这是因为低温条件下,酶活性低,叶绿素不易被降解,因而便于叶绿素含量的检测。用于提取“豆绿”花瓣中叶绿素的试剂是无水乙醇,这是根据叶绿素能溶解到有机溶剂中设计的。
(3)(3分)研究表明,PSNAC5蛋白通过调控叶绿素代谢相关基因的表达影响叶绿素含量。如图所示为“豆绿”开花初期PSNAC5基因沉默对花瓣中叶绿素含量的影响。据图推测,PSNAC5基因沉默后叶绿素含量变化的根本原因可能是　PSNAC5基因沉默后促进了叶绿素合成相关基因的表达,抑制了与叶绿素分解相关基因的表达　。(答出2点)
【解析】(3)图中显示,PSNAC5基因沉默后叶绿素含量比对照组增多,据此推测,PSNAC5基因沉默后叶绿素含量变化的根本原因可能是PSNAC5基因沉默后促进了叶绿素合成相关基因的表达,抑制了与叶绿素分解相关基因的表达。
10.(10分)(2023·重庆卷)水稻是我国重要的粮食作物,光合能力是影响水稻产量的重要因素。
(1)(4分)通常发现,叶绿素含量与植物的光合速率呈正相关。但研究发现,叶绿素含量降低的某一突变体水稻,在强光照条件下,其光合速率反而明显高于野生型。为探究其原因,有研究者对野生型和突变体的部分生理指标做检测,结果如下表所示:
项目 光反应 暗反应
光能转化效率 类囊体薄膜电子传递效率 RuBP羧化酶含量 Vmax
野生型 0.49 180.1 4.6 129.5
突变体 0.66 199.5 7.5 164.5
注:RuBP羧化酶:催化CO2固定的酶;:RuBP羧化酶催化的最大速率。
①类囊体薄膜电子传递的最终产物是　NADPH　, RuBP羧化酶催化的底物是CO2和　C5　。
②据表分析,突变体水稻光合速率高于野生型的原因是　突变体的光反应与暗反应速率都较野生型快　。
【解析】(1)①光合作用的光反应阶段在类囊体薄膜上进行。这个阶段电子传递的最终产物是NADPH。RuBP羧化酶是催化CO2固定的酶,这个阶段是暗反应阶段(CO2的固定),在这个反应中,CO2在CO2固定酶的作用下与C5(一种五碳化合物)结合,所以RuBP羧化酶催化的底物是CO2和C5。
②根据分析可知,表中的类囊体薄膜电子传递速率代表了光反应速率,电子传递速率越高,则光反应速率越快;RuBP羧化酶含量高低与暗反应速率有关,RuBP羧化酶含量越高,暗反应速率越快。由表可知,突变体的光反应和暗反应速率都比野生型快,所以突变体水稻的光合速率高于野生型。
(2)(6分)研究人员进一步测定了田间光照和遮阴条件下两种水稻的产量,结果如下表:
项目 田间光照产量 田间遮阴产量
野生型 6.93 6.20
突变体 7.35 3.68
①在田间遮阴条件下,突变体水稻产量却明显低于野生型,造成这个结果的内因是　突变体叶绿素含量太低　,外因是　光照强度太低　。
②水稻叶肉细胞的光合产物有淀粉和　蔗糖　, 两者可以相互转化,后者是光合产物的主要运输形式,在开花结实期主要运往籽粒。
③根据以上结果,推测两种水稻的光补偿点(光合速率和呼吸速率相等时的光照强度),突变体水稻较野生型　高　(填“高”“低”或“相等”)。
【解析】(2)①根据光合作用的分析可知,只要影响到原料、能量的供应都是影响光合作用的因素,比如CO2的浓度、叶片气孔的开闭情况、光照强度等;叶绿体是光合作用的场所,影响叶绿体的形成、结构的因素,比如叶绿体光合色素含量低等也会影响光合作用。根据题干可知在遮阴情况下突变体水稻产量明显低于野生型,因此推测这种结果的内因是突变体自身叶绿素含量太低,外因则是光照强度太低。
②蔗糖是光合作用的主要产物,也是植物光合作用远距离运输的主要形式。所以水稻叶肉细胞的光合产物有淀粉和蔗糖,两者可以相互转化,后者是光合产物的主要运输形式,在开花结实期主要运往籽粒。
③根据以上结果可知,在同等光合速率下突变体水稻所需要的光照更强,因此突变体水稻的光补偿点较野生型高。
【加固训练】
参与光合作用的蛋白质由TOC和TIC蛋白系统输入叶绿体。TIC236作为TIC系统的一种蛋白,向膜间隙延伸与TOC系统结合,构成蛋白质穿越双层膜的关键桥梁(如图所示)。据研究推测,TIC236可能是某种蓝细菌的蛋白质演化而来。下列说法正确的是 (　　)
A.输入叶绿体的蛋白质在内质网上合成
B.叶绿体内的蛋白质全部参与光合作用
C.减少TIC236的表达会降低叶绿体蛋白质的输入速率
D.TIC236是叶绿体来自蓝细菌的唯一证据
【解析】选C。蛋白质的合成场所在核糖体,A错误;光合作用的场所在叶绿体类囊体薄膜和叶绿体基质,所以不是所有的叶绿体内的蛋白质都参与光合作用,B错误;根据题干信息TIC236构成蛋白质穿越双层膜的关键桥梁,可知减少TIC236的表达会导致该“桥梁”受损,所以会降低叶绿体蛋白质的输入速率,C正确;从题干中不能看出TIC236是叶绿体来自蓝细菌的唯一证据,D错误。(共33张PPT)
核心素养测评　
第二单元　第13讲　捕获光能的色素和结构、光合作用的原理
(20分钟　38分)
【基础过关练】
1.(2分)(2023·全国乙卷)植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。
下列有关叶绿体中色素的叙述,错误的是 (　　)
A.氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素
B.叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上
C.用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰
D.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得越慢
√
【解析】选D。本题考查叶绿体中的色素的元素组成、分布、功能和提取的相关知识。氮元素和镁元素是构成叶绿素的重要元素,A正确;叶绿体中的光合色素均分布在叶绿体类囊体的薄膜上,B正确;由于类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,所以用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰,C正确;叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸条上的扩散速度越快,D错误。
【知识拓展】影响叶绿素合成的三大因素
2.(2分)(2023·江苏卷)下列关于提取和分离叶绿体色素实验的叙述合理的是
(　　)
A.用有机溶剂提取色素时,加入碳酸钙是为了防止类胡萝卜素被破坏
B.若连续多次重复画滤液细线,可累积更多的色素,但易出现色素带重叠
C.该实验提取和分离色素的方法可用于测定绿叶中各种色素含量
D.用红色苋菜叶进行实验可得到5条色素带,花青素位于叶绿素a、b之间
√
【解析】选B。用有机溶剂提取色素时,加入碳酸钙可以中和细胞液的酸性,有助于保护叶绿体色素,A错误;画滤液细线时要间断画2~3次,若连续多次重复画滤液细线,虽可累积更多的色素,但会造成滤液细线过宽,易出现色素带重叠,B正确;该实验中分离色素的方法是纸层析法,可根据各种色素在滤纸条上呈现的色素带的宽窄来比较判断各色素的相对含量,但不能具体测定绿叶中各种色素含量,C错误;花青素存在于液泡中,溶于水,不易溶于有机溶剂,若得到5条色素带,距离滤液细线最近的色素带为花青素,应在叶绿素b的下方,D错误。
3.(2分)在高等植物光合作用的卡尔文循环中,唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco,下列叙述正确的是 (　　)
A.Rubisco存在于细胞质基质中
B.激活Rubisco需要黑暗条件
C.Rubisco催化CO2固定需要ATP
D.Rubisco催化C5和CO2结合
√
【解析】选D。Rubisco参与植物光合作用过程中的暗反应,暗反应场所在叶绿体基质,故Rubisco存在于叶绿体基质中,A错误;暗反应不直接依赖光,但需要光照间接影响,激活Rubisco不依赖黑暗条件,B错误;Rubisco催化CO2固定不需要ATP,C错误;Rubisco催化二氧化碳的固定,即C5和CO2结合生成C3的过程,D正确。
4.(2分)如图表示某植物叶片暗反应中C3和C5物质的量浓度的变化趋势,该植
物在Ⅰ阶段处于适宜环境条件下,Ⅱ阶段改变的环境条件是降低光照强度或者
降低CO2浓度中的某一项。下列分析正确的是 (　　)
A.图中物质甲转变成乙需要消耗光反应提供的ATP
B.图中Ⅱ阶段所改变的环境条件是降低了光照强度
C.图中Ⅱ阶段甲上升是因为叶绿体中NADPH和ATP的积累
D.图中Ⅱ阶段光合速率最大时所需光照强度比Ⅰ阶段低
√
【解析】选D。因为暗反应中1 mol C5和1 mol CO2可生成2 mol C3,所以在适宜条件下,叶肉细胞内C3是C5的2倍,因此图中甲是C5,乙是C3。图中物质甲C5与CO2结合形成乙C3,该过程只需要酶的催化,不需要消耗光反应提供的ATP和NADPH,A错误;植物在Ⅰ阶段处于适宜环境条件下,如果Ⅱ阶段改变的环境条件是降低光照强度,则ATP和NADPH产生量减少,那么C3增加,C5减少,与图形的走势不符合,B错误;图中Ⅱ阶段甲上升,乙下降,则改变的条件可能是降低CO2浓度,进而导致C5消耗减少而表现为含量上升,同时C3生成减少而表现为含量下降,C错误;由以上分析可知,Ⅱ阶段的变化是由CO2浓度下降导致的,所以Ⅱ阶段光合速率最大时所需光照强度比Ⅰ阶段低,D正确。
5.(2分)如图所示,测定新鲜菠菜叶片中提取的色素的吸收光谱,下列相关说
法正确的是 (　　)
A.吸收光谱中红光和蓝紫光区域较为明亮,绿光区域较暗
B.若在提取色素时没有加入碳酸钙,则吸收光谱的红光区域会变亮
C.若在提取色素时研磨不充分,则吸收光谱的红光和蓝紫光区域都变暗
D.提取的色素放置一段时间后实验效果变差,主要原因是色素的挥发
√
【解析】选B。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,对绿光吸收最少,所以吸收光谱中绿光区域较亮,红光和蓝紫光区域较暗,A错误;碳酸钙的作用是防止叶绿素被破坏,若没有加入碳酸钙,叶绿素会被破坏,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,所以吸收光谱的红光区域会变亮,B正确;研磨不充分会使色素提取量减少,吸收的光减少,更多的光会穿过三棱镜,所以吸收光谱的红光和蓝紫光区域都变亮,C错误;提取的色素放置一段时间后实验效果变差,主要原因是色素被氧化分解,而不是挥发,D错误。
6.(2分)光合作用的卡尔文循环可分为羧化、还原和再生3个阶段,如图所示。
下列有关说法错误的是 (　　)
A.RuBP是一种五碳化合物
B.图中羧化表示CO2的固定过程
C.CO2浓度突然降低,PGA/RuBP的值减小
D.卡尔文循环的3个阶段均直接受光反应影响
√
【解析】选D。在羧化阶段,RuBP与CO2结合,而光合作用过程中CO2与五碳化合物结合生成三碳化合物,故RuBP为一种五碳化合物,A正确;在羧化阶段,RuBP与CO2结合,表示CO2的固定过程,B正确;当CO2浓度突然降低时,CO2的固定过程受阻,RuBP的量会增加,PGA的量会减少,故PGA/RuBP的值减小,C正确;光反应产生NADPH和ATP应用于暗反应,即卡尔文循环中的还原和再生2个阶段直接受光反应的影响,而羧化不直接受光反应的影响,D错误。
【思维进阶练】
7.(3分) 【不定项】(2025·四平模拟)羟基乙酸可作为合成多种有机物的原料。研
究人员构建了一种非天然的酶催化CO2固定新途径(CETCH循环),高效地将CO2转
化为羟基乙酸,并利用该途径研制出能合成羟基乙酸的人造叶绿体(如图)。下列
分析正确的是 (　　)
A.人造叶绿体内的水既作为多种物质的溶剂,还参与相关代谢
B.为了使人造叶绿体持续地运作,需要源源不断地输入光能
C.图中的CETCH循环需要NADP+、ADP和Pi作为直接原料
D.若人造叶绿体得到广泛应用,一定程度上可抵消碳排放的影响
√
√
√
【解析】选A、B、D。人造叶绿体内的水可以作为多种物质的溶剂,同时水还参与光合作用的相关过程,A正确;为了使人造叶绿体持续地运作,需要源源不断地输入光能,保证光反应的持续进行,B正确;图中的CETCH循环需要利用NADPH、ATP作为直接原料,C错误;人造叶绿体可利用CO2,故若其得到广泛应用,一定程度上可抵消碳排放的影响,D正确。
8.(3分) 【不定项】(2026·大连模拟)如图为光合作用暗反应的产物磷酸丙糖的代
谢途径,其中磷酸丙糖转运体(TPT)的活性是限制光合速率大小的重要因素。已
知:CO2充足时,TPT活性降低;磷酸丙糖与Pi通过TPT的运输严格按1∶1的比例进
行转运。据图分析,下列有关叙述正确的是 (　　)
A.叶肉细胞的光合产物主要是以蔗糖形式运出细胞的
B.暗反应中磷酸丙糖的合成需要消耗光反应产生的
ATP
C.若磷酸丙糖的合成速率超过Pi转运进叶绿体的速率,则有利于蔗糖的合成
D.农业生产上可以通过增加CO2来提高作物中淀粉和蔗糖的含量
√
√
【解析】选A、B。由题图可知,叶肉细胞的光合产物主要是以蔗糖形式运出细胞的,A正确;C3被还原合成磷酸丙糖,需要消耗光反应产生的ATP和NADPH,B正确;若磷酸丙糖的合成速率超过Pi转运进叶绿体的速率,则有利于淀粉的合成,C错误;CO2充足时,TPT活性降低,导致磷酸丙糖运出叶绿体合成蔗糖的过程受到影响,所以增加CO2能提高作物中淀粉的含量,但蔗糖的含量会下降,D错误。
【加固训练】
(2025·盐城模拟)植物中许多含铁化合物都参与了光合作用,植物体内约有
80%的铁储存于叶绿体内,在缺铁条件下,叶绿素含量会减少。下列叙述正
确的是 (　　)
A.光合作用的光反应发生在叶绿体外膜和类囊体薄膜上
B.缺铁时叶绿素含量减少说明铁是合成叶绿素的元素
C.铁为微量元素,但对细胞的正常生命活动至关重要
D.在铁充足时,光反应产生的ATP可用于CO2固定
√
【解析】选C。光合作用的光反应发生在叶绿体类囊体薄膜上,不在叶绿体外膜,A错误;叶绿素的元素组成包括C、H、O、N、Mg等,不含Fe,B错误;铁为微量元素,在细胞中含量较少,但对细胞的正常生命活动至关重要,C正确;在铁充足时,光反应产生的ATP可用于暗反应中C3的还原,CO2固定不消耗能量,D错误。
9.(10分)(2025·贵州卷)牡丹绿色系品种“豆绿”开花初期花瓣绿色逐渐加深,
中后期逐渐褪绿转为淡粉色。叶绿素是影响该花呈色的主要色素,其合成
与降解需多种酶参与。回答下列问题:
(1)(4分)开花初期花瓣绿色逐渐加深,影响这一过程的主要环境因素是
_______________,叶绿素分布在叶绿体的_______________上,开花初期叶
绿素使花呈现绿色的原因是______________________________________
________________________。
　温度和光照　
　类囊体薄膜　
　叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,几乎不吸
收绿光,绿光被反射出来　
【解析】(1)叶绿素是影响牡丹绿色系品种“豆绿”呈色的主要色素,其合成与降解需多种酶参与,酶活性受温度的影响,此外叶绿素还会在光下分解,据此推测,开花初期花瓣绿色逐渐加深,影响这一过程的主要环境因素是温度和光照,叶绿素分布在叶绿体的类囊体薄膜上。开花初期叶绿素使花呈现绿色的原因是叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,反射绿光。
(2)(3分)为研究不同时期花瓣中叶绿素含量变化,需在不同时间取样,并将样
品低温保存,低温保存的目的是____________________________________
_____。用于提取“豆绿”花瓣中叶绿素的试剂是_____________。
【解析】(2)为研究不同时期花瓣中叶绿素含量变化,需在不同时间取样,并
将样品低温保存,这是因为低温条件下,酶活性低,叶绿素不易被降解,因而便
于叶绿素含量的检测。用于提取“豆绿”花瓣中叶绿素的试剂是无水乙醇,这
是根据叶绿素能溶解到有机溶剂中设计的。
　低温条件下,酶活性低,叶绿素不易被降
解　
　无水乙醇　
(3)(3分)研究表明,PSNAC5蛋白通过调控叶绿素代谢相关基因的表达影响
叶绿素含量。如图所示为“豆绿”开花初期PSNAC5基因沉默对花瓣中叶绿
素含量的影响。据图推测,PSNAC5基因沉默后叶绿素含量变化的根本原因
可能是_________________________________________________________
_____________________________。(答出2点)
　PSNAC5基因沉默后促进了叶绿素合成相关基因的表达,抑制了
与叶绿素分解相关基因的表达　
【解析】(3)图中显示,PSNAC5基因沉默后叶绿素含量比对照组增多,据此推测,PSNAC5基因沉默后叶绿素含量变化的根本原因可能是PSNAC5基因沉默后促进了叶绿素合成相关基因的表达,抑制了与叶绿素分解相关基因的表达。
10.(10分)(2023·重庆卷)水稻是我国重要的粮食作物,光合能力是影响水稻产量的重要因素。
(1)(4分)通常发现,叶绿素含量与植物的光合速率呈正相关。但研究发现,叶绿素含量降低的某一突变体水稻,在强光照条件下,其光合速率反而明显高于野生型。为探究其原因,有研究者对野生型和突变体的部分生理指标做检测,结果如下表所示:
项目 光反应 暗反应
光能转化效率 类囊体薄膜电子传递效率 RuBP羧化酶含量 Vmax
野生型 0.49 180.1 4.6 129.5
突变体 0.66 199.5 7.5 164.5
注:RuBP羧化酶:催化CO2固定的酶;:RuBP羧化酶催化的最大速率。
①类囊体薄膜电子传递的最终产物是____________, RuBP羧化酶催化的底
物是CO2和_______。
②据表分析,突变体水稻光合速率高于野生型的原因是_________________
___________________________。
【解析】(1)①光合作用的光反应阶段在类囊体薄膜上进行。这个阶段电子
传递的最终产物是NADPH。RuBP羧化酶是催化CO2固定的酶,这个阶段是
暗反应阶段(CO2的固定),在这个反应中,CO2在CO2固定酶的作用下与C5(一
种五碳化合物)结合,所以RuBP羧化酶催化的底物是CO2和C5。
　NADPH　
　C5　
　突变体的光反应
与暗反应速率都较野生型快　
②根据分析可知,表中的类囊体薄膜电子传递速率代表了光反应速率,电子传递速率越高,则光反应速率越快;RuBP羧化酶含量高低与暗反应速率有关,RuBP羧化酶含量越高,暗反应速率越快。由表可知,突变体的光反应和暗反应速率都比野生型快,所以突变体水稻的光合速率高于野生型。
(2)(6分)研究人员进一步测定了田间光照和遮阴条件下两种水稻的产量,结
果如下表:
项目 田间光照产量 田间遮阴产量
野生型 6.93 6.20
突变体 7.35 3.68
①在田间遮阴条件下,突变体水稻产量却明显低于野生型,造成这个结果的
内因是_________________________,外因是_________________。
②水稻叶肉细胞的光合产物有淀粉和_________, 两者可以相互转化,后者是
光合产物的主要运输形式,在开花结实期主要运往籽粒。
③根据以上结果,推测两种水稻的光补偿点(光合速率和呼吸速率相等时的
光照强度),突变体水稻较野生型_______(填“高”“低”或“相等”)。
　突变体叶绿素含量太低　
　光照强度太低　
　蔗糖　
　高　
【解析】(2)①根据光合作用的分析可知,只要影响到原料、能量的供应都是影响光合作用的因素,比如CO2的浓度、叶片气孔的开闭情况、光照强度等;叶绿体是光合作用的场所,影响叶绿体的形成、结构的因素,比如叶绿体光合色素含量低等也会影响光合作用。根据题干可知在遮阴情况下突变体水稻产量明显低于野生型,因此推测这种结果的内因是突变体自身叶绿素含量太低,外因则是光照强度太低。
②蔗糖是光合作用的主要产物,也是植物光合作用远距离运输的主要形式。所以水稻叶肉细胞的光合产物有淀粉和蔗糖,两者可以相互转化,后者是光合产物的主要运输形式,在开花结实期主要运往籽粒。
③根据以上结果可知,在同等光合速率下突变体水稻所需要的光照更强,因此突变体水稻的光补偿点较野生型高。
【加固训练】
参与光合作用的蛋白质由TOC和TIC蛋白系统输入叶绿体。TIC236作为TIC
系统的一种蛋白,向膜间隙延伸与TOC系统结合,构成蛋白质穿越双层膜的
关键桥梁(如图所示)。据研究推测,TIC236可能是某种蓝细菌的蛋白质演化
而来。下列说法正确的是 (　　)
A.输入叶绿体的蛋白质在内质网上合成
B.叶绿体内的蛋白质全部参与光合作用
C.减少TIC236的表达会降低叶绿体蛋白质的输入速率
D.TIC236是叶绿体来自蓝细菌的唯一证据
√
【解析】选C。蛋白质的合成场所在核糖体,A错误;光合作用的场所在叶绿体类囊体薄膜和叶绿体基质,所以不是所有的叶绿体内的蛋白质都参与光合作用,B错误;根据题干信息TIC236构成蛋白质穿越双层膜的关键桥梁,可知减少TIC236的表达会导致该“桥梁”受损,所以会降低叶绿体蛋白质的输入速率,C正确;从题干中不能看出TIC236是叶绿体来自蓝细菌的唯一证据,D错误。(共65张PPT)
第13讲　捕获光能的色素和结构、光合作用
的原理
考点一　捕获光能的色素和结构
考点二　光合作用的原理
从教材走向高考
【课标要求】
1.说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量,这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中,转换并储存为糖分子中的化学能。
2.活动:提取和分离绿叶中的色素。
考点一　捕获光能的色素和结构
【精梳攻教材】
【基础整合】
1.绿叶中色素的提取和分离:
(1)实验原理:
步骤 试剂 原理
提取 _________ 绿叶中的色素溶于__________,而不溶于水
分离 _______ 各种色素在________中的________不同,溶解度高
的随层析液在滤纸上扩散得____,反之则慢
无水乙醇
有机溶剂
层析液
层析液
溶解度
快
(2)实验装置:
(3)实验步骤:
(4)实验结果:
【名师点睛】
层析结果的4点说明
(1)色素带的条数与色素的种类有关。
(2)叶绿素a的含量最多,色素带最宽。
(3)胡萝卜素的含量最少,色素带最窄。
(4)胡萝卜素在层析液中溶解度最大,叶绿素b在层析液中溶解度最小。
2.捕获光能色素的吸收光谱:
【名师点睛】
植物显色原理:植物的颜色是它们“反射”的光的颜色决定的,如绿色叶片对绿光吸收最少,反射绿光最多,我们看起来才是绿色的。
3.叶绿体的结构适合进行光合作用:
(1)叶绿体的结构模式图
(2)叶绿体功能的实验验证
【多维赋能】
1.实验异常现象分析:
2.圆形滤纸片分离色素的方法:
提取叶绿体中的色素,也可用如图所示的方法:在圆心处滴加适量滤液,待干燥后再滴加适量滤液进行层析,结果会出现不同颜色的4个同心圆。
【自测强化】
1.将小麦色素提取液滴加到滤纸条上,然后将色素滴加部位浸入层析液进行
层析。(2025·河北卷,5C)( )
分析:不能将色素滴加部位浸入层析液,因为这样会导致滤纸条上的色素溶
解于层析液中,无法分离色素。
2.分离菠菜叶中的色素时,因层析液有挥发性,需在通风好的条件下进行。
(2025·黑吉辽内蒙古卷,11D)( )
×
√
3.通常,红外光和紫外光可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用。(必修1
P99)( )
分析:一般情况下,光合作用所利用的光都是可见光,而红外光和紫外光不能
被利用。
4.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得越慢。
(2023·全国乙卷,2D)( )
分析:叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得
越快。
×
×
5.用有机溶剂提取色素时,加入碳酸钙是为了防止类胡萝卜素被破坏。
(2023·江苏卷,12A)( )
分析:防止色素被破坏。
×
【精练提素养】
1. 【不定项】(2024·贵州卷【改编】)为探究不同光照强度对叶色的影响,取紫鸭跖草在不同光照强度下,其他条件相同且适宜,分组栽培,一段时间后获取各组光合色素提取液,用分光光度法(一束单色光通过溶液时,溶液的吸光度与吸光物质的浓度成正比)分别测定每组各种光合色素含量。下列叙述正确的是(　　)
A.叶片研磨时加入碳酸钙可防止破坏色素
B.分离提取液中的光合色素可采用纸层析法
C.光合色素相对含量不同可使叶色出现差异
D.测定叶绿素的含量时可使用蓝紫光波段
√
√
√
【解析】选A、B、C。本题考查绿叶中色素的提取和分离实验。提取光合色素加入碳酸钙可以防止色素被破坏,A正确;由于不同色素在层析液中溶解度不同,因此在滤纸上的扩散速度不同,从而达到分离的效果,这是纸层析法,B正确;不同光合色素颜色不同,因此光合色素相对含量不同可使叶色出现差异,叶绿素多使叶片呈绿色,而秋季叶绿素减少,类胡萝卜素相对增多使叶片呈黄色,C正确;叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收蓝紫光,所以不能用蓝紫光波段测定叶绿素含量,D错误。
2.(2024·河北卷【改编】)高原地区蓝光和紫外光较强,常采用覆膜措施辅助林木育苗。为探究不同颜色覆膜对藏川杨幼苗生长的影响,研究者检测了白膜、蓝膜和绿膜对不同光的透过率,以及覆膜后幼苗光合色素的含量,结果如图、表所示。
覆膜处理 叶绿素 含量/(mg·) 类胡萝卜素
含量/(mg·)
白膜 1.67 0.71
蓝膜 2.20 0.90
绿膜 1.74 0.65
回答下列问题:
(1)如图所示,三种颜色的膜对紫外光、蓝光和绿光的透过率有明显差异,其
中________光可被位于叶绿体______________上的光合色素高效吸收后用
于光反应,进而使暗反应阶段的C3还原转化为______和________________。
与覆盖白膜相比,蓝膜和绿膜透过的__________较少,可更好地减弱幼苗受
到的辐射。
(2)光合色素溶液的浓度与其光吸收值成正比,选择适当波长的光可对色素
含量进行测定。提取光合色素时,可利用____________作为溶剂。
蓝
类囊体薄膜
C5
糖类或(CH2O)
紫外光
无水乙醇
(3)研究表明,覆盖蓝膜更有利于藏川杨幼苗在高原环境的生长。根据上述
检测结果,其原因为___________________________________________
____________________________________________________________
______________________________________________ (答出两点即可)。
高原地区紫外光强烈,覆盖蓝膜后,紫外光透过率降低,可减少紫外光对幼苗的伤害;覆盖蓝膜时幼苗叶绿素和类胡萝卜素的含量最高,可以提高植物对光能的利用率
【解析】本题考查光合作用场所、叶绿体的结构和功能、叶绿体中色素的提取、光合作用过程、光合色素吸收光谱的差异性等知识,并考查学生结合图表信息分析问题的能力。
(1)叶绿体由双层膜包被,内部有许多基粒。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成,这些囊状结构称为类囊体。吸收光能的4种色素就分布在类囊体的薄膜上。其中叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光,胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。这 4种色素吸收的光波长有差别,但是都可以用于光合作用。光合色素吸收的光能在光反应阶段转化为ATP和NADPH中活跃的化学能用于暗反应,在这一阶段,一些接受能量并被还原的C3,在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类;另一些接受能量并被还原的C3,经过一系列变化,又形成C5。据图可知,与覆盖白膜相比,蓝膜和绿膜透过的紫外光较少,可更好地减弱幼苗受到的辐射。
(2)绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,所以,可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。
(3)高原地区紫外光强烈,覆盖蓝膜后,紫外光透过率降低,可减少紫外光对幼苗的伤害,此外,覆盖蓝膜时幼苗叶绿素和类胡萝卜素的含量最高,可以提高植物对光能的利用率,促进植物的光合作用,提高产量。
【加固训练】
1.(2024·广东卷)银杏是我国特有的珍稀植物,其叶片变黄后极具观赏价值。某同学用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,下列实验操作正确的是(　　)
A.选择新鲜程度不同的叶片混合研磨
B.研磨时用水补充损失的提取液
C.将两组滤纸条置于同一烧杯中层析
D.用过的层析液直接倒入下水道
√
【解析】选C。本题考查光合色素的提取与分离实验。本实验目的是用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,应选择新鲜程度不同的叶片分开研磨,A错误;色素溶于有机溶剂,提取液为无水乙醇,光合色素不溶于水,B错误;由于滤纸条不会相互影响,且层析液成分相同,故两组滤纸条可以置于同一烧杯中层析,C正确;用过的层析液含有石油醚、丙酮和苯,不能直接倒入下水道,D错误。
2.(2025·保定模拟)科学家将色素溶液与阳光之间放置一块三棱镜,分别让不同颜色的光照射色素溶液,得到色素溶液的吸收光谱如下图所示,①②③代表不同色素。下列说法正确的是(　　)
A.①在红光区吸收的光能可转化为ATP中的化学能
B.②为蓝绿色,③为黄绿色,二者均含有M
C.纸层析法分离色素时,②处于滤纸条最下端
D.种植蔬菜大棚时可使用蓝紫色或红色的塑料薄膜
√
【解析】选C。由图可知,①是类胡萝卜素,②是叶绿素b,③是叶绿素a。类胡萝卜素不吸收红光,A错误;叶绿素b为黄绿色,叶绿素a为蓝绿色,二者均含有Mg2+,B错误;叶绿素b在层析液中的溶解度最低,随层析液在滤纸条上扩散的速度最慢,故纸层析法分离色素时,处于滤纸条最下端的是叶绿素b,C正确;蔬菜大棚使用的塑料薄膜应该是无色透明的,以提高太阳光中的可见光的利用率,D错误。
考点二　光合作用的原理
【精梳攻教材】
【基础整合】
1.探索光合作用
原理的部分实验:
2.光合作用的过程:
【名师点睛】
光照停止后暗反应不能长时间进行
光照停止后暗反应短时间内仍然能够持续,但无法长时间正常进行,原因是暗反应中C3的还原需要光反应提供ATP和NADPH,停止光照使光反应停止,叶绿体中仍有少量ATP和NADPH能使暗反应持续进行一段时间,但是这段时间后,暗反应因缺少ATP和NADPH而无法进行。
3.光合作用和化能合成作用的比较:
项目 光合作用 化能合成作用
条件 光、色素、酶 酶
原料 CO2和H2O等无机物
产物 ______等有机物
能量来源 _____ 某些无机物氧化时释放的能量
生物种类 绿色植物、蓝细菌等 __________、硫细菌等
糖类
光能
硝化细菌
【多维赋能】
1.同位素标记元素转移途径:
2.实例分析:
(必修1 P102 思考·讨论 分析)希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一
个化学反应,请说明理由: ___________________________________________
__________________________________。
水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的,没有
碳参与反应,而糖的合成需要碳的参与
【自测强化】
1.光合作用的暗反应不消耗ATP。(2025·河北卷,1B)( )
分析:光反应中生成ATP用于暗反应。
2.绿色植物的光合作用和呼吸作用过程中,类囊体膜上消耗H2O,而线粒体
基质中生成H2O。(2025·河北卷,4A)( )
分析:类囊体膜上进行水的光解消耗H2O,而线粒体内膜上进行有氧呼吸第三
个阶段生成H2O,线粒体基质中进行有氧呼吸第二个阶段不生成H2O。
3.离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后,在合适的条件下可完成
暗反应过程。(必修1 P103图5-14)( )
×
×
√
4.高温使作物叶绿素降解,光反应生成的NADH和ATP减少。(2023·湖北
卷,11D)( )
分析:光反应中生成NADPH。
5.弱光条件下植物没有O2的释放,说明未进行光合作用。(2021·湖南卷,
7A)( )
分析:可能此时光合作用等于或小于呼吸作用。
6.光合作用中,水的光解发生在类囊体薄膜上。(2024·江西卷,5D)( )
×
×
√
【精研强思维】
【思维探究】
人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,提高资源利用效率,为推进“碳中和”提供新思路。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)(生命观念)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是____________________,模块3中的甲可与CO2结合,甲是什么物质
提示:模块1和模块2　五碳化合物(或C5)
(2)(科学思维)若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将如何变化 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,原因是什么
提示:减少;模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足。
(3)(科学思维)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__________(填“高于”“低于”或“等于”)植物,原因是什么
提示:高于　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)(社会责任)干旱条件下,很多植物光合作用速率降低,主要原因是什么
提示:叶片气孔开放程度降低,CO2的吸收量减少。
【思维建构】
环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
(1)“过程法”分析各物质变化
当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化:
(2)“模型法”表示C3和C5的含量变化
说明:起始值C3高于C5(约为其2倍)
【精练提素养】
1.如图所示,将草酸铁(含F)加入含有离体叶绿体的溶液中,除去空气并给予适宜的光照后,溶液颜色发生变化并产生氧气。在相同条件下,不添加草酸铁时,则不产生氧气。下列有关论述正确的是(　　)
A.可通过差速离心法提取叶绿体并置于蒸馏水中保存
B.相较于蓝紫光,绿光照射时叶绿体释放氧气量更多
C.颜色变化是由于F被还原, F相当于叶绿体基质内的NADH
D.实验说明叶绿体中氧气的产生过程与糖类的合成过程相对独立
√
【解析】选D。可通过差速离心法提取叶绿体,但是不能置于蒸馏水中保存,否则会吸水涨破,A错误;相较于绿光,蓝紫光吸收量大,用蓝紫光照射时叶绿体释放氧气量更多,B错误;NADH是呼吸作用中的还原剂,颜色变化是由于F被还原,F不是还原剂,C错误;实验过程中除去了空气,说明叶绿体中氧气的产生过程与糖类的合成过程相对独立,D正确。
2.(2026·吉林模拟)如图表示某生物膜结构及其发生的部分生理过程,下列叙述正确的是(　　)
A.图中膜结构表示叶绿体内膜,B侧为叶绿体基质
B.图示过程的能量变化是光能转变成ATP中稳定的化学能
C.甲可表示色素分子,其中类胡萝卜素主要吸收蓝紫光和红光
D.图示为光反应部分过程,水分解为O2和H+的同时还产生电子
√
【解析】选D。据题图分析,图示生物膜吸收了光能,发生了水被分解成H+和O2的过程,因此该生物膜为叶绿体的类囊体膜,是光合作用光反应的场所;光能来自A侧,H+运输到A侧参与暗反应,说明A侧为叶绿体基质,A错误;图示过程为光反应,能量变化是光能转变成ATP中活跃的化学能,B错误;甲表示色素分子,其中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,C错误;图示为光反应部分过程,水分解为O2和H+的同时还产生电子,D正确。
3.(2026·朝阳模拟)如图所示为叶肉细胞中叶绿体进行光合作用的过程,A、B代表物质。下列叙述错误的是(　　)
A.叶绿体能将光能转变为化学能储存在有机物中
B.①上产生的B物质移动到②上参与C3的还原
C.②中产生的NADP+移动到①上参与H2O的光解
D.①上产生的A物质可用于CO2的固定和C3的还原
√
【解析】选D。叶肉细胞光合作用的场所是叶绿体,叶绿体通过光合作用将光能转变为化学能储存在有机物中,A正确;①类囊体薄膜上产生的B物质NADPH移动到②叶绿体基质中,参与C3的还原,形成糖类等有机物,B正确;②叶绿体基质中产生的NADP+移动到①类囊体薄膜上接受水光解产生的氢,形成NADPH,C正确;①类囊体薄膜上产生的A物质ATP可用于C3的还原,而CO2的固定不需要消耗能量,D错误。
【加固训练】
(2025·菏泽模拟)科研人员对绿色植物光暗转换过程中的适应机制进行研究。测定绿
色植物由黑暗到光照的过程中CO2吸收速率(μmol·m-2·s-1)和光反应相对速率(μmol·m-2·s-1)
的变化,结果如图。下列叙述正确的是(　　)
A.黑暗时植物的CO2吸收速率为-0.1 μmol·m-2·s-1,
与线粒体内膜产生CO2有关
B.由黑暗转变为光照条件后,叶肉细胞中NADPH
和ATP的量会一直增加
C.光照0~0.5 min光反应相对速率下降,与暗反应激活延迟造成NADPH和ATP积累
有关
D.光照2 min后,光反应和暗反应速率均稳定,暗反应速率大于光反应速率
√
【解析】选C。黑暗时植株的CO2吸收速率为-0.1 μmol·m-2·s-1,说明植株的呼吸速率为0.1 μmol·m-2·s-1,与线粒体基质中产生CO2有关,A错误;光反应为暗反应提供NADPH和ATP,正常情况下如果0~0.5 min暗反应被激活,CO2吸收速率会增加,而图中0~0.5 min光反应相对速率下降,CO2吸收速率变化不显著,说明暗反应未被立即激活,出现该现象的原因是暗反应激活延迟,造成光反应产生的NADPH和ATP积累,导致光反应被抑制,后续暗反应被激活,光反应产生的NADPH和ATP会被消耗,故叶肉细胞中NADPH和ATP的量不会一直增加,B错误,C正确;光照2 min后,光反应和暗反应速率均稳定,暗反应速率与光反应速率基本相同,D错误。
从教材走向高考
【体验高考真题溯源】
1.(2025·山东卷)→(必修1 P98~P99探究·实践)“绿叶中色素的提取和分离”实验操作中要注意“干燥”,下列说法错误的是(　　)
A.应使用干燥的定性滤纸
B.绿叶需烘干后再提取色素
C.重复画线前需等待滤液细线干燥
D.无水乙醇可用加入适量无水碳酸钠的95%乙醇替代
√
【教考融通】题目考查了材料用具和操作流程等:新鲜的绿叶(如菠菜的绿叶),干燥的定性滤纸(选项A、B);用毛细吸管吸取少量滤液,沿铅笔线均匀地画出一条细线,待滤液干后,再重画一到二次(选项C),无水乙醇(也可用体积分数为95%的乙醇加入适量无水碳酸钠来代替)(选项D)。
【解析】选B。光合色素分离实验需要使用干燥的定性滤纸,水分会影响层析液在滤纸条上扩散从而影响色素的分离,A正确;提取光合色素可以使用新鲜的绿叶,烘干会破坏色素,B错误;重复画线前需等待滤液细线干燥,否则会导致滤液细线变粗,最终导致分离的色素条带不清晰,C正确;提取光合色素一般用无水乙醇,若没有无水乙醇,可以用加入适量无水碳酸钠的95%乙醇替代,D正确。
【加固训练】
(2025·黑吉辽内蒙古卷)→(必修1 P108非选择题2)Rubisco是光合作用暗反应中的关键酶。科研人员将Rubisco基因转入某作物的野生型(WT)获得该酶含量增加的转基因品系(S),并做了相关研究。实验结果表明,这一改良提高了该作物的光合速率(如下图)和产量潜力。回答下列问题。
(1)Rubisco在叶绿体的__________中催化__________与CO2结合。部分产物
经过一系列反应形成(CH2O),这一过程中能量转换是__________________
___________________________________________________________。
【解析】(1)Rubisco是光合作用暗反应中的关键酶,暗反应的场所是叶绿体基质,因此Rubisco在叶绿体基质中催化C5与CO2结合生成C3。在C3的还原过程中需要ATP和NADPH提供能量,部分产物经过一系列反应形成(CH2O),这一过程中能量转化是ATP和NADPH中活跃的化学能转化为有机物(CH2O)中稳定的化学能。
　　 ATP和NADPH中活跃的化学能转化为有机物(CH2O)中稳定的化学能
基质
C5
(2)据图分析,当胞间CO2浓度高于B点时,曲线②与③重合是由于__________
不足。A点之前曲线①和②重合的最主要限制因素是__________。胞间
CO2浓度为300 μmol·mol-1时,曲线①比②的光合速率高的具体原因是
______________________________________________________________
______________________________________________________________ 。
曲线①光照强度高,光反应速率快,产生更多的ATP和NADPH,使暗反应速率加快,光合速率高
光照强度
CO2浓度
【解析】(2)①②曲线的自变量是有无补光(光照强度),②③曲线的自变量是有无转入Rubisco基因(Rubisco的含量)。据图分析,当胞间CO2浓度低于B点时,曲线②高于③,是因为②中Rubisco的含量多,固定CO2的能力强,当胞间CO2浓度高于B点时,曲线②与③重合,说明Rubisco的量已经不是限制光合速率的因素,而曲线①光合速率高于曲线②③,曲线①有较高的光照强度,因此曲线②与③重合是由于光照强度不足。曲线①的光照强度高于②,但是A点之前曲线①和②重合,光照强度不是限制因素,此时最主要的限制因素是CO2浓度。胞间CO2浓度为300 μmol·mol-1时,曲线①比②的光合速率高的具体原因是曲线①光照强度高,光反应速率快,产生更多的ATP和NADPH,使暗反应速率加快,光合速率高。
(3)研究发现,在饱和光照和适宜CO2浓度条件下,S植株固定CO2生成C3的速率比WT更快。使用同位素标记的方法设计实验直接加以验证,简要写出实验思路。
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
【解析】(3)研究发现,在饱和光照和适宜CO2浓度条件下,S植株固定CO2生成C3的速率比WT更快。要验证此结论,实验思路为:用14C标记CO2,分别将S植株与WT植株置于相同的饱和光照和适宜14CO2浓度条件下,定时检测C3放射性强度,比较S植株与WT的C3生成速率。
用14C标记CO2,分别将S植株与WT植株置于相同的饱和光照和适宜14CO2浓度条件下,定时检测C3放射性强度,比较S植株与WT的C3生成速率。
【教考融通】本题源于教材中CO2与光合作用的关系,借助坐标曲线图,结合光合作用的影响因素,考查光合作用的原理及应用。
【深研教材预测高考】
2.(必修1 P102 思考·讨论 素材分析)1937年,植物学家希尔发现在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂,在光下可以释放出O2,该实验被称为希尔反应。后来科学家将叶绿体破碎离心,分别收集绿色沉淀部分和无色上清液部分,绿色沉淀部分悬浮后照光可以产生O2。下列说法正确的是(　　)
A.绿色沉淀部分含量最多的色素是叶绿素b
B.希尔反应场所是叶绿体类囊体薄膜
C.铁盐等氧化剂是希尔反应的催化剂
D.在无色上清液中加入CO2不能合成C3
√
【解析】选B。绿色沉淀部分含量最多的色素是叶绿素a,A错误;离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应被称为希尔反应,场所是叶绿体类囊体薄膜,B正确;铁盐等氧化剂是氢受体,接受H+,参与反应,不是催化剂,C错误;叶绿体破碎离心获得无色上清液,其中含有C5及相关的酶,因此在无色上清液中加入CO2能合成C3,D错误。
3.(必修1 P103~P104光合作用的过程分析)我国科学家模拟植物光合作用,设计了一条利用CO2合成淀粉的人工路线,流程如图所示。下列相关分析正确的是(　　)
A.①②过程与光反应的过程完全相同,③④过程与暗反应过程完全相同
B.该过程与植物光合作用的本质都是将光能转化成化学能储藏于有机物中
C.该过程与光合作用合成淀粉都是在常温常压下进行的较温和的反应
D.步骤①需要催化剂,②③④既不需要催化剂也不需要消耗能量
√
【解析】选B。分析题图可知,①②过程模拟暗反应中CO2的固定,③④过程模拟暗反应中C3的还原,A错误;植物光合作用的本质是利用光能将无机物(CO2和H2O)转化为有机物,同时将光能转化为有机物中的化学能,图示过程也将CO2和H2O转化为淀粉,同时储存能量,二者的本质是相同的,B正确;由题图可知,①过程是利用催化剂在一定条件下进行的化学反应,反应过程不一定温和,②③④是在酶的催化下完成的,反应条件较温和,C错误;分析图示可知,图中②③④需要在酶的催化下进行,是由小分子聚合成大分子的反应,为吸能反应,需要消耗能量,D错误。

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