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热考微专题
　(二)　光合作用中的特殊代谢途径
【精研强思维】
【典例】(光呼吸)(2024·黑吉辽卷)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成; 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__________________。 解题过程 第(1)问解答:CO2的固定 第(3)1、2空,解答:光合作用CO2的来源有外界环境、光呼吸和呼吸作用。 第(2)问考查基础知识,解答:细胞质基质和线粒体基质。 第(3)问第3空,获取关键信息:图2中7~10时株系1和2比WT净光合速率高;株系1和2转入了改变光呼吸的相关基因。 解答:株系1和2光呼吸速率降低,比WT净光合速率高。 第(3)问第4空,获取关键信息:图3中无法得出呼吸速率,而总光合速率=净光合速率+呼吸速率。 解答: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。 第(4)问获取关键信息: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。 解答:选择转基因株系1进行种植,产量可能更具优势。
【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
思维拓展
1.CO2固定的途径:
(1)C3途径
C3途径是碳同化的基本途径,也称为卡尔文循环,可合成糖类、淀粉等多种有机物。具体过程如图所示:
通过C3途径固定CO2的植物称为C3植物,C3植物光合速率较低,其种类多、分布广、多生长于暖湿条件下,如大多数树木、粮食类植物、烟草等。
(2)C4途径
玉米、甘蔗等起源于热带的植物叶肉细胞的叶绿体内,在有关酶的催化作用下,CO2首先被一种三碳化合物(PEP)固定,形成一个四碳化合物(C4)。C4进入维管束鞘细胞的叶绿体中,释放出一个CO2,并形成另一种三碳化合物——丙酮酸。释放出来的CO2进入卡尔文循环,丙酮酸则再次进入叶肉细胞中的叶绿体内,在有关酶的催化下,通过ATP提供的能量,转化成PEP,继续固定CO2。具体过程如图所示。
这种以四碳化合物(C4)为光合最初产物的途径称为C4途径,而卡尔文循环这种以三碳化合物(C3)为光合最初产物的途径则称为C3途径。相应CO2固定途径的植物被称为C4植物和C3植物。
提醒:
①C4植物叶肉细胞中的叶绿体有类囊体能进行光反应,而维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体,所以C4植物光反应发生在叶肉细胞的叶绿体类囊体薄膜上。
②C4植物PEP羧化酶对CO2具有高亲和力,当外界环境干旱(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下),导致植物气孔导度减小时,C4植物比C3植物有较强的利用低浓度CO2的能力,无光合“午休”现象,光合速率较高,合成有机物较多。常见的C4植物有玉米、高粱、甘蔗、苋菜等。
(3)景天酸代谢途径(CAM)
景天科植物在夜间,大气中CO2从气孔进入,被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化,与PEP结合形成草酰乙酸(OAA),再经苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸,储存于液泡中。在白天,苹果酸从液泡中释放出来,经脱羧酶作用形成CO2和丙酮酸,CO2产生后用于卡尔文循环。
提醒:
①仙人掌、菠萝和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用。这类植物特别适合于干旱地区,其特点是气孔夜间开放,白天关闭。
②该类植物叶肉细胞夜间淀粉减少,苹果酸增加,细胞液pH下降;白天淀粉增加,苹果酸减少,细胞液pH上升。
(4)C3植物、C4植物和CAM植物固定CO2方式的比较
①比较C4植物、CAM植物固定CO2的方式
相同点:都对CO2进行了两次固定。
不同点:C4植物两次固定CO2在空间上错开;CAM植物两次固定CO2在时间上错开。
②比较C3、C4、CAM途径
C3途径是碳同化的基本途径,C4途径和CAM途径都只起固定CO2的作用,最终还是通过C3途径合成有机物。
(5)蓝细菌的CO2浓缩机制
蓝细菌具有CO2浓缩机制,如图所示。
2.光抑制与光呼吸:
(1)光抑制
①当光能超过植物光合系统所能利用的量时,光合作用速率下降的现象,称为光抑制。研究表明,光抑制主要发生于光系统Ⅱ复合体(PSⅡ)中。如图为正常光照强度下PSⅡ的工作示意图,其反应中心由两条对称的多肽D1和D2组成。当光照过强时,叶绿体中产生超氧阴离子()和单线态氧(1O2),会攻击D1蛋白,产生光抑制现象。
②绿色植物通过三重防御机制有效避免光系统损伤:
一重防御是类胡萝卜素通过快速猝灭过量激发态叶绿素,将过量激发能转化成热能,保护光系统;
二重防御是利用超氧化物歧化酶等清除有毒光产物;
三重防御是将损伤的D1蛋白从光系统Ⅱ(PSⅡ)中切离并降解,重新插入新合成的D1蛋白。
具体过程如图所示:
(2)光呼吸
光呼吸是指绿色植物在光照情况下吸收O2,将叶绿体中的C5分解产生CO2的过程。光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco酶。在暗反应中,Rubisco酶能够以CO2为底物实现CO2的固定;在光下,当O2浓度高、CO2浓度低时,O2会与CO2竞争Rubisco酶,在光的驱动下将五碳化合物(C5)氧化生成CO2和水。
提醒:
①与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒体。光呼吸产生的条件是光照、高O2含量和低CO2含量等。
②在干旱天气和过强光照下,因为温度很高,蒸腾作用很强,气孔大量关闭。由于光反应速率大于暗反应速率,此时光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的NADPH和ATP,防止强光对叶绿体的破坏,又可以为暗反应阶段提供原料,因此光呼吸对植物有重要的正面意义。
【精练提素养】
1.(C4途径)甘蔗、玉米等一些植物的叶片具有特殊的结构,其叶肉细胞中的叶绿体有基粒,而维管束鞘细胞中的叶绿体不含基粒。维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2,并转移到维管束鞘细胞中释放,参与光合作用的暗反应,其主要过程如图所示。请结合这些内容判断,下列说法中错误的是(　　)
A.维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应,但能进行暗反应
B.维管束鞘细胞中暗反应过程不需要ATP和NADPH
C.PEP羧化酶对环境中较低浓度的CO2具有富集作用
D.甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能,使其更适应高温、干旱环境
【解析】选B。光反应的场所是叶绿体的类囊体薄膜,基粒是由类囊体堆叠而成的,维管束鞘细胞的叶绿体没有基粒,所以维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应,叶肉细胞固定的CO2转移到维管束鞘细胞中释放,参与光合作用的暗反应,A正确;维管束鞘细胞中的暗反应过程需要光反应提供的ATP和NADPH,B错误;由题图可知,PEP羧化酶可富集环境中较低浓度的CO2,C3与低浓度的CO2生成C4,C正确;甘蔗、玉米等一些植物的维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2,并转移到维管束鞘细胞中释放,高温、干旱时植物会关闭部分气孔,甘蔗、玉米等在外界CO2供应不足时,C4能分解产生CO2继续供暗反应正常进行,故甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能,使其更适应高温、干旱环境,D正确。
2.(CAM代谢途径)(2026·济南模拟)图示为生活在干旱地区的景天科植物CAM代谢途径示意图,下列叙述错误的是(　　)
A.景天科植物固定CO2形成C3的场所是叶绿体基质
B.景天科植物原产地夏季夜晚酶A活性高,酶B活性低
C.给植物提供14C标记的14CO2,14C可以出现在OAA、苹果酸、C3和有机物中
D.在夜晚,叶肉细胞能产生ATP的细胞器有线粒体和叶绿体
【解析】选D。由乙图可知,CO2进入叶绿体基质后,与C5结合形成C3,所以景天科植物固定CO2形成C3的场所是叶绿体基质,A正确;由甲、乙图可知,酶A在夜晚发挥作用,而酶B在白天发挥作用,所以景天科植物原产地夏季夜晚酶A活性高,酶B活性低,B正确;在酶A作用下,14CO2中的14C可出现在OAA和苹果酸中,在酶B作用下,14C出现在C3和有机物中,C正确;在夜晚,叶肉细胞只能通过细胞呼吸产生ATP,即产生ATP的细胞器是线粒体,D错误。
3.(光呼吸)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,下列推测错误的是(　　)
A.光呼吸时C5与O2的结合发生在线粒体内膜上
B.光呼吸可以将部分碳重新回收进入卡尔文循环
C.GCGT支路有利于减少H2O2对叶绿体的损害
D.GCGT支路可以降低光呼吸从而提高光合效率
【解析】选A。图中光呼吸代谢支路发生在叶绿体中,所以C5和O2的结合发生在叶绿体中,A错误;光呼吸代谢中,甘油酸可转化为PGA,进而将碳重新回收进入卡尔文循环,有利于降低光呼吸消耗,从而提高光合速率,B、D正确;GCGT支路中,H2O2可被分解为H2O和O2,有利于减少其对叶绿体的损害,C正确。
4. 【不定项】(光抑制)(2025·日照模拟)当光照过强,植物吸收的光能超过光合作用所能利用的能量时,引起光能转化效率下降的现象称为光抑制。光抑制主要发生在光系统Ⅱ(PSⅡ),PSⅡ能将水分解为O2和H+并释放电子。电子积累过多会产生活性氧使PSⅡ变性失活,导致光合速率下降。为研究铁氰化钾(一种电子受体)对微藻光抑制现象的作用,研究人员进行了相关实验,结果如图。下列说法正确的是(　　)
A.PSⅡ分解水产生的H+和电子与NAD+结合形成暗反应所需的NADH
B.光照强度在I1~I2对照组光合放氧速率不再上升与光能转化效率下降有关
C.在经光照强度I3处理的微藻中加入铁氰化钾后,光合放氧速率无法恢复正常
D.上述实验结果说明铁氰化钾可能通过接受电子降低PSⅡ受损来减轻微藻的光抑制
【解析】选B、C、D。光反应中,水分解为O2、H+和电子,电子与H+、NADP+结合形成暗反应所需的NADPH,A错误;光照强度从I1到I2的过程中,对照组微藻的光合放氧速率不变,光合作用利用的光能不变,但光照强度增加,说明光能转化效率下降,B正确;I3光照强度下,微藻细胞中PSⅡ已经因电子积累而被活性氧破坏,加入铁氰化钾后能减轻微藻的光抑制,但并不能恢复正常,光合放氧速率仍然较低,C正确;由题干可知,电子积累过多会产生活性氧使PSⅡ变性失活,导致光合速率下降,光照强度较高时,实验组光合放氧速率明显高于对照组,铁氰化钾是一种电子受体,故推知铁氰化钾可能通过接受电子降低PSⅡ受损来减轻微藻的光抑制,D正确。(共31张PPT)
热考微专题
　(二)　光合作用中的特殊代谢途径
【精研强思维】
【典例】(光呼吸)(2024·黑吉辽卷)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成;
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____________________________
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
______________________。
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
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 _______________________________________________________________
_________________________________________________________________。
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
解题过程
第(1)问解答:CO2的固定
第(3)1、2空,解答:光合作用CO2的来源有外界环境、光呼吸和呼吸作用。
第(2)问考查基础知识,解答:细胞质基质和线粒体基质。
第(3)问第3空,获取关键信息:图2中7~10时株系1和2比WT净光合速率高;株系1和2转入了改变光呼吸的相关基因。
解答:株系1和2光呼吸速率降低,比WT净光合速率高。
第(3)问第4空,获取关键信息:图3中无法得出呼吸速率,而总光合速率=净光合速率+呼吸速率。
解答: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。
第(4)问获取关键信息: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。
解答:选择转基因株系1进行种植,产量可能更具优势。
【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。
思维拓展
1.CO2固定的途径:
(1)C3途径
C3途径是碳同化的基本途径,也称为卡尔文循环,可合成糖类、淀粉等多种有机物。具体过程如图所示:
通过C3途径固定CO2的植物称为C3植物,C3植物光合速率较低,其种类多、分布广、多生长于暖湿条件下,如大多数树木、粮食类植物、烟草等。
(2)C4途径
玉米、甘蔗等起源于热带的植物叶肉细胞的叶绿体内,在有关酶的催化作用下,CO2首先被一种三碳化合物(PEP)固定,形成一个四碳化合物(C4)。C4进入维管束鞘细胞的叶绿体中,释放出一个CO2,并形成另一种三碳化合物——丙酮酸。释放出来的CO2进入卡尔文循环,丙酮酸则再次进入叶肉细胞中的叶绿体内,在有关酶的催化下,通过ATP提供的能量,转化成PEP,继续固定CO2。具体过程如图所示。
这种以四碳化合物(C4)为光合最初产物的途径称为C4途径,而卡尔文循环这种以三碳化合物(C3)为光合最初产物的途径则称为C3途径。相应CO2固定途径的植物被称为C4植物和C3植物。
提醒:
①C4植物叶肉细胞中的叶绿体有类囊体能进行光反应,而维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体,所以C4植物光反应发生在叶肉细胞的叶绿体类囊体薄膜上。
②C4植物PEP羧化酶对CO2具有高亲和力,当外界环境干旱(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下),导致植物气孔导度减小时,C4植物比C3植物有较强的利用低浓度CO2的能力,无光合“午休”现象,光合速率较高,合成有机物较多。常见的C4植物有玉米、高粱、甘蔗、苋菜等。
(3)景天酸代谢途径(CAM)
景天科植物在夜间,大气中CO2从气孔进入,被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化,与PEP结合形成草酰乙酸(OAA),再经苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸,储存于液泡中。在白天,苹果酸从液泡中释放出来,经脱羧酶作用形成CO2和丙酮酸,CO2产生后用于卡尔文循环。
提醒:
①仙人掌、菠萝和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用。这类植物特别适合于干旱地区,其特点是气孔夜间开放,白天关闭。
②该类植物叶肉细胞夜间淀粉减少,苹果酸增加,细胞液pH下降;白天淀粉增加,苹果酸减少,细胞液pH上升。
(4)C3植物、C4植物和CAM植物固定CO2方式的比较
①比较C4植物、CAM植物固定CO2的方式
相同点:都对CO2进行了两次固定。
不同点:C4植物两次固定CO2在空间上错开;CAM植物两次固定CO2在时间上错开。
②比较C3、C4、CAM途径
C3途径是碳同化的基本途径,C4途径和CAM途径都只起固定CO2的作用,最终还是通过C3途径合成有机物。
(5)蓝细菌的CO2浓缩机制
蓝细菌具有CO2浓缩机制,如图所示。
2.光抑制与光呼吸:
(1)光抑制
①当光能超过植物光合系统所能利用的量时,光合作用速率下降的现象,称为光抑制。研究表明,光抑制主要发生于光系统Ⅱ复合体(PSⅡ)中。如图为正常光照强度下PSⅡ的工作示意图,其反应中心由两条对称的多肽D1和D2组成。当光照过强时,叶绿体中产生超氧阴离子()和单线态氧(1O2),会攻击D1蛋白,产生光抑制现象。
②绿色植物通过三重防御机制有效避免光系统损伤:
一重防御是类胡萝卜素通过快速猝灭过量激发态叶绿素,将过量激发能转化成热能,保护光系统;
二重防御是利用超氧化物歧化酶等清除有毒光产物;
三重防御是将损伤的D1蛋白从光系统Ⅱ(PSⅡ)中切离并降解,重新插入新合成的D1蛋白。
具体过程如图所示:
(2)光呼吸
光呼吸是指绿色植物在光照情况下吸收O2,将叶绿体中的C5分解产生CO2的过程。光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco酶。在暗反应中,Rubisco酶能够以CO2为底物实现CO2的固定;在光下,当O2浓度高、CO2浓度低时,O2会与CO2竞争Rubisco酶,在光的驱动下将五碳化合物(C5)氧化生成CO2和水。
提醒:
①与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒体。光呼吸产生的条件是光照、高O2含量和低CO2含量等。
②在干旱天气和过强光照下,因为温度很高,蒸腾作用很强,气孔大量关闭。由于光反应速率大于暗反应速率,此时光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的NADPH和ATP,防止强光对叶绿体的破坏,又可以为暗反应阶段提供原料,因此光呼吸对植物有重要的正面意义。
【精练提素养】
1.(C4途径)甘蔗、玉米等一些植物的叶片具有特殊的结构,其叶肉细胞中的叶绿体有基粒,而维管束鞘细胞中的叶绿体不含基粒。维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2,并转移到维管束鞘细胞中释放,参与光合作用的暗反应,其主要过程如图所示。请结合这些内容判断,下列说法中错误的是(　　)
A.维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应,但能进行暗反应
B.维管束鞘细胞中暗反应过程不需要ATP和NADPH
C.PEP羧化酶对环境中较低浓度的CO2具有富集作用
D.甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能,使其更适应高温、干旱环境
√
【解析】选B。光反应的场所是叶绿体的类囊体薄膜,基粒是由类囊体堆叠而成的,维管束鞘细胞的叶绿体没有基粒,所以维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应,叶肉细胞固定的CO2转移到维管束鞘细胞中释放,参与光合作用的暗反应,A正确;维管束鞘细胞中的暗反应过程需要光反应提供的ATP和NADPH,B错误;由题图可知,PEP羧化酶可富集环境中较低浓度的CO2,C3与低浓度的CO2生成C4,C正确;甘蔗、玉米等一些植物的维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2,并转移到维管束鞘细胞中释放,高温、干旱时植物会关闭部分气孔,甘蔗、玉米等在外界CO2供应不足时,C4能分解产生CO2继续供暗反应正常进行,故甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能,使其更适应高温、干旱环境,D正确。
2.(CAM代谢途径)(2026·济南模拟)图示为生活在干旱地区的景天科植物
CAM代谢途径示意图,下列叙述错误的是(　　)
A.景天科植物固定CO2形成C3的场所是叶绿体基质
B.景天科植物原产地夏季夜晚酶A活性高,酶B活性低
C.给植物提供14C标记的14CO2,14C可以出现在OAA、苹果酸、C3和有机物中
D.在夜晚,叶肉细胞能产生ATP的细胞器有线粒体和叶绿体
√
【解析】选D。由乙图可知,CO2进入叶绿体基质后,与C5结合形成C3,所以景天科植物固定CO2形成C3的场所是叶绿体基质,A正确;由甲、乙图可知,酶A在夜晚发挥作用,而酶B在白天发挥作用,所以景天科植物原产地夏季夜晚酶A活性高,酶B活性低,B正确;在酶A作用下,14CO2中的14C可出现在OAA和苹果酸中,在酶B作用下,14C出现在C3和有机物中,C正确;在夜晚,叶肉细胞只能通过细胞呼吸产生ATP,即产生ATP的细胞器是线粒体,D错误。
3.(光呼吸)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,下列推测错误的是(　　)
A.光呼吸时C5与O2的结合发生在线粒体内膜上
B.光呼吸可以将部分碳重新回收进入卡尔文循环
C.GCGT支路有利于减少H2O2对叶绿体的损害
D.GCGT支路可以降低光呼吸从而提高光合效率
√
【解析】选A。图中光呼吸代谢支路发生在叶绿体中,所以C5和O2的结合发生在叶绿体中,A错误;光呼吸代谢中,甘油酸可转化为PGA,进而将碳重新回收进入卡尔文循环,有利于降低光呼吸消耗,从而提高光合速率,B、D正确;GCGT支路中,H2O2可被分解为H2O和O2,有利于减少其对叶绿体的损害,C正确。
4. 【不定项】(光抑制)(2025·日照模拟)当光照过强,植物吸收的光能超过光合作用所能利用的能量时,引起光能转化效率下降的现象称为光抑制。光抑制主要发生在光系统Ⅱ(PSⅡ),PSⅡ能将水分解为O2和H+并释放电子。电子积累过多会产生活性氧使PSⅡ变性失活,导致光合速率下降。为研究铁氰化钾(一种电子受体)对微藻光抑制现象的作用,研究人员进行了相关实验,结果如图。下列说法正确的是(　　)
A.PSⅡ分解水产生的H+和电子与NAD+结合形成暗反应所需的NADH
B.光照强度在I1~I2对照组光合放氧速率不再上升与光能转化效率下降有关
C.在经光照强度I3处理的微藻中加入铁氰化钾后,光合放氧速率无法恢复正常
D.上述实验结果说明铁氰化钾可能通过接受电子降低PSⅡ受损来减轻微藻的光抑制
√
√
√
【解析】选B、C、D。光反应中,水分解为O2、H+和电子,电子与H+、NADP+结合形成暗反应所需的NADPH,A错误;光照强度从I1到I2的过程中,对照组微藻的光合放氧速率不变,光合作用利用的光能不变,但光照强度增加,说明光能转化效率下降,B正确;I3光照强度下,微藻细胞中PSⅡ已经因电子积累而被活性氧破坏,加入铁氰化钾后能减轻微藻的光抑制,但并不能恢复正常,光合放氧速率仍然较低,C正确;由题干可知,电子积累过多会产生活性氧使PSⅡ变性失活,导致光合速率下降,光照强度较高时,实验组光合放氧速率明显高于对照组,铁氰化钾是一种电子受体,故推知铁氰化钾可能通过接受电子降低PSⅡ受损来减轻微藻的光抑制,D正确。(共17张PPT)
热考专题提分练　
热考微专题(二)　光合作用中的特殊代谢途径
(20分钟　29分)
一、选择题:本题共2小题,每小题2分,共4分。每小题仅有一个选项符合要求。
1.根据光合作用中CO2固定方式的不同,植物可分为多种类型,其中C3和C4植物的
光合速率随外界CO2浓度的变化如图所示(CO2饱和点是指植物光合速率开始达到
最大值时的外界CO2浓度)。据图分析,下列说法错误的是 (　　)
A.在低CO2浓度下,C4植物光合速率更易受CO2浓度变化的影响
B.适当扩大C3植物的种植面积,可能更有利于实现碳中和的目标
C.在C4植物CO2饱和点时,C4植物的光合速率要比C3植物的低
D.在干旱条件下,气孔开度减小,C4植物生长效果要优于C3植物
√
【解析】选C。分析题图可知,在低CO2浓度下,CO2浓度稍微提高,C4植物光合速率快速提高,C3植物在CO2浓度很低时不进行光合作用,A正确;分析题图,C3植物的CO2饱和点更高,能利用更多的CO2,从而减少大气中的CO2,B正确;根据图示,在C4植物CO2饱和点(外界CO2体积分数为300×10-6左右)时,C4植物的光合速率要比C3植物的高,C错误;在干旱条件下,气孔开度减小,C4植物能利用更低浓度的CO2,生长效果要优于C3植物,D正确。
2.蓝细菌能通过产生的一组特殊蛋白质将CO2浓缩在Rubisco(固定CO2的关键酶)周围。科学家在蓝细菌这一CO2浓缩机制的研究中又有新发现。下列有关叙述错误的是 (　　)
A.Rubisco是在蓝细菌的核糖体上合成的
B.蓝细菌中含有DNA和RNA,其DNA主要位于拟核中
C.蓝细菌的CO2浓缩机制可能是自然选择的结果
D.蓝细菌中催化H2O光解的酶与Rubisco相同
√
【解析】选D。Rubisco是蛋白质,是在蓝细菌的核糖体上合成的,A正确;蓝细菌是原核生物,细胞中含有DNA和RNA,其DNA主要位于拟核中,B正确;蓝细菌的CO2浓缩机制可能是自然选择的结果,以此利用空气中的碳源,C正确;酶具有专一性,蓝细菌中催化H2O光解的酶与Rubisco不同,后者用于CO2的固定,D错误。
二、选择题:本题共1小题,每小题3分,共3分。每小题有一个或多个选项符合要求,全部选对得3分,选对但
不全得1分,有选错的得0分。
3.(2026·永州模拟)植物的光合作用细胞依赖光照,但光能超过光合系统所能利用的能量时,光合器官可能遭
到破坏,该现象称为光抑制。光呼吸能利用部分有机物,在吸收O2放出CO2的同时消耗多余光能,对光合器
官起保护作用。下图为某植物叶片在白天和夜晚的气体交换过程,其中PR、R、GP代表不同的生理过程。
下列相关叙述正确的是 (　　)
A.图中的PR、R过程分别代表呼吸作用、光呼吸,叶片中有机物
的积累量取决于GP、R、PR之间的差值
B.光呼吸虽然消耗部分有机物,但是从一定程度上能避免光抑制
的发生,有利于植物生长发育
C.植物通过调节叶片角度回避强光或进行细胞内叶绿体的避光运动均可减弱光抑制现象
D.在农业生产中,适当抑制白天光呼吸和夜间呼吸作用的进行,有利于提高农作物产量
√
√
√
【解析】选B、C、D。分析题图可知,由于叶片在夜晚和白天都进行R过程,故R代表呼吸作用,PR是叶片吸收O2和放出CO2的过程,因此代表光呼吸,A错误;由题干可知,光呼吸虽然消耗部分有机物,但可以消耗多余能量,对光合器官起保护作用,从一定程度上能避免光抑制的发生,有利于植物生长发育,B正确;光能超过光合系统所能利用的能量时,光合器官可能遭到破坏,植物本身的调节如叶子调节角度回避强光、叶绿体避光运动等都可以避免强光直射造成光合结构破坏,是对光抑制的保护性反应,C正确;白天光呼吸和夜间呼吸作用均会消耗光合作用制造的有机物,适当抑制白天光呼吸和夜间呼吸作用的进行,有利于有机物的积累,提高农作物产量,D正确。
三、非选择题:本题共2小题,共22分。
4.(12分)(2025·聊城模拟)光抑制是指持续强光照射会导致绿色植物光系统损伤,从而导致光合作用减弱的现象,是植物长期进化的结果。绿色植物可以通过如图所示三道防线有效避免强光造成的损害。如类囊体上的PsbS可将植物吸收的多余光能,以热能形式散失,或是通过超氧化物歧化酶清除掉有毒光产物。
(1)(2分)类囊体上的PSⅡ是多种色素和蛋白质构成的复合体,其色素提取的
原理是___________________________________。
【解析】(1)绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,故可以用无水
乙醇提取绿叶中的色素。
　光合色素易溶于有机溶剂无水乙醇　
(2)(4分)强光下产生的有毒光产物,会攻击PSⅡ中的色素和D1蛋白,使D1蛋白
高度磷酸化,并形成D1蛋白交联聚合物,随后发生D1蛋白降解。导致光反应
中__________________生成减少,进而影响暗反应中_______的还原。
【解析】(2)D1蛋白是PSⅡ反应中心的关键蛋白,D1蛋白受损会影响光反应
的正常进行,导致ATP、NADPH合成减少,进而使暗反应中C3的还原过程减
弱。
　ATP、NADPH　
　C3　
(3)(2分)为研究D1蛋白降解过程中D1蛋白去磷酸化和D1蛋白交联聚合物解聚发
生的先后顺序,科学家用特定药物处理叶片抑制叶绿体蛋白质合成和D1蛋白去磷
酸化后,检测D1蛋白和D1蛋白交联聚合物含量,若实验结果显示为___________
________________________________________________。
则说明D1蛋白降解过程:D1蛋白降解依赖的环境条件→D1蛋白交联聚合物解聚
→D1蛋白去磷酸化→D1蛋白降解。
【解析】(3)只有当科学家用特定药物处理叶片抑制D1蛋白去磷酸化后,结果显示
D1蛋白几乎无变化,但D1蛋白交联聚合物则明显减少时,才可以说明D1蛋白降解
过程为:D1蛋白降解依赖的环境条件→D1蛋白交联聚合物解聚→D1蛋白去磷酸
化→D1蛋白降解。
　D1蛋白含
量几乎无变化,但D1蛋白交联聚合物含量则明显减少　
(4)(4分)科研人员进一步做了植物应对高光照条件的光保护机制的探究实
验,结果如图所示,据图分析:持续高强光条件下,植物自我保护的机制是
______________________________________________________________
___________________________________________________________
_______。
　在高光照条件下,植物通过增加类囊体蛋白PsbS和叶黄素的含量,增加
热能散失和清除3chl等有毒光产物的量,减弱强光对植物光合作用的
影响　
【解析】(4)据图分析,随着高强光条件的处理时间延长,叶黄素转化抑制剂处理组和类囊体蛋白PsbS抑制剂组光合效率明显降低,因此可推断持续高强光条件下,植物自我保护的机制是在高光照条件下,植物通过增加类囊体蛋白PsbS和叶黄素的含量,增加热能散失和清除3chl等有毒光产物的量,减弱强光对植物光合作用的影响。并且在高光照条件下,类囊体蛋白PsbS数量变化比叶黄素转化对绿色植物的保护作用强。
5.(10分)(2026·萍乡模拟)现在大气中的CO2浓度仍是限制植物光合作用速率的重要因素之一。核酮糖二磷酸羧化酶(Rubisco)是一种催化CO2固定的酶,在低浓度CO2条件下,其催化效率低。图1、图2表示不同植物在进化过程中形成的不同CO2浓缩机制,极大提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度,促进了CO2的固定。据图回答下列问题:
(1)(2分)真核细胞叶绿体中,在Rubisco的催化下,CO2被C5固定形成C3,进而被
____________还原生成糖类,此过程发生在_______________中。
【解析】(1)光合作用的暗反应中,CO2被C5 固定形成C3,进而被NADPH还原
生成糖类,此过程发生在叶绿体基质中。
　NADPH　
　叶绿体基质　
(2)(4分)海水中的无机碳主要以CO2和HC两种形式存在,水体中CO2浓度
低、扩散速度慢。有些藻类植物具有图1所示的无机碳浓缩过程,图中
HC浓度最高的场所是___________(填“细胞外”“细胞质基质”或“叶绿
体”),可为图示过程提供ATP的生理过程有_______________________。
【解析】(2)据图示可知,HC运输需要消耗ATP,说明HC的运输方式是
主动运输,主动运输一般是逆浓度运输, 由此推断图中HC浓度最高的场
所是叶绿体。该过程中细胞质中需要的ATP由呼吸作用提供,叶绿体中的
ATP由光合作用提供,故为图示过程提供ATP的生理过程有呼吸作用和光合
作用。
　叶绿体　
　呼吸作用和光合作用　
(3)(4分)在夏季晴朗的白天,玉米在中午不会出现光合午休。依据图2可以
推测,在玉米叶肉细胞中,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)与无机碳的亲和
力_________(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。与没有这种机制的水稻相
比,玉米可种植在CO2浓度_______(填“高”或“低”)的环境中。
【解析】(3)在夏季晴朗的白天,玉米在中午不会出现光合午休,说明玉米可
以利用低浓度的CO2,依据图2可以推测,在玉米叶肉细胞中,磷酸烯醇式丙酮
酸羧化酶(PEPC)与无机碳的亲和力要比Rubisco高,故玉米可以种植在低CO2
的环境中。
　高于　
　低　热考专题提分练　
热考微专题(二)　光合作用中的特殊代谢途径
(20分钟　29分)
一、选择题:本题共2小题,每小题2分,共4分。每小题仅有一个选项符合要求。
1.根据光合作用中CO2固定方式的不同,植物可分为多种类型,其中C3和C4植物的光合速率随外界CO2浓度的变化如图所示(CO2饱和点是指植物光合速率开始达到最大值时的外界CO2浓度)。据图分析,下列说法错误的是 (　　)
A.在低CO2浓度下,C4植物光合速率更易受CO2浓度变化的影响
B.适当扩大C3植物的种植面积,可能更有利于实现碳中和的目标
C.在C4植物CO2饱和点时,C4植物的光合速率要比C3植物的低
D.在干旱条件下,气孔开度减小,C4植物生长效果要优于C3植物
【解析】选C。分析题图可知,在低CO2浓度下,CO2浓度稍微提高,C4植物光合速率快速提高,C3植物在CO2浓度很低时不进行光合作用,A正确;分析题图,C3植物的CO2饱和点更高,能利用更多的CO2,从而减少大气中的CO2,B正确;根据图示,在C4植物CO2饱和点(外界CO2体积分数为300×10-6左右)时,C4植物的光合速率要比C3植物的高,C错误;在干旱条件下,气孔开度减小,C4植物能利用更低浓度的CO2,生长效果要优于C3植物,D正确。
2.蓝细菌能通过产生的一组特殊蛋白质将CO2浓缩在Rubisco(固定CO2的关键酶)周围。科学家在蓝细菌这一CO2浓缩机制的研究中又有新发现。下列有关叙述错误的是 (　　)
A.Rubisco是在蓝细菌的核糖体上合成的
B.蓝细菌中含有DNA和RNA,其DNA主要位于拟核中
C.蓝细菌的CO2浓缩机制可能是自然选择的结果
D.蓝细菌中催化H2O光解的酶与Rubisco相同
【解析】选D。Rubisco是蛋白质,是在蓝细菌的核糖体上合成的,A正确;蓝细菌是原核生物,细胞中含有DNA和RNA,其DNA主要位于拟核中,B正确;蓝细菌的CO2浓缩机制可能是自然选择的结果,以此利用空气中的碳源,C正确;酶具有专一性,蓝细菌中催化H2O光解的酶与Rubisco不同,后者用于CO2的固定,D错误。
二、选择题:本题共1小题,每小题3分,共3分。每小题有一个或多个选项符合要求,全部选对得3分,选对但不全得1分,有选错的得0分。
3.(2026·永州模拟)植物的光合作用细胞依赖光照,但光能超过光合系统所能利用的能量时,光合器官可能遭到破坏,该现象称为光抑制。光呼吸能利用部分有机物,在吸收O2放出CO2的同时消耗多余光能,对光合器官起保护作用。下图为某植物叶片在白天和夜晚的气体交换过程,其中PR、R、GP代表不同的生理过程。下列相关叙述正确的是 (　　)
A.图中的PR、R过程分别代表呼吸作用、光呼吸,叶片中有机物的积累量取决于GP、R、PR之间的差值
B.光呼吸虽然消耗部分有机物,但是从一定程度上能避免光抑制的发生,有利于植物生长发育
C.植物通过调节叶片角度回避强光或进行细胞内叶绿体的避光运动均可减弱光抑制现象
D.在农业生产中,适当抑制白天光呼吸和夜间呼吸作用的进行,有利于提高农作物产量
【解析】选B、C、D。分析题图可知,由于叶片在夜晚和白天都进行R过程,故R代表呼吸作用,PR是叶片吸收O2和放出CO2的过程,因此代表光呼吸,A错误;由题干可知,光呼吸虽然消耗部分有机物,但可以消耗多余能量,对光合器官起保护作用,从一定程度上能避免光抑制的发生,有利于植物生长发育,B正确;光能超过光合系统所能利用的能量时,光合器官可能遭到破坏,植物本身的调节如叶子调节角度回避强光、叶绿体避光运动等都可以避免强光直射造成光合结构破坏,是对光抑制的保护性反应,C正确;白天光呼吸和夜间呼吸作用均会消耗光合作用制造的有机物,适当抑制白天光呼吸和夜间呼吸作用的进行,有利于有机物的积累,提高农作物产量,D正确。
三、非选择题:本题共2小题,共22分。
4.(12分)(2025·聊城模拟)光抑制是指持续强光照射会导致绿色植物光系统损伤,从而导致光合作用减弱的现象,是植物长期进化的结果。绿色植物可以通过如图所示三道防线有效避免强光造成的损害。如类囊体上的PsbS可将植物吸收的多余光能,以热能形式散失,或是通过超氧化物歧化酶清除掉有毒光产物。
(1)(2分)类囊体上的PSⅡ是多种色素和蛋白质构成的复合体,其色素提取的原理是　光合色素易溶于有机溶剂无水乙醇　。
【解析】(1)绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,故可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。
(2)(4分)强光下产生的有毒光产物,会攻击PSⅡ中的色素和D1蛋白,使D1蛋白高度磷酸化,并形成D1蛋白交联聚合物,随后发生D1蛋白降解。导致光反应中
　ATP、NADPH　生成减少,进而影响暗反应中　C3　的还原。
【解析】(2)D1蛋白是PSⅡ反应中心的关键蛋白,D1蛋白受损会影响光反应的正常进行,导致ATP、NADPH合成减少,进而使暗反应中C3的还原过程减弱。
(3)(2分)为研究D1蛋白降解过程中D1蛋白去磷酸化和D1蛋白交联聚合物解聚发生的先后顺序,科学家用特定药物处理叶片抑制叶绿体蛋白质合成和D1蛋白去磷酸化后,检测D1蛋白和D1蛋白交联聚合物含量,若实验结果显示为　D1蛋白含量几乎无变化,但D1蛋白交联聚合物含量则明显减少　。
则说明D1蛋白降解过程:D1蛋白降解依赖的环境条件→D1蛋白交联聚合物解聚→D1蛋白去磷酸化→D1蛋白降解。
【解析】(3)只有当科学家用特定药物处理叶片抑制D1蛋白去磷酸化后,结果显示D1蛋白几乎无变化,但D1蛋白交联聚合物则明显减少时,才可以说明D1蛋白降解过程为:D1蛋白降解依赖的环境条件→D1蛋白交联聚合物解聚→D1蛋白去磷酸化→D1蛋白降解。
(4)(4分)科研人员进一步做了植物应对高光照条件的光保护机制的探究实验,结果如图所示,据图分析:持续高强光条件下,植物自我保护的机制是　在高光照条件下,植物通过增加类囊体蛋白PsbS和叶黄素的含量,增加热能散失和清除3chl等有毒光产物的量,减弱强光对植物光合作用的影响　。
【解析】(4)据图分析,随着高强光条件的处理时间延长,叶黄素转化抑制剂处理组和类囊体蛋白PsbS抑制剂组光合效率明显降低,因此可推断持续高强光条件下,植物自我保护的机制是在高光照条件下,植物通过增加类囊体蛋白PsbS和叶黄素的含量,增加热能散失和清除3chl等有毒光产物的量,减弱强光对植物光合作用的影响。并且在高光照条件下,类囊体蛋白PsbS数量变化比叶黄素转化对绿色植物的保护作用强。
5.(10分)(2026·萍乡模拟)现在大气中的CO2浓度仍是限制植物光合作用速率的重要因素之一。核酮糖二磷酸羧化酶(Rubisco)是一种催化CO2固定的酶,在低浓度CO2条件下,其催化效率低。图1、图2表示不同植物在进化过程中形成的不同CO2浓缩机制,极大提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度,促进了CO2的固定。据图回答下列问题:
(1)(2分)真核细胞叶绿体中,在Rubisco的催化下,CO2被C5固定形成C3,进而被
　NADPH　还原生成糖类,此过程发生在　叶绿体基质　中。
【解析】(1)光合作用的暗反应中,CO2被C5 固定形成C3,进而被NADPH还原生成糖类,此过程发生在叶绿体基质中。
(2)(4分)海水中的无机碳主要以CO2和HC两种形式存在,水体中CO2浓度低、扩散速度慢。有些藻类植物具有图1所示的无机碳浓缩过程,图中HC浓度最高的场所是　叶绿体　(填“细胞外”“细胞质基质”或“叶绿体”),可为图示过程提供ATP的生理过程有　呼吸作用和光合作用　。
【解析】(2)据图示可知,HC运输需要消耗ATP,说明HC的运输方式是主动运输,主动运输一般是逆浓度运输, 由此推断图中HC浓度最高的场所是叶绿体。该过程中细胞质中需要的ATP由呼吸作用提供,叶绿体中的ATP由光合作用提供,故为图示过程提供ATP的生理过程有呼吸作用和光合作用。
(3)(4分)在夏季晴朗的白天,玉米在中午不会出现光合午休。依据图2可以推测,在玉米叶肉细胞中,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)与无机碳的亲和力
　高于　(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。与没有这种机制的水稻相比,玉米可种植在CO2浓度　低　(填“高”或“低”)的环境中。
【解析】(3)在夏季晴朗的白天,玉米在中午不会出现光合午休,说明玉米可以利用低浓度的CO2,依据图2可以推测,在玉米叶肉细胞中,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)与无机碳的亲和力要比Rubisco高,故玉米可以种植在低CO2的环境中。

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