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1.提取光合色素,进行纸层析分离,对该实验中各种现象的解释,正确的是(　　)
A.未见色素带,说明材料可能为黄化叶片
B.色素始终在滤纸上,是因为色素不溶于层析液
C.提取液呈绿色是由于含有叶绿素a和叶绿素b
D.胡萝卜素距离画线处最远,是因为其在提取液中的溶解度最高
C
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解析:未见色素带,应该是操作失误,如果是黄化叶片,可见胡萝卜素和叶黄素的色素带,A错误;叶绿体中的色素是有机物,能够溶解在有机溶剂层析液中,B错误;由于叶绿素(包括叶绿素a和叶绿素b)含量比类胡萝卜素多,所以提取液呈绿色,C正确;因为胡萝卜素在层析液中的溶解度最高,在层析液中扩散得最快,所以胡萝卜素距离画线处最远,D错误。
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2.(2026·贵州贵阳模拟)下列关于光合作用探究历程中几位科学家研究方法及结论的叙述,正确的是(　　)
A.希尔利用离体叶绿体的实验探明了光合作用中氧气的来源
B.鲁宾和卡门采用放射性同位素标记法证明氧气中的氧全部来自水
C.阿尔农发现叶绿体在光照下可合成ATP,该过程与CO2的固定相伴随
D.卡尔文向小球藻提供14CO2,光照一段时间后,14C3先于14C5出现
D
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解析:希尔利用离体叶绿体在无CO2条件下进行实验,证明水的光解可以产生氧气,但未明确氧气中的氧全部来自水(鲁宾和卡门实验才最终确定),A错误;鲁宾和卡门使用同位素标记法(O和C18O2)研究光合作用中氧气的来源,但18O是稳定同位素,而非放射性同位素,B错误;阿尔农发现叶绿体在光照下合成ATP,该过程总是与水的光解相伴随,C错误;卡尔文实验中,14CO2首先与C5结合生成C3(CO2的固定),因此14C会先出现在C3中,随后在C5再生时才会出现,D正确。
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3.如图为某绿色植物光合作用的过程简图,其中①②表示相关过程,A、B、C、D表示光合作用中的某些物质。下列说法不正确的是(　　)
A.光合作用的产物只有淀粉
B.物质A表示氧气,物质B表示二氧化碳
C.物质C是光反应为暗反应提供的ATP和NADPH
D.①过程表示光反应,场所在叶绿体的类囊体薄膜上
A
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解析:光合作用的产物除了淀粉等糖类外,还有氧气等,A错误;①表示光反应阶段,完成水的光解产生氧气(A),②表示暗反应阶段,B表示二氧化碳,B正确;①光反应阶段产生的ATP和NADPH(C)用于②暗反应阶段中三碳化合物的还原,C正确;①表示光反应阶段,光反应阶段在叶绿体的类囊体薄膜上进行,D正确。
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4.(2026·广东广州模拟)在光合作用的光反应中,叶绿素吸收的光能会被转化成电子进行传递。电子从光系统Ⅱ(PSⅡ)转移到光系统Ⅰ(PSⅠ),最终生成NADPH。除此之外,PSⅡ还负责光合生物中水的光依赖性氧化,同时释放O2和质子(H+),质子可以推动ATP合成,过程如图所示。下列相关叙述错误的是(　　)
A.PSⅡ具有吸收利用光能,并进行电子传递的作用
B.破坏PSⅡ会影响光反应中O2的释放和ATP的合成
C.若降低B侧的H+浓度,则有利于光反应过程中产生ATP
D.通过光合电子传递链,光能可转化到NADPH和ATP中
C
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解析:据题图可知,类囊体薄膜上的PSⅡ具有吸收利用光能,并进行电子传递的作用,A正确;由题意可知,PSⅡ负责光合作用过程中H2O的光解,同时释放O2和质子(H+),质子可以推动ATP合成,因此破坏PSⅡ会影响该过程中O2的释放和ATP的合成,B正确;降低B侧的H+浓度会减小类囊体薄膜两侧H+浓度差,不利于H+顺浓度运输到膜外,不利于ATP的合成,C错误;叶绿素接受光的照射后被激发,在PSⅡ发生H2O的光解,释放势能高的e-,e-的最终供体是H2O,通过光合电子传递链,光能转化为ATP和NADPH中的化学能,D正确。
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5.(2026·江苏镇江模拟)科学家在深海热液残骸的缺氧环境中发现一种产锈细菌,该菌能氧化Fe2+获取能量。下列叙述正确的是(　　)
A.铁元素是组成该菌的核心元素
B.该菌可能和硝化细菌一样能进行化能合成作用
C.合成氧化酶的基因位于该菌的染色体上
D.该菌没有线粒体,但能进行有氧呼吸
B
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解析:铁元素是该菌代谢所需,组成该菌的核心元素是碳,铁属于微量元素,A错误;该菌通过氧化Fe2+获取能量,类似硝化细菌的化能合成作用(利用无机物氧化释放的能量合成有机物),B正确;产锈细菌为原核生物,无染色体,基因位于拟核区或质粒中,C错误;该菌无线粒体,且题干明确环境为“缺氧”,其能量获取可能依赖无氧呼吸或其他电子传递链,D错误。
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6.(2026·江西南昌模拟)经甲基磺酸乙酯诱变籼稻,获得黄绿叶突变体y。研究者提取野生型及突变体y的光合色素并测定其含量,结果如图所示。下列叙述错误的是(　　)
A.突变体y叶片颜色变化与叶绿素含量变化有关
B.实验时常用无水乙醇提取绿叶中的各种光合色素
C.将籼稻幼苗遮阴处理后可得到类似突变体y的结果
D.光合色素所吸收的光能可直接转化成有机物中的化学能
D
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解析:据题图分析,黄绿叶突变体y的叶绿素含量降低,A正确;各种光合色素能溶解在无水乙醇等有机溶剂中,B正确;光是合成叶绿素的必要条件,将籼稻幼苗遮阴处理,叶绿素合成减少,类胡萝卜素含量比重增多,可得到类似突变体y的表型,C正确;光合色素所吸收的光能不能直接转化为有机物中的化学能,D错误。
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7.(2026·湖北武汉模拟)卡尔文等研究发现,当植物所处环境由光照转为黑暗时,RuBP(C5)含量急剧下降,PGA(C3)含量迅速上升;当骤然降低CO2浓度时,PGA含量迅速下降,而RuBP含量上升。下列叙述错误的是(　　)
A.CO2的固定过程在叶绿体的基质中进行
B.RuBP可以与CO2反应并消耗ATP
C.CO2的还原阶段消耗NADPH并合成蔗糖或淀粉等有机物
D.叶绿体中RuBP含量不多,因为RuBP消耗后会再生
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解析:CO2的固定过程是暗反应过程的一部分,在叶绿体的基质中进行,A正确;RuBP可以与CO2反应但是不消耗ATP,B错误;CO2的还原阶段利用光反应产生的NADPH和ATP并合成蔗糖或淀粉等有机物,C正确;在光合作用的卡尔文循环中,当CO2与RuBP结合后,经过一系列反应,RuBP被消耗,但同时会发生一系列酶促反应不断地再生出新的RuBP,使其能持续参与CO2的固定过程,D正确。
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8.(2026·广东广州模拟)中国科学家通过耦合化学催化和生物催化模块体系,成功构建了人工合成淀粉的反应器:在无细胞系统中,以CO2和电解产生的氢气为原料,通过11步催化反应合成淀粉。理论上1 m3体积的人工合成淀粉反应器相当于5亩土地种植玉米的淀粉产量。该突破性成果为推进“碳达峰”和“碳中和”目标的实现,提供了一种新的技术路线。回答下列问题。
(1)构建人工光合系统时,加入从菠菜中分离的类囊体膜,并加入足量NADP+、ADP等物质。其中,类囊体膜的作用是
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
类囊体膜上有捕获光能的色素和参与光反应的酶
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解析:类囊体膜上有捕获光能的色素和参与光反应的酶,是进行光反应阶段的场所。
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(2)从光合作用速率角度分析,该系统与叶肉细胞相比能够更有效积累有机物的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　。
解析:分析题意,该系统在无细胞系统中,以CO2和电解产生的氢气为原料,通过11步催化反应合成淀粉,由此可知该系统与叶肉细胞相比能够更有效积累有机物的原因是无细胞系统,不存在呼吸作用消耗。
无细胞系统,不存在呼吸作用消耗
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(3)NO是生物体内一种重要的信号调节分子,在植物响应逆境胁迫的应答中能发挥重要的作用。研究者以玉米幼苗为实验材料进行了如图所示实验并测定相关数据(注:D1蛋白与光合色素结合形成复合体,用于吸收、传递和转换光能)。
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本实验的目的是____________________________________________。对比A和B两组实验可知,干旱胁迫下玉米幼苗的净光合速率会下降,原因可能是____________________________________________________
______________________________________________________。
人工合成途径由于对环境中水的依赖程度较低,在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景,由此推测该技术对我国农业生产的重要意义是________
____________________________________________________________
　　　　　　　(答出1点即可)。
探究NO对干旱胁迫条件下玉米幼苗光合作用的影响
叶片气孔导度降低,CO2的吸收量减少,暗反应速率下降;D1蛋白含量下降,吸收、传递和转换光能受阻,光反应速率下降
节约耕地和淡水;解决粮食危机,提高粮食安全水平;避免农药、化肥等对环境的污染
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解析:分析题意和题图可知,本实验的自变量为是否进行干旱处理和干旱条件是否施加NO,因变量为气孔导度(相对值)、D1相对含量和CO2吸收速率(相对值),由此可知,本实验的目的是探究NO对干旱胁迫条件下玉米幼苗光合作用的影响。对比A和B两组实验结果可知,干旱胁迫下叶片气孔导度降低,CO2的吸收量减少,暗反应速率下降,并且D1蛋白含量下降,吸收、传递和转换光能受阻,光反应速率下降,所以干旱胁迫下玉米幼苗的净光合速率会下降。人工合成途径对环境中水的依赖程度较低,故该技术对我国农业生产的重要意义是节约耕地和淡水;解决粮食危机,提高粮食安全水平;避免农药、化肥等对环境的污染等。第12讲 捕获光能的色素和结构及光合作用的原理
考点一　绿叶中色素的提取和分离
1.实验原理
2.实验步骤
3.实验结果及分析
考向　绿叶中色素的提取和分离实验的分析
1.(2025·山东卷,13)“绿叶中色素的提取和分离”实验操作中要注意“干燥”,则下列说法错误的是(　　)
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
答案:B
解析:实验要求使用干燥的定性滤纸制备滤纸条,以保证层析效果,A正确;实验明确要求使用新鲜绿叶(如菠菜),烘干会破坏色素分子,正确操作是剪碎鲜叶研磨,B错误;画滤液细线需待滤液干后,再重画一到两次,避免色素扩散导致条带重叠,C正确;95%乙醇加无水碳酸钠可替代无水乙醇,用于提取色素,D正确。
2.(2024·贵州卷,3)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)分别测定各组各种光合色素含量。下列叙述错误的是(　　)
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以使用蓝紫光波段
答案:D
解析:绿叶中色素的提取与分离过程中叶片研磨时加入碳酸钙可以防止研磨中色素被破坏,A正确;绿叶中的色素不止一种,不同的色素在层析液中的溶解度不同,它们在滤纸条上扩散的速度也不同,故可以采用纸层析法分离提取液中的色素,B正确;绿叶中不同色素呈现不同颜色,叶绿素a为蓝绿色,叶绿素b为黄绿色,胡萝卜素为橙黄色,叶黄素为黄色,光合色素相对含量不同可使叶色出现差异,如叶绿素含量/类胡萝卜素含量的值高时,叶片呈绿色,该值低时叶片发黄,C正确;叶绿素主要吸收蓝紫光和红光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,因此使用蓝紫光波段测定的为叶绿素和类胡萝卜素的总含量,D错误。
考点二　捕获光能的色素和叶绿体的结构
1.叶绿体中色素的吸收光谱分析
2.叶绿体的结构适于进行光合作用
(1)叶绿体的结构模式图
(2)恩格尔曼对叶绿体功能的实验验证
①第一个实验
实验结论:O2 是由叶绿体在光照条件下释放出来的,叶绿体是光合作用的场所。
②第二个实验
用透过三棱镜的光照射水绵临时装片,发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。
实验结论
a.叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。
b.叶绿体主要吸收红光和蓝紫光。
(3)总结:在叶绿体内部巨大的膜表面上,分布着许多吸收光能的色素分子,在类囊体膜上和叶绿体基质中,还有许多进行光合作用所必需的酶。色素和酶是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。
考向　捕获光能的色素和结构
1.(2026·河南平顶山模拟)如图表示叶绿体中色素吸收光能的情况。据图判断,以下说法不正确的是(　　)
A.由图可知,类胡萝卜素主要吸收400~500 nm波长的光
B.曲线3对应的色素叶绿素a的颜色为蓝绿色
C.由550 nm波长的光转为670 nm波长的光后,叶绿体吸收利用的光能减少
D.土壤中缺乏镁时,植物对420~470 nm波长的光的利用量显著减少
答案:C
解析:从题图中可以看出,曲线1在400~500 nm波长处有吸收峰,代表类胡萝卜素,A正确;曲线3主要吸收红光和蓝紫光,是叶绿素a的吸收光谱,颜色为蓝绿色,B正确;由题图可知,由550 nm波长的光转为670 nm波长的光后,叶绿体吸收利用的光能增多,C错误;叶绿素吸收420~470 nm波长的光较多,缺镁时叶绿素的合成受到影响,吸收420~470 nm波长的光变少,植物对420~470 nm波长的光的利用量显著减少,D正确。
2.如图为叶绿体亚显微结构模式图,下列关于其结构与功能的叙述,正确的是(　　)
A.叶绿体普遍分布在植物体的所有细胞中
B.叶绿素在高等植物体内有两种,叶绿素a呈蓝绿色,叶绿素b呈黄绿色
C.同线粒体一样,叶绿体的内膜极大地扩展了受光面积
D.吸收光能的色素都分布在①外膜上
答案:B
解析:植物的根尖细胞等不含有叶绿体,A错误;叶绿素在高等植物体内有叶绿素a和叶绿素b两种,叶绿素a呈蓝绿色,叶绿素b呈黄绿色,B正确;叶绿体的内膜没有扩大受光面积,而类囊体堆叠形成基粒极大地扩展了受光面积,C错误;吸收光能的色素分布在③类囊体的薄膜上,D错误。
考点三　光合作用的原理
1.光合作用过程
(1)光合作用的基本过程
图中序号代表的物质:①NADPH,②C3,③ADP+Pi,④O2,⑤(CH2O)。
(2)比较光反应与暗反应
(3)元素的转移途径
①H:3H2ONADP3H(C3H2O)
②C:14CO214C3(14CH2O)
③O:O18O2
C18O2C3(CO)
2.光合作用和化能合成作用的比较
探究　如图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析,回答下列问题。
(1)在光能的驱动下产生的电子是怎样通过有序传递完成能量转换的
提示:先由光能转化为电能,再由电能转化为NADPH和ATP中的化学能。
(2)光反应产生的ATP仅用于暗反应吗
提示:由图可知,产生的ATP可用于暗反应以及核酸代谢,色素合成等其他消耗能量的反应。
(3)水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,最少要穿过几层膜 判断的依据是什么
提示:5层。水光解产生的O2场所是叶绿体的类囊体膜的内侧,若被有氧呼吸利用,而O2在线粒体内膜上被利用,O2从叶绿体类囊体膜开始,再穿过叶绿体2层膜,然后进入同一细胞中的线粒体,穿过线粒体的两层膜,所以至少要穿过5层膜。
考向1　光合作用原理的探究
1.(2026·安徽合肥模拟)20世纪40年代,卡尔文等人在小球藻培养液中通入14CO2,再给予不同的光照时间,然后用甲醇(可杀死小球藻)分别处理并取样,最后根据标记化合物出现情况,确定生成物质的先后次序。下列有关说法正确的是(　　)
A.在卡尔文的实验过程中,不产生氧气,也不消耗氧气
B.该实验过程应该在无氧环境中进行,以排除干扰
C.若要确定第一个生成的物质,光照时间应延长
D.含有14C的物质,主要存在于叶绿体基质中
答案:D
解析:小球藻通过叶绿体进行光合作用,光反应阶段会产生氧气,线粒体进行有氧呼吸的过程会消耗氧气,A错误;卡尔文探究的是暗反应的过程,氧气对该实验没有明显干扰,不需要设置无氧环境,B错误;若要确定第一个生成的物质,应不断缩短光照时间,C错误;暗反应的场所在叶绿体基质,以14CO2为原料生成的含有14C的物质主要存在于叶绿体基质中,D正确。
考向2　光合作用过程的原理
2.(2023·湖北卷,8)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体,PSⅡ光复合体含有光合色素,能吸收光能,并分解水。研究发现,PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ,通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是(　　)
A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,PSⅡ光复合体对光能的捕获增强
B.Mg2+含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱
C.弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,不利于对光能的捕获
D.PSⅡ光复合体分解水可以产生H+、电子和O2
答案:C
解析:叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,LHCⅡ与PSⅡ分离减少,PSⅡ光复合体对光能的捕获增强,A正确;Mg2+是叶绿素的组成成分,其含量减少会导致PSⅡ光复合体上的叶绿素含量减少,对光能的捕获减弱,B正确;弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,可以增强对光能的捕获,C错误;PSⅡ光复合体能吸收光能,并分解水产生H+、电子和O2,D正确。
考向3　光合作用过程中的物质变化分析
3.(2026·河北石家庄调研)光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。对于改变反应条件而引起的变化,下列说法正确的是(　　)
A.突然中断CO2供应,会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值减小
B.突然中断CO2供应,会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
C.突然将红光改变为绿光,会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小
D.突然将绿光改变为红光,会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值减小
答案:B
解析:突然中断CO2供应,导致CO2的固定速率降低,叶绿体中C5含量增加、C3含量减少,C3的还原减慢,因此会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值增大,ATP/ADP的值增大,A错误,B正确;突然将红光改变为绿光后,光能利用率降低,ATP和NADPH含量减少,进而使C3含量增加、C5含量减少,因此会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值增大,C错误;突然将绿光改变为红光后,光能利用率提高,ATP和NADPH含量增加,叶绿体基质中ATP/ADP的值暂时增大,D错误。
1.提取光合色素,进行纸层析分离,对该实验中各种现象的解释,正确的是(　　)
A.未见色素带,说明材料可能为黄化叶片
B.色素始终在滤纸上,是因为色素不溶于层析液
C.提取液呈绿色是由于含有叶绿素a和叶绿素b
D.胡萝卜素距离画线处最远,是因为其在提取液中的溶解度最高
答案:C
解析:未见色素带,应该是操作失误,如果是黄化叶片,可见胡萝卜素和叶黄素的色素带,A错误;叶绿体中的色素是有机物,能够溶解在有机溶剂层析液中,B错误;由于叶绿素(包括叶绿素a和叶绿素b)含量比类胡萝卜素多,所以提取液呈绿色,C正确;因为胡萝卜素在层析液中的溶解度最高,在层析液中扩散得最快,所以胡萝卜素距离画线处最远,D错误。
2.(2026·贵州贵阳模拟)下列关于光合作用探究历程中几位科学家研究方法及结论的叙述,正确的是(　　)
A.希尔利用离体叶绿体的实验探明了光合作用中氧气的来源
B.鲁宾和卡门采用放射性同位素标记法证明氧气中的氧全部来自水
C.阿尔农发现叶绿体在光照下可合成ATP,该过程与CO2的固定相伴随
D.卡尔文向小球藻提供14CO2,光照一段时间后,14C3先于14C5出现
答案:D
解析:希尔利用离体叶绿体在无CO2条件下进行实验,证明水的光解可以产生氧气,但未明确氧气中的氧全部来自水(鲁宾和卡门实验才最终确定),A错误;鲁宾和卡门使用同位素标记法(O和C18O2)研究光合作用中氧气的来源,但18O是稳定同位素,而非放射性同位素,B错误;阿尔农发现叶绿体在光照下合成ATP,该过程总是与水的光解相伴随,C错误;卡尔文实验中,14CO2首先与C5结合生成C3(CO2的固定),因此14C会先出现在C3中,随后在C5再生时才会出现,D正确。
3.如图为某绿色植物光合作用的过程简图,其中①②表示相关过程,A、B、C、D表示光合作用中的某些物质。下列说法不正确的是(　　)
A.光合作用的产物只有淀粉
B.物质A表示氧气,物质B表示二氧化碳
C.物质C是光反应为暗反应提供的ATP和NADPH
D.①过程表示光反应,场所在叶绿体的类囊体薄膜上
答案:A
解析:光合作用的产物除了淀粉等糖类外,还有氧气等,A错误;①表示光反应阶段,完成水的光解产生氧气(A),②表示暗反应阶段,B表示二氧化碳,B正确;①光反应阶段产生的ATP和NADPH(C)用于②暗反应阶段中三碳化合物的还原,C正确;①表示光反应阶段,光反应阶段在叶绿体的类囊体薄膜上进行,D正确。
4.(2026·广东广州模拟)在光合作用的光反应中,叶绿素吸收的光能会被转化成电子进行传递。电子从光系统Ⅱ(PSⅡ)转移到光系统Ⅰ(PSⅠ),最终生成NADPH。除此之外,PSⅡ还负责光合生物中水的光依赖性氧化,同时释放O2和质子(H+),质子可以推动ATP合成,过程如图所示。下列相关叙述错误的是(　　)
A.PSⅡ具有吸收利用光能,并进行电子传递的作用
B.破坏PSⅡ会影响光反应中O2的释放和ATP的合成
C.若降低B侧的H+浓度,则有利于光反应过程中产生ATP
D.通过光合电子传递链,光能可转化到NADPH和ATP中
答案:C
解析:据题图可知,类囊体薄膜上的PSⅡ具有吸收利用光能,并进行电子传递的作用,A正确;由题意可知,PSⅡ负责光合作用过程中H2O的光解,同时释放O2和质子(H+),质子可以推动ATP合成,因此破坏PSⅡ会影响该过程中O2的释放和ATP的合成,B正确;降低B侧的H+浓度会减小类囊体薄膜两侧H+浓度差,不利于H+顺浓度运输到膜外,不利于ATP的合成,C错误;叶绿素接受光的照射后被激发,在PSⅡ发生H2O的光解,释放势能高的e-,e-的最终供体是H2O,通过光合电子传递链,光能转化为ATP和NADPH中的化学能,D正确。
5.(2026·江苏镇江模拟)科学家在深海热液残骸的缺氧环境中发现一种产锈细菌,该菌能氧化Fe2+获取能量。下列叙述正确的是(　　)
A.铁元素是组成该菌的核心元素
B.该菌可能和硝化细菌一样能进行化能合成作用
C.合成氧化酶的基因位于该菌的染色体上
D.该菌没有线粒体,但能进行有氧呼吸
答案:B
解析:铁元素是该菌代谢所需,组成该菌的核心元素是碳,铁属于微量元素,A错误;该菌通过氧化Fe2+获取能量,类似硝化细菌的化能合成作用(利用无机物氧化释放的能量合成有机物),B正确;产锈细菌为原核生物,无染色体,基因位于拟核区或质粒中,C错误;该菌无线粒体,且题干明确环境为“缺氧”,其能量获取可能依赖无氧呼吸或其他电子传递链,D错误。
6.(2026·江西南昌模拟)经甲基磺酸乙酯诱变籼稻,获得黄绿叶突变体y。研究者提取野生型及突变体y的光合色素并测定其含量,结果如图所示。下列叙述错误的是(　　)
A.突变体y叶片颜色变化与叶绿素含量变化有关
B.实验时常用无水乙醇提取绿叶中的各种光合色素
C.将籼稻幼苗遮阴处理后可得到类似突变体y的结果
D.光合色素所吸收的光能可直接转化成有机物中的化学能
答案:D
解析:据题图分析,黄绿叶突变体y的叶绿素含量降低,A正确;各种光合色素能溶解在无水乙醇等有机溶剂中,B正确;光是合成叶绿素的必要条件,将籼稻幼苗遮阴处理,叶绿素合成减少,类胡萝卜素含量比重增多,可得到类似突变体y的表型,C正确;光合色素所吸收的光能不能直接转化为有机物中的化学能,D错误。
7.(2026·湖北武汉模拟)卡尔文等研究发现,当植物所处环境由光照转为黑暗时,RuBP(C5)含量急剧下降,PGA(C3)含量迅速上升;当骤然降低CO2浓度时,PGA含量迅速下降,而RuBP含量上升。下列叙述错误的是(　　)
A.CO2的固定过程在叶绿体的基质中进行
B.RuBP可以与CO2反应并消耗ATP
C.CO2的还原阶段消耗NADPH并合成蔗糖或淀粉等有机物
D.叶绿体中RuBP含量不多,因为RuBP消耗后会再生
答案:B
解析:CO2的固定过程是暗反应过程的一部分,在叶绿体的基质中进行,A正确;RuBP可以与CO2反应但是不消耗ATP,B错误;CO2的还原阶段利用光反应产生的NADPH和ATP并合成蔗糖或淀粉等有机物,C正确;在光合作用的卡尔文循环中,当CO2与RuBP结合后,经过一系列反应,RuBP被消耗,但同时会发生一系列酶促反应不断地再生出新的RuBP,使其能持续参与CO2的固定过程,D正确。
8.(2026·广东广州模拟)中国科学家通过耦合化学催化和生物催化模块体系,成功构建了人工合成淀粉的反应器:在无细胞系统中,以CO2和电解产生的氢气为原料,通过11步催化反应合成淀粉。理论上1 m3体积的人工合成淀粉反应器相当于5亩土地种植玉米的淀粉产量。该突破性成果为推进“碳达峰”和“碳中和”目标的实现,提供了一种新的技术路线。回答下列问题。
(1)构建人工光合系统时,加入从菠菜中分离的类囊体膜,并加入足量NADP+、ADP等物质。其中,类囊体膜的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)从光合作用速率角度分析,该系统与叶肉细胞相比能够更有效积累有机物的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)NO是生物体内一种重要的信号调节分子,在植物响应逆境胁迫的应答中能发挥重要的作用。研究者以玉米幼苗为实验材料进行了如图所示实验并测定相关数据(注:D1蛋白与光合色素结合形成复合体,用于吸收、传递和转换光能)。
本实验的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　。对比A和B两组实验可知,干旱胁迫下玉米幼苗的净光合速率会下降,原因可能是　 　 。
人工合成途径由于对环境中水的依赖程度较低,在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景,由此推测该技术对我国农业生产的重要意义是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答出1点即可)。
答案:(1)类囊体膜上有捕获光能的色素和参与光反应的酶
(2)无细胞系统,不存在呼吸作用消耗
(3)探究NO对干旱胁迫条件下玉米幼苗光合作用的影响　叶片气孔导度降低,CO2的吸收量减少,暗反应速率下降;D1蛋白含量下降,吸收、传递和转换光能受阻,光反应速率下降　节约耕地和淡水;解决粮食危机,提高粮食安全水平;避免农药、化肥等对环境的污染
解析:(1)类囊体膜上有捕获光能的色素和参与光反应的酶,是进行光反应阶段的场所。
(2)分析题意,该系统在无细胞系统中,以CO2和电解产生的氢气为原料,通过11步催化反应合成淀粉,由此可知该系统与叶肉细胞相比能够更有效积累有机物的原因是无细胞系统,不存在呼吸作用消耗。
(3)分析题意和题图可知,本实验的自变量为是否进行干旱处理和干旱条件是否施加NO,因变量为气孔导度(相对值)、D1相对含量和CO2吸收速率(相对值),由此可知,本实验的目的是探究NO对干旱胁迫条件下玉米幼苗光合作用的影响。对比A和B两组实验结果可知,干旱胁迫下叶片气孔导度降低,CO2的吸收量减少,暗反应速率下降,并且D1蛋白含量下降,吸收、传递和转换光能受阻,光反应速率下降,所以干旱胁迫下玉米幼苗的净光合速率会下降。人工合成途径对环境中水的依赖程度较低,故该技术对我国农业生产的重要意义是节约耕地和淡水;解决粮食危机,提高粮食安全水平;避免农药、化肥等对环境的污染等。
专题加强1　CO2浓缩的三种途径
光合作用固定CO2的途径除了卡尔文循环,还有C4途径和景天酸代谢(CAM)途径等。
(1)C4植物固定CO2的途径
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。
(2)景天科植物的CO2固定途径(CAM途径)
景天酸代谢是许多肉质植物的一种特殊代谢方式,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,如图所示。
(3)蓝细菌的CO2浓缩机制
蓝细菌具有CO2浓缩机制,如图所示。
1.(2026·湖北黄冈模拟)水稻属于C3植物,其叶肉细胞能进行光合作用。玉米属于C4植物,叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成光合作用,过程如图1所示,图中PEP羧化酶对CO2的亲和力约是Rubisco对CO2的亲和力的60倍。某种玉米和水稻的光合速率随外界CO2浓度的变化如图2所示。据图推测,下列说法不合理的是(　　)
A.玉米的叶肉细胞可以给维管束鞘细胞提供ATP和NADPH
B.检测玉米中淀粉的产生场所应选择维管束鞘细胞的叶绿体
C.图2中玉米和水稻分别对应曲线A和B
D.种植C4植物比种植C3植物更有利于实现碳中和的目标
答案:D
解析:玉米的叶肉细胞有类囊体,可以进行光反应,给维管束鞘细胞提供ATP和NADPH,A正确;维管束鞘细胞的叶绿体有Rubisco,可以合成淀粉,B正确;玉米利用低浓度CO2的能力更强,所以题图2中玉米和水稻分别对应曲线A和B,C正确;C3植物最大净光合速率更高,所以种植C3植物比种植C4植物更有利于实现碳中和的目标,D错误。
2.(2021·辽宁卷,22)早期地球大气中的O2浓度很低,大约3.5亿年前,大气中O2浓度显著增加,CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约为390 μmol·mol-1,是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是一种催化CO2固定的酶,在低浓度CO2条件下,催化效率低。有些植物在进化过程中形成了CO2浓缩机制,极大地提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度,促进了CO2的固定。回答下列问题。
(1)真核细胞叶绿体中,在Rubisco的催化下,CO2被固定形成　　　　　　　　,进而被还原生成糖类,此过程发生在　　　　　　　　中。
(2)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　　　　　　　　　　　　。
(3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制,部分过程见图2。在叶肉细胞中,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将HC转化为有机物,该有机物经过一系列的变化,最终进入相邻的维管束鞘细胞释放CO2,提高了Rubisco附近的CO2浓度。
①由这种CO2浓缩机制可以推测,PEPC与无机碳的亲和力　　　(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。
②图2所示的物质中,可由光合作用光反应提供的是　　　　　　　　。图中由Pyr转变为PEP的过程属于　　　　　　(填“吸能反应”或“放能反应”)。
③若要通过实验验证某植物在题述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所,可以使用　　　　　　　技术。
(4)通过转基因技术或蛋白质工程技术,可以进一步提高植物光合作用的效率,以下研究思路合理的有　　　　。
A.改造植物的HC转运蛋白基因,增强HC的运输能力
B.改造植物的PEPC基因,抑制OAA的合成
C.改造植物的Rubisco基因,增强CO2固定能力
D.将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物
答案:(1)三碳化合物(C3)　叶绿体基质
(2)叶绿体　细胞呼吸和光合作用(光反应)
(3)①高于　②NADPH和ATP　吸能反应　③同位素示踪
(4)AC
解析:(1)光合作用的暗反应中,CO2被固定形成三碳化合物(C3),进而被还原生成糖类,此过程发生在叶绿体基质中。
(2)由题图1可知,HC运输需要消耗ATP,说明HC的运输是主动运输,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由细胞呼吸提供,叶绿体中的ATP由光合作用(光反应)提供。
(3)①PEPC参与催化HC+PEP→OAA过程,说明PEPC与无机碳的亲和力高于Rubisco。
②题图2所示的物质中,可由光合作用光反应提供的是ATP和NADPH。题图中由Pyr转变为PEP的过程需要消耗ATP,说明题图中由Pyr转变为PEP的过程属于吸能反应。
③若要通过实验验证某植物在题述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所,可以使用同位素示踪技术。
(4)改造植物的HC转运蛋白基因,增强HC的运输能力,可以提高植物光合作用的效率,A符合题意;改造植物的PEPC基因,抑制OAA的合成,不利于CO2的生成,不能提高植物光合作用的效率,B不符合题意;改造植物的Rubisco基因,增强CO2固定能力,可以提高植物光合作用的效率,C符合题意;由于基因的表达受多种因素的影响,将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物,不一定能提高植物光合作用的效率,D不符合题意。(共34张PPT)
第12讲　捕获光能的色素和结构及光合作用的原理
内容索引
NEIRONGSUOYIN
考点二
捕获光能的色素和叶绿体的结构
绿叶中色素的提取和分离
考点一
考点三
光合作用的原理
绿叶中色素的提取和分离
考点一
梳理 必备知识
1.实验原理
有机溶剂
无水乙醇
溶解度
高
层析液
2.实验步骤
防止色素被破坏
扩散均匀
3.实验结果及分析
橙黄色
叶黄素
黄色
叶绿素a
蓝绿色
黄绿色
色素种类
色素含量
溶解度
精练 迁移应用
考向　绿叶中色素的提取和分离实验的分析
1.(2025·山东卷,13)“绿叶中色素的提取和分离”实验操作中要注意“干燥”,则下列说法错误的是(　　)
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
B
解析:实验要求使用干燥的定性滤纸制备滤纸条,以保证层析效果,A正确;实验明确要求使用新鲜绿叶(如菠菜),烘干会破坏色素分子,正确操作是剪碎鲜叶研磨,B错误;画滤液细线需待滤液干后,再重画一到两次,避免色素扩散导致条带重叠,C正确;95%乙醇加无水碳酸钠可替代无水乙醇,用于提取色素,D正确。
2.(2024·贵州卷,3)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)分别测定各组各种光合色素含量。下列叙述错误的是
(　　)
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以使用蓝紫光波段
D
解析:绿叶中色素的提取与分离过程中叶片研磨时加入碳酸钙可以防止研磨中色素被破坏,A正确;绿叶中的色素不止一种,不同的色素在层析液中的溶解度不同,它们在滤纸条上扩散的速度也不同,故可以采用纸层析法分离提取液中的色素,B正确;绿叶中不同色素呈现不同颜色,叶绿素a为蓝绿色,叶绿素b为黄绿色,胡萝卜素为橙黄色,叶黄素为黄色,光合色素相对含量不同可使叶色出现差异,如叶绿素含量/类胡萝卜素含量的值高时,叶片呈绿色,该值低时叶片发黄,C正确;叶绿素主要吸收蓝紫光和红光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,因此使用蓝紫光波段测定的为叶绿素和类胡萝卜素的总含量,D错误。
捕获光能的色素和叶绿体的结构
考点二
梳理 必备知识
1.叶绿体中色素的吸收光谱分析
叶绿素b
叶绿素a
可见光
红光和蓝紫光
蓝紫光
2.叶绿体的结构适于进行光合作用
(1)叶绿体的结构模式图
叶绿体基质
暗
类囊体
光
(2)恩格尔曼对叶绿体功能的实验验证
①第一个实验
实验结论:O2 是由 在 条件下释放出来的, 是光合作用的场所。
叶绿体
光照
叶绿体
②第二个实验
用透过三棱镜的光照射水绵临时装片,发现大量的需氧细菌聚集在
区域。
实验结论
a.叶绿体能吸收光能用于光合作用放 。
b.叶绿体主要吸收 。
红光和蓝紫光
氧
红光和蓝紫光
(3)总结:在叶绿体内部巨大的膜表面上,分布着许多吸收光能的 ,在 中,还有许多进行光合作用所必需的酶。
是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。
色素分子
类囊体膜上和叶绿体基质
色素和酶
精练 迁移应用
考向　捕获光能的色素和结构
1.(2026·河南平顶山模拟)如图表示叶绿体中色素吸收光能的情况。据图判断,以下说法不正确的是(　　)
A.由图可知,类胡萝卜素主要吸收
400~500 nm波长的光
B.曲线3对应的色素叶绿素a的颜色为蓝绿色
C.由550 nm波长的光转为670 nm波长的光后,叶绿体吸收利用的光能减少
D.土壤中缺乏镁时,植物对420~470 nm波长的光的利用量显著减少
C
解析:从题图中可以看出,曲线1在400~500 nm波长处有吸收峰,代表类胡萝卜素,A正确;曲线3主要吸收红光和蓝紫光,是叶绿素a的吸收光谱,颜色为蓝绿色,B正确;由题图可知,由550 nm波长的光转为670 nm波长的光后,叶绿体吸收利用的光能增多,C错误;叶绿素吸收420~470 nm波长的光较多,缺镁时叶绿素的合成受到影响,吸收420~470 nm波长的光变少,植物对420~470 nm波长的光的利用量显著减少,D正确。
2.如图为叶绿体亚显微结构模式图,下列关于其结构与功能的叙述,正确的是(　　)
A.叶绿体普遍分布在植物体的所有细胞中
B.叶绿素在高等植物体内有两种,叶绿素a呈蓝绿色,叶绿素b呈黄绿色
C.同线粒体一样,叶绿体的内膜极大地扩展了受光面积
D.吸收光能的色素都分布在①外膜上
B
解析:植物的根尖细胞等不含有叶绿体,A错误;叶绿素在高等植物体内有叶绿素a和叶绿素b两种,叶绿素a呈蓝绿色,叶绿素b呈黄绿色,B正确;叶绿体的内膜没有扩大受光面积,而类囊体堆叠形成基粒极大地扩展了受光面积,C错误;吸收光能的色素分布在③类囊体的薄膜上,D错误。
光合作用的原理
考点三
梳理 必备知识
1.光合作用过程
(1)光合作用的基本过程
图中序号代表的物质:① ,② ,③ ,④ ,⑤ 。
NADPH
C3
ADP+Pi
O2
(CH2O)
(2)比较光反应与暗反应
类囊体薄膜
叶绿体基质
色素
NADPH
(CH2O)+C5
ATP和NADPH
ATP和NADPH
有机
物中的化学能
2.光合作用和化能合成作用的比较
光能
无机物氧化释放
的能量
硝化细菌
CO2和H2O
探究　如图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分
析,回答下列问题。
深研 重难问题
(1)在光能的驱动下产生的电子是怎样通过有序传递完成能量转换的
提示:先由光能转化为电能,再由电能转化为NADPH和ATP中的化学能。
(2)光反应产生的ATP仅用于暗反应吗
提示:由图可知,产生的ATP可用于暗反应以及核酸代谢,色素合成等其他消耗能量的反应。
(3)水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,最少要穿过几层膜 判断的依据是什么
提示:5层。水光解产生的O2场所是叶绿体的类囊体膜的内侧,若被有氧呼吸利用,而O2在线粒体内膜上被利用,O2从叶绿体类囊体膜开始,再穿过叶绿体2层膜,然后进入同一细胞中的线粒体,穿过线粒体的两层膜,所以至少要穿过5层膜。
考向1　光合作用原理的探究
1.(2026·安徽合肥模拟)20世纪40年代,卡尔文等人在小球藻培养液中通入14CO2,再给予不同的光照时间,然后用甲醇(可杀死小球藻)分别处理并取样,最后根据标记化合物出现情况,确定生成物质的先后次序。下列有关说法正确的是(　　)
A.在卡尔文的实验过程中,不产生氧气,也不消耗氧气
B.该实验过程应该在无氧环境中进行,以排除干扰
C.若要确定第一个生成的物质,光照时间应延长
D.含有14C的物质,主要存在于叶绿体基质中
精练 迁移应用
D
解析:小球藻通过叶绿体进行光合作用,光反应阶段会产生氧气,线粒体进行有氧呼吸的过程会消耗氧气,A错误;卡尔文探究的是暗反应的过程,氧气对该实验没有明显干扰,不需要设置无氧环境,B错误;若要确定第一个生成的物质,应不断缩短光照时间,C错误;暗反应的场所在叶绿体基质,以14CO2为原料生成的含有14C的物质主要存在于叶绿体基质中,D正确。
考向2　光合作用过程的原理
2.(2023·湖北卷,8)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体,PSⅡ光复合体含有光合色素,能吸收光能,并分解水。研究发现,
PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ,通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是(　　)
A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,PSⅡ光复合体对光能的捕获增强
B.Mg2+含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱
C.弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,不利于对光能的捕获
D.PSⅡ光复合体分解水可以产生H+、电子和O2
C
解析:叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,LHCⅡ与PSⅡ分离减少,PSⅡ光复合体对光能的捕获增强,A正确;Mg2+是叶绿素的组成成分,其含量减少会导致PSⅡ光复合体上的叶绿素含量减少,对光能的捕获减弱,B正确;弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,可以增强对光能的捕获,C错误;PSⅡ光复合体能吸收光能,并分解水产生H+、电子和O2,D正确。
考向3　光合作用过程中的物质变化分析
3.(2026·河北石家庄调研)光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。对于改变反应条件而引起的变化,下列说法正确的是
(　　)
A.突然中断CO2供应,会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值减小
B.突然中断CO2供应,会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
C.突然将红光改变为绿光,会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小
D.突然将绿光改变为红光,会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值减小
B
解析:突然中断CO2供应,导致CO2的固定速率降低,叶绿体中C5含量增加、C3含量减少,C3的还原减慢,因此会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值增大,
ATP/ADP的值增大,A错误,B正确;突然将红光改变为绿光后,光能利用率降低,ATP和NADPH含量减少,进而使C3含量增加、C5含量减少,因此会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值增大,C错误;突然将绿光改变为红光后,光能利用率提高,ATP和NADPH含量增加,叶绿体基质中ATP/ADP的值暂时增大,D错误。

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