资源简介

(共42张PPT)
第2单元
细胞的代谢
第14讲　光呼吸和不同形式的光合作用
内容索引
核心体系
学习目标
活动方案
名卷优选
学 习 目 标
1．了解光呼吸的过程及存在意义。2．了解C4植物、景天科植物的特殊光合作用过程。
核 心 体 系
活 动 方 案
资料1：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会竞争Rubisco酶，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。光呼吸是一个高耗能的反应，正常生长条件下，光呼吸就可损耗掉25%～30%的光合产物。过程如图所示。
活动一　光呼吸的过程及意义
资料2：植物为什么要进行光呼吸呢？原因是在强光、高温、干旱等胁迫条件下，气孔关闭，CO2无法进入，光合作用暗反应因缺少原料而减慢甚至停止。然而，光反应(光能的吸收和电子传递)却仍在激烈进行。这就好比 “发动机(光反应)还在高速运转，但变速箱(暗反应)已经卡住了” 。会导致能量(ATP和NADPH)过剩，电子传递链“堵车”，从而形成大量活性氧(ROS)。活性氧是极其危险的，它会破坏叶绿体、蛋白质和DNA，导致细胞死亡。光呼吸此时扮演了一个“安全阀”的角色，消耗多余的能量：光呼吸过程本身需要消耗ATP和NADPH，这就为过剩的电子提供了另一条出路，减轻了电子传递链的压力。消耗多余的还原力：避免了能量过剩产生大量活性氧，从而保护了光合机构免受光损伤。
请根据上述资料回答下列问题。
(1) 参与光呼吸的场所有哪些？
【答案】 叶绿体、过氧化物酶体、线粒体。
(2) 在强光条件下，Rubisco催化什么底物，启动光呼吸过程形成C2
【答案】 RuBP(C5)和O2。
(3) 叶肉细胞在高氧环境中，其线粒体产生的CO2可来自哪些生理过程？
【答案】 有氧呼吸和光呼吸。
(4) 光呼吸导致作物产量下降的原因是？
【答案】 减少了光合产物的形成和积累，消耗大量能量，降低了净光合效率。
(5) 光呼吸在进化过程中得以长期保留，其对植物的意义是？
【答案】 光呼吸可消耗光反应积累的ATP和NADPH，减少光反应产物积累造成的损伤，且补充部分CO2，还能通过C2循环回收部分碳元素，避免碳元素损失过多。
(6) 为了使Rubisco酶的活性更倾向于发生CO2的固定反应，以提高农作物的产量，改变外界条件的措施有哪些？
【答案】 提高环境CO2浓度、适当灌溉、适当遮阴、进行叶面喷水降温等。
C4植物是一类具有特殊光合作用途径的植物，它们能高效地固定CO2，尤其在高温、强光和干旱条件下表现出色。常见C4植物包括玉米、高粱、甘蔗等。C4植物与C3植物具有不同的叶片结构和光合作用过程(如图所示)。
活动二　C4植物的光合作用过程
C3植物叶片中的维管束鞘细胞几乎不含有叶绿体，维管束鞘以外是排列疏松的含有叶绿体的叶肉细胞。C4植物叶片中围绕维管束的是呈“花环型”的两圈细胞，里面的一圈是维管束鞘细胞，这种维管束鞘细胞不仅个体大，而且含有叶绿体，外面的一圈是富含叶绿体的叶肉细胞。
与C3植物相比，C4植物叶肉细胞的细胞质基质具有一种特殊的PEP羧化酶，它催化如下反应：C3＋CO2→C4(苹果酸)。C4进入维管束鞘细胞，生成CO2用于暗反应，再生出的C3(丙酮酸)回到叶肉细胞中，进行循环利用。PEP羧化酶与CO2的亲和力是Rubisco酶的60倍，能固定低浓度的CO2。
请根据上述资料回答下列问题。
(1) C4植物叶肉细胞中的什么酶催化CO2和C3(PEP)反应形成C4(苹果酸)？推测C4(苹果酸)可能经什么结构进入维管束鞘细胞，生成CO2和C3
【答案】 PEP羧化酶。胞间连丝。
(2) C4植物中能固定CO2的细胞有哪些？
【答案】 叶肉细胞和维管束鞘细胞。
(3) C4植物进行卡尔文循环的场所位于哪里？
【答案】 维管束鞘细胞的叶绿体基质。
(4) 夏季正午，C3植株会出现“午休”现象，而C4植株则不会出现该现象的原因可能是？
【答案】 C4植物叶肉细胞中含有PEP羧化酶，在低浓度CO2下也能催化固定CO2(CO2浓缩机制)，所以C4植物在气孔部分关闭的情况下对光合作用影响不大。
(5) 结合活动一相关内容，推测 C4植物和C3植物进行光呼吸的强弱？并说明原因。
【答案】 C4植物的光呼吸通常弱于C3植物。C4植物叶肉细胞中PEP羧化酶(PEPC)能够利用低浓度CO2，使CO2富集到维管束鞘细胞中，CO2浓度的升高，在与O2竞争Rubisco中占有优势，从而光呼吸较弱。
景天酸代谢途径(CAM途径)是一些肉质植物所具有的一种固定CO2的途径，最开始发现于景天科植物，此类植物通常具有厚表皮、大液泡等特点。夜间，植物叶片气孔打开，吸收的CO2与PEP结合产生草酰乙酸，之后在酶作用下形成苹果酸，并储存于液泡内，从而表现出夜间淀粉减少、苹果酸增加、细胞液pH下降。白天气孔关闭，苹果酸从液泡中释放进入细胞质中脱羧，产生丙酮酸和 CO2，CO2再进入叶绿体中参与卡尔文循环。
活动三　景天科植物的光合作用
请根据上述资料回答以下问题。
(1) 景天科植物白天关闭气孔是为了适应什么环境？
【答案】 干旱、高温的环境。
(2) 叶肉细胞中能固定CO2的物质是？
【答案】 PEP、C5。
(3) 景天科植物白天进行暗反应的CO2来源有哪些？
【答案】 苹果酸的分解和细胞呼吸 (液泡和线粒体)。
(4) 夜晚CO2固定于苹果酸的过程属于“吸能”还是“放能”反应？
【答案】 吸能。
(5) C4途径与CAM途径，它们在固定CO2的时间和空间的差异是什么？
【答案】 C4途径：固定CO2和合成糖发生在同一时间，而空间错开(叶肉细胞和维管束鞘细胞)。
CAM途径：固定CO2和合成糖发生在同一个细胞内，但时间上错开(白天和夜晚)。
名 卷 优 选
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1．[2025江西模拟]CAM(景天科)植物具有特殊的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；白天气孔关闭时，液泡中储存的苹果酸则脱羧释放CO2用于光合作用。下列叙述正确的是(　 　)
A．CAM植物白天和晚上均进行光合作用和细胞呼吸
B．CAM植物细胞白天产生CO2的具体部位是线粒体基质
C．CAM植物叶肉细胞液泡中的pH白天逐渐升高，夜间逐渐降低
D．CAM植物吸收CO2的速率与细胞膜上转运蛋白的数量呈正相关
C
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【解析】 CAM植物晚上不能进行光合作用，A错误；CAM植物细胞液泡中储存的苹果酸脱羧也产生CO2，B错误；CAM植物白天液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用，叶肉细胞的pH逐渐升高，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，pH逐渐降低，C正确；吸收CO2不需要转运蛋白，D错误。
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2．[2025南通模拟]RuBP羧化/加氧酶缩写为Rubisco，当CO2浓度高时，Rubisco催化C5与CO2反应；当O2浓度高时，Rubisco催化C5与O2经过一系列化学反应，消耗ATP和NADPH，生成CO2和C3，这一过程称为光呼吸。如图为小麦叶肉细胞中的部分生理活动过程，大写字母代表相应的物质。下列叙述不合理的是(　 　)
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A．A表示NADPH，B表示NADP＋，C表示ADP＋Pi，D表示ATP，F表示RuBP
B．夏季晴朗的中午出现“午休现象”时，植物光呼吸会有所增强
C．Rubisco位于叶绿体基质，玉米(C4植物)通常比小麦(C3植物)光呼吸作用弱
D．光呼吸过程消耗ATP、NADPH，与光反应相反，不利于植物细胞的正常生长
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【解析】 由图可知，H＋＋B→A，故A表示NADPH，B表示 NADP＋，光反应过程由C形成D，则C表示ADP＋Pi，D表示ATP，F表示RuBP，即C5，A正确；夏季晴朗的中午出现“午休现象”时，气孔关闭，CO2不能正常进入叶肉细胞，但光反应正常进行，导致叶肉细胞内O2浓度较高，O2和C5结合概率增加，因此植物光呼吸的强度较通常会有所增大，B正确；Rubisco位于叶绿体基质，玉米(C4植物)通常比小麦(C3植物)光呼吸作用弱，因为玉米能利用较低浓度的CO2，C正确；植物细胞产生的ATP和NADPH过多时会破坏细胞，光呼吸能消耗过多的ATP和NADPH，故光呼吸有利于保护农作物，D错误。
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3．[2025山东模拟]下图是某绿藻适应水生环境，提高光合效率的机制图。下列叙述正确的是(　 　)
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A．图示中能产生ATP的结构只有细胞质基质和线粒体
C．水光解产生的H＋可进一步形成NADH，为暗反应提供还原剂和能量
D．光反应通过确保暗反应中CO2的供应，帮助该绿藻适应水生环境
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4．[2025浙江五校联考]景天酸代谢(CAM)途径属于某些植物特有的CO2固定方式：夜晚气孔开放，通过一系列反应将CO2固定于苹果酸，并储存在液泡中；白天气孔关闭，苹果酸运出液泡后释放CO2，供叶绿体的暗反应。下列叙述错误的是(　 　)
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A．在夜晚，叶肉细胞能产生ATP的细胞器只有线粒体
B．景天酸代谢途径的出现，可能与植物适应干旱条件有关
C．给植物提供14C标记的14CO2,14C可以出现在草酰乙酸、苹果酸、三碳酸和有机物中
D．在上午某一时刻，突然降低外界的CO2浓度，叶肉细胞中三碳酸的含量短时间内会降低
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【解析】 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，A正确；具有景天酸代谢途径的植物，气孔白天关闭，可以减少蒸腾作用，夜晚气孔张开吸收CO2，因此可以适应干旱的环境条件，B正确；晚上气孔开放，14CO2进入细胞后在细胞质基质中与PEP结合生成草酰乙酸，然后再转化为苹果酸而被固定，白天苹果酸运出液泡后放出14CO2，14CO2首先与五碳化合物结合生成三碳化合物，随后三碳化合物被还原生成有机物，可见14C可以出现在草酰乙酸、苹果酸、三碳酸和有机物中，C正确；突然降低外界的CO2浓度，对于该叶肉细胞来说，其暗反应不受影响，即C3的含量不受影响，D错误。
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5．(多选)[2025山东泰安第一中学月考]C4途径是除卡尔文循环(C3途径)外的另一种独特的CO2固定途径，因固定CO2的初产物是四碳化合物而得名，其光合作用过程如图所示，研究表明，与C3植物细胞中的Rubisco(可催化CO2固定)相比，C4植物叶肉细胞中的PEP羧化酶具有非常高的CO2亲和力，可固定低浓度的CO2。下列说法正确的有(　　　)
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BCD
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A．若给C4植物提供14CO2，则植株体内14C的转移途径为14CO→14C4→14C3
B．C3植物和C4植物的暗反应阶段所需要的NADPH和ATP均来自光反应阶段
C．不同植物固定CO2途径存在差异的根本原因是它们的遗传物质存在差异
D．在低CO2浓度环境下，C4植物的光合作用速率可能比C3植物高
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【解析】 C4植株能进行C4途径和C3途径，若给C4植物提供14CO2，则C4植株14C转移途径为14CO2→14C4→14CO2→14C3→(14C2HO)，A错误；由光合作用的过程可知，C3植物与C4植物的暗反应阶段利用的NADPH和ATP都来自光反应阶段，B正确；由于C4植物叶肉细胞中的PEP羧化酶具有非常高的CO2亲和力，可固定低浓度的CO2，故C4植物能够利用较低浓度的CO2进行光合作用，而C3植物则不能，因此低浓度CO2条件下，C4植物的光合作用速率可能比C3植物高，D正确。
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6．[2024山东泰安模拟]植物每年所固定的碳约占大气中碳总量的1/5，约等于化石燃料燃烧所排碳量的10倍之多。研究人员拟通过在植物体内构建人工代谢途径进一步提高植物的固碳能力，助力减少大气中的CO2浓度，实现“碳中和、碳达峰”。
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图1
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(1) 光能被叶绿体内______________上的光合色素捕获后，将水分解，形成O2、ATP和NADPH。ATP和NADPH驱动在______________中进行的暗反应，将CO2转化为储存化学能的糖类。
(2) 绿色植物在光照条件下还能进行光呼吸，具体过程如图1所示。R酶具有双重催化功能，在光照、高CO2浓度、低O2浓度时，催化________________结合，生成C3；在光照、低CO2浓度、高O2浓度时，催化O2与C5结合，生成________________。
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类囊体薄膜
叶绿体基质
CO2与C5
C3和乙醇酸
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图2
主动运输
R酶附近的CO2浓度提高，促进CO2与C5结合，减少O2与C5结合
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(4) 研究人员通过向水稻叶绿体中引入人工设计合成的一条代谢途径(GOC)，能直接在叶绿体中催化乙醇酸转化成CO2，同时抑制叶绿体膜上乙醇酸转运蛋白基因的表达，最终提高了水稻的净光合速率。GOC型水稻净光合速率高于野生型水稻的原因包括________。
A．GOC型水稻新增的代谢途径，提高了乙醇酸利用率
B．GOC型水稻新增的代谢途径，直接加速了C3再生C5
C．GOC型水稻新增的代谢途径，减少了叶绿体中CO2的损失
D．GOC型水稻内催化乙醇酸转化成CO2的酶活性比R酶活性高
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AC
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浓度提高，促进CO2与C5结合，减少O2与C5结合。(4) GOC型水稻新增的代谢途径，能直接在叶绿体中催化乙醇酸转化成CO2，同时抑制叶绿体膜上乙醇酸转运蛋白基因的表达，最终提高了水稻的净光合速率，提高了乙醇酸利用率，减少了叶绿体中CO2的损失，B、D错误，A、C正确。
谢谢观看
Thank you for watching第14讲　光呼吸和不同形式的光合作用
学习目标　1. 了解光呼吸的过程及存在意义。2. 了解C4植物、景天科植物的特殊光合作用过程。
核心体系
活动方案
活动一 光呼吸的过程及意义
资料1：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会竞争Rubisco酶，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。光呼吸是一个高耗能的反应，正常生长条件下，光呼吸就可损耗掉25%～30%的光合产物。过程如图所示。
资料2：植物为什么要进行光呼吸呢？原因是在强光、高温、干旱等胁迫条件下，气孔关闭，CO2无法进入，光合作用暗反应因缺少原料而减慢甚至停止。然而，光反应(光能的吸收和电子传递)却仍在激烈进行。这就好比 “发动机(光反应)还在高速运转，但变速箱(暗反应)已经卡住了” 。会导致能量(ATP和NADPH)过剩，电子传递链“堵车”，从而形成大量活性氧(ROS)。活性氧是极其危险的，它会破坏叶绿体、蛋白质和DNA，导致细胞死亡。光呼吸此时扮演了一个“安全阀”的角色，消耗多余的能量：光呼吸过程本身需要消耗ATP和NADPH，这就为过剩的电子提供了另一条出路，减轻了电子传递链的压力。消耗多余的还原力：避免了能量过剩产生大量活性氧，从而保护了光合机构免受光损伤。
请根据上述资料回答下列问题。
(1) 参与光呼吸的场所有哪些？
(2) 在强光条件下，Rubisco催化什么底物，启动光呼吸过程形成C2
(3) 叶肉细胞在高氧环境中，其线粒体产生的CO2可来自哪些生理过程？
(4) 光呼吸导致作物产量下降的原因是？
(5) 光呼吸在进化过程中得以长期保留，其对植物的意义是？
(6) 为了使Rubisco酶的活性更倾向于发生CO2的固定反应，以提高农作物的产量，改变外界条件的措施有哪些？
活动二 C4植物的光合作用过程
C4植物是一类具有特殊光合作用途径的植物，它们能高效地固定CO2，尤其在高温、强光和干旱条件下表现出色。常见C4植物包括玉米、高粱、甘蔗等。C4植物与C3植物具有不同的叶片结构和光合作用过程(如图所示)。
　
C3植物叶片中的维管束鞘细胞几乎不含有叶绿体，维管束鞘以外是排列疏松的含有叶绿体的叶肉细胞。C4植物叶片中围绕维管束的是呈“花环型”的两圈细胞，里面的一圈是维管束鞘细胞，这种维管束鞘细胞不仅个体大，而且含有叶绿体，外面的一圈是富含叶绿体的叶肉细胞。
与C3植物相比，C4植物叶肉细胞的细胞质基质具有一种特殊的PEP羧化酶，它催化如下反应：C3＋CO2→C4(苹果酸)。C4进入维管束鞘细胞，生成CO2用于暗反应，再生出的C3(丙酮酸)回到叶肉细胞中，进行循环利用。PEP羧化酶与CO2的亲和力是Rubisco酶的60倍，能固定低浓度的CO2。
请根据上述资料回答下列问题。
(1) C4植物叶肉细胞中的什么酶催化CO2和C3(PEP)反应形成C4(苹果酸)？推测C4(苹果酸)可能经什么结构进入维管束鞘细胞，生成CO2和C3
(2) C4植物中能固定CO2的细胞有哪些？
(3) C4植物进行卡尔文循环的场所位于哪里？
(4) 夏季正午，C3植株会出现“午休”现象，而C4植株则不会出现该现象的原因可能是？
(5) 结合活动一相关内容，推测 C4植物和C3植物进行光呼吸的强弱？并说明原因。
活动三 景天科植物的光合作用
景天酸代谢途径(CAM途径)是一些肉质植物所具有的一种固定CO2的途径，最开始发现于景天科植物，此类植物通常具有厚表皮、大液泡等特点。夜间，植物叶片气孔打开，吸收的CO2与PEP结合产生草酰乙酸，之后在酶作用下形成苹果酸，并储存于液泡内，从而表现出夜间淀粉减少、苹果酸增加、细胞液pH下降。白天气孔关闭，苹果酸从液泡中释放进入细胞质中脱羧，产生丙酮酸和 CO2，CO2再进入叶绿体中参与卡尔文循环。
请根据上述资料回答以下问题。
(1) 景天科植物白天关闭气孔是为了适应什么环境？
(2) 叶肉细胞中能固定CO2的物质是？
(3) 景天科植物白天进行暗反应的CO2来源有哪些？
(4) 夜晚CO2固定于苹果酸的过程属于“吸能”还是“放能”反应？
(5) C4途径与CAM途径，它们在固定CO2的时间和空间的差异是什么？
名卷优选
1. [2025江西模拟]CAM(景天科)植物具有特殊的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；白天气孔关闭时，液泡中储存的苹果酸则脱羧释放CO2用于光合作用。下列叙述正确的是(　　)
A. CAM植物白天和晚上均进行光合作用和细胞呼吸
B. CAM植物细胞白天产生CO2的具体部位是线粒体基质
C. CAM植物叶肉细胞液泡中的pH白天逐渐升高，夜间逐渐降低
D. CAM植物吸收CO2的速率与细胞膜上转运蛋白的数量呈正相关
2. [2025南通模拟]RuBP羧化/加氧酶缩写为Rubisco，当CO2浓度高时，Rubisco催化C5与CO2反应；当O2浓度高时，Rubisco催化C5与O2经过一系列化学反应，消耗ATP和NADPH，生成CO2和C3，这一过程称为光呼吸。如图为小麦叶肉细胞中的部分生理活动过程，大写字母代表相应的物质。下列叙述不合理的是(　　)
A. A表示NADPH，B表示NADP＋，C表示ADP＋Pi，D表示ATP，F表示RuBP
B. 夏季晴朗的中午出现“午休现象”时，植物光呼吸会有所增强
C. Rubisco位于叶绿体基质，玉米(C4植物)通常比小麦(C3植物)光呼吸作用弱
D. 光呼吸过程消耗ATP、NADPH，与光反应相反，不利于植物细胞的正常生长
3. [2025山东模拟]下图是某绿藻适应水生环境，提高光合效率的机制图。下列叙述正确的是(　　)
A. 图示中能产生ATP的结构只有细胞质基质和线粒体
B. 图中HCO浓度大小为细胞外>细胞质基质>叶绿体基质>类囊体腔
C. 水光解产生的H＋可进一步形成NADH，为暗反应提供还原剂和能量
D. 光反应通过确保暗反应中CO2的供应，帮助该绿藻适应水生环境
4. [2025浙江五校联考]景天酸代谢(CAM)途径属于某些植物特有的CO2固定方式：夜晚气孔开放，通过一系列反应将CO2固定于苹果酸，并储存在液泡中；白天气孔关闭，苹果酸运出液泡后释放CO2，供叶绿体的暗反应。下列叙述错误的是(　　)
　
A. 在夜晚，叶肉细胞能产生ATP的细胞器只有线粒体
B. 景天酸代谢途径的出现，可能与植物适应干旱条件有关
C. 给植物提供14C标记的14CO2，14C可以出现在草酰乙酸、苹果酸、三碳酸和有机物中
D. 在上午某一时刻，突然降低外界的CO2浓度，叶肉细胞中三碳酸的含量短时间内会降低
5. (多选)[2025山东泰安第一中学月考]C4途径是除卡尔文循环(C3途径)外的另一种独特的CO2固定途径，因固定CO2的初产物是四碳化合物而得名，其光合作用过程如图所示，研究表明，与C3植物细胞中的Rubisco(可催化CO2固定)相比，C4植物叶肉细胞中的PEP羧化酶具有非常高的CO2亲和力，可固定低浓度的CO2。下列说法正确的有(　　)
A. 若给C4植物提供14CO2，则植株体内14C的转移途径为14CO→14C4→14C3
B. C3植物和C4植物的暗反应阶段所需要的NADPH和ATP均来自光反应阶段
C. 不同植物固定CO2途径存在差异的根本原因是它们的遗传物质存在差异
D. 在低CO2浓度环境下，C4植物的光合作用速率可能比C3植物高
6. [2024山东泰安模拟]植物每年所固定的碳约占大气中碳总量的1/5，约等于化石燃料燃烧所排碳量的10倍之多。研究人员拟通过在植物体内构建人工代谢途径进一步提高植物的固碳能力，助力减少大气中的CO2浓度，实现“碳中和、碳达峰”。
图1
(1) 光能被叶绿体内____________上的光合色素捕获后，将水分解，形成O2、ATP和NADPH。ATP和NADPH驱动在____________中进行的暗反应，将CO2转化为储存化学能的糖类。
(2) 绿色植物在光照条件下还能进行光呼吸，具体过程如图1所示。R酶具有双重催化功能，在光照、高CO2浓度、低O2浓度时，催化________结合，生成C3；在光照、低CO2浓度、高O2浓度时，催化O2与C5结合，生成____________。
(3) 有些生活在海水中的藻类具有图2所示的无机碳浓缩过程，能够减弱光呼吸，提高光合作用效率，其原因是：植物通过____________方式吸收HCO，最终使______________________________________________。
图2
(4) 研究人员通过向水稻叶绿体中引入人工设计合成的一条代谢途径(GOC)，能直接在叶绿体中催化乙醇酸转化成CO2，同时抑制叶绿体膜上乙醇酸转运蛋白基因的表达，最终提高了水稻的净光合速率。GOC型水稻净光合速率高于野生型水稻的原因包括_______________________。
A. GOC型水稻新增的代谢途径，提高了乙醇酸利用率
B. GOC型水稻新增的代谢途径，直接加速了C3再生C5
C. GOC型水稻新增的代谢途径，减少了叶绿体中CO2的损失
D. GOC型水稻内催化乙醇酸转化成CO2的酶活性比R酶活性高
第14讲　光呼吸和不同形式的光合作用
【活动方案】
活动一
(1) 叶绿体、过氧化物酶体、线粒体。
(2) RuBP(C5)和O2。
(3) 有氧呼吸和光呼吸。
(4) 减少了光合产物的形成和积累，消耗大量能量，降低了净光合效率。
(5) 光呼吸可消耗光反应积累的ATP和NADPH，减少光反应产物积累造成的损伤，且补充部分CO2，还能通过C2循环回收部分碳元素，避免碳元素损失过多。
(6) 提高环境CO2浓度、适当灌溉、适当遮阴、进行叶面喷水降温等。
活动二
(1) PEP羧化酶。胞间连丝。
(2) 叶肉细胞和维管束鞘细胞。
(3) 维管束鞘细胞的叶绿体基质。
(4) C4植物叶肉细胞中含有PEP羧化酶，在低浓度CO2下也能催化固定CO2(CO2浓缩机制)，所以C4植物在气孔部分关闭的情况下对光合作用影响不大。
(5) C4植物的光呼吸通常弱于C3植物。C4植物叶肉细胞中PEP羧化酶(PEPC)能够利用低浓度CO2，使CO2富集到维管束鞘细胞中，CO2浓度的升高，在与O2竞争Rubisco中占有优势，从而光呼吸较弱。
活动三　
(1) 干旱、高温的环境。
(2) PEP、C5。
(3) 苹果酸的分解和细胞呼吸 (液泡和线粒体)。
(4) 吸能。
(5) C4途径：固定CO2和合成糖发生在同一时间，而空间错开(叶肉细胞和维管束鞘细胞)。
CAM途径：固定CO2和合成糖发生在同一个细胞内，但时间上错开(白天和夜晚)。
【名卷优选】
1 C　CAM植物晚上不能进行光合作用，A错误；CAM植物细胞液泡中储存的苹果酸脱羧也产生CO2，B错误；CAM植物白天液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用，叶肉细胞的pH逐渐升高，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，pH逐渐降低，C正确；吸收CO2不需要转运蛋白，D错误。
2 D　由图可知，H＋＋B→A，故A表示NADPH，B表示NADP＋，光反应过程由C形成D，则C表示ADP＋Pi，D表示ATP，F表示RuBP，即C5，A正确；夏季晴朗的中午出现“午休现象”时，气孔关闭，CO2不能正常进入叶肉细胞，但光反应正常进行，导致叶肉细胞内O2浓度较高，O2和C5结合概率增加，因此植物光呼吸的强度较通常会有所增大，B正确；Rubisco位于叶绿体基质，玉米(C4植物)通常比小麦(C3植物)光呼吸作用弱，因为玉米能利用较低浓度的CO2，C正确；植物细胞产生的ATP和NADPH过多时会破坏细胞，光呼吸能消耗过多的ATP和NADPH，故光呼吸有利于保护农作物，D错误。
3 D　观察可知，图中能产生ATP的结构有细胞质基质、线粒体和叶绿体类囊体薄膜，A错误；从图中离子运输方向判断，HCO进入细胞是主动运输，从细胞质基质进入叶绿体也是主动运输，所以浓度大小为细胞外<细胞质基质<叶绿体基质，类囊体腔中未显示HCO相关运输，无法与其他部位比较，B错误；水光解产生的H＋可进一步形成NADPH，为暗反应提供还原剂和能量，而NADH是细胞呼吸过程产生的，C错误；从图中可知，光反应产生的能量可用于将细胞外的HCO运输到叶绿体基质中转化为CO2，确保暗反应中CO2的供应，帮助该绿藻适应水生环境，D正确。
4 D　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，A正确；具有景天酸代谢途径的植物，气孔白天关闭，可以减少蒸腾作用，夜晚气孔张开吸收CO2，因此可以适应干旱的环境条件，B正确；晚上气孔开放，14CO2进入细胞后在细胞质基质中与PEP结合生成草酰乙酸，然后再转化为苹果酸而被固定，白天苹果酸运出液泡后放出14CO2，14CO2首先与五碳化合物结合生成三碳化合物，随后三碳化合物被还原生成有机物，可见14C可以出现在草酰乙酸、苹果酸、三碳酸和有机物中，C正确；突然降低外界的CO2浓度，对于该叶肉细胞来说，其暗反应不受影响，即C3的含量不受影响，D错误。
5 BCD　C4植株能进行C4途径和C3途径，若给C4植物提供14CO2，则C4植株14C转移途径为14CO2→14C4→14CO2→14C3→(14C2HO)，A错误；由光合作用的过程可知，C3植物与C4植物的暗反应阶段利用的NADPH和ATP都来自光反应阶段，B正确；由于C4植物叶肉细胞中的PEP羧化酶具有非常高的CO2亲和力，可固定低浓度的CO2，故C4植物能够利用较低浓度的CO2进行光合作用，而C3植物则不能，因此低浓度CO2条件下，C4植物的光合作用速率可能比C3植物高，D正确。
6 (1) 类囊体薄膜　叶绿体基质　
(2) CO2与C5　C3和乙醇酸
(3) 主动运输　R酶附近的CO2浓度提高，促进CO2与C5结合，减少O2与C5结合
(4) AC
解析：(1) 光合作用的光反应阶段场所在叶绿体的类囊体膜上，色素和光反应有关的酶在类囊体膜上；光合作用的暗反应阶段场所在叶绿体的基质中，即ATP和NADPH驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将CO2转化为储存化学能的糖类。(2) 由图1可知，R酶具有双重催化功能，在光照、高CO2浓度、低O2浓度时，催化CO2与C5结合，生成C3；在光照、低CO2浓度、高O2浓度时，催化O2与C5结合，生成C3和乙醇酸。(3) 由图2可知，HCO运输需要消耗ATP，说明HCO离子是通过主动运输的；HCO离子进入叶绿体后产生CO2，使R酶附近的CO2浓度提高，促进CO2与C5结合，减少O2与C5结合。(4) GOC型水稻新增的代谢途径，能直接在叶绿体中催化乙醇酸转化成CO2，同时抑制叶绿体膜上乙醇酸转运蛋白基因的表达，最终提高了水稻的净光合速率，提高了乙醇酸利用率，减少了叶绿体中CO2的损失，B、D错误，A、C正确。第14讲　光呼吸和不同形式的光合作用
1 [2025泰州期中]佛甲草晚上气孔开放，吸收的CO2被固定成草酰乙酸，并进一步转化成苹果酸累积于液泡中；白天气孔关闭，液泡中的苹果酸便会运到细胞质中进行脱羧反应，释放出CO2参与卡尔文循环。下列有关佛甲草的叙述，正确的是(　　)
A. 白天进行光合作用，晚上进行呼吸作用
B. 白天进行光反应，晚上进行暗反应
C. 白天利用的CO2都来自晚上吸收
D. 佛甲草能适应高温干旱的环境
2 [2026湖南长沙阶段考]不同植物独立演化出相同或相似的性状称为趋同进化。同一植物也通过自身调节来适应变化的环境，下列实例符合进化与适应观的是(　　)
A. 为减少光呼吸，陆生植物进化出多种CO2浓缩机制
B. C4植物具有固定CO2能力很高的PEP羧化酶，其光合效率均强于C3植物
C. 适当遮光条件下，以蓝紫光为主的散光占比增加，底层叶片通过叶绿素a/b升高适应遮光环境
D. 经短暂干旱处理，植物体内失水减少，导致ABA含量上升，抑制气孔开放
3 [2026甘肃白银阶段练习]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，过程如图所示。下列分析正确的是(　　)
A. 在高CO2含量的环境中，ATP和NADPH驱动CO2转化为C3
B. 在高O2含量的环境中，植物进行光呼吸，无法进行光合作用
C. 在高O2含量的环境中，植物体内所有细胞都可进行光呼吸
D. 光呼吸可保证CO2不足时，暗反应仍能进行
4 [2025四川模拟]光合作用中碳的固定途径存在差异：C3途径中Rubisco酶(C3途径的关键酶，由rbcL基因编码其大亚基)催化CO2与C5生成C3；C4途径中CO2最初被固定为C4，丙酮酸磷酸双激酶(PPDK，由PPDK基因编码)是该途径的关键酶。缘管浒苔是一种同时具备C3和C4两种碳固定途径的藻类。研究人员测定了经干旱胁迫处理后的缘管浒苔相关指标如图。下列叙述正确的是(　　)
甲 乙 丙
A. C3植物叶肉细胞中Rubisco酶发挥作用的场所是类囊体薄膜
B. 干旱胁迫处理后，缘管浒苔的Rubisco酶、PPDK含量均增加
C. 丙中酶2为Rubisco酶，缘管浒苔受干旱胁迫后C3途径增强
D. 据题意推测，C4途径较C3途径能更高效利用较低浓度的CO2
5 [2024湖北模拟]研究发现，强光照条件下植物叶肉细胞会进行光呼吸。光呼吸是由O2竞争性地结合卡尔文循环关键酶Rubisco造成的。该酶既能催化C5与CO2反应，完成光合作用；也能催化C5与O2反应，产物经一系列变化后在线粒体中生成CO2，如图。下列说法正确的是(　　)
A. Rubisco是一个双功能酶，不具备专一性
B. 光呼吸可以消耗掉多余的O2，减少自由基产生，降低对细胞结构的损伤
C. 较强的光呼吸对于光合作用产物的积累是很有利的
D. 持续强光照时突然停止光照，CO2释放量先减少后增加至稳定
6 [2025四川宜宾模拟]CAM(景天科)植物的气孔在夜间开放吸收CO2，白天关闭。下图为某CAM(景天科)植物叶肉细胞部分代谢过程示意图。下列叙述正确的是(　　)
A. 由图可知，CAM植物白天和晚上均进行光合作用
B. 图中C可能是丙酮酸，RuBP存在于叶绿体的基质中
C. CAM植物细胞白天产生CO2的具体部位是线粒体基质
D. 晚上CAM植物将CO2以苹果酸的形式储存在叶绿体和液泡中
7 [2025河南模拟]玉米叶肉细胞中的叶绿体较小且数目较少，但叶绿体内有基粒；相邻的维管束鞘细胞中叶绿体较大且数目较多，但叶绿体内没有基粒。玉米细胞除C3途径外，还有另一条固定CO2的途径，简称C4途径。如图研究发现，C4植物中PEP羧化酶对CO2的亲和力强于Rubisco(RuBP羧化酶)。下列有关叙述错误的是(　　)
A. 维管束鞘细胞中光合作用所利用的CO2都是C4分解释放的
B. 玉米叶片只能通过叶肉细胞捕获光能
C. 玉米因C4途径的存在而更适应干旱环境
D. C4植物与C3合成有机物的途径都是通过卡尔文循环完成
8 [2025北京阶段考]玉米叶肉细胞中含有一种能催化CO2固定的酶PEPC，其固定CO2能力是水稻催化CO2固定的酶Rubisco的约60倍，将玉米的PEPC基因导入水稻后，水稻在高光强下的光合速率显著增加，如图2。下列说法错误的是(　　)
图1 图2
A. 转基因水稻比原种水稻的气孔导度增加最大可达到100%
B. 转基因水稻光合速率增加的原因不是通过气孔导度增加使暗反应增强
C. 光强为1 000 μmol/(m2·s)时，转基因水稻和原种水稻光合速率限制性因素相同
D. 高光强时，相同气孔导度下转基因水稻光合速率强可能与利用低浓度CO2能力强有关
9 (多选)光呼吸是绿色植物在光照和高氧低二氧化碳情况下，与光合作用同时发生的一个损耗能量的副反应。下图为某植物体内光合作用和光呼吸的示意图。下列有关叙述正确的有(　　)
A. 由图可知，参与光呼吸的细胞器是过氧化物酶体和线粒体
B. 消耗等量的C5，光呼吸存在时，叶绿体内C3酸的合成量减少
C. 高O2环境中，C2和C6H12O6均可在线粒体内被彻底分解成CO2和H2O
D. 夏季中午，植物气孔关闭时，可通过光呼吸产生的CO2进行光合作用
10 (多选)[2025内蒙古包头期末]科学家根据高等绿色植物固定CO2的机制，将玉米定为C4植物。C4植物的叶肉细胞和维管束鞘细胞整齐排列的双环，形象地被称为“花环型”结构，这两种不同类型细胞的叶绿体，具有各自固定CO2的机制，如图所示。下列有关叙述错误的有(　　)
A. 玉米维管束鞘细胞和叶肉细胞间发达的胞间连丝有利于保持细胞间频繁的物质交换
B. 玉米叶肉细胞和维管束鞘细胞中均可发生水的光解和生成水
C. 玉米叶肉细胞和维管束鞘细胞中均能发生有机物的合成和分解
D. 玉米叶肉细胞和维管束鞘细胞固定CO2既需要酶催化又消耗能量
11 (多选)[2025湖南模拟]植物叶绿体中进行CO2固定的R酶在光下，CO2相对不足时，也可以消耗氧气并释放CO2，该过程被称为光呼吸。光呼吸会导致光合作用减弱、作物减产，研究人员为获得光诱导型高产水稻，通过基因工程在其叶绿体内构建一条光呼吸支路(GMA途径，图中叶绿体虚线框内过程)。下列有关此过程的说法，正确的有(　　)
A. 光呼吸过程中，O2与CO2竞争结合R酶，降低了光合作用中暗反应阶段的速率
B. 乙醇酸进入过氧化物酶体会导致叶绿体内的碳流失，进而导致水稻减产
C. GMA途径能减少叶绿体中有机碳的流失，但并不会增加参与卡尔文循环的C5的量
D. GMA途径所用的外源G酶、A酶和M酶的基因均需导入叶绿体，并由其独立表达
12 [2024河南模拟]图1是三种不同类型植物的CO2同化方式示意图，图2表示生活在不同地区的上述三种植物在晴朗夏季的CO2吸收速率日变化曲线。已知玉米叶肉细胞中固定CO2的酶对CO2的亲和力高于小麦。请回答下列问题。
图1 图2
(1) 以光合色素的吸光百分率为纵坐标，以波长为横坐标，获得光合色素的吸收光谱。通过对比各组提取液对________(填“红光”“蓝紫光”或“绿光”)的吸光率来比较叶片中的叶绿素含量。
(2) 图1小麦、玉米和景天科植物中，玉米对应图2中的曲线是________，最适应炎热干旱环境的植物是________，原因是______________________。
(3) 将两株同时萌发，长势相同的玉米和小麦幼苗种植在同一有限密闭玻璃容器中，在适宜条件下光照培养一段时间，先死亡的可能是___________________。
(4) 图2中，在4点时，C植物的光合速率为________μmol/(m2·s)；在10点到16点期间，C组植物的光合速率________(填“＞”“＝”或“＜”)呼吸频率。
(5) 利用玉米的绿色叶片进行色素的提取与分离实验时，发现提取液色素浓度过低，可能的不当操作是___________________________________________。
第14讲　光呼吸和不同形式的光合作用
1 D　佛甲草白天进行光合作用，而呼吸作用无论白天和晚上都会进行，A错误；白天进行光合作用，且光反应和暗反应同时进行，B错误；佛甲草白天利用的CO2来自晚上吸收和呼吸作用产生的CO2，C错误；题意显示，佛甲草晚上气孔开放，吸收的CO2被固定成草酰乙酸，并进一步转化成苹果酸累积于液泡中，白天气孔关闭，液泡中的苹果酸便会运到细胞质中进行脱羧反应，释放出CO2参与卡尔文循环，据此可推测佛甲草能适应高温干旱的环境，D正确。
2 A　陆生植物(如C4和CAM植物)进化出CO2浓缩机制以减少光呼吸，属于趋同进化，是长期自然选择的结果，符合进化与适应观，A符合题意；C4植物在高温、强光下光合效率高于C3植物，但在适宜条件下C3植物效率更高，B不符合题意；遮光环境中，植物通过增加叶绿素b含量提高光能利用，导致叶绿素a/b比值下降而非升高，C不符合题意；短暂干旱导致细胞失水，ABA(脱落酸)含量上升以关闭气孔，D不符合题意。
3 D　CO2转化为C3属于CO2的固定，不需要ATP和NADPH，A错误；据图可知，在高O2含量的环境中，C5与1分子氧气结合生成1分子C3参与卡尔文循环，进行光合作用，同时也能生成1分子C2进入线粒体参与呼吸作用释放出CO2，进行光呼吸过程，因此此时植物既能进行光呼吸，又能进行光合作用，B错误；在高O2含量的环境中，植物体内的叶肉细胞可进行光呼吸，其他细胞不能进行，C错误；光呼吸可产生CO2，可保证CO2不足时，暗反应仍能进行，D正确。
4 D　C3途径中Rubisco酶催化CO2与C5生成C3，属于暗反应中C3的还原过程，发生场所为叶绿体基质，A错误；分析题图可知，干旱胁迫处理后，rbcL基因的相对表达量减少，PPDK基因的相对表达量增加，缘管浒苔的Rubisco酶减少，B错误；结合图甲和图乙可知，丙中酶1为Rubisco酶，缘管浒苔受干旱胁迫后C3途径减弱，C错误；在干旱胁迫下，气孔关闭，胞间CO2浓度降低，丙酮酸磷酸双激酶的含量增加，Rubisco酶减少，所以C4途径较C3途径能更高效利用较低浓度的CO2，D正确。
5 B　酶的专一性是指酶能够催化一种或一类化学反应，A错误；光反应阶段产生的高能电子会激发形成自由基，损伤叶绿体，光呼吸过程中叶绿体、线粒体等多种细胞器共同完成消耗O2、生成CO2的生理过程，从而将光反应中积累的大量NADPH和ATP通过光呼吸消耗掉，避免叶绿体等被强光破坏，B正确；较强的光呼吸会消耗较多的光反应产物ATP和NADPH，使光合作用减弱，对于光合作用产物的积累是不利的，C错误；持续强光照时突然停止光照，光合作用会减弱，而光呼吸并未立即停止，因此CO2释放量先增加，随着光呼吸的消失，只剩细胞呼吸释放CO2，故CO2释放量减少，然后至稳定，D错误。
6 B　从图中可以看到，晚上CAM植物虽然吸收CO2，但没有光照，不能进行光反应，而光合作用包括光反应和暗反应，所以晚上不能进行光合作用，A错误；在细胞呼吸过程中，葡萄糖分解为丙酮酸，图中C可能是丙酮酸，RuBP是卡尔文循环中固定CO2的关键物质，存在于叶绿体的基质中，B正确；从图中可知，白天CAM植物产生CO2的部位不仅有线粒体基质，苹果酸分解也会产生CO2，C错误；由图可知，晚上CAM植物将CO2以苹果酸的形式储存在液泡中，并没有储存在叶绿体中，D错误。
7 A　由图示可知，维管束鞘细胞中光合作用所利用的CO2除了来源于C4分解释放的，还可以来源于呼吸作用释放的，A错误；玉米叶片只有叶肉细胞含有光合色素，能捕获光能，B正确；玉米在炎热的夏天，利用CO2的能力强，光合作用速率高，因C4途径的存在而更适应干旱环境，C正确；不论C3植物还是C4植物，合成有机物的途径都是CO2固定形成C3，被还原形成有机物，即通过卡尔文循环完成的，D正确。
8 C　在光强700～1 000 μmol/(m2·s)条件下，转基因水稻的气孔导度为0.8 μmol/(m2·s)，原种水稻的气孔导度为0.4 μmol/(m2·s)，转基因水稻比原种水稻的气孔导度增加最大可达到(0.8－0.4)/0.4＝100%，A正确；分析图1可知，在大于1 000 μmol/(m2·s)光强下，两种水稻气孔导度开始下降，但图2中，大于1 000 μmol/(m2·s)光强条件下转基因水稻的光合速率明显增加，据此推测光合速率增加不是通过气孔导度增加使暗反应增强，B正确；据图可知，光强为1 000 μmol/(m2·s)时，原种水稻光合速率已达到最大值，此时光合速率的限制因此是除光强之外的其他因素，而此时转基因水稻光合速率仍受光强的影响，因此光强为1 000 μmol/(m2·s)时转基因水稻和原种水稻光合速率限制性因素不同，C错误；依题意，玉米的酶PEPC固定CO2能力是水稻的酶Rubisco的约60倍，据此推测高光强时，相同气孔导度下转基因水稻光合速率强可能与转基因水稻中表达的酶PEPC利用低浓度CO2能力强有关，D正确。
9 BD　光呼吸形成的C3进入叶绿体参与暗反应，故参与光呼吸的细胞器是过氧化物酶体、线粒体和叶绿体，A错误；消耗等量的C5，光呼吸存在时，C5与O2结合生成C3和C2，故叶绿体内C3酸的合成量减少，B正确；线粒体不能分解葡萄糖，C错误；气孔关闭导致植物吸收CO2减少，光呼吸增强，光呼吸产生的CO2可用于进行光合作用，D正确。
10 BD　玉米维管束鞘细胞中无类囊体，不能进行水的光解，B错误；玉米叶肉细胞和维管束鞘细胞固定CO2不需要消耗能量，D错误。
11 AB　从图中可以看到，O2能结合R酶，抑制了CO2固定的过程，A正确；乙醇酸从叶绿体进入过氧化物酶体，会造成碳流失，也会影响光合作用速率，进而造成减产，B正确；GMA途径能减少叶绿体中有机碳的流失，其释放的CO2缓解了叶绿体中CO2相对不足的情况，使得C5能更多参与卡尔文循环，C错误；在叶绿体中发挥作用的各种酶，大部分仍然是由核基因指导合成的，因此上述外源基因也不能肯定均需导入叶绿体，D错误。
12 (1) 红光　(2) A　景天科植物　该类植物白天因减少水分的散失而气孔关闭，但夜晚能吸收CO2，不影响光合作用的进行　(3) 小麦　(4) 0　＞　(5) 未加碳酸钙；未加SiO2；加入的提取液过多；叶片未烘干处理
解析：(3) 密闭玻璃容器中CO2会逐渐降低，玉米吸收CO2也是在白天进行的，由于有固碳作用，它的吸收能力较强，能利用较低浓度的CO2，因此先死亡的是小麦。(4) 图2中，在4点时，没有光照，C植物不能进行光合作用，因此光合速率为0 μmol/(m2·s)；在10点到16点期间，此时光照较强，C组植物的光合速率大于呼吸速率。(5) 提取绿叶中色素时，发现提取液色素浓度过低，可能的不当操作：一是研磨不充分，色素未能充分提取出来；二是提取液太多，使色素提取液浓度降低；三是未加碳酸钙，造成研磨过程中叶绿素分子被破坏；四是叶片未烘干，导致色素浓度太低。

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