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第13讲　光合作用的影响因素及其应用
课标 要求 活动:探究不同环境因素对光合作用的影响。
考情 分析 1.探究环境因素对光合作用强度的影响 2025·河北卷,5;2025·安徽卷,2;2025·重庆卷,16
2.单、多因子变量对光合作用强度影响及应用 2025·全国卷,2;2025·重庆卷,16;2025·黑吉辽内蒙古卷,21;2025·陕晋青宁卷,17;2025·四川卷,16;2025·甘肃卷,17;2025·湖南卷,17;2025·广东卷,18;2025·河南卷,17;2024·北京卷,4;2024·山东卷,21;2024·湖北卷,21;2024·安徽卷,16;2024·重庆卷,18;2023·湖北卷,11;2023·江苏卷,19;2023·福建卷,16;2023·山东卷,21;2023·全国乙卷,29;2023·重庆卷,19
考点一　探究环境因素对光合作用强度的影响
1.光合作用强度
2.影响光合作用强度的因素
3.控制影响光合作用实验自变量的方法
4.探究光照强度对光合作用强度的影响
(1)实验原理:抽去圆形小叶片中的气体后,叶片在水中下沉,光照下叶片进行光合作用产生O2,充满细胞间隙,叶片又会上浮。光合作用越强,单位时间内圆形小叶片上浮的数量越多。
(2)实验装置分析。
①自变量的设置:光照强度是自变量,通过调整台灯与烧杯之间的距离来调节光照强度的大小。
②中间盛水的玻璃柱的作用:吸收灯光的热量,避免光照对烧杯内水温产生影响。
③因变量是光合作用强度,可通过观测单位时间内被抽去空气的圆形叶片上浮的数量或者是浮起相同数量的叶片所用的时间长短来衡量光合作用的强弱。
(3)实验流程:取材并处理→排气→沉水→分组→不同光照处理各组→观察并记录。
(4)实验结果:在一定范围内,台灯与烧杯的距离越近,单位时间内浮起的圆形小叶片越多。
(5)实验结论:在一定范围内,随着光照强度不断增强,光合作用强度增强(单位时间内圆形小叶片中产生的O2越多,浮起的圆形小叶片越多)。
考向1　结合探究环境因素对光合作用强度的影响的实验,考查科学探究
1.(2025·安徽卷,2)关于“探究光照强度对光合作用强度的影响”实验,下列叙述错误的是(　　)
A.用打孔器打出叶圆片时,为保证叶圆片相对一致应避开大的叶脉
B.调节LED灯光源与盛有叶圆片烧杯之间的距离,以进行对比实验
C.用化学传感器监测光照时O2浓度变化,可计算出实际光合作用强度
D.同一烧杯中叶圆片浮起的快慢不同,可能与其接受的光照强度不同有关
【答案】 C　
【解析】 依据单一变量原则,为保证叶圆片相对一致应避开大的叶脉;调节LED灯光源与盛有叶圆片烧杯之间的距离,以模拟不同的光照强度,该实验都是实验组,为对比实验;实际光合作用强度=净光合作用强度+呼吸作用强度,用化学传感器监测光照时O2浓度变化,只可计算出净光合作用强度,无法得知呼吸作用强度,无法计算出实际光合作用强度;同一烧杯中叶圆片浮起的快慢不同,说明光合作用强度不同,可能与其接受的光照强度不同有关。
考点二　影响光合作用的因素及应用
1.影响光合作用的外部因素及应用
(1)单因子变量对光合作用影响的曲线分析。
①光照强度。
②CO2浓度。
③温度。
④水分或矿质元素。
(2)多因子变量对光合作用影响的曲线分析。
2.影响光合作用的内部因素及应用
(1)植物自身的遗传特性(如植物品种不同),以阴生植物、阳生植物为例,如图所示。
(2)植物叶片的叶龄、叶绿素含量及酶。
(3)叶面积指数。
【判断正误】
(1)(2022·湖南卷,13)在夏季晴朗无云的白天,12时左右光合作用强度明显减弱,原因可能是叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少。(　　)
【答案】 √　
(2)(2021·湖南卷,7)合理密植和增施有机肥能提高农作物的光合作用强度。(　　)
【答案】 √　
(3)(2021·湖南卷,7)弱光条件下,植物没有O2的释放,说明未进行光合作用。(　　)
【答案】 ×　
【提示】 弱光条件下植物没有O2的释放,有可能是光合作用强度小于或等于呼吸作用强度,光合作用产生的O2被呼吸作用消耗完,此时植物虽然进行了光合作用,但是没有O2的释放。
【情境·思维·深析】
1.农业生产常采用间作(同一生长期内,在同一块农田上间隔种植两种作物)的方法提高农田的光能利用率。现有4种作物,在正常条件下生长能达到的株高和光饱和点(光合速率达到最大时所需的光照强度)见下表。从提高光能利用率的角度考虑,最适合进行间作的两种作物是A和C,选择这两种作物的理由是作物A光饱和点高且长得高,可以利用上层光照进行光合作用;作物C光饱和点低且长得矮,与作物A间作后,能利用下层的弱光进行光合作用。
作物 A B C D
株高/cm 170 65 59 165
光饱和点/ (μmol·m-2·s-1) 1 200 1 180 560 623
2.植物的气孔由叶表皮上两个具有特定结构的保卫细胞构成。保卫细胞含有叶绿体,在光下可进行光合作用。已知蓝光可作为一种信号促进保卫细胞逆浓度梯度吸收K+。有研究发现,用饱和红光(只用红光照射时,植物达到最大光合速率所需的红光强度)照射某植物叶片时,气孔开度可达最大开度的60%左右。回答下列问题。
(1)红光可通过光合作用促进气孔开放,其原因是红光下,光合作用合成有机物使保卫细胞溶质浓度增大,保卫细胞吸水体积膨大,气孔打开。
(2)某研究小组发现在饱和红光的基础上补加蓝光照射叶片,气孔开度可进一步增大,因此他们认为气孔开度进一步增大的原因是蓝光促进保卫细胞逆浓度梯度吸收K+。请推测该研究小组得出这一结论的依据是饱和红光照射使叶片的光合速率已达到最大,排除了光合作用产物对气孔开度进一步增大的影响。
考向2　结合光合作用的影响因素,考查科学思维
2.(2025·四川宜宾模拟)宜宾方竹是蜀南竹海特有竹种,其竹笋富含微量元素,图甲、乙分别为方竹在其他条件适宜,不同温度、光照强度条件下相关指标的变化曲线(单位:mmol·cm-2·h-1)。下列叙述正确的是(　　)
A.据图甲分析,与温度40 ℃相比,温度为30 ℃时方竹消耗CO2的速率快
B.据图甲分析,40 ℃条件下,若黑夜和白天时间相等,方竹能正常生长
C.据图乙分析,提高温度会导致光补偿点D点左移
D.据图乙分析,影响C、D、E三点光合速率的主要环境因素是光照强度
【答案】 D　
【解析】 图甲中,CO2吸收速率表示净光合速率,CO2产生速率表示呼吸速率,消耗CO2速率是指总光合速率,温度为30 ℃时,总光合速率=8+2=10 mmol·cm-2·h-1;温度为40 ℃时,总光合速率=5+5=10 mmol·cm-2·h-1,因此,温度为30 ℃和40 ℃时,方竹消耗CO2的速率相等;40 ℃条件下,方竹净光合速率和呼吸速率相等均为5 mmol·cm-2·h-1,若白天和黑夜时间相等,则黑夜期间(12小时)呼吸作用消耗5×12=60 mmol·cm-2·h-1,白天(12小时)有机物积累量为5×12=60 mmol·cm-2·h-1,一昼夜之后,植物有机物积累量为0,植物不能正常生长;图乙是在最适条件下,测得该植物在不同光照强度下的CO2吸收量,提高温度会导致光补偿点D点右移;图乙中影响C、D、E三点光合速率的主要环境因素都是光照强度,都随着光照强度的改变而改变。
3.(2025·四川绵阳二模)光合作用速率受到温度、二氧化碳浓度和光照强度的影响。甲图表示在二氧化碳充足的条件下,某植物光合速率与光照强度和温度的关系,ABCD图是据此绘出的光照强度为L2千勒克斯(klx),温度分别为10℃、20℃和30℃时的光合速率,其中绘制正确的是(　　)
　
A B
　
C D
【答案】 A　
【解析】 据甲图可知,光照强度为L2千勒克斯,温度分别为10℃、20℃和30℃时的光合速率分别为2、4、4。
考向3　围绕光合作用原理在农业生产中的应用,考查科学思维
4.(2025·重庆期中)某些山区通过大棚种植草莓来吸引游客采摘。为了提高其产量增大经济效益,下列有关措施错误的是(　　)
A.夏季白天可适当通风、提高棚内CO2浓度
B.可适当施加农家肥,促进草莓对其直接吸收,使其果实生长充分
C.选取无色透明薄膜,便于透光
D.夜晚棚内可适当降温,减少植株有机物的消耗
【答案】 B　
【解析】 夏季白天适当通风,可以增加大棚内CO2浓度,有利于增强光合作用强度,提高产量;农家肥中富含有机物,但草莓不能直接吸收利用有机物,必须经过微生物分解为无机盐后才能被吸收;无色透明的薄膜有利于透过更多的光,有利于增强光合作用强度,提高产量;夜晚适当降低温度能降低细胞呼吸,减少植株有机物的消耗,该措施可以提高作物产量。
考点三　光合速率和细胞呼吸速率的综合分析
1.微观辨析总光合速率、净光合速率和呼吸速率的关系
2.光合速率与呼吸速率的常用表示方法
项目 含义 表示方法(单位面积的叶片在单位时间内的变化量)
O2 CO2 有机物
真正 光合 速率 植物在光下实际合成有机物的速率 O2产生(生成)速率或叶绿体释放O2速率 CO2固定速率或叶绿体吸收CO2速率 有机物产生(制造、生成)速率
净光 合速 率 植物有机物的积累速率 植物或叶片或叶肉细胞O2释放速率 植物或叶片或叶肉细胞CO2吸收速率 有机物积累速率
呼吸 速率 单位面积的叶片在单位时间内分解有机物的速率 黑暗中O2吸收速率 黑暗中CO2释放速率 有机物消耗速率
3.测定植物光合速率和呼吸速率的常用方法
(1)“液滴移动法”——测定装置中气体体积变化。
①在测定了净光合速率和呼吸速率的基础上可计算得出二者之和,即“真正光合速率”。
②物理误差的校正:为使实验结果精确,除减少无关变量的干扰外,还应设置对照装置。与图示两装置相比,对照装置的不同点是用“死亡的绿色植物”代替“绿色植物”,其余均相同。
(2)“半叶法”——测定光合作用有机物的产生量。
将叶片一半遮光、一半曝光,遮光的一半测得的数据变化值代表细胞呼吸强度值,曝光的一半测得的数据变化值代表净光合作用强度值,最后计算真正光合作用强度值。需要注意的是该种方法在实验之前需对叶片进行特殊处理,以防止有机物的运输。
(3)“黑白瓶法”——测定溶氧量的变化。
①“黑瓶”不透光,测定的是有氧呼吸量;“白瓶”给予光照,测定的是净光合作用量。
②在有初始值的情况下,黑瓶中O2的减少量(或CO2的增加量)为有氧呼吸量;白瓶中O2的增加量(或CO2的减少量)为净光合作用量;二者之和为真正光合作用量。
③在没有初始值的情况下,白瓶中测得的现有量-黑瓶中测得的现有量=真正光合作用量。
(4)“叶圆片称重法”——测定有机物的变化量。
本方法测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量,如图所示以有机物的变化量测定光合速率(S为叶圆片面积)。
净光合速率=(z-y)/2S;呼吸速率=(x-y)/2S;真正光合速率=净光合速率+呼吸速率=(x+z-2y)/2S。
考向4　围绕光合速率与细胞呼吸速率的关系及测定,考查科学思维
5.(2025·全国卷,2)在一定温度下,生长在大田的某种植物光合速率(CO2固定速率)和呼吸速率(CO2释放速率)对光照强度的响应曲线如图所示。下列叙述错误的是(　　)
A.光照强度为a时,该植物的干重不会增加
B.光照强度从a逐渐增加到b时,该植物生长速率逐渐增大
C.光照强度小于b时,提高大田CO2浓度,CO2固定速率会增大
D.光照强度为b时,适当降低光反应速率,CO2固定速率会降低
【答案】 C　
【解析】 植物干重增加依赖净光合作用积累有机物,净光合速率=光合速率-呼吸速率,光照强度为a时,光合速率等于呼吸速率,此时净光合速率为0,植物干重不会增加;光照强度从a逐渐增加到b时,光合速率与呼吸速率差值逐渐增大,植物积累的有机物增多,生长速率逐渐增大;光照强度小于b时,光照强度未达到饱和状态,此时光照强度为主要限制因素,提高大田CO2浓度,CO2固定速率不会增大(因为光照不足,光反应提供的ATP和NADPH有限,限制暗反应),只有当光照强度饱和后,提高CO2浓度,CO2固定速率才会增大;光反应为暗反应提供ATP和NADPH,光照强度为b时,适当降低光反应速率,提供的ATP和NADPH减少,会使暗反应中CO2固定速率降低。
6.(2025·湖北黄石二模)下图是某植株叶肉细胞在不同光照强度下叶绿体与线粒体代谢简图。以下相关叙述,错误的是(　　)
A.细胞①处于黑暗环境中,那么该细胞单位时间内放出的CO2量即为呼吸速率
B.将该植株置于细胞②对应的光照强度下一段时间,则植株的干重将减小
C.细胞③处在较强光照条件下,细胞光合作用所利用的CO2量为N1与N2的和
D.对细胞④的分析可得出,此时的光照强度较弱且物质的量N1小于m2
【答案】 D　
【解析】 由题可知,细胞①只进行呼吸作用,因此细胞①处于黑暗环境中,单位时间内放出的CO2量即为呼吸速率;细胞②对应的光照强度下光合作用等于呼吸作用,但由于植株中存在不能进行光合作用的细胞,会消耗有机物,所以若将该植株置于细胞②对应的光照强度下一段时间,则植株的干重将减小;细胞③光合作用强度大于呼吸作用,故光合作用所需的CO2来源于外来的CO2和呼吸作用产生的CO2,故光合作用所利用的CO2量为N1与N2的和;细胞④表示呼吸作用强度大于光合作用强度,故呼吸作用释放的CO2量大于光合作用产生的O2量,此时细胞的O2吸收量(m2)与CO2释放量(N1)相等。
考向5　围绕密闭和开放环境中CO2、O2含量变化的分析,考查科学思维
7.图甲表示不同浓度CO2条件下两种植物的CO2吸收速率,图乙表示将M、N两种植物同时放入一个密闭容器中,在适宜的温度条件下,依次给予黑暗和充足的光照处理测得的容器中O2浓度变化曲线。下列相关叙述正确的是(　　)
A.高温干旱地区更容易存活的是植物N
B.图乙中f点时容器内的CO2浓度可能处于图甲的b点
C.图甲中d点,两种植物叶肉细胞中的RuBP含量相同
D.图乙f点之后的某一点,密闭容器内O2浓度升高,可能是植物N死亡引起的
【答案】 D　
【解析】 在高温干旱条件下,植物的蒸腾作用较大,气孔较小,故需要较小的CO2浓度即可达到较大的光合作用的植物才有利于在高温干旱条件下生存,由图甲可知,植物M的CO2饱和点比植物N的CO2饱和点小,因此高温干旱地区更易存活的是植物M;由图乙可知,f点之后容器内O2浓度不再变化,因此两植物的呼吸速率=光合速率,而图甲中b点为植物N的CO2补偿点,此时植物M光合作用强度大于呼吸作用强度,植物N的呼吸作用强度等于光合作用强度;图甲中d点,两种植物的净光合速率相等,但此时两种植物叶肉细胞中的RuBP含量不一定相同;根据图甲曲线可知,植物M能适应低CO2浓度环境,因此在该条件下植物M存活时间更长,若植物N死亡,植株M利用较低浓度的CO2,使得净光合速率大于0,则容器内O2浓度升高。
8.科学家研究发现:在强光下,激发态叶绿素会与氧分子反应形成单线态氧而损伤叶绿体,然而类胡萝卜素可快速淬灭激发态叶绿素,起到保护叶绿体的作用。下图是夏季连续两昼夜内,某杏树CO2吸收量和释放量的变化曲线图。S1~S5表示曲线与横轴围成的面积。下列说法错误的是(　　)
A.造成MN段波动的主要外界因素是温度
B.在B点时,该杏树的叶肉细胞中光合速率等于呼吸速率
C.两昼夜后该杏树仍正常生长,则有机物的积累量在I点时达到最大值
D.与正常植株相比,强光条件下缺乏类胡萝卜素的突变体光合速率下降
【答案】 B　
【解析】 由图可知,MN段无光照,植物只进行呼吸作用,造成CO2释放波动的主要外界因素是温度;B点时,杏树光合速率等于呼吸速率,杏树有非绿色部分不进行光合作用,其产生的CO2需要叶肉细胞消耗,所以该点叶肉细胞中光合速率大于呼吸速率;两昼夜后,S2+S4>S1+S3+S5,存在有机物的积累,植物正常生长,因此在I点有机物积累量最大,I点以后呼吸作用消耗有机物;由题可知,类胡萝卜素可快速淬灭激发态叶绿素,起到保护叶绿体的作用,因此与正常植物相比,强光下缺乏类胡萝卜素的植株不能对叶绿体起到保护作用,其光合速率下降。
开放和密闭环境中CO2、O2含量昼夜变化分析
(1)自然环境中,绿色植物一昼夜内CO2的吸收与释放速率的曲线分析。
(2)相对密闭的环境中,绿色植物一昼夜内CO2含量的变化曲线分析。
1.(2025·四川卷,16)在温室中种植番茄,光照强度和CO2浓度是制约产量的主要因素。某地冬季温室的平均光照强度约为200 μmol·m-2·s-1,CO2浓度约为400 μmol·mol-1。为提高温室番茄产量,有人测定了补充光照和CO2后番茄植株相关生理指标,结果见下表。回答下列问题。
组别 对照 甲 乙 丙
光照强度/ (μmol·m-2·s-1) 200 400 200 400
CO2浓度/ (μmol·mol-1) 400 400 800 800
净光合速率/ (μmol·m-2·s-1) 7.5 14.0 10.0 17.5
气孔导度/ (mol·m-2·s-1) 0.08 0.15 0.08 0.13
叶绿素含量/ (mg·g-1) 42.8 59.1 55.3 65.0
注:气孔导度和气孔开放程度呈正相关。
(1)为测定番茄叶片的叶绿素含量,可用　　　　　　提取叶绿素。色素对特定波长光的吸收量可反映色素的含量,为减少类胡萝卜素的干扰,应选择　　　　　(填“蓝紫光”或“红光”)来测定叶绿素含量。
(2)与对照组相比,甲组光合作用光反应为暗反应提供了更多的　　　　　　　　,从而提高了净光合速率。与甲组相比,丙组的净光合速率更高,气孔导度略低,但经测定发现其叶肉细胞间的CO2浓度却更高,可能的原因是　 　。
(3)根据本研究结果,在冬季温室种植番茄的过程中,若只能从CO2浓度加倍或光照强度加倍中选择一种措施来提高番茄产量,应选择　　　　　　　　,依据是　
。
【答案】 (1)无水乙醇　红光
(2)ATP和NADPH　外界补充的CO2更多
(3)光照强度加倍　光照强度加倍使净光合速率提高幅度更大
【解析】 (1)叶绿素可溶解在有机溶剂无水乙醇中,故为测定番茄叶片的叶绿素含量,可用无水乙醇提取叶绿素。色素对特定波长光的吸收量可反映色素的含量,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。为减少类胡萝卜素的干扰,应选择红光来测定叶绿素含量。
(2)与对照组相比,甲组光合作用光反应为暗反应提供了更多的ATP和NADPH,从而提高了净光合速率。甲组和丙组的光照强度相同,丙组的CO2浓度是甲组的二倍,与甲组相比,丙组的净光合速率更高,气孔导度略低,但经测定发现其叶肉细胞间的CO2浓度却更高,可能的原因是外界补充的CO2更多。
(3)甲、乙组与对照组相比,甲组的净光合速率提高幅度更大,故在冬季温室种植番茄的过程中,若只能从CO2浓度加倍或光照强度加倍中选择一种措施来提高番茄产量,应选择光照强度加倍。
2.(2025·黑吉辽内蒙古卷,21)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　 　 。
(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　 　。
(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。
【答案】 (1)基质　C5　ATP和NADPH中的化学能转化为有机物(CH2O)中的化学能
(2)光照强度　胞间CO2浓度　曲线①对应光照强度高,光反应速率快,产生更多的ATP和NADPH,使暗反应速率加快,光合速率提高
(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14C3放射性强度,比较S植株与WT植株的14C3生成速率。
【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),这一过程中能量转换是ATP和NADPH中的化学能转化为有机物(CH2O)中的化学能。
(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,光照强度不是主要限制因素,此时最主要限制因素是胞间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对应光照强度高,光反应速率快,产生更多的ATP和NADPH,使暗反应速率加快,光合速率提高。
(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。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14C3放射性强度,比较S植株与WT植株的14C3生成速率。
3.(2025·陕晋青宁卷,17)叶绿体中R酶既能催化CO2固定,也能催化C5与O2反应,CO2和O2两种底物竞争R酶同一活性位点;线粒体中G酶参与催化甘氨酸转化为丝氨酸,如图(a)。为探究保卫细胞中G酶对植物光合作用的影响,研究者以野生型植株W为参照,构建了G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S,实验结果如图(b)。回答下列问题。
(1)R酶催化CO2固定的场所是叶绿体的　　　　,产物C3在光反应生成的　　　　　　　　　参与下合成糖类等有机物。
(2)植物保卫细胞吸水,气孔开度增大。由图(a)(b)可知,相同光照条件下植株S保卫细胞中G酶表达量提高,叶片的净光合速率高于植株W,原因是 　。
(3)保持环境中CO2浓度不变,当O2浓度从21%升高到40%时,植株S的净光合速率　　　　(填“增大”或“减小”);相较于植株W,植株S的净光合速率变化幅度　　　 　　(填“大”
“小”或“无法判断”)。
(4)若需确认保卫细胞中G酶对叶片净光合速率的影响,还需补充一个实验组。写出实验思路及预期结果: 　。
【答案】 (1)基质　ATP、NADPH
(2)植株S保卫细胞中G酶表达量提高,促进甘氨酸转化为丝氨酸,释放CO2用于光合作用,从而生成更多的可溶性糖,提高了保卫细胞的细胞液浓度,植物保卫细胞吸水,气孔开度增大,CO2吸收加快,暗反应速率加快
(3)减小　小
(4)实验思路:以野生型植株W为参照,构建G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S和构建G酶表达量仅在保卫细胞中减少的植株T为实验组,在相同且适宜条件下培养,测定三组植物在不同光照强度下的净光合速率。
预期结果:植株T净光合速率小于植株W,植株S净光合速率大于植株W
【解析】 (1)CO2的固定属于暗反应过程,暗反应发生在叶绿体基质中。产物C3在光反应生成的ATP和NADPH的作用下合成糖类等有机物,其中ATP可以提供能量,NADPH作为还原剂并提供能量。
(2)结合题图和题干信息分析,相同光照条件下植株S保卫细胞中G酶表达量提高,促进甘氨酸转化为丝氨酸,释放CO2用于光合作用,从而生成更多的可溶性糖,提高了保卫细胞的细胞液浓度,植物保卫细胞吸水,气孔开度增大,CO2吸收加快,暗反应速率加快,从而使得植株S叶片的净光合速率高于植株W。
(3)叶绿体中R酶既能催化CO2固定,也能催化C5与O2反应,CO2和O2两种底物竞争R酶同一活性位点,保持环境中CO2浓度不变,当O2浓度从21%升高到40%时,CO2竞争R酶的能力减弱,暗反应速率减小,因此植株S的净光合速率减小。相较于植株W,植株S在相同条件下气孔开度相对较大,有利于CO2的吸收,因此植株S的净光合速率变化幅度较小。
(4)为探究保卫细胞中G酶对植物光合作用的影响,以野生型植株W为参照,构建G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S,还需要补充的一个实验组是构建G酶表达量仅在保卫细胞中减少的植株(假设为T)。实验思路是以野生型植株W为参照,构建G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S和构建G酶表达量仅在保卫细胞中减少的植株T为实验组,在相同且适宜条件下培养,测定三组植物在不同光照强度下的净光合速率。根据上述分析,G酶有利于光合作用的进行,因此预期结果是植株T净光合速率小于植株W,植株S净光合速率大于植株W。
热点情境4　光呼吸及光合作用的特殊类型
一、光呼吸
　在光照条件下,叶肉细胞中还会进行光呼吸,即O2与CO2竞争性结合RuBP(C5),O2与RuBP(C5)在Rubisco催化作用下经一系列反应释放CO2的过程。光呼吸的过程图解如下:
1.请据图分析,在强光下光呼吸加强的意义。
【提示】 强光下,光呼吸加强,会消耗光反应过程中积累的ATP和NADPH,从而减轻对叶绿体的伤害;在干旱和过强光照下,叶片气孔大量关闭或外界CO2浓度降低,CO2进入受阻时,光呼吸释放的CO2能被卡尔文循环再利用,以维持糖类等有机物的合成。
2.光呼吸可耗损掉大量光合产物,因此提高农作物的产量需要降低光呼吸。增施有机肥可以降低光呼吸,理由是什么
【提示】 有机肥被微生物分解后,使CO2浓度升高,促进Rubisco催化RuBP(C5)与CO2反应,从而降低光呼吸。
3.从反应条件和能量来看,光呼吸与有氧呼吸的区别是什么
【提示】 光呼吸需要在光照条件下进行,且消耗能量;而有氧呼吸在有光或无光条件下都能进行,且释放能量。
1.(2025·湖北黄冈模拟)光照条件下,小麦叶肉细胞中的CO2和O2竞争性与C5结合,C5与O2在Rubisco催化下生成C3和乙醇酸(C2),乙醇酸在叶绿体、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。科研人员通过导入相关基因,形成乙醇酸→乙醛酸→甘油酸(C3)的新代谢支路,该支路在叶绿体基质中完成,会消耗H2O2、NADPH和ATP,同时产生CO2。下列关于新的代谢支路的叙述,错误的是(　　)
A.CO2与O2比值高时,有利于光呼吸
B.有利于减少H2O2对叶绿体的损害
C.可减少参与光呼吸的细胞器种类
D.可降低碳损失从而提高光合效率
【答案】 A
【解析】 CO2与O2比值低时,有利于光呼吸;新的代谢支路可消耗H2O2,有利于减少H2O2对叶绿体的损害;新的代谢支路可使光呼吸的相关反应在叶绿体中完成,减少参与光呼吸的细胞器种类;新的代谢支路可产生CO2,CO2可用于光合作用的暗反应阶段,从而提高光合效率。
二、光合作用的特殊类型
　根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同,自然界中的绿色植物可以分为C3植物、C4植物和CAM植物三种类型。C3途径也称卡尔文循环,整个循环由RuBP(C5)与CO2的羧化开始到RuBP(C5)再生结束,在叶绿体基质中进行,可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有小麦、大豆、水稻、马铃薯等。
1.C4植物的光合作用过程—— 位置的分工合作
玉米为C4植物,研究玉米的叶片结构发现,玉米的维管束鞘细胞和叶肉细胞紧密排列(如图1)。
叶肉细胞中的叶绿体有类囊体,能进行光反应,同时,CO2被整合到C4化合物中,随后C4化合物进入维管束鞘细胞,维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体,在维管束鞘细胞中,C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环,进而生成有机物(如图2)。PEP羧化酶被形象地称为“CO2泵”,PEP羧化酶与CO2的亲和力是Rubisco的60倍。
2.景天科植物(CAM植物)的光合作用过程—— 时间的分工合作
景天科植物是典型的旱生植物,表皮有蜡质粉,气孔下陷,可减少蒸腾,无性繁殖力强,常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。CAM植物夜间吸进CO2,在磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化下,CO2与PEP结合,生成草酰乙酸,进一步还原为苹果酸储存在液泡中。白天气孔关闭,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3)。
1.玉米叶肉细胞能将CO2传递给维管束鞘细胞进行卡尔文循环。玉米光合作用光反应的场所是什么 依据结构决定功能,据图分析最可能的原因是什么
【提示】 叶肉细胞中的叶绿体。叶肉细胞中的叶绿体有类囊体薄膜,可进行光反应;维管束鞘细胞中的叶绿体没有类囊体薄膜,不能进行光反应。
2.某农业大棚中同时种植玉米与大豆,由于工作人员工作失误,未及时通风导致大棚中CO2浓度降低,大豆的生长受影响更大,判断的理由是什么
【提示】 密闭大棚中,随植物光合作用的进行,CO2浓度下降,当CO2浓度下降到一定程度时,由于不能利用低浓度CO2,大豆光合作用受抑制,玉米中的PEP羧化酶可利用低浓度CO2。
3.夜晚CAM植物吸收的CO2能不能合成糖类,为什么
【提示】 不能,因为没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH。
4.气孔白天关闭、晚上打开是CAM植物适应干旱环境的一种方式,这种方式的意义是什么
【提示】 既能防止蒸腾作用过强导致植物失水,又能保证光合作用正常进行。
2.(2025·江苏南通一模)玉米是经济价值较高的粮食作物,其光合作用既有C4途径又有C3途径,过程如图1。请回答下列问题。
(1)玉米叶片中固定CO2的物质有　　　　　,为过程②提供能量的物质有　 。
(2)图中PEP羧化酶对CO2具有较强亲和力,其意义是 　。
(3)光合作用较强时,叶片细胞中淀粉合成的场所是　　　　　细胞的　　　　　　。
(4)玉米的发育时期主要有出苗、拔节、抽雄、开花、吐丝、成熟等,吐丝期是雌穗发育的关键时期,决定玉米的产量。图2表示吐丝期玉米的4个冠层,研究人员研究了种植密度(D1组7.5万株·ha-1、D2组10.5万株·ha-1、D3组13.5万株·ha-1)对玉米吐丝期各冠层净光合速率(Pn)、有机物转移量(单株从光合器官转移出去的量)的影响,实验结果如图3、图4。
①据图3分析,随种植密度的增加,Ⅰ冠层叶片光合速率降低的幅度　　　　Ⅱ冠层,主要原因是随种植密度的增加,Ⅰ冠层　 。
②生产实践中发现D2组玉米产量最高。与D1组相比,D2组玉米产量高的原因有
　 。
【答案】 (1)PEP、C5　ATP、NADPH
(2)有利于浓缩CO2,增加维管束鞘细胞中的CO2浓度
(3)维管束鞘　叶绿体基质
(4)①大于　光照强度降低幅度大于Ⅱ冠层　②单株有机物的转移量大,种植密度大,光合面积大,光合产物多
【解析】 (1)由图1可知,图中A为C3,B为C5,玉米叶片中固定CO2的物质有PEP、C5,为过程②C3的还原提供能量的物质有ATP和NADPH。
(2)图中PEP羧化酶对CO2具有较强亲和力,其有利于浓缩CO2,将CO2固定为C4后,C4在维管束鞘细胞中分解为CO2,增加维管束鞘细胞中的CO2浓度。
(3)由图可知,维管束鞘细胞能进行暗反应合成(CH2O),植物的暗反应在叶绿体基质中进行,所以光合作用较强时,玉米叶片细胞中淀粉合成的场所是维管束鞘细胞的叶绿体基质。
(4)①由图3可知,由于随种植密度的增加,Ⅰ冠层光照强度降低幅度大于Ⅱ冠层,导致Ⅰ冠层叶片光合速率降低的幅度大于Ⅱ冠层。②由图4可知,与D1组相比,D2组玉米单株有机物的转移量大,种植密度大,光合面积大,光合产物多,所以D2组玉米产量最高。
3.(2025·黑龙江哈尔滨二模)仙人掌是典型的旱生植物,其在长期干旱条件下进化出的光合作用模式,与C3、C4类植物光合作用存在明显区别;下图1为仙人掌光合作用CO2同化途径,图2为磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶活性昼夜转换机制,回答相关问题。
(1)白天仙人掌可将　　　　　　　　　过程产生的CO2运入叶绿体参与　　　循环完成光合作用过程。
(2)沙漠中的仙人掌通常在白天关闭气孔,夜间气孔开放,将吸收的CO2与　　　结合被固定,并最终将苹果酸储存在液泡中而不是细胞质基质中,据图分析这种存储的生理学意义在于　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;与C4植物将CO2固定和暗反应(分别在叶肉细胞和维管束鞘细胞中进行)在空间上分开相比,仙人掌将CO2固定和暗反应选择在　　　　　　,因而更加适应干旱环境。
(3)夜晚仙人掌叶肉细胞呼吸减弱会影响细胞中苹果酸的生成,根据图1和图2分析其原因是 　 。
(4)某生物兴趣小组欲利用“密闭透明容器”验证仙人掌“夜间吸收CO2”的特性,请设计实验,简要写出实验思路和预期实验结果 　。
【答案】 (1)细胞呼吸和苹果酸分解　卡尔文
(2)PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)　维持细胞内pH稳定,避免酸中毒(或储存更多CO2以备白天使用)
时间上分开(夜晚固定CO2,白天进行卡尔文循环)
(3)细胞呼吸减弱为苹果酸生成提供的NADH减少,同时生成的ATP减少,影响PEPC的活化,影响夜晚CO2的固定
(4)实验思路:将仙人掌置于密闭透明容器中,分别在白天和夜间测定容器内CO2浓度变化。
预期实验结果:夜间容器内CO2浓度显著下降,白天CO2浓度基本不变
【解析】 (1)在图1中,白天,苹果酸从液泡中释放出来,分解产生CO2,同时还有细胞呼吸产生CO2,CO2进入叶绿体参与卡尔文循环(暗反应),完成光合作用过程。(2)沙漠中的仙人掌通常在白天关闭气孔,夜间气孔开放,将吸收的CO2与PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)结合被固定,并最终将苹果酸储存在液泡中而不是细胞质基质中。这种存储的生理学意义在于维持细胞内pH稳定,避免酸中毒(或储存更多CO2,以备白天使用)。与C4植物将CO2固定和暗反应在空间上分开相比,仙人掌将CO2固定和暗反应选择在时间上分开,减少了白天气孔开放导致的水分蒸发,从而适应干旱环境。(3)由图1可知,苹果酸的生成需要NADH等物质,图2显示PEPC的活化需要ATP。夜晚仙人掌叶肉细胞呼吸减弱,一方面为苹果酸生成提供的NADH减少,另一方面生成的ATP减少,而ATP减少会影响PEPC的活化,进而影响夜晚CO2的固定,所以最终会影响细胞中苹果酸的生成。(4)利用“密闭透明容器”验证仙人掌“夜间吸收CO2”,需将仙人掌置于密闭透明容器中,分别在白天和夜间测定容器内CO2浓度变化。预期实验结果:夜间容器内CO2浓度显著下降,白天二氧化碳浓度基本不变。
(时间:30分钟)
1.(2025·湖北荆州模拟)气孔是植物表皮上高度特化的细胞,由两个保卫细胞合围而成。保卫细胞通过体积变化来调节气孔运动,这对于植物光合作用和蒸腾作用中的气体和水分交换至关重要。下列叙述错误的是(　　)
A.与绿光相比,植物在同等强度红光条件下气孔开度较小
B.盛夏正午时分植物光合作用强度减弱可由部分气孔关闭导致
C.雨天叶片含水过多,保卫细胞吸水膨胀使气孔张开
D.荒漠生物群落中的许多植物为了适应干旱环境,气孔在夜晚打开
【答案】 A
【解析】 光合色素主要吸收蓝紫光和红光,与绿光相比,红光能增大光合速率,使保卫细胞光合产物增多,保卫细胞渗透压上升,促进细胞吸水,气孔开放,因此,与绿光相比,植物在同等强度红光条件下气孔开度较大。
2.(2025·北京模拟)研究人员为探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,将四组等量菠菜叶圆片排气后,分别置于盛有等体积不同浓度NaHCO3溶液的烧杯中,给予适宜光照,记录叶圆片上浮所需时长,结果如图。下列有关叙述正确的是(　　)
A.在本实验中,温度、NaHCO3浓度和光照都属于自变量
B.四组实验中,0.5%NaHCO3溶液中叶圆片光合速率最高
C.叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率
D.在较低温度条件下进行实验,各组叶圆片上浮所需时长均会缩短
【答案】 C
【解析】 本实验是探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,自变量为CO2浓度(NaHCO3浓度),温度和光照为无关变量;四组实验中,0.5%NaHCO3溶液中叶圆片上浮需要的时间最长,光合速率最小;当光合作用产生的氧气大于细胞呼吸消耗的氧气时,叶圆片上浮,叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率;若在较低温度条件下进行本实验,由于低温会使酶的活性降低,净光合速率可能降低,故各组叶圆片上浮所需时长均会延长。
3.(2025·湖北武汉模拟)增温可能改变气孔导度,进而影响植物的光合速率。科研人员以杉木为研究对象进行了土壤增温实验,分别在夏、冬季取样检测,结果如下图所示。下列叙述错误的是(　　)
A.夏季土壤增温不利于杉木生长,冬季土壤增温有利于杉木生长
B.夏季土壤增温对杉木气孔导度的影响程度大于冬季土壤增温
C.冬季土壤增温对杉木光合作用暗反应的影响不显著
D.冬季土壤增温可能提高了杉木光合作用中相关酶的活性
【答案】 C
【解析】 由图可知,夏季土壤增温会降低杉木的净光合速率,冬季土壤增温会提高杉木的净光合速率;由图分析可知,夏季土壤增温对杉木气孔导度的影响程度大于冬季土壤增温;冬季土壤增温对植物的气孔导度影响不大,仅表明该处理对暗反应过程中二氧化碳的吸收影响不大,不代表对暗反应的过程影响不大,因为温度升高,对暗反应的相关酶活性会造成影响;由图可知,冬季土壤增温使杉木净光合速率得到了较大提升,可能是提高了杉木光合作用中相关酶的活性。
4.(2025·湖北黄冈三模)大豆叶片气孔黑暗条件下处于关闭状态,光照后逐渐开放。壳梭孢素处理可使大豆叶片气孔充分开放。科研人员将大豆叶片分为两组,A组不处理,B组用壳梭孢素处理,将两组叶片从黑暗中转移到光照下,在适宜温度下测定光合速率,结果如下图所示。下列分析正确的是(　　)
A.当光照强度为0时,两组细胞的胞间CO2浓度相等
B.提高环境温度,两组的最大光合作用强度都会下降
C.光照30 min时B组叶绿体C3生成速率大于A组,还原速率小于A组
D.光照30 min时,限制A组光合速率的主要因素是光照时间
【答案】 B
【解析】 在光照强度为0时,A和B两组已经黑暗处理了一段时间,而二者不是相同条件,B组已经用壳梭孢素处理,壳梭孢素处理可使大豆叶片气孔充分开放,所以B组和A组胞间CO2浓度不相等;由题干可知,是在适宜温度下测得的光合作用速率,因此提高环境温度,两组的最大光合作用强度都会下降;光照30 min时,B组的光合速率相对值高于A组,叶绿体中C3生成和还原速率均大于A组;30 min时,随着光照时间增加,A组光合速率相对值不再改变,限制因素不是光照时间。
5.(2025·广西南宁模拟)某同学用若干大小一致的新鲜菠菜叶随机均分为多组进行下图所示的实验。每组实验均包含试管①和试管②,试管中的指示剂初始颜色均为绿色,不同小组光照强度大小不同,其他环境条件相同且适宜,实验一段时间后观察指示剂颜色变化,所有的试管②仍为绿色。下列相关叙述正确的是(　　)
注:指示剂为溴麝香草酚蓝,其变色范围是:pH=6.0呈黄色,pH=7.0呈绿色,pH=7.6呈蓝色。
A.本实验的目的是探究不同光照强度对光合速率的影响,同一小组试管①和试管②的光照强度不同
B.若某小组的试管①变黄色,说明该组光照强度下叶片光合速率小于呼吸速率,线粒体内膜产生的CO2使pH下降
C.若某小组试管①变蓝色,说明该组光照强度下叶片光合速率大于呼吸速率,叶片吸收CO2使溶液的pH上升
D.若某小组的试管①仍为绿色,说明该组光照强度下叶片的总光合速率为0
【答案】 C
【解析】 本实验的目的是探究不同光照强度对光合速率的影响,实验的自变量是光照强度不同,不同组别的光照强度不同,但同一小组试管①和试管②的光照强度应相同;植物细胞在光照下可以进行光合作用和呼吸作用,光合作用吸收二氧化碳,使得溶液的pH升高,呼吸作用释放二氧化碳,使得溶液的pH降低,若某小组的试管①变黄色(pH=6.0呈黄色),说明此时溶液的pH降低,该组光照强度下叶片光合速率小于呼吸速率,但CO2是在线粒体基质产生的;某小组的试管①在强光下,新鲜菠菜叶的光合作用大于呼吸作用,叶片吸收CO2使溶液的pH升高,溶液的颜色由绿色变成蓝色(pH=7.6呈蓝色);若某小组的试管①仍为绿色,说明叶片光合速率等于呼吸速率,即净光合速率=0,而非总光合速率为0。
6.(2025·安徽合肥模拟)温度是影响植物生长发育的重要环境因素之一,在其他环境因素适宜时,温度对某绿色植物叶片呼吸速率和光合速率的影响结果如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A.该植物叶片在温度a时的有机物积累速率和温度c时的相等
B.CO2中的碳原子在叶绿体中的转移途径是:CO2→C3→C5→(CH2O)
C.在温度d时,该植物体的干重减少,不能正常生长
D.若适当降低光照强度,则图中的d点将右移
【答案】 C
【解析】 有机物积累速率即净光合速率,净光合速率=光合速率-呼吸速率。温度为a时,光合速率与呼吸速率的差值和温度为c时不相等,所以有机物积累速率不相等;在光合作用的暗反应中,CO2中的碳原子在叶绿体中的转移途径是:CO2→C3→(CH2O);在温度为d时,叶片的呼吸速率等于光合速率,但是植物具有不能进行光合作用的细胞,所以会有有机物的消耗,则植物不能正常生长;若降低光照强度,光合作用速率下降,植物要达到光合速率等于呼吸速率,就需要提升光合速率,则d点将左移。
7.(2025·福建泉州模拟)莱茵衣藻无氧呼吸会抑制光合作用。其原因是无氧呼吸产生的弱酸分子(HA)能够自由跨越磷脂双分子层,最终进入类囊体腔,但HA电离出的离子不能自由跨膜,科研人员将上述现象称为“离子陷阱”。由于类囊体腔内的pH缓冲能力较低,腔内氢离子不断积累,从而发生类囊体腔酸化,并最终影响了光合作用。下列相关叙述正确的是(　　)
A.葡萄糖在生成丙酮酸的同时还会生成NADPH
B.类囊体腔酸化可能通过影响CO2固定酶的活性影响光合作用
C.外源添加HA后衣藻均出现类囊体腔酸化的现象,支持“离子陷阱”理论
D.黑暗条件下,类囊体腔酸化的同时,叶绿体基质中C5的含量将上升
【答案】 C
【解析】 细胞呼吸的第一阶段葡萄糖在生成丙酮酸的同时会生成NADH(还原型辅酶Ⅰ),而NADPH(还原型辅酶Ⅱ)是光合作用光反应阶段产生的;CO2固定发生在叶绿体基质中,类囊体腔酸化不会直接影响叶绿体基质中CO2固定酶的活性;如果外源添加HA后衣藻均出现类囊体腔酸化的现象,说明HA进入类囊体腔并导致氢离子积累,支持“离子陷阱”理论;黑暗条件下,光反应不能进行,无法产生ATP和NADPH,C3不能被还原为C5,C5的含量不会上升。
8.(2025·湖北武汉三模)重金属镉胁迫下黄瓜叶绿体会出现类囊体片层排列紊乱以及叶片气孔导度降低。科研人员探究土壤中施磷(P)量对镉(Cd)胁迫下黄瓜苗期叶片净光合速率(简称Pn)的影响。下列叙述正确的是(　　)
A.Cd单独作用时抑制Pn,且抑制作用随Cd浓度增加而降低
B.P单独作用时促进Pn,且促进作用随P浓度增加而增加
C.Cd可同时通过抑制光反应和暗反应影响Pn
D.土壤施磷量为100 mg/kg土时可最大程度缓解镉胁迫
【答案】 C
【解析】 分析题图,该实验的自变量是不同土壤镉浓度和施加磷的含量,因变量为净光合速率。观察图中P0组(即无磷处理,只有镉作用),随着Cd浓度从Cd0增加到Cd3,净光合速率Pn逐渐降低,说明Cd单独作用时抑制Pn,且抑制作用随Cd浓度增加而增强;观察图中Cd0组从P0到P2净光合速率Pn逐渐增加,但从P2到P4净光合速率Pn逐渐降低,所以不能得出促进作用随P浓度增加而增加的结论;因为重金属镉胁迫下黄瓜叶绿体会出现类囊体片层排列紊乱,类囊体是光反应的场所,会影响光反应;同时叶片气孔导度降低,气孔导度影响二氧化碳的吸收,二氧化碳参与暗反应,所以Cd可同时通过抑制光反应和暗反应影响Pn;Cd1、Cd2、Cd3组都是P3组(土壤施磷量为150 mg/kg土时)的净光合速率最大,因此土壤施磷量为150 mg/kg土时可最大程度缓解镉胁迫。
9.(2025·广东模拟)小麦是我国北方的主要农作物,研究环境条件变化对其产量的影响对农业生产有重要意义。科研人员测定小麦一昼夜净光合速率(Pn)的变化,发现小麦与其他植物一样出现了“午睡”现象。
(1)科研人员测定了同一株小麦两种不同向光角度的叶片(接收直射光照面积不同)午后部分指标,结果如下表。
净光合 速率(Pn) 叶片温度 (T1) 胞间CO2 浓度(Ci)
直立叶 12.9 37.5 250
平展叶 8.8 37.7 264
对相关数据进行分析后发现,气孔开闭引起的胞间CO2浓度不足不是造成“午睡”现象的唯一因素,请提出判断依据:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)科研人员推测,午间强光照可能会导致由色素和蛋白质组成的光系统Ⅱ发生损伤,导致
　　　　　　速率下降,进而为暗反应提供的　　　　　　　　　　(物质)减少,导致叶片的光合作用减弱。推测光系统Ⅱ分布在　　　　　　　上。D1是对光系统Ⅱ活性起调节作用的关键蛋白,科研人员使用蛋白质凝胶电泳技术检测不同光照条件下的D1含量,结果如图1所示,分析可知　 　 ,从而在一定程度上导致“午睡”现象。
(3)水杨酸(SA)是一种与植物抗热性有关的植物激素,科研人员用适宜浓度的SA喷洒小麦叶片后,测定两种光照条件下的D1蛋白含量,并重复该实验,结果如图2所示,可推测,SA对小麦午间光合作用的影响及机制是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】 (1)平展叶净光合速率明显低于直立叶,而胞间CO2浓度高于直立叶
(2)光反应　ATP、NADPH　类囊体膜　午间较强光照使细胞中D1蛋白的含量降低,导致光系统Ⅱ活性降低
(3)SA能减弱较强光照造成的D1蛋白含量及光系统Ⅱ活性降低程度,从而缓解小麦的“午睡”现象
【解析】 (1)午后温度较高,植物蒸腾作用旺盛,植物会降低叶片气孔开度来避免过度失水。分析表格中数据可知,直立叶和平展叶叶片温度无明显差异,直立叶净光合速率大于平展叶的净光合速率,但直立叶胞间CO2浓度小于平展叶的胞间CO2浓度,说明气孔开闭引起的胞间CO2浓度不足不是造成“午睡”现象的唯一因素。(2)由题意可知光系统Ⅱ是由色素和蛋白质组成的,说明光系统Ⅱ是光反应的场所,强光照引起光系统Ⅱ发生损伤,会导致光反应的速率下降,光反应为暗反应提供的ATP、NADPH也会减少,光系统Ⅱ分布在类囊体膜上,是光反应的场所。图1中数据显示,与适宜光照强度相比,强光照会导致D1含量下降,因此“午睡”原因可能是午间较强光照使细胞中D1蛋白的含量降低,从而导致光系统Ⅱ活性降低。(3)较强光照会导致D1含量下降,分析图2中D1蛋白含量可知,较强光照下用SA处理后D1含量虽仍低于CK组,但明显高于未经处理的W2组,可推测经SA处理后,SA能减弱较强光照造成的D1蛋白含量及光系统Ⅱ活性降低程度,从而缓解小麦的“午睡”
现象。第13讲　光合作用的影响因素及其应用
课标 要求 活动:探究不同环境因素对光合作用的影响。
考情 分析 1.探究环境因素对光合作用强度的影响 2025·河北卷,5;2025·安徽卷,2;2025·重庆卷,16
2.单、多因子变量对光合作用强度影响及应用 2025·全国卷,2;2025·重庆卷,16;2025·黑吉辽内蒙古卷,21;2025·陕晋青宁卷,17;2025·四川卷,16;2025·甘肃卷,17;2025·湖南卷,17;2025·广东卷,18;2025·河南卷,17;2024·北京卷,4;2024·山东卷,21;2024·湖北卷,21;2024·安徽卷,16;2024·重庆卷,18;2023·湖北卷,11;2023·江苏卷,19;2023·福建卷,16;2023·山东卷,21;2023·全国乙卷,29;2023·重庆卷,19
考点一　探究环境因素对光合作用强度的影响
1.光合作用强度
2.影响光合作用强度的因素
3.控制影响光合作用实验自变量的方法
4.探究光照强度对光合作用强度的影响
(1)实验原理:抽去圆形小叶片中的气体后,叶片在水中　　　　　,光照下叶片进行光合作用产生　　　　,充满细胞间隙,叶片又会　　　　。光合作用越强,单位时间内圆形小叶片上浮的数量　　　　。
(2)实验装置分析。
①自变量的设置:　　　　　　是自变量,通过调整　　　　　　　　　　　　　　　　来调节光照强度的大小。
②中间盛水的玻璃柱的作用:吸收灯光的热量,避免光照对烧杯内　　　　产生影响。
③因变量是光合作用强度,可通过观测单位时间内　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　 　或者是浮起相同数量的叶片所用的时间长短来衡量光合作用的强弱。
(3)实验流程:取材并处理→排气→沉水→分组→不同光照处理各组→观察并记录。
(4)实验结果:在一定范围内,台灯与烧杯的距离越近,单位时间内浮起的圆形小叶片　　　　
(5)实验结论:在一定范围内,随着光照强度不断增强,光合作用强度　　　　(单位时间内圆形小叶片中产生的O2越多,浮起的圆形小叶片越多)。
考向1　结合探究环境因素对光合作用强度的影响的实验,考查科学探究
1.(2025·安徽卷,2)关于“探究光照强度对光合作用强度的影响”实验,下列叙述错误的是(　　)
A.用打孔器打出叶圆片时,为保证叶圆片相对一致应避开大的叶脉
B.调节LED灯光源与盛有叶圆片烧杯之间的距离,以进行对比实验
C.用化学传感器监测光照时O2浓度变化,可计算出实际光合作用强度
D.同一烧杯中叶圆片浮起的快慢不同,可能与其接受的光照强度不同有关
考点二　影响光合作用的因素及应用
1.影响光合作用的外部因素及应用
(1)单因子变量对光合作用影响的曲线分析。
①光照强度。
②CO2浓度。
③温度。
④水分或矿质元素。
(2)多因子变量对光合作用影响的曲线分析。
2.影响光合作用的内部因素及应用
(1)植物自身的遗传特性(如植物品种不同),以阴生植物、阳生植物为例,如图所示。
(2)植物叶片的叶龄、叶绿素含量及酶。
(3)叶面积指数。
【判断正误】
(1)(2022·湖南卷,13)在夏季晴朗无云的白天,12时左右光合作用强度明显减弱,原因可能是叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少。(　　)
(2)(2021·湖南卷,7)合理密植和增施有机肥能提高农作物的光合作用强度。(　　)
(3)(2021·湖南卷,7)弱光条件下,植物没有O2的释放,说明未进行光合作用。(　　)
【情境·思维·深析】
1.农业生产常采用间作(同一生长期内,在同一块农田上间隔种植两种作物)的方法提高农田的光能利用率。现有4种作物,在正常条件下生长能达到的株高和光饱和点(光合速率达到最大时所需的光照强度)见下表。从提高光能利用率的角度考虑,最适合进行间作的两种作物是　　　　,选择这两种作物的理由是　
　。
作物 A B C D
株高/cm 170 65 59 165
光饱和点/ (μmol·m-2·s-1) 1 200 1 180 560 623
2.植物的气孔由叶表皮上两个具有特定结构的保卫细胞构成。保卫细胞含有叶绿体,在光下可进行光合作用。已知蓝光可作为一种信号促进保卫细胞逆浓度梯度吸收K+。有研究发现,用饱和红光(只用红光照射时,植物达到最大光合速率所需的红光强度)照射某植物叶片时,气孔开度可达最大开度的60%左右。回答下列问题。
(1)红光可通过光合作用促进气孔开放,其原因是
　。
(2)某研究小组发现在饱和红光的基础上补加蓝光照射叶片,气孔开度可进一步增大,因此他们认为气孔开度进一步增大的原因是蓝光促进保卫细胞逆浓度梯度吸收K+。请推测该研究小组得出这一结论的依据是 　。
考向2　结合光合作用的影响因素,考查科学思维
2.(2025·四川宜宾模拟)宜宾方竹是蜀南竹海特有竹种,其竹笋富含微量元素,图甲、乙分别为方竹在其他条件适宜,不同温度、光照强度条件下相关指标的变化曲线(单位:mmol·cm-2·h-1)。下列叙述正确的是(　　)
A.据图甲分析,与温度40 ℃相比,温度为30 ℃时方竹消耗CO2的速率快
B.据图甲分析,40 ℃条件下,若黑夜和白天时间相等,方竹能正常生长
C.据图乙分析,提高温度会导致光补偿点D点左移
D.据图乙分析,影响C、D、E三点光合速率的主要环境因素是光照强度
3.(2025·四川绵阳二模)光合作用速率受到温度、二氧化碳浓度和光照强度的影响。甲图表示在二氧化碳充足的条件下,某植物光合速率与光照强度和温度的关系,ABCD图是据此绘出的光照强度为L2千勒克斯(klx),温度分别为10℃、20℃和30℃时的光合速率,其中绘制正确的是(　　)
　
A B
　
C D
考向3　围绕光合作用原理在农业生产中的应用,考查科学思维
4.(2025·重庆期中)某些山区通过大棚种植草莓来吸引游客采摘。为了提高其产量增大经济效益,下列有关措施错误的是(　　)
A.夏季白天可适当通风、提高棚内CO2浓度
B.可适当施加农家肥,促进草莓对其直接吸收,使其果实生长充分
C.选取无色透明薄膜,便于透光
D.夜晚棚内可适当降温,减少植株有机物的消耗
考点三　光合速率和细胞呼吸速率的综合分析
1.微观辨析总光合速率、净光合速率和呼吸速率的关系
2.光合速率与呼吸速率的常用表示方法
项目 含义 表示方法(单位面积的叶片在单位时间内的变化量)
O2 CO2 有机物
真正 光合 速率 植物在光下实际合成有机物的速率 O2　　　　　速率或叶绿体释放O2速率 CO2固定速率或叶绿体吸收CO2速率 有机物　　　　　　速率
净光 合速 率 植物有机物的　　　　速率 植物或叶片或叶肉细胞O2　　　　速率 植物或叶片或叶肉细胞CO2　　　　速率 有机物积累速率
呼吸 速率 单位面积的叶片在单位时间内分解有机物的速率 　　　　中O2吸收速率 黑暗中CO2释放速率 有机物消耗速率
3.测定植物光合速率和呼吸速率的常用方法
(1)“液滴移动法”——测定装置中气体体积变化。
①在测定了净光合速率和呼吸速率的基础上可计算得出二者之和,即“真正光合速率”。
②物理误差的校正:为使实验结果精确,除减少无关变量的干扰外,还应设置对照装置。与图示两装置相比,对照装置的不同点是用“死亡的绿色植物”代替“绿色植物”,其余均相同。
(2)“半叶法”——测定光合作用有机物的产生量。
将叶片一半遮光、一半曝光,遮光的一半测得的数据变化值代表　　　　强度值,曝光的一半测得的数据变化值代表　　　　　强度值,最后计算真正光合作用强度值。需要注意的是该种方法在实验之前需对叶片进行特殊处理,以防止有机物的运输。
(3)“黑白瓶法”——测定溶氧量的变化。
①“黑瓶”不透光,测定的是　　　　　　;“白瓶”给予光照,测定的是　　　　　　。
②在有初始值的情况下,黑瓶中　　　　　　　为有氧呼吸量;白瓶中　　　　　　　　　为净光合作用量;二者之和为　　　　　　　　。
③在没有初始值的情况下,　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　=真正光合作用量。
(4)“叶圆片称重法”——测定有机物的变化量。
本方法测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量,如图所示以有机物的变化量测定光合速率(S为叶圆片面积)。
净光合速率=(z-y)/2S;呼吸速率=　　　　　　　　　　;真正光合速率=净光合速率+呼吸速率=　　　　　　　　　　　　　　　　　。
考向4　围绕光合速率与细胞呼吸速率的关系及测定,考查科学思维
5.(2025·全国卷,2)在一定温度下,生长在大田的某种植物光合速率(CO2固定速率)和呼吸速率(CO2释放速率)对光照强度的响应曲线如图所示。下列叙述错误的是(　　)
A.光照强度为a时,该植物的干重不会增加
B.光照强度从a逐渐增加到b时,该植物生长速率逐渐增大
C.光照强度小于b时,提高大田CO2浓度,CO2固定速率会增大
D.光照强度为b时,适当降低光反应速率,CO2固定速率会降低
6.(2025·湖北黄石二模)下图是某植株叶肉细胞在不同光照强度下叶绿体与线粒体代谢简图。以下相关叙述,错误的是(　　)
A.细胞①处于黑暗环境中,那么该细胞单位时间内放出的CO2量即为呼吸速率
B.将该植株置于细胞②对应的光照强度下一段时间,则植株的干重将减小
C.细胞③处在较强光照条件下,细胞光合作用所利用的CO2量为N1与N2的和
D.对细胞④的分析可得出,此时的光照强度较弱且物质的量N1小于m2
考向5　围绕密闭和开放环境中CO2、O2含量变化的分析,考查科学思维
7.图甲表示不同浓度CO2条件下两种植物的CO2吸收速率,图乙表示将M、N两种植物同时放入一个密闭容器中,在适宜的温度条件下,依次给予黑暗和充足的光照处理测得的容器中O2浓度变化曲线。下列相关叙述正确的是(　　)
A.高温干旱地区更容易存活的是植物N
B.图乙中f点时容器内的CO2浓度可能处于图甲的b点
C.图甲中d点,两种植物叶肉细胞中的RuBP含量相同
D.图乙f点之后的某一点,密闭容器内O2浓度升高,可能是植物N死亡引起的
8.科学家研究发现:在强光下,激发态叶绿素会与氧分子反应形成单线态氧而损伤叶绿体,然而类胡萝卜素可快速淬灭激发态叶绿素,起到保护叶绿体的作用。下图是夏季连续两昼夜内,某杏树CO2吸收量和释放量的变化曲线图。S1~S5表示曲线与横轴围成的面积。下列说法错误的是(　　)
A.造成MN段波动的主要外界因素是温度
B.在B点时,该杏树的叶肉细胞中光合速率等于呼吸速率
C.两昼夜后该杏树仍正常生长,则有机物的积累量在I点时达到最大值
D.与正常植株相比,强光条件下缺乏类胡萝卜素的突变体光合速率下降
开放和密闭环境中CO2、O2含量昼夜变化分析
(1)自然环境中,绿色植物一昼夜内CO2的吸收与释放速率的曲线分析。
(2)相对密闭的环境中,绿色植物一昼夜内CO2含量的变化曲线分析。
1.(2025·四川卷,16)在温室中种植番茄,光照强度和CO2浓度是制约产量的主要因素。某地冬季温室的平均光照强度约为200 μmol·m-2·s-1,CO2浓度约为400 μmol·mol-1。为提高温室番茄产量,有人测定了补充光照和CO2后番茄植株相关生理指标,结果见下表。回答下列问题。
组别 对照 甲 乙 丙
光照强度/ (μmol·m-2·s-1) 200 400 200 400
CO2浓度/ (μmol·mol-1) 400 400 800 800
净光合速率/ (μmol·m-2·s-1) 7.5 14.0 10.0 17.5
气孔导度/ (mol·m-2·s-1) 0.08 0.15 0.08 0.13
叶绿素含量/ (mg·g-1) 42.8 59.1 55.3 65.0
注:气孔导度和气孔开放程度呈正相关。
(1)为测定番茄叶片的叶绿素含量,可用　　　　　　提取叶绿素。色素对特定波长光的吸收量可反映色素的含量,为减少类胡萝卜素的干扰,应选择　　　　　(填“蓝紫光”或“红光”)来测定叶绿素含量。
(2)与对照组相比,甲组光合作用光反应为暗反应提供了更多的　　　　　　　　,从而提高了净光合速率。与甲组相比,丙组的净光合速率更高,气孔导度略低,但经测定发现其叶肉细胞间的CO2浓度却更高,可能的原因是　
　。
(3)根据本研究结果,在冬季温室种植番茄的过程中,若只能从CO2浓度加倍或光照强度加倍中选择一种措施来提高番茄产量,应选择　　　　　　　　,依据是　
　。
2.(2025·黑吉辽内蒙古卷,21)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　
　。
(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　
　。
(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。
3.(2025·陕晋青宁卷,17)叶绿体中R酶既能催化CO2固定,也能催化C5与O2反应,CO2和O2两种底物竞争R酶同一活性位点;线粒体中G酶参与催化甘氨酸转化为丝氨酸,如图(a)。为探究保卫细胞中G酶对植物光合作用的影响,研究者以野生型植株W为参照,构建了G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S,实验结果如图(b)。回答下列问题。
(1)R酶催化CO2固定的场所是叶绿体的　　　　,产物C3在光反应生成的　　　　　　　　
　 参与下合成糖类等有机物。
(2)植物保卫细胞吸水,气孔开度增大。由图(a)(b)可知,相同光照条件下植株S保卫细胞中G酶表达量提高,叶片的净光合速率高于植株W,原因是
　。
(3)保持环境中CO2浓度不变,当O2浓度从21%升高到40%时,植株S的净光合速率　　　　
(填“增大”或“减小”);相较于植株W,植株S的净光合速率变化幅度　 (填“大”“小”或“无法判断”)。
(4)若需确认保卫细胞中G酶对叶片净光合速率的影响,还需补充一个实验组。写出实验思路及预期结果:
　。
热点情境4　光呼吸及光合作用的特殊类型
一、光呼吸
　在光照条件下,叶肉细胞中还会进行光呼吸,即O2与CO2竞争性结合RuBP(C5),O2与RuBP(C5)在Rubisco催化作用下经一系列反应释放CO2的过程。光呼吸的过程图解如下:
1.请据图分析,在强光下光呼吸加强的意义。
2.光呼吸可耗损掉大量光合产物,因此提高农作物的产量需要降低光呼吸。增施有机肥可以降低光呼吸,理由是什么
3.从反应条件和能量来看,光呼吸与有氧呼吸的区别是什么
1.(2025·湖北黄冈模拟)光照条件下,小麦叶肉细胞中的CO2和O2竞争性与C5结合,C5与O2在Rubisco催化下生成C3和乙醇酸(C2),乙醇酸在叶绿体、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。科研人员通过导入相关基因,形成乙醇酸→乙醛酸→甘油酸(C3)的新代谢支路,该支路在叶绿体基质中完成,会消耗H2O2、NADPH和ATP,同时产生CO2。下列关于新的代谢支路的叙述,错误的是(　　)
A.CO2与O2比值高时,有利于光呼吸
B.有利于减少H2O2对叶绿体的损害
C.可减少参与光呼吸的细胞器种类
D.可降低碳损失从而提高光合效率
二、光合作用的特殊类型
　根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同,自然界中的绿色植物可以分为C3植物、C4植物和CAM植物三种类型。C3途径也称卡尔文循环,整个循环由RuBP(C5)与CO2的羧化开始到RuBP(C5)再生结束,在叶绿体基质中进行,可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有小麦、大豆、水稻、马铃薯等。
1.C4植物的光合作用过程—— 位置的分工合作
玉米为C4植物,研究玉米的叶片结构发现,玉米的维管束鞘细胞和叶肉细胞紧密排列(如图1)。
叶肉细胞中的叶绿体有类囊体,能进行光反应,同时,CO2被整合到C4化合物中,随后C4化合物进入维管束鞘细胞,维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体,在维管束鞘细胞中,C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环,进而生成有机物(如图2)。PEP羧化酶被形象地称为“CO2泵”,PEP羧化酶与CO2的亲和力是Rubisco的60倍。
2.景天科植物(CAM植物)的光合作用过程—— 时间的分工合作
景天科植物是典型的旱生植物,表皮有蜡质粉,气孔下陷,可减少蒸腾,无性繁殖力强,常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。CAM植物夜间吸进CO2,在磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化下,CO2与PEP结合,生成草酰乙酸,进一步还原为苹果酸储存在液泡中。白天气孔关闭,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3)。
1.玉米叶肉细胞能将CO2传递给维管束鞘细胞进行卡尔文循环。玉米光合作用光反应的场所是什么 依据结构决定功能,据图分析最可能的原因是什么
2.某农业大棚中同时种植玉米与大豆,由于工作人员工作失误,未及时通风导致大棚中CO2浓度降低,大豆的生长受影响更大,判断的理由是什么
3.夜晚CAM植物吸收的CO2能不能合成糖类,为什么
4.气孔白天关闭、晚上打开是CAM植物适应干旱环境的一种方式,这种方式的意义是什么
2.(2025·江苏南通一模)玉米是经济价值较高的粮食作物,其光合作用既有C4途径又有C3途径,过程如图1。请回答下列问题。
(1)玉米叶片中固定CO2的物质有　　　　　,为过程②提供能量的物质有　 。
(2)图中PEP羧化酶对CO2具有较强亲和力,其意义是 。
(3)光合作用较强时,叶片细胞中淀粉合成的场所是　　　　　细胞的　　　　　　。
(4)玉米的发育时期主要有出苗、拔节、抽雄、开花、吐丝、成熟等,吐丝期是雌穗发育的关键时期,决定玉米的产量。图2表示吐丝期玉米的4个冠层,研究人员研究了种植密度(D1组7.5万株·ha-1、D2组10.5万株·ha-1、D3组13.5万株·ha-1)对玉米吐丝期各冠层净光合速率(Pn)、有机物转移量(单株从光合器官转移出去的量)的影响,实验结果如图3、图4。
①据图3分析,随种植密度的增加,Ⅰ冠层叶片光合速率降低的幅度　　　　Ⅱ冠层,主要原因是随种植密度的增加,Ⅰ冠层　 　　　　　　　　　　。
②生产实践中发现D2组玉米产量最高。与D1组相比,D2组玉米产量高的原因有 　
。
3.(2025·黑龙江哈尔滨二模)仙人掌是典型的旱生植物,其在长期干旱条件下进化出的光合作用模式,与C3、C4类植物光合作用存在明显区别;下图1为仙人掌光合作用CO2同化途径,图2为磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶活性昼夜转换机制,回答相关问题。
(1)白天仙人掌可将　　　　　　　　　过程产生的CO2运入叶绿体参与　　　循环完成光合作用过程。
(2)沙漠中的仙人掌通常在白天关闭气孔,夜间气孔开放,将吸收的CO2与　　 　结合被固定,并最终将苹果酸储存在液泡中而不是细胞质基质中,据图分析这种存储的生理学意义在于　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;与C4植物将CO2固定和暗反应(分别在叶肉细胞和维管束鞘细胞中进行)在空间上分开相比,仙人掌将CO2固定和暗反应选择在　　　　　　,因而更加适应干旱环境。
(3)夜晚仙人掌叶肉细胞呼吸减弱会影响细胞中苹果酸的生成,根据图1和图2分析其原因是 　 。
(4)某生物兴趣小组欲利用“密闭透明容器”验证仙人掌“夜间吸收CO2”的特性,请设计实验,简要写出实验思路和预期实验结果 　。 第13讲　光合作用的影响因素及其应用
(时间:30分钟)
1.(2025·湖北荆州模拟)气孔是植物表皮上高度特化的细胞,由两个保卫细胞合围而成。保卫细胞通过体积变化来调节气孔运动,这对于植物光合作用和蒸腾作用中的气体和水分交换至关重要。下列叙述错误的是(　　)
A.与绿光相比,植物在同等强度红光条件下气孔开度较小
B.盛夏正午时分植物光合作用强度减弱可由部分气孔关闭导致
C.雨天叶片含水过多,保卫细胞吸水膨胀使气孔张开
D.荒漠生物群落中的许多植物为了适应干旱环境,气孔在夜晚打开
2.(2025·北京模拟)研究人员为探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,将四组等量菠菜叶圆片排气后,分别置于盛有等体积不同浓度NaHCO3溶液的烧杯中,给予适宜光照,记录叶圆片上浮所需时长,结果如图。下列有关叙述正确的是(　　)
A.在本实验中,温度、NaHCO3浓度和光照都属于自变量
B.四组实验中,0.5%NaHCO3溶液中叶圆片光合速率最高
C.叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率
D.在较低温度条件下进行实验,各组叶圆片上浮所需时长均会缩短
3.(2025·湖北武汉模拟)增温可能改变气孔导度,进而影响植物的光合速率。科研人员以杉木为研究对象进行了土壤增温实验,分别在夏、冬季取样检测,结果如下图所示。下列叙述错误的是(　　)
A.夏季土壤增温不利于杉木生长,冬季土壤增温有利于杉木生长
B.夏季土壤增温对杉木气孔导度的影响程度大于冬季土壤增温
C.冬季土壤增温对杉木光合作用暗反应的影响不显著
D.冬季土壤增温可能提高了杉木光合作用中相关酶的活性
4.(2025·湖北黄冈三模)大豆叶片气孔黑暗条件下处于关闭状态,光照后逐渐开放。壳梭孢素处理可使大豆叶片气孔充分开放。科研人员将大豆叶片分为两组,A组不处理,B组用壳梭孢素处理,将两组叶片从黑暗中转移到光照下,在适宜温度下测定光合速率,结果如下图所示。下列分析正确的是(　　)
A.当光照强度为0时,两组细胞的胞间CO2浓度相等
B.提高环境温度,两组的最大光合作用强度都会下降
C.光照30 min时B组叶绿体C3生成速率大于A组,还原速率小于A组
D.光照30 min时,限制A组光合速率的主要因素是光照时间
5.(2025·广西南宁模拟)某同学用若干大小一致的新鲜菠菜叶随机均分为多组进行下图所示的实验。每组实验均包含试管①和试管②,试管中的指示剂初始颜色均为绿色,不同小组光照强度大小不同,其他环境条件相同且适宜,实验一段时间后观察指示剂颜色变化,所有的试管②仍为绿色。下列相关叙述正确的是(　　)
注:指示剂为溴麝香草酚蓝,其变色范围是:pH=6.0呈黄色,pH=7.0呈绿色,pH=7.6呈蓝色。
A.本实验的目的是探究不同光照强度对光合速率的影响,同一小组试管①和试管②的光照强度不同
B.若某小组的试管①变黄色,说明该组光照强度下叶片光合速率小于呼吸速率,线粒体内膜产生的CO2使pH下降
C.若某小组试管①变蓝色,说明该组光照强度下叶片光合速率大于呼吸速率,叶片吸收CO2使溶液的pH上升
D.若某小组的试管①仍为绿色,说明该组光照强度下叶片的总光合速率为0
6.(2025·安徽合肥模拟)温度是影响植物生长发育的重要环境因素之一,在其他环境因素适宜时,温度对某绿色植物叶片呼吸速率和光合速率的影响结果如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A.该植物叶片在温度a时的有机物积累速率和温度c时的相等
B.CO2中的碳原子在叶绿体中的转移途径是:CO2→C3→C5→(CH2O)
C.在温度d时,该植物体的干重减少,不能正常生长
D.若适当降低光照强度,则图中的d点将右移
7.(2025·福建泉州模拟)莱茵衣藻无氧呼吸会抑制光合作用。其原因是无氧呼吸产生的弱酸分子(HA)能够自由跨越磷脂双分子层,最终进入类囊体腔,但HA电离出的离子不能自由跨膜,科研人员将上述现象称为“离子陷阱”。由于类囊体腔内的pH缓冲能力较低,腔内氢离子不断积累,从而发生类囊体腔酸化,并最终影响了光合作用。下列相关叙述正确的是(　　)
A.葡萄糖在生成丙酮酸的同时还会生成NADPH
B.类囊体腔酸化可能通过影响CO2固定酶的活性影响光合作用
C.外源添加HA后衣藻均出现类囊体腔酸化的现象,支持“离子陷阱”理论
D.黑暗条件下,类囊体腔酸化的同时,叶绿体基质中C5的含量将上升
8.(2025·湖北武汉三模)重金属镉胁迫下黄瓜叶绿体会出现类囊体片层排列紊乱以及叶片气孔导度降低。科研人员探究土壤中施磷(P)量对镉(Cd)胁迫下黄瓜苗期叶片净光合速率(简称Pn)的影响。下列叙述正确的是(　　)
A.Cd单独作用时抑制Pn,且抑制作用随Cd浓度增加而降低
B.P单独作用时促进Pn,且促进作用随P浓度增加而增加
C.Cd可同时通过抑制光反应和暗反应影响Pn
D.土壤施磷量为100 mg/kg土时可最大程度缓解镉胁迫
9.(2025·广东模拟)小麦是我国北方的主要农作物,研究环境条件变化对其产量的影响对农业生产有重要意义。科研人员测定小麦一昼夜净光合速率(Pn)的变化,发现小麦与其他植物一样出现了“午睡”现象。
(1)科研人员测定了同一株小麦两种不同向光角度的叶片(接收直射光照面积不同)午后部分指标,结果如下表。
净光合 速率(Pn) 叶片温度 (T1) 胞间CO2 浓度(Ci)
直立叶 12.9 37.5 250
平展叶 8.8 37.7 264
对相关数据进行分析后发现,气孔开闭引起的胞间CO2浓度不足不是造成“午睡”现象的唯一因素,请提出判断依据:　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　。
(2)科研人员推测,午间强光照可能会导致由色素和蛋白质组成的光系统Ⅱ发生损伤,导致
　　 　　　　速率下降,进而为暗反应提供的　　　　　　　　　 　(物质)减少,导致叶片的光合作用减弱。推测光系统Ⅱ分布在　　　 　　　　上。D1是对光系统Ⅱ活性起调节作用的关键蛋白,科研人员使用蛋白质凝胶电泳技术检测不同光照条件下的D1含量,结果如图1所示,分析可知　
　,
从而在一定程度上导致“午睡”现象。
(3)水杨酸(SA)是一种与植物抗热性有关的植物激素,科研人员用适宜浓度的SA喷洒小麦叶片后,测定两种光照条件下的D1蛋白含量,并重复该实验,结果如图2所示,可推测,SA对小麦午间光合作用的影响及机制是　 。 第13讲　光合作用的影响因素及其应用
(时间:30分钟)
1.(2025·湖北荆州模拟)气孔是植物表皮上高度特化的细胞,由两个保卫细胞合围而成。保卫细胞通过体积变化来调节气孔运动,这对于植物光合作用和蒸腾作用中的气体和水分交换至关重要。下列叙述错误的是(　　)
A.与绿光相比,植物在同等强度红光条件下气孔开度较小
B.盛夏正午时分植物光合作用强度减弱可由部分气孔关闭导致
C.雨天叶片含水过多,保卫细胞吸水膨胀使气孔张开
D.荒漠生物群落中的许多植物为了适应干旱环境,气孔在夜晚打开
【答案】 A
【解析】 光合色素主要吸收蓝紫光和红光,与绿光相比,红光能增大光合速率,使保卫细胞光合产物增多,保卫细胞渗透压上升,促进细胞吸水,气孔开放,因此,与绿光相比,植物在同等强度红光条件下气孔开度较大。
2.(2025·北京模拟)研究人员为探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,将四组等量菠菜叶圆片排气后,分别置于盛有等体积不同浓度NaHCO3溶液的烧杯中,给予适宜光照,记录叶圆片上浮所需时长,结果如图。下列有关叙述正确的是(　　)
A.在本实验中,温度、NaHCO3浓度和光照都属于自变量
B.四组实验中,0.5%NaHCO3溶液中叶圆片光合速率最高
C.叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率
D.在较低温度条件下进行实验,各组叶圆片上浮所需时长均会缩短
【答案】 C
【解析】 本实验是探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,自变量为CO2浓度(NaHCO3浓度),温度和光照为无关变量;四组实验中,0.5%NaHCO3溶液中叶圆片上浮需要的时间最长,光合速率最小;当光合作用产生的氧气大于细胞呼吸消耗的氧气时,叶圆片上浮,叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率;若在较低温度条件下进行本实验,由于低温会使酶的活性降低,净光合速率可能降低,故各组叶圆片上浮所需时长均会延长。
3.(2025·湖北武汉模拟)增温可能改变气孔导度,进而影响植物的光合速率。科研人员以杉木为研究对象进行了土壤增温实验,分别在夏、冬季取样检测,结果如下图所示。下列叙述错误的是(　　)
A.夏季土壤增温不利于杉木生长,冬季土壤增温有利于杉木生长
B.夏季土壤增温对杉木气孔导度的影响程度大于冬季土壤增温
C.冬季土壤增温对杉木光合作用暗反应的影响不显著
D.冬季土壤增温可能提高了杉木光合作用中相关酶的活性
【答案】 C
【解析】 由图可知,夏季土壤增温会降低杉木的净光合速率,冬季土壤增温会提高杉木的净光合速率;由图分析可知,夏季土壤增温对杉木气孔导度的影响程度大于冬季土壤增温;冬季土壤增温对植物的气孔导度影响不大,仅表明该处理对暗反应过程中二氧化碳的吸收影响不大,不代表对暗反应的过程影响不大,因为温度升高,对暗反应的相关酶活性会造成影响;由图可知,冬季土壤增温使杉木净光合速率得到了较大提升,可能是提高了杉木光合作用中相关酶的活性。
4.(2025·湖北黄冈三模)大豆叶片气孔黑暗条件下处于关闭状态,光照后逐渐开放。壳梭孢素处理可使大豆叶片气孔充分开放。科研人员将大豆叶片分为两组,A组不处理,B组用壳梭孢素处理,将两组叶片从黑暗中转移到光照下,在适宜温度下测定光合速率,结果如下图所示。下列分析正确的是(　　)
A.当光照强度为0时,两组细胞的胞间CO2浓度相等
B.提高环境温度,两组的最大光合作用强度都会下降
C.光照30 min时B组叶绿体C3生成速率大于A组,还原速率小于A组
D.光照30 min时,限制A组光合速率的主要因素是光照时间
【答案】 B
【解析】 在光照强度为0时,A和B两组已经黑暗处理了一段时间,而二者不是相同条件,B组已经用壳梭孢素处理,壳梭孢素处理可使大豆叶片气孔充分开放,所以B组和A组胞间CO2浓度不相等;由题干可知,是在适宜温度下测得的光合作用速率,因此提高环境温度,两组的最大光合作用强度都会下降;光照30 min时,B组的光合速率相对值高于A组,叶绿体中C3生成和还原速率均大于A组;30 min时,随着光照时间增加,A组光合速率相对值不再改变,限制因素不是光照时间。
5.(2025·广西南宁模拟)某同学用若干大小一致的新鲜菠菜叶随机均分为多组进行下图所示的实验。每组实验均包含试管①和试管②,试管中的指示剂初始颜色均为绿色,不同小组光照强度大小不同,其他环境条件相同且适宜,实验一段时间后观察指示剂颜色变化,所有的试管②仍为绿色。下列相关叙述正确的是(　　)
注:指示剂为溴麝香草酚蓝,其变色范围是:pH=6.0呈黄色,pH=7.0呈绿色,pH=7.6呈蓝色。
A.本实验的目的是探究不同光照强度对光合速率的影响,同一小组试管①和试管②的光照强度不同
B.若某小组的试管①变黄色,说明该组光照强度下叶片光合速率小于呼吸速率,线粒体内膜产生的CO2使pH下降
C.若某小组试管①变蓝色,说明该组光照强度下叶片光合速率大于呼吸速率,叶片吸收CO2使溶液的pH上升
D.若某小组的试管①仍为绿色,说明该组光照强度下叶片的总光合速率为0
【答案】 C
【解析】 本实验的目的是探究不同光照强度对光合速率的影响,实验的自变量是光照强度不同,不同组别的光照强度不同,但同一小组试管①和试管②的光照强度应相同;植物细胞在光照下可以进行光合作用和呼吸作用,光合作用吸收二氧化碳,使得溶液的pH升高,呼吸作用释放二氧化碳,使得溶液的pH降低,若某小组的试管①变黄色(pH=6.0呈黄色),说明此时溶液的pH降低,该组光照强度下叶片光合速率小于呼吸速率,但CO2是在线粒体基质产生的;某小组的试管①在强光下,新鲜菠菜叶的光合作用大于呼吸作用,叶片吸收CO2使溶液的pH升高,溶液的颜色由绿色变成蓝色(pH=7.6呈蓝色);若某小组的试管①仍为绿色,说明叶片光合速率等于呼吸速率,即净光合速率=0,而非总光合速率为0。
6.(2025·安徽合肥模拟)温度是影响植物生长发育的重要环境因素之一,在其他环境因素适宜时,温度对某绿色植物叶片呼吸速率和光合速率的影响结果如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A.该植物叶片在温度a时的有机物积累速率和温度c时的相等
B.CO2中的碳原子在叶绿体中的转移途径是:CO2→C3→C5→(CH2O)
C.在温度d时,该植物体的干重减少,不能正常生长
D.若适当降低光照强度,则图中的d点将右移
【答案】 C
【解析】 有机物积累速率即净光合速率,净光合速率=光合速率-呼吸速率。温度为a时,光合速率与呼吸速率的差值和温度为c时不相等,所以有机物积累速率不相等;在光合作用的暗反应中,CO2中的碳原子在叶绿体中的转移途径是:CO2→C3→(CH2O);在温度为d时,叶片的呼吸速率等于光合速率,但是植物具有不能进行光合作用的细胞,所以会有有机物的消耗,则植物不能正常生长;若降低光照强度,光合作用速率下降,植物要达到光合速率等于呼吸速率,就需要提升光合速率,则d点将左移。
7.(2025·福建泉州模拟)莱茵衣藻无氧呼吸会抑制光合作用。其原因是无氧呼吸产生的弱酸分子(HA)能够自由跨越磷脂双分子层,最终进入类囊体腔,但HA电离出的离子不能自由跨膜,科研人员将上述现象称为“离子陷阱”。由于类囊体腔内的pH缓冲能力较低,腔内氢离子不断积累,从而发生类囊体腔酸化,并最终影响了光合作用。下列相关叙述正确的是(　　)
A.葡萄糖在生成丙酮酸的同时还会生成NADPH
B.类囊体腔酸化可能通过影响CO2固定酶的活性影响光合作用
C.外源添加HA后衣藻均出现类囊体腔酸化的现象,支持“离子陷阱”理论
D.黑暗条件下,类囊体腔酸化的同时,叶绿体基质中C5的含量将上升
【答案】 C
【解析】 细胞呼吸的第一阶段葡萄糖在生成丙酮酸的同时会生成NADH(还原型辅酶Ⅰ),而NADPH(还原型辅酶Ⅱ)是光合作用光反应阶段产生的;CO2固定发生在叶绿体基质中,类囊体腔酸化不会直接影响叶绿体基质中CO2固定酶的活性;如果外源添加HA后衣藻均出现类囊体腔酸化的现象,说明HA进入类囊体腔并导致氢离子积累,支持“离子陷阱”理论;黑暗条件下,光反应不能进行,无法产生ATP和NADPH,C3不能被还原为C5,C5的含量不会上升。
8.(2025·湖北武汉三模)重金属镉胁迫下黄瓜叶绿体会出现类囊体片层排列紊乱以及叶片气孔导度降低。科研人员探究土壤中施磷(P)量对镉(Cd)胁迫下黄瓜苗期叶片净光合速率(简称Pn)的影响。下列叙述正确的是(　　)
A.Cd单独作用时抑制Pn,且抑制作用随Cd浓度增加而降低
B.P单独作用时促进Pn,且促进作用随P浓度增加而增加
C.Cd可同时通过抑制光反应和暗反应影响Pn
D.土壤施磷量为100 mg/kg土时可最大程度缓解镉胁迫
【答案】 C
【解析】 分析题图,该实验的自变量是不同土壤镉浓度和施加磷的含量,因变量为净光合速率。观察图中P0组(即无磷处理,只有镉作用),随着Cd浓度从Cd0增加到Cd3,净光合速率Pn逐渐降低,说明Cd单独作用时抑制Pn,且抑制作用随Cd浓度增加而增强;观察图中Cd0组从P0到P2净光合速率Pn逐渐增加,但从P2到P4净光合速率Pn逐渐降低,所以不能得出促进作用随P浓度增加而增加的结论;因为重金属镉胁迫下黄瓜叶绿体会出现类囊体片层排列紊乱,类囊体是光反应的场所,会影响光反应;同时叶片气孔导度降低,气孔导度影响二氧化碳的吸收,二氧化碳参与暗反应,所以Cd可同时通过抑制光反应和暗反应影响Pn;Cd1、Cd2、Cd3组都是P3组(土壤施磷量为150 mg/kg土时)的净光合速率最大,因此土壤施磷量为150 mg/kg土时可最大程度缓解镉胁迫。
9.(2025·广东模拟)小麦是我国北方的主要农作物,研究环境条件变化对其产量的影响对农业生产有重要意义。科研人员测定小麦一昼夜净光合速率(Pn)的变化,发现小麦与其他植物一样出现了“午睡”现象。
(1)科研人员测定了同一株小麦两种不同向光角度的叶片(接收直射光照面积不同)午后部分指标,结果如下表。
净光合 速率(Pn) 叶片温度 (T1) 胞间CO2 浓度(Ci)
直立叶 12.9 37.5 250
平展叶 8.8 37.7 264
对相关数据进行分析后发现,气孔开闭引起的胞间CO2浓度不足不是造成“午睡”现象的唯一因素,请提出判断依据:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)科研人员推测,午间强光照可能会导致由色素和蛋白质组成的光系统Ⅱ发生损伤,导致
　　　　　　速率下降,进而为暗反应提供的　　　　　　　　　　(物质)减少,导致叶片的光合作用减弱。推测光系统Ⅱ分布在　　　　　　　上。D1是对光系统Ⅱ活性起调节作用的关键蛋白,科研人员使用蛋白质凝胶电泳技术检测不同光照条件下的D1含量,结果如图1所示,分析可知　 　 ,从而在一定程度上导致“午睡”现象。
(3)水杨酸(SA)是一种与植物抗热性有关的植物激素,科研人员用适宜浓度的SA喷洒小麦叶片后,测定两种光照条件下的D1蛋白含量,并重复该实验,结果如图2所示,可推测,SA对小麦午间光合作用的影响及机制是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】 (1)平展叶净光合速率明显低于直立叶,而胞间CO2浓度高于直立叶
(2)光反应　ATP、NADPH　类囊体膜　午间较强光照使细胞中D1蛋白的含量降低,导致光系统Ⅱ活性降低
(3)SA能减弱较强光照造成的D1蛋白含量及光系统Ⅱ活性降低程度,从而缓解小麦的“午睡”现象
【解析】 (1)午后温度较高,植物蒸腾作用旺盛,植物会降低叶片气孔开度来避免过度失水。分析表格中数据可知,直立叶和平展叶叶片温度无明显差异,直立叶净光合速率大于平展叶的净光合速率,但直立叶胞间CO2浓度小于平展叶的胞间CO2浓度,说明气孔开闭引起的胞间CO2浓度不足不是造成“午睡”现象的唯一因素。(2)由题意可知光系统Ⅱ是由色素和蛋白质组成的,说明光系统Ⅱ是光反应的场所,强光照引起光系统Ⅱ发生损伤,会导致光反应的速率下降,光反应为暗反应提供的ATP、NADPH也会减少,光系统Ⅱ分布在类囊体膜上,是光反应的场所。图1中数据显示,与适宜光照强度相比,强光照会导致D1含量下降,因此“午睡”原因可能是午间较强光照使细胞中D1蛋白的含量降低,从而导致光系统Ⅱ活性降低。(3)较强光照会导致D1含量下降,分析图2中D1蛋白含量可知,较强光照下用SA处理后D1含量虽仍低于CK组,但明显高于未经处理的W2组,可推测经SA处理后,SA能减弱较强光照造成的D1蛋白含量及光系统Ⅱ活性降低程度,从而缓解小麦的“午睡”
现象。(共97张PPT)
第13讲　光合作用的影响因素及其应用
课标 要求 活动:探究不同环境因素对光合作用的影响。
考情 分析 1.探究环境因素对光合作用强度的影响 2025·河北卷,5;2025·安徽卷,2;2025·重庆卷,16
2.单、多因子变量对光合作用强度影响及应用 2025·全国卷,2;2025·重庆卷,16;2025·黑吉辽内蒙古卷,21;2025·陕晋青宁卷,17;2025·四川卷,16;2025·甘肃卷,17;2025·湖南卷,17;
2025·广东卷,18;2025·河南卷,17;2024·北京卷,4;2024·山东卷,21;
2024·湖北卷,21;2024·安徽卷,16;2024·重庆卷,18;2023·湖北卷,11;
2023·江苏卷,19;2023·福建卷,16;2023·山东卷,21;2023·全国乙卷,
29;2023·重庆卷,19
考点一
探究环境因素对光合作用
强度的影响
1.光合作用强度
必备知识·梳理
落实概念·夯实基础
糖类
消耗量
生成量
2.影响光合作用强度的因素
酶
温度
3.控制影响光合作用实验自变量的方法
4.探究光照强度对光合作用强度的影响
(1)实验原理:抽去圆形小叶片中的气体后,叶片在水中 ,光照下叶片进行光合作用产生 ,充满细胞间隙,叶片又会 。光合作用越强,单位时间内圆形小叶片上浮的数量 。
下沉
O2
上浮
越多
(2)实验装置分析。
①自变量的设置: 是自变量,通过调整 来调节光照强度的大小。
②中间盛水的玻璃柱的作用:吸收灯光的热量,避免光照对烧杯内 产生影响。
③因变量是光合作用强度,可通过观测单位时间内
或者是浮起相同数量的叶片所用的时间长短来衡量光合作用的强弱。
光照强度
台灯与烧杯之间的距离
水温
被抽去空气的圆形叶片
上浮的数量
(3)实验流程:取材并处理→排气→沉水→分组→不同光照处理各组→观察并记录。
(4)实验结果:在一定范围内,台灯与烧杯的距离越近,单位时间内浮起的圆形小叶片 。
(5)实验结论:在一定范围内,随着光照强度不断增强,光合作用强度 (单位时间内圆形小叶片中产生的O2越多,浮起的圆形小叶片越多)。
越多
增强
考向1　结合探究环境因素对光合作用强度的影响的实验,考查科学探究
1.(2025·安徽卷,2)关于“探究光照强度对光合作用强度的影响”实验,下列叙述错误的是(　　)
A.用打孔器打出叶圆片时,为保证叶圆片相对一致应避开大的叶脉
B.调节LED灯光源与盛有叶圆片烧杯之间的距离,以进行对比实验
C.用化学传感器监测光照时O2浓度变化,可计算出实际光合作用强度
D.同一烧杯中叶圆片浮起的快慢不同,可能与其接受的光照强度不同有关
C
核心考向·突破
把握方向·训练到位
【解析】 依据单一变量原则,为保证叶圆片相对一致应避开大的叶脉;调节LED灯光源与盛有叶圆片烧杯之间的距离,以模拟不同的光照强度,该实验都是实验组,为对比实验;实际光合作用强度=净光合作用强度+呼吸作用强度,用化学传感器监测光照时O2浓度变化,只可计算出净光合作用强度,无法得知呼吸作用强度,无法计算出实际光合作用强度;同一烧杯中叶圆片浮起的快慢不同,说明光合作用强度不同,可能与其接受的光照强度不同有关。
考点二
影响光合作用的
因素及应用
实验基础·整合
落实基础·训练到位
1.影响光合作用的外部因素及应用
(1)单因子变量对光合作用影响的曲线分析。
①光照强度。
ATP和NADPH
②CO2浓度。
③温度。
酶的活性
④水分或矿质元素。
气孔
CO2
(2)多因子变量对光合作用影响的曲线分析。
光照强度和温度
2.影响光合作用的内部因素及应用
(1)植物自身的遗传特性(如植物品种不同),以阴生植物、阳生植物为例,如图所示。
高于
(2)植物叶片的叶龄、叶绿素含量及酶。
(3)叶面积指数。
下降
【判断正误】
(1)(2022·湖南卷,13)在夏季晴朗无云的白天,12时左右光合作用强度明显减弱,原因可能是叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少。(　　)
(2)(2021·湖南卷,7)合理密植和增施有机肥能提高农作物的光合作用强度。
(　　)
√
√
(3)(2021·湖南卷,7)弱光条件下,植物没有O2的释放,说明未进行光合作用。
(　　)
×
【提示】 弱光条件下植物没有O2的释放,有可能是光合作用强度小于或等于呼吸作用强度,光合作用产生的O2被呼吸作用消耗完,此时植物虽然进行了光合作用,但是没有O2的释放。
【情境·思维·深析】
1.农业生产常采用间作(同一生长期内,在同一块农田上间隔种植两种作物)的方法提高农田的光能利用率。现有4种作物,在正常条件下生长能达到的株高和光饱和点(光合速率达到最大时所需的光照强度)见下表。从提高光能利用率的角度考
虑,最适合进行间作的两种作物是 ,选择这两种作物的理由是
。
A和C
作物 A B C D
株高/cm 170 65 59 165
光饱和点/ (μmol·m-2·s-1) 1 200 1 180 560 623
作物A光饱和
点高且长得高,可以利用上层光照进行光合作用;作物C光饱和点低且长得矮,与作
物A间作后,能利用下层的弱光进行光合作用
2.植物的气孔由叶表皮上两个具有特定结构的保卫细胞构成。保卫细胞含有叶绿体,在光下可进行光合作用。已知蓝光可作为一种信号促进保卫细胞逆浓度梯度吸收K+。有研究发现,用饱和红光(只用红光照射时,植物达到最大光合速率所需的红光强度)照射某植物叶片时,气孔开度可达最大开度的60%左右。回答下列问题。
(1)红光可通过光合作用促进气孔开放,其原因是
。
红光下,光合作用合成有机
物使保卫细胞溶质浓度增大,保卫细胞吸水体积膨大,气孔打开
(2)某研究小组发现在饱和红光的基础上补加蓝光照射叶片,气孔开度可进一步增大,因此他们认为气孔开度进一步增大的原因是蓝光促进保卫细胞逆浓度梯度吸收K+。请推测该研究小组得出这一结论的依据是
。
饱和红光照射
使叶片的光合速率已达到最大,排除了光合作用产物对气孔开度进一步增大
的影响
考向2　结合光合作用的影响因素,考查科学思维
2.(2025·四川宜宾模拟)宜宾方竹是蜀南竹海特有竹种,其竹笋富含微量元素,图甲、乙分别为方竹在其他条件适宜,不同温度、光照强度条件下相关指标的变化曲线(单位:
mmol·cm-2·h-1)。下列叙述正确的是(　　)
A.据图甲分析,与温度40 ℃相比,温度为30 ℃时方竹消耗CO2的速率快
B.据图甲分析,40 ℃条件下,若黑夜和白天时间相等,方竹能正常生长
C.据图乙分析,提高温度会导致光补偿点D点左移
D.据图乙分析,影响C、D、E三点光合速率的主要环境因素是光照强度
D
核心考向·突破
把握方向·训练到位
【解析】 图甲中,CO2吸收速率表示净光合速率,CO2产生速率表示呼吸速率,消耗CO2速率是指总光合速率,温度为30 ℃时,总光合速率=8+2=10 mmol·cm-2·h-1;温度为40 ℃时,总光合速率=5+5=10 mmol·cm-2·h-1,因此,温度为30 ℃和40 ℃时,方竹消耗CO2的速率相等;40 ℃条件下,方竹净光合速率和呼吸速率相等均为
5 mmol·cm-2·h-1,若白天和黑夜时间相等,则黑夜期间(12小时)呼吸作用消耗5×12=60 mmol·cm-2·h-1,白天(12小时)有机物积累量为5×12=60 mmol·cm-2·h-1,一昼夜之后,植物有机物积累量为0,植物不能正常生长;图乙是在最适条件下,测得该植物在不同光照强度下的CO2吸收量,提高温度会导致光补偿点D点右移;图乙中影响C、D、E三点光合速率的主要环境因素都是光照强度,都随着光照强度的改变而改变。
3.(2025·四川绵阳二模)光合作用速率受到温度、二氧化碳浓度和光照强度的影响。甲图表示在二氧化碳充足的条件下,某植物光合速率与光照强度和温度的关系,
ABCD图是据此绘出的光照强度为L2千勒克斯(klx),温度分别为10℃、20℃和30℃时的光合速率,其中绘制正确的是(　　)
A
A B C D
【解析】 据甲图可知,光照强度为L2千勒克斯,温度分别为10℃、20℃和30℃时的光合速率分别为2、4、4。
考向3　围绕光合作用原理在农业生产中的应用,考查科学思维
4.(2025·重庆期中)某些山区通过大棚种植草莓来吸引游客采摘。为了提高其产量增大经济效益,下列有关措施错误的是(　　)
A.夏季白天可适当通风、提高棚内CO2浓度
B.可适当施加农家肥,促进草莓对其直接吸收,使其果实生长充分
C.选取无色透明薄膜,便于透光
D.夜晚棚内可适当降温,减少植株有机物的消耗
B
【解析】 夏季白天适当通风,可以增加大棚内CO2浓度,有利于增强光合作用强度,提高产量;农家肥中富含有机物,但草莓不能直接吸收利用有机物,必须经过微生物分解为无机盐后才能被吸收;无色透明的薄膜有利于透过更多的光,有利于增强光合作用强度,提高产量;夜晚适当降低温度能降低细胞呼吸,减少植株有机物的消耗,该措施可以提高作物产量。
考点三
光合速率和细胞
呼吸速率的综合分析
1.微观辨析总光合速率、净光合速率和呼吸速率的关系
必备知识·梳理
落实基础·夯实基础
2.光合速率与呼吸速率的常用表示方法
项目 含义 表示方法(单位面积的叶片在单位时间内的变化量)
O2 CO2 有机物
真正光合速率 植物在光下实际合成有机物的速率 O2 速率或叶绿体释放O2速率 CO2固定速率或叶绿体吸收CO2速率 有机物
速率
净光合速率 植物有机物的 速率 植物或叶片或叶肉细胞O2 速率 植物或叶片或叶肉细胞CO2 速率 有机物积累速率
呼吸 速率 单位面积的叶片在单位时间内分解有机物的速率 中O2吸收速率 黑暗中CO2释放速率 有机物消耗速率
产生(生成)
产生(制
造、生成)
积累
释放
吸收
黑暗
3.测定植物光合速率和呼吸速率的常用方法
(1)“液滴移动法”——测定装置中气体体积变化。
有氧呼吸消耗
呼吸
释放O2
净光合
O2
①在测定了净光合速率和呼吸速率的基础上可计算得出二者之和,即“真正光合速率”。
②物理误差的校正:为使实验结果精确,除减少无关变量的干扰外,还应设置对照装置。与图示两装置相比,对照装置的不同点是用“死亡的绿色植物”代替“绿色植物”,其余均相同。
(2)“半叶法”——测定光合作用有机物的产生量。
将叶片一半遮光、一半曝光,遮光的一半测得的数据变化值代表
强度值,曝光的一半测得的数据变化值代表 强度值,最后计算真正光合作用强度值。需要注意的是该种方法在实验之前需对叶片进行特殊处理,以防止有机物的运输。
细胞呼吸
净光合作用
(3)“黑白瓶法”——测定溶氧量的变化。
①“黑瓶”不透光,测定的是 ;“白瓶”给予光照,测定的是
。
有氧呼吸量
净光合作用量
②在有初始值的情况下,黑瓶中 为有氧呼吸量;白瓶中 为净光合作用量;二者之和为 。
③在没有初始值的情况下, =真正光合作用量。
O2的减少量(或CO2的增加量)
O2的增加量(或CO2的减少量)
真正光合作用量
白瓶中测得的现有量-黑瓶中测得的现有量
(4)“叶圆片称重法”——测定有机物的变化量。
本方法测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量,如图所示以有机物的变化量测定光合速率(S为叶圆片面积)。
净光合速率=(z-y)/2S;呼吸速率= ;真正光合速率=净光合速率+呼吸速率= 。
(x-y)/2S
(x+z-2y)/2S
考向4　围绕光合速率与细胞呼吸速率的关系及测定,考查科学思维
5.(2025·全国卷,2)在一定温度下,生长在大田的某种植物光合速率(CO2固定速率)和呼吸速率(CO2释放速率)对光照强度的响应曲线如图所示。下列叙述错误的是(　　)
A.光照强度为a时,该植物的干重不会增加
B.光照强度从a逐渐增加到b时,该植物生长速率逐渐增大
C.光照强度小于b时,提高大田CO2浓度,CO2固定速率会增大
D.光照强度为b时,适当降低光反应速率,CO2固定速率会降低
核心考向·突破
把握方向·训练到位
C
【解析】 植物干重增加依赖净光合作用积累有机物,净光合速率=光合速率-呼吸速率,光照强度为a时,光合速率等于呼吸速率,此时净光合速率为0,植物干重不会增加;光照强度从a逐渐增加到b时,光合速率与呼吸速率差值逐渐增大,植物积累的有机物增多,生长速率逐渐增大;光照强度小于b时,光照强度未达到饱和状态,此时光照强度为主要限制因素,提高大田CO2浓度,CO2固定速率不会增大(因为光照不足,光反应提供的ATP和NADPH有限,限制暗反应),只有当光照强度饱和后,提高CO2浓度,CO2固定速率才会增大;光反应为暗反应提供ATP和NADPH,光照强度为b时,适当降低光反应速率,提供的ATP和NADPH减少,会使暗反应中CO2固定速率降低。
6.(2025·湖北黄石二模)下图是某植株叶肉细胞在不同光照强度下叶绿体与线粒体代谢简图。以下相关叙述,错误的是(　　)
A.细胞①处于黑暗环境中,那么该细胞单位时间内放出的CO2量即为呼吸速率
B.将该植株置于细胞②对应的光照强度下一段时间,则植株的干重将减小
C.细胞③处在较强光照条件下,细胞光合作用所利用的CO2量为N1与N2的和
D.对细胞④的分析可得出,此时的光照强度较弱且物质的量N1小于m2
D
【解析】 由题可知,细胞①只进行呼吸作用,因此细胞①处于黑暗环境中,单位时间内放出的CO2量即为呼吸速率;细胞②对应的光照强度下光合作用等于呼吸作用,但由于植株中存在不能进行光合作用的细胞,会消耗有机物,所以若将该植株置于细胞②对应的光照强度下一段时间,则植株的干重将减
小;细胞③光合作用强度大于呼吸作用,故光合作用所需的CO2来源于外来的CO2和呼吸作用产生的CO2,故光合作用所利用的CO2量为N1与N2的和;细胞④表示呼吸作用强度大于光合作用强度,故呼吸作用释放的CO2量大于光合作用产生的O2量,此时细胞的O2吸收量(m2)与CO2释放量(N1)相等。
考向5　围绕密闭和开放环境中CO2、O2含量变化的分析,考查科学思维
7.图甲表示不同浓度CO2条件下两种植物的CO2吸收速率,图乙表示将M、N两种植物同时放入一个密闭容器中,在适宜的温度条件下,依次给予黑暗和充足的光照处理测得的容器中O2浓度变化曲线。下列相关叙述正确的是
(　　)
A.高温干旱地区更容易存活的是植物N
B.图乙中f点时容器内的CO2浓度可能处于图甲的b点
C.图甲中d点,两种植物叶肉细胞中的RuBP含量相同
D.图乙f点之后的某一点,密闭容器内O2浓度升高,可能是植物N死亡引起的
D
【解析】 在高温干旱条件下,植物的蒸腾作用较大,气孔较小,故需要较小的CO2浓度即可达到较大的光合作用的植物才有利于在高温干旱条件下生存,由图甲可知,植物M的CO2饱和点比植物N的CO2饱和点小,因此高温干旱地区更易存活的是植物M;由图乙可知,f点之后容器内O2浓度不再变化,因此两植物的呼吸速率=光合速率,而图甲中b点为植物N的CO2补偿点,此时植物M光合作用强度大于呼吸作用强度,植物N的呼吸作用强度等于光合作用强度;图甲中d点,两种植物的净光合速率相等,但此时两种植物叶肉细胞中的RuBP含量不一定相同;根据图甲曲线可知,植物M能适应低CO2浓度环境,因此在该条件下植物M存活时间更长,若植物N死亡,植株M利用较低浓度的CO2,使得净光合速率大于0,则容器内O2浓度升高。
8.科学家研究发现:在强光下,激发态叶绿素会与氧分子反应形成单线态氧而损伤叶绿体,然而类胡萝卜素可快速淬灭激发态叶绿素,起到保护叶绿体的作用。下图是夏季连续两昼夜内,某杏树CO2吸收量和释放量的变化曲线图。S1~S5表示曲线与横轴围成的面积。下列说法错误的是(　　)
A.造成MN段波动的主要外界因素是温度
B.在B点时,该杏树的叶肉细胞中光合速率等于呼吸速率
C.两昼夜后该杏树仍正常生长,则有机物的积累量在I点时达到最大值
D.与正常植株相比,强光条件下缺乏类胡萝卜素的突变体光合速率下降
B
【解析】 由图可知,MN段无光照,植物只进行呼吸作用,造成CO2释放波动的主要外界因素是温度;B点时,杏树光合速率等于呼吸速率,杏树有非绿色部分不进行光合作用,其产生的CO2需要叶肉细胞消耗,所以该点叶肉细胞中光合速率大于呼吸速率;两昼夜后,S2+S4>S1+S3+S5,存在有机物的积累,植物正常生长,因此在I点有机物积累量最大,I点以后呼吸作用消耗有机物;由题可知,类胡萝卜素可快速淬灭激发态叶绿素,起到保护叶绿体的作用,因此与正常植物相比,强光下缺乏类胡萝卜素的植株不能对叶绿体起到保护作用,其光合速率下降。
开放和密闭环境中CO2、O2含量昼夜变化分析
(1)自然环境中,绿色植物一昼夜内CO2的吸收与释放速率的曲线分析。
归纳总结
(2)相对密闭的环境中,绿色植物一昼夜内CO2含量的变化曲线分析。
归纳总结
演练真题·感悟高考
1.(2025·四川卷,16)在温室中种植番茄,光照强度和CO2浓度是制约产量的主要因素。某地冬季温室的平均光照强度约为200 μmol·m-2·s-1,CO2浓度约为400 μmol·mol-1。为提高温室番茄产量,有人测定了补充光照和CO2后番茄植株相关生理指标,结果见下表。回答下列问题。
组别 对照 甲 乙 丙
光照强度/ (μmol·m-2·s-1) 200 400 200 400
CO2浓度/ (μmol·mol-1) 400 400 800 800
净光合速率/ (μmol·m-2·s-1) 7.5 14.0 10.0 17.5
气孔导度/ (mol·m-2·s-1) 0.08 0.15 0.08 0.13
叶绿素含量/ (mg·g-1) 42.8 59.1 55.3 65.0
注:气孔导度和气孔开放程度呈正相关。
(1)为测定番茄叶片的叶绿素含量,可用　　　　　　提取叶绿素。色素对特定波长光的吸收量可反映色素的含量,为减少类胡萝卜素的干扰,应选择
　　　　　(填“蓝紫光”或“红光”)来测定叶绿素含量。
无水乙醇
【解析】 (1)叶绿素可溶解在有机溶剂无水乙醇中,故为测定番茄叶片的叶绿素含量,可用无水乙醇提取叶绿素。色素对特定波长光的吸收量可反映色素的含量,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。为减少类胡萝卜素的干扰,应选择红光来测定叶绿素含量。
红光
(2)与对照组相比,甲组光合作用光反应为暗反应提供了更多的
　　　　　　　　,从而提高了净光合速率。与甲组相比,丙组的净光合速率更高,气孔导度略低,但经测定发现其叶肉细胞间的CO2浓度却更高,可能的原因是　 　。
ATP和
外界补充的CO2更多
【解析】 (2)与对照组相比,甲组光合作用光反应为暗反应提供了更多的ATP和NADPH,从而提高了净光合速率。甲组和丙组的光照强度相同,丙组的CO2浓度是甲组的二倍,与甲组相比,丙组的净光合速率更高,气孔导度略低,但经测定发现其叶肉细胞间的CO2浓度却更高,可能的原因是外界补充的CO2更多。
NADPH
(3)根据本研究结果,在冬季温室种植番茄的过程中,若只能从CO2浓度加倍或光照强度加倍中选择一种措施来提高番茄产量,应选择　　　 　　　,依据是　 。
光照强度加倍
光照强度加倍使净光合速率提高幅度更大
【解析】 (3)甲、乙组与对照组相比,甲组的净光合速率提高幅度更大,故在冬季温室种植番茄的过程中,若只能从CO2浓度加倍或光照强度加倍中选择一种措施来提高番茄产量,应选择光照强度加倍。
2.(2025·黑吉辽内蒙古卷,21)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
　 　。
基质
C5
ATP和NADPH中的化学能转化为有机
物(CH2O)中的化学能
【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),这一过程中能量转换是ATP和NADPH中的化学能转化为有机物(CH2O)中的化学能。
(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
　 　。
光照强度
胞间CO2浓度
曲线①对应光照强度高,光反应速率快,产生更多的ATP和NADPH,使暗反应速率加快,光合速率提高
【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,光照强度不是主要限制因素,此时最主要限制因素是胞间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对应光照强度高,光反应速率快,产生更多的ATP和NADPH,使暗反应速率加快,光合速率提高。
(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。
【答案】(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14C3放射性强度,比较S植株与WT植株的14C3生成速率。
【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14C3放射性强度,比较S植株与WT植株的14C3生成速率。
3.(2025·陕晋青宁卷,17)叶绿体中R酶既能催化CO2固定,也能催化C5与O2反应,CO2和O2两种底物竞争R酶同一活性位点;线粒体中G酶参与催化甘氨酸转化为丝氨酸,如图(a)。为探究保卫细胞中G酶对植物光合作用的影响,研究者以野生型植株W为参照,构建了G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S,实验结果如图(b)。回答下列问题。
(1)R酶催化CO2固定的场所是叶绿体的　 　　　,产物C3在光反应生成的　　　　　　　　　参与下合成糖类等有机物。
基质
ATP、NADPH
【解析】 (1)CO2的固定属于暗反应过程,暗反应发生在叶绿体基质中。产物C3在光反应生成的ATP和NADPH的作用下合成糖类等有机物,其中ATP可以提供能量,NADPH作为还原剂并提供能量。
(2)植物保卫细胞吸水,气孔开度增大。由图(a)(b)可知,相同光照条件下植株S保卫细胞中G酶表达量提高,叶片的净光合速率高于植株W,原因是
　。
植株S保卫细胞中G酶表达量提高,促进甘氨酸转化为丝氨酸,释放CO2用于光合作用,从而生成更多的可溶性糖,提高了保卫细胞的细胞液浓度,植物保卫细胞吸水,气孔开度增大,CO2吸收加快,暗反应速率加快
【解析】 (2)结合题图和题干信息分析,相同光照条件下植株S保卫细胞中G酶表达量提高,促进甘氨酸转化为丝氨酸,释放CO2用于光合作用,从而生成更多的可溶性糖,提高了保卫细胞的细胞液浓度,植物保卫细胞吸水,气孔开度增大,CO2吸收加快,暗反应速率加快,从而使得植株S叶片的净光合速率高于植株W。
(3)保持环境中CO2浓度不变,当O2浓度从21%升高到40%时,植株S的净光合速率　　　　(填“增大”或“减小”);相较于植株W,植株S的净光合速率变化幅度　　　(填“大”“小”或“无法判断”)。
减小
小
【解析】(3)叶绿体中R酶既能催化CO2固定,也能催化C5与O2反应,CO2和O2两种底物竞争R酶同一活性位点,保持环境中CO2浓度不变,当O2浓度从21%升高到40%时,CO2竞争R酶的能力减弱,暗反应速率减小,因此植株S的净光合速率减小。相较于植株W,植株S在相同条件下气孔开度相对较大,有利于CO2的吸收,因此植株S的净光合速率变化幅度较小。
(4)若需确认保卫细胞中G酶对叶片净光合速率的影响,还需补充一个实验组。写出实验思路及预期结果: 　。
【答案】 (4)实验思路:以野生型植株W为参照,构建G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S和构建G酶表达量仅在保卫细胞中减少的植株T为实验组,在相同且适宜条件下培养,测定三组植物在不同光照强度下的净光合速率。
预期结果:植株T净光合速率小于植株W,植株S净光合速率大于植株W
【解析】(4)为探究保卫细胞中G酶对植物光合作用的影响,以野生型植株W为参照,构建G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S,还需要补充的一个实验组是构建G酶表达量仅在保卫细胞中减少的植株(假设为T)。实验思路是以野生型植株W为参照,构建G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S和构建G酶表达量仅在保卫细胞中减少的植株T为实验组,在相同且适宜条件下培养,测定三组植物在不同光照强度下的净光合速率。根据上述分析,G酶有利于光合作用的进行,因此预期结果是植株T净光合速率小于植株W,植株S净光合速率大于植株W。
热点情境4
光呼吸及光合作用的
特殊类型
情境链接
在光照条件下,叶肉细胞中还会进行光呼吸,即O2与CO2竞争性结合RuBP(C5),O2与RuBP(C5)在Rubisco催化作用下经一系列反应释放CO2的过程。光呼吸的过程图解如下:
一、光呼吸
1.请据图分析,在强光下光呼吸加强的意义。
命题角度
【提示】 强光下,光呼吸加强,会消耗光反应过程中积累的ATP和NADPH,从而减轻对叶绿体的伤害;在干旱和过强光照下,叶片气孔大量关闭或外界CO2浓度降低,CO2进入受阻时,光呼吸释放的CO2能被卡尔文循环再利用,以维持糖类等有机物的合成。
2.光呼吸可耗损掉大量光合产物,因此提高农作物的产量需要降低光呼吸。增施有机肥可以降低光呼吸,理由是什么
【提示】 有机肥被微生物分解后,使CO2浓度升高,促进Rubisco催化RuBP(C5)与CO2反应,从而降低光呼吸。
3.从反应条件和能量来看,光呼吸与有氧呼吸的区别是什么
【提示】 光呼吸需要在光照条件下进行,且消耗能量;而有氧呼吸在有光或无光条件下都能进行,且释放能量。
1.(2025·湖北黄冈模拟)光照条件下,小麦叶肉细胞中的CO2和O2竞争性与C5结合,C5与O2在Rubisco催化下生成C3和乙醇酸(C2),乙醇酸在叶绿体、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。科研人员通过导入相关基因,形成乙醇酸→乙醛酸→甘油酸(C3)的新代谢支路,该支路在叶绿体基质中完成,会消耗H2O2、NADPH和ATP,同时产生CO2。下列关于新的代谢支路的叙述,错误的是(　　)
A.CO2与O2比值高时,有利于光呼吸
B.有利于减少H2O2对叶绿体的损害
C.可减少参与光呼吸的细胞器种类
D.可降低碳损失从而提高光合效率
针对训练
A
【解析】 CO2与O2比值低时,有利于光呼吸;新的代谢支路可消耗H2O2,有利于减少H2O2对叶绿体的损害;新的代谢支路可使光呼吸的相关反应在叶绿体中完成,减少参与光呼吸的细胞器种类;新的代谢支路可产生CO2,CO2可用于光合作用的暗反应阶段,从而提高光合效率。
二、光合作用的特殊类型
情境链接
根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同,自然界中的绿色植物可以分为C3植物、C4植物和CAM植物三种类型。C3途径也称卡尔文循环,整个循环由RuBP(C5)与CO2的羧化开始到RuBP(C5)再生结束,在叶绿体基质中进行,可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有小麦、大豆、水稻、马铃薯等。
1.C4植物的光合作用过程—— 位置的分工合作
玉米为C4植物,研究玉米的叶片结构发现,玉米的维管束鞘细胞和叶肉细胞紧密排列(如图1)。
叶肉细胞中的叶绿体有类囊体,能进行光反应,同时,CO2被整合到C4化合物中,随后C4化合物进入维管束鞘细胞,维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体,在维管束鞘细胞中,C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环,进而生成有机物
(如图2)。PEP羧化酶被形象地称为“CO2泵”,PEP羧化酶与CO2的亲和力是Rubisco的60倍。
2.景天科植物(CAM植物)的光合作用过程—— 时间的分工合作
景天科植物是典型的旱生植物,表皮有蜡质粉,气孔下陷,可减少蒸腾,无性繁殖力强,常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。CAM植物夜间吸进CO2,在磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化下,CO2与PEP结合,生成草酰乙酸,进一步还原为苹果酸储存在液泡中。白天气孔关闭,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3)。
1.玉米叶肉细胞能将CO2传递给维管束鞘细胞进行卡尔文循环。玉米光合作用光反应的场所是什么 依据结构决定功能,据图分析最可能的原因是什么
命题角度
【提示】 叶肉细胞中的叶绿体。叶肉细胞中的叶绿体有类囊体薄膜,可进行光反应;维管束鞘细胞中的叶绿体没有类囊体薄膜,不能进行光反应。
2.某农业大棚中同时种植玉米与大豆,由于工作人员工作失误,未及时通风导致大棚中CO2浓度降低,大豆的生长受影响更大,判断的理由是什么
【提示】 密闭大棚中,随植物光合作用的进行,CO2浓度下降,当CO2浓度下降到一定程度时,由于不能利用低浓度CO2,大豆光合作用受抑制,玉米中的PEP羧化酶可利用低浓度CO2。
3.夜晚CAM植物吸收的CO2能不能合成糖类,为什么
【提示】 不能,因为没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH。
4.气孔白天关闭、晚上打开是CAM植物适应干旱环境的一种方式,这种方式的意义是什么
【提示】 既能防止蒸腾作用过强导致植物失水,又能保证光合作用正常进行。
2.(2025·江苏南通一模)玉米是经济价值较高的粮食作物,其光合作用既有C4途径又有C3途径,过程如图1。请回答下列问题。
针对训练
PEP、C5
(1)玉米叶片中固定CO2的物质有　　　 　　,为过程②提供能量的物质有　 。
ATP、NADPH
【解析】 (1)由图1可知,图中A为C3,B为C5,玉米叶片中固定CO2的物质有PEP、C5,为过程②C3的还原提供能量的物质有ATP和NADPH。
(2)图中PEP羧化酶对CO2具有较强亲和力,其意义是
　 。
有利于浓缩CO2,
增加维管束鞘细胞中的CO2浓度
【解析】 (2)图中PEP羧化酶对CO2具有较强亲和力,其有利于浓缩CO2,将CO2固定为C4后,C4在维管束鞘细胞中分解为CO2,增加维管束鞘细胞中的CO2浓度。
(3)光合作用较强时,叶片细胞中淀粉合成的场所是　　 　　　细胞的
　　　　　　。
维管束鞘
叶绿体基质
【解析】 (3)由图可知,维管束鞘细胞能进行暗反应合成(CH2O),植物的暗反应在叶绿体基质中进行,所以光合作用较强时,玉米叶片细胞中淀粉合成的场所是维管束鞘细胞的叶绿体基质。
(4)玉米的发育时期主要有出苗、拔节、抽雄、开花、吐丝、成熟等,吐丝期是雌穗发育的关键时期,决定玉米的产量。图2表示吐丝期玉米的4个冠层,研究人员研究了种植密度(D1组7.5万株·ha-1、D2组10.5万株·ha-1、D3组13.5万株·ha-1)对玉米吐丝期各冠层净光合速率(Pn)、有机物转移量(单株从光合器官转移出去的量)的影响,实验结果如图3、图4。
①据图3分析,随种植密度的增加,Ⅰ冠层叶片光合速率降低的幅度　　　Ⅱ冠层,主要原因是随种植密度的增加,Ⅰ冠层　 。
大于
光照强度降低幅度大于Ⅱ冠层
【解析】(4)①由图3可知,由于随种植密度的增加,Ⅰ冠层光照强度降低幅度大于Ⅱ冠层,导致Ⅰ冠层叶片光合速率降低的幅度大于Ⅱ冠层。
②生产实践中发现D2组玉米产量最高。与D1组相比,D2组玉米产量高的原因有 　。
单株有机物的转移量大,种植密度大,光合面积大,光合产物多
【解析】 ②由图4可知,与D1组相比,D2组玉米单株有机物的转移量大,种植密度大,光合面积大,光合产物多,所以D2组玉米产量最高。
3.(2025·黑龙江哈尔滨二模)仙人掌是典型的旱生植物,其在长期干旱条件下进化出的光合作用模式,与C3、C4类植物光合作用存在明显区别;下图1为仙人掌光合作用CO2同化途径,图2为磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶活性昼夜转换机制,回答相关问题。
(1)白天仙人掌可将　　　　　　 　 　　过程产生的CO2运入叶绿体参与　　　循环完成光合作用过程。
细胞呼吸和苹果酸分解
卡尔文
【解析】 (1)在图1中,白天,苹果酸从液泡中释放出来,分解产生CO2,同时还有细胞呼吸产生CO2,CO2进入叶绿体参与卡尔文循环(暗反应),完成光合作用过程。
(2)沙漠中的仙人掌通常在白天关闭气孔,夜间气孔开放,将吸收的CO2与
　　 　结合被固定,并最终将苹果酸储存在液泡中而不是细胞质基质中,据图分析这种存储的生理学意义在于
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;与C4植物将CO2固定和暗反应(分别在叶肉细胞和维管束鞘细胞中进行)在空间上分开相比,仙人掌将CO2固定和暗反应选择在
　　 　,因而更加适应干旱环境。
PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)
维持细胞内pH稳定,
避免酸中毒(或储存更多CO2以备白天使用)
时间上分开(夜晚固定CO2,白天进行卡尔文
循环)
【解析】(2)沙漠中的仙人掌通常在白天关闭气孔,夜间气孔开放,将吸收的CO2与PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)结合被固定,并最终将苹果酸储存在液泡中而不是细胞质基质中。这种存储的生理学意义在于维持细胞内pH稳定,避免酸中毒(或储存更多CO2,以备白天使用)。与C4植物将CO2固定和暗反应在空间上分开相比,仙人掌将CO2固定和暗反应选择在时间上分开,减少了白天气孔开放导致的水分蒸发,从而适应干旱环境。
(3)夜晚仙人掌叶肉细胞呼吸减弱会影响细胞中苹果酸的生成,根据图1和图2分析其原因是
　。
细胞呼吸减弱为苹果酸生成提供的NADH减少,同时生
成的ATP减少,影响PEPC的活化,影响夜晚CO2的固定
【解析】(3)由图1可知,苹果酸的生成需要NADH等物质,图2显示PEPC的活化需要ATP。夜晚仙人掌叶肉细胞呼吸减弱,一方面为苹果酸生成提供的NADH减少,另一方面生成的ATP减少,而ATP减少会影响PEPC的活化,进而影响夜晚CO2的固定,所以最终会影响细胞中苹果酸的生成。
(4)某生物兴趣小组欲利用“密闭透明容器”验证仙人掌“夜间吸收CO2”的特性,请设计实验,简要写出实验思路和预期实验结果 　。
【答案】(4)实验思路:将仙人掌置于密闭透明容器中,分别在白天和夜间测定容器内CO2浓度变化。
预期实验结果:夜间容器内CO2浓度显著下降,白天CO2浓度基本不变
【解析】 (4)利用“密闭透明容器”验证仙人掌“夜间吸收CO2”,需将仙人掌置于密闭透明容器中,分别在白天和夜间测定容器内CO2浓度变化。预期实验结果:夜间容器内CO2浓度显著下降,白天二氧化碳浓度基本不变。
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