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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
2.单、多因子变量对光合作用强度影响及应用
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。
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
　 　。
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.(2024·黑吉辽卷,21)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3;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。
CO2的固定
【解析】 (1)在光合作用的暗反应过程中,CO2在特定酶的作用下,与C5结合形成两个C3,这个过程称作CO2的固定,故反应①是CO2的固定过程。
(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　　 　　。
细胞质基质
线粒体基质
【解析】 (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二氧化碳和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)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的来源除了有外界环境外,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　
　。
光呼吸
有氧呼吸
7—10时,随着光照强度的增加,CO2/O2比值降低,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,而光呼吸会将已同化的碳释
放,并消耗能量
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时二氧化碳的
释放速率,图3的横坐标为CO2浓度,无法得出呼吸速率
【解析】 (3)由图1可知,在线粒体中进行光呼吸的过程中,也会产生二氧化碳,因此植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外,还可来自光呼吸、有氧呼吸。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,光呼吸将已经同化的碳释放,消耗能量,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时二氧化碳的释放速率,图3的横坐标为CO2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)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 　。
与株系2、WT相比,转基因株系1的净光合速率最大
【解析】(4)由图2、图3可知,与株系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。
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
(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　 。
PEP、C5
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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