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光合作用与细胞呼吸综合分析
重点1　光合作用与细胞呼吸过程关系
重 点 研 析
1．细胞呼吸和光合作用的物质、能量转化关系
(1)物质转化
①C：CO2有机物丙酮酸__CO2__。
②H：H2ONADH__CH2O__[H]__H2O__。
③O：H2O__O2__H2O__CO2__(CH2O)。
(2)能量变化
2．NADH、NADPH、ATP的来源与去路
命 题 研 究
命题点　光合作用和细胞呼吸过程综合
(2023·江苏卷)气孔对植物的气体交换和水分代谢至关重要，气孔运动具有复杂的调控机制。图1为叶片气孔保卫细胞和相邻叶肉细胞中部分的结构和物质代谢途径。①～④表示场所。请回答下列问题：
图1
(1)光照下，光驱动产生的NADPH主要出现在__④__(从①～④中选填)；NADPH可用于CO2固定产物的还原，其场所有__①④__(从①～④中选填)。液泡中与气孔开闭相关的主要成分有H2O、__K＋、苹果酸/Mal__(填写2种)等。
(2)研究证实气孔运动需要ATP，产生ATP的场所有__①②④__(从①～④中选填)。保卫细胞中的糖分解为PEP，PEP再转化为__丙酮酸__进入线粒体，经过TCA循环产生的__[H](或NADH)__最终通过电子传递链氧化产生ATP。
(3)蓝光可刺激气孔张开，其机理是蓝光激活细胞(质)膜上的AHA，消耗ATP将H＋泵出膜外，形成跨膜的__电化学势梯度(或H＋浓度差)__，驱动细胞吸收K＋等离子。
(4)细胞中的PEP可以在酶作用下合成四碳酸OAA，并进一步转化成Mal，使细胞内水势下降(溶质浓度提高)，导致保卫细胞__吸收水分(吸水)__，促进气孔张开。
(5)保卫细胞叶绿体中的淀粉合成和分解与气孔开闭有关，为了研究淀粉合成与细胞质中ATP的关系，对拟南芥野生型WT和NTT突变体ntt1(叶绿体失去运入ATP的能力)保卫细胞的淀粉粒进行了研究，其大小的变化如图2。下列相关叙述合理的有__ABD__(2分)。
图2
A．淀粉大量合成需要依赖呼吸作用提供ATP
B．光照诱导WT气孔张开与叶绿体淀粉的水解有关
C．光照条件下突变体ntt1几乎不能进行光合作用
D．长时间光照可使WT叶绿体积累较多的淀粉
解析：(1)图中①～④分别表示细胞质基质、线粒体、液泡和叶绿体。光照下，光驱动产生的NADPH主要出现在叶绿体即④中。图中CO2固定发生在叶绿体的暗反应及PEP生成OAA的过程，后者发生场所为细胞质基质即①中；据图可知，K＋和Mal进入液泡中，其与气孔开闭相关。(2)光合作用的光反应、有氧呼吸的三个阶段均可产生ATP，即产生ATP的场所有①②④。保卫细胞中的糖分解为PEP，PEP再转化为丙酮酸，丙酮酸在线粒体基质中转化为乙酰辅酶A参与TCA循环，产生的NADH最终通过电子传递链氧化产生ATP。(3)蓝光激活细胞(质)膜上的AHA，消耗ATP将H＋泵出膜外，形成跨膜的氢离子浓度梯度，即形成的电化学势能驱动细胞吸收K＋等离子，提高细胞液浓度，促进细胞吸水，促进气孔张开。(4)细胞中的PEP可以在酶作用下合成四碳酸OAA，并进一步转化成Mal，进入细胞液中，使细胞内水势下降，渗透压上升导致保卫细胞吸水，促进气孔张开。(5)结合图示可知，突变体ntt1叶绿体失去运入ATP的能力，黑暗时突变体ntt1淀粉粒面积远小于WT，表明保卫细胞中淀粉大量合成需要依赖呼吸作用提供ATP，A正确；光照条件会促进保卫细胞淀粉粒的水解，表明光照诱导WT气孔张开与叶绿体淀粉的水解有关，B正确；光照条件下突变体ntt1的淀粉粒几乎无变化，表明光合速率和呼吸速率基本相等，C错误；较长时间光照可使WT叶绿体中淀粉粒面积增大，即积累较多的淀粉，D正确。
线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要。下图表示叶肉细胞中部分代谢途经，虚线框内表示“草酰乙酸/苹果酸穿梭”。请据图回答下列问题：
(1)叶绿体在__类囊体膜__上将光能转变成化学能，参与这一过程的两类色素是__叶绿素和类胡萝卜素__。
(2)光合作用时，CO2与C5结合产生三碳酸，继而还原成三碳糖(C3)。为维持光合作用持续进行，部分新合成的C3必须用于再生__C5__；运到细胞质基质中的C3可合成蔗糖，运出细胞。每运出一分子蔗糖相当于固定了__12__个CO2分子。
(3)在光照过强时，细胞必须耗散掉叶绿体吸收的过多光能，避免细胞损伤。草酰乙酸/苹果酸穿梭可有效地将光照产生的__NADPH__中的还原能输出叶绿体，并经线粒体转化为__ATP__中的化学能。
解析：图示表示植物叶肉细胞光合作用的暗反应、蔗糖的合成以及呼吸作用过程的代谢途径。(1)光合作用的光反应场所为类囊体薄膜，将光能转变成化学能，参与该反应的光合色素是叶绿素、类胡萝卜素。(2)据题意，为维持光合作用持续进行，在暗反应进行中，部分新合成的C3可以转化为C5继续被利用。一分子蔗糖含12个C原子，C5含有5个碳原子，因为还要再生成C5，每固定3个CO2分子净生成1个C3，需要4个C3分子合成一分子蔗糖，即需要固定12个CO2分子。(3)NADPH起还原剂的作用，含有还原能，呼吸作用过程中释放的能量转化成热能和ATP中的化学能，生成的ATP还可进入叶绿体用于耗能过程，改善叶绿体中ATP和NADPH的比值。
重点2　光合速率与呼吸速率
重 点 研 析
1．总光合速率、净光合速率和呼吸速率的判定和计算
(1)曲线图示
(2)相关判定
(3)相关计算
①光合作用实际产氧量(叶绿体产氧量)＝实测植物氧气释放量＋__细胞呼吸耗氧量__。
②光合作用实际CO2消耗量(叶绿体消耗CO2量)＝实测植物CO2吸收量＋__细胞呼吸CO2释放量__。
③光合作用葡萄糖净生产量(葡萄糖积累量)＝光合作用实际葡萄糖生产量(叶绿体产生或合成的葡萄糖量)－__细胞呼吸葡萄糖消耗量__。
注：高考题有时用“光合放氧”表示净光合作用强度。
2．CO2的昼夜变化曲线分析(注意区分密闭环境与开放环境的差异)
(1)开放环境中CO2的昼夜变化曲线分析
注：一昼夜有机物的积累量＝S2－(S1＋S3)。
(2)密闭玻璃罩中CO2的昼夜变化曲线分析
注：I点低于A点，说明密闭容器中CO2减少了，因为这段时间内光合作用固定的CO2总量大于呼吸作用释放的CO2量，即表现为有机物净积累，植物生长；若I点高于A点或与A点齐平，则植物不能生长。
命 题 研 究
命题点1　光合速率和呼吸速率的分析
(2024·江苏卷)科研人员对蓝细菌的光合放氧、呼吸耗氧和叶绿素a含量等进行了系列研究。图1是蓝细菌光合作用部分过程示意图，图2是温度对蓝细菌光合放氧和呼吸耗氧影响的曲线图。请回答下列问题：
图1
图2
(1)图1中H＋从类囊体膜内侧到外侧只能通过ATP合酶，而O2能自由通过类囊体膜，说明类囊体膜具有的特性是__选择透过性__。碳反应中C3在__ATP、NADPH和酶__的作用下转变为(CH2O)，此过程发生的区域位于蓝细菌的__细胞质基质__中。
(2)图2中蓝细菌光合放氧的曲线是__乙__(填“甲”或“乙”)。据图判断，总光合速率最高时对应的温度是__30 ℃__(填“20 ℃”“25 ℃”或“30 ℃”)，理由为__30 ℃蓝细菌光合放氧速率和呼吸耗氧速率两者之和最高__。
(3)在一定条件下，测定样液中蓝细菌密度和叶绿素a含量，建立叶绿素a含量与蓝细菌密度的相关曲线，用于估算水体中蓝细菌密度。请完成下表：
实验目的 简要操作步骤
测定样液蓝细菌数量 按一定浓度梯度稀释样液，分别用血细胞计数板计数，取样前需①__摇匀__
浓缩蓝细菌 ②__将稀释样液离心，取下层沉淀物__
③__提取叶绿素(溶解蓝细菌)__ 将浓缩的蓝细菌用一定量的乙醇重新悬浮
④__防止叶绿素降解__ 用锡箔纸包裹装有悬浮液的试管，避光存放
建立相关曲线 用分光光度计测定叶绿素a含量，计算
解析：(1)类囊体膜允许某些物质通过，而限制另一些物质通过，这体现了类囊体膜具有选择透过性。碳反应中，C3在光反应产生的ATP、NADPH和酶的作用下，被还原为糖类等有机物，蓝细菌是原核生物，此过程发生在蓝细菌的细胞质基质中。(2)光合作用产生氧气，而呼吸作用消耗氧气。一般来说，光合作用在一定温度范围内随温度升高而增强，产生的氧气增多；呼吸作用在一定温度范围内随温度升高而增强，消耗的氧气增多。但在环境温度下，通常光合作用产生氧气的量大于呼吸作用消耗氧气的量，这样植物才能积累有机物，正常生长，所以图2中蓝细菌光合放氧的曲线是乙。
命题点2　光合速率和呼吸速率的测定相关实验
(多选)科学家从发菜(一种蓝细菌)藻体中分离出发菜细胞进行液体悬浮培养，通过实验测定了液体悬浮培养条件下温度对离体发菜细胞的光合作用与呼吸作用特性的影响，结果如图。相关分析正确的有(　CD　)
A．45 ℃时，发菜细胞不进行光合作用
B．35 ℃时，发菜细胞光合速率与呼吸速率相等
C．发菜的光合作用和呼吸作用的最适温度不同
D．离体发菜细胞培养的适宜温度应为25～30 ℃
解析：45 ℃时净光合速率为0，实际光合作用强度等于呼吸作用强度，A错误；35 ℃时，净光合速率等于呼吸作用速率，发菜的光合速率是呼吸速率的2倍，B错误。
一、 单项选择题
1．(2025·河北卷)对绿色植物的光合作用和呼吸作用过程进行比较，下列叙述错误的是(　A　)
A．类囊体膜上消耗H2O而线粒体基质中生成H2O
B．叶绿体基质中消耗CO2，而线粒体基质中生成CO2
C．类囊体膜上生成O2，而线粒体内膜上消耗O2
D．叶绿体基质中合成有机物，而线粒体基质中分解有机物
解析：类囊体膜上进行水的光解消耗H2O，而线粒体内膜上进行有氧呼吸第三阶段生成H2O，线粒体基质中进行有氧呼吸第二阶段不生成H2O，A错误；叶绿体基质中进行暗反应，进行CO2的固定消耗CO2，线粒体基质中进行有氧呼吸第二阶段，涉及丙酮酸和水反应生成CO2，B正确；类囊体膜上进行水的光解生成O2，线粒体内膜上进行有氧呼吸第三阶段，消耗O2和NADH生成水，C正确；叶绿体基质中进行暗反应，合成葡萄糖等有机物，线粒体基质中进行有氧呼吸第二阶段，分解有机物(丙酮酸)，生成CO2和NADH，D正确。
2．如图表示植物叶肉细胞中光合作用和细胞呼吸的相关过程，字母代表有关物质，数字代表代谢过程，相关叙述正确的是(　D　)
A．过程①③⑤在生物膜上进行
B．过程①②③④都需要ADP和Pi
C．物质C、D、E中都含氢元素
D．物质A中的元素只来自水
解析：图中①～⑤依次表示有氧呼吸第三阶段，有氧呼吸第一、二阶段，光反应，C3的还原，CO2的固定。
3．(2026·兴化开学考)关于光合作用和呼吸作用在生产生活中的应用，下列叙述正确的是(　B　)
A．水果置于低温、低氧、干燥条件下保存，有利于保持水果的养分
B．人体剧烈运动时，细胞中 CO2的产生量和 O2的消耗量保持相等
C．合理密植的主要目的是增加植株周围的 O2浓度，促进产量增加
D．农田中耕松土，有利于促进农作物根细胞通过主动运输吸收有机肥
解析：低温、低氧条件可抑制细胞呼吸，减少有机物消耗，但干燥环境易导致水果失水，反而不利于保鲜，即水果保存通常需要一定湿度，A错误；人体剧烈运动时，骨骼肌细胞同时进行有氧呼吸和无氧呼吸，但无氧呼吸仅产生乳酸，CO2仅来自有氧呼吸，有氧呼吸时CO2产生量等于有氧呼吸中O2的消耗量，B正确；合理密植旨在减少植株间遮光，提高光能利用率，C错误；松土可促进根细胞有氧呼吸，为主动运输吸收无机盐提供能量，有机肥不能被植物直接利用，需经分解者分解为无机物后才能被吸收，D错误。
4．如图表示某植物叶肉细胞中光合作用和有氧呼吸的主要过程，其中甲～丁表示生理过程发生的场所，a～e表示物质，相关叙述正确的是(　C　)
A．甲、乙分别表示叶绿体基质和线粒体
B．甲中产生的NADPH和丙中产生的NADH参与相同的代谢过程
C．物质d、e均以自由扩散的方式穿越生物膜
D．甲、乙、丙、丁中都能进行DNA分子的复制
5．在一定浓度的CO2和适宜温度条件下，测定不同光照条件下放有某双子叶植物叶片的密闭装置中CO2的变化量，结果如下表。分析表中数据，不正确的推论是(　B　)
光照强度/klx 1.0 3.0 5.0 7.0 8.0 10.0
CO2变化量/ (mg·100 cm-2·h-1) ＋2.0 －2.0 －6.0 －10.0 －12.0 －12.0
A．光照强度为1 klx时，光合作用吸收的CO2少于呼吸作用释放的CO2
B．光照强度为2 klx时，该植物光合作用速率为0
C．光照强度由5 klx增强到7klx时，叶肉细胞中C3合成速率增大
D．光照强度为9 klx时，叶绿体中色素的含量是限制植物光合作用速率的内因
解析：光照强度为2 klx时，该植物能进行光合作用，光合速率不为0，B错误。
6．龙血树在《本草纲目》中被誉为“活血圣药”，有消肿止痛、收敛止血的功效。图甲、乙分别为龙血树在不同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(　B　)
甲 乙
A．补充适量的Mg2+可能导致图乙中D点右移
B．图甲30 ℃时，该植物固定CO2的速率为10 mmol·cm-2·h-1
C．图甲40 ℃条件下，若黑夜和白天时间相等，龙血树能不断长高
D．图乙中影响D、E两点光合速率的环境因素不同
解析：D点为光补偿点，补充适量的Mg2+(Mg2+是叶绿素的必需成分)可能导致光合速率上升，光合速率与呼吸速率相等时所需的光照强度减弱，图乙中D点左移，A错误；图甲中，CO2吸收速率为净光合作用速率，CO2产生速率表示呼吸作用速率，故30 ℃时，该植物固定CO2的速率为8＋2＝10 mmol·cm-2·h-1，B正确；图甲40 ℃条件下，龙血树净光合速率和呼吸速率相等，若白天和黑夜时间相等，则有机物不会积累，植物不能生长，C错误；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，D错误。
二、 多项选择题
7．某种铁线莲的根茎可作中药，有重要经济价值。下表为不同遮光处理对其光合作用影响的结果，相关叙述正确的有(　AC　)
遮光 比例 /% 叶绿素 a/b 叶绿素 含量/ (mg·g-1) 净光合 速率/ (μmol·m-2·s-1) 植株 干重 /g
0 4.8 2.1 8.0 7.5
10 5.3 2.3 9.6 9.9
30 5.2 2.4 8.9 9.2
50 4.4 2.6 5.2 7.2
70 4.1 2.9 2.7 4.8
90 3.3 3.0 0 3.2
A．适当的遮光处理可提高其干重
B．叶绿素含量与净光合速率呈正相关
C．叶绿素a/b可作为其利用弱光能力的判断指标
D．遮光90%时，铁线莲不进行光合作用
解析：分析表格可知，遮光10%、30%比不遮光(0)时植株干重增加，说明适当遮光处理可提高其干重，A正确；叶绿素含量随遮光比例增加而增加，但净光合速率随遮光比例增加是先加快后减慢，则两者不呈正相关，B错误；净光合速率除了与叶绿素的含量有关外，还和叶绿素a/b的比值有关，该比值随遮光比例增加而先增加后减少，与干重变化趋势一致，故该比值可作为其利用弱光能力(弱光下光合速率)的判断指标，C正确；遮光90%时，铁线莲的净光合速率为0，光合作用与细胞呼吸达到平衡，D错误。
8．下图表示叶片光合速率与叶肉细胞间隙中CO2浓度的关系。下列有关叙述正确的有(　ABD　)
A．B～C段斜率与叶绿体内固定CO2酶活性呈正相关
B．温室效应能有提高植物光合速率
C．当CO2浓度低于b时，植物不进行光合作用
D．当CO2浓度高于s时，Pm值主要受光反应速率的限制
解析：当CO2浓度低于b时，植物进行光合作用，但光合作用强度小于呼吸作用，C错误。
9．某实验小组研究温度对水绵光合作用的影响，实验结果如图所示，据图分析，下列有关说法错误的有(　ABD　)
A．据图可知，水绵细胞呼吸作用的最适温度为35 ℃
B．每天光照12 h，最有利于水绵生长的温度是25 ℃
C．图中水绵细胞积累有机物速率最大时的温度是25 ℃
D．在5 ℃时，水绵细胞产生氧气的速率是消耗氧气的速率的2倍
解析：由于没有对高于35℃条件下水绵细胞的呼吸作用进行研究，因此无法判断水绵细胞呼吸作用的最适温度，A错误。水绵在一昼夜中积累的有机物越多，越有利于水绵生长；由题图可知，温度为20 ℃时，水绵在光照下吸收CO2的量与黑暗中释放CO2的量的差值最大，在一昼夜中积累的有机物最多，B错误。有机物的积累速率取决于净光合速率。由图可知，温度为25 ℃时，水绵细胞在光照下吸收CO2的量最大，即净光合速率最大，积累有机物速率最大，C正确。由题图可知，温度为5 ℃时，水绵细胞产生氧气的速率＝净光合速率＋呼吸速率＝光照下吸收CO2的量＋黑暗中释放CO2的量＝1＋0.5＝1.5 mg·h-1。由于呼吸作用消耗氧气的速率为0.5 mg·h-1，所以水绵细胞产生氧气的速率是消耗氧气的速率的3倍，D错误。
三、 非选择题
10．(2025·常州期末)图1为胡杨叶片部分生理过程的示意图，其中甲、乙、丙代表结构，A、B代表物质，①②代表以C5为原料进行的相关生理过程。请回答下列问题：
图1
(1)在甲、乙、丙中，多糖含量比例最高的结构是__甲__，其形成与__高尔基体__(填某种细胞器)相关。乙中的光合色素分布于__类囊体薄膜__上，其在滤纸条上的扩散速度与其在层析液中的__溶解度__有关，滤纸条上色素带最宽的色素主要吸收__蓝紫光和红__光。
(2)在甲、乙、丙中，能以O2为原料进行化学反应的结构是__乙、丙__，乙中的Rubisco是双功能酶，能同时催化过程①和过程②。当过程②增强时，叶肉细胞的光合速率会降低，主要原因是__过程②会使更多的C5和O2结合，降低了CO2的固定量__。
(3)单位时间内物质A的减少量可表示植物细胞的__净光合作用__(填“光合作用”或“净光合作用”)速率。图2为科研人员在胡杨生长的旺季，选择晴天作为测量日，进行实验数据的收集后绘制的曲线图。
图2
①胡杨在生长旺季的每天6:00—20:00时间范围内，胞间CO2浓度变化趋势为__先减少后增加__，8月的胞间CO2浓度在8:00时较6月时低的主要原因是__大气中CO2浓度虽相对较高，但净光合速率增加较快__。
②可以判断该实验的地点会出现极度干旱的月份是__6月__。
解析：(1)甲表示细胞壁，主要成分是纤维素和果胶，纤维素是多糖；乙表示叶绿体，通过光合作用合成糖类，但不一定可以合成大量的多糖；丙表示线粒体，利用的直接原料是丙酮酸。所以在甲、乙、丙中，多糖含量比例最高的结构是细胞壁，细胞壁的形成与高尔基体有关。叶绿体中的光合色素分布在类囊体薄膜上，其在滤纸条上的扩散速度与其在层析液中的溶解度有关，溶解度越大，扩散速度越快。滤纸条上色素带最宽的是叶绿素a，其主要吸收红光和蓝紫光。(2)依据题图信息可知，Rubisco是双功能酶，既可以催化C5与CO2的反应，也可以催化C5和O2的反应，即在叶绿体内，能以O2为原料参与化学反应，同时O2也可以在线粒体的内膜上参与有氧呼吸第三阶段的反应，综上，在甲、乙、丙中，能以O2为原料进行化学反应的结构是乙和丙。①表示C5与CO2的反应，②表示C5和O2的反应，当过程②增强时，则C5与CO2的反应速度就会减慢，即CO2的固定量减少，叶肉细胞的光合速率降低。(3)A表示CO2，单位时间内CO2的减少量即单位时间内CO2的吸收量，其可表示植物细胞的净光合速率。①依据图2中的第1幅图可知，胡杨在生长旺季的每天6:00—20:00时间范围内，胞间CO2浓度先减少后增加。结合图2第1幅图可见，8月的胞间CO2浓度从6:00时较高的水平快速下降为8:00时的水平(比6月8:00的低)，从图2第2幅图可知，该现象的原因在于8月净光合速率明显大于6月份相同时刻。②从整体上看，6月份的胞间CO2浓度低于7月和8月，说明气孔关闭，推测出现极度干旱的月份是6月。

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