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《光呼吸与作物增产机制》 导学案
学习目标：认识光呼吸作为植物适应逆境的一种生理机制。
任务一、回归教材:
1.光合色素的提取与分离
(1).色素的提取用：___________
(2).色素的分离用：___________
2.光合作用的原理
(1).光合作用的反应式：___________________________________
(2).场所：______________________ 场所：_______________________
(3).能量转化：_______ → _____________________________________→ ___________________
任务二 ：光呼吸的过程
1．（资料一 改编自2025·陕晋青宁卷·17）
叶绿体中的 Rubisco 酶，既能催化CO2固定（CO + C → 2C ），也能催化C5与O2反应（O + C → C + C ），CO 和O 两种底物竞争 R 酶同一活性位点。加氧反应产生的 C （乙醇酸）进入过氧化物酶体转化为甘氨酸后进入线粒体，在线粒体中产生丝氨酸。丝氨酸回到过氧化物酶体转化为暗反应所能利用的 C 。C 重新进入卡尔文循环，光呼吸过程消耗 ATP 和 NADPH
思考讨论：
(1).R酶分布在叶绿体的哪个部位？ 光呼吸主要涉及哪几个细胞结构？
(2).R酶催化CO2固定（CO +C → 2C ），还是催化C5与O2反应（O +C →C +C ）取决于什么？
(3).保持环境中CO 浓度不变，当O 浓度从21%升高到40%时，该植株的净光合速率如何变化？
(4). R酶的双重催化作用是否违背酶的专一性？
2.光呼吸的原理
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会与CO2竞争Rubisco酶,在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。
[名师解读]与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒体。光呼吸产生的条件是光照、高O2含量和低CO2含量等。
3.资料二分析：
科学研究表明，植物积累的有机物，有四分之一左右被光呼吸“无效消耗”。既然有害，植物为什么进化出这一途径？结合以下材料分析。
高温强光下，气孔关闭，暗反应速率降低，如果光反应积累的过剩能量（ATP、NADPH）无法耗散，会产生活性氧，直接损伤光合系统，造成“光抑制”甚至“光破坏”。
任务三 ：如何促进暗反应，降低光呼吸，实现农作物增产
1、田间管理措施
背景：假如你是洋县黑米的“守护者”，结合资料从水、气、肥的角度思考我们可以采取哪些田间管理措施来降低光呼吸，提高黑米的产量和品质？
资料一：农民在种植黑米过程中发现种植过稀，土地光能利用不够，总产量不高；种植过密，田间郁闭、通风差，叶片互相遮挡，产量反而下降。
资料二：洋县黑米坚持有机种植、不使用化肥农药。
资料三：稻农中流传一句谚语“浅水栽秧，湿润活棵，薄水分蘖（niè），够苗晒田，湿润壮粒，干湿到老”。
2、生态农业措施
根系作用方面解释“稻鸭共生”田能增加作物产量的原因：
鸭粪 →
鸭子活动增加水中溶氧 →
针对训练
1. （2025·陕晋青宁卷·高考真题）叶绿体中R 酶既能催化CO 固定，也能催化C 与O 反应，CO 和O 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02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： 。
课后巩固
2.（2025·黑吉辽蒙卷·高考真题）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300μmol·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。

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