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微专题2　光呼吸，C3、C4植物和CAM植物
一、光呼吸
1．光呼吸的实质
(1)是所有进行光合作用的细胞在光照、高O2低CO2情况下发生的一个生化过程。
(2)是光合作用一个损耗能量的副反应。
(3)此过程中消耗O2，生成CO2。
2．光呼吸产生的原因
(1)内因：Rubisco是一种兼性酶，具有催化羧化反应(C5＋CO2→2C3)和加氧反应(C5＋O2→C3＋C2)两种功能。
(2)外因：高O2环境下，光呼吸会明显加强，而提高CO2浓度可明显抑制光呼吸。
3．光呼吸过程图解
4．光呼吸与一般有氧呼吸的比较
比较项目 光呼吸 一般有氧呼吸
与光的 关系 只在光下进行 光下、黑暗中都可进行
反应条件 光照、高O2低CO2环境 氧气充足环境
底物 乙醇酸和O2 通常是葡萄糖、H2O和O2
产物 CO2 CO2和水
发生部位 叶绿体、线粒体、过氧化物酶体 细胞质基质、线粒体
1．(2025·湖北荆州模拟)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，如下图。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
B　[Rubisco具有专一性，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，即光呼吸可以减少NADPH和ATP的积累，防止自由基的形成，因而能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，因此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，CO2释放量减少，然后至稳定，D错误。]
二、C3、C4植物和CAM植物
1．C3植物和C4植物
(1)C3植物和C4植物的含义
根据光合作用碳元素同化的最初光合产物(三碳化合物、四碳化合物)的不同，把高等植物分成C3、C4植物两类，常见的C4植物有甘蔗、玉米、高粱等。
(2)光合作用C4途径产生的原因
C4植物中含有能固定CO2为C4的相关酶，即磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，简称为PEP羧化酶(对CO2有很强的亲和力)，可把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来。
(3)C3和C4植物光合作用途径的比较
项目 CO2 受体 CO2固定 后产物 CO2固定 场所 光反应 场所 暗反应 场所
植物 RuBP (C5) PGA (C3) 叶肉细胞 的叶绿体 叶肉细 胞的叶 绿体基 粒　　 叶肉细 胞的叶 绿体基 质　　
植物 PEP (C3)、 RuBP (C5) PGA (C3)、 OAA (C4) 叶肉细胞 的细胞质 基质、维 管束鞘细 胞的叶绿 体　　　 叶肉细 胞的叶 绿体基 粒　　 维管束 鞘细胞 的叶绿 体基质
2．CAM植物
(1)CAM途径的含义
景天科植物夜间将吸收的CO2固定在苹果酸(C4)中，白天苹果酸分解释放CO2参与光合作用的过程。
(2)CAM途径过程图解
(3)CAM途径的意义
白天气孔关闭，减少蒸腾作用，保持植物体内水分并分解苹果酸产生CO2，进行光合作用；夜晚气孔开放，吸收光合作用所需的CO2，使植物适应高温干旱环境。
2．(不定项)(2025·河北重点高中联考)景天科植物的叶子有一个很特殊的CO2固定方式：夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中，白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用，其部分代谢途径如图所示。下列分析错误的是(　　)
A．如果白天适当提高CO2浓度，景天科植物的光合作用速率将随之提高
B．由景天科植物特殊的CO2固定方式推测其可能生活在高温干旱地区
C．白天景天科植物叶肉细胞中苹果酸的含量和葡萄糖的含量可能呈正相关
D．景天科植物参与卡尔文循环的CO2不只来自苹果酸的分解
AC　[由题意可知，白天适当提高CO2浓度，景天科植物的光合作用速率不会提高，因为此时景天科植物的气孔是关闭的，A错误；由景天科植物特殊的CO2固定方式推测其可能生活在高温干旱地区，因为气孔白天关闭正好应对了高温干旱的环境，避免了水分大量蒸发，同时其固定CO2的机制也保证了光合作用的正常进行，B正确；白天景天科植物叶肉细胞内苹果酸会通过脱羧作用形成CO2参与光合作用，进而合成葡萄糖，显然白天苹果酸的含量和葡萄糖的含量呈负相关，C错误；景天科植物参与卡尔文循环的CO2除了来源于苹果酸的分解外，还有呼吸作用产生的CO2，D正确。]
3．(2025·四川绵阳检测)科学家根据高等绿色植物固定CO2的机制不同，将植物分成C3植物(如水稻)和C4植物(如玉米)等类型。C4植物的叶肉细胞和维管束鞘细胞整齐排列的双环，被形象地称为“花环型”结构，这两种不同类型细胞，具有各自固定CO2的机制，如下图1所示。而C3植物没有“花环型”结构，只有一种典型叶绿体且位于叶肉细胞中。回答下列问题：
(1)玉米维管束鞘细胞和叶肉细胞间有发达的________，得以保持细胞间频繁的物质交流。
(2)玉米光合作用的光反应发生在________(填“叶肉”或“维管束鞘”)细胞中，判断的依据是_________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
(3)玉米叶片光合作用的光反应产生的ATP的作用有2个，一是为丙酮酸转化为PEP提供能量，二是__________________________。参与CO2固定的酶有_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
(4)研究证明，PEP羧化酶对CO2的亲和力远高于Rubisco酶。人工气候室实验结果表明，相较于水稻，玉米具有较低的CO2补偿点和CO2饱和点(如图2所示)。
①图中显示在CO2浓度低于200 ul/L时，相较于水稻，玉米具有更高的CO2同化率，其重要原因是___________________________________________________
_____________________________________________________________________。
②为应对全球气候变暖，我国提出“碳达峰”“碳中和”的双碳目标。从NASA数据看，2024年4月的全球CO2平均浓度达到426.57 ul/L，城市周边更高。有人提出：在全球CO2浓度达到426.57 ul/L的当下，与玉米相比，适当扩大水稻的种植面积可以更有效地抵消CO2排放量。提出这种观点的理由是_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
[答案]　(1)胞间连丝　(2)叶肉　玉米叶肉细胞中的叶绿体有类囊体，而维管束鞘细胞中的叶绿体无类囊体　(3)为暗反应中C3的还原提供能量　PEP羧化酶、催化CO2与C5反应生成C3的酶(Rubisco)　(4)①PEP羧化酶对CO2的亲和力远高于Rubisco，能固定更多CO2　②当CO2浓度高于400 ul/L时，水稻的净光合速率大于玉米，能吸收更多的CO2
[解析]　(1)玉米维管束鞘细胞和叶肉细胞整齐排列成双环，之间有发达的胞间连丝，得以保持细胞间频繁的物质交流。(2)据题意可知，玉米叶肉细胞中的叶绿体有类囊体，其上有光合色素，可吸收光能进行光反应，而维管束鞘细胞中的叶绿体无类囊体，故玉米光合作用光反应发生在叶肉细胞中。(3)据题意可知，玉米叶片光合作用的光反应产生的ATP的作用有2个，一是为丙酮酸转化为PEP提供能量，二是为暗反应中C3的还原提供能量；参与CO2固定的酶有PEP羧化酶、催化CO2与C5反应生成C3的酶(Rubisco)。(4)①CO2浓度低于200 ul/L时，相较于水稻，玉米具有更高的CO2同化率，其重要原因是PEP羧化酶对CO2的亲和力远高于Rubisco，固定CO2的量更多。②据图2可知，当CO2浓度高于400 ul/L时，水稻的净光合速率大于玉米，故在全球CO2浓度达到426.57 ul/L的当下，适当扩大水稻的种植面积可以更有效地吸收空气中的CO2，以抵消CO2的排放。
1 / 7微专题2　光呼吸，C3、C4植物和CAM植物
一、光呼吸
1．光呼吸的实质
(1)是所有进行光合作用的细胞在光照、高O2低CO2情况下发生的一个生化过程。
(2)是光合作用一个损耗能量的副反应。
(3)此过程中消耗O2，生成CO2。
2．光呼吸产生的原因
(1)内因：Rubisco是一种兼性酶，具有催化羧化反应(C5＋CO2→2C3)和加氧反应(C5＋O2→C3＋C2)两种功能。
(2)外因：高O2环境下，光呼吸会明显加强，而提高CO2浓度可明显抑制光呼吸。
3．光呼吸过程图解
4．光呼吸与一般有氧呼吸的比较
比较项目 光呼吸 一般有氧呼吸
与光的 关系 只在光下进行 光下、黑暗中都可进行
反应条件 光照、高O2低CO2环境 氧气充足环境
底物 乙醇酸和O2 通常是葡萄糖、H2O和O2
产物 CO2 CO2和水
发生部位 叶绿体、线粒体、过氧化物酶体 细胞质基质、线粒体
1．(2025·湖北荆州模拟)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，如下图。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
二、C3、C4植物和CAM植物
1．C3植物和C4植物
(1)C3植物和C4植物的含义
根据光合作用碳元素同化的最初光合产物(三碳化合物、四碳化合物)的不同，把高等植物分成C3、C4植物两类，常见的C4植物有甘蔗、玉米、高粱等。
(2)光合作用C4途径产生的原因
C4植物中含有能固定CO2为C4的相关酶，即磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，简称为PEP羧化酶(对CO2有很强的亲和力)，可把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来。
(3)C3和C4植物光合作用途径的比较
项目 CO2 受体 CO2固定 后产物 CO2固定 场所 光反应 场所 暗反应 场所
植物 RuBP (C5) PGA (C3) 叶肉细胞 的叶绿体 叶肉细 胞的叶 绿体基 粒　　 叶肉细 胞的叶 绿体基 质　　
植物 PEP (C3)、 RuBP (C5) PGA (C3)、 OAA (C4) 叶肉细胞 的细胞质 基质、维 管束鞘细 胞的叶绿 体　　　 叶肉细 胞的叶 绿体基 粒　　 维管束 鞘细胞 的叶绿 体基质
2．CAM植物
(1)CAM途径的含义
景天科植物夜间将吸收的CO2固定在苹果酸(C4)中，白天苹果酸分解释放CO2参与光合作用的过程。
(2)CAM途径过程图解
(3)CAM途径的意义
白天气孔关闭，减少蒸腾作用，保持植物体内水分并分解苹果酸产生CO2，进行光合作用；夜晚气孔开放，吸收光合作用所需的CO2，使植物适应高温干旱环境。
2．(不定项)(2025·河北重点高中联考)景天科植物的叶子有一个很特殊的CO2固定方式：夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中，白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用，其部分代谢途径如图所示。下列分析错误的是(　　)
A．如果白天适当提高CO2浓度，景天科植物的光合作用速率将随之提高
B．由景天科植物特殊的CO2固定方式推测其可能生活在高温干旱地区
C．白天景天科植物叶肉细胞中苹果酸的含量和葡萄糖的含量可能呈正相关
D．景天科植物参与卡尔文循环的CO2不只来自苹果酸的分解
3．(2025·四川绵阳检测)科学家根据高等绿色植物固定CO2的机制不同，将植物分成C3植物(如水稻)和C4植物(如玉米)等类型。C4植物的叶肉细胞和维管束鞘细胞整齐排列的双环，被形象地称为“花环型”结构，这两种不同类型细胞，具有各自固定CO2的机制，如下图1所示。而C3植物没有“花环型”结构，只有一种典型叶绿体且位于叶肉细胞中。回答下列问题：
(1)玉米维管束鞘细胞和叶肉细胞间有发达的________，得以保持细胞间频繁的物质交流。
(2)玉米光合作用的光反应发生在__________(填“叶肉”或“维管束鞘”)细胞中，判断的依据是__________________________________________________。
(3)玉米叶片光合作用的光反应产生的ATP的作用有2个，一是为丙酮酸转化为PEP提供能量，二是__________________________。参与CO2固定的酶有_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
(4)研究证明，PEP羧化酶对CO2的亲和力远高于Rubisco酶。人工气候室实验结果表明，相较于水稻，玉米具有较低的CO2补偿点和CO2饱和点(如图2所示)。
①图中显示在CO2浓度低于200 μl/L时，相较于水稻，玉米具有更高的CO2同化率，其重要原因是___________________________________________________
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②为应对全球气候变暖，我国提出“碳达峰”“碳中和”的双碳目标。从NASA数据看，2024年4月的全球CO2平均浓度达到426.57 μl/L，城市周边更高。有人提出：在全球CO2浓度达到426.57 μl/L的当下，与玉米相比，适当扩大水稻的种植面积可以更有效地抵消CO2排放量。提出这种观点的理由是_____________________________________________________________________
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