高三生物二輪復(fù)習(xí)講義7C4植物景天科植物光呼吸等特殊代謝類型

主題突破練7C4植物、景天科植物、光呼吸等特殊代謝類型光合作用固定CO2的途徑除了卡爾文循環(huán)以外，還有C4途徑和景天酸代謝(CAM)途徑等；植物除了細(xì)胞呼吸(暗呼吸)外，還有光呼吸。近幾年的高考試題更多的圍繞C4植物、光呼吸等特殊過程進(jìn)行考查。1.C4植物名師解讀①C4植物葉肉細(xì)胞的葉綠體有類囊體能進(jìn)行光反應(yīng)，而維管束鞘細(xì)胞沒有完整的葉綠體。所以C4植物光反應(yīng)發(fā)生在葉肉細(xì)胞的葉綠體類囊體薄膜上，而CO2固定發(fā)生在葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和維管束鞘細(xì)胞的葉綠體基質(zhì)中。②用14C標(biāo)記CO2追蹤C(jī)4植物碳原子的轉(zhuǎn)移途徑為：CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)。③C4植物PEP羧化酶對(duì)CO2具有高親和力，當(dāng)外界環(huán)境干旱導(dǎo)致植物氣孔導(dǎo)度減小時(shí)，C4植物就能利用細(xì)胞間隙低濃度的CO2繼續(xù)生長，而C3植物則不能。故在干旱環(huán)境中，C4植物比C3植物生長得好。[例1](2022·全國甲卷，29)根據(jù)光合作用中CO2的固定方式不同，可將植物分為C3植物和C4植物等類型。C4植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)比C3植物的低。CO2補(bǔ)償點(diǎn)通常是指環(huán)境CO2濃度降低導(dǎo)致光合速率與呼吸速率相等時(shí)的環(huán)境CO2濃度?；卮鹣铝袉栴}：(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反應(yīng)階段的產(chǎn)物是相同的，光反應(yīng)階段的產(chǎn)物是____________________(答出3點(diǎn)即可)。(2)正常條件下，植物葉片的光合產(chǎn)物不會(huì)全部運(yùn)輸?shù)狡渌课?，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________(答出1點(diǎn)即可)。(3)干旱會(huì)導(dǎo)致氣孔開度減小，研究發(fā)現(xiàn)在同等程度干旱條件下，C4植物比C3植物生長得好。從兩種植物CO2補(bǔ)償點(diǎn)的角度分析，可能的原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________。[練1](2023·深圳市一調(diào))有研究表明，大氣中CO2濃度上升會(huì)促進(jìn)C3植物(如小麥、水稻等)的光合速率，但對(duì)C4植物(如玉米、甘蔗等)的光合速率未產(chǎn)生明顯的促進(jìn)作用。當(dāng)光照強(qiáng)度持續(xù)增加，C3植物光合速率不再增加，C4植物仍可增加。(注：光合作用時(shí)，CO2首先被固定在C4中，然后才轉(zhuǎn)移到C3中，這類植物稱為C4植物，二氧化碳直接固定在C3中的植物稱為C3植物)。下圖為C4植物光合作用過程示意圖。回答下列問題。(1)植物光合作用的光反應(yīng)在葉肉細(xì)胞的________(具體部位)發(fā)生，產(chǎn)生的________(具體物質(zhì))為卡爾文循環(huán)提供能量。(2)根據(jù)題干推測(cè)，在一般條件下，C4植物的CO2飽和點(diǎn)(光合速率不再隨CO2增加而增加時(shí)的CO2濃度)________(填“大于”“等于”或“小于”)C3植物，其光飽和點(diǎn)(光合速率不再隨光強(qiáng)增加而增加時(shí)的光照強(qiáng)度)________(填“大于”“等于”或“小于”)C3植物。(3)大氣中CO2濃度上升能夠促進(jìn)C3植物光合作用效率，但對(duì)C4植物無明顯影響。據(jù)上圖分析可能的原因是_________________________________________________________________________________________________________________。(4)有人認(rèn)為干旱環(huán)境對(duì)C4植物光合作用的影響比C3植物小，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一結(jié)論，寫出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果(檢測(cè)方法不做要求)。實(shí)驗(yàn)思路：____________________________________________________________________________________________________________________________。預(yù)期結(jié)果：______________________________________________________________________________________________________________________________。2.景天科植物名師解讀①仙人掌、菠蘿和許多肉質(zhì)植物都進(jìn)行這種類型的光合作用。這類植物特別適合于炎熱干旱地區(qū)，其特點(diǎn)是氣孔夜間開放，吸收并固定CO2，形成以蘋果酸為主的有機(jī)酸，貯存于液泡中；白天則氣孔關(guān)閉，不吸收CO2，但同時(shí)卻通過卡爾文循環(huán)將從蘋果酸中釋放的CO2還原為糖，該機(jī)制也稱CAM途徑。②從進(jìn)化角度看，這種氣孔開閉特點(diǎn)的形成是自然選擇的結(jié)果。但夜晚，該類植物不能合成葡萄糖，原因是沒有光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供ATP和NADPH。③如果白天適當(dāng)提高CO2濃度，景天科植物的光合作用速率基本不變。④分析圖中信息推測(cè)，CAM途徑是對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)；該途徑除維持光合作用外，對(duì)植物的生理意義還表現(xiàn)在有效避免白天旺盛的蒸騰作用造成水分過多散失。[例2](2021·全國乙卷，29)生活在干旱地區(qū)的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。這類植物晚上氣孔打開吸收CO2，吸收的CO2通過生成蘋果酸儲(chǔ)存在液泡中；白天氣孔關(guān)閉，液泡中儲(chǔ)存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用。回答下列問題：(1)白天葉肉細(xì)胞產(chǎn)生ATP的場所有________________。光合作用所需的CO2來源于蘋果酸脫羧和________釋放的CO2。(2)氣孔白天關(guān)閉、晚上打開是這類植物適應(yīng)干旱環(huán)境的一種方式，這種方式既能防止________________，又能保證____________正常進(jìn)行。(3)若以pH作為檢測(cè)指標(biāo)，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證植物甲在干旱環(huán)境中存在這種特殊的CO2固定方式。(簡要寫出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果)[練2](2023·廣東梅州調(diào)研)原本生活在干旱地區(qū)的多肉植物，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其CO2固定過程非常特殊，被稱為景天酸代謝途徑。其光合作用產(chǎn)生的中間產(chǎn)物蘋果酸在CO2的固定和利用過程中起重要作用，過程如圖所示。據(jù)圖分析，下列說法錯(cuò)誤的是()A.進(jìn)行景天酸代謝的植物白天進(jìn)行光反應(yīng)，積累ATP和NADPH，晚上進(jìn)行暗反應(yīng)合成有機(jī)物B.圖示的代謝方式可以有效地避免植物蒸騰過度導(dǎo)致脫水，從而使該類植物適應(yīng)干旱環(huán)境C.與常見的C3代謝途徑植物相比，夜間更適合放置在室內(nèi)的是景天酸代謝途徑植物D.多肉植物在其原生地環(huán)境中，其液泡中的pH會(huì)呈現(xiàn)白天升高晚上降低的周期性變化3.光呼吸光呼吸現(xiàn)象產(chǎn)生的分子機(jī)制是O2和CO2競爭Rubisco酶。在暗反應(yīng)中，Rubisco酶能夠以CO2為底物實(shí)現(xiàn)CO2的固定；在光下，當(dāng)O2濃度高、CO2濃度低時(shí)，O2會(huì)競爭Rubisco酶，在光的驅(qū)動(dòng)下將碳水化合物氧化生成CO2和水。光呼吸是一個(gè)高耗能的反應(yīng)，正常生長條件下光呼吸就可損耗掉光合產(chǎn)物的25%～30%。過程如圖所示：名師解讀①光呼吸的不利影響：消耗掉暗反應(yīng)的底物C5，導(dǎo)致光合作用減弱，農(nóng)作物產(chǎn)量降低。②光呼吸的有利影響：強(qiáng)光時(shí)，由于光反應(yīng)速率大于暗反應(yīng)速率，因此葉肉細(xì)胞中會(huì)積累ATP和NADPH，這些物質(zhì)積累會(huì)產(chǎn)生自由基，這些自由基會(huì)損傷葉綠體。而強(qiáng)光下，光呼吸加強(qiáng)，會(huì)消耗光反應(yīng)過程中積累的ATP和NADPH，從而減輕對(duì)葉綠體的傷害。③高O2環(huán)境下，光呼吸會(huì)明顯加強(qiáng)，而提高CO2濃度可明顯抑制光呼吸。[例3](2022·廣東深圳市二調(diào))植物消耗氧氣，將RuBP(C5)轉(zhuǎn)化成二氧化碳的過程稱作光呼吸。RuBP羧化酶/氧化酶(Rubisco)不僅能催化CO2與RuBP進(jìn)行羧化反應(yīng)，還能催化氧氣與RuBP的氧化反應(yīng)，相關(guān)過程如下圖所示。回答下列問題。(1)Rubisco催化RuBP的羧化反應(yīng)發(fā)生在真核細(xì)胞的______________(具體部位)，這一過程稱作____________，反應(yīng)形成的產(chǎn)物被____________還原為糖類。(2)當(dāng)CO2/O2比值________(填“較高”或“較低”)時(shí)，更有利于植物進(jìn)行羧化反應(yīng)。對(duì)農(nóng)作物的研究表明甲醇可以抑制光呼吸，已知植物細(xì)胞的光呼吸與乙醇酸氧化酶活性呈正相關(guān)，結(jié)合題干信息推測(cè)甲醇抑制光呼吸的機(jī)制是____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)在小麥、水稻等C3作物中，光呼吸導(dǎo)致光合作用的轉(zhuǎn)化效率降低20%～50%，根據(jù)Rubisco的特性，改良作物的措施有____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(答出2點(diǎn))。4.光合產(chǎn)物及運(yùn)輸名師解讀①磷酸丙糖是光合作用中最先產(chǎn)生的糖，也是光合作用產(chǎn)物從葉綠體運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)基質(zhì)的主要形式。②光合作用產(chǎn)生的磷酸丙糖既可以在葉綠體中形成淀粉，暫時(shí)儲(chǔ)存在葉綠體中，又可以通過葉綠體膜上的磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)器運(yùn)出葉綠體，在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成蔗糖。合成的蔗糖或臨時(shí)儲(chǔ)藏于液泡內(nèi)，或從光合細(xì)胞中輸出，經(jīng)韌皮部裝載長距離運(yùn)輸?shù)狡渌课弧?.光系統(tǒng)及電子傳遞鏈名師解讀①光系統(tǒng)Ⅱ進(jìn)行水的光解，產(chǎn)生氧氣、H＋與自由電子(e－)；光系統(tǒng)Ⅰ主要是介導(dǎo)NADPH的產(chǎn)生。②電子傳遞過程是高電勢(shì)到低電勢(shì)(由于光能的作用)，釋放的能量將質(zhì)子(H＋)逆濃度梯度從類囊體的基質(zhì)側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)到囊腔側(cè)，從而建立了質(zhì)子濃度(電化學(xué))梯度。③類囊體內(nèi)的高濃度質(zhì)子通過ATP合成酶順濃度梯度流出，而ATP合成酶利用質(zhì)子順濃度梯度流出的能量來合成ATP。6.化學(xué)滲透假說1961年，米切爾(PeterMitchell)提出了化學(xué)滲透假說：①線粒體(葉綠體)的電子傳遞鏈將H＋由線粒體基質(zhì)(葉綠體基質(zhì))泵入線粒體內(nèi)、外膜間基質(zhì)(類囊體基質(zhì))；②線粒體內(nèi)膜(類囊體膜)不允許H＋回流，膜內(nèi)外產(chǎn)生H＋濃度梯度；③H＋順濃度梯度回流釋放能量合成ATP。1963年，賈格道夫在黑暗條件下把離體的葉綠體類囊體置于pH＝4的酸性溶液中平衡，讓類囊體腔的pH下降至4。平衡后將類囊體轉(zhuǎn)移到含有ADP和Pi的pH＝8的緩沖溶液中，一段時(shí)間后有ATP產(chǎn)生。賈格道夫?qū)嶒?yàn)表明：類囊體膜內(nèi)外存在H＋濃度差是類囊體合成ATP的直接動(dòng)力。[例4](2022·重慶卷，23)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，光能會(huì)被類囊體轉(zhuǎn)化為“某種能量形式”，并用于驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生ATP(如圖Ⅰ)。為探尋這種能量形式，他們開展了后續(xù)實(shí)驗(yàn)。(1)制備類囊體時(shí)，提取液中應(yīng)含有適宜濃度的蔗糖，以保證其結(jié)構(gòu)完整，原因是______________________________________________；為避免膜蛋白被降解，提取液應(yīng)保持________(填“低溫”或“常溫”)。(2)在圖Ⅰ實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行圖Ⅱ?qū)嶒?yàn)，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)條件下，也能產(chǎn)生ATP。但該實(shí)驗(yàn)不能充分證明“某種能量形式”是類囊體膜內(nèi)外的H＋濃度差，原因是____________________________________________________________________。(3)為探究自然條件下類囊體膜內(nèi)外產(chǎn)生H＋濃度差的原因，對(duì)無緩沖液的類囊體懸液進(jìn)行光、暗交替處理，結(jié)果如圖Ⅲ所示，懸液的pH在光照處理時(shí)升高，原因是________________________________________________。類囊體膜內(nèi)外的H＋濃度差是通過光合電子傳遞和H＋轉(zhuǎn)運(yùn)形成的，電子的最終來源物質(zhì)是________。圖Ⅲ(4)用菠菜類囊體和人工酶系統(tǒng)組裝的人工葉綠體，能在光下生產(chǎn)目標(biāo)多碳化合物。若要實(shí)現(xiàn)黑暗條件下持續(xù)生產(chǎn)，需穩(wěn)定提供的物質(zhì)有________________。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)即使增加光(照)強(qiáng)度，產(chǎn)量也不再增加，若要增產(chǎn)，可采取的有效措施有____________________________________________________________________(答兩點(diǎn))。參考答案例1(1)O2、NADPH和ATP(2)自身呼吸消耗或建造植物體結(jié)構(gòu)(3)C4植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)低于C3植物，C4植物能夠利用較低濃度的CO2解析(1)光合作用光反應(yīng)階段的場所是葉綠體的類囊體薄膜，光反應(yīng)發(fā)生的物質(zhì)變化包括水的光解以及NADPH和ATP的形成，因此光合作用光反應(yīng)階段生成的產(chǎn)物有O2、NADPH和ATP。(2)植物葉片的光合作用產(chǎn)物一部分用來建造植物體結(jié)構(gòu)和自身呼吸消耗，其余部分被輸送到植物體的儲(chǔ)藏器官儲(chǔ)存起來。正常條件下，植物葉片的光合產(chǎn)物不會(huì)全部運(yùn)輸?shù)狡渌课弧?3)干旱會(huì)導(dǎo)致氣孔開度減小，CO2吸收減少，由于C4植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)低于C3植物，則C4植物能夠利用較低濃度的CO2，因此光合作用受影響較小的植物是C4植物，C4植物比C3植物生長得好。練1(1)葉綠體中的類囊體薄膜上ATP和NADPH(2)小于大于(3)PEP含量少或PEP轉(zhuǎn)化為C4的酶活性較低(4)將長勢(shì)相同的C3植物與C4植物置于同樣的干旱環(huán)境中培養(yǎng)，一段時(shí)間后檢測(cè)兩種植株的生長情況C4植物的生長量大于C3植物解析(1)光合作用的光反應(yīng)發(fā)生在葉綠體中的類囊體薄膜上；光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH可以為暗反應(yīng)(卡爾文循環(huán))提供能量。(2)根據(jù)題干可知，大氣CO2濃度上升會(huì)促進(jìn)C3植物光合速率，但對(duì)C4植物的光合速率未產(chǎn)生明顯的促進(jìn)作用，說明C4植物的CO2飽和點(diǎn)小于C3植物，當(dāng)光照強(qiáng)度持續(xù)增加，C3植物光合速率不再增加，C4植物仍可增加，說明C4植物的光飽和點(diǎn)大于C3植物。(3)由圖可知，C4植物進(jìn)行光合作用時(shí)，CO2首先與PEP結(jié)合，被固定在C4中，然后才轉(zhuǎn)移到C3中，故推測(cè)大氣中CO2濃度上升能夠促進(jìn)C3植物光合作用效率，但對(duì)C4植物無明顯影響的原因?yàn)镃4植物葉綠體內(nèi)PEP含量少或PEP轉(zhuǎn)化為C4的酶活性較低。(4)本實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證干旱環(huán)境對(duì)C4植物光合作用的影響比C3植物小，實(shí)驗(yàn)思路為將長勢(shì)相同的C3植物與C4植物置于同樣的干旱環(huán)境中培養(yǎng)，一段時(shí)間后檢測(cè)兩種植株的生長情況。預(yù)期結(jié)果為C4植物的生長量大于C3植物。例2(1)葉綠體、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體細(xì)胞呼吸(2)蒸騰作用過強(qiáng)導(dǎo)致植物過度失水光合作用(3)實(shí)驗(yàn)思路：取若干長勢(shì)相同的植物甲，平均分為A、B兩組；將A組置于干旱條件下培養(yǎng)，B組置于水分充足的條件下培養(yǎng)，其他條件相同且適宜；一段時(shí)間后，分別測(cè)定兩組植物甲白天和夜晚液泡中的pH。預(yù)期結(jié)果：B組液泡中的pH白天和夜晚無明顯變化，A組液泡中的pH夜晚明顯低于白天解析(1)白天植物的葉肉細(xì)胞同時(shí)進(jìn)行光合作用和呼吸作用，光合作用過程中產(chǎn)生ATP的場所是葉綠體，呼吸作用過程中產(chǎn)生ATP的場所是細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體。據(jù)題干信息可知，白天儲(chǔ)存在液泡中的蘋果酸脫羧釋放出CO2用于光合作用，同時(shí)葉肉細(xì)胞也進(jìn)行細(xì)胞呼吸，細(xì)胞呼吸釋放出來的CO2也可用于光合作用。(2)干旱的環(huán)境中，白天氣孔關(guān)閉可以降低蒸騰作用，避免植物細(xì)胞過度失水；夜間氣孔打開吸收CO2，通過生成蘋果酸儲(chǔ)存在液泡中，白天蘋果酸脫羧釋放的CO2為光合作用的進(jìn)行提供原料，保證了光合作用的正常進(jìn)行。(3)該實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證植物甲在干旱環(huán)境中存在特殊的CO2固定方式，根據(jù)題干信息晚上氣孔打開吸收CO2，吸收的CO2通過生成蘋果酸儲(chǔ)存在液泡中，推測(cè)蘋果酸的存在會(huì)導(dǎo)致液泡中呈酸性，由于白天氣孔關(guān)閉，液泡中儲(chǔ)存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用，可判斷蘋果酸分解釋放出CO2后液泡中酸性下降或趨于中性，因此實(shí)驗(yàn)中需要檢測(cè)白天和夜晚葉肉細(xì)胞中液泡的pH。練2A[光合作用的暗反應(yīng)過程需要光反應(yīng)提供NADPH和ATP，晚上植物不能進(jìn)行光反應(yīng)，沒有NADPH和ATP的供應(yīng)，故晚上暗反應(yīng)也不能進(jìn)行，A錯(cuò)誤；題述多肉植物白天氣孔關(guān)閉可有效地避免水分通過蒸騰作用大量散失，晚上氣孔開放，植物從大氣中吸收CO2并將CO2轉(zhuǎn)化為蘋果酸大量積累，白天蘋果酸脫羧釋放CO2，這種代謝方式可以有效地避免植物蒸騰過度導(dǎo)致脫水，使該類植物適應(yīng)干旱環(huán)境，B正確；夜間室內(nèi)CO2濃度較高，景天酸代謝途徑植物夜間氣孔開放，可吸收CO2，而C3代謝途徑植物白天氣孔開放，因此，夜間景天酸代謝途徑植物更適合放置在室內(nèi)，C正確；據(jù)圖可知，夜晚，大氣中的CO2進(jìn)入植物細(xì)胞中，與磷酸烯醇式丙酮酸結(jié)合形成草酰乙酸，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為蘋果酸貯存在液泡中，細(xì)胞液pH下降；白天，氣孔關(guān)閉，液泡中的蘋果酸脫羧釋放CO2，CO2進(jìn)入卡爾文循環(huán)，細(xì)胞液pH上升，即液泡中的pH會(huì)呈現(xiàn)白天升高晚上降低的周期性變化，D正確。]例3(1)葉綠體基質(zhì)CO2的固定NADPH(還原型輔酶Ⅱ)(2)較高甲醇通過抑制乙醇酸氧化酶的活性來抑制光呼吸(3)改造Rubisco酶，使其具有更高的CO2親和力和催化效率；改進(jìn)或者增加植物濃縮CO2機(jī)制，提升Rubisco附近的CO2濃度解析(1)RuBP羧化酶催化CO2與RuBP進(jìn)行羧化反應(yīng)，CO2與RuBP反應(yīng)過程被稱為CO2的固定，發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中，CO2與RuBP反應(yīng)的產(chǎn)物(C3)接受ATP和NADPH釋放的能量，并且被NADPH還原，轉(zhuǎn)化為糖類。(2)當(dāng)CO2的含量較高時(shí)，CO2更容易與RuBP進(jìn)行羧化反應(yīng)