2025屆高考生物二輪復習【第1部分】大概念整合2前沿熱點1光呼吸與光抑制　c4植物(c4途徑)、景天科植物(cam途徑)以及藍細菌的co2濃縮機制教案(新教材)

光呼吸與光抑制C4植物(C4途徑)、景天科植物(CAM途徑)以及藍細菌的CO2濃縮機制))1．光呼吸光呼吸現(xiàn)象產(chǎn)生的分子機制是O2和CO2競爭Rubisco酶。在暗反應中，Rubisco酶能夠以CO2為底物實現(xiàn)CO2的固定；在光下，當O2濃度高、CO2濃度低時，O2會競爭Rubisco酶，在光的驅(qū)動下將碳水化合物氧化生成CO2和水。光呼吸是一個高耗能的反應，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：2．光抑制當光照過強，植物吸收的光能超過植物所需時，會導致光合速率下降，這種現(xiàn)象稱為光抑制。強光條件下，一方面因NADP＋不足使電子傳遞給O2形成Oeq\o\al(－1,2)；另一方面會導致還原態(tài)電子積累，形成三線態(tài)葉綠素(3chl)，3chl與O2反應生成單線1O2。Oeq\o\al(－1,2)和1O2都非常活潑，如不及時清除，會攻擊葉綠素和PSⅡ反應中心(參與光反應的色素－蛋白質(zhì)復合體)的D1蛋白，從而損傷光合結(jié)構(gòu)。造成光抑制的主要原因是植物抗逆性太弱。光照強度過大對植物形成的抗逆機制不能很好地適應，這時就會造成植物耐受能力的缺失，進而使其出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。另外，如低溫、高溫和干旱等同時存在時，光抑制加劇。在進行種植時，要注意植物需要光照適度，不能使植物長時間地受到過強的光照，否則容易造成光抑制，引起植物生長變形和生長緩慢等現(xiàn)象，影響植物的觀賞效果。另外，在營養(yǎng)投放時也要謹慎，以免給植物造成營養(yǎng)抑制。3．C4植物(C4途徑)的CO2濃縮機制(1)玉米、高粱、甘蔗都是C4植物，適于在高溫、干燥和強光的條件下生長。(2)C4植物葉肉細胞的葉綠體和維管束鞘細胞的葉綠體共同完成CO2的固定。(3)在高溫、光照強烈和干旱的條件下，綠色植物的氣孔大量關(guān)閉。這時，C4植物能夠利用葉片內(nèi)細胞間隙中含量很低的CO2進行光合作用。4．景天科植物(CAM途徑)的CO2濃縮機制(1)仙人掌、菠蘿和許多肉質(zhì)植物都進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)，其特點是氣孔夜間開放，吸收并固定CO2，形成以蘋果酸為主的有機酸；白天則氣孔關(guān)閉，不吸收CO2，但同時卻通過卡爾文循環(huán)將從蘋果酸中釋放的CO2還原為糖。(2)這是一種節(jié)省水的光合作用，參與CO2轉(zhuǎn)化的細胞器除了葉綠體之外，還有線粒體和液泡。5．藍細菌的CO2濃縮機制藍細菌具有CO2濃縮機制，如圖所示。注：羧化體具有蛋白質(zhì)外殼，可限制氣體擴散。由圖可知藍細菌通過CO2濃縮機制使羧化體中Rubisco周圍的CO2濃度升高，從而通過促進CO2固定進行光合作用，同時抑制O2與C5結(jié)合，進而抑制光呼吸，最終提高光合效率。1．(2022·江蘇卷)圖1所示為光合作用過程中部分物質(zhì)的代謝關(guān)系(①～⑦表示代謝途徑)。Rubisco是光合作用的關(guān)鍵酶之一，CO2和O2競爭與其結(jié)合，分別催化C5的羧化與氧化。C5羧化固定CO2合成糖；C5氧化則產(chǎn)生乙醇酸(C2)，C2在過氧化物酶體和線粒體協(xié)同下，完成光呼吸碳氧化循環(huán)。請據(jù)圖回答下列問題：圖1圖2(1)圖1中，類囊體膜直接參與的代謝途徑有________________(從①～⑦中選填)，在紅光照射條件下，參與這些途徑的主要色素是________________。(2)在C2循環(huán)途徑中，乙醇酸進入過氧化物酶體被繼續(xù)氧化，同時生成的______________在過氧化氫酶催化下迅速分解為O2和H2O。(3)將葉片置于一個密閉小室內(nèi)，分別在CO2濃度為0和0.03%的條件下測定小室內(nèi)CO2濃度的變化，獲得曲線a、b(圖2)。①曲線a，0～t1時(沒有光照，只進行呼吸作用)段釋放的CO2源于細胞呼吸；t1～t2時段，CO2的釋放速度有所增加，此階段的CO2源于________________。②曲線b，當時間到達t2點后，室內(nèi)CO2濃度不再改變，其原因是___________________________。(4)光呼吸可使光合效率下降20%～50%，科學家在煙草葉綠體中組裝表達了衣藻的乙醇酸脫氫酶和南瓜的蘋果酸合酶，形成了圖3代謝途徑，通過降低了光呼吸，提高了植株生物量。上述工作體現(xiàn)了遺傳多樣性的________________價值。圖3解析：(1)類囊體薄膜發(fā)生的反應有水的光解產(chǎn)生NADPH與O2，以及ATP的形成，即①⑥。葉綠素主要吸收紅光和藍紫光，葉綠素主要有葉綠素a和葉綠素b兩種，葉綠素a呈藍綠色，葉綠素b呈黃綠色；類胡蘿卜素主要吸收藍紫光，用紅光照射參與反應的主要是葉綠素a和葉綠素b。(2)過氧化氫酶能將過氧化氫分解為O2和H2O，所以在C2循環(huán)途徑中，乙醇酸進入過氧化物酶體被繼續(xù)氧化，同時生成的過氧化氫在過氧化氫酶催化下迅速分解為O2和H2O。(3)a曲線t1～t2時段，有光照，所以CO2是由細胞呼吸和光呼吸共同產(chǎn)生。b曲線有光照后t1～t2時段CO2下降最后達到平衡，說明光呼吸細胞呼吸和光合作用達到了平衡。(4)圖3代謝途徑，通過降低了光呼吸，提高了植株生物量，直接提升了流入生態(tài)系統(tǒng)的能量，是直接價值。答案：(1)①⑥葉綠素a和葉綠素b(2)過氧化氫(3)①光呼吸②光合作用強度等于呼吸作用(4)直接2．(2023·江蘇通州二模)光能過剩會導致光合作用強度下降，這種現(xiàn)象稱為光抑制。低溫會使植物出現(xiàn)光抑制而誘導活性氧(ROS)產(chǎn)生進而削弱光合作用的強度。為探究低溫條件下褪黑素與植物光合速率關(guān)系及其作用機制，研究人員將長勢相同的番茄幼苗平均分成甲、乙兩組，甲組澆灌200μmol/L的褪黑素溶液(褪黑素溶于微量無水乙醇，用清水定容)，乙組澆灌等量清水(進行X處理)。經(jīng)連續(xù)常溫處理5天后，將甲乙兩組分別選取一半的幼苗移至低溫處理室中生長12天，另一半在原來條件下繼續(xù)生長，形成下表中的分組處理類型。在處理的第0、3、6、9、12天隨機選取幼苗，采集相同位置的葉片，提取葉綠體檢測相關(guān)指標，結(jié)果如圖所示?；卮鹣铝袉栴}：圖1圖2分組處理NW常溫＋水NM常溫＋褪黑素CW低溫＋水CM低溫＋褪黑素(1)綠葉中不能吸收紅光的色素是________________。葉肉細胞中水的光解過程__________(填“需要”或“不需要”)酶的催化。光抑制條件下植物進行光反應的產(chǎn)物有_________________________________。(2)根據(jù)實驗過程和表中的分組情況進行分析，本實驗中乙組進行的X處理是______________，根據(jù)圖1中對光合速率(Pn)的數(shù)據(jù)分析，可得出的結(jié)論是_____________________________________________________。(3)超氧化物歧化酶(SOD)，是植物細胞內(nèi)的一種可以清除ROS類物質(zhì)的酶。結(jié)合圖2實驗結(jié)果分析，請推測褪黑素通過影響SOD而減弱光抑制的機制可能是___________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)綠葉中的色素包括葉綠素和類胡蘿卜素兩大類，類胡蘿卜素(胡蘿卜素和葉黃素)只能吸收藍紫光不能吸收紅光。葉肉細胞中水的光解過程需要酶的催化。正常情況下植物光反應的產(chǎn)物有O2、ATP、NADPH，根據(jù)題目信息，光抑制條件下植物進行光反應的產(chǎn)物還有ROS。(2)根據(jù)實驗過程和表中的分組情況進行分析，由于甲組中褪黑素溶解在無水乙醇中，為了控制單一變量，乙組應為含相同濃度(或等量)的無水乙醇。常溫和加水均為對照，因為正常情況下植物生長在常溫條件下，需要定期澆水，因此本實驗的變量是低溫和加入褪黑素，根據(jù)光合速率(Pn)的數(shù)據(jù)分析，可以得出的結(jié)論是一定濃度的褪黑素能夠緩解(或減弱)低溫條件(光抑制)對光合作用的影響。(3)SOD是可以清除ROS類物質(zhì)的酶，加入褪黑素的分組，光抑制減弱，可以推測褪黑素通過增強SOD的活性促進ROS的清除。答案：(1)類胡蘿卜素(胡蘿卜素和葉黃素)需要O2、ATP、NADPH、ROS(2)含相同濃度(或等量)的無水乙醇一定濃度的褪黑素能夠緩解(或減弱)低溫條件(光抑制)對光合作用的影響(3)褪黑素通過增強SOD的活性促進ROS的清除3．(2023·湖南卷)如圖是水稻和玉米的光合作用暗反應示意圖?？栁难h(huán)的Rubisco酶對CO2的Km為450μmol·L－1(Km越小，酶對底物的親和力越大)，該酶既可催化RuBP與CO2反應，進行卡爾文循環(huán)，又可催化RuBP與O2反應，進行光呼吸(綠色植物在光照下消耗O2并釋放CO2的反應)。該酶的酶促反應方向受CO2和O2相對濃度的影響。與水稻相比，玉米葉肉細胞緊密圍繞維管束鞘，其中葉肉細胞葉綠體是水光解的主要場所，維管束鞘細胞的葉綠體主要與ATP生成有關(guān)。玉米的暗反應先在葉肉細胞中利用PEPC酶(PEPC對CO2的Km為7μmol·L－1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)與CO2反應生成C4，固定產(chǎn)物C4轉(zhuǎn)運到維管束鞘細胞后釋放CO2，再進行卡爾文循環(huán)。回答下列問題：(1)玉米的卡爾文循環(huán)中第一個光合還原產(chǎn)物是__________(填具體名稱)，該產(chǎn)物跨葉綠體膜轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)基質(zhì)合成____________(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后，再通過__________長距離運輸?shù)狡渌M織器官。(2)在干旱、高光照強度環(huán)境下，玉米的光合作用強度____________(填“高于”或“低于”)水稻。從光合作用機制及其調(diào)控分析，原因是______________(答出三點即可)。(3)某研究將藍細菌的CO2濃縮機制導入水稻，水稻葉綠體中CO2濃度大幅提升，其他生理代謝不受影響，但在光飽和條件下水稻的光合作用強度無明顯變化。其原因可能是________________(答出三點即可)。解析：(1)玉米的光合作用過程與水稻相比，雖然CO2的固定過程不同，但其卡爾文循環(huán)的過程是相同的，結(jié)合水稻的卡爾文循環(huán)圖解，可以看出CO2固定的直接產(chǎn)物是3-磷酸甘油酸，然后直接被還原成3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛在葉綠體中被轉(zhuǎn)化成淀粉，在葉綠體外被轉(zhuǎn)化成蔗糖，蔗糖是植物長距離運輸?shù)闹饕穷?，蔗糖在長距離運輸時是通過維管組織。(2)干旱、高光照強度時會導致植物氣孔關(guān)閉，吸收的CO2減少，而玉米的PEPC酶對CO2的親和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通過PEPC酶生成C4，使維管束稍內(nèi)的CO2濃度高于外界環(huán)境，抑制玉米的光呼吸；且玉米能將葉綠體內(nèi)的光合產(chǎn)物通過維管組織及時轉(zhuǎn)移出細胞。因此在干旱、高光照強度環(huán)境下，玉米的光合作用強度高于水稻。(3)將藍細菌的CO2濃縮機制導入水稻葉肉細胞，只是提高了葉肉細胞內(nèi)的CO2濃度，而植物的光合作用強度受到很多因素的影響；在光飽和條件下如果光合作用強度沒有明顯提高，可能是水稻的酶活性達到最大，對CO2的利用率不再提高，或是受到ATP和NADPH等物質(zhì)含量的限制，也可能是因為藍細菌是原核生物，水稻是真核生物，二者的光合作用機制有所不同。答案：(1)3-磷酸甘油醛蔗糖維管組織(2)高于高光照條件下玉米可以將光合產(chǎn)物及時轉(zhuǎn)移；玉米的PEPC酶對CO2的親和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通過PEPC酶生成C4，使維管束稍內(nèi)的CO2濃度高于外界環(huán)境，抑制玉米的光呼吸(3)酶的活性達到最大，對CO2的利用率不再提高；受到ATP以及NADPH等物質(zhì)含量的限制；原核生物和真核生物光合作用機制有所不同4．(2021·全國乙卷)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通過生成蘋果酸儲存在液泡中；白天氣孔關(guān)閉，液泡中儲存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用?；卮鹣铝袉栴}：(1)白天葉肉細胞產(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________________正常進行。(3)若以pH作為檢測指標，請設(shè)計實驗來驗證植物甲在干旱環(huán)境中存在這種特殊的CO2固定方式。(簡要寫出實驗思路和預期結(jié)果)解析：(1)白天有光照，葉肉細胞能利用液泡中儲存的蘋果酸脫羧釋放的CO2進行光合作用，也能利用光合作用產(chǎn)生的O2和有機物進行有氧呼吸，光合作用光反應階段能將光能轉(zhuǎn)化為化學能儲存在ATP中，有氧呼吸三階段都能產(chǎn)生能量合成ATP，因此葉肉細胞能產(chǎn)生ATP的場所有細胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體(線粒體基質(zhì)和線粒體內(nèi)膜)、葉綠體類囊體薄膜。光合作用為有氧呼吸提供有機物和O2，反之，細胞呼吸(呼吸作用)產(chǎn)生的CO2也能用于光合作用暗反應，故光合作用所需的CO2可來源于蘋果酸脫羧和細胞呼吸(或呼吸作用)釋放的CO2。(2)由于環(huán)境干旱，植物吸收的水分較少，為了維持機體的平衡適應這一環(huán)境，氣孔白天關(guān)閉能防止白天因溫度較高蒸騰作用較強導致植物體水分散失過多，晚上氣孔打開吸收CO2儲存固定以保證光合作用等生命活動的正常進行。(3)該實驗自變量是植物甲所處的生存環(huán)境是否干旱，由于夜間氣孔打開吸收CO2，生成蘋果酸儲存在液泡中，導致液泡pH降低，故可通過檢測液泡的pH驗證植物甲存在該特殊方式，即因變量檢測指標是液泡中的pH。答案：(1)細胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體、葉綠體(類囊體薄膜)細胞呼吸(2)蒸騰作用丟失大量水分光合作用(暗反應)(3)實驗思路：取若干生理狀態(tài)相同的植物甲，平均分為A、B兩組并于夜晚測定其細胞液pH。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)，其他條件保持相同且適宜。一段時間后，分別測定A、B兩組植物夜晚細胞液的pH并記錄。預期結(jié)果：A組pH小于B組，且B組pH實驗前后變化不大，說明植物甲在干旱環(huán)境中存在這種特殊的CO2固定方式。5．(2023·安徽宿州二模)CO2是影響植物光合作用的重要因素。不同植物在長期的自然選擇中形成了不同的適應特征。圖1是三種不同類型植物的CO2同化方式示意圖，圖2表示生活在不同地區(qū)的上述三種植物在晴朗夏季的CO2吸收速率日變化曲線。已知玉米葉肉細胞葉綠體中固定CO2的酶對CO2的親和力高于水稻，回答下列問題：圖1圖2(1)以光合色素的吸光百分率為縱坐標，以波長為橫坐標，獲得光合色素的吸收光譜。通過對比各組提取液對________(填“紅光”“藍紫光”或“綠光”)的吸光率來比較葉片中的葉綠素含量。(2)美國科學家卡爾文用____________法探明了CO2中的碳在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機物中碳的途徑。CO2還原成糖的一系列反應稱為____________。(3)圖1水稻、玉米和景天科植物中，玉米對應圖2中的曲線是____________，最適應炎熱干旱環(huán)境的植物是____________，原因是_________________________________________________________________________________。(4)圖2中，在4點時，A植物的光合速率為__________μmol/(m2·s)；在10點到16點期間，A組植物的光合速率________(填“>”“＝”或“<”)呼吸速率。(5)圖2中，10點到12點間，B植物的光合速率下降而C植物繼續(xù)升高，原因是___________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)葉綠素a和葉綠素b主要吸收紅光和藍紫光，胡蘿卜素和葉黃素主要吸收藍紫光。只有葉綠素能吸收紅光，可對比各組提取液對紅光的吸光率來比較葉片中的葉綠素含量。(2)美國科學家卡爾文用14CO2去追蹤碳在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機物中碳的途徑。CO2還原成糖的一系列反應稱為卡爾文循環(huán)。(3)由圖1可知，水稻對CO2的吸收是在白天進行的，且沒有固碳作用，玉米吸收CO2也是在白天進行的，由于有固碳作用，它的吸收能力較強，能利用較低濃度的CO2，景天科植物夜晚吸收CO2，白天時再利用液泡中儲存的CO2進行光合作用，根據(jù)以上特點，與圖2中曲線比較可得，B對應的是水稻，C對應的是玉米，A對應的是景天科植物。(4)在4點時，沒有光照，A植物不能進行光合作用；A植物白天不從外界吸收CO2，而是利用晚上儲存在液泡中的CO2和呼吸作用產(chǎn)生的CO2，圖2中，在10點到16點期間，此時光照強度較高，A組植物的光合速率大于呼吸速率。(5)B對應的是水稻，C對應的是玉米，A對應的是景天科植物。在10點到12點期間，溫度較高，會使植物的部分氣孔關(guān)閉，CO2供應不足，引起B(yǎng)植物光合速率下降，而C植物能利用低濃度的CO2，此時光照強度不斷增強，所以其光合速率繼續(xù)升高。答案：(1)紅光(2)同位素標記卡爾文循環(huán)(3)曲線C景天科植物該類植物白天因減少水分的散失而氣孔關(guān)閉，但夜晚能吸收CO2，不影響光合作用的進行(4)0>(5)該時間段溫度較高，B植株部分氣孔關(guān)閉CO2供應不足，C植株可以利用低濃度的CO2，此時光照強度不斷增強，所以光合速率繼續(xù)升高提高農(nóng)作物產(chǎn)量，端牢中國飯碗1．生物學的一些原理可以用于指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)產(chǎn)品和一些養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。下列相關(guān)敘述錯誤的是()A．農(nóng)家肥中的一些有機物可以被農(nóng)田中的一些微生物分解成無機鹽和CO2，為作物所利用B．農(nóng)田被水淹要及時排水，否則根細胞會因缺氧而進行無氧呼吸產(chǎn)生CO2導致爛根C．溫室內(nèi)栽培農(nóng)作物在陽光充足及其他栽培條件均適宜的情況下，為了提高產(chǎn)量采取的措施是適當增加空氣中CO2的含量D．利用生長素可以培育一些無子果實，但這種變異是不可遺傳的解析：B農(nóng)家肥中的一些有機物可以被農(nóng)田中的一些微生物分解成無機鹽和CO2，為植物生長發(fā)育和光合作用利用，A正確；農(nóng)田被水淹要及時排水，否則根細胞會因缺氧而進行無氧呼吸產(chǎn)生酒精，導致爛根，B錯誤；CO2是植物進行光合作用的主要原料，在陽光充足其他栽培條件均適宜的情況下，為了提高產(chǎn)量采取的措施是適量增加空氣中CO2的含量，C正確；利用生長素可以培育一些無子果實，由于遺傳物質(zhì)未改變，這種變異是不可遺傳的，D正確。2．下列關(guān)于提高塑料大棚內(nèi)的農(nóng)作物產(chǎn)量的措施中，正確的是()A．使用紅色的塑料薄膜覆蓋B．焚燒秸稈，提供二氧化碳C．合理密植D．夜晚適當升高溫度解析：C大棚中應該使用白色或無色的塑料薄膜覆蓋，A錯誤；大棚中不適宜焚燒秸稈，以避免溫度過高，B錯誤；合理密植可以讓植株之間空氣流通，有利于增產(chǎn)，C正確；夜晚無光照，植物不進行光合作用，應適當降溫，以減少呼吸作用消耗，D錯誤。3．(2023·河南新鄉(xiāng)二模)糧食問題始終是全人類所面臨的基本問題。我們在注意節(jié)約糧食的同時，更要發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)糧食的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)?；卮鹨韵掠嘘P(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的問題：(1)合理密植可使大田作物得到良好的通風，進而為作物的光合作用提供充足的____________以有利于其在葉綠體基質(zhì)中直接生成更多的________________。(2)在同一塊田地上有順序地在季節(jié)間和年度間輪換種植不同作物稱為輪作。比如今年的棉田，明年換種西瓜。今年的瓜田，明年換種大豆。從生態(tài)學角度分析這樣做的理由是_______________________________(答出兩點)。(3)冬季大棚已經(jīng)得到普及，保證了人們冬季的“菜籃子”，其目的主要是解決影響植物生長的________________(影響因素)條件。(4)施CO2提高溫室植物產(chǎn)量的主要措施之一。但有人發(fā)現(xiàn)，隨著增施CO2時間的延長，植物光合作用逐漸減弱。為探究其原因，研究者以黃瓜為材料進行實驗，結(jié)果如圖。圖1圖2圖3由圖可知，常溫＋CO2處理組在超過29天后，凈光合速率開始下降，直至低于常溫處理組。此階段，常溫＋CO2組淀粉含量與光合速率的變化趨勢_________，據(jù)此推測光合速率下降可能