07-由“C4植物和光呼吸”等一些特例-評價創(chuàng)新思維能力-熱點情境專講

高考生物創(chuàng)新考法—破譯新情境由“C4植物和光呼吸”等一些特例，評價創(chuàng)新思維能力“核心價值”命題“金線”(為什么考)“知能素養(yǎng)”命題“銀線”(考什么)(1)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。(2)本課題通過對特殊光合作用過程和光呼吸的探究學(xué)習(xí)，旨在提升學(xué)生的知識遷移、發(fā)散思維和運用所學(xué)解答實際情境問題的能力。(1)以C3植物的光合作用為基礎(chǔ)，了解C4植物和景天科植物的光合作用過程。(2)了解光呼吸的原理、過程和意義。(3)通過構(gòu)建“CO2固定途徑”，浸潤“物質(zhì)能量觀”，構(gòu)建解題“思維模型”，發(fā)展思維品質(zhì)，提升創(chuàng)新解決問題的能力。探究路徑(一)

C4植物的CO2濃縮機制[見識新情境]玉米、甘蔗等起源于熱帶的植物，其葉肉細(xì)胞的葉綠體內(nèi)，在有關(guān)酶的催化作用下，CO2首先被一種三碳化合物[磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)]固定，形成一個四碳化合物(C4)。C4進(jìn)入維管束鞘細(xì)胞的葉綠體中，釋放出一個CO2，并形成另一種三碳化合物——丙酮酸。釋放出來的CO2進(jìn)入卡爾文循環(huán)；丙酮酸則再次進(jìn)入葉肉細(xì)胞中的葉綠體內(nèi)，在有關(guān)酶的催化下，通過ATP提供的能量，轉(zhuǎn)化成PEP，繼續(xù)固定CO2，具體過程如下圖所示。這種以四碳化合物(C4)為光合最初產(chǎn)物的途徑稱為C4途徑，而卡爾文循環(huán)這種以三碳化合物(C3)為光合最初產(chǎn)物的途徑則稱為C3途徑。相應(yīng)的植物被稱為C4植物和C3植物。注：維管束主要作用是為植物體輸導(dǎo)水分、無機鹽和有機養(yǎng)料等。熱帶植物為了防止水分過度蒸發(fā)，常常關(guān)閉葉片上的氣孔，這樣空氣中的CO2就不易進(jìn)入葉肉細(xì)胞，不能滿足光合作用對CO2的需求。而C4途徑中能固定CO2的那種酶對CO2有很高的親和力，使葉肉細(xì)胞能有效地固定和濃縮CO2，供維管束鞘細(xì)胞中葉綠體內(nèi)的C3途徑利用。[追根于教材]1．C4植物光反應(yīng)和CO2固定發(fā)生在哪些場所？提示：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)胞和維管束鞘細(xì)胞中。2．科學(xué)家用含14C標(biāo)記的CO2來追蹤玉米光合作用中的碳原子的轉(zhuǎn)移途徑，請表示這種碳原子的轉(zhuǎn)移途徑。提示：CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)。3．與水稻、小麥等C3植物相比，C4植物的CO2的補償點較________。高溫、干旱時C4植物還能保持高效光合作用的原因是什么？提示：低PEP羧化酶對CO2具有高親和力，C4植物可利用低濃度的CO2進(jìn)行光合作用。探究路徑(二)藍(lán)藻的CO2濃縮機制[見識新情境]藍(lán)藻具有CO2濃縮機制，如下圖所示。注：羧化體具有蛋白質(zhì)外殼，可限制氣體擴(kuò)散[追根于教材]1．CO2依次以__________和__________方式通過細(xì)胞膜和光合片層膜。藍(lán)藻的CO2濃縮機制可提高羧化體中Rubisco周圍的CO2濃度，從而通過促進(jìn)__________。2．向煙草內(nèi)轉(zhuǎn)入藍(lán)藻Rubisco的編碼基因和羧化體外殼蛋白的編碼基因。若藍(lán)藻羧化體可在煙草中發(fā)揮作用并參與暗反應(yīng)，應(yīng)能利用電子顯微鏡在轉(zhuǎn)基因煙草細(xì)胞的________中觀察到羧化體。3．研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因煙草的光合速率并未提高。若再轉(zhuǎn)入HCO和CO2轉(zhuǎn)運蛋白基因并成功表達(dá)和發(fā)揮作用，理論上該轉(zhuǎn)基因植株暗反應(yīng)水平應(yīng)______，光反應(yīng)水平應(yīng)_____，從而提高光合速率。(填“提高”或“降低”)自由擴(kuò)散主動運輸CO2固定葉綠體提高提高探究路徑(三)景天科植物的CO2固定[見識新情境]景天科酸代謝是許多肉質(zhì)植物的一種特殊代謝方式，在夜間，大氣中CO2從氣孔進(jìn)入，被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化，與PEP結(jié)合形成草酰乙酸(OAA)，再經(jīng)蘋果酸脫氫酶作用還原為蘋果酸，貯存于液泡中。在白天，蘋果酸從液泡中釋放出來，經(jīng)脫羧酶作用形成CO2和丙酮酸，CO2產(chǎn)生后用于卡爾文循環(huán)，作用機制如圖所示(該機制也稱CAM途徑)。[追根于教材]1．從進(jìn)化角度看，這種氣孔開閉特點的形成是__________的結(jié)果。夜晚，該類植物吸收的_____(填“能”或“不能”)合成葡萄糖，原因是____________________________________。2．如果白天適當(dāng)提高CO2濃度，景天科植物的光合作用速率變化是________(填“增加”“降低”或“基本不變”)。3．分析圖中信息推測，CAM途徑是對_____(填“干旱”或“濕潤”)環(huán)境的適應(yīng)；該途徑除維持光合作用外，對植物的生理意義還表現(xiàn)在____________________________________________。自然選擇不能沒有光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供ATP和NADPH基本不變干旱有效避免白天旺盛的蒸騰作用造成水分過多散失探究路徑(四)光呼吸與CO2固定[見識新情境]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(yīng)中，Rubisco酶能夠以CO2為底物實現(xiàn)CO2的固定；在光下，當(dāng)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(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：[追根于教材]1．由于光呼吸的存在，會降低植物體內(nèi)有機物的積累速率。Rubisco酶的催化方向取決于CO2與O2的濃度比，請推測說明具體的情況。提示：當(dāng)CO2與O2濃度比高時，Rubisco酶催化固定CO2反應(yīng)加強；當(dāng)CO2與O2濃度比低時，Rubisco酶催化光呼吸反應(yīng)加強。2．研究發(fā)現(xiàn)，光合產(chǎn)物1/3以上要消耗在光呼吸底物上。生產(chǎn)實際中，常通過適當(dāng)升高CO2濃度達(dá)到增產(chǎn)的目的，請分析并解釋其原理。(從光合作用原理和Rubisco酶催化反應(yīng)特點兩個方面作答)。提示：CO2濃度升高可促進(jìn)光合作用暗反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)而提高光合作用強度，同時還可促進(jìn)Rubisco酶催化更多的C5與CO2結(jié)合，減少C5與O2的結(jié)合，從而降低光呼吸速率。3．已知強光下ATP和NADPH的積累會產(chǎn)生O2－(超氧陰離子自由基)，而O2－會對葉綠體光合作用的反應(yīng)中心造成傷害。依據(jù)圖中信息，解釋植物在干旱天氣和過強光照下，光呼吸的積極意義是什么？提示：葉片缺水，氣孔部分關(guān)閉，CO2吸收減少，低濃度CO2使得光呼吸增強，光呼吸可以消耗多余的ATP和NADPH，從而減少ATP和NADPH積累產(chǎn)生O2－對光合作用反應(yīng)中心的傷害。歸納建模1．理清高等植物固定CO2三條途徑的關(guān)系，構(gòu)建解答“固定CO2類”題目的思維模型(1)C3途徑、C4途徑和景天酸代謝(CAM)途徑是高等植物光合作用固定CO2的三條途徑。C3途徑存在于所有綠色植物中，是把C同化為糖類的過程；C4和CAM途徑則只能固定CO2，為一定環(huán)境條件下(低O2、高溫干旱)C3途徑的進(jìn)行提供了保證。(2)碳同化的多條途徑，增強了植物對環(huán)境的適應(yīng)能力。C3途徑是光合途徑同化的基本途徑，C4和CAM植物形成碳水化合物除了分別需要C4途徑和CAM途徑外，最終還需要C3途徑。(3)在碳同化特性上，CAM與C4植物相似，都有PEP羧化酶，需要兩次羧化反應(yīng)固定CO2。只是固定CO2與生成光合作用產(chǎn)物在時間、空間上有差異，C4植物在葉肉細(xì)胞內(nèi)固定CO2，在維管束鞘細(xì)胞中同化CO2。CAM植物則在晚上固定CO2，在白天同化CO2。2．辨析光呼吸與細(xì)胞呼吸的關(guān)系，構(gòu)建解答“光呼吸類”題目的思維模型

光呼吸細(xì)胞呼吸底物底物是光照下葉綠體新形成的，如光合作用中的乙醇酸常用底物是葡萄糖，可以是新形成，也可以是儲存的場所只發(fā)生在光合細(xì)胞中，在葉綠體、過氧化物酶體和線粒體協(xié)同作用下進(jìn)行所有活細(xì)胞中都可以進(jìn)行條件光下，O2/CO2比值相對高時有氧、無氧都可進(jìn)行，光下、暗處都可進(jìn)行意義CO2供應(yīng)不足時，消耗過多的NADPH和ATP，以避免對細(xì)胞造成傷害為生命活動提供直接能源物質(zhì)ATP類題訓(xùn)練1．(2022·全國甲卷)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補償點比C3植物的低。CO2補償點通常是指環(huán)境CO2濃度降低導(dǎo)致光合速率與呼吸速率相等時的環(huán)境CO2濃度。回答下列問題。(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點即可)。(2)正常條件下，植物葉片的光合產(chǎn)物不會全部運輸?shù)狡渌课?，原因是__________________________________(答出1點即可)。(3)干旱會導(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補償點的角度分析，可能的原因是____________________________________________________________。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上，光反應(yīng)發(fā)生的物質(zhì)變化包括水的光解以及ATP和NADPH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)葉片光合作用產(chǎn)物一部分用來供自身呼吸消耗。故正常條件下，植物葉片的光合產(chǎn)物不會全部運輸?shù)狡渌课弧?3)干旱會導(dǎo)致氣孔開度減小，CO2吸收減少。由于C4植物的CO2補償點低于C3植物，則C4植物能夠利用較低濃度的CO2，因此干旱條件下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。答案：(1)O2、NADPH和ATP

(2)自身呼吸消耗(3)C4植物的CO2補償點低于C3植物，干旱條件下CO2吸收減少，胞間CO2濃度較低，C4植物受到影響較小2．(2022·柳州模擬)光合作用的暗反應(yīng)過程被稱為碳同化。植物在長期進(jìn)化過程中逐漸形成了多種碳同化途徑。如圖1所示，玉米、甘蔗等C4植物，長期生活在熱帶地區(qū)，其PEP羧化酶與CO2有強親和力，可以將環(huán)境中低濃度的CO2固定下來，集中到維管束鞘細(xì)胞。而景天科等CAM(景天酸代謝)植物，長期生活在干旱或半干旱環(huán)境中，它們在夜晚捕獲CO2，然后轉(zhuǎn)變成蘋果酸儲存在液泡中，白天氣孔關(guān)閉，蘋果酸脫羧釋放CO2用于卡爾文循環(huán)。(1)在顯微鏡下觀察玉米葉片結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，葉肉細(xì)胞包圍在維管束鞘細(xì)胞四周，形成花環(huán)狀結(jié)構(gòu)。維管束鞘細(xì)胞中沒有完整的葉綠體，推測其可能缺少________(填“基粒”或“基質(zhì)”)結(jié)構(gòu)。CAM植物葉肉細(xì)胞液泡的pH夜晚比白天要________(填“高”或“低”)。由圖1可知，C4植物與CAM植物在捕獲和固定大氣中的CO2的方式上最明顯的區(qū)別是_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)蝴蝶蘭因其花姿優(yōu)美、花色艷麗而較受歡迎。圖2為蝴蝶蘭葉片凈CO2吸收速率和有機酸含量的晝夜變化。據(jù)圖2推測，蝴蝶蘭________(填“存在”或“不存在”)CAM途徑，判斷依據(jù)是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)Rubisco酶是卡爾文循環(huán)中催化CO2固定的酶。Rubisco酶對CO2和O2都有親和力，在光照條件下，當(dāng)CO2/O2比值高時，Rubisco酶可催化C5固定CO2合成有機物，當(dāng)CO2/O2比值低時，Rubisco酶可催化C5結(jié)合O2發(fā)生氧化分解，消耗有機物，此過程稱為光呼吸，它會導(dǎo)致光合效率下降。有人認(rèn)為，景天酸代謝(CAM)途徑是景天科植物長期進(jìn)化得到的一種可以抑制光呼吸的碳濃縮機制。你認(rèn)為這種說法________(填“合理”或“不合理”)，理由是_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：Rubisco酶是一種雙功能酶，在較強光照下，它既催化C5與CO2的羧化反應(yīng)進(jìn)行光合作用，同時又催化C5的加氧反應(yīng)進(jìn)行光呼吸，羧化和加氧反應(yīng)的相對速率完全取決于CO2與O2的相對濃度。如圖3所示為光合作用暗反應(yīng)和光呼吸的部分過程。為探究光呼吸的產(chǎn)物與場所，請利用同位素標(biāo)記法設(shè)計實驗，驗證圖示過程光呼吸的終產(chǎn)物和場所，簡要寫出實驗思路和預(yù)期實驗結(jié)果：_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(要求：實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組)解析：(1)推測維管束鞘細(xì)胞可能缺少“基粒”結(jié)構(gòu)，因為其中可進(jìn)行卡爾文循環(huán)，該過程發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中。結(jié)合圖示可知，CAM植物在晚上氣孔張開，吸收二氧化碳變成蘋果酸，蘋果酸進(jìn)入液泡儲存起來，白天蘋果酸分解釋放出二氧化碳用于卡爾文循環(huán)，因此CAM植物葉肉細(xì)胞液泡的pH夜晚比白天要低。由圖1可知，C4植物與CAM植物在捕獲和固定大氣中的CO2的方式上最明顯的區(qū)別表現(xiàn)在C4植物捕獲和固定CO2的反應(yīng)在空間上分離(或在不同的細(xì)胞內(nèi)捕獲和固定CO2)，CAM植物捕獲和固定CO2的反應(yīng)在時間上分離(或在夜晚捕獲CO2，白天固定CO2)，這些特性都是長期適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果。(2)由圖2可知蝴蝶蘭在夜間葉片吸收CO2出現(xiàn)高峰，而白天吸收CO2較少，同時蝴蝶蘭葉片中白天有機酸的含量下降，夜晚有機酸的含量升高，這些都是CAM植物的光合特性，據(jù)此可判斷