高中生物学教案学案一体化系列资料(高中生物学选修本全一册―上―人教版)[全套]47C3植物和C4植物

1、47 C 3 植物和 C4植物教案示例第二章第一节二 C3 植物和 C4 植物教学模式实验观察材料分析概括归纳。教学手段实验观察、材料分析和多媒体课件辅助教学。课时安排一课时教学过程一、引言光合作用是在叶绿体内进行的一个复杂的能量转换和物质变化过程，是地球上最基本的物质代谢和能量代谢。由于光合作用如此重要，它很早就吸引了许多科学家的兴趣。一个世纪以来，为了探寻光合作用的具体化学反应过程，科学家进行了大量的研究，诞生出众多的科学巨人，如在必修教材中涉及到的海尔豪特、普利斯特利、萨克斯、恩吉尔曼、鲁宾和卡门等，其中美国化学家卡尔文因揭示了植物光合作用暗反应的机理而获得了 1961 年的诺贝尔化学奖

2、。二、新课【教师活动】提供材料：卡尔文与地球上最重要的化学反应。卡尔文（ Me1vin Ca1vin 1911 1997）生于美国明尼苏达州，1931 年获得密欧根采矿技术学院的化学学士学位，1935 年获明尼苏达州大学的博士学位，1944 年到 1945 年在曼哈顿计划中从事铀的研究。1940 年，鲁宾（ S.Ruben）和卡门（ M.Kanmen）发现了碳的长寿命同位素14C，使卡尔文有了一种理想的工具来追踪二氧化碳是如何在暗反应中一步步变成碳水化合物的。在卡尔文的研究过程中，14C 成了主要工具，发挥了特别重要的作用。卡尔文在一个装置中放入进行光合作用的小球藻悬浮液，注入普通的二氧化碳，

3、然后按照预先设定的时间长度向装置中注入14C标记的二氧化碳，在每个时间长度结束时，杀死小球藻，使酶反应终止，提取产物进行分析。他通过色谱分析法发现当把光照时间缩短为几分之一秒时，磷酸甘油酸（C3）占全部放射性的 90，这就证明了磷酸甘油酸（C3）是光合作用中由二氧化碳转化的第一个产物。在5 秒钟的光合作用后，卡尔文找到了含有放射性的C3、 C5 和 C6。在实验中，卡尔文发现在光照下C3 和 C5 很快达到饱和并保持稳定。但当把灯关掉后，C3 的浓度急速升高，同时C5 的浓度急速降低。如果在光照下突然中断二氧化碳的供应，则C5 就积累起来，C3 就消失。【学生活动】分析材料，结合所学内容回答问

4、题：1在文中，卡尔文运用了哪些研究方法？（放射性同位素标记法、色谱分析法）2被标记的碳元素首先出现在哪一种化合物中？（磷酸甘油酸C3）3文中的最后一段说明了什么问题？（C5 是二氧化碳的受体，C3 是二氧化碳固定后的产物）【教师活动】复习总结C3 植物暗反应特点。介绍C4 植物的发现过程。澳大利亚科学家和在研究玉米、甘蔗等原产热带地区的绿色植物发现，当向这些绿色植物提供14C时，光合作用开始后的1 秒内， 90 以上的14C 出现在含有四个碳原子的有机酸（ C4）中。随着光合作用的进行，C4 中的 14C 逐渐减少，而C3 中的 14C逐渐增多。【学生活动】分析上述材料。结论：说明在这类绿色植

5、物的光合作用中，CO2中的 C 原子首先转移到C4 中，然后才转移到C3 中。【教师活动】介绍C3 和 C4 的概念和常见的种类。【学生活动】用显微镜观察菠菜叶和玉米叶的永久横切片。课堂讨论： C3 植物和 C4 植物的叶片结构有哪些不同？【师生互动】 结合教材图 2-3 和图 2-4 及多媒体课件分析 C3 和 C4 植物叶片结构的区别并将观察结果记录于下表。（详细内容见板书设计）【教师补充说明】通过研究发现， C3 植物的维管束鞘细胞含有没有基粒的叶绿体，这种叶绿体不仅数量多，而且体积大。C3 植物和 C4 植物之所以具有不同的固定CO2 的途径与二者的结构有密切关系。【学生活动】以学习研

6、究小组为单位分析选修教材图2-5C 4 植物光合作用特点示意图和必修教材图3-8 并填写下表：【师生互动】结上表，得出结论：PEP）， CO与 PEP结合生成 C 的场所是叶肉细胞的叶绿1C 途径的 CO的受体是磷酸烯醇式丙酮酸（4224体。CO， CO与 C 结合生成2C 进行 C 途径。2 C 形成后进入维管束鞘细胞释放4225333 C3 植物仅在叶肉细胞的叶绿体内进行C4 途径， C4 植物既在叶肉细胞的叶绿体内进行C4 途径又在维管束鞘细胞的叶绿体内进行C 途径。3【教师总结】 C4 植物固定 CO的 PEP羧化酶与 CO的亲和力比 C 途径中 C 羧化酶与 CO的亲和力高 6022

7、352倍。因此， C 植物能够把大气中含量很低的CO以 C 的形式固定下来，并运输到维管束鞘细胞的叶绿体中424供 C3 途径利用。因此，在热带的高温地区及在夏季炎热的中午，叶片气孔关闭，C4 植物能够利用叶片内细胞间隙中含量很低的CO进行光合作用。 C 植物比 C 植物更适于生活在温度较高的热带地区，C 植物比 C32434植物在进化上更高等。要点提示1卡尔文的研究成果在教材中未涉及到，但是在1991 年全国高考和1996 年的上海高考题中引用了卡尔文的研究过程。 在教学中应尽量给予学生科学研究的第一手资料， 使学生在了解 C4 植物的发现过程中不仅掌握科学研究的结果，还学习到了科学研究的方

8、法和过程。2 C4 植物和 C3 植物的叶片结构特点的教学应尽量发挥学生的主体性，使学生通过实验观察先获得感性认识，再讨论归纳总结，这样比较符合学生的认知规律。3教师要尽量将图片、图表制作成多媒体演示文稿，这样可吸引学生的注意力，并能发挥教师的主导作用，引导学生的讨论中心，有益于学生知识的建构。板书设计C4 植物叶片结构特点1、 C3 植物和 2、 C3 植物和 C4 植物的光合作用途径比较教案点评：提供原始材料， 使学生了解美国化学家卡尔文对通过用显微镜观察C3 植物和 C4 植物叶片结构，了解C4 途径的教学。C3 植物的暗反应的研究成果，引出 C3 植物的发现过程。C3 植物和 C4 植

9、物的叶片结构的不同从而进行C3 途径和扩展资料转基因植物研究新进展以转基因植物研究、开发和应用为标志的新农业技术革命正轰轰烈烈地在全球展开。转基因大豆、玉米、棉花和油菜已进入大规模商业化应用阶段。1999 年，这四种转基因作物的面积分别为2160 万、11102万、 370 万、 340 万 hm。以转基因，性状而言，面积最大的是抗除草剂转基因作物，其次是抗虫转基因作物。到目前为止，抗虫、抗除草剂等转基因作物的主要受益者是种植者。但越来越多的事例证明，转基因植物也可用于生产有益于人们身体健康的食品、药品和有益于环境保护的化工原料及产品。1. 转基因水稻玉米等 C 植物的光合作用效率较水稻、小麦

10、等 C 植物的高。 磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)在其中起了43很大的作用。 C4 植物光合系统的浓缩CO2，增加局部 CO2浓度的机制，使其即使在低CO2 浓度时也能使光合作用几近饱和， 从而大大提高其光合作用效率。因此，如何将 C4 植物的这一机制转移到水稻等C3 植物上一直是植物生物学家的研究问题之一，但实践证明，常规杂交育种手段很难如愿以偿。最近，Ku 等(1999)利用农杆菌介导法，将完整的玉米PEPC基因导入到了 C 植物水稻的基因组中。分析结果表明，多数转基3因水稻植株均高水平地表达玉米的PEPC基因，一些转基因植株叶片中的PEPC酶蛋白含量占叶片总可溶性蛋白的 12%以上，其

11、活性甚至比玉米本身的还高2-3 倍。 Northern和 Southern 分析结果表明， PEPC基因在转基因水稻植株中不存在基因沉默现象。这为利用基因工程技术快速改良水稻等C3 作物的光合作用效率，提高粮食作物产量开辟了新路子。目前，转基因植物研究多针对单基因控制性状，但众所周知， 植物的多数性状， 尤其是农作物的产量、品质性状，受多基因控制。要改良这些数量性状，仅靠改变其中的某个或少数基因是很难奏效的，而必须同时对控制性状的多个编码基因，甚至调控基因进行遗传转化，并使它们在转基因植株及其后代中稳定地表达和遗传才能达到预期的目的。显然，用同样的方法逐个地导入多个编码基因及调控基因的做法是不

12、可取的，也是不切实际的。前不久，Chen等 (1998)利用基因枪法对14 个分别整合在不同质粒中的外源基因进行的共转化研究结果表明，85%的 R。转基因水稻植株含有两个以上的外源基因，17%的 R。转基因株含有 9 个以上的外源基因， 最多的转基因株含有13 个外源基因。多数转基因株的形态正常，其中 63%的转基因株表现可育。不同外源基因的整机率基本相等，而且均整口在1-2 个位点上。该研究为通过基因工程改良农作物数量性状奠定了理论基础。Ye 等（ 2000）利用农杆菌介导法成功地将来自其他物种的psy 、crtl和 lcy 基因整合到水稻基因组中，并使它们在胚乳中稳定地表达而生成维生素A

13、生物合成所必需的酶，从而解决了水稻胚乳不能合成维生素A 的难题。为以水稻为主食的人们早日解决维生素A 缺乏问题展示了希望。该研究还进一步表明，只要明确了解某一物质的代谢过程，就有可能利用转基因技术来加以改良，从而为育成营养全面的粮食作物新品种提供了技术支持。与维生素不同，人体必需的矿质营养元素主要来自植物从土壤中吸收的矿物质，因此，利用基因工程技术解决人类矿质元素不足的关键是深入了解植物吸收和贮藏矿质养分的机理。事实上，利用大豆铁蛋白基因和相应的转基因技术，已获得了胚乳高水平表达贮藏铁蛋白的转基因水稻植株 (Goto 等，1999) 。目前需明确的问题是这种转基因水稻中的贮藏铁蛋白是否为人体所

14、吸收。节水农业技术一、工程节水与农艺节水相比，工程节水虽效益明显，但需要一定的投资。在目前农民增产不增收的形势下，应讲求经济效益，考虑本地区的经济发展水平，因地制宜、因水制定、量力而行，发展适合本地的节水工程措施。目前我国采用的工程节水措施，包括低压管道输水灌溉技术、渠道防渗技术、 喷灌技术、 微灌技术等。1. 低压管道输水技术。低压管道是一种输水节水潜力较大的节水灌溉技术，具有投资少、易管理、节水、节电、节地和省工等优点。其输水效率为 92.1%，适合在广大农村大力推行。“小白龙”技术费用低，输水效率高，能大大提高单井的灌溉面积，深受广大农民欢迎。2. 渠道防渗技术。这是我国目前应用最广泛的

15、一种节水工程技术措施通过对渠道进行防渗处理，减少输水过程中水的渗漏损失，加快输水速度和提高灌溉效率。与土渠相比，浆砌石块防渗减少渗漏损失60%-80%，混并行土护面可减少渗漏损失80%-90%，塑料薄膜防渗可关副省长渗漏损失90%以上。3. 喷灌技术。喷灌技术是近几年发展较快的节水灌溉技术，既可灌溉农作物又可用于喷洒肥料、农药和防霜冻、防干热风。在我国大面积推广的喷灌有固定式、半固定式和机组移动式。试验结果表明，喷灌的输水效率为 93%（其中水分漂移为 4.5%，道路喷水等损失 2.5%），比地面灌溉输水效率提高 20.8%。但喷灌投资耗能较大，应在经济较发达地区的高效作物和适宜土壤上优先推行

16、。二、生物节水生物节水是利用现代生物技术， 使作物适应干旱环境， 以生物机能提高产量和水分利用效率。 据预测，随着节水工程和农艺节水措施的全面实施，生物节水将成为节水农业的核心和潜力所在。1. 适水适作。 大量研究表明，不同作物之间的水分利用效率存在很大差异， C4 植物的水分利用率比 C3 植物高 2-3 倍。 因此，在节水农业中，要适水适作，按降雨时空分布特征、地下水资源、水利工程现状合理调整作物布局，选用需水和降水耦合性好、耐旱、水分利用率高的作物品种，以充分利用当地水资源。根据总降水量及其季节分布确定种植制度也十分必要。南皮实验站试验结果表明，黑龙港地区的复种指数与灌溉率呈负相关，水热

17、条件不能满足一年两熟，干旱年份尤为严重，而三年两熟的水分利用效率最高。这样，因水制宜，适当调整复种指数，注意用地和养地结合，可达节水降本增产的目的。2. 抗旱品种。品种间水分利用效率和抗旱性能差距明显，优质小麦“高优503”的总根长可达18/km平方米，其它试验品种总根长一般在 10km/平方米左右，并且在灌水量减少时深层根量明显增加，有利于根系吸收土壤深层储水渡过干旱期。但由于作物的抗旱性与丰产性和高水分利用率不易结合，抗旱育种工作者应利用常规技术和现代生物技术，以高水分利用率为主，抗旱和增产相结合为育种目标，力争有所突破。玉米高光效基因导入水稻获增产江苏省农科院遗传所与美国华盛顿州立大学古

18、森本教授合作，将玉米高光效基因导入水稻，使水稻产量提高以上。植物通过叶片上的气孔吸收CO2，叶绿素吸收太阳能进行光合作用合成碳水化合物。小麦、水稻等植物的光呼吸作用较强，大量未被利用的CO2重新释放到空气中。经分析，现有水稻品种的光能利用率只有，而理想的光能利用率是。玉米和甘蔗等C4 植物是高光效作物，光呼吸作用较弱，能够充分利用CO2来合成更多的碳水化合物，光合效率是水稻的. 倍。从年起，中美专家共同开展玉米高光效基因导入水稻的研究，分别受到美国自然科学基金和我国重大基础研究计划（）资助。此项研究将玉米高光合效率基因磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因导入水稻植株，并整合入水稻的基因组，使玉米的高光效

19、基因在水稻上得以良好的表达，改善了水稻植株叶片的气孔导度，提高了CO2的利用率，光合效率提高，产量增加以上。C3目前，研究人员正尝试着把玉米另外两个高光效基因也同时导入水稻，进一步提高水稻的光合效率和产量，并结合杂种优势利用，培育出新一代超级水稻。大棚里的“气肥”走进“杭州市蔬菜研究所”的塑料大棚，满眼绿色，春意盎然：牛奶番茄、樱桃番茄叶绿果红，煞是可爱，花卉棚中的“红玫瑰”、“天堂鸟”等名贵花卉也是生机勃勃、蓓蕾绽放。据科研人员的介绍，这里除采用先进的自动化温控、滴灌及无土栽培外，还增施了一种看不见、摸不着的神奇“气肥”二氧化碳。科学家们研究发现，影响光合作用效率的因素除了温度、光照强度外，

20、 还有二氧化碳浓度和植物类型。按照植物对二氧化碳的需求量可分为C3 植物、 C4 植物和 CAM植物。各种仙人掌、 剑麻、菠萝以及多汁植物属于CAM型植物， 它们最大的特点是气孔白天关闭，夜晚打开，固定部分二氧化碳，白天则利用储存的二氧化碳进行有限的光合作用，因而它们从高浓度二氧化碳中获益最少。玉米、甘蔗、高粱以及热带草本植物属C4 型植物，它们的共同特性是光呼吸脆弱，故可在干旱地区减少水分损耗而增加产量。大多数绿色植物都青睐二氧化碳，包括树木、 粮食作物、 蔬菜瓜果及海洋藻类等，它们统属C3 型植物，因为它们的光合作用的最初产物中每个分子中含有3 个碳原子。近年来，国内外科学家进行了大量的研

21、究证明：如果二氧化碳浓度提高一倍，那么平均增产幅度将高达 32%。黄瓜、番茄、莴苣将表现栽培期短，个体大，结果多，平均增产20% 50%；豌豆、大豆等科作物的固氮力大为提高，产量也相应增加28% 46%；花卉中如月季、石竹、菊花等表现早熟个大，增产幅度为 9% 15%，特别是话多花大花期长；马铃薯、山芋等块茎、地根类植物将长得特别大，最高增产可达 75%；玉米等 C4 类植物将更有效利用水分， 增产 10% 55%；水稻小麦等 C3类粮食作物将为人类食品短缺带来曙光，其叶能光合效率增加60%，产量提高 20% 64%。有人问：既然二氧化碳是看不见、摸不着的气体、人们怎么能收集起来供给植物？在杭

22、州“蔬菜所”的大棚中， 有台似冰箱那样的 “二氧化碳发生器” ，长长的塑料管同向大棚的四面八方。 据科研人员介绍，就是这台机器把“气肥”均匀的送到绿色植物的身旁，让它们象人类吃“滋补品”一般“消化吸收”，结出沉甸甸的果实和绽开美丽的花朵。典型例题1光照较强的中午，下列哪种植物光合作用效率高一些？（）A菠菜B 水稻C 玉米D小麦【解析】植物在光照较强的夏季中午，叶片上大多数气孔关闭，使叶片内细胞间隙中的CO2含量很低，这样只有C4 植物能够利用叶片内细胞间隙中含量很低的CO2进行光合作用，而C3 植物则不能或效率很低。题中 4 种植物只有玉米是C4 植物，因此【答案】应选C。【答案】C2关于 C

23、4 植物和 C3 植物对 CO2的固定的叙述，正确的是（）A C3 植物对 CO2 的固定需要能量，C4 植物对 CO2 的固定不需要能量B C3 植物对 CO2 的固定不需要能量，C4 植物对 CO2 的固定需要能量C C4 和 C3植物固定CO2的场所完全相同D C4 和 C3植物对 CO2 的固定都发生一次【解析】在 C3 植物光合作用中对CO2 的固定不需要消耗能量，可以说只要有CO2、有酶、有C5 就能够把 CO2 固定而形成C3。 C4 植物的途径也与C3 植物的途径完全相同，不需消耗能量就可完成CO2 的固定， C4植物的 C4 途径需 PEP固定 CO2时不需要消耗能量，但PE

24、P的形成需要消耗能量，这时所消耗的能量不能认为是用于还原 CO2，只能认为是用于 CO2的固定。 C3 植物对 CO2 的固定只有一次，发生在叶绿体内的基质中； C4 植物对 CO2 的固定有 2 次，一次发生在叶肉细胞的叶绿体中，一次发生在维管束鞘细胞的叶绿体中。【答案】B3图示在一定的CO2浓度和温度下，某阳性植物和阴性植物叶受光强度和光合作用合成量（用CO2 的吸收量表示）的关系图。请据图回答：（ 1）曲线 B 所表示的是 植物的受光强度和光合作用合成量的关系。（ 2） a、 b 点表示 。 2（ 4）将该阳性植物叶片先在光强度为X 的条件下放置若干时间，然后放于暗处（光强度为Q时） 1

25、2小时，要使此时叶的干物质量与照射前一样，则需光照小时。（ 5）在同等光照条件下，阳性植物呼吸作用的强度比阴性植物。【解析】（ 1）从图可知曲线B 在光照相对较弱时，光合作用逐渐增强，随光照增强，却不再有变化，可知 B 适于在弱光下生存，属喜阴植物。（ 2）植物在某一时刻 CO2 吸收量，实际是此刻光合作用放 CO2 与呼吸作用吸 CO2差值，依图示， a、 b 点是 A、 B 曲线代表的生物光合作用合成量为零，即在此时，光合强度等于呼吸强度。（ 3）从图示，可知光照为 Y 时， CO2 的吸收量为 12mg/100cm2h1，则面积为 25cm2 的叶片每小时光合作用量为 12/4=3mg。

26、（ 4）光强度为Q时，光合作用量为4mg，放置 12 小时，总合成量为12×（ 4） = 48mg/100cm2，若使其恢复干物质量到照射前水平，需使植物在X 光照下放置一段时间，使其光合作用合成量达到48mg，因此需光照 48/8=6 小时。（ 5）在光照强度为零时（Y 轴）， A 曲线 CO2 放出量为 4mg，而 B 则为 1mg左右，可知 A 呼吸强度大于B。【答案】（ 1）阴性 （ 2）阳性植物和阴性植物光合作用合成量与呼吸作用所消耗的有机物相等（ 3）3 （4）6 （5）大习题精选C3 植物和C4 植物一、选择题1下列植物中，分别属于A小麦，水稻C3 和C4 植物的是（）

27、B 甘蔗，大豆C 高粱，马铃薯2 C3 植物的含义是（）D 大麦，苋菜A固定 CO2后的产物是三碳化合物B合成的有机物中含有三碳化合物C 合成的有机物是三碳化合物D 固定 CO2前的产物是三碳化合物3 C3 植物叶片中的维管束鞘细胞的特点是（）A 不含叶绿体B 含只有基粒的叶绿体C 含只有基质的叶绿体D 含正常的叶绿体PEP的作用为（4 C 植物叶肉细胞的叶绿体中，）4A提供能量B 吸收水分C提供氢D 固定 CO25科学家发现 C3 和 C4 植物光合作用的叶片中，合成淀粉等有机物的具体部位是（）A 前者只在维管束鞘细胞；后者只在叶肉细胞B 前者只在叶肉细胞；后者只在维管束鞘细胞C 前者在维管

28、束鞘细胞和叶肉细胞；后者只在叶肉细胞 D 前者只在维管束鞘细胞；后者在叶肉细胞和维管束鞘细胞6关于 C4 植物的 C4 途径和 C3 途径的有关叙述中，正确的是（）A C4途径发生在维管束鞘细胞，C3 途径发生在叶肉细胞B 叶肉细胞可同时发生C途径和 C途径43CC3途径发生在维管束鞘细胞，C4 途径发生在叶肉细胞D C 途径和 C 途径都发生在维管束鞘细胞347把大小和生长状况基本相同的一株C3 植物和一株 C4 植物，共同用一个玻璃钟罩罩住，使其与外界空气隔绝，每天给予 12 h 的光照，几天后最可能的情况是（）A C4植物生长状况优于C3 植物B C 植物生长状况优于C 植物34C C3植物和 C4 植物都生长迅速D C 植物和 C 植物同时死亡348光照较强的夏季中午，下列哪种植物光合作用效率高一些？（）A 菠菜B 水稻C 玉米D 小麦9关于 C3 植物和 C4 植物对 CO2的固定的叙述，