层级Ⅲ　强化真应用•落脚实践解决问题

价值引领活动目标(1)通过对植物工厂的认知，明确植物工厂的研究意义，强化“作物增产和粮食安全意识”。(2)了解人工光合系统的构建和人工合成淀粉的途径，关注我国生物科技进展，强化创新意识和社会担当。(1)运用“物质与能量观”“结构和功能观”分析植物工厂的生产原理和过程，深入理解光合作用及细胞呼吸的原理和应用。(2)理解人工光合系统和人工合成淀粉的原理，掌握与光合作用相关的物质的转化流程，深化“物质与能量观”。活动项目(一)解密植物工厂，掌握“光合和呼吸原理”的时代应用情境素材植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用计算机、电子传感系统、农业设施对植物生长发育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生长发育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。1．营养供给植物工厂采用循环流动的营养液来满足植物的生长，营养液提供了植物生长所需的各种元素。植物工厂的营养液配制、灭菌、输送、回收都有专门的设施装置、电子仪器来完成，可实现营养液定量、自动供应，可实时监控营养液浓度、成分、酸碱度变化，通过自动补液，使营养液的流动速度和各种指标都保持在植物需要的适宜水平，始终为植物创造最优的营养液环境，以保证植物的优势生长。2．光照管理根据光能的利用方式可分为三种类型，即太阳光利用型植物工厂、全人工光利用型植物工厂、太阳光和人工光并用的综合型植物工厂。其中，全人工光利用型植物工厂又称为密闭式植物工厂。光环境的精准调控主要包含光谱、光照强度和光周期3个方面，即所谓的“光配方”。3．研究意义植物工厂被认为是21世纪解决粮食安全、人口、资源、环境问题的重要途径，也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段。[问题探究]1．植物工厂用营养液培植生菜过程中，需定时向营养液通入空气，目的是________________________________________。除通气外，还需更换营养液，其主要原因是_________________________________________________________________________________。提示：增加营养液中的溶氧量，促进根部细胞进行有氧呼吸根细胞通过呼吸作用产生二氧化碳溶于水形成碳酸，导致营养液pH下降；植物根系吸收了营养液中的营养元素，导致营养液成分发生改变2．植物工厂选用红蓝光组合LED灯培植作物，选用红蓝光的依据是___________________________________________________________________。提示：植物光合作用主要吸收红光和蓝紫光3．在夏季晴朗的午后，农作物往往出现“午休”现象，请说明产生这种现象的原因。提示：在午后这样一个高温、低湿条件下，温度升高导致蒸腾作用加强、叶片水分散失过多、脱落酸含量增加，共同引起部分气孔关闭，CO2吸收减少；同时，由于光照强度增强，出现光抑制现象，部分植物光呼吸作用增强，在多种因素共同作用下光合速率下降，出现“午休”现象。4．在一定的光照强度范围内，植物的光合速率随光照强度的增加而增加。请从植物生长和生产成本两个方面分析，植物工厂不是一味地提高光照强度的原因。提示：强光照一方面导致光抑制现象，影响产量和品质，另一方面也浪费了大量的电能，增加投资成本；在平衡产量、品质与耗能的关系上，往往要同时考虑光照强度和光照时间，针对每一种蔬菜或者每一个发育阶段，满足其每日的光需量。适宜的光照强度和光照时间在保证产量和节省成本方面能起到事半功倍的作用。5．在植物工厂中，往往采用立体式种植，请分析其优点。提示：立体式种植可在有限的空间内栽培更多的植物，增加经济效益；立体式种植可在不同的空间高度种植不同的或相同的植物，有利于提高光能利用率。

思维建模·触类旁通活动项目(二)通过人工光合系统与人工合成淀粉，深化“物质与能量观”情境素材(一)人工光合系统的构建科研人员开发了一种称为“Cetch循环”的人工碳固定方案，该方案通过一系列天然和工程化酶将CO2转化为有机分子，并同时开发了一种新型平台，可以根据需求制造人工叶绿体。从菠菜叶绿体中提取的类囊体可通过液滴微流控技术与“Cetch循环”的多种酶结合(纯化类囊体)，从而制备人工叶绿体并生产羟基乙酸，过程如图所示。[问题探究]1．在该人工叶绿体中，首先CO2在“Cetch循环”的多种酶的作用下生成乙醛酸，然后乙醛酸再与体系中的NADPH和ATP反应生成羟基乙酸，上述两个过程分别模拟了光合作用的______________________________过程。提示：暗反应中CO2的固定和C3的还原2．科研人员证实，这一新型平台制造的人工叶绿体吸收CO2的速率比天然叶绿体提高了100倍，分析原因是什么？提示：与天然叶绿体相比，人工叶绿体“Cetch循环”中催化CO2固定的酶催化效率高。3．理论上，这一新型平台可以根据人们的需求合成各种不同的有机物，其依据是什么？提示：酶具有专一性，可采用不同种类的酶，利用人工叶绿体合成不同的有机物。情境素材(二)人工合成淀粉我国科学家模拟和借鉴了植物的光合作用过程，从动物、植物、微生物中的31个物种中选择合适的酶，在无细胞系统中构建了一条人工淀粉合成途径(ASAP)，该途径首先通过光伏发电将光能转变为电能，光伏电解水产生氢气，然后通过催化剂利用氢气将二氧化碳还原成甲醇，最终合成淀粉，相关过程如图所示：简单来说，首先将二氧化碳还原成甲醇(C1)，然后将甲醇转化为三碳化合物(C3)，再转化为六碳化合物(C6)，最后聚合成淀粉。ASAP途径合成的淀粉与天然淀粉在结构上是基本一致的。初步测试显示，人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下，按照上述流程，理论上1立方米大小的生物反应器的淀粉年产量相当于中国五亩玉米田的淀粉年产量。这条路线使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能，也为从CO2合成复杂分子开辟了新的技术路线。[问题探究]4．人工合成淀粉的系统通过光伏发电技术实现光能的捕获，那么绿色植物是通过_______________________(相关结构)上光合色素捕获光能。若CO2供应不足，则短时间内，叶肉细胞中C5的含量将______(填“增加”“减少”或“不变”)。提示：叶绿体类囊体薄膜增加5．图中模块二模拟的是绿色植物光合作用的______过程，暗反应为光反应提供的物质条件有__________________。提示：暗反应NADP＋、ADP、Pi6．根据文中信息，下列叙述错误的是_______

。A．适合的酶是确保ASAP有序进行的关键B．ASAP过程与细胞内一样能循环进行C．ASAP中碳的转移途径为CO2→C1→C3→C6→淀粉D．ASAP过程中CO2转变为淀粉储存了能量B7．假设在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，人工合成过程中糖类的积累量________(填“高于”“低于”或“等于”)植物，其原因可能是________________________。提示：高于与人工合成糖类的过程相比，植物进行呼吸作用会消耗一部分糖类8．实验室人工合成淀粉技术的成功是一项重大突破，若该技术未来能够大面积推广应用，你认为可解决当前人类面临的哪些生态环境问题？提示：能节约大量的耕地和淡水资源；减少因农药、化肥的使用带来的环境污染；缓解粮食短缺；缓解温室效应等。[例1]

(2023·浙江6月选考)植物工厂是一种新兴的农业生产模式，可人工控制光照、温度、CO2浓度等因素。不同光质配比对生菜幼苗体内的叶绿素含量和氮含量的影响如图甲所示，不同光质配比对生菜幼苗干重的影响如图乙所示。分组如下：CK组(白光)、A组(红光∶蓝光＝1∶2)、B组(红光∶蓝光＝3∶2)、C组(红光∶蓝光＝2∶1)，每组输出的功率相同。回答下列问题：(1)光为生菜的光合作用提供________，又能调控生菜的形态建成。生菜吸收营养液中含氮的离子满足其对氮元素需求，若营养液中的离子浓度过高，根细胞会因________作用失水造成生菜萎蔫。(2)由图乙可知，A、B、C组的干重都比CK组高，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。由图甲、图乙可知，选用红、蓝光配比为_____________________，最有利于生菜产量的提高，原因是_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)进一步探究在不同温度条件下，增施CO2对生菜光合速率的影响，结果如图丙所示。由图可知，在25℃时，提高CO2浓度对提高生菜光合速率的效果最佳，判断依据是___________________________________________________________________________________________________________________________________。植物工厂利用秸秆发酵生产沼气，冬天可燃烧沼气以提高CO2浓度，还可以__________________，使光合速率进一步提高，从农业生态工程角度分析，优点还有__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

解题关键—科学思维[解析]

(1)叶绿体中的光合色素能够吸收、传递和转化光能，光为生菜的光合作用提供了能量。若营养液中的离子浓度过高，大于根细胞的细胞液浓度，可导致根细胞发生渗透失水，造成生菜萎蔫。(2)据图甲分析可得出A、B、C组的干重都比CK组高的原因，参见答案；由图甲、乙分析可知，B组(红光∶蓝光＝3∶2)的氮含量、叶绿素含量以及干重均最高，因此当红、蓝光的配比为红光∶蓝光＝3∶2时，最有利于生菜产量的提高。(3)由图丙分析可知，温度为25℃时，高CO2浓度下和大气CO2浓度下生菜的光合速率均较高，且该温度条件的高CO2浓度下与大气CO2浓度下生菜的光合速率的差值较大，因此在25℃时，提高CO2浓度对提高生菜光合速率的效果最佳。植物工厂利用秸秆发酵生产沼气，冬天可燃烧沼气以提高CO2浓度和温度，从而使植物光合速率进一步提高。利用秸秆发酵生产沼气，有利于实现物质的循环利用，提高能量的利用率，增加作物产量，减少环境污染。[答案]

(1)能量渗透(2)与CK组相比，A、B、C组使用的是红光和蓝光，光合色素主要吸收红光和蓝紫光，A、B、C组吸收的光更充分，光合速率更高，植物干重更高红光∶蓝光＝3∶2当光质配比为B组(红光∶蓝光＝3∶2)时，植物叶绿素和氮含量都比A组(红光∶蓝光＝1∶2)、C组(红光∶蓝光＝2∶1)高，有利于植物的光合作用，即该光质配比下，净光合速率更大，积累的有机物更多(3)25℃时，高CO2浓度下和大气CO2浓度下生菜的光合速率均较高，且25℃时高CO2浓度下与大气CO2浓度下生菜的光合速率的差值较大提高温度有利于实现物质的循环利用，提高能量利用率，减少环境污染[例2]

(2023·山东高考)当植物吸收的光能过多时，过剩的光能会对光反应阶段的PSⅡ复合体(PSⅡ)造成损伤，使PSⅡ活性降低，进而导致光合作用强度减弱。[信息①]细胞可通过非光化学淬灭(NPQ)将过剩的光能耗散，减少多余光能对PSⅡ的损伤。[信息②]已知拟南芥的H蛋白有2个功能：①修复损伤的PSⅡ；②参与NPQ的调节。科研人员以拟南芥的野生型和H基因缺失突变体为材料进行了相关实验，结果如图所示。[信息③]实验中强光照射时对野生型和突变体光照的强度相同，且强光对二者的PSⅡ均造成了损伤。(1)该实验的自变量为____________________。该实验的无关变量中，影响光合作用强度的主要环境因素有_________________(答出2个因素即可)。(2)根据本实验，______(填“能”或“不能”)比较出强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱，理由是_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)据图分析，与野生型相比，强光照射下突变体中流向光合作用的能量______(填“多”或“少”)。若测得突变体的暗反应强度高于野生型，根据本实验推测，原因是__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

解题关键—破译新情境[解析]

(1)据题意并结合题图分析可知，实验的自变量有拟南芥种类和有无强光；该实验的无关变量中影响光合作用强度的主要环境因素有CO2浓度、温度、水分等。(2)据图分析，强光照射下突变体的NPQ强度相对值大于野生型的，能减少强光对PSⅡ的损伤，但不能修复，而野生型含有H蛋白，能对损伤后的PSⅡ进行修复，故不能确定强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱。(3)据图分析，强光照射下突变体的NPQ强度相对值大，而NPQ能将过剩的光能耗散，从而使流向光合作用的能量减少；突变体的NPQ强度大，能够减少强光对PSⅡ的损伤，突变体的PSⅡ活性高，能为暗反应提供较多的NADPH和ATP，促进暗反应进行，因此突变体的暗反应强度高于野生型。[答案]

(1)拟南芥种类、有无强光CO2浓度、温度(2)不能强光照射下突变体的NPQ强度相对值大于野生型的，能减少强光对PSⅡ的损伤，但不能修复，而野生型含有H蛋白，能对损伤后的PSⅡ进行修复，故不能确定强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱(3)少突变体的NPQ强度大，能够减少强光对PSⅡ的损伤，突变体的PSⅡ活性高，能为暗反应提供较多的NADPH和ATP，促进暗反应的进行[考情聚焦]素材选择试题选材多样，以下两种居多：一是以大学教材中有氧呼吸和光合作用过程的文字或图解为素材；二是以科学家所做的一种或多种环境因素对两过程影响的实验数据表或坐标曲线为素材。考查学生对两过程基础知识的理解和对图表数据的分析推理。核心素养的考查：结构与功能观、物质与能量观，逻辑推理与论证、图表分析等科学思维以及科学探究题点分布基础考法以教材识记层面的单一知识为主，主要考查对基本知识的理解能力，如2023全国甲卷T29(1)考查光合色素的分布和功能；2023全国乙卷T29(1)考查了气孔开闭与光合作用、细胞呼吸的关系；2023湖南卷T17(1)考查了光合作用产物的运输综合考法以模块内和模块间知识的综合运用以及综合能力考查为主，如2023全国乙卷T32综合酶的特性考查基因突变类型的判断；2023广东卷T18综合考查了识图能力、语言表达能力；2023海南卷T16(3)考查了科学探究能力续表题点分布应用、创新考法创设问题情境，结合生产、生活实践进行考查，主要考查信息获取能力、学以致用和创新能力，如2023湖南卷T17创设情境考查了C3植物和C4植物的光合作用过程与光呼吸；2023山东卷T21以信息题形式考查了光抑制的原理及应用；2023浙江卷T22考查光照在植物工厂中的应用续表[强化训练]1．(2023·郑州一模)阅读下面几段材料，回答相关问题。材料一植物工厂是一种在人工精密控制光照、温度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下，实现农作物周年连续生产的高效农业系统。有的植物工厂完全依赖LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。材料二间作是指在同一田地上于同一生长期内，分行或分带相间种植两种或两种以上作物的种植方式。材料三轮作是指在同一田地上有顺序地在季节间和年度间轮换种植不同作物或复种组合的种植方式。在一年多熟条件下既有年间的轮作，也有年内的换茬，如南方的“绿肥→水稻→水稻”(第1年)→“油菜→水稻→水稻”(第2年)→“小麦→水稻→水稻”(第3年)轮作，这种轮作有不同的复种方式组成，称为复种轮作。(1)植物工厂中适当提高光照强度，可直接影响光合作用的______________阶段使光合作用速率提高，此时植物的最适二氧化碳浓度会________(填“降低”“升高”或“不变”)；叶绿素和类胡萝卜素均在__________(填“红光”“蓝紫光”或“红光和蓝紫光”)区有较高的吸光值。(2)如图所示为适宜条件下，几种常见农作物的净光合速率与光照强度的关系曲线。①A点时甘蔗和玉米的总光合速率是否相等？______(填“是”或“否”)。②结合材料二，玉米、甘蔗和大豆三者中若选其中两种进行间作，最合理的搭配是______________。(3)结合材料三，你认为轮作可提高作物产量的原因有____________________________________________________________________________________________(答出两点即可)。绿肥是指可直接翻埋或经堆沤后作肥料施用的绿色植物体，多为豆科植物，是重要有机肥料之一。施用绿肥可使作物增产的原因是___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(答出两点即可)。解析：(1)光照强度可影响光合作用的光反应阶段，所以适当提高光照强度，可直接影响光合作用的光反应阶段使光合作用速率提高，此时需要的二氧化碳更多，所以此时植物的最适二氧化碳浓度会升高。叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，所以叶绿素和类胡萝卜素均在蓝紫光区有较高的吸光值。(2)净光合速率＝总光合速率－呼吸速率，A点时甘蔗和玉米的净光合速率都是0，但玉米和甘蔗的呼吸速率不同，所以二者的总光合速率不同。间作是指在同一田地上于同一生长期内，分行或分带相间种植两种或两种以上作物的种植方式，需要这些植物对光照的需求不同，且可达到较大的净光合速率，所以选取大豆植株和玉米植株进行间作最合理。(3)由题意可知，轮作是指在同一田地上有顺序地在季节间和年度间轮换种植不同作物或复种组合的种植方式。这样可使不同作物在不同的季节充分利用土壤养分，改善土壤肥力，从而带来经济效益。绿肥是指可直接翻埋或经堆沤后作肥料施用的绿色植物体，这些植物经分解者分解可以改善土壤的物理性质，提高土壤保水保肥和供肥能力，减少养分损失，同时有机质经土壤微生物分解产生大量的二氧化碳和无机盐，促进光合作用的进行，从而使作物增产。答案：(1)光反应升高蓝紫光(2)①否②玉米和大豆(3)可均衡地利用土壤养分；能改善调节土壤肥力；能减轻病虫害和杂草危害等(答出两点即可)绿肥中有机质可经土壤微生物分解产生大量的二氧化碳和无机盐，促进光合作用的进行；绿肥可改善土壤的物理性质，提高土壤保水保肥和供肥能力，减少养分损失；绿肥还可以减少病虫害的发生等(答出两点即可)2．(2020·山东高考改编)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类，相关装置及过程如图所示，其中甲、乙表示物质，模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。(1)该系统中执行叶绿体中光反应功能的模块是________________，模块3中的甲可与CO2结合，甲为________。(2)若正常运转过程中气泵突然停转，则短时间内乙的含量将________(填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长，模块2中的能量转换效率也会发生改变，原因是________________________________________________________________________________________________________。(3)干旱条件下，很多植物光合作用速率降低，主要原因是__________________________________________________________________________________________________________________。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低，在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。解析：(1)根据题图可知，模块1利用太阳能发电装置将吸收的光能转换为电能，模块2利用电能电解H2O生成H＋和O2，并发生能量转换的过程。该系统中的模块1和模块2执行叶绿体中光反应功能。模块3将大气中的CO2转换为糖类，相当于光合作用的暗反应。暗反应中CO2和C5结合生成C3，故该系统中模块3中的甲为五碳化合物(C5)，乙为三碳化合物(C3)。(2)若正常运转过程中气泵突然停转，则CO2浓度突然降低，CO2的固定受阻，而三碳化合物(C3)的还原短时间内仍正常进行，因此短时间内乙(C3)的含量减少。暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP＋，若该系统气泵停转时间较长，则模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP＋不足，模块2中的能量转换效率也会发生改变。(3)干旱条件下，土壤含水量低，导致植物叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少。因此，干旱条件下，很多植物光合作用速率降低。答案：(1)模块1和模块2五碳化合物(或C5)

(2)减少模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP＋不足(3)叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少3．(2023·浦东新区模拟)绿色植物能够进行光合作用，其过程如图1。科学家根据光合作用原理，仿造了一套由硅纳米线(半导体材料)和乙酸菌组成的复合催化系统，如图2所示。该系统可以捕捉二氧化碳生成有机物CH3COOH(乙酸)，其中硅纳米线能够稳定和高效地吸收和转换光能，将水分解。回答下列有关光合作用的问题：(1)图1中的A表示________，B表示__________。(2)图1、图2所示系统中，光能被吸收转换后，最终分别储存在图中的__________、______(填物质)中。图2所示系统反应的实质是______________(从物质变化角度)，__________________(从能量转换角度)。(3)比较图1和图2所示系统，下列相关叙述错误的是