高考生物一轮复习光呼吸C4CAM微专题

YOURLOGO光呼吸、C4、CAM植物微专题1.

概念植物的叶肉细胞在光下有一个与呼吸作用不同的生理过程，即在光照条件下，叶肉细胞中O2与CO2

竞争性结合

RuBP(C5)，O2与

RuBP结合后经一系列反应释放CO2的过程。这种反应在光照下进行，与有氧呼吸类似，故称光呼吸。由于光呼吸过程中几种主要化合物如乙醇酸、乙醛酸、甘氨酸等都是二碳化合物，因此光呼吸也称C2循环（C2cycle）。一、光呼吸光呼吸是一个“耗能浪费”的生理过程，因此，抑制植物的光呼吸可实现农作物的增产。光呼吸产生的原因（1）内因：Rubisco是一种兼性酶，具有催化羧化反应（C5+CO2→2C3）和加氧反应（C5+O2→C3+C2）两种功能。（2）外因①CO2/O2比值：Rubisco酶催化反应的方向决定于CO2/O2比值。比值增大，羧化反应增强，进行光合作用；比值减小，加氧反应增强，进入C2途径。因此，高O2环境下，光呼吸会明显加强，而提高CO2浓度可明显抑制光呼吸。②温度：当温度升高时，提高了Rubisco与O2的亲和力，O2的吸收增加，表现光呼吸增加。光呼吸与光合作用的关系①与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒体。光呼吸产生的条件是光照、高O2含量和低CO2含量等。②在干旱天气和过强光照下，因为温度很高，蒸腾作用很强，气孔大量关闭。此时的光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的NADPH和ATP，又可以为暗反应阶段提供原料，因此光呼吸对植物有重要的正面意义。光呼吸的生理意义（1）不利影响：光呼吸消耗掉暗反应的底物C5，导致光合作用减弱，农作物产量降低。（2）有利影响：①消除乙醇酸对细胞的不利影响乙醇酸对细胞有毒害作用，它的产生在代谢中是不可避免的。②氮代谢的补充光呼吸代谢中涉及多种氨基酸（甘氨酸、丝氨酸等）的形成和转化过程，可为蛋白质合成提供部分原材料。③防止强光对光合机构的破坏在强光下，光反应中形成的NADPH和ATP会超过暗反应的需要，叶绿体中NADPH/NADP、ATP/ADP的比值增高，由光激发的高能电子会传递给O2，形成超氧阴离子自由基O2-，O2-对光合机构具有伤害作用，而光呼吸可消耗过剩的同化力和高能电子，减少O2-的形成，从而保护光合机构。1.光合作用C3、C4途径比较（1）C3植物和C4植物定义人们根据光合作用碳素同化的最初光合产物的不同，把高等植物分成两类：①C3植物：这类植物的最初产物是3-磷酸甘油酸（三碳化合物），这种反应途径称为C3途径，如水稻、小麦、棉花、大豆等大多数植物。②C4植物：这类植物以草酰乙酸（四碳化合物）为最初产物，所以称这种途径为C4途径，如甘蔗、玉米、高梁等。二、C4途径C3植物叶片中维管束鞘细胞较小，其内不含叶绿体，其叶肉细胞内含有典型的叶绿体，即可进行光反应又可进行暗反应。C4植物叶片有“花环形结构”的两圈细胞，内层为维管束鞘细胞，含有叶绿体，只能进行暗反应。叶肉细胞中含典型叶绿体，能进行光反应，通过C4途径固定CO2。项目种类CO2受体CO2固定后产物CO2固定场所光反应场所暗反应场所C3植物RuBP(C5)PGA(C3)叶肉细胞叶绿体叶肉细胞叶绿体基粒叶肉细胞叶绿体基粒C4植物PEP(C3)RuBP(C5)PGA(C3)OAA(C4)叶肉细胞细胞质基质、维管束细胞叶绿体叶肉细胞叶绿体基粒维管束细胞叶绿体基质C3和C4植物光合途径的比较①在光反应阶段完全相同。②C4植物在光合的暗反应先在叶肉细胞中经C4途径将吸收的CO2固定在苹果酸（C4）中，然后C4转移到维管束细胞释放CO2，CO2进入卡尔文循环（C3途径）。③C3植物C3植物只利用卡尔文循环中1，5-二磷酸核酮糖直接固定CO2。一个CO2被一个五碳化合物（1，5-二磷酸核酮糖，简称RuBP）固定后形成两个三碳化合物（3-磷酸甘油酸，PGA），即CO2被固定后最先形成的化合物中含有三个碳原子。C4植物具有较高光合速率的因素（1）C4植物的叶肉细胞中的PEP羧化酶（PEPC）对底物CO2溶解产物HCO3－的亲和力极高，使细胞中有高浓度的CO2，从而促进暗反应，降低了光呼吸，且光呼吸释放的CO2又易被再固定；（2）高光强可产生更多的[H]和ATP，以满足C4植物C4循环对ATP的额外需求；（3）鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。C4植物无光合午休现象。1.（2022·湖北孝感·高三开学考试改编题）甘蔗和大豆是两种常见的农作物，但二者的光合作用途径有所不同。如图甲为甘蔗光合作用过程，其叶肉细胞中存在一种酶，这种酶对CO2有极强的亲和力，通过系列反应可以将CO2“泵”入维管束鞘细胞，这种酶被称为“CO2泵”，而大豆则缺乏“CO2泵”；图乙表示不同温度对大豆光合速率和呼吸速率的影响。（1）图甲维管束鞘细胞中的物质A是____________，如果在甘蔗叶肉细胞中注入某种使“CO2泵”活性降低的抑制剂，则短期内A的含量将____________。据图甲推测，甘蔗的叶肉细胞____________（填“能”或“不能”）进行卡尔文循环。（2）当处于图乙所示光照条件下，温度为35℃时，大豆每小时可固定____________mg的CO2（3）研究人员发现，给大豆浇用18O标记的水，在周围的空气中却检测到了C18O2，原因是____________。C3（三碳化合物）

降低不能6．5H218O在线粒体中与丙酮酸发生反应产生[H]和C18O21.（2022·湖北孝感·高三开学考试改编题）甘蔗和大豆是两种常见的农作物，但二者的光合作用途径有所不同。如图甲为甘蔗光合作用过程，其叶肉细胞中存在一种酶，这种酶对CO2有极强的亲和力，通过系列反应可以将CO2“泵”入维管束鞘细胞，这种酶被称为“CO2泵”，而大豆则缺乏“CO2泵”；图乙表示不同温度对大豆光合速率和呼吸速率的影响。（4）研究发现晴朗的夏季11:00时，光照增强，温度过高，叶片气孔开度下降，最终导致大豆光合作用速率明显下降；而此时甘蔗光合作用速率不仅没有下降，反而有所上升原因是____________。（5）一般来说甘蔗的CO2补偿点和CO2饱和点均______(填“高于”“等于”“低于”）大豆。甘蔗叶肉细胞内有“CO2泵”，在气孔开度下降，CO2浓度降低时，仍可以维持细胞内较高的CO2利用率（CO2的固定效率），且光照强度增强，光合作用增强低于三、CAM途径①仙人掌、菠萝和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用。这类植物特别适合生长于干旱地区，其特点是气孔夜间开放，白天关闭。

该类植物夜间吸收CO2，淀粉经糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，CO2与PEP结合，生成草酰乙酸，进一步还原为苹果酸储存在液泡中。

白天气孔关闭，苹果酸转移到细胞质基质中脱羧，放出CO2，进入C3途径合成淀粉；形成的丙酮酸可以形成PEP再还原成三碳糖，最后合成淀粉或者转移到线粒体，进一步氧化释放CO2，又可进入C3途径。该类植物叶肉细胞夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH下降；白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液pH上升。1.（2022·山东高三月考

改编）如今在卧室中摆放多肉植物已成为一种时尚。绝大多数的多肉植物有一种特殊的CO2固定方式：夜间气孔开放，固定CO2产生苹果酸储存在液泡中(如图一)；白天气孔关闭，苹果酸脱羧释放CO2，用于光合作用(如图二)。据图分析回答下列问题。（1）多肉植物细胞内参与CO2固定的物质有

；若上午10点突然降低环境中CO2浓度，则短时间内多肉植物细胞中C3的含量变化是______________。（2）夜间多肉植物细胞内的pH会下降，原因是______________________。磷酸烯醇式丙酮酸和C5基本不变夜间多肉植物细胞固定CO2产生苹果酸；夜间多肉植物细胞呼吸作用产生CO2形成H2CO3（3）研究表明，光质在植物的生长发育、形态建成和生理代谢方面具有明显的调控作用。欲研究一定比例组合(1：1与3：1)的红光和蓝光对某多肉植物幼苗光合作用的影响，实验应注意调节各组光源与幼苗的距离，使_____________。除了不同比例的红蓝光组，实验还应设置_______________作为对照组。本实验除了可以测量二氧化碳的吸收速率或者氧气的释放速率等表示光合速率的指标外，还可以测量气孔导度以及_______________________________________________(答出两点即可)。（4）若将一株多肉植物置于密闭装置内进行遮光处理，用CO2传感器测定装置中CO2的变化速率，以此作为该植物的呼吸速率，这种做法不合理的原因是______________各组光照强度相同