2025届高考生物二轮复习【第1部分】大概念整合2前沿热点1光呼吸与光抑制　c4植物(c4途径)、景天科植物(cam途径)以及蓝细菌的co2浓缩机制教案(新教材)

光呼吸与光抑制C4植物(C4途径)、景天科植物(CAM途径)以及蓝细菌的CO2浓缩机制))1．光呼吸光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco酶。在暗反应中，Rubisco酶能够以CO2为底物实现CO2的固定；在光下，当O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco酶，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。光呼吸是一个高耗能的反应，正常生长条件下光呼吸就可损耗掉光合产物的25%～30%。过程如图所示：2．光抑制当光照过强，植物吸收的光能超过植物所需时，会导致光合速率下降，这种现象称为光抑制。强光条件下，一方面因NADP＋不足使电子传递给O2形成Oeq\o\al(－1,2)；另一方面会导致还原态电子积累，形成三线态叶绿素(3chl)，3chl与O2反应生成单线1O2。Oeq\o\al(－1,2)和1O2都非常活泼，如不及时清除，会攻击叶绿素和PSⅡ反应中心(参与光反应的色素－蛋白质复合体)的D1蛋白，从而损伤光合结构。造成光抑制的主要原因是植物抗逆性太弱。光照强度过大对植物形成的抗逆机制不能很好地适应，这时就会造成植物耐受能力的缺失，进而使其出现光抑制现象。另外，如低温、高温和干旱等同时存在时，光抑制加剧。在进行种植时，要注意植物需要光照适度，不能使植物长时间地受到过强的光照，否则容易造成光抑制，引起植物生长变形和生长缓慢等现象，影响植物的观赏效果。另外，在营养投放时也要谨慎，以免给植物造成营养抑制。3．C4植物(C4途径)的CO2浓缩机制(1)玉米、高粱、甘蔗都是C4植物，适于在高温、干燥和强光的条件下生长。(2)C4植物叶肉细胞的叶绿体和维管束鞘细胞的叶绿体共同完成CO2的固定。(3)在高温、光照强烈和干旱的条件下，绿色植物的气孔大量关闭。这时，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。4．景天科植物(CAM途径)的CO2浓缩机制(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。这类植物特别适合于炎热干旱地区，其特点是气孔夜间开放，吸收并固定CO2，形成以苹果酸为主的有机酸；白天则气孔关闭，不吸收CO2，但同时却通过卡尔文循环将从苹果酸中释放的CO2还原为糖。(2)这是一种节省水的光合作用，参与CO2转化的细胞器除了叶绿体之外，还有线粒体和液泡。5．蓝细菌的CO2浓缩机制蓝细菌具有CO2浓缩机制，如图所示。注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散。由图可知蓝细菌通过CO2浓缩机制使羧化体中Rubisco周围的CO2浓度升高，从而通过促进CO2固定进行光合作用，同时抑制O2与C5结合，进而抑制光呼吸，最终提高光合效率。1．(2022·江苏卷)图1所示为光合作用过程中部分物质的代谢关系(①～⑦表示代谢途径)。Rubisco是光合作用的关键酶之一，CO2和O2竞争与其结合，分别催化C5的羧化与氧化。C5羧化固定CO2合成糖；C5氧化则产生乙醇酸(C2)，C2在过氧化物酶体和线粒体协同下，完成光呼吸碳氧化循环。请据图回答下列问题：图1图2(1)图1中，类囊体膜直接参与的代谢途径有________________(从①～⑦中选填)，在红光照射条件下，参与这些途径的主要色素是________________。(2)在C2循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化，同时生成的______________在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。(3)将叶片置于一个密闭小室内，分别在CO2浓度为0和0.03%的条件下测定小室内CO2浓度的变化，获得曲线a、b(图2)。①曲线a，0～t1时(没有光照，只进行呼吸作用)段释放的CO2源于细胞呼吸；t1～t2时段，CO2的释放速度有所增加，此阶段的CO2源于________________。②曲线b，当时间到达t2点后，室内CO2浓度不再改变，其原因是___________________________。(4)光呼吸可使光合效率下降20%～50%，科学家在烟草叶绿体中组装表达了衣藻的乙醇酸脱氢酶和南瓜的苹果酸合酶，形成了图3代谢途径，通过降低了光呼吸，提高了植株生物量。上述工作体现了遗传多样性的________________价值。图3解析：(1)类囊体薄膜发生的反应有水的光解产生NADPH与O2，以及ATP的形成，即①⑥。叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，叶绿素主要有叶绿素a和叶绿素b两种，叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色；类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，用红光照射参与反应的主要是叶绿素a和叶绿素b。(2)过氧化氢酶能将过氧化氢分解为O2和H2O，所以在C2循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化，同时生成的过氧化氢在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。(3)a曲线t1～t2时段，有光照，所以CO2是由细胞呼吸和光呼吸共同产生。b曲线有光照后t1～t2时段CO2下降最后达到平衡，说明光呼吸细胞呼吸和光合作用达到了平衡。(4)图3代谢途径，通过降低了光呼吸，提高了植株生物量，直接提升了流入生态系统的能量，是直接价值。答案：(1)①⑥叶绿素a和叶绿素b(2)过氧化氢(3)①光呼吸②光合作用强度等于呼吸作用(4)直接2．(2023·江苏通州二模)光能过剩会导致光合作用强度下降，这种现象称为光抑制。低温会使植物出现光抑制而诱导活性氧(ROS)产生进而削弱光合作用的强度。为探究低温条件下褪黑素与植物光合速率关系及其作用机制，研究人员将长势相同的番茄幼苗平均分成甲、乙两组，甲组浇灌200μmol/L的褪黑素溶液(褪黑素溶于微量无水乙醇，用清水定容)，乙组浇灌等量清水(进行X处理)。经连续常温处理5天后，将甲乙两组分别选取一半的幼苗移至低温处理室中生长12天，另一半在原来条件下继续生长，形成下表中的分组处理类型。在处理的第0、3、6、9、12天随机选取幼苗，采集相同位置的叶片，提取叶绿体检测相关指标，结果如图所示。回答下列问题：图1图2分组处理NW常温＋水NM常温＋褪黑素CW低温＋水CM低温＋褪黑素(1)绿叶中不能吸收红光的色素是________________。叶肉细胞中水的光解过程__________(填“需要”或“不需要”)酶的催化。光抑制条件下植物进行光反应的产物有_________________________________。(2)根据实验过程和表中的分组情况进行分析，本实验中乙组进行的X处理是______________，根据图1中对光合速率(Pn)的数据分析，可得出的结论是_____________________________________________________。(3)超氧化物歧化酶(SOD)，是植物细胞内的一种可以清除ROS类物质的酶。结合图2实验结果分析，请推测褪黑素通过影响SOD而减弱光抑制的机制可能是___________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)绿叶中的色素包括叶绿素和类胡萝卜素两大类，类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素)只能吸收蓝紫光不能吸收红光。叶肉细胞中水的光解过程需要酶的催化。正常情况下植物光反应的产物有O2、ATP、NADPH，根据题目信息，光抑制条件下植物进行光反应的产物还有ROS。(2)根据实验过程和表中的分组情况进行分析，由于甲组中褪黑素溶解在无水乙醇中，为了控制单一变量，乙组应为含相同浓度(或等量)的无水乙醇。常温和加水均为对照，因为正常情况下植物生长在常温条件下，需要定期浇水，因此本实验的变量是低温和加入褪黑素，根据光合速率(Pn)的数据分析，可以得出的结论是一定浓度的褪黑素能够缓解(或减弱)低温条件(光抑制)对光合作用的影响。(3)SOD是可以清除ROS类物质的酶，加入褪黑素的分组，光抑制减弱，可以推测褪黑素通过增强SOD的活性促进ROS的清除。答案：(1)类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素)需要O2、ATP、NADPH、ROS(2)含相同浓度(或等量)的无水乙醇一定浓度的褪黑素能够缓解(或减弱)低温条件(光抑制)对光合作用的影响(3)褪黑素通过增强SOD的活性促进ROS的清除3．(2023·湖南卷)如图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。卡尔文循环的Rubisco酶对CO2的Km为450μmol·L－1(Km越小，酶对底物的亲和力越大)，该酶既可催化RuBP与CO2反应，进行卡尔文循环，又可催化RuBP与O2反应，进行光呼吸(绿色植物在光照下消耗O2并释放CO2的反应)。该酶的酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影响。与水稻相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘，其中叶肉细胞叶绿体是水光解的主要场所，维管束鞘细胞的叶绿体主要与ATP生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利用PEPC酶(PEPC对CO2的Km为7μmol·L－1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与CO2反应生成C4，固定产物C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2，再进行卡尔文循环。回答下列问题：(1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是__________(填具体名称)，该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成____________(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后，再通过__________长距离运输到其他组织器官。(2)在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度____________(填“高于”或“低于”)水稻。从光合作用机制及其调控分析，原因是______________(答出三点即可)。(3)某研究将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻，水稻叶绿体中CO2浓度大幅提升，其他生理代谢不受影响，但在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化。其原因可能是________________(答出三点即可)。解析：(1)玉米的光合作用过程与水稻相比，虽然CO2的固定过程不同，但其卡尔文循环的过程是相同的，结合水稻的卡尔文循环图解，可以看出CO2固定的直接产物是3-磷酸甘油酸，然后直接被还原成3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛在叶绿体中被转化成淀粉，在叶绿体外被转化成蔗糖，蔗糖是植物长距离运输的主要糖类，蔗糖在长距离运输时是通过维管组织。(2)干旱、高光照强度时会导致植物气孔关闭，吸收的CO2减少，而玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通过PEPC酶生成C4，使维管束稍内的CO2浓度高于外界环境，抑制玉米的光呼吸；且玉米能将叶绿体内的光合产物通过维管组织及时转移出细胞。因此在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度高于水稻。(3)将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻叶肉细胞，只是提高了叶肉细胞内的CO2浓度，而植物的光合作用强度受到很多因素的影响；在光饱和条件下如果光合作用强度没有明显提高，可能是水稻的酶活性达到最大，对CO2的利用率不再提高，或是受到ATP和NADPH等物质含量的限制，也可能是因为蓝细菌是原核生物，水稻是真核生物，二者的光合作用机制有所不同。答案：(1)3-磷酸甘油醛蔗糖维管组织(2)高于高光照条件下玉米可以将光合产物及时转移；玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通过PEPC酶生成C4，使维管束稍内的CO2浓度高于外界环境，抑制玉米的光呼吸(3)酶的活性达到最大，对CO2的利用率不再提高；受到ATP以及NADPH等物质含量的限制；原核生物和真核生物光合作用机制有所不同4．(2021·全国乙卷)生活在干旱地区的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题：(1)白天叶肉细胞产生ATP的场所有__________________。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和____________释放的CO2。(2)气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能防止_______________，又能保证________________正常进行。(3)若以pH作为检测指标，请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。(简要写出实验思路和预期结果)解析：(1)白天有光照，叶肉细胞能利用液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2进行光合作用，也能利用光合作用产生的O2和有机物进行有氧呼吸，光合作用光反应阶段能将光能转化为化学能储存在ATP中，有氧呼吸三阶段都能产生能量合成ATP，因此叶肉细胞能产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体(线粒体基质和线粒体内膜)、叶绿体类囊体薄膜。光合作用为有氧呼吸提供有机物和O2，反之，细胞呼吸(呼吸作用)产生的CO2也能用于光合作用暗反应，故光合作用所需的CO2可来源于苹果酸脱羧和细胞呼吸(或呼吸作用)释放的CO2。(2)由于环境干旱，植物吸收的水分较少，为了维持机体的平衡适应这一环境，气孔白天关闭能防止白天因温度较高蒸腾作用较强导致植物体水分散失过多，晚上气孔打开吸收CO2储存固定以保证光合作用等生命活动的正常进行。(3)该实验自变量是植物甲所处的生存环境是否干旱，由于夜间气孔打开吸收CO2，生成苹果酸储存在液泡中，导致液泡pH降低，故可通过检测液泡的pH验证植物甲存在该特殊方式，即因变量检测指标是液泡中的pH。答案：(1)细胞质基质、线粒体、叶绿体(类囊体薄膜)细胞呼吸(2)蒸腾作用丢失大量水分光合作用(暗反应)(3)实验思路：取若干生理状态相同的植物甲，平均分为A、B两组并于夜晚测定其细胞液pH。将A组置于干旱条件下培养，B组置于水分充足的条件下培养，其他条件保持相同且适宜。一段时间后，分别测定A、B两组植物夜晚细胞液的pH并记录。预期结果：A组pH小于B组，且B组pH实验前后变化不大，说明植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。5．(2023·安徽宿州二模)CO2是影响植物光合作用的重要因素。不同植物在长期的自然选择中形成了不同的适应特征。图1是三种不同类型植物的CO2同化方式示意图，图2表示生活在不同地区的上述三种植物在晴朗夏季的CO2吸收速率日变化曲线。已知玉米叶肉细胞叶绿体中固定CO2的酶对CO2的亲和力高于水稻，回答下列问题：图1图2(1)以光合色素的吸光百分率为纵坐标，以波长为横坐标，获得光合色素的吸收光谱。通过对比各组提取液对________(填“红光”“蓝紫光”或“绿光”)的吸光率来比较叶片中的叶绿素含量。(2)美国科学家卡尔文用____________法探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。CO2还原成糖的一系列反应称为____________。(3)图1水稻、玉米和景天科植物中，玉米对应图2中的曲线是____________，最适应炎热干旱环境的植物是____________，原因是_________________________________________________________________________________。(4)图2中，在4点时，A植物的光合速率为__________μmol/(m2·s)；在10点到16点期间，A组植物的光合速率________(填“>”“＝”或“<”)呼吸速率。(5)图2中，10点到12点间，B植物的光合速率下降而C植物继续升高，原因是___________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。只有叶绿素能吸收红光，可对比各组提取液对红光的吸光率来比较叶片中的叶绿素含量。(2)美国科学家卡尔文用14CO2去追踪碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。CO2还原成糖的一系列反应称为卡尔文循环。(3)由图1可知，水稻对CO2的吸收是在白天进行的，且没有固碳作用，玉米吸收CO2也是在白天进行的，由于有固碳作用，它的吸收能力较强，能利用较低浓度的CO2，景天科植物夜晚吸收CO2，白天时再利用液泡中储存的CO2进行光合作用，根据以上特点，与图2中曲线比较可得，B对应的是水稻，C对应的是玉米，A对应的是景天科植物。(4)在4点时，没有光照，A植物不能进行光合作用；A植物白天不从外界吸收CO2，而是利用晚上储存在液泡中的CO2和呼吸作用产生的CO2，图2中，在10点到16点期间，此时光照强度较高，A组植物的光合速率大于呼吸速率。(5)B对应的是水稻，C对应的是玉米，A对应的是景天科植物。在10点到12点期间，温度较高，会使植物的部分气孔关闭，CO2供应不足，引起B植物光合速率下降，而C植物能利用低浓度的CO2，此时光照强度不断增强，所以其光合速率继续升高。答案：(1)红光(2)同位素标记卡尔文循环(3)曲线C景天科植物该类植物白天因减少水分的散失而气孔关闭，但夜晚能吸收CO2，不影响光合作用的进行(4)0>(5)该时间段温度较高，B植株部分气孔关闭CO2供应不足，C植株可以利用低浓度的CO2，此时光照强度不断增强，所以光合速率继续升高提高农作物产量，端牢中国饭碗1．生物学的一些原理可以用于指导农业生产，提高农产品和一些养殖业产品的产量和质量。下列相关叙述错误的是()A．农家肥中的一些有机物可以被农田中的一些微生物分解成无机盐和CO2，为作物所利用B．农田被水淹要及时排水，否则根细胞会因缺氧而进行无氧呼吸产生CO2导致烂根C．温室内栽培农作物在阳光充足及其他栽培条件均适宜的情况下，为了提高产量采取的措施是适当增加空气中CO2的含量D．利用生长素可以培育一些无子果实，但这种变异是不可遗传的解析：B农家肥中的一些有机物可以被农田中的一些微生物分解成无机盐和CO2，为植物生长发育和光合作用利用，A正确；农田被水淹要及时排水，否则根细胞会因缺氧而进行无氧呼吸产生酒精，导致烂根，B错误；CO2是植物进行光合作用的主要原料，在阳光充足其他栽培条件均适宜的情况下，为了提高产量采取的措施是适量增加空气中CO2的含量，C正确；利用生长素可以培育一些无子果实，由于遗传物质未改变，这种变异是不可遗传的，D正确。2．下列关于提高塑料大棚内的农作物产量的措施中，正确的是()A．使用红色的塑料薄膜覆盖B．焚烧秸秆，提供二氧化碳C．合理密植D．夜晚适当升高温度解析：C大棚中应该使用白色或无色的塑料薄膜覆盖，A错误；大棚中不适宜焚烧秸秆，以避免温度过高，B错误；合理密植可以让植株之间空气流通，有利于增产，C正确；夜晚无光照，植物不进行光合作用，应适当降温，以减少呼吸作用消耗，D错误。3．(2023·河南新乡二模)粮食问题始终是全人类所面临的基本问题。我们在注意节约粮食的同时，更要发展现代农业，实现粮食的稳产高产。回答以下有关农业生产的问题：(1)合理密植可使大田作物得到良好的通风，进而为作物的光合作用提供充足的____________以有利于其在叶绿体基质中直接生成更多的________________。(2)在同一块田地上有顺序地在季节间和年度间轮换种植不同作物称为轮作。比如今年的棉田，明年换种西瓜。今年的瓜田，明年换种大豆。从生态学角度分析这样做的理由是_______________________________(答出两点)。(3)冬季大棚已经得到普及，保证了人们冬季的“菜篮子”，其目的主要是解决影响植物生长的________________(影响因素)条件。(4)施CO2提高温室植物产量的主要措施之一。但有人发现，随着增施CO2时间的延长，植物光合作用逐渐减弱。为探究其原因，研究者以黄瓜为材料进行实验，结果如图。图1图2图3由图可知，常温＋CO2处理组在超过29天后，净光合速率开始下降，直至低于常温处理组。此阶段，常温＋CO2组淀粉含量与光合速率的变化趋势_________，据此推测光合速率下降可能