专题10-光合作用与细胞呼吸的综合应用(串讲)(新高考专用)(解析版)

专题10光合作用与细胞呼吸的综合应用考点分布重点难点备考指南1.净光合与总光合2.光合作用和细胞呼吸的综合曲线3.光合作用与细胞呼吸过程中物质和能量的联系光合作用与细胞呼吸的综合应用。理解并掌握光合作用与细胞呼吸过程中物质和能量的联系理解净光合与总光合的关系以及相关语言。掌握曲线图的研究方法会分析做题考点一光合作用与细胞呼吸过程中物质和能量的联系1.光合作用光反应场所：叶绿体类囊体薄膜，暗反应场所：叶绿体基质。有氧呼吸第一阶段场所：细胞质基质，有氧呼吸第二阶段场所：线粒体基质，有氧呼吸第三阶段场所：线粒体内膜。2.光合作用光反应阶段为暗反应阶段提供的物质有：ATP和NADPH，暗反应为光反应提供的物质有ADP、Pi、NADP+。3.光合作用与有氧呼吸中的能量转化不同光照条件下叶肉细胞的气体代谢特点曲线光合作用强度与细胞呼吸强度的关系气体代谢特点图示A点只进行细胞呼吸吸收O2，释放CO2AB段细胞呼吸强度大于光合作用强度吸收O2，释放CO2B点细胞呼吸强度等于光合作用强度不与外界发生气体交换B点后光合作用强度大于细胞呼吸强度吸收CO2，释放O2典例1.下图表示菠菜叶肉细胞光合作用与细胞呼吸过程中碳元素和氢元素的转移途径，其中①～⑥代表有关生理过程。下列叙述错误的是()A．过程①、②、③不在生物膜上进行B．参与过程②、③、⑤的酶种类不同C．过程②、③、④、⑤都有ATP产生D．过程③产生的[H]全部来自丙酮酸【答案】D【解析】过程①表示光合作用暗反应，发生的场所是叶绿体基质；过程②表示有氧呼吸的第一阶段，发生的场所是细胞质基质；过程③表示有氧呼吸第二阶段，发生的场所是线粒体基质，都不在生物膜上进行，A正确；②、③为有氧呼吸的过程，其催化酶都为呼吸酶，⑤为光合作用光反应过程，参与的酶种类不相同，B正确；过程②、③、④为有氧呼吸的三个阶段，都有ATP产生，⑤为水的光解，有ATP产生，C正确；过程③为有氧呼吸第二阶段，是丙酮酸和水反应产生CO2和[H]，释放少量能量，产生的[H]部分来自丙酮酸，部分来自水，D错误。典例2.下图为植物细胞代谢的部分过程简图，①～⑦为相关生理过程。下列叙述错误的是()A．若植物缺镁，则首先会受到显著影响的是③B．②的进行与⑤⑥密切相关C．蓝藻细胞中④发生在叶绿体基质中D．叶肉细胞③中O2的产生量小于⑥中O2的吸收量，则该细胞内有机物的总量将减少【答案】C【解析】若植物缺镁则叶绿素的合成受到影响，首先会受到显著影响的生理过程是③光反应过程，A项正确；②是植物细胞通过主动运输吸收无机盐离子的过程，需要消耗能量，故与⑤⑥过程密切相关，B项正确；蓝藻细胞是原核细胞，没有叶绿体，C项错误；③光反应中O2的产生量小于⑥有氧呼吸中O2的吸收量，则净光合作用量小于0，该植物体内有机物的量将减少，D项正确。考点二真正光合作用和净光合作用的关系及其速率测定1.真正光合速率＝净光合速率＋细胞呼吸速率。2.细胞呼吸速率：植物非绿色组织(如苹果果肉细胞)或绿色组织在黑暗条件下测得的值——单位时间内一定量组织的CO2释放量或O2吸收量。3.净光合速率：植物绿色组织在有光条件下测得的值——单位时间内一定量叶面积所吸收的CO2量或释放的O2量。1．探究光照强度对光合作用强度的影响（1）实验原理：在光照下，绿色植物通过光合作用产生O2。可以通过台灯距烧杯的距离不同来控制光照强度。光照强度不同，则光反应产生O2的速率不同，叶片上浮的时间不同。（2）实验步骤及主要操作：①制备小圆形叶：将绿色菠菜叶片用直径为1cm的打孔器打出小圆形叶片30片。②排出细胞间隙中的气体：将小圆形叶片和适量清水置于注射器中，排出注射器内残留的空气，用手堵住注射器前端的小孔并缓缓拉动活塞，使小圆形叶片内的气体逸出，重复几次。③分装小圆形叶片：将小圆形叶片各10片，分别放入暗处盛有20mL富含CO2的清水的3个小烧杯中。这时的叶片因为细胞间隙充满了水，所以全部沉到水底。④控制自变量（光照强度）：把3个烧杯分别放在距离台灯位置10cm、20cm、30cm（对应编号为1、2、3）的位置上，打开台灯。⑤观察并记录：一定时间内小圆形叶片浮起的数量。（3）“叶片上浮法”应用中的三点注意（1）叶片上浮的原因是光合作用产生的O2大于有氧呼吸消耗的O2，不要片面认为只是光合作用产生了O2。（2）打孔时要避开大的叶脉，因为叶脉中没有叶绿体，而且会延长小圆形叶片上浮的时间，影响实验结果的准确性。（3）为确保溶液中CO2含量充足，小圆形叶片可以放入NaHCO3溶液中。2.光合速率和呼吸速率的测定方法(1)“液滴移动法”①测定呼吸速率a．装置烧杯中放入适宜浓度的NaOH溶液用于吸收CO2。b．玻璃钟罩遮光处理，以排除光合作用干扰。c．置于适宜温度环境中。d．红色液滴向左移动(单位时间内左移距离代表呼吸速率)。②测定净光合速率a．装置烧杯中放入适宜浓度的CO2缓冲液，用于保证容器内CO2浓度恒定，满足光合作用需求。b．必须给予足够光照处理，且温度适宜。c．红色液滴向右移动(单位时间内右移距离代表净光合速率)。③误差校正。为排除温度、气压等因素引起的气体体积膨胀，应设计对照实验。对照实验与上图不同之处在于不放植物或放置死亡的植物。④实际光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。(2)“黑白瓶法”黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶，瓶中生物只进行细胞呼吸，而白瓶中的生物既能进行光合作用又能进行细胞呼吸，所以用黑瓶(无光照的一组)测得的为细胞呼吸强度值，用白瓶(有光照的一组)测得的为表观(净)光合作用强度值，综合两者即可得到真正光合作用强度值。(3)“称重法”将叶片一半遮光，一半曝光，遮光的一半测得的数据变化值代表细胞呼吸强度值，曝光的一半测得的数据变化值代表表观(净)光合作用强度值，综合两者可计算出真正光合作用强度值。需要注意的是该种方法在实验之前需对叶片进行特殊处理，以防止有机物的运输。1.根据坐标曲线判定总光合还是净光合①当光照强度为0时，若CO2吸收值为负值，该值的绝对值代表细胞呼吸速率，该曲线代表净光合速率，如图甲。②当光照强度为0时，光合速率也为0，该曲线代表真正光合速率，如图乙。2.根据关键词判定细胞呼吸或净光合或总光合检测指标细胞呼吸速率净光合速率总光合速率CO2释放量(黑暗)吸收量(植物)、减少量(环境)利用量、固定量、消耗量O2吸收量(黑暗)、消耗量(黑暗)释放量(植物)、增加量(环境)产生量、生成量、制造量、合成量葡萄糖消耗量(黑暗)积累量、增加量产生量、生成量、制造量、合成量3.光合作用与细胞呼吸曲线中的“关键点”移动（1）细胞呼吸对应点（A点）的移动：细胞呼吸增强，A点下移；细胞呼吸减弱，A点上移。（2）补偿点（B点）的移动①细胞呼吸速率增加，其他条件不变时，CO2（或光）补偿点应右移，反之左移。②细胞呼吸速率基本不变，相关条件的改变使光合速率下降时，CO2（或光）补偿点应右移，反之左移。（3）饱和点（C点）和D点的移动：相关条件的改变（如增大光照强度或增大CO2浓度）使光合速率增大时，C点右移，D点上移的同时右移；反之，移动方向相反。1.光合作用和细胞呼吸实验探究中常用实验条件的控制方法实验条件控制方法增加水中O2泵入空气或吹气或放入绿色水生植物减少水中O2容器密封或油膜覆盖或用凉开水除去容器中CO2氢氧化钠溶液除去叶中原有淀粉置于黑暗环境中除去叶中叶绿素酒精隔水加热除去光合作用对细胞呼吸的干扰给植株遮光得到单色光棱镜色散或薄膜滤光维持容器内CO2浓度的恒定适宜浓度的NaHCO3溶液2．植物光合作用和细胞呼吸的日变化曲线分析（1）自然环境中一昼夜植物CO2吸收或释放速率的变化曲线a点：凌晨，温度降低，细胞呼吸减弱，CO2释放减少。b点：有微弱光照，植物开始进行光合作用。bc段：光合作用强度小于细胞呼吸强度。c点：上午7时左右，光合作用强度等于细胞呼吸强度。ce段：光合作用强度大于细胞呼吸强度。d点：温度过高，部分气孔关闭，出现“午休”现象。e点：下午6时左右，光合作用强度等于细胞呼吸强度。ef段：光合作用强度小于细胞呼吸强度。fg段：没有光照，光合作用停止，只进行细胞呼吸。bf段：制造有机物的时间段。ce段：积累有机物的时间段。一昼夜有机物的积累量＝S1－（S2＋S3）（S1、S2、S3分别表示曲线和横轴围成的面积）。（2）密闭容器中一昼夜CO2浓度的变化曲线（注意：分析光合作用或细胞呼吸速率的变化时，应分析曲线变化趋势的快慢，也就是斜率。）AB段：无光照，植物只进行细胞呼吸。BC段：温度降低，细胞呼吸减弱（曲线斜率下降）。CD段：4时后，微弱光照，开始进行光合作用，但光合作用强度小于细胞呼吸强度。D点：随光照增强，光合作用强度等于细胞呼吸强度。DH段：光合作用强度大于细胞呼吸强度。其中FG段表示“光合午休”现象。H点：随光照减弱，光合作用强度下降，光合作用强度等于细胞呼吸强度。HI段：光照继续减弱，光合作用强度小于细胞呼吸强度，直至光合作用完全停止。I点低于A点：一昼夜后，密闭容器中CO2浓度减小，即光合作用大于细胞呼吸，植物能正常生长（若I点高于A点，植物不能正常生长）。典例1.如图表示在适宜温度和CO2浓度下的大棚中，光照强度对某植物体光合作用的影响。下列有关说法正确的是()A．光照强度为D时，光反应最强，细胞中的ATP大量积累B．B点时叶肉细胞的光合作用强度大于细胞呼吸强度C．植物细胞呼吸产生的CO2总量＝S2＋S4D．大棚用红色或蓝紫色薄膜对提高棚内植物的产量最有效【答案】B【解析】细胞中的ATP不能大量积累，A错误；B点时，整个植物体的光合作用强度等于细胞呼吸强度，但是叶肉细胞的光合作用强度大于细胞呼吸强度，B正确；植物细胞呼吸产生的CO2总量＝S1＋S2＋S4，C错误；大棚用无色透明的薄膜对提高棚内植物的产量最有效，D错误。典例2.用等体积的三个玻璃瓶甲、乙、丙，同时从某池塘水深0.5m处的同一位置取满水样，立即测定甲瓶中的氧气含量，并将乙、丙瓶密封后沉回原处。一昼夜后取出玻璃瓶，分别测定两瓶中的氧气含量，结果如下(不考虑化能合成作用)。下列有关分析合理的是()透光玻璃瓶甲透光玻璃瓶乙不透光玻璃瓶丙4.9mg5.6mg3.8mgA.丙瓶中浮游植物的细胞产生[H]的场所是线粒体内膜B．在一昼夜内，丙瓶生物细胞呼吸消耗的氧气量约为1.1mgC．在一昼夜后，乙瓶水样的pH比丙瓶的低D．在一昼夜内，乙瓶中生产者实际光合作用释放的氧气量约为1.1mg【答案】B【解析】丙瓶中浮游植物的细胞产生[H]的场所有细胞质基质、线粒体基质，A项错误；本实验中氧气含量甲瓶－丙瓶＝4.9－3.8＝1.1(mg)，可表示一昼夜丙瓶中生物细胞呼吸消耗的氧气量，乙瓶－甲瓶＝5.6－4.9＝0.7(mg)，可表示一昼夜乙瓶中生物产生的净氧气量，因此乙瓶中生产者实际光合作用释放的氧气量＝1.1＋0.7＝1.8(mg)，B项正确、D项错误；一昼夜后，乙瓶水样中的CO2含量下降，因此其pH上升，而丙瓶中只进行细胞呼吸，CO2含量上升，pH下降，乙瓶水样的pH比丙瓶的高，C项错误。典例3.已知某植物光合作用和细胞呼吸的最适温度分别为25℃和30℃，如图表示30℃时光合作用与光照强度的关系。若温度降到25℃(原光照强度和二氧化碳浓度不变)，理论上图中相应点a、b、d的移动方向分别是()A．下移、右移、上移 B．下移、左移、下移C．上移、左移、上移 D．上移、右移、上移【答案】C【解析】由题干“光合作用和细胞呼吸的最适温度分别为25℃和30℃”可知，当温度从30℃降到25℃时，细胞呼吸强度降低，a点上移；光合作用强度增强，所以光饱和点时吸收的CO2增多，d点上移；b点光合作用强度＝细胞呼吸强度，在25℃时细胞呼吸强度降低，光合作用强度增强，在除光照强度外其他条件不变的情况下要使光合作用强度仍然与细胞呼吸强度相等，则需降低光照强度，即b点左移，C正确。典例4.将一植株放在密闭玻璃罩内，置于室外一昼夜，获得实验结果如图所示。下列有关说法错误的是()A．图甲中的光合作用开始于C点之前，结束于F点之后B．到达图乙中的d点时，玻璃罩内的CO2浓度最高C．图甲中的F点对应图乙中的g点D．经过这一昼夜之后，植物体的有机物含量会增加【答案】C【解析】图甲中的C、F点表明光合作用速率等于细胞呼吸速率，根据相应的时间可知，与图乙中的d、h点相符，即C点对应d点，F点对应h点，故C错误。1.（2018·江苏高考）如图为某一植物在不同实验条件下测得的净光合速率，下列假设条件中能使图中结果成立的是（）A．横坐标是CO2浓度，甲表示较高温度，乙表示较低温度B．横坐标是温度，甲表示较高CO2浓度，乙表示较低CO2浓度C．横坐标是光波长，甲表示较高温度，乙表示较低温度D．横坐标是光照强度，甲表示较高CO2浓度，乙表示较低CO2浓度【答案】D【解析】随着CO2浓度的增大，净光合速率先增大后趋于稳定，但由于净光合速率最大时对应着一个温度，即最适温度，低于或高于此温度，净光合速率都将下降，所以无法确定在CO2浓度足够大时，较高温度下的净光合速率高于较低温度；植物进行光合作用存在最适温度，高于最适温度后，净光合速率减小，所以随着温度升高，净光合速率不应先升高后趋于稳定；由于光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在相应光波长时，植物的净光合速率存在峰值，不应呈现先升高后趋于稳定的状态，且光波长一定时，较高温度下的净光合速率不一定较高；随着光照强度的增加，净光合速率先增大后趋于稳定，在光照强度足够时，较高的CO2浓度下净光合速率较大。2.(2022·辽宁沈阳市高三月考)如图甲所示，在CO2充足、温度不变的情况下，通过移动光源控制光照强度，测定植株的气体释放量，绘制曲线如图乙。下列叙述正确的是()A．若距离突然由a变为c，则短时间内叶绿体中C5含量减少B．c点时该植物叶肉细胞不能进行光合作用C．ab段表示该植物光合作用强度逐渐减弱，cd段表示呼吸作用强度逐渐增强D．b点和d点植物释放的气体量相同，气体种类也相同【答案】A【解析】若距离s突然由a变为c，光照减弱，光反应减弱，则短时间内叶绿体中NADPH和ATP生成减少，C3被还原减少，C5生成量减少，但短时间内其消耗量不变，所以C5含量减少，A正确；c点，气体的释放量为0，说明光合强度等于呼吸强度，B错误；cd段，光照减弱，光合作用减弱，故呼吸强度大于光合强度，呼吸作用强度不变(温度没变)，C错误；b点光合作用大于呼吸作用，植物释放氧气，而d点光照强度降低，光合作用小于呼吸作用，所以植物释放CO2，D错误。3.(2022·北京顺义区高三开学考试)全球气候变化不断加重，多重胁迫对作物生长发育和产量的不利影响日益显著。研究者设计实验分析了玉米苗在最适条件(CT)、单一干旱(D)、单一冷害(C)，以及干旱和冷害双重胁迫(D&C)下的净光合速率差异如图。下列叙述不正确的是()A．25天生长期培养的目的是保证各组玉米苗在胁迫干预前长势一致B．单一干旱胁迫下，玉米苗光合作用过程中的O2释放量、C3生成量均会减少C．在双重胁迫下，冷害能够明显缓解干旱胁迫对玉米苗生长发育造成的损伤D．实验表明，冷害对玉米苗可造成部分不可逆损伤，适度干旱可提高其抗逆性【答案】C【解析】实验过程中无关变量要保持一致，25天生长期培养是为了保证玉米苗的长势这个无关变量保持一致，A正确；单一干旱胁迫下，玉米苗的净光合速率降低，O2释放量降低，产生的C3减少，B正确；在双重胁迫下，玉米苗净光合速率下降的幅度更大，所以冷害能够明显加剧干旱胁迫对玉米苗生长发育造成的损伤，C错误；实验中，C组在恢复期的净光合速率变化幅度不大，而D组在恢复期净光合速率变化幅度很大，所以冷害对玉米苗可造成部分不可逆损伤，适度干旱可提高其抗逆性，D正确。4.(2022·重庆渝中区高三开学考试)下图表示在光照充足、CO2浓度适宜的条件下，温度对某植物光合作用速率和呼吸速率的影响。下列有关叙述正确的是()A．15℃时呼吸作用为暗反应提供的ATP不足B．5℃～37℃范围内，植物均表现为生长状态C．当温度达到50℃时，植物因蛋白质失活而死亡D．温室栽培中温度控制在35℃左右时最有利于该植物生长【答案】B【解析】暗反应所需ATP只能来自光反应，呼吸作用产生的ATP满足生命活动需要，不作为暗反应的能量，A错误；5℃～37℃范围内，实际光合作用速率大于呼吸速率，净光合速率大于0，所以植物均表现为生长状态，B正确；当温度达到50℃时，植物细胞仍能进行呼吸作用，说明没有因蛋白质失活而死亡，C错误；由于在温度为30℃条件下，实际光合作用速率与呼吸作用速率的差值最大，所以温室栽培中温度控制在30℃左右最有利于该植物生长，D错误。5.(2022·江苏宿迁高三月考)紫叶李(阳生植物)和绿萝(阴生植物)均为日常生活中常见的植物。如图为两种植物在适宜的温度、水分等条件下，光合作用速率与呼吸速率的比值(P/R)随光照强度变化的曲线图，下列叙述正确的是()A．若适当增加土壤中无机盐镁的含量，一段时间后B植物的a点右移B．光照强度为a时，每日光照12小时，一昼夜后绿萝干重不变，紫叶李干重减少C．光照强度在b点之后，限制绿萝P/R增大的主要外界因素是CO2浓度D．光照强度为c时，紫叶李和绿萝的净光合速率相等【答案】C【解析】对于B植物而言，a点光合作用速率与呼吸速率的比值(P/R)为1，对应的光照强度为光补偿点，若适当增加土壤中无机盐镁的含量，B植物合成叶绿素增多，到达光补偿点需要的光照强度变小，故一段时间后B植物的a点左移，A错误；光照强度为a时，对于绿萝(B)而言，光合作用速率与呼吸速率的比值(P/R)为1，白天12小时没有积累有机物，晚上进行呼吸作用消耗有机物，一昼夜干重减少，B错误；阴生植物的呼吸速率比阳生植物的呼吸速率更低，光照强度为c时，二者的P/R相同，但呼吸速率不同，故净光合速率不同，D错误。6.（2018·全国卷Ⅰ）甲、乙两种植物净光合速率随光照强度的变化趋势如图所示。回答下列问题：（1）当光照强度大于a时，甲、乙两种植物中，对光能的利用率较高的植物是________。（2）甲、乙两种植物单独种植时，如果种植密度过大，那么净光合速率下降幅度较大的植物是__________，判断的依据是______________________________________________________________________________________________________________________。（3）甲、乙两种植物中，更适合在林下种植的是________。（4）某植物夏日晴天中午12：00时叶片的光合速率明显下降，其原因是进入叶肉细胞的________（填“O2”或“CO2”）不足。【答案】（1）甲（2）甲光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大，种植密度过大，植株接受的光照强度减弱，导致甲植物净光合速率下降幅度比乙大（3）乙（4）CO2【解析】（1）由曲线图可知，光照强度大于a时，随着光照强度的增加，甲植物的净光合速率增加的幅度更大，说明甲植物对光能的利用率较高。（2）当种植密度过大时，植株的叶片会相互遮挡，植株接受的光照强度减弱，导致植物净光合速率下降。由曲线图可知，光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大。（3）由曲线图可知，在低光照强度下，乙植物的净光合速率较高，在高光照强度下，乙植物的净光合速率明显低于甲植物，所以乙植物更适合在林下低光照强度的环境下种植。（4）夏日晴天中午12点，温度较高，部分气孔关闭，进入叶肉细胞的CO2明显减少，抑制暗反应，导致叶片的光合速率明显降低。7.（2016·江苏高考）（2018·唐山模考）下图表示温室栽培的草莓净光合速率日变化曲线示意图（在C点打开通风口，一小时后关闭），请据图分析以下问题：（1）在B点，草莓产生ATP的细胞器有____________________________________________。（2）BC段速率下降的原因是____________________________________________________，EF段速率下降的主要原因是______________________________________________。（3）在7时～19时的时间内，草莓有机物的积累量_____________（填“升高”“降低”或“不变”），原因是_______________________________________。【答案】（1）叶绿体和线粒体（2）光合作用消耗大量CO2，使得温室内CO2浓度降低，导致净光合速率下降光照逐渐减弱导致净光合速率下降（3）升高因为在7时～19时的时间内净光合速率始终大于零，说明有有机物积累【解析】（1）在B点时，草莓同时进行光合作用和细胞呼吸，在线粒体中可通过有氧呼吸第二、三阶段产生ATP，在叶绿体中可通过光反应产生ATP。（2）C点以前温室封闭，由于草莓光合作用吸收CO2，导致温室内CO2浓度降低，使BC段净光合速率下降，EF段光照强度逐渐下降，导致净光合速率下降。（3）7时～19时的净光合速率始终大于0，说明有机物的合成大于分解，草莓有机物的积累量升高。8.(2020·海南，21)在晴朗无云的