07-由“C4植物和光呼吸”等一些特例-评价创新思维能力-热点情境专讲

高考生物创新考法—破译新情境由“C4植物和光呼吸”等一些特例，评价创新思维能力“核心价值”命题“金线”(为什么考)“知能素养”命题“银线”(考什么)(1)光合作用固定CO2的途径除了卡尔文循环以外，还有C4途径和景天酸代谢(CAM)途径等；植物除了细胞呼吸(暗呼吸)外，还有光呼吸。近几年的高考试题更多的围绕C4植物、光呼吸等特殊过程进行考查。(2)本课题通过对特殊光合作用过程和光呼吸的探究学习，旨在提升学生的知识迁移、发散思维和运用所学解答实际情境问题的能力。(1)以C3植物的光合作用为基础，了解C4植物和景天科植物的光合作用过程。(2)了解光呼吸的原理、过程和意义。(3)通过构建“CO2固定途径”，浸润“物质能量观”，构建解题“思维模型”，发展思维品质，提升创新解决问题的能力。探究路径(一)

C4植物的CO2浓缩机制[见识新情境]玉米、甘蔗等起源于热带的植物，其叶肉细胞的叶绿体内，在有关酶的催化作用下，CO2首先被一种三碳化合物[磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)]固定，形成一个四碳化合物(C4)。C4进入维管束鞘细胞的叶绿体中，释放出一个CO2，并形成另一种三碳化合物——丙酮酸。释放出来的CO2进入卡尔文循环；丙酮酸则再次进入叶肉细胞中的叶绿体内，在有关酶的催化下，通过ATP提供的能量，转化成PEP，继续固定CO2，具体过程如下图所示。这种以四碳化合物(C4)为光合最初产物的途径称为C4途径，而卡尔文循环这种以三碳化合物(C3)为光合最初产物的途径则称为C3途径。相应的植物被称为C4植物和C3植物。注：维管束主要作用是为植物体输导水分、无机盐和有机养料等。热带植物为了防止水分过度蒸发，常常关闭叶片上的气孔，这样空气中的CO2就不易进入叶肉细胞，不能满足光合作用对CO2的需求。而C4途径中能固定CO2的那种酶对CO2有很高的亲和力，使叶肉细胞能有效地固定和浓缩CO2，供维管束鞘细胞中叶绿体内的C3途径利用。[追根于教材]1．C4植物光反应和CO2固定发生在哪些场所？提示：C4植物光反应发生在叶肉细胞的叶绿体类囊体薄膜上，而CO2固定发生在叶肉细胞和维管束鞘细胞中。2．科学家用含14C标记的CO2来追踪玉米光合作用中的碳原子的转移途径，请表示这种碳原子的转移途径。提示：CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)。3．与水稻、小麦等C3植物相比，C4植物的CO2的补偿点较________。高温、干旱时C4植物还能保持高效光合作用的原因是什么？提示：低PEP羧化酶对CO2具有高亲和力，C4植物可利用低浓度的CO2进行光合作用。探究路径(二)蓝藻的CO2浓缩机制[见识新情境]蓝藻具有CO2浓缩机制，如下图所示。注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散[追根于教材]1．CO2依次以__________和__________方式通过细胞膜和光合片层膜。蓝藻的CO2浓缩机制可提高羧化体中Rubisco周围的CO2浓度，从而通过促进__________。2．向烟草内转入蓝藻Rubisco的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝藻羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，应能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的________中观察到羧化体。3．研究发现，转基因烟草的光合速率并未提高。若再转入HCO和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用，理论上该转基因植株暗反应水平应______，光反应水平应_____，从而提高光合速率。(填“提高”或“降低”)自由扩散主动运输CO2固定叶绿体提高提高探究路径(三)景天科植物的CO2固定[见识新情境]景天科酸代谢是许多肉质植物的一种特殊代谢方式，在夜间，大气中CO2从气孔进入，被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化，与PEP结合形成草酰乙酸(OAA)，再经苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸，贮存于液泡中。在白天，苹果酸从液泡中释放出来，经脱羧酶作用形成CO2和丙酮酸，CO2产生后用于卡尔文循环，作用机制如图所示(该机制也称CAM途径)。[追根于教材]1．从进化角度看，这种气孔开闭特点的形成是__________的结果。夜晚，该类植物吸收的_____(填“能”或“不能”)合成葡萄糖，原因是____________________________________。2．如果白天适当提高CO2浓度，景天科植物的光合作用速率变化是________(填“增加”“降低”或“基本不变”)。3．分析图中信息推测，CAM途径是对_____(填“干旱”或“湿润”)环境的适应；该途径除维持光合作用外，对植物的生理意义还表现在____________________________________________。自然选择不能没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH基本不变干旱有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成水分过多散失探究路径(四)光呼吸与CO2固定[见识新情境]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：[追根于教材]1．由于光呼吸的存在，会降低植物体内有机物的积累速率。Rubisco酶的催化方向取决于CO2与O2的浓度比，请推测说明具体的情况。提示：当CO2与O2浓度比高时，Rubisco酶催化固定CO2反应加强；当CO2与O2浓度比低时，Rubisco酶催化光呼吸反应加强。2．研究发现，光合产物1/3以上要消耗在光呼吸底物上。生产实际中，常通过适当升高CO2浓度达到增产的目的，请分析并解释其原理。(从光合作用原理和Rubisco酶催化反应特点两个方面作答)。提示：CO2浓度升高可促进光合作用暗反应的进行，进而提高光合作用强度，同时还可促进Rubisco酶催化更多的C5与CO2结合，减少C5与O2的结合，从而降低光呼吸速率。3．已知强光下ATP和NADPH的积累会产生O2－(超氧阴离子自由基)，而O2－会对叶绿体光合作用的反应中心造成伤害。依据图中信息，解释植物在干旱天气和过强光照下，光呼吸的积极意义是什么？提示：叶片缺水，气孔部分关闭，CO2吸收减少，低浓度CO2使得光呼吸增强，光呼吸可以消耗多余的ATP和NADPH，从而减少ATP和NADPH积累产生O2－对光合作用反应中心的伤害。归纳建模1．理清高等植物固定CO2三条途径的关系，构建解答“固定CO2类”题目的思维模型(1)C3途径、C4途径和景天酸代谢(CAM)途径是高等植物光合作用固定CO2的三条途径。C3途径存在于所有绿色植物中，是把C同化为糖类的过程；C4和CAM途径则只能固定CO2，为一定环境条件下(低O2、高温干旱)C3途径的进行提供了保证。(2)碳同化的多条途径，增强了植物对环境的适应能力。C3途径是光合途径同化的基本途径，C4和CAM植物形成碳水化合物除了分别需要C4途径和CAM途径外，最终还需要C3途径。(3)在碳同化特性上，CAM与C4植物相似，都有PEP羧化酶，需要两次羧化反应固定CO2。只是固定CO2与生成光合作用产物在时间、空间上有差异，C4植物在叶肉细胞内固定CO2，在维管束鞘细胞中同化CO2。CAM植物则在晚上固定CO2，在白天同化CO2。2．辨析光呼吸与细胞呼吸的关系，构建解答“光呼吸类”题目的思维模型

光呼吸细胞呼吸底物底物是光照下叶绿体新形成的，如光合作用中的乙醇酸常用底物是葡萄糖，可以是新形成，也可以是储存的场所只发生在光合细胞中，在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体协同作用下进行所有活细胞中都可以进行条件光下，O2/CO2比值相对高时有氧、无氧都可进行，光下、暗处都可进行意义CO2供应不足时，消耗过多的NADPH和ATP，以避免对细胞造成伤害为生命活动提供直接能源物质ATP类题训练1．(2022·全国甲卷)根据光合作用中CO2的固定方式不同，可将植物分为C3植物和C4植物等类型。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。CO2补偿点通常是指环境CO2浓度降低导致光合速率与呼吸速率相等时的环境CO2浓度。回答下列问题。(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反应阶段的产物是相同的，光反应阶段的产物是____________________(答出3点即可)。(2)正常条件下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位，原因是__________________________________(答出1点即可)。(3)干旱会导致气孔开度减小，研究发现在同等程度干旱条件下，C4植物比C3植物生长得好。从两种植物CO2补偿点的角度分析，可能的原因是____________________________________________________________。解析：(1)光合作用光反应阶段的场所是叶绿体的类囊体薄膜上，光反应发生的物质变化包括水的光解以及ATP和NADPH的形成，因此光合作用光反应阶段生成的产物有O2、NADPH和ATP。(2)叶片光合作用产物一部分用来供自身呼吸消耗。故正常条件下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位。(3)干旱会导致气孔开度减小，CO2吸收减少。由于C4植物的CO2补偿点低于C3植物，则C4植物能够利用较低浓度的CO2，因此干旱条件下光合作用受影响较小的植物是C4植物，C4植物比C3植物生长得好。答案：(1)O2、NADPH和ATP

(2)自身呼吸消耗(3)C4植物的CO2补偿点低于C3植物，干旱条件下CO2吸收减少，胞间CO2浓度较低，C4植物受到影响较小2．(2022·柳州模拟)光合作用的暗反应过程被称为碳同化。植物在长期进化过程中逐渐形成了多种碳同化途径。如图1所示，玉米、甘蔗等C4植物，长期生活在热带地区，其PEP羧化酶与CO2有强亲和力，可以将环境中低浓度的CO2固定下来，集中到维管束鞘细胞。而景天科等CAM(景天酸代谢)植物，长期生活在干旱或半干旱环境中，它们在夜晚捕获CO2，然后转变成苹果酸储存在液泡中，白天气孔关闭，苹果酸脱羧释放CO2用于卡尔文循环。(1)在显微镜下观察玉米叶片结构发现，叶肉细胞包围在维管束鞘细胞四周，形成花环状结构。维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，推测其可能缺少________(填“基粒”或“基质”)结构。CAM植物叶肉细胞液泡的pH夜晚比白天要________(填“高”或“低”)。由图1可知，C4植物与CAM植物在捕获和固定大气中的CO2的方式上最明显的区别是_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)蝴蝶兰因其花姿优美、花色艳丽而较受欢迎。图2为蝴蝶兰叶片净CO2吸收速率和有机酸含量的昼夜变化。据图2推测，蝴蝶兰________(填“存在”或“不存在”)CAM途径，判断依据是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)Rubisco酶是卡尔文循环中催化CO2固定的酶。Rubisco酶对CO2和O2都有亲和力，在光照条件下，当CO2/O2比值高时，Rubisco酶可催化C5固定CO2合成有机物，当CO2/O2比值低时，Rubisco酶可催化C5结合O2发生氧化分解，消耗有机物，此过程称为光呼吸，它会导致光合效率下降。有人认为，景天酸代谢(CAM)途径是景天科植物长期进化得到的一种可以抑制光呼吸的碳浓缩机制。你认为这种说法________(填“合理”或“不合理”)，理由是_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)科学研究发现：Rubisco酶是一种双功能酶，在较强光照下，它既催化C5与CO2的羧化反应进行光合作用，同时又催化C5的加氧反应进行光呼吸，羧化和加氧反应的相对速率完全取决于CO2与O2的相对浓度。如图3所示为光合作用暗反应和光呼吸的部分过程。为探究光呼吸的产物与场所，请利用同位素标记法设计实验，验证图示过程光呼吸的终产物和场所，简要写出实验思路和预期实验结果：_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组)解析：(1)推测维管束鞘细胞可能缺少“基粒”结构，因为其中可进行卡尔文循环，该过程发生在叶绿体基质中。结合图示可知，CAM植物在晚上气孔张开，吸收二氧化碳变成苹果酸，苹果酸进入液泡储存起来，白天苹果酸分解释放出二氧化碳用于卡尔文循环，因此CAM植物叶肉细胞液泡的pH夜晚比白天要低。由图1可知，C4植物与CAM植物在捕获和固定大气中的CO2的方式上最明显的区别表现在C4植物捕获和固定CO2的反应在空间上分离(或在不同的细胞内捕获和固定CO2)，CAM植物捕获和固定CO2的反应在时间上分离(或在夜晚捕获CO2，白天固定CO2)，这些特性都是长期适应环境的结果。(2)由图2可知蝴蝶兰在夜间叶片吸收CO2出现高峰，而白天吸收CO2较少，同时蝴蝶兰叶片中白天有机酸的含量下降，夜晚有机酸的含量升高，这些都是CAM植物的光合特性，据此可判断