2023届高三生物一轮专题复习课件：光合色素及光合作用的基本作用

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考法九 (实验)叶绿体中色素的提取和分离考法十 光合作用过程的分析考法十一 环境条件骤变对光合作用过程的影响考法十二 光合作用的实验探究
考法九　(实验)叶绿体中色素的提取和分离
1．色素提取和分离实验的异常现象及分析
2．对选材及操作的要求(1)颜色深绿的叶片内叶绿素a的含量高，提取叶绿体色素时应选取鲜嫩、色深绿、无浆汁的叶片，以保证含有较多的色素，如菠菜叶、棉花叶、洋槐叶等。(2)若将长条形滤纸条换成圆形滤纸，观察层析实验结果，将出现四个同心圆，色素种类从外向内的顺序与滤纸条从上到下的顺序相同。
3．参与光合作用的色素的应用(1)参与光合作用的色素只位于叶绿体类囊体薄膜上，液泡中的色素不参与光合作用。(2)光合色素对不同波长的光吸收率不同，对蓝紫光和红光吸收率最高，对绿光吸收率最低。因此，蔬菜大棚使用的透光膜最好选用无色的，可以使各种颜色的光透过，而有色薄膜，如绿色的薄膜只能透过绿光，故使用有色薄膜会使大棚内的光照强度大大降低。(3)补充光源时，在同等光照强度下(或使用相同功率的灯泡)，最好选用叶绿体色素吸收率高的有色光，如蓝紫光或红光。
A．研磨时加入CaCO3过量会破坏叶绿素B．层析液可采用生理盐水或磷酸盐缓冲液C．在敞开的烧杯中进行层析时，需通风操作D．实验验证了该种蓝藻没有叶绿素b
9 [江苏2019·17，2分]如图为某次光合作用色素纸层析的实验结果，样品分别为新鲜菠菜叶和一种蓝藻经液氮冷冻研磨后的乙醇提取液。下列叙述正确的是(　　)
【答案】D【解析】研磨时加入碳酸钙的目的是防止研磨中色素被破坏，加入适量的碳酸钙可中和细胞液中的酸性物质从而保护叶绿素，且过量的碳酸钙也不会破坏叶绿素，A错误；色素为有机物，易溶于有机溶剂，层析液只能为有机溶剂，不能使用生理盐水或磷酸盐缓冲液，B错误；层析时需用培养皿盖住小烧杯，为避免操作者吸入过多层析液，需通风操作，C错误；在滤纸条上，菠菜提取液呈现的四条色素带，从上到下依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b，将蓝藻(蓝细菌)的纸层析结果与菠菜叶相对比可知，蓝藻中没有叶绿素b，D正确。
题型九 (实验)叶绿体中色素的提取和分离
17．[河南中原名校联盟2022届月考]韭菜具有补肾、健胃、提神之功效，而韭黄是韭菜在避光条件下培养出来的，具有更佳的口感。某学习小组成员分别利用韭菜和韭黄进行叶绿体色素提取和分离实验，获得的结果如图所示。下列相关叙述错误的是(　　)
A．研磨叶片时，需加入少许SiO2，有助于叶片研磨得更充分B．将滤纸条一端剪去两角有利于层析时形成平整的色素带C．实验结果表明：色素④叶绿素a在层析液中的溶解度最低D．实验结果表明：避光条件对类胡萝卜素的合成基本无影响
【答案】C　【解析】研磨叶片时加入少许SiO2的作用是使叶片研磨得更充分，A正确；将滤纸条一端剪去两角有利于层析时形成平整的色素带，B正确；光合色素能在滤纸条上出现色素带的原因是不同色素在层析液中的溶解度不同，韭菜叶片提取和分离出4种色素，①为胡萝卜素、②为叶黄素、③为叶绿素a、④为叶绿素b，叶绿素b在层析液中的溶解度最低，扩散得最慢，位于滤纸条的最下端，C错误；根据两种叶片色素的分离结果可知，韭黄只分离出两条色素带，与韭菜分离得到的色素带①②基本相同，说明避光条件基本不会对类胡萝卜素的合成造成影响，D正确。
18．下列关于用鲜菠菜进行色素提取、分离实验的叙述，正确的是(　　)A．应该在研磨叶片后立即加入CaCO3，防止酸破坏叶绿素B．即使菜叶剪碎不够充分，也可以提取出4种光合作用色素C．为获得10 mL提取液，研磨时一次性加入10 mL乙醇研磨效果最好D．层析完毕后应迅速记录结果，否则叶绿素条带会很快随溶液挥发消失
【答案】B　【解析】CaCO3可防止酸破坏叶绿素，所以需在研磨前加入少许CaCO3，A错误；菜叶剪碎的目的是使研磨充分，便于提取色素，若剪碎不够充分，会使提取的色素量减少，但不会影响提取的色素种类，B正确；为获得10 mL提取液，研磨时应将10 mL的乙醇分多次加入，迅速、充分地研磨，C错误；层析完毕后应迅速记录结果，否则叶绿素条带会因色素分解而消失，但不会随层析液挥发，D错误。
考法十　光合作用过程的分析
2．光合作用的反应式及元素去向①光合作用的反应式：②元素去向
3．化能合成作用与光合作用的比较
10 [辽宁2021·22，13分]早期地球大气中的O2浓度很低，到了大约3.5亿年前，大气中O2浓度显著增加，CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约为390 μml·ml－1，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisc)是一种催化CO2固定的酶，在低浓度CO2条件下，催化效率低。有些植物在进化过程中形成了CO2浓缩机制，极大地提高了Rubisc所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定。回答下列问题： (1)真核细胞叶绿体中，在Rubisc的催化下，CO2被固定形成________，进而被还原生成糖类，此过程发生在________中。 (2)海水中的无机碳主要以CO2和HCO3－两种形式存在，水体中CO2浓度低、扩散速度慢，有些藻类具有图1所示的无机碳浓缩过程。图中HCO3－浓度最高的场所是________(填“细胞外”或“细胞质基质”或“叶绿体”)，可为图示过程提供ATP的生理过程有______________________________。
(3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制，部分过程见图2。在叶肉细胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将HCO3－转化为有机物，该有机物经过一系列的变化，最终进入相邻的维管束鞘细胞释放CO2，提高了Rubisc附近的CO2浓度。
PEP：磷酸烯醇式丙酮酸；OAA：草酰乙酸；Mal：苹果酸；Pyr：丙酮酸①由这种CO2浓缩机制可以推测，PEPC与无机碳的亲和力________(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisc。 ②图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是________。图中由Pyr转变为PEP的过程属于________(填“吸能反应”或“放能反应”)。 ③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所，可以使用__________________技术。
(4)通过转基因技术或蛋白质工程技术，可能进一步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理的有________(多选)。 A．改造植物的HCO3－转运蛋白基因，增强HCO3－的运输能力 B．改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成 C．改造植物的Rubisc基因，增强CO2固定能力等 D．将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物
【答案】(1)三碳化合物(或C3)　叶绿体基质(2)叶绿体　细胞呼吸和光合作用中的光反应(3)①高于　②NADPH和ATP　吸能反应　③同位素示踪(4)AC
【解析】(1)光合作用过程包括光反应和暗反应：①光反应：场所在叶绿体类囊体薄膜，完成水的光解和ATP的合成；②暗反应：场所在叶绿体基质中，包括二氧化碳的固定和C3的还原两个阶段。光反应为暗反应的C3还原阶段提供NADPH和ATP。光合作用的暗反应中，CO2被固定形成三碳化合物，进而被还原生成糖类，此过程发生在叶绿体基质中。(2)由图1可知，HCO3－从细胞外通过细胞膜进入细胞质基质需要消耗ATP，从细胞质基质进入叶绿体需要消耗ATP，说明HCO3－的运输方式是主动运输，主动运输一般是逆浓度梯度运输，由此推断图1中HCO3－浓度最高的场所是叶绿体。该过程细胞质基质中需要的ATP由呼吸作用提供，叶绿体中的ATP主要由光合作用的光反应提供。
【解析】(3)①图2中PEPC参与催化HCO3－＋PEP→OAA的过程，该过程是CO2浓缩机制的第一步，即在低浓度无机碳条件下，PEPC可催化该反应，说明PEPC与无机碳的亲和力高于Rubisc。②图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是ATP和NADPH，图中由Pyr转变为PEP的过程需要消耗ATP，说明该过程属于吸能反应。③若要通过实验验证某植物在题述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所，可以使用同位素示踪技术。(4)改造植物的HCO3－转运蛋白基因，增强HCO3－的运输能力，可以提高细胞内CO2浓度，进而提高植物光合作用的效率，A符合题意；改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成，不利于CO2的浓缩，不能提高植物光合作用的效率，B不符合题意；改造植物的Rubisc基因，增强CO2固定能力，可以提高植物光合作用的效率，C符合题意；CO2浓缩机制相关基因多，且涉及叶肉细胞和维管束鞘细胞两种细胞，过程非常复杂，实验难度大、成功率低，该研究思路不合理，D不符合题意。
题型十 光合作用过程的分析
19．如图为光合作用过程示意图，相关叙述正确的是(　　)
A．结构A中发生能量转化的场所是类囊体基质B．供给14CO2，14C在化合物中的出现顺序为CO2→C3→甲C．结构B中C5转化成C3过程中消耗ATP中的化学能D．如果突然增加CO2供应，短时间内C5的含量将会增加
【答案】B　【解析】图中结构A是基粒，把光能转化为活跃的化学能的场所是其中的类囊体薄膜，A错误；供给14CO2，14C在化合物中出现的顺序为CO2→C3→糖类(甲)，B正确；结构B是叶绿体基质，C5转化成C3的过程表示CO2的固定，不消耗ATP，ATP用于C3的还原，C错误；如果突然增加CO2供应，有利于CO2的固定过程，消耗C5增多，而C3的还原过程基本不变，所以短时间内C5的含量将会减少，D错误。
20．[山东名校2021开学考]卡尔文循环是所有植物光合作用的基本途径，大致可分为3个阶段，羧化阶段、还原阶段和更新阶段。如图所示为卡尔文循环过程，结合所学知识，回答下列问题：
(1)据图分析，羧化阶段的物质RuBP为一种________碳化合物，1分子RuBP能与1分子的CO2结合生成__________分子3－磷酸甘油酸，该过程发生的场所是________________________________________。
(2)卡尔文循环过程中，碳的固定发生在____________阶段，而光反应产生能量的利用发生在______________阶段。(3)通过图示信息，我们可以通过哪些途径，加快植物的光合作用速率：__________________________________________________________________(至少说出两点)。(4)若将该植物从光下移到黑暗条件下，叶绿体中RuBP的含量短时间的变化是________，原因是______________________________(结合图示回答)。
【答案】(1)五　2　叶绿体基质(2)羧化　还原、更新(3)加速细胞质中蔗糖、淀粉的输出；增加CO2浓度；调节温度至最适温度(4)减少　植物从光下移到黑暗中，光照强度减弱，ATP和NADPH的生成减少，经还原阶段、更新阶段生成的RuBP的量减少，但消耗量不变
【解析】(1)由题图可知，在羧化阶段，RuBP与CO2结合生成3－磷酸甘油酸，故RuBP为一种五碳化合物。1分子五碳化合物能与1分子CO2结合生成2分子三碳化合物，即3－磷酸甘油酸，这属于暗反应过程，发生在叶绿体基质中。(2)光反应产生的能量存在于ATP和NADPH中，据图分析可知，碳的固定发生在羧化阶段，而光反应产生能量的利用发生在还原阶段和更新阶段。(3)图示为光合作用的暗反应阶段，反应产物有淀粉和蔗糖。化学反应中改善反应条件、减少反应产物，均可提升化学反应速率，故可通过加速细胞质中蔗糖和淀粉的输出、增加CO2浓度、调节温度至最适温度等途径，加快植物的光合作用速率。(4)植物从光下移到黑暗中，由于光照强度减弱，ATP和NADPH的生成减少，经还原阶段、更新阶段生成的RuBP的量减少，但RuBP的消耗量不变，所以短时间内RuBP的量会减少。
考法十一　环境条件骤变对光合作用过程的影响
光照强度与CO2浓度变化对植物细胞内C3、C5、NADPH、ATP、(CH2O)合成量的影响(短时间内)及对应的曲线图如表。
从以上各物质的变化中可以看出，C3和C5含量的变化是相反的，NADPH和ATP的变化是一致的。
11 在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是(　　)A．红光，ATP下降　　　　B．红光，未被还原的C3上升C．绿光，[H]下降 D．绿光，C5上升
【答案】C【解析】改用光照强度与白光相同的红光照射时，红光对光反应的促进效果更好，会导致短时间内ATP和[H](NADPH)上升，C3下降，C5上升，A、B错误；叶绿体中色素吸收绿光最少，改用光照强度与白光相同的绿光照射时，ATP和[H](NADPH)下降，C3上升，C5下降，C正确，D错误。
题型十一 环境条件骤变对光合作用过程的影响
21．离体叶绿体在光照条件下进行稳定的光合作用时，如果突然中断CO2的供应，下列关于一段时间内叶绿体中ATP与O2的相对含量变化的示意图中，正确的是(　　)
【答案】B　【解析】离体叶绿体在光照条件下进行稳定的光合作用时，若突然中断CO2的供应会使C3合成减少，一段时间内暗反应消耗的ATP也逐渐减少，故ATP相对含量逐渐增加；随着暗反应的减弱，光反应也逐渐减弱，所以叶绿体内O2的含量逐渐减少，B正确。
22．[百校联盟2021质量监测]如图是光合作用过程示意图。下列相关叙述正确的是(　　)
A．图中a代表的物质是CO2，b代表的物质是O2B．e和有氧呼吸第一阶段产生的[H]是同种物质C．物质f在叶绿体的类囊体薄膜上被固定成C3D．若突然增大光照强度，短时间内C3含量减少
【答案】D　【解析】分析题图可知，a是水，b是O2，c是ADP，d是ATP，e是NADPH([H])，f是CO2，g是有机物，A错误；e是NADPH，有氧呼吸第一、二阶段产生的[H]是NADH，二者不是同一种物质，B错误；物质f是CO2，CO2被固定成C3的场所是叶绿体基质，C错误；如果突然增大光照强度，则光反应产生的ATP和NADPH增加，导致暗反应过程中C3的还原加快，而短时间内CO2的固定速率不变，因此短时间内C3含量减少，D正确。
考法十二　光合作用的实验探究
12 [全国乙2021·29，11分]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)
【答案】(1)细胞质基质、线粒体、叶绿体　细胞呼吸(2)水分大量散失　光合作用(3)实验思路：白天和夜间每隔一段时间取干旱条件下生长的植物甲的叶片，测定叶肉细胞的pH。实验结果：植物甲叶肉细胞pH在夜间逐渐降低，在白天逐渐升高。
【解析】本题考查光合作用中CO2的特殊固定形式及实验探究能力。(1)白天叶肉细胞能进行呼吸作用和光合作用，两过程均伴随ATP的产生，故此时叶肉细胞内产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体。这些植物白天气孔关闭，不能与外界进行气体交换，光合作用所需的CO2一部分来源于苹果酸的脱羧过程，另一部分来源于细胞呼吸。(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，白天气孔关闭能防止温度过高导致植物蒸腾作用过强，造成水分大量散失，晚上气孔开放吸收并储存CO2，保证白天植物光合作用的正常进行。(3)本实验的目的为验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。该实验的检测指标为植物甲的叶肉细胞液泡中的pH，结合题意可知，在这种特殊的CO2固定方式中，晚上生成苹果酸并储存在植物甲的液泡内，而白天液泡内储存的苹果酸又会脱羧释放出CO2，故可据此设计实验，具体内容见答案。
题型十二 光合作用的实验探究
23．柱花草主要生长在年平均气温19～25 ℃的地区，其对低温胁迫较为敏感，易发生冷害。下表为科研人员在不同温度下测得的柱花草叶片光合作用速率等相关指标。下列分析错误的是(　　)
A.本实验中的对照组是乙组，甲组、丙组为实验组B．温度对柱花草生长的影响，6 ℃条件下比36 ℃条件下更大C．在6 ℃条件下，可通过增加CO2浓度来提高柱花草的总光合速率D．与光合作用相比，温度胁迫对柱花草的呼吸作用无显著影响
【答案】C　【解析】分析题意可知，柱花草主要生存在年均气温19～25 ℃的地区，故三组实验中，25 ℃组(乙组)为对照组，甲组、丙组为实验组，A正确；与25 ℃比较，6 ℃组净光合速率和总光合速率均比36 ℃组下降显著，因此6 ℃条件下对柱花草生长的影响更大，B正确；6 ℃条件下，低温使CO2固定酶活性降低，即使增加CO2浓度，暗反应速率也不会明显增加，故不能通过增加CO2浓度来提高总光合速率，C错误；由表中数据可知，三组温度条件下，总光合速率和净光合速率的差值相差不大，而总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，可说明温度胁迫对柱花草的呼吸作用影响较小，D正确。
24．如图表示蚕豆叶肉细胞叶绿体中部分代谢变化，其中M、N、X代表小分子物质，①②③代表生理过程。有关叙述错误的是(　　)
A．组成M的化学元素来源于H2OB．物质X由磷酸基团、脱氧核糖和含氮碱基组成C．完成过程①离不开生物膜，过程②③在叶绿体基质中完成D．过程③的物质转化过程是CO2→C5→C3→C6H12O6
【答案】D　【解析】物质M是O2，其组成元素来自水，A正确。物质X为脱氧核苷酸，由磷酸基团、脱氧核糖和含氮碱基组成，B正确。过程①是水的光解，场所为叶绿体的类囊体薄膜；过程②为DNA分子的复制，过程③为暗反应过程，两者在叶绿体中的反应场所均为叶绿体基质，C正确。过程③(暗反应)的物质转化过程是CO2→C3→C6HI2O6，D错误。
光合色素及光合作用的基本过程
1．[浙江2021年1月·6，2分]在进行“观察叶绿体”的活动中，先将黑藻放在光照、温度等适宜条件下预处理培养，然后进行观察。下列叙述正确的是(　　)A．制作临时装片时，实验材料不需要染色B．黑藻是一种单细胞藻类，制作临时装片时不需切片C．预处理可减少黑藻细胞中叶绿体的数量，便于观察D．在高倍镜下可观察到叶绿体中的基粒由类囊体堆叠而成
1．A　【解析】本题主要考查叶绿体的结构以及观察叶绿体实验的操作步骤。叶绿体呈现绿色，可以直接用显微镜观察，因此制作临时装片时，实验材料不需要染色，A正确；黑藻是一种多细胞藻类，只是其叶片是由单层细胞组成的，可以直接制成临时装片，B错误；先将黑藻放在光照、温度等适宜条件下预处理培养，增加叶绿体数量，有利于观察，C错误；在电子显微镜下才能观察到叶绿体中的基粒和类囊体，在高倍镜下观察不到，D错误。
5．[重庆2021·6，2分]如图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析，下列叙述错误的是(　　)
A．水光解产生的O2若被有氧呼吸利用，最少要穿过4层膜B．NADP＋与电子(e－)和质子(H＋)结合形成NADPHC．产生的ATP可用于暗反应及其他消耗能量的反应D．电子(e－)的有序传递是完成光能转换的重要环节
5．A　【解析】本题考查光反应过程中物质和能量的转换。O2在叶绿体的类囊体薄膜产生，在线粒体内膜被利用，故叶绿体产生的O2被线粒体利用至少需要穿过叶绿体的3层膜(包括类囊体膜1层膜和叶绿体的内外膜)和线粒体的2层膜，共5层生物膜，A错误；据图分析，NADP＋与e－和H＋结合形成NADPH，B正确；根据图中的信息，光反应产生的ATP可用于暗反应、色素合成和核酸代谢等一些消耗能量的反应，C正确；电子传递释放的能量用于H＋的逆浓度梯度运输，使类囊体腔内维持高浓度的H＋，H＋由类囊体腔顺浓度梯度运输至叶绿体基质，驱动ATP的合成，电子有序传递保证了ATP和NADPH的合成，是完成光能转换的重要环节，D正确。
10．[天津2021·15，10分]Rubisc是光合作用过程中催化CO2固定的酶。但其也能催化O2与C5结合，形成C3和C2，导致光合效率下降。CO2与O2竞争性结合Rubisc的同一活性位点，因此提高CO2浓度可以提高光合效率。(1)蓝细菌具有CO2浓缩机制，如下图所示。
注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散据图分析，CO2依次以________和________方式通过细胞膜和光合片层膜。蓝细菌的CO2浓缩机制可提高羧化体中 Rubisc周围的CO2浓度，从而通过促进__________和抑制____________________提高光合效率。
(2)向烟草内转入蓝细菌Rubisc的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝细菌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HCO3－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。
10．(1)自由扩散　主动运输　CO2 固定　O2 与C5结合(2)叶绿体(3)提高　提高【解析】本题考查光合作用的过程及物质运输方式。(1)CO2是小分子物质，通过自由扩散的方式通过细胞膜；由图可知，CO2在通过光合片层膜时，需要CO2转运蛋白和能量，运输方式是主动运输；提高CO2浓度，可促进暗反应中CO2的固定，即促进CO2与C5结合，抑制O2与C5结合。(2)烟草是高等植物，含有叶绿体，暗反应发生的场所在叶绿体。(3)转入HCO3－和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用，能提高暗反应中CO2的浓度，从而提高暗反应速率，暗反应产生的ADP和NADP＋增多，为光反应提供了更多原料，光反应速率也会提高。