2024年高考生物大一轮必修1复习讲义：：微专题3 光呼吸、C4植物等特殊代谢类型

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【知识必备】1.光呼吸光呼吸是指绿色植物在光照情况下吸收O2，将叶绿体中的C5分解产生CO2的过程。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。　　　[例1] (2023·山东潍坊一模)光呼吸是O2/CO2偏高时与光合作用同时发生的生理过程，是经长期进化形成的适应机制。光呼吸和暗反应关系密切，机理如图所示。下列叙述错误的是(　　)A.光呼吸可保证CO2不足时，暗反应仍能正常进行B.光合作用的光反应强于暗反应容易导致光呼吸发生C.光呼吸过程虽消耗有机物，但不产生ATPD.抑制光呼吸能大幅度提高光合作用强度答案　D解析　在环境中CO2不足时，植物通过光呼吸产生CO2，供暗反应进行，A正确；光合作用的光反应强于暗反应时，O2/CO2偏高，产生过多的NADPH和ATP，光呼吸容易进行，B正确；从过程图看出光呼吸过程消耗了C5，消耗ATP，不产生ATP，C正确；抑制光呼吸能够减少有机物的消耗，但不能大幅度提高光合作用强度，D错误。2.C4植物在绿色植物的光合作用中，二氧化碳中的碳首先转移到含有四个碳原子的有机物(C4)中，然后才转移到C3中，科学家将这类植物叫作C4植物，将其固定二氧化碳的途径，叫作C4途径。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。②C4植物叶肉细胞的叶绿体有类囊体能进行光反应，同时CO2被整合到C4化合物中，随后C4化合物进入维管束鞘细胞，维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物。③PEP羧化酶被形象地称为“CO2泵”，它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有较强光合作用(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)能力，并且无光合午休现象。　　　[例2] (2023·河南天一大联考)玉米固定CO2的能力比小麦强70倍。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是C4植物(如玉米)特有的固定CO2的关键酶。科研人员将玉米的PEPC基因导入小麦中，获得转基因小麦以提高小麦产量。为探究转基因小麦固定CO2的能力，研究人员将转基因小麦和普通小麦分别放置在相同的密闭小室中，给予充足的光照，利用红外测量仪每隔5 min测定小室中的CO2浓度，结果如图所示。下列有关叙述错误的是(　　)A.PEPC能降低固定CO2反应所需的活化能B.图中属于转基因小麦变化曲线的是ⅡC.图中CO2浓度保持不变时植物的光合速率等于呼吸速率D.突然降低光照强度，短时间内细胞中ADP和C5的含量均降低答案　D解析　酶能降低化学反应所需的活化能，故PEPC能降低固定CO2反应所需的活化能，A正确；由图可知，Ⅱ曲线代表的植物利用低浓度CO2的能力更强，故Ⅱ是转基因小麦，B正确；植物的光合速率等于呼吸速率时，密闭小室中CO2浓度保持不变，C正确；突然降低光照强度，短时间内光反应产生NADPH和ATP速率降低，ADP含量增加，C3还原速率下降，C5合成速率下降，而C5消耗速率不变，C5含量降低，D错误。3.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。这类植物特别适合于干旱地区，其特点是气孔夜间开放，白天关闭。②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。而白天气孔关闭，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。③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。　　　[例3] (2023·河北唐山调研)多肉植物是指营养器官肥厚多汁并且储藏大量水分的植物，能够在高温干旱的条件下良好生长。多肉植物叶片上的气孔夜间开放吸收CO2，生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用。请回答下列问题：(1)多肉植物白天进行光合作用所需CO2来源有________和________(请填写相关生理过程)。多肉植物夜晚能吸收CO2，却不能合成(CH2O)的原因是____________________________________________________________________。(2)若对多肉植物突然停止光照，其叶肉细胞内C5的含量________(填“上升”或“下降”)，原因是_________________________________________________________________________________________________________________________。(3)有人提出，CaCl2与脱落酸都能够提高多肉植物的抗旱能力，并且混合使用效果更佳，请简要写出证明该观点的实验设计思路：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案　(1)苹果酸经脱羧作用释放　呼吸作用产生　缺乏光照，不能产生NADPH和ATP　(2)下降　突然停止光照，光反应无法产生NADPH和ATP，C3的还原速率下降，C5的合成速率下降，而CO2浓度不变，C5的消耗速率不变，故C5含量下降 (3)以下两种答案均可　①将生长状况相同的多肉植物随机均等分为四组，分别用等量的清水、CaCl2溶液、ABA溶液、CaCl2与ABA混合溶液处理，在干旱条件下培养，一段时间后测定并比较各组净光合速率(或“比较各组生长发育状况”)　②将生长状况相同的多肉植物随机均等分为四组，其中一组不做处理，其余各组分别用等量的CaCl2溶液、ABA溶液、CaCl2和ABA混合溶液处理，在干旱条件下培养，一段时间后测定并比较各组净光合速率(或“比较各组生长发育状况”)解析　(1)由题意可知，多肉植物白天气孔关闭，无法从外界环境中吸收CO2，可利用液泡中的苹果酸经脱羧作用释放的CO2用于光合作用，另外，呼吸作用产生的CO2也可用于光合作用。多肉植物夜晚能吸收CO2，但夜晚无光照，不能产生NADPH和ATP，暗反应不能进行，故不能合成(CH2O)。(2)若对多肉植物突然停止光照，其叶肉细胞内C5的含量下降，原因是突然停止光照，光反应无法产生NADPH和ATP，C3的还原速率下降，C5的合成速率下降，而CO2浓度不变，C5的消耗速率不变，故C5含量下降。(3)要证明CaCl2与脱落酸都能够单独提高多肉植物的抗旱能力，需要设置空白对照组，若要证明两者混合使用效果更佳，需要设置CaCl2与ABA混合溶液处理的一组实验。实验思路为：将生长状况相同的多肉植物随机均等分为四组，分别用等量的清水、CaCl2溶液、ABA溶液及CaCl2与ABA混合溶液处理，在干旱条件下培养，一段时间后测定并比较各组净光合速率(或“比较各组生长发育状况”)；或将生长状况相同的多肉植物随机均等分为四组，其中一组不做处理，其余各组分别用等量的CaCl2溶液、ABA溶液及CaCl2和ABA混合溶液处理，在干旱条件下培养，一段时间后测定并比较各组净光合速率(或“比较各组生长发育状况”)。4.光合产物及运输 ①磷酸丙糖是光合作用中最先产生的糖，也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。②光合作用产生的磷酸丙糖既可以在叶绿体中形成淀粉，暂时储存在叶绿体中，又可以通过叶绿体膜上的磷酸转运器运出叶绿体，在细胞质基质中合成蔗糖。合成的蔗糖或临时储藏于液泡内，或从光合细胞中输出，经韧皮部装载长距离运输到其他部位。　　　[例4] (2023·北京东城期末)下图为某陆生植物体内碳流动示意图。据图分析，下列叙述不正确的是(　　)A.过程①需要消耗光反应提供的ATP和NADPHB.叶肉细胞中的卡尔文循环发生在叶绿体基质C.在叶肉细胞中会发生由单糖合成二糖或多糖的过程D.④受阻时，②③的进行能缓解C3积累对卡尔文循环的抑制答案　A解析　过程①二氧化碳的固定不需要消耗光反应提供的ATP和NADPH，三碳化合物的还原消耗光反应提供的ATP和NADPH，A错误；在叶肉细胞中会发生由单糖合成二糖或多糖的过程，由图可知，叶绿体基质中会进行葡萄糖合成淀粉的过程，在细胞质基质中进行葡萄糖和果糖合成蔗糖的过程，C正确；图中④蔗糖输出受阻时，则进入叶绿体的Pi减少，磷酸丙糖大量积累，过多的磷酸丙糖将用于合成淀粉，即②③合成淀粉能缓解C3积累对卡尔文循环的抑制，D正确。 5.光系统及电子传递链①光系统Ⅱ进行水的光解，产生氧气、H＋和自由电子(e－)，光系统Ⅰ主要是介导NADPH的产生。②电子传递过程是高电势到低电势(由于光能的作用)，释放的能量将质子(H＋)逆浓度梯度从类囊体的基质侧泵入到囊腔侧，从而建立了质子浓度(电化学)梯度。③类囊体内的高浓度质子通过ATP合成酶顺浓度梯度流出，而ATP合成酶利用质子顺浓度梯度中流出的能量来合成ATP。　　　[例5] (2023·山东泰安调研)下图是番茄植株的叶肉细胞中进行光合作用的示意图，PSⅡ和PSⅠ是由蛋白质和光合色素组成的复合物，是吸收、传递、转化光能的光系统。下列叙述错误的是(　　)A.自然界中能发生光合作用的生物，不一定具备PSⅡ和PSⅠ系统B.光反应过程将吸收的光能转换为活跃的化学能全部储存在ATP中C.在ATP合成酶的作用下，H＋顺浓度梯度转运提供分子势能，促进ADP和Pi合成ATPD.PSⅡ中的色素吸收光能后，将H2O分解为O2和H＋，产生电子传递给PSⅠ将NADP＋和H＋结合形成NADPH答案　B解析　分析图示可知，光反应过程将吸收的一部分光能转换为活跃的化学能储存在ATP中，还有一部分储存在NADPH中，B错误。【真题感悟】1.(2022·全国甲卷，29)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___________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案　(1)O2、NADPH和ATP　(2)自身呼吸消耗或建造植物体结构　(3)C4植物的CO2补偿点低于C3植物，C4植物能够利用较低浓度的CO2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，光反应发生的物质变化包括水的光解以及NADPH和ATP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建造植物体结构和自身呼吸消耗，其余部分被输送到植物体的储藏器官储存起来。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。2.(2021·辽宁卷，22)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390(μmol·mol－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(Rubisco)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Rubisco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Rubisco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HCO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HCO浓度最高的场所是________(填“细胞外”“细胞质基质”或“叶绿体”)，可为图示过程提供ATP的生理过程有________。图1(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HCO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Rubisco附近的CO2浓度。图2①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”)Rubisco。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________。A.改造植物的HCO转运蛋白基因，增强HCO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Rubisco基因，增强CO2固定能力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　叶绿体基质　(2)叶绿体　细胞呼吸和光合作用　(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)图示可知，HCO吸收需要消耗ATP，为主动运输过程，主动运输一般是逆浓度运输，由此推断图中HCO浓度最高的场所是叶绿体。该过程中细胞质中需要的ATP由细胞呼吸作用提供，叶绿体中的ATP可由光合作用提供。(3)①PEPC参与催化HCO＋PEP过程，说明PEPC与无机碳的亲和力高于Rubisco。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，说明图中由Pyr转变为PEP的过程属于吸能反应。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，可以使用同位素示踪技术。(4)改造植物的HCO转运蛋白基因，增强HCO的运输能力，可以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，不利于二氧化碳的生成，不能提高植物光合作用的效率，B不符合题意；改造植物的Rubisco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；由于基因的表达受多种因素的复杂影响，将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物，不一定提高植物光合作用的效率，D不符合题意。【精准训练】1.(2023·华东师大附中调研)下图为植物体内发生的光合作用和光呼吸作用的示意图，下列相关叙述不正确的是(　　)A.光合作用过程中CO2在叶绿体基质中被利用B.农业上，控制好大棚中O2和CO2含量有利于农作物增产C.在高O2含量的环境中，植物不能进行光合作用D.将植物突然置于黑暗环境中，叶绿体中C5与C3间的转化受影响答案　C解析　光合作用过程中CO2参与暗反应，场所是叶绿体基质，A正确；分析题图可知，O2和CO2的浓度会影响光合作用和光呼吸，故农业上，控制好大棚中O2和CO2含量有利于农作物增产，B正确；在高O2含量的环境中，产生的C3也可用于卡尔文循环，进而生成糖，C错误；C5与C3之间的转化是通过卡尔文循环实现的，将植物突然置于黑暗环境中，光反应不能进行，不能为暗反应提供NADPH和ATP，因而二者的转化受影响，D正确。2.(2023·西安铁一中质检)光合作用中，有一种特殊的固定CO2和节省水的类型。菠萝、仙人掌和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用，这类植物统称为CAM植物，其特别适应干旱地区，特点是气孔夜晚打开，白天关闭。如图为菠萝叶肉细胞内的部分代谢途径(CAM途径)示意图，图中苹果酸是一种酸性较强的有机酸。据图分析下列问题：(1)据图分析，推测图中叶肉细胞右侧a过程的活动发生在________(填“白天”或“夜晚”)，理由是__________________________________________________________________________________________________________________________。菠萝在夜晚吸收的CO2，能否立即用来完成图中叶肉细胞左侧的生命活动？________(填“能”或“不能”)，分析原因为___________________________________________________________________________________________________。(2)图中苹果酸通过过程a运输到液泡内，又会通过过程b运出液泡进入细胞质，推测过程b发生在________(填“白天”或“夜晚”)。过程a具有的生理意义是___________________________________________________________________________________________________________________________________________(写出两个方面即可)。(3)长期在强光照、高温、缺水等逆境胁迫下，以菠萝为代表的CAM植物形成了适应性机制：夜晚气孔开放有利于________，白天气孔关闭，有利于___________________________________________________________________，且可以通过________________________________________________________获得光合作用暗反应所需的CO2。答案　(1)夜晚　题图中叶肉细胞右侧a过程显示CO2进入细胞并转变成苹果酸储存在液泡中，夜间气孔打开，细胞才能完成此项活动　不能　夜晚没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提供足够的ATP和NADPH　(2)白天　一方面促进CO2的吸收，另一方面避免苹果酸降低细胞质基质的pH，影响细胞质基质内的反应　(3)从外界吸收CO2　降低蒸腾作用，减少水分散失　苹果酸的分解和细胞呼吸解析　(1)夜晚气孔开放，CO2进入细胞并转变成苹果酸储存起来。夜晚没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提供足够的ATP和NADPH，因此夜晚不能进行题图中细胞左侧的光合作用。(2)白天时，苹果酸运出液泡，在细胞质中分解产生CO2来进行暗反应。夜间气孔开放，从外界吸收的CO2与PEP发生系列反应生成苹果酸，及时通过过程a将苹果酸运进液泡中的生理意义包括两方面：一方面促进CO2的吸收，另一方面避免苹果酸降低细胞质基质的pH，影响细胞质基质内的反应。(3)夜间气孔开放，有利于从外界吸收CO2，白天气孔关闭，有利于降低蒸腾作用，减少水分散失。干旱、光照充足的环境中，菠萝光合作用大于呼吸作用，光合作用所需的CO2由两种途径提供：苹果酸的分解和细胞呼吸。3.自然界的植物丰富多样，对环境的适应各有差异，自卡尔文发现光合作用中碳元素的行踪后，又有科学家发现碳元素行踪的其他路径。请据图回答下列问题：(1)如图是C4植物和CAM植物利用CO2途径的示意图。据图分析，这两类植物固定CO2的酶比C3植物多一种________酶，该酶比Rubisco对CO2的亲和力大且不与O2亲和，具有该酶的植物更能适应______________的环境。(2)由图可知，C4植物是在不同________进行CO2的固定，而CAM植物是在不同________进行CO2固定。典型的CAM植物如仙人掌在夜晚吸收的CO2能否立即用于C3途径？________(填“能”或“不能”)，可能的原因是__________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案　(1)PEP羧化　低二氧化碳浓度　(2)细胞　时间　不能　没有光照，光反应不能正常进行，无法为碳(暗)反应提供充足的ATP和NADPH解析　(1)C4植物和CAM植物固定二氧化碳的酶比C3植物多了一种，即PEP羧化酶。该酶比Rubisco对二氧化碳的亲和力大且不与氧气亲和，因此具有该酶的植物更能适应低二氧化碳浓度的环境。(2)由图2可知，C4植物是在不同细胞中进行二氧化碳的固定，而CAM植物是在不同的时间进行二氧化碳的固定。典型的CAM植物在夜晚吸收的二氧化碳不能立即用于C3途径，因为没有光照，光反应不能正常进行，无法为碳(暗)反应提供充足的ATP和NADPH。