2024届苏教版高中生物一轮复习微专题3光呼吸、C4植物等特殊代谢类型课件

这是一份2024届苏教版高中生物一轮复习微专题3光呼吸、C4植物等特殊代谢类型课件，共46页。PPT课件主要包含了光呼吸，CO2的固定，类囊体薄膜，NADPH和ATP，细胞呼吸，胞间连丝，提高物质运输效率，细胞质基质，萌发一致，干旱胁迫等内容，欢迎下载使用。

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] (2022·江苏百校大联考)光呼吸是植物的绿色组织以光合作用的中间产物为底物，发生的吸收O2消耗有机物并释放CO2的过程，正常生长条件下光呼吸可损耗掉光合产物的25%～30%。我国科研团队通过多基因转化技术将GLO(乙醇酸氧化酶)基因、OXO(草酸氧化酶)基因和CAT(过氧化氢酶)基因导入水稻叶绿体基因组，构建一条新的光呼吸代谢支路，简称GOC支路，从而使光呼吸产生的部分乙醇酸直接在叶绿体内被转化为草酸并最终分解为CO2，显著提高了水稻的光合效率，相关机理如下图所示。请分析回答：
(1)在高CO2低O2浓度条件下，Rubisc催化光合作用暗反应阶段中___________(填过程)，生成的C3酸转化成C3糖需要______________(填场所)产生的______________提供能量。(2)若用放射性同位素14C标记C5，则在正常细胞光呼吸过程中的转移途径为：C5→______________________________；参与该过程的细胞结构有________________________________。(3)导入的3种关键基因经________________________(填过程)形成3种关键酶，研究中可通过检测3种酶的_____________初步筛选出具进一步研究价值的GOC支路水稻。
乙醇酸→乙醛酸→甘氨酸→CO2
叶绿体、过氧化物酶体、线粒体
转录和翻译(或基因表达)
(4)科研人员用电镜观察野生型和初筛获得的GOC型水稻叶肉细胞超薄切片，结果如下图1所示。其中表示GOC型水稻叶肉细胞的是________(填“甲”或“乙”)，依据是________________________________。同时，科研人员在光照条件下还检测了GOC型水稻的光呼吸代谢物水平，结果如下图2所示。你认为GOC型水稻是否培育成功，并简述理由：______________________________________________________________________________________________________________。
淀粉粒增多、增大(叶绿体体积增大)
是，与野生型水稻相比，GOC型水稻乙醇酸相对值明显降低，草酸相对值明显升高，转移了乙醇酸代谢的途径
(5)在试验田种植中发现，GOC型水稻的产量显著高于野生型水稻的，结合上述研究分析，可能的原因有________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
GOC型水稻光呼吸产生的部分乙醇酸能直接在叶绿体内被催化为草酸并最终完全分解为CO2，提高叶绿体中CO2浓度，从而抑制光呼吸，提高植物的光合效率，使水稻增产
解析　(1)由题干信息可知，在高CO2低O2浓度条件下，Rubisc催化光合作用暗反应阶段中二氧化碳的固定过程，即二氧化碳在该酶的作用下与C5结合生成C3，结合图示可知，生成的C3酸转化成C3糖，即C3还原过程需要消耗光反应产生的NADPH和ATP，NADPH和ATP均能为该过程提供能量，且前者还能提供还原剂，光反应过程发生在叶绿体的类囊体薄膜上。(2)若用放射性同位素14C
标记C5，根据图示的光呼吸过程可知，在正常细胞光呼吸过程中14C的转移途径为：C5→乙醇酸→乙醛酸→甘氨酸→CO2；图中显示参与光呼吸过程的细胞结构有叶绿体、过氧化物酶体和线粒体。(3)基因控制蛋白质合成的过程包括转录和翻译两个过程，因此导入的3种关键基因经转录和翻译过程形成3种关键酶，由图可知，这里导入的关键酶基因是GLO(乙醇酸氧化酶)基因、OXO(草酸氧化酶)基因和CAT(过氧化氢酶)基因，研究中可通过检测3种酶的浓度、活性可初步筛选出具进一步研究价值的GOC支路水稻。(4)图1中的乙细胞中淀粉粒增多、增大，且叶绿体体积增大，说明该细胞中光合效率较高，
可表示GOC型水稻的叶肉细胞。图2结果显示，与野生型水稻相比，GOC型水稻乙醇酸相对值明显降低，草酸相对值明显升高，显然该叶肉细胞中转移了乙醇酸代谢的途径，可以显示GOC型水稻培育成功。(5)GOC型水稻光呼吸产生的部分乙醇酸能直接在叶绿体内被催化为草酸并最终完全分解为CO2，提高叶绿体中CO2浓度，从而起到了抑制光呼吸作用，同时也能供给光合作用暗反应的过程，因而，提高了植物的光合效率，GOC型水稻的产量显著高于野生型水稻的。
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] (2022·江苏镇江高三开学考试)玉米是一种生活在高温、高光强环境的农作物，存在于其叶肉细胞中的PEP羧化酶(PEPC)具有高CO2亲和力，可在低浓度CO2条件下高效固定CO2。玉米的光合作用需要叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成，下图1为两类细胞在叶片中的位置示意图，图2为相关物质转化示意图。请回答下列问题。
(1)过程①为__________，消耗的CO2除来自苹果酸脱羧产生外，还可来自__________。(2)结构P为__________，叶肉细胞和维管束鞘细胞间具有大量该结构的意义是____________________。(3)晴朗夏季中午，温度过高、蒸腾作用过强导致气孔开度减小，但玉米光合速率未明显降低的原因是________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)维管束鞘细胞中，蔗糖的合成场所是___________。
玉米叶肉细胞中的PEPC具有高CO2亲和力，可将叶肉细胞中低浓度的CO2固定，进而维持维管束鞘细胞叶绿体中的高浓度CO2状态
(5)热休克蛋白(HSPs)是植物对逆境胁迫短期适应的必需组分，对减轻逆境胁迫引起的伤害起着重要的作用。为研究小热休克蛋白(sHSPs)降低干旱胁迫对玉米生长的影响机制，科研人员采用下表中的实验步骤和操作过程开展研究，请完成表格：
解析　(1)据图2可知，过程①是CO2与C5结合形成C3，称为CO2的固定。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和细胞呼吸释放的CO2。(2)结构P是贯穿两个相邻的植物细胞的细胞壁并连接两个细胞的原生质细丝，属于胞间连丝，胞间连丝的存在使细胞之间保持了生理上的有机联系，有利于细胞间的物质交换，是植物物质运输、信息传导的特有结构，因此叶肉细胞和维管束鞘细胞间具有大量该结构的意义是提高物质运输效率。(3)晴朗夏季中午，温度过高、蒸腾作用过强导致气孔开度减小，CO2浓度降低，但玉米叶肉细胞中的PEPC具有高CO2亲和力，可将叶肉细胞中低浓度的CO2固定，进而维持维管束鞘细胞叶绿体中的高浓度CO2状态，因此玉米光合速率未明显降低。
(4)据图2可知，在维管束鞘细胞中，叶绿体内合成的磷酸丙糖，穿过叶绿体膜进入细胞质基质，在细胞质基质合成蔗糖。(5)材料处理及分组编号：为排除无关变量对实验结果的影响，应选取萌发一致的种子(无关变量要相同且适宜)。自变量处理：本实验研究小热休克蛋白(sHSPs)降低干旱胁迫对玉米生长的影响机制，选取的玉米应该是受到干旱胁迫，因此甲组植株根系置于PEG溶液中，在40%的空气相对湿度中培养，模拟干旱胁迫条件。指标检测及结果分析：进行PCR时，首先要设计引物，设计引物时以sHSPs和β－actin基因两端脱氧核苷酸序列为依据。PCR产物用琼脂糖凝胶电泳检测，扩增产物用1%琼脂糖凝胶电泳，电泳完毕后，在溴化乙锭(EB)中染色，清水漂洗后凝胶成像系统拍照。
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] (2022·江苏宝应期初)景天科等植物有一个很特殊的CO2同化方式：夜间固定CO2产生有机酸储存在液泡中，白天有机酸脱羧释放CO2，用于光合作用，这样的与有机酸合成日变化有关的光合碳代谢途径称为CAM途径，如图甲乙所示。图丙表示不同地区A、B、C三类植物在晴朗夏季的光合作用日变化曲线。请据图回答下列问题：
注：PEP是磷酸烯醇式丙酮酸，OAA是草酰乙酸，RuBP核酮糖－1，5－二磷酸，PGA是3－磷酸甘油酸。
(1)图甲、乙中含有双层膜的细胞器有____________________。(2)图甲、乙中属于夜晚的是图________，判断的理由是_____________________________________________________________________。该植物夜间产生ATP的场所有__________________________________________。(3)白天为景天科植物光合作用提供所需的CO2的来源的生理过程有________________和________________，还需要光反应提供__________________。
图甲中的CO2最终形成苹果酸储存在液泡中
(4)据图甲乙可知，该植物细胞中二氧化碳的受体有_______________。(5)景天科植物对应图丙中的________类植物(填字母)，图丙中植物B在中午10点～12点曲线下降的原因是_________________________________________________________________________________。
中午温度过高，蒸腾作用过强导致植物气孔关闭，CO2吸收速率下降，光合速率下降
解析　分析题图，图甲表示夜间气孔开放吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中；图乙表示白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用；图丙中植物A在白天气孔关闭，CO2吸收速率下降；植物B在中午时气孔关闭，导致光合速率减慢；植物C在中午时CO2吸收速率最快，光合速率不受影响。
(1)图甲、乙为景天科等植物细胞图，图中含有双层膜的细胞器有线粒体和叶绿体。(2)由题可知，景天科等植物夜间固定CO2产生有机酸储存在液泡中，白天有机酸脱羧释放CO2，用于光合作用，由于图甲中CO2最终形成苹果酸储存在液泡中，故判断图甲、乙中属于夜晚的是图甲，该植物夜间只进行呼吸作用，产生ATP的场所有细胞质基质和线粒体。(3)由题可知，图乙表示白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用，白天为景天科植物光合作用提供所需的CO2的来源的生理过程有苹果酸的分解和有氧呼吸第二阶段的释放。还需要光反应提供ATP和NADPH。(4)据图甲可知，CO2与PEP结合生成OAA，据图乙可知，CO2与RuBP结合生成PGA，因此，该植物细胞中二氧化碳的受体有PEP和RuBP。(5)景天科植物白天气孔关闭，夜晚气孔开放吸收CO2，因此对应图丙中的A类植物，植物B在中午10点～12点曲线下降的原因是中午温度过高，蒸腾作用过强导致植物气孔关闭，CO2吸收速率下降，光合速率下降。
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，下列叙述错误的是(　　)
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
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，如图在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＋)逆浓度梯度从叶绿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。
1.(2021·山东卷，21)光照条件下，叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5，O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸。向水稻叶面喷施不同浓度的光呼吸抑制剂SBS溶液，相应的光合作用强度和光呼吸强度见下表。光合作用强度用固定的CO2量表示，SBS溶液对叶片呼吸作用的影响忽略不计。
(1)光呼吸中C5与O2结合的反应发生在叶绿体的________中，正常进行光合作用的水稻突然停止光照，叶片CO2释放量先增加后降低，CO2释放量增加的原因是______________________________________________________________________________________________________________________________。(2)与未喷施SBS溶液相比，喷施100(mg·L－1) SBS溶液的水稻叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度________(填“高”或“低”)，据表分析，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________
光照停止，产生的ATP、NADPH减少，暗反应消耗的C5减少，C5与O2结合增加，产生的CO2增多
喷施SBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸释放的CO2减少，即叶片的CO2吸收量增加，释放量减少。此时，在更低的光照强度下，两者即可相等。
(3)光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物，农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探究SBS溶液利于增产的最适喷施浓度，据表分析，应在__________(mg·L－1)之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。
解析　(1)根据题干条件“O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸”，而C5存在于叶绿体基质中，所以C5与O2结合的反应发生在叶绿体的基质中。突然停止光照，叶片光反应停止，产生的ATP和NADPH减少，暗反应也会减慢，所以C5积累，与O2结合增加，产生的CO2增多。
(2)根据表中数据可知，与未喷施SBS溶液相比，喷施100(mg·L－1)SBS溶液的水稻叶片光合作用强度增大，固定的CO2增多，而光呼吸强度降低，产生的CO2减少，若使二者相等，则需适当降低光照强度，才能使叶片吸收和放出CO2量相等。(3)光合作用固定CO2，制造有机物，光呼吸产生CO2，消耗有机物。根据表中数据可知，有利于增产的最适SBS溶液浓度，应该是光合作用强度与光呼吸强度差值最大的一组，而在表中SBS溶液浓度为200(mg·L－1)时，差值相对最大，所以最适浓度在200(mg·L－1)左右，则应该在100～300(mg·L－1)之间设置多个浓度梯度进一步进行实验。
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(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____________________。
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________。
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，下列相关叙述错误的是(　　)
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
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_____________________________________________________________________________________________________________________________________。
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
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)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。
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
降低蒸腾作用，减少水分散失
苹果酸的分解和细胞呼吸