第一篇　主题一　专题(四)　命题点2　CO2固定方式的比较及光呼吸 2024年高考生物二轮复习课件+讲义

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CO2固定方式的比较及光呼吸
1.C3植物、C4植物和CAM植物固定CO2的方式比较
(1)比较C4植物、CAM植物固定CO2的方式相同点：都对CO2进行了两次固定。不同点：C4植物两次固定CO2是空间上错开；CAM植物两次固定CO2是时间上错开。
(2)比较C3 、C4、CAM途径C3途径是碳同化的基本途径， C4途径和CAM途径都只起固定CO2的作用，最终还是通过C3途径合成有机物。
2.光呼吸(1)发生原因：Rubisc是一种双功能酶，当CO2/O2的值高时，可催化C5固定CO2合成有机物；当CO2/O2的值低时，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。
(2)一定条件下光呼吸使光合效率下降25%～30%，抑制光呼吸的措施：适当降低环境中O2浓度或提高CO2浓度。
(3)光呼吸对植物有重要的正面意义，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，CO2供应减少。其生理作用体现在：①光呼吸是高耗能反应，可以消耗光反应阶段生成的多余的NADPH和ATP。②光呼吸的产物有CO2，可以弥补CO2不足，维系暗反应，暗反应也可以消耗掉NADPH和ATP。③正常光照下体内产生乙醇酸是不可避免的，乙醇酸对细胞有毒害作用，而光呼吸可以消耗乙醇酸。
(4)光呼吸与细胞呼吸的比较
1.(2021·全国乙，29)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。
细胞质基质、线粒体(线粒体基质和线
粒体内膜)、叶绿体类囊体薄膜
(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。
蒸腾作用过强导致水分散失过多
(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)。_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
实验思路：取生长状态相同的植物甲若干株随机均分为A、B两组；A组在(湿度适宜的)正常环境中培养，B组在干旱环境中培养，其他条件相同且适宜，一段时间后，分别检测两组植株夜晚同一时间液泡中的pH，并求平均值。预期结果：A组pH平均值高于B组
2.(2022·江苏，20)图Ⅰ所示为光合作用过程中部分物质的代谢关系(①～⑦表示代谢途径)。Rubisc是光合作用的关键酶之一，CO2和O2竞争与其结合，分别催化C5的羧化与氧化。C5羧化固定CO2合成糖；C5氧化则产生乙醇酸(C2)，C2在过氧化物酶体和线粒体协同下，完成光呼吸碳氧化循环。请据图回答下列问题：
(1)图Ⅰ中，类囊体薄膜直接参与的代谢途径有_____(从①～⑦中选填)，在红光照射条件下，参与这些途径的主要色素是__________________。
(2)在C2循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化，同时生成的__________在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。
(3)将叶片置于一个密闭小室内，分别在CO2浓度为0和0.03%的条件下测定小室内CO2浓度的变化，获得曲线a、b(图Ⅱ)。①曲线a,0～t1时段(没有光照，只进行细胞呼吸)释放的CO2源于细胞呼吸；t1～t2时段，CO2的释放速度有所增加，此阶段的CO2源于_________________。
②曲线b，当时间到达t2点后，室内CO2浓度不再改变，其原因是______________________________________。
用强度等于细胞呼吸和光呼吸强度
(4)光呼吸可使光合效率下降20%～50%，科学家在烟草叶绿体中组装表达了衣藻的乙醇酸脱氢酶和南瓜的苹果酸合酶，形成了图Ⅲ代谢途径，从而降低了光呼吸，提高了植株生物量。上述工作体现了遗传多样性的______价值。
(1)(2022·全国甲，29节选)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__________________________________________________________。
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
(2)(2021·天津，15节选)蓝细菌具有CO2浓缩机制，如图所示。
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 提高光合效率。
(3)(经典高考题)某研究小组测得在适宜条件下某植物叶片遮光前吸收CO2的速率和遮光(完全黑暗)后释放CO2的速率。吸收或释放CO2的速率随时间变化趋势的示意图如图(吸收或释放CO2的速率是指单位面积叶片在单位时间内吸收或释放CO2的量)，回答下列问题：
在光照条件下，图形 A＋B＋C 的面积表示该植物在一定时间内单位面积叶片光合作用_______________，其中图形 B 的面积表示________________________，从图形 C 可推测该植物存在另一个 的途径。
题组一　C3、C4、CAM途径辨析1.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，如图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)图1中的维管束鞘的外侧紧密连接一层环状的叶肉细胞，组成了花环型结构。该特殊结构的意义在于叶肉细胞中________________对CO2具有很强的亲和力，可以把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来，进而维持_________细胞内的叶绿体中高CO2状态。科学家把这种独特作用，形象地比喻成“二氧化碳泵”。
PEP羧化酶(PEPC)
(2)在玉米的叶肉细胞内的苹果酸通过________(填结构P的名称)进入维管束鞘细胞释放出丙酮酸和CO2。叶肉细胞和维管束鞘细胞间具有大量结构P的意义是_________________。经浓缩后释放的CO2在Rubisc的催化下经过程①被固定成___，在____________(填场所)中进一步被还原生成磷酸丙糖。
(3)综上分析，玉米光合作用需要叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成，固定CO2的受体有______________________。
C5和磷酸烯醇式丙酮酸
(4)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，科研人员采用如表中的实验步骤和操作过程开展研究，请完成表格：
2.有些植物光合作用时CO2被固定的最初产物是C3，这些植物称为C3植物；而有些生活在热带干旱地区的植物，其在夜间气孔开放时，CO2被转化成苹果酸储存在液泡中，在白天气孔关闭时，液泡中的苹果酸会释放出CO2，进而在叶绿体中完成卡尔文循环，这些植物称为CAM植物。请回答下列问题：(1)在C3植物的叶绿体中，CO2被____固定成C3，C3再接受_____________的能量被还原成糖类。
(2)如图是CAM植物在进行光合作用时固定CO2的方式，据图判断，苹果酸进入液泡和细胞质基质的物质运输方式分别为___________________。CAM植物在白天光合作用所需CO2的来源有苹果酸脱羧和_________；在夜间气孔开放时，CAM植物可以合成[H]，原因是_______________________________________________。
注：PEP为磷酸烯醇式丙酮酸。
氧呼吸的第一、二阶段合成[H]
(3)植物甲是一种兼性CAM植物，当其在干旱的环境时，表现为气孔夜间开放、白天关闭的CAM类型，当其在水分充足的环境时，则转变为气孔白天开放、夜间关闭的C3类型。若以液泡pH的变化为检测指标，请设计实验验证植物甲是兼性CAM植物，简要写出实验思路和预期结果。实验思路：________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________；预期结果：__________________________________________________________________。
选取若干正常生长的植物甲，随机均分为A、B两组，将A组置于干旱环境下培养，B组置于水分充足环境下培养，其他条件相同且适宜，培养一段时间后，在夜晚和次日白天检测A、B两组植物液泡的pH
A组次日白天液泡pH明显大于夜间，B组次日白天液泡pH与夜间相差不大
题组二　其他的固定CO2的方式辨析3.(2021·辽宁，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 两种形式存在，水体中CO2浓度低、扩散速度慢，有些藻类具有如图1所示的无机碳浓缩过程，图中 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___________________。
(3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制，部分过程如图2。在叶肉细胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将 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。
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________。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D.将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物
4.(2023·泉州高三统考)春夏季节无机碳含量较低的富营养化水体中常常发生水华，铜锈微囊藻是一种主要水华蓝细菌，能通过浓缩CO2保持竞争优势，机制如图1，其中①～⑨代表过程，A～D代表载体，羧体是一种由蛋白质组成的类细胞器，CA代表碳酸酐酶。研究人员进一步研究了特定环境对CA活力的影响，结果如图2、图3。请回答下列问题：
(1)图1中，铜锈微囊藻光合作用固定CO2的场所是____，光合片层结构上的______________(色素名称)吸收光能，合成的______________参与C3的还原。(2)图1中，铜锈微囊藻浓缩CO2的机制有：①通过载体_______(填字母)的转运建立Na＋电化
(3)在高浓度CO2条件下，CA活力_____。结合图2、图3分析，微囊藻水华的爆发往往发生在水体无机碳含量较低的春夏季节，原因是__________________________________________________________。
强光条件下微囊藻的CA活力升高，浓缩CO2的能力增强
(4)鞭毛虫(一种原生动物)能吞食微囊藻等蓝细菌，研究人员提出可利用鞭毛虫防治水华，且研究了鞭毛虫吞食作用对铜锈微囊藻细胞大小(FSC)和酯酶(FL1，诱发细胞聚合成群体)活性的影响，结果如图4、图5。
该研究表明鞭毛虫防治水华的效果不太理想，其原因是在鞭毛虫吞食作用下，一方面铜锈微囊藻细胞______________________________________________________，增殖加快；另一方面_______________________________________，有效阻止鞭毛虫的吞食。
变小，细胞相对表面积增加，有利于细胞
FL1活性升高，诱发细胞聚合
题组三　辨析光呼吸5.(2021·山东，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溶液处理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_______________________________________________________________________________________。
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
(2)与未喷施SBS溶液相比，喷施100 mg/L 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_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
喷施100 mg/L 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之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。
6.(2023·湖南，17)如图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。卡尔文循环的Rubisc酶对CO2的Km为450 μml·L－1(K越小，酶对底物的亲和力越大)，该酶既可催化RuBP与CO2反应，进行卡尔文循环，又可催化RuBP与O2反应，进行光呼吸(绿色植物在光照下消耗O2并释放CO2的反应)。该酶的酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影响。与水稻相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘，其中叶肉细胞叶绿体是水光解的主要场所，维管束鞘细胞的叶绿体主要与ATP生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利
用PEPC酶(PEPC对CO2的Km为7 μml·L－1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与CO2反应生成C4，固定产物C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2，再进行卡尔文循环。回答下列问题：(1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是______________(填具体名称)，该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成________(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后，再通过________长距离运输到其他组织器官。
(2)在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度______(填“高于”或“低于”)水稻。从光合作用机制及其调控分析，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(答出三点即可)。
高光照条件下玉米可以将光合产物及时转移；玉米的PEPC酶比水稻的Rubisc酶对CO2的亲和力更高；玉米能通过PEPC酶生成C4，使维管束鞘内的CO2浓度高于外界环境，抑制玉米的光呼吸
(3)某研究将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻，水稻叶绿体中CO2浓度大幅提升，其他生理代谢不受影响，但在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化。其原因可能是__________________________________________________________________________________________________________________________(答出三点即可)。
酶的活性达到最大，对CO2的利用率不再提高；受到ATP以及NADPH等物质含量的限制；原核生物和真核生物光合作用机制有所不同