2024届高考生物一轮复习教案第三单元细胞的能量供应和利用解惑练1C3植物C4植物和CAM植物（苏教版）

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1．C3途径：也称卡尔文循环，整个循环由RuBP(C5)与CO2的羧化开始到RuBP(C5)再生结束，在叶绿体基质中进行，可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有大麦、小麦、大豆、菜豆、水稻、马铃薯等。
2．C4途径：研究玉米的叶片结构发现，玉米的维管束鞘细胞和叶肉细胞紧密排列(如图1)。叶肉细胞中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，在维管束鞘细胞中，C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物(如图2)。PEP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。常见C4植物有玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。
3．CAM途径：CAM植物夜间吸进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。从而表现出夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH下降。而白天气孔关闭，苹果酸转移到细胞质中脱羧，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。从而表现出白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液pH上升。常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。
归纳总结 C3植物、C4植物和CAM植物的比较
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。
跟踪训练
1．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)图1是C3植物碳元素代谢途径的示意图。①、②、③、④代表的是物质，A、B、C、D代表的是生理过程，则①、④依次是__________、________；D过程是__________________，ATP的合成除发生在A过程外，还发生在________(填字母)过程。
(2)C3植物在干旱、炎热的环境中，由于气孔关闭造成_______________________________，从而不利于光合作用。
(3)图2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Rubisc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。
(4)由图2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)氧气 C5 有氧呼吸第二、三阶段 C、D
(2)CO2不能进入叶片，同时引起O2在细胞内积累
(3)PEP羧化 低CO2浓度 (4)细胞 时间 不能 没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提供足够ATP和NADPH
2．(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HCOeq \\al(－,3)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HCOeq \\al(－,3)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HCOeq \\al(－,3)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______________________。
A．改造植物的HCOeq \\al(－,3)转运蛋白基因，增强HCOeq \\al(－,3)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
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 (2)由题图1可知，HCOeq \\al(－,3)运输需要消耗ATP，说明HCOeq \\al(－,3)是通过主动运输进入叶绿体的，主动运输一般是逆浓度运输，由此推断图中HCOeq \\al(－,3)浓度最高的场所是叶绿体。该过程中细胞质中需要的ATP由细胞呼吸提供，叶绿体中的ATP由光合作用提供。(3)①PEPC参与催化HCOeq \\al(－,3)＋PEP过程，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，说明图中由Pyr转变为PEP的过程属于吸能反应。(4)改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成，不利于最终CO2的生成，不能提高植物光合作用的效率，B不符合题意；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。特征
C3植物
C4植物
CAM植物
与CO2结合的物质
RuBP(C5)
PEP
PEP
CO2固定的最初产物
C3
C4
草酰乙酸
CO2固定的时间
白天
白天
夜晚和白天
光反应的场所
叶肉细胞类囊体膜
叶肉细胞类囊体膜
叶肉细胞类囊体膜
卡尔文循环的场所
叶肉细胞的叶绿体基质
维管束鞘细胞的叶绿体基质
叶肉细胞的叶绿体基质
有无光合午休
有
无
无