2024高中生物必修第一册（人教版2019）同步讲义第5章微专题三C3、C4、CAM植物及光呼吸（Word版附解析）

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C3、C4、CAM植物及光呼吸一、C3、C4和CAM植物自然界中的绿色植物根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同可以分为C3、C4和CAM三种类型。1．C3途径：也称卡尔文循环[固定CO2的初产物是三碳化合物(C3)]，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、水稻、马铃薯等。2．C4途径：[固定CO2的初产物是四碳化合物(C4)]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，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”，它对CO2的亲和力约是Rubisco的60倍，所以C4植物能利用叶肉细胞间隙含量很低的CO2进行光合作用，反应的空间分离导致维管束鞘细胞中CO2浓度比叶肉细胞增加10倍，从而确保在CO2受限的条件下进行高效地碳固定。C4植物通常生长在强光环境中，光合作用速率在所有植物中最高，如玉米、甘蔗、高粱等。3．CAM 途径：在CAM植物中，碳捕获和固定的反应在时间上是分离的。首先，在晚上(此时蒸腾速率低)捕获CO2，然后转变成苹果酸存储在液泡中。到了白天，气孔关闭，苹果酸脱羧，使得叶绿体中Rubisco周围CO2浓度升高。大量的苹果酸存储需要更大的液泡和细胞，因此CAM植物一般具有肉质的茎叶。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。例1　下列有关C3植物和C4植物代谢和结构特点的叙述，正确的是(　　)A．C3植物多为阴生植物，C4植物多为阳生植物B．在进行光合作用时，C3植物和C4植物将CO2中的C分别首先转移到C3和C4中C．C3植物的叶肉细胞具有正常叶绿体，C4植物的叶肉细胞具有无基粒的叶绿体D．C4植物的维管束鞘外有“花环型”的两圈细胞答案　B解析　C3植物既有阳生植物也有阴生植物，C4植物都为阳生植物，A错误；C4植物的维管束鞘细胞的叶绿体不含有基粒，而叶肉细胞的叶绿体含有基粒，C错误；C4植物的叶片中，围绕着维管束的是呈“花环型”的两圈细胞：里面的一圈是维管束鞘细胞，外面的一圈是一部分叶肉细胞，D错误。例2　原本生活在干旱地区的多肉植物，经研究发现其CO2固定过程非常特殊，被称为景天酸代谢途径。其光合作用产生的中间产物苹果酸在CO2的固定和利用过程中起到重要作用，过程如图所示。据图分析，下列说法错误的是(　　)A．进行景天酸代谢的植物白天进行光反应，积累ATP和NADPH，晚上进行暗反应合成有机物B．图示的代谢方式可以有效地避免植物蒸腾过度导致脱水，从而使该类植物适应干旱环境C．与常见的C3代谢途径植物相比，夜间更适于放置在室内的是景天酸代谢途径植物D．多肉植物在其原生地环境中，其液泡中的pH会呈现白天升高晚上降低的周期性变化答案　A二、光呼吸光呼吸是所有进行光合作用的细胞(该处“细胞”包括原核生物和真核生物，但并非所有这些细胞都能进行完整的光呼吸)在光照和高氧低二氧化碳情况下发生的一个生化过程。该过程以光合作用的中间产物为底物，吸收氧、释放二氧化碳。1．光呼吸的起因(1)植物体为什么会发生光呼吸呢？主要原因是在生物体的进化过程中产生了一种具有双功能的酶，该酶叫作RuBP羧化/加氧酶，可以缩写为Rubisco。(2)二氧化碳和氧气竞争性地与Rubisco结合，当二氧化碳浓度高时，Rubisco催化RuBP与二氧化碳形成两分子C3进行卡尔文循环；当氧气浓度高时，Rubisco催化RuBP与氧气形成1分子C3和1分子磷酸乙醇酸(C2)，其中C3进入卡尔文循环，而磷酸乙醇酸脱去磷酸基团形成乙醇酸，乙醇酸就离开叶绿体，走上了光呼吸的征途，这条路艰难而曲折，有害也有利。基本过程如图所示。(3)由图可见，光呼吸和光合作用的关系密切，它们之间的关系可以作一形象的理解：糖工厂内(进行光合作用的细胞，特别是植物)的葡萄糖生产线(光合作用)因一部机器(Rubisco)构造不完善，一部分原材料(C5)不断被错误加工，产出次品(磷酸乙醇酸)，虽然有一补救措施，可将次品重加工并再次投入生产线，但是整个过程却是非常费时费力的。这个错误加工和补救的过程就是光呼吸。2．光呼吸的危害如果在较强光照下，光呼吸加强，使得C5氧化分解加强，一部分碳以CO2的形式散失，从而减少了光合产物的形成和积累。其次，光呼吸过程中消耗了ATP和NADPH，即造成了能量的损耗。3．光呼吸的意义其实光呼吸和卡尔文循环是一种动态平衡，适当的光呼吸对植物体有一定积极意义，这也许是进化过程中形成光呼吸的原因。光呼吸的主要生理意义如下：(1)回收碳元素。2分子的C2形成1分子的C3和1分子的CO2，那1分子C3通过光呼吸过程又返回到卡尔文循环中，不至于全部流失掉。即通过光呼吸回收了3/4的碳元素。(2)防止强光对叶绿体的破坏。在干旱天气和过强光照下，由于光反应速率大于暗反应速率，因此，叶肉细胞中会积累ATP和NADPH，这些物质积累会产生自由基，尤其是超氧阴离子，这些自由基能损伤叶绿体，而强光下，光呼吸加强，会消耗光反应过程中积累的ATP和NADPH，从而减轻对叶绿体的伤害。当然植物体还有很多避免强光下损伤叶绿体的机制，光呼吸算是其中之一。(3)消除乙醇酸对细胞的毒害。归纳总结　光呼吸与暗呼吸的比较例3　植物叶肉细胞的叶绿体基质中有R酶，既能与CO2结合，催化CO2与C5反应生成C3，也能与O2结合，催化C5的分解。CO2和O2在与R酶结合时具有竞争性相互抑制(净光合速率＝光合作用产生有机物总量－细胞呼吸消耗有机物总量)。下列分析正确的是(　　)A．植物叶肉细胞内CO2的固定发生在叶绿体内膜上B．R酶催化CO2与C5反应时需要NADPH和ATPC．增大CO2浓度后，植物叶肉细胞内的C3/C5的值增大D．增大O2/CO2的值，有利于提高植物的净光合速率答案　C解析　植物叶肉细胞内CO2的固定为暗反应过程，发生在叶绿体基质中，A错误；R酶催化CO2与C5反应时不需要NADPH和ATP，C3还原时需要NADPH和ATP，B错误；增大CO2浓度有利于R酶催化CO2与C5反应生成C3，因此植物叶肉细胞内的C3/C5的值增大，C正确；增大O2/CO2的值后R酶与O2结合增多，催化C5的分解，CO2的固定过程减弱，植物的净光合速率下降，D错误。例4　(2022·北京丰台高一期末)Rubisco是绿色植物光合作用过程中的关键酶，当CO2浓度较高时，该酶催化CO2与C5反应进行光合作用。当O2浓度较高时，该酶催化C5与O2反应，最后在线粒体内生成CO2，植物这种在光下吸收O2产生CO2的现象称为光呼吸。下列叙述错误的是(　　)A．绿色植物进行光呼吸的场所有叶绿体基质和线粒体B．植物光呼吸的进行导致光合作用产生的有机物减少C．光合作用过程中，CO2和C5反应需要消耗光反应产生的能量D．植物细胞呼吸产生CO2的场所为细胞质基质或线粒体基质答案　C解析　由题意可知，绿色植物进行光呼吸的过程为C5与O2反应，最后在线粒体内生成CO2，因此场所为叶绿体基质和线粒体，A正确；植物光呼吸的过程会消耗C5生成CO2，因此会导致光合作用产生的有机物减少，B正确；光合作用过程中CO2与C5反应生成C3，不需NADPH和ATP参与，C错误。1．下列关于高粱和玉米叶的结构及其光合作用过程的叙述，正确的是(　　)①围绕着维管束鞘的叶肉细胞排列疏松　②叶肉细胞的叶绿体有正常的基粒　③NADPH储存了能量，并具有还原性　④CO2中的C首先转移到C4中，然后才转移到C3中　⑤光能转化为电能时，电子的最终受体是ATP和NADP＋A．①③⑤ B．②③④ C．②④⑤ D．①②③答案　B解析　C4植物围绕着维管束鞘的叶肉细胞排列紧密，①错误；C4植物叶肉细胞的叶绿体有正常的基粒，②正确；光反应产生的NADPH和ATP储存了能量，且NADPH具有还原性，③正确；C4植物之所以叫“C4”植物，是因为CO2固定以后产物是C4，④正确；光能转化为电能时，电子的最终受体是NADP＋，⑤错误。2．(2022·浙江绍兴高一期末)景天酸代谢(CAM)途径属于某些植物特有的CO2固定方式：夜晚气孔开放，通过一系列反应将CO2固定于苹果酸，并储存在液泡中(如图甲)；白天气孔关闭，苹果酸运出液泡后放出CO2，供叶绿体的暗反应(如图乙)。下列关于这类植物的叙述，错误的是(　　)A．在夜晚，叶肉细胞能产生ATP的细胞器只有线粒体B．景天酸代谢(CAM)途径的出现，可能与植物适应干旱条件有关C．给植物提供14C标记的14CO2，14C可以出现在OAA、苹果酸、C3和有机物中D．若上午某一时刻，突然降低外界CO2浓度，叶肉细胞中C3的含量短时间内会降低答案　D解析　在上午某一时刻，突然降低外界的CO2浓度，对于该叶肉细胞来说，其暗反应不受影响，即C3的含量不受影响，D错误。3．如图为植物体内发生的光合作用和光呼吸的示意图，下列相关叙述正确的是(　　)A．光合作用过程中CO2在叶绿体类囊体薄膜上被利用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间的转化不受影响答案　B解析　光合作用过程中，CO2参与暗反应，场所是叶绿体基质，A错误；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；光合作用暗反应的进行，需要光反应提供 NADPH和ATP，黑暗条件下，光反应不能进行，不能为暗反应提供NADPH和ATP，因而C5与 C3之间的转化受影响，D错误。4．(2022·河北邯郸高一期末)玉米叶片具有特殊的结构，其维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2，并转移到维管束鞘细胞中释放，参与光合作用的暗反应。据图分析，下列说法不正确的是(　　)A．维管束鞘细胞的叶绿体能进行正常的光反应B．维管束鞘细胞中暗反应过程仍需要ATP和NADPHC．PEP羧化酶对环境中较低浓度的CO2具有富集作用D．玉米特殊的结构和功能，使其更适应高温干旱环境答案　A解析　光反应的场所是叶绿体的类囊体薄膜，基粒是由类囊体堆叠而成的，维管束鞘细胞的叶绿体没有基粒，所以维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应，A错误。5. 光照条件下，给C3植物和C4植物叶片提供14CO2，然后检测叶片中的14C。下列有关检测结果的叙述，错误的是(　　)A．从C3植物的淀粉和C4植物的葡萄糖中可检测到14CB．从C3植物和C4植物呼吸过程产生的中间产物中可检测到14CC．随光照强度增加，从C4植物叶片中可检测到含14C的C4大量积累D．在C3植物叶肉组织和C4植物叶维管束鞘细胞的C3中可检测到14C答案　C6．(2022·江苏盐城高一期末)人们根据光合作用碳同化的最初光合产物不同，把高等植物分为C3植物(最初光合产物是三碳化合物，反应途径称为C3途径，如水稻、小麦等)和C4植物(最初光合产物是四碳化合物，反应途径称为C4途径，如甘蔗、玉米等)。两类植物光合作用相关指标的比较如表：(1)研究发现，C4植物光合作用显著高于C3植物的原因是与CO2固定酶的种类有关，据表分析，与CO2亲和力更强的固定酶是________。这些酶存在的具体部位是____________，参与催化________反应。(2)晴朗的夏季中午，高温导致叶片气孔关闭，此时，光合作用受影响较小的植物是C4植物，因为C4植物能够利用____________________。(3)适宜条件下，C4植物的光饱和点高于C3植物，从内部原因分析：一是与C4植物叶肉细胞内酶的种类和数量有关，二是与C4植物叶肉细胞内的____________________有关。(4)小麦生长后期，农民常常在小麦行间播种玉米，其意义是____________________________。答案　(1)PEPC　叶绿体基质　暗　(2)较低浓度的CO2　(3)叶绿素等光合色素的含量　(4)充分利用空间，延长玉米的生长期特征C3植物C4植物CAM植物植物类型典型温带植物典型热带或亚热带植物典型干旱地区植物主要CO2固定酶RubiscoPEP羧化酶、RubiscoPEP羧化酶、 RubiscoCO2 固定的时间白天白天白天和夜晚发生CO2固定的细胞叶肉细胞叶肉细胞和维管束鞘细胞叶肉细胞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最初CO2接受体RuBP(C5)PEP光下：RuBP(C5)；暗中： PEPCO2固定的最初产物C3C4光下：C3；暗中：草酰乙酸比较项目光呼吸暗呼吸(有氧呼吸)底物乙醇酸糖、脂肪、蛋白质发生部位叶绿体、过氧化物酶体、线粒体细胞质基质、线粒体反应条件光照光或暗都可以能量消耗能量(消耗ATP和NADPH)产生能量共同点消耗氧气，放出二氧化碳相关指标C3植物C4植物CO2固定途径只有C3途径C4和C3途径产量/ (t干重·hm－2·a－1)22±0.339±17叶绿素a/b2.8±0.43.9±0.6主要CO2固定酶RubiscoPEPC、 RubiscoCO2补偿点/(mg·L－1)30～700～10光饱和点全日照1/2无