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新高考生物一轮复习课件：第10讲 光合作用、细胞呼吸综合（含解析）
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这是一份新高考生物一轮复习课件：第10讲 光合作用、细胞呼吸综合（含解析），共60页。PPT课件主要包含了素养目标，单位时间内，叶面积，叶绿体，病虫害，光合作用，台灯与烧杯的距离，NaHCO3，ATP，光反应等内容，欢迎下载使用。
一、光合作用的强度1.光合作用强度(1)含义:植物在 通过光合作用制造糖类的数量。 (2)衡量指标①净光合速率:单位时间、单位 吸收CO2的量或放出O2的量或有机物的净增量。 ②光合生产率(又称净同化率):植物在较长时间(一昼夜或一周)内,单位叶面积生产的干物质量。光合生产率比光合速率低,因为要去掉呼吸等消耗。
(3)影响因素①影响光合作用的内部因素: 的含量、 的含量和活性、叶龄等。 ②影响光合作用强度的环境因素: 。a.只要影响到光合作用的原料(CO2、水)、能量的供应(光能),都可能是影响光合作用强度的因素。例如:环境中CO2浓度、叶片气孔开闭情况。b.影响 (填光合作用场所)的形成和结构的因素,也会影响光合作用强度。例如:无机营养、 。 c.光合作用需要酶参与,因此影响酶活性的因素也会影响光合作用强度。例如: 、pH。
光照强度、CO2浓度、温度、水分等
2.探究光照强度对光合作用强度的影响(1)实验原理①在光照下,绿色植物通过 产生O2。 ②若叶片中的气体逸出,细胞间隙充满了水,浮力减小,叶片就会沉到水底;若光合作用产生的 充斥在叶片的细胞间隙中,浮力增大,叶片会从水底浮起。 ③光照强度不同,则光反应产生 的速率不同,叶片上浮的时间也不同。
(2)实验装置分析①设置自变量:自变量是光照强度,通过调整 来调节光照强度的大小。 ②中间盛水玻璃柱的作用:吸收灯光的热量,避免光照对烧杯内水温产生影响。③CO2的供应:事先向小烧杯中的清水中吹气或者是用质量分数为1%~2%的 溶液。
(3)实验步骤制备圆形小叶片→排气→沉水备用→分组→控制自变量(光照强度)→观察并记录(4)实验结论:在一定光照强度范围内,光合作用强度随光照强度的增强而 。
旁栏边角(必修1,第105页,“探究·实践”改编)阅读实验流程、分析实验装置,请回答下列问题。(1)台灯灯泡会产生热量,距离越近(功率越大)热量越多,从而影响装置溶液的温度,请你提出改进措施。 。
(2)因变量是光合作用强度,实验中是通过 来观测因变量的。
提示 在台灯和盛有圆形小叶片的烧杯之间放一盛水的玻璃柱,该玻璃柱可以吸收灯光的热量,避免光照对烧杯内水温产生影响
提示 单位时间内被抽去空气的圆形小叶片浮起的数量或者浮起相同数量的叶片所用的时间
易错辨析基于对影响光合作用的因素的理解,判断下列表述是否正确。(1)延长光照时间能够提高光合作用强度。( )(2)探究光照强度对光合作用强度影响的实验中使用的圆形小叶片应先排出里面的气体。( )(3)为确保溶液中CO2含量充足,圆形小叶片可以放入NaHCO3溶液中。( )(4)实验中测得的O2产生量是植物光合作用实际产生的总O2量。( )
二、光合作用与细胞呼吸的关系1.关系图解
(1)物质名称。b:O2,c: ,d:ADP,e:NADPH,f: ,g:CO2,h: 。
(2)生理过程及场所
2.联系(1)物质联系
旁栏边角(必修1,第106页,“拓展应用2”改编)给密闭玻璃瓶中的植物幼苗提供适宜的水、无机盐、光照强度、温度等条件,幼苗的生存时间一般不会太长,原因可能是 。
提示 随着植物生长,土壤的水分会减少,土壤中的无机盐含量会下降,空气中CO2含量减少等
易错辨析基于光合作用与细胞呼吸的关系的理解,判断下列表述是否正确。(1)光合作用过程中产生的NADPH可用于有氧呼吸的第三阶段。( )(2)叶绿体产生的O2可进入线粒体被直接利用,线粒体产生的H2O可进入叶绿体被直接利用。( )(3)进入叶绿体的CO2不能被NADPH直接还原,植物体的净光合速率长期为零时会导致幼苗停止生长。( )
角度一、影响光合作用强度的有关实验考向探究考向1实验过程分析1.图1为某校生物兴趣小组探究光照强度对茉莉花光合作用强度影响的实验装置示意图,图2为所测得的结果。请据图回答下列问题。
(1)图1中NaHCO3溶液的作用是 。 (2)请写出控制本实验自变量的一种方法: 。 (3)为了防止无关变量对实验结果的干扰,本实验还应设置对照实验,请问对照装置如何设置? 。 (4)实验测得,当用40 W灯泡照射时,红色液滴没有发生移动,这是因为此时 。
答案 (1)维持广口瓶内CO2的稳定 (2)用不同瓦数的灯泡或改变灯与广口瓶的距离 (3)将装置中的茉莉花换成等量死茉莉花,其他设置与图1中装置一样 (4)光合作用强度等于细胞呼吸强度解析 (1)在该实验装置中,NaHCO3溶液的作用是保持实验装置中的CO2浓度稳定。(2)该实验的自变量是光照强度,控制光照强度可以通过改变灯泡的功率或者灯与广口瓶的距离来实现。(3)影响该实验结果的变量除了光照强度之外,还会有环境温度等,所以对照组应该在装置中放置死亡了的茉莉花,其他与实验组相同。(4)灯泡功率为40 W时,红色液滴没有移动,说明装置中的O2浓度保持不变,此时光合速率等于呼吸速率。
考向2实验结果分析2.(2022山东潍坊模拟)图1为研究光合作用的实验装置,用打孔器在某植物的叶片上打出多个圆片,再用气泵抽出气体直至叶片沉底,然后将等量的叶圆片转至不同温度的NaHCO3(等浓度)溶液中,给予一定的光照,测量每个培养皿叶片上浮至液面所用的平均时间(图乙)。下列相关分析不正确的是( )A.在AB段,随着水温的增加,净光合速率逐渐增大B.上浮至液面的时间可反映净光合速率的相对大小C.通过图2分析可以找到真正光合作用的最适温度D.抽气后不含氧气,但实验过程中叶片仍能进行有氧呼吸
答案 C 解析 AB段,随着水温的增加,叶圆片上浮至液面所需要的时间缩短,说明氧气产生速率加快,净光合速率逐渐增大,A项正确;根据题意可知,上浮至液面的时间可反映净光合速率的相对大小,B项正确;通过图2分析只能找到净光合作用的最适温度,C项错误;虽然抽气后叶片不含氧气,但实验过程中的光照可以使叶片进行光合作用产生氧气,故实验过程中叶片能进行有氧呼吸,D项正确。
3.(2020北京海淀期中)某同学将新鲜金鱼藻置于盛有NaHCO3溶液的烧杯中,改变灯泡与烧杯的距离,测定得到如右上图所示结果。下列叙述正确的是( )A.本实验目的是探究CO2浓度对光合速率的影响B.15~45 cm,气泡产生速率代表净光合速率C.小于60 cm时,限制光合速率的主要因素是CO2浓度D.60 cm时,光线太弱导致光合作用完全停止
答案 B 解析 分析题图可知,本实验改变灯泡与烧杯的距离,改变的是光照强度,所以本实验目的是探究光照强度对光合速率的影响;当距离小于60 cm时,限制光合速率的主要因素是光照强度;在60 cm时,光线太弱,导致光合作用减弱,但光合作用没有完全停止。
考向3实验思路设计4.(2022山东聊城模拟)为研究臭氧胁迫对油菜光合特性的影响,研究人员将生理状况相同的油菜幼苗均分为甲、乙两组。甲组培养在经活性炭过滤的空气中,乙组培养在含有一定浓度臭氧且经活性炭过滤的空气中,其他培养条件相同且适宜。一段时间后测定,发现甲组的光合产物合成量、光合放氧速率和光合色素含量均高于乙组。回答下列问题。(1)油菜叶肉细胞内,产生氧气的具体部位是 ,光合色素的功能是 。本实验设置甲组作为对照组的目的是 。 (2)根据实验结果,从光合作用过程的角度分析臭氧使油菜光合产物合成量减少的原因是 。
(3)进一步研究发现,乙组油菜幼苗光合放氧速率下降是可恢复的。请以题述实验结束后的甲、乙两组油菜幼苗为实验材料设计实验验证这一结论。要求:简要写出实验思路和预期结果。实验思路: 。预期结果: 。
答案 (1)类囊体薄膜 吸收、传递、转化光能 排除臭氧以外的因素对实验结果的干扰,以保证本实验的结果是由臭氧引起的 (2)臭氧胁迫使光合色素含量降低,叶绿体吸收光能减少,使得ATP和NADPH生成减少,进而影响暗反应中C3的还原,使光合产物合成量减少 (3)将题述实验结束后的甲、乙两组油菜幼苗分别培养在经活性炭过滤的空气中,在相同且适宜的条件下培养一段时间,然后测定甲、乙组油菜幼苗的光合放氧速率 甲、乙两组油菜幼苗的光合放氧速率相等解析 分析题干可知,本实验的自变量为是否有臭氧的胁迫,因变量为光合产物合成量、光合放氧速率和光合色素含量。实验中甲组为对照组,设置对照组的目的是排除自变量以外的因素对实验结果的干扰,确保实验结果是由自变量引起的;乙组为实验组。
(1)在叶绿体类囊体薄膜上水光解为H+和氧气。光合色素的功能是吸收、传递、转化光能。本实验设置甲组作为对照组的目的是排除臭氧以外的因素对实验结果的干扰,以保证本实验的结果是由臭氧引起的。(2)由题干可知,乙组光合色素含量低于甲组,可推知臭氧胁迫使光合色素含量降低,叶绿体吸收光能减少,使得光反应产生的ATP和NADPH的量减少,进而使暗反应中C3的还原减弱,使光合产物合成量减少。(3)将题干所述实验结束后的甲、乙两组油菜幼苗,分别培养在经活性炭过滤的空气中,在相同且适宜的条件下培养一段时间,然后测定甲、乙两组油菜幼苗的光合放氧速率,如果甲、乙两组油菜幼苗的光合放氧速率相等,则说明乙组油菜幼苗光合放氧速率下降是可恢复的。
方法突破1.探究影响光合作用强度的实验分析(1)影响光合作用的实验步骤模型举例
(2)影响光合作用强度实验设计的注意事项
2.探究影响光合作用强度的实验设计
角度二、分析影响光合作用强度的因子考向探究考向1单因子对光合作用的影响5.(2022山东淄博模拟)水稻黄化(失绿)是高等植物基因突变导致叶绿素含量下降的现象。科研人员发现某突变型水稻叶片的叶绿素含量约为野生型的一半,但固定CO2的酶活性显著高于野生型。右图所示两条曲线分别为两种类型水稻在不同光照强度下的CO2吸收速率。下列叙述不正确的是( )A.曲线a和b与纵轴的交点相同代表呼吸速率相同B.曲线b表示突变型水稻,其光饱和点对应的光照强度较低C.在P点处突变型和野生型水稻的真正光合速率一定相同D.低于P点时,限制突变型水稻光合速率的主要环境因素是光照强度
答案 B 解析 O点时没有光照,植物只进行细胞呼吸,曲线a和b与纵轴的交点相同代表呼吸速率相同,A项正确;突变型水稻固定CO2的酶活性显著高于野生型,光饱和点较高,曲线a表示突变型水稻,B项错误;在P点处突变型和野生型水稻净光合速率相同,呼吸速率也相同,二者真正光合速率也一定相同,C项正确;低于P点时,突变型水稻净光合速率随光照强度增加而增加,即限制突变型水稻光合速率的主要环境因素是光照强度,D项正确。
考向2多因子对光合作用的影响6.(2022山东济南模拟)右图是以390 μml/ml的大气CO2浓度和自然降水条件为对照组(即C390+W0组),分别研究CO2浓度升高至550 μml/ml(即C550+W0组)和降水增加15%(即C390+W15组)对大豆净光合速率的影响得到的结果,其中P为C390+W0组曲线上的点,此时的光照强度为600 lx。
相关叙述正确的是( )A.可以用大豆的CO2固定量、O2释放量等来表示图中大豆的净光合速率B.光照强度为1 400 lx时,C390+W15组大豆的光合作用和细胞呼吸的强度均强于C390+W0组C.分析C390+W15组和C550+W0组数据表明适当增加降水可提高气孔的开放度,增加大豆CO2的摄入量,可促进大豆光合作用D.P点时,仅增加15%的降水量对大豆净光合速率的提升作用比仅升高CO2浓度到550 μml/ml的作用明显
答案 D 解析 可以用大豆的CO2吸收量、O2释放量等来表示图中大豆的净光合速率,A项错误;据图分析,3条曲线与纵轴的交点相同,说明3组大豆的细胞呼吸强度相等,光照强度为1 400 lx时,C390+W15组大豆的净光合作用大于C390+W0组,说明C390+W15组光合作用强度强于C390+W0组,B项错误;分析C390+W15组和C390+W0组数据,表明适当增加降水可促进大豆光合作用,C项错误;P点时,仅增加15%的降水量对大豆净光合速率的提升作用比仅升高CO2浓度到550 μml/ml的作用明显,D项正确。
7.(2022山东青岛模拟)兴趣小组研究温度及氮肥(硝酸盐)使用量对植物总光合速率的影响。他们将生理状态相同的实验植物随机分成9组,分别设置不同的温度和施氮量,给予适宜的光照,一段时间后分别测量实验容器内CO2的减少量。结果如下图所示,请回答下列问题。
(1) 被植物根细胞吸收的方式是 。氮元素吸收后被运送到叶肉细胞内可用于合成多种化合物,其中NADPH的作用是 。 (2)与其他组比较,3、6、9组结果出现的最可能原因是 。 (3)上述实验数据不足以得出实验结论,原因是 ,完善的方法是 。
答案 (1)主动运输 为光合作用暗反应阶段提供还原剂(和部分能量) (2)所施氮肥浓度过高,根细胞渗透失水,影响植株的生命活动 (3)仅测量获得实验条件下的净光合速率 在黑暗条件下重复上述实验,测量获得各组实验条件下的呼吸速率,进而计算获得总光合速率
解析 (1)植物细胞吸收无机盐离子的方式是主动运输。光合作用光反应产生NADPH用于C3的还原,同时NADPH属于高能化合物,因此NADPH的作用是为光合作用暗反应阶段提供还原剂和部分能量。(2)图中的3、6、9组是不同温度下的高施氮量处理,据图发现,3、6、9组的净光合速率还要低于对照组,可能原因是所施氮肥浓度过高,根细胞渗透失水,影响植株的生命活动。(3)本实验研究的是温度及氮肥(硝酸盐)使用量对植物总光合速率的影响,图中仅仅测量了实验条件下的净光合速率,还缺少呼吸速率的相关数据,因此还需要在黑暗条件下重复上述实验,测量获得各组实验条件下的呼吸速率,进而计算获得总光合速率。
方法突破1.影响光合作用强度的内部因素及应用(1)植物自身的遗传特性(如植物品种不同),以阴生植物、阳生植物为例,如下图所示。
(2)植物叶片的叶龄、叶绿素含量及酶
(3)叶面积指数(光合面积)
2.光照强度对光合作用的影响及应用(1)原理:光照强度影响光反应阶段,影响ATP及NADPH的产生,进而影响暗反应。(2)曲线分析(实线表示阳生植物,虚线表示阴生植物)
(3)应用:阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物低,间作套种农作物、林间带树种的配置和冬季温室栽培等都可合理利用光能。
3.CO2浓度对光合作用的影响及应用(1)原理:CO2浓度通过影响暗反应阶段,影响C3的生成。(2)曲线分析
图1中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度,即CO2补偿点,而图2中的A'点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度;两图中的B点和B'点都表示CO2饱和点,两图都表示在一定范围内,光合作用速率随CO2浓度增加而增大。
4.温度对光合作用的影响及应用(1)原理:温度通过影响光合酶的活性影响光合作用强度。(2)曲线分析光合作用强度和细胞呼吸强度都受温度的影响,但光合作用相关酶的最适温度较低。(3)应用:温室栽培植物时,白天调到光合作用最适温度,以提高光合作用强度;晚上适当降低温室内温度,以降低细胞呼吸强度,保证植物有机物的积累。
5.水对光合作用的影响及应用(1)原理:水既是光合作用的原料,又是体内各种化学反应的介质,如植物缺水将导致萎蔫,使光合速率下降。另外,水分还能影响气孔的开闭,间接影响CO2进入植物体内。(2)曲线分析图1表明在农业生产中,可根据作物的需水规律,合理灌溉。图2曲线上E点处光合作用强度暂时降低,是因为温度较高,植物部分气孔关闭,影响了CO2的供应。(3)应用:预防干旱,合理灌溉。
6.矿质元素对光合作用的影响及应用(1)原理:矿质元素是参与光合作用的许多重要化合物的组成成分,缺乏会影响光合作用的进行。例如,N是酶的组成元素,N、P是ATP、磷脂的组成元素,Mg是叶绿素的组成元素等。(2)曲线分析在一定浓度范围内,增大必需矿质元素的供应,可提高光合作用强度;但当矿质元素超过一定含量后,土壤溶液的浓度过高,植物会因渗透失水而使光合作用强度下降。(3)应用:合理施肥、补充土壤中的矿质元素。
7.多因子变量对光合速率的影响
考向探究考向1环境因素对光合作用与细胞呼吸的影响1.(2022山东烟台模拟)图1为黑藻在适宜温度下O2释放速率随光照强度的变化。图2是将黑藻放在适宜温度的密闭环境中,(不同时间内光照强度不同)测得的密闭环境中CO2浓度随时间的变化情况。下列叙述错误的是( )A.图1中,当光照强度相对值为2时,黑藻的氧气产生速率相对值为0B.图1中,当光照强度相对值为7时,若要提高黑藻光合速率,可适当增加CO2浓度C.图2中黑藻的光合速率等于呼吸速率的时间段是4~6 h、8~10 hD.由图2分析,黑藻在该密闭环境中经过12 h后有机物的含量上升
答案 A 解析 由图1可知,光照强度相对值为2时,黑藻的O2释放速率为0,其细胞呼吸消耗氧气的速率为2,所以其产生氧气的速率为2,A项错误;图1中,当光照强度相对值为7时,继续增加光照强度黑藻光合速率不能提高,已知黑藻处于适宜温度下,故可通过增加环境中CO2浓度来提高光合速率,B项正确;图2中,在4~6 h、8~10 h内,黑藻光合作用固定CO2的量与细胞呼吸释放CO2的量相等(即光合速率等于呼吸速率),导致密闭环境中CO2浓度没有发生变化,C项正确;据图2可知,黑藻在该密闭环境中经过12 h后,密闭环境中的CO2浓度比起始时的浓度低,所以黑藻光合速率大于呼吸速率,有机物含量上升,D项正确。
2.(2022山东潍坊模拟)仙人掌生长在高温、干旱的环境中,形成了一定的适应性特征。如图表示仙人掌在24 h内,光合作用和气孔导度(气孔导度表示气孔张开程度)的变化。据下图分析,下列描述正确的是( )A.白天进行光合作用,夜间进行细胞呼吸B.白天蒸腾作用强,散失的水分多于夜间C.白天可以进行光反应,但几乎不能从外界吸收CO2D.夜间同化CO2,所以暗反应只在夜间进行
答案 C 解析 白天和夜晚都可以进行细胞呼吸,A项错误;据图分析可知,白天气孔导度小,说明其蒸腾作用不强,B项错误;白天光照强,可以进行光反应,但是气孔导度小,几乎不能从外界吸收CO2,C项正确;暗反应包括CO2的固定和三碳化合物的还原,其中三碳化合物的还原需要光反应提供的ATP和NADPH,因此暗反应也在白天进行,D项错误。
考向2光合作用中补偿点、饱和点的移动问题3.(2022广东)与野生型拟南芥WT相比,突变体t1和t2在正常光照条件下,叶绿体在叶肉细胞中的分布及位置不同(图1,示意图),造成叶绿体相对受光面积的不同(图2),进而引起光合速率差异,但叶绿素含量及其他性状基本一致。
在不考虑叶绿体运动的前提下,下列叙述错误的是( )A.t2比t1具有更高的光饱和点(光合速率不再随光强增加而增加时的光照强度)B.t1比t2具有更低的光补偿点(光合吸收CO2与呼吸释放CO2等量时的光照强度)C.三者光合速率的高低与叶绿素的含量无关D.三者光合速率的差异随光照强度的增加而变大
答案 D 解析 由题图可知,t1的叶绿体相对受光面积大于t2,因此,t1在较小的光照强度下就能达到光补偿点和光饱和点,A、B两项正确;由题干“叶绿素含量及其他性状基本一致”可知,叶绿素的含量与三者光合速率的高低无关,C项正确;由题图可知,三者光合速率的差异是由叶绿体在细胞中的分布及位置不同引起的,与光照强度无关,D项错误。
考向3密闭和开放环境中一昼夜CO2、O2等含量变化的分析4.(2022浙江卷6月选考)不同光强度下,无机磷浓度对大豆叶片净光合速率的影响如图甲;16 h光照,8 h黑暗条件下,无机磷浓度对大豆叶片淀粉和蔗糖积累的影响如图乙。回答下列问题。
(1)叶片细胞中,无机磷主要贮存于 ,还存在于(细胞质基质)、线粒体和叶绿体等结构,光合作用过程中,磷酸基团是光反应产物 的组分。 (2)图1的O~A段表明无机磷不是光合作用中 过程的主要限制因素。由图2可知,光照下,与高磷相比,低磷条件的蔗糖和淀粉含量分别是 ;不论高磷、低磷,24 h内淀粉含量的变化是 。 (3)实验可用光电比色法测定淀粉含量,其依据是 。为确定叶片光合产物的去向,可采用 法。
答案 (1)液泡 ATP和NADPH (2)光反应 较低、较高 光照下淀粉含量增加,黑暗下淀粉含量减少 (3)淀粉遇碘显蓝色,其颜色深浅与淀粉含量在一定范围内成正比 14CO2的同位素示踪解析 (1)成熟植物细胞具有中央大液泡,是植物细胞贮存无机盐类、糖类、氨基酸、色素等的“大仓库”,所以无机磷主要贮存于大液泡中。光合作用过程中,光反应产物有O2、ATP和NADPH,而磷酸基团是ATP和NADPH的组分。
(2)图1中O~A段,随光照强度增大,净光合速率增大,表明这时限制因素为光照强度,即光反应限制了光合作用;且高磷和低磷条件下大豆叶片净光合速率的曲线完全重合,说明无机磷不是光合作用中光反应过程的主要限制因素。由图2可知,光照下,与高磷相比,低磷条件的蔗糖含量低,而淀粉含量高;不论高磷、低磷,24 h内淀粉含量的变化趋势均为光照下淀粉含量增加,黑暗下淀粉含量减少。(3)光电比色法是借助光电比色计来测量一系列标准溶液的吸光度,绘制标准曲线,然后根据被测试液的吸光度,从标准曲线上求出被测物质的含量的方法。淀粉遇碘显蓝色,其颜色深浅与淀粉含量在一定范围内成正比,可用于糖的定量,故用光电比色法测定淀粉含量;为确定叶片光合产物的去向,可采用(放射性)同位素示踪法标记14CO2,通过观察放射性出现的位置进而推测叶片光合产物的去向。
方法突破1.构建光合作用与细胞呼吸关系的数学模型建构模型:
(1)3种速率的表示方法
(3)数学公式真正光合速率=净光合速率+呼吸速率
2.分析一昼夜中植物代谢强度变化的两个曲线(1)自然环境中,绿色植物一昼夜内CO2的吸收与释放速率的曲线分析
(2)相对密闭的环境中,一昼夜CO2含量的变化曲线分析
光合作用与气孔知识必备光合作用的气孔限制和非气孔限制气孔是植物体与外界环境进行H2O和CO2等气体交换的重要门户,也是气体交换的调节机构:既能让光合作用需要的CO2通过,又能防止过多的水分损失。高效的扩散速率解决了CO2吸收的问题,却引起另一个问题,就是水分的散失也太快:植物通常有90%以上的水分是通过气孔散失的。如何解决水分与CO2矛盾,成为气孔调节的核心问题。
植物解决水分与CO2矛盾的方法之一是根据不同的气候环境调节气孔的密度、位置、大小以及结构。此外,植物对气孔开闭行为的调节也起着重要作用。气孔开闭主要的调节因子有昼夜节律、红蓝光、脱落酸(ABA)、CO2浓度、大气湿度、温度等。这些因素又直接或间接地与水分和CO2有关。若光合作用的减弱是气孔开度变小影响了CO2向固定部位的扩散造成的,则这种限制称为光合作用的气孔限制,如光照、水分、温度。若外界环境影响到叶肉细胞的同化能力,则即使细胞间隙中CO2浓度很高,光合作用仍然很弱,这种限制称为光合作用的非气孔限制,如氧气、CO2浓度、酶。
专项突破典例.(2022河北)为探究水和氮对光合作用的影响,研究者将一批长势相同的玉米植株随机均分成3组,在限制水肥的条件下做如下处理:(1)对照组;(2)施氮组,补充尿素(12 g/m2);(3)水+氮组,补充尿素(12 g/m2)同时补水。检测相关生理指标,结果见下表。
注:气孔导度反映气孔开放的程度
回答下列问题。(1)植物细胞中自由水的生理作用包括 等(写出两点即可)。补充水分可以促进玉米根系对氮的 ,提高植株氮供应水平。 (2)参与光合作用的很多分子都含有氮。氮与 离子参与组成的环式结构使叶绿素能够吸收光能,用于驱动 两种物质的合成以及 的分解;RuBP羧化酶将CO2转变为羧基加到 分子上,反应形成的产物被还原为糖类。 (3)施氮同时补充水分增加了光合速率,这需要足量的CO2供应。据实验结果分析,叶肉细胞CO2供应量增加的原因是 。
答案 (1)参与化学反应、细胞内的良好溶剂、运输养料和废物等 吸收和运输 (2)镁 ATP和NADPH H2O C5 (3)气孔开放程度升高,CO2吸收量增加解析 (1)细胞中自由水的生理作用包括参与化学反应、是细胞内的良好溶剂、运输养料和废物等。补充水分可以促进玉米根系对氮的吸收和运输。(2)氮与Mg2+参与组成的环式结构使叶绿素能吸收光能,用于ATP、NADPH的合成及水的光解。暗反应中CO2首先与五碳化合物(C5)结合生成C3。(3)从实验结果可以看出,施氮同时补充水分时气孔导度增大,说明气孔开放程度升高,吸收CO2增多。
专项训练1.(2022山东临沂一模)科研人员以野生型拟南芥植株为材料进行了相关实验,其叶肉细胞渗透压、叶片ABA(脱落酸)含量和气孔阻力(与气孔开闭程度有关,气孔全开时气孔阻力最小)之间的变化关系如图1所示,ABA调节气孔关闭与保卫细胞内K+浓度有关,其作用机制如图2所示。
(1)拟南芥叶肉细胞中光合色素分布在 ,作用是 。 (2)据图分析可知,恢复浇水能提高拟南芥光合作用强度,理由是 。(3)由图2可知,当ABA与受体结合后,通过关闭气孔和抑制气孔打开两条途径协同作用,即 ,调节保卫细胞内K+浓度,使气孔维持关闭状态。为进一步研究ABA受体与气孔关闭的关系,研究者以野生型拟南芥植株和超表达ABA受体基因的拟南芥植株为材料设置对照实验,进行培养并定期测量叶片的 。若 ,则说明ABA受体增多能够加速气孔关闭。
(4)研究发现,在干旱条件下,ABA浓度与光合色素降解程度呈正相关。请以拟南芥ABA缺失突变体为材料,设计实验验证该结论。写出实验思路和预期结果(光合色素含量的测定方法不作要求)。
答案 (1)叶绿体类囊体薄膜上 吸收、传递和转化光能 (2)ABA含量降低,气孔阻力减小,CO2供应增加,光合作用增强 (3)促使保卫细胞内Ca2+增加,促进K+外流,同时抑制K+内流 气孔阻力(或气孔直径) 实验组叶片的气孔阻力大于(或气孔直径小于)对照组 (4)实验思路:取经过干旱处理的拟南芥ABA缺失突变体若干并分组编号,用不同浓度的ABA溶液处理,再置于相同且适宜条件下培养。一段时间后测定各组叶片的光合色素含量。预期结果:随着ABA浓度的增大,拟南芥ABA缺失突变体中光合色素含量逐渐下降。
解析 (1)叶绿体中的光合色素分布在类囊体膜上,这些色素能够吸收、传递和转化光能。(2)据图可知,干旱处理后能增大叶片细胞的渗透压,进而促进ABA的合成和分泌,导致气孔关闭,CO2供应减少;恢复浇水后,ABA含量下降,气孔打开,CO2供应增加,因此可推知干旱处理会降低植物的光合作用,恢复浇水则有利于光合作用。(3)实验结果显示气孔阻力与ABA含量变化趋势一致,因此推测对气孔调节功能丧失的突变体施加一定浓度的ABA后,与对照组相比,如果表现为气孔阻力增加,则说明该突变体的气孔开闭异常是ABA合成缺陷导致的。
(4)本实验的目的是要验证在干旱条件下,ABA浓度与光合色素降解程度呈正相关,而且题干已经给了实验材料,根据实验目的可知本实验的自变量是用不同浓度梯度的ABA处理拟南芥ABA缺失突变体,因变量是拟南芥色素含量的变化,无关变量保持相同且适宜。实验设计如下:取经过干旱处理的拟南芥ABA缺失突变体若干并分组编号,用不同浓度的ABA溶液处理,再置于相同且适宜条件下培养。一段时间后测定各组叶片的光合色素含量。预期结果:随着ABA浓度的增大,拟南芥ABA缺失突变体中光合色素含量逐渐下降。
2.(2022山东日照二模)为研究高温条件下不同干旱水平对大豆光合作用的影响。研究人员选取发育进程与长势基本一致的转基因大豆幼苗,在38 ℃高温条件下设置正常(CK)、中度干旱(L)和重度干旱(M)3组来进行一系列实验,结果如下图所示。回答下列问题。
(1)研究人员发现,随着高温干旱时间的延长,大豆叶片逐渐变黄,这主要是由大豆叶肉细胞叶绿体中 上的叶绿素含量降低引起的。 (2)经测定,高温干旱条件下大豆细胞中脯氨酸等可溶性小分子物质的含量增加,其意义是 。 (3)分析图中数据可知,第2~4天大豆净光合速率下降的主要原因是 。由结果可以推断,第4~6天大豆净光合速率下降主要是由非气孔因素导致的,依据是 。 (4)请设计实验,探究导致大豆净光合速率下降的主要因素是高温还是干旱(写出实验设计思路)。
答案 (1)类囊体薄膜(基粒) (2)提高细胞的渗透压,增强细胞的吸水能力 (3)气孔导度下降,胞间CO2含量降低 气孔导度下降,胞间CO2含量反而升高 (4)将生长状况良好的大豆幼苗随机均分为甲、乙、丙三组,甲组在温度和湿度均适宜的条件下培养,乙组在高温、湿度适宜的条件下培养,丙组在温度适宜、干旱条件下培养,将乙、丙两组的净光合速率分别与甲组进行比较。
解析 (1)随着高温干旱时间的延长,大豆叶片逐渐变黄,是叶绿素含量降低导致,叶绿素分布在叶绿体的类囊体薄膜上。(2)水的渗透方向是从低浓度到高浓度,干旱时,外界浓度升高,吸水困难,植物需要提高自身的浓度,也就是通过提高渗透压来提高细胞的吸水能力,所以大豆细胞中脯氨酸等可溶性小分子物质的含量增加。(3)植物叶片通过气孔从外界吸收CO2,CO2含量下降将会导致光合速率下降,进而导致净光合速率下降,分析题图可知,第2~4天大豆净光合速率下降的主要原因是气孔导度下降,吸收的CO2减少,导致胞间CO2含量降低;由结果可以推断,第4~6天大豆净光合速率下降,此时气孔导度继续在下降,胞间CO2含量反而升高,由此推测主要是由非气孔因素导致的。
一、光合作用的强度1.光合作用强度(1)含义:植物在 通过光合作用制造糖类的数量。 (2)衡量指标①净光合速率:单位时间、单位 吸收CO2的量或放出O2的量或有机物的净增量。 ②光合生产率(又称净同化率):植物在较长时间(一昼夜或一周)内,单位叶面积生产的干物质量。光合生产率比光合速率低,因为要去掉呼吸等消耗。
(3)影响因素①影响光合作用的内部因素: 的含量、 的含量和活性、叶龄等。 ②影响光合作用强度的环境因素: 。a.只要影响到光合作用的原料(CO2、水)、能量的供应(光能),都可能是影响光合作用强度的因素。例如:环境中CO2浓度、叶片气孔开闭情况。b.影响 (填光合作用场所)的形成和结构的因素,也会影响光合作用强度。例如:无机营养、 。 c.光合作用需要酶参与,因此影响酶活性的因素也会影响光合作用强度。例如: 、pH。
光照强度、CO2浓度、温度、水分等
2.探究光照强度对光合作用强度的影响(1)实验原理①在光照下,绿色植物通过 产生O2。 ②若叶片中的气体逸出,细胞间隙充满了水,浮力减小,叶片就会沉到水底;若光合作用产生的 充斥在叶片的细胞间隙中,浮力增大,叶片会从水底浮起。 ③光照强度不同,则光反应产生 的速率不同,叶片上浮的时间也不同。
(2)实验装置分析①设置自变量:自变量是光照强度,通过调整 来调节光照强度的大小。 ②中间盛水玻璃柱的作用:吸收灯光的热量,避免光照对烧杯内水温产生影响。③CO2的供应:事先向小烧杯中的清水中吹气或者是用质量分数为1%~2%的 溶液。
(3)实验步骤制备圆形小叶片→排气→沉水备用→分组→控制自变量(光照强度)→观察并记录(4)实验结论:在一定光照强度范围内,光合作用强度随光照强度的增强而 。
旁栏边角(必修1,第105页,“探究·实践”改编)阅读实验流程、分析实验装置,请回答下列问题。(1)台灯灯泡会产生热量,距离越近(功率越大)热量越多,从而影响装置溶液的温度,请你提出改进措施。 。
(2)因变量是光合作用强度,实验中是通过 来观测因变量的。
提示 在台灯和盛有圆形小叶片的烧杯之间放一盛水的玻璃柱,该玻璃柱可以吸收灯光的热量,避免光照对烧杯内水温产生影响
提示 单位时间内被抽去空气的圆形小叶片浮起的数量或者浮起相同数量的叶片所用的时间
易错辨析基于对影响光合作用的因素的理解,判断下列表述是否正确。(1)延长光照时间能够提高光合作用强度。( )(2)探究光照强度对光合作用强度影响的实验中使用的圆形小叶片应先排出里面的气体。( )(3)为确保溶液中CO2含量充足,圆形小叶片可以放入NaHCO3溶液中。( )(4)实验中测得的O2产生量是植物光合作用实际产生的总O2量。( )
二、光合作用与细胞呼吸的关系1.关系图解
(1)物质名称。b:O2,c: ,d:ADP,e:NADPH,f: ,g:CO2,h: 。
(2)生理过程及场所
2.联系(1)物质联系
旁栏边角(必修1,第106页,“拓展应用2”改编)给密闭玻璃瓶中的植物幼苗提供适宜的水、无机盐、光照强度、温度等条件,幼苗的生存时间一般不会太长,原因可能是 。
提示 随着植物生长,土壤的水分会减少,土壤中的无机盐含量会下降,空气中CO2含量减少等
易错辨析基于光合作用与细胞呼吸的关系的理解,判断下列表述是否正确。(1)光合作用过程中产生的NADPH可用于有氧呼吸的第三阶段。( )(2)叶绿体产生的O2可进入线粒体被直接利用,线粒体产生的H2O可进入叶绿体被直接利用。( )(3)进入叶绿体的CO2不能被NADPH直接还原,植物体的净光合速率长期为零时会导致幼苗停止生长。( )
角度一、影响光合作用强度的有关实验考向探究考向1实验过程分析1.图1为某校生物兴趣小组探究光照强度对茉莉花光合作用强度影响的实验装置示意图,图2为所测得的结果。请据图回答下列问题。
(1)图1中NaHCO3溶液的作用是 。 (2)请写出控制本实验自变量的一种方法: 。 (3)为了防止无关变量对实验结果的干扰,本实验还应设置对照实验,请问对照装置如何设置? 。 (4)实验测得,当用40 W灯泡照射时,红色液滴没有发生移动,这是因为此时 。
答案 (1)维持广口瓶内CO2的稳定 (2)用不同瓦数的灯泡或改变灯与广口瓶的距离 (3)将装置中的茉莉花换成等量死茉莉花,其他设置与图1中装置一样 (4)光合作用强度等于细胞呼吸强度解析 (1)在该实验装置中,NaHCO3溶液的作用是保持实验装置中的CO2浓度稳定。(2)该实验的自变量是光照强度,控制光照强度可以通过改变灯泡的功率或者灯与广口瓶的距离来实现。(3)影响该实验结果的变量除了光照强度之外,还会有环境温度等,所以对照组应该在装置中放置死亡了的茉莉花,其他与实验组相同。(4)灯泡功率为40 W时,红色液滴没有移动,说明装置中的O2浓度保持不变,此时光合速率等于呼吸速率。
考向2实验结果分析2.(2022山东潍坊模拟)图1为研究光合作用的实验装置,用打孔器在某植物的叶片上打出多个圆片,再用气泵抽出气体直至叶片沉底,然后将等量的叶圆片转至不同温度的NaHCO3(等浓度)溶液中,给予一定的光照,测量每个培养皿叶片上浮至液面所用的平均时间(图乙)。下列相关分析不正确的是( )A.在AB段,随着水温的增加,净光合速率逐渐增大B.上浮至液面的时间可反映净光合速率的相对大小C.通过图2分析可以找到真正光合作用的最适温度D.抽气后不含氧气,但实验过程中叶片仍能进行有氧呼吸
答案 C 解析 AB段,随着水温的增加,叶圆片上浮至液面所需要的时间缩短,说明氧气产生速率加快,净光合速率逐渐增大,A项正确;根据题意可知,上浮至液面的时间可反映净光合速率的相对大小,B项正确;通过图2分析只能找到净光合作用的最适温度,C项错误;虽然抽气后叶片不含氧气,但实验过程中的光照可以使叶片进行光合作用产生氧气,故实验过程中叶片能进行有氧呼吸,D项正确。
3.(2020北京海淀期中)某同学将新鲜金鱼藻置于盛有NaHCO3溶液的烧杯中,改变灯泡与烧杯的距离,测定得到如右上图所示结果。下列叙述正确的是( )A.本实验目的是探究CO2浓度对光合速率的影响B.15~45 cm,气泡产生速率代表净光合速率C.小于60 cm时,限制光合速率的主要因素是CO2浓度D.60 cm时,光线太弱导致光合作用完全停止
答案 B 解析 分析题图可知,本实验改变灯泡与烧杯的距离,改变的是光照强度,所以本实验目的是探究光照强度对光合速率的影响;当距离小于60 cm时,限制光合速率的主要因素是光照强度;在60 cm时,光线太弱,导致光合作用减弱,但光合作用没有完全停止。
考向3实验思路设计4.(2022山东聊城模拟)为研究臭氧胁迫对油菜光合特性的影响,研究人员将生理状况相同的油菜幼苗均分为甲、乙两组。甲组培养在经活性炭过滤的空气中,乙组培养在含有一定浓度臭氧且经活性炭过滤的空气中,其他培养条件相同且适宜。一段时间后测定,发现甲组的光合产物合成量、光合放氧速率和光合色素含量均高于乙组。回答下列问题。(1)油菜叶肉细胞内,产生氧气的具体部位是 ,光合色素的功能是 。本实验设置甲组作为对照组的目的是 。 (2)根据实验结果,从光合作用过程的角度分析臭氧使油菜光合产物合成量减少的原因是 。
(3)进一步研究发现,乙组油菜幼苗光合放氧速率下降是可恢复的。请以题述实验结束后的甲、乙两组油菜幼苗为实验材料设计实验验证这一结论。要求:简要写出实验思路和预期结果。实验思路: 。预期结果: 。
答案 (1)类囊体薄膜 吸收、传递、转化光能 排除臭氧以外的因素对实验结果的干扰,以保证本实验的结果是由臭氧引起的 (2)臭氧胁迫使光合色素含量降低,叶绿体吸收光能减少,使得ATP和NADPH生成减少,进而影响暗反应中C3的还原,使光合产物合成量减少 (3)将题述实验结束后的甲、乙两组油菜幼苗分别培养在经活性炭过滤的空气中,在相同且适宜的条件下培养一段时间,然后测定甲、乙组油菜幼苗的光合放氧速率 甲、乙两组油菜幼苗的光合放氧速率相等解析 分析题干可知,本实验的自变量为是否有臭氧的胁迫,因变量为光合产物合成量、光合放氧速率和光合色素含量。实验中甲组为对照组,设置对照组的目的是排除自变量以外的因素对实验结果的干扰,确保实验结果是由自变量引起的;乙组为实验组。
(1)在叶绿体类囊体薄膜上水光解为H+和氧气。光合色素的功能是吸收、传递、转化光能。本实验设置甲组作为对照组的目的是排除臭氧以外的因素对实验结果的干扰,以保证本实验的结果是由臭氧引起的。(2)由题干可知,乙组光合色素含量低于甲组,可推知臭氧胁迫使光合色素含量降低,叶绿体吸收光能减少,使得光反应产生的ATP和NADPH的量减少,进而使暗反应中C3的还原减弱,使光合产物合成量减少。(3)将题干所述实验结束后的甲、乙两组油菜幼苗,分别培养在经活性炭过滤的空气中,在相同且适宜的条件下培养一段时间,然后测定甲、乙两组油菜幼苗的光合放氧速率,如果甲、乙两组油菜幼苗的光合放氧速率相等,则说明乙组油菜幼苗光合放氧速率下降是可恢复的。
方法突破1.探究影响光合作用强度的实验分析(1)影响光合作用的实验步骤模型举例
(2)影响光合作用强度实验设计的注意事项
2.探究影响光合作用强度的实验设计
角度二、分析影响光合作用强度的因子考向探究考向1单因子对光合作用的影响5.(2022山东淄博模拟)水稻黄化(失绿)是高等植物基因突变导致叶绿素含量下降的现象。科研人员发现某突变型水稻叶片的叶绿素含量约为野生型的一半,但固定CO2的酶活性显著高于野生型。右图所示两条曲线分别为两种类型水稻在不同光照强度下的CO2吸收速率。下列叙述不正确的是( )A.曲线a和b与纵轴的交点相同代表呼吸速率相同B.曲线b表示突变型水稻,其光饱和点对应的光照强度较低C.在P点处突变型和野生型水稻的真正光合速率一定相同D.低于P点时,限制突变型水稻光合速率的主要环境因素是光照强度
答案 B 解析 O点时没有光照,植物只进行细胞呼吸,曲线a和b与纵轴的交点相同代表呼吸速率相同,A项正确;突变型水稻固定CO2的酶活性显著高于野生型,光饱和点较高,曲线a表示突变型水稻,B项错误;在P点处突变型和野生型水稻净光合速率相同,呼吸速率也相同,二者真正光合速率也一定相同,C项正确;低于P点时,突变型水稻净光合速率随光照强度增加而增加,即限制突变型水稻光合速率的主要环境因素是光照强度,D项正确。
考向2多因子对光合作用的影响6.(2022山东济南模拟)右图是以390 μml/ml的大气CO2浓度和自然降水条件为对照组(即C390+W0组),分别研究CO2浓度升高至550 μml/ml(即C550+W0组)和降水增加15%(即C390+W15组)对大豆净光合速率的影响得到的结果,其中P为C390+W0组曲线上的点,此时的光照强度为600 lx。
相关叙述正确的是( )A.可以用大豆的CO2固定量、O2释放量等来表示图中大豆的净光合速率B.光照强度为1 400 lx时,C390+W15组大豆的光合作用和细胞呼吸的强度均强于C390+W0组C.分析C390+W15组和C550+W0组数据表明适当增加降水可提高气孔的开放度,增加大豆CO2的摄入量,可促进大豆光合作用D.P点时,仅增加15%的降水量对大豆净光合速率的提升作用比仅升高CO2浓度到550 μml/ml的作用明显
答案 D 解析 可以用大豆的CO2吸收量、O2释放量等来表示图中大豆的净光合速率,A项错误;据图分析,3条曲线与纵轴的交点相同,说明3组大豆的细胞呼吸强度相等,光照强度为1 400 lx时,C390+W15组大豆的净光合作用大于C390+W0组,说明C390+W15组光合作用强度强于C390+W0组,B项错误;分析C390+W15组和C390+W0组数据,表明适当增加降水可促进大豆光合作用,C项错误;P点时,仅增加15%的降水量对大豆净光合速率的提升作用比仅升高CO2浓度到550 μml/ml的作用明显,D项正确。
7.(2022山东青岛模拟)兴趣小组研究温度及氮肥(硝酸盐)使用量对植物总光合速率的影响。他们将生理状态相同的实验植物随机分成9组,分别设置不同的温度和施氮量,给予适宜的光照,一段时间后分别测量实验容器内CO2的减少量。结果如下图所示,请回答下列问题。
(1) 被植物根细胞吸收的方式是 。氮元素吸收后被运送到叶肉细胞内可用于合成多种化合物,其中NADPH的作用是 。 (2)与其他组比较,3、6、9组结果出现的最可能原因是 。 (3)上述实验数据不足以得出实验结论,原因是 ,完善的方法是 。
答案 (1)主动运输 为光合作用暗反应阶段提供还原剂(和部分能量) (2)所施氮肥浓度过高,根细胞渗透失水,影响植株的生命活动 (3)仅测量获得实验条件下的净光合速率 在黑暗条件下重复上述实验,测量获得各组实验条件下的呼吸速率,进而计算获得总光合速率
解析 (1)植物细胞吸收无机盐离子的方式是主动运输。光合作用光反应产生NADPH用于C3的还原,同时NADPH属于高能化合物,因此NADPH的作用是为光合作用暗反应阶段提供还原剂和部分能量。(2)图中的3、6、9组是不同温度下的高施氮量处理,据图发现,3、6、9组的净光合速率还要低于对照组,可能原因是所施氮肥浓度过高,根细胞渗透失水,影响植株的生命活动。(3)本实验研究的是温度及氮肥(硝酸盐)使用量对植物总光合速率的影响,图中仅仅测量了实验条件下的净光合速率,还缺少呼吸速率的相关数据,因此还需要在黑暗条件下重复上述实验,测量获得各组实验条件下的呼吸速率,进而计算获得总光合速率。
方法突破1.影响光合作用强度的内部因素及应用(1)植物自身的遗传特性(如植物品种不同),以阴生植物、阳生植物为例,如下图所示。
(2)植物叶片的叶龄、叶绿素含量及酶
(3)叶面积指数(光合面积)
2.光照强度对光合作用的影响及应用(1)原理:光照强度影响光反应阶段,影响ATP及NADPH的产生,进而影响暗反应。(2)曲线分析(实线表示阳生植物,虚线表示阴生植物)
(3)应用:阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物低,间作套种农作物、林间带树种的配置和冬季温室栽培等都可合理利用光能。
3.CO2浓度对光合作用的影响及应用(1)原理:CO2浓度通过影响暗反应阶段,影响C3的生成。(2)曲线分析
图1中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度,即CO2补偿点,而图2中的A'点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度;两图中的B点和B'点都表示CO2饱和点,两图都表示在一定范围内,光合作用速率随CO2浓度增加而增大。
4.温度对光合作用的影响及应用(1)原理:温度通过影响光合酶的活性影响光合作用强度。(2)曲线分析光合作用强度和细胞呼吸强度都受温度的影响,但光合作用相关酶的最适温度较低。(3)应用:温室栽培植物时,白天调到光合作用最适温度,以提高光合作用强度;晚上适当降低温室内温度,以降低细胞呼吸强度,保证植物有机物的积累。
5.水对光合作用的影响及应用(1)原理:水既是光合作用的原料,又是体内各种化学反应的介质,如植物缺水将导致萎蔫,使光合速率下降。另外,水分还能影响气孔的开闭,间接影响CO2进入植物体内。(2)曲线分析图1表明在农业生产中,可根据作物的需水规律,合理灌溉。图2曲线上E点处光合作用强度暂时降低,是因为温度较高,植物部分气孔关闭,影响了CO2的供应。(3)应用:预防干旱,合理灌溉。
6.矿质元素对光合作用的影响及应用(1)原理:矿质元素是参与光合作用的许多重要化合物的组成成分,缺乏会影响光合作用的进行。例如,N是酶的组成元素,N、P是ATP、磷脂的组成元素,Mg是叶绿素的组成元素等。(2)曲线分析在一定浓度范围内,增大必需矿质元素的供应,可提高光合作用强度;但当矿质元素超过一定含量后,土壤溶液的浓度过高,植物会因渗透失水而使光合作用强度下降。(3)应用:合理施肥、补充土壤中的矿质元素。
7.多因子变量对光合速率的影响
考向探究考向1环境因素对光合作用与细胞呼吸的影响1.(2022山东烟台模拟)图1为黑藻在适宜温度下O2释放速率随光照强度的变化。图2是将黑藻放在适宜温度的密闭环境中,(不同时间内光照强度不同)测得的密闭环境中CO2浓度随时间的变化情况。下列叙述错误的是( )A.图1中,当光照强度相对值为2时,黑藻的氧气产生速率相对值为0B.图1中,当光照强度相对值为7时,若要提高黑藻光合速率,可适当增加CO2浓度C.图2中黑藻的光合速率等于呼吸速率的时间段是4~6 h、8~10 hD.由图2分析,黑藻在该密闭环境中经过12 h后有机物的含量上升
答案 A 解析 由图1可知,光照强度相对值为2时,黑藻的O2释放速率为0,其细胞呼吸消耗氧气的速率为2,所以其产生氧气的速率为2,A项错误;图1中,当光照强度相对值为7时,继续增加光照强度黑藻光合速率不能提高,已知黑藻处于适宜温度下,故可通过增加环境中CO2浓度来提高光合速率,B项正确;图2中,在4~6 h、8~10 h内,黑藻光合作用固定CO2的量与细胞呼吸释放CO2的量相等(即光合速率等于呼吸速率),导致密闭环境中CO2浓度没有发生变化,C项正确;据图2可知,黑藻在该密闭环境中经过12 h后,密闭环境中的CO2浓度比起始时的浓度低,所以黑藻光合速率大于呼吸速率,有机物含量上升,D项正确。
2.(2022山东潍坊模拟)仙人掌生长在高温、干旱的环境中,形成了一定的适应性特征。如图表示仙人掌在24 h内,光合作用和气孔导度(气孔导度表示气孔张开程度)的变化。据下图分析,下列描述正确的是( )A.白天进行光合作用,夜间进行细胞呼吸B.白天蒸腾作用强,散失的水分多于夜间C.白天可以进行光反应,但几乎不能从外界吸收CO2D.夜间同化CO2,所以暗反应只在夜间进行
答案 C 解析 白天和夜晚都可以进行细胞呼吸,A项错误;据图分析可知,白天气孔导度小,说明其蒸腾作用不强,B项错误;白天光照强,可以进行光反应,但是气孔导度小,几乎不能从外界吸收CO2,C项正确;暗反应包括CO2的固定和三碳化合物的还原,其中三碳化合物的还原需要光反应提供的ATP和NADPH,因此暗反应也在白天进行,D项错误。
考向2光合作用中补偿点、饱和点的移动问题3.(2022广东)与野生型拟南芥WT相比,突变体t1和t2在正常光照条件下,叶绿体在叶肉细胞中的分布及位置不同(图1,示意图),造成叶绿体相对受光面积的不同(图2),进而引起光合速率差异,但叶绿素含量及其他性状基本一致。
在不考虑叶绿体运动的前提下,下列叙述错误的是( )A.t2比t1具有更高的光饱和点(光合速率不再随光强增加而增加时的光照强度)B.t1比t2具有更低的光补偿点(光合吸收CO2与呼吸释放CO2等量时的光照强度)C.三者光合速率的高低与叶绿素的含量无关D.三者光合速率的差异随光照强度的增加而变大
答案 D 解析 由题图可知,t1的叶绿体相对受光面积大于t2,因此,t1在较小的光照强度下就能达到光补偿点和光饱和点,A、B两项正确;由题干“叶绿素含量及其他性状基本一致”可知,叶绿素的含量与三者光合速率的高低无关,C项正确;由题图可知,三者光合速率的差异是由叶绿体在细胞中的分布及位置不同引起的,与光照强度无关,D项错误。
考向3密闭和开放环境中一昼夜CO2、O2等含量变化的分析4.(2022浙江卷6月选考)不同光强度下,无机磷浓度对大豆叶片净光合速率的影响如图甲;16 h光照,8 h黑暗条件下,无机磷浓度对大豆叶片淀粉和蔗糖积累的影响如图乙。回答下列问题。
(1)叶片细胞中,无机磷主要贮存于 ,还存在于(细胞质基质)、线粒体和叶绿体等结构,光合作用过程中,磷酸基团是光反应产物 的组分。 (2)图1的O~A段表明无机磷不是光合作用中 过程的主要限制因素。由图2可知,光照下,与高磷相比,低磷条件的蔗糖和淀粉含量分别是 ;不论高磷、低磷,24 h内淀粉含量的变化是 。 (3)实验可用光电比色法测定淀粉含量,其依据是 。为确定叶片光合产物的去向,可采用 法。
答案 (1)液泡 ATP和NADPH (2)光反应 较低、较高 光照下淀粉含量增加,黑暗下淀粉含量减少 (3)淀粉遇碘显蓝色,其颜色深浅与淀粉含量在一定范围内成正比 14CO2的同位素示踪解析 (1)成熟植物细胞具有中央大液泡,是植物细胞贮存无机盐类、糖类、氨基酸、色素等的“大仓库”,所以无机磷主要贮存于大液泡中。光合作用过程中,光反应产物有O2、ATP和NADPH,而磷酸基团是ATP和NADPH的组分。
(2)图1中O~A段,随光照强度增大,净光合速率增大,表明这时限制因素为光照强度,即光反应限制了光合作用;且高磷和低磷条件下大豆叶片净光合速率的曲线完全重合,说明无机磷不是光合作用中光反应过程的主要限制因素。由图2可知,光照下,与高磷相比,低磷条件的蔗糖含量低,而淀粉含量高;不论高磷、低磷,24 h内淀粉含量的变化趋势均为光照下淀粉含量增加,黑暗下淀粉含量减少。(3)光电比色法是借助光电比色计来测量一系列标准溶液的吸光度,绘制标准曲线,然后根据被测试液的吸光度,从标准曲线上求出被测物质的含量的方法。淀粉遇碘显蓝色,其颜色深浅与淀粉含量在一定范围内成正比,可用于糖的定量,故用光电比色法测定淀粉含量;为确定叶片光合产物的去向,可采用(放射性)同位素示踪法标记14CO2,通过观察放射性出现的位置进而推测叶片光合产物的去向。
方法突破1.构建光合作用与细胞呼吸关系的数学模型建构模型:
(1)3种速率的表示方法
(3)数学公式真正光合速率=净光合速率+呼吸速率
2.分析一昼夜中植物代谢强度变化的两个曲线(1)自然环境中,绿色植物一昼夜内CO2的吸收与释放速率的曲线分析
(2)相对密闭的环境中,一昼夜CO2含量的变化曲线分析
光合作用与气孔知识必备光合作用的气孔限制和非气孔限制气孔是植物体与外界环境进行H2O和CO2等气体交换的重要门户,也是气体交换的调节机构:既能让光合作用需要的CO2通过,又能防止过多的水分损失。高效的扩散速率解决了CO2吸收的问题,却引起另一个问题,就是水分的散失也太快:植物通常有90%以上的水分是通过气孔散失的。如何解决水分与CO2矛盾,成为气孔调节的核心问题。
植物解决水分与CO2矛盾的方法之一是根据不同的气候环境调节气孔的密度、位置、大小以及结构。此外,植物对气孔开闭行为的调节也起着重要作用。气孔开闭主要的调节因子有昼夜节律、红蓝光、脱落酸(ABA)、CO2浓度、大气湿度、温度等。这些因素又直接或间接地与水分和CO2有关。若光合作用的减弱是气孔开度变小影响了CO2向固定部位的扩散造成的,则这种限制称为光合作用的气孔限制,如光照、水分、温度。若外界环境影响到叶肉细胞的同化能力,则即使细胞间隙中CO2浓度很高,光合作用仍然很弱,这种限制称为光合作用的非气孔限制,如氧气、CO2浓度、酶。
专项突破典例.(2022河北)为探究水和氮对光合作用的影响,研究者将一批长势相同的玉米植株随机均分成3组,在限制水肥的条件下做如下处理:(1)对照组;(2)施氮组,补充尿素(12 g/m2);(3)水+氮组,补充尿素(12 g/m2)同时补水。检测相关生理指标,结果见下表。
注:气孔导度反映气孔开放的程度
回答下列问题。(1)植物细胞中自由水的生理作用包括 等(写出两点即可)。补充水分可以促进玉米根系对氮的 ,提高植株氮供应水平。 (2)参与光合作用的很多分子都含有氮。氮与 离子参与组成的环式结构使叶绿素能够吸收光能,用于驱动 两种物质的合成以及 的分解;RuBP羧化酶将CO2转变为羧基加到 分子上,反应形成的产物被还原为糖类。 (3)施氮同时补充水分增加了光合速率,这需要足量的CO2供应。据实验结果分析,叶肉细胞CO2供应量增加的原因是 。
答案 (1)参与化学反应、细胞内的良好溶剂、运输养料和废物等 吸收和运输 (2)镁 ATP和NADPH H2O C5 (3)气孔开放程度升高,CO2吸收量增加解析 (1)细胞中自由水的生理作用包括参与化学反应、是细胞内的良好溶剂、运输养料和废物等。补充水分可以促进玉米根系对氮的吸收和运输。(2)氮与Mg2+参与组成的环式结构使叶绿素能吸收光能,用于ATP、NADPH的合成及水的光解。暗反应中CO2首先与五碳化合物(C5)结合生成C3。(3)从实验结果可以看出,施氮同时补充水分时气孔导度增大,说明气孔开放程度升高,吸收CO2增多。
专项训练1.(2022山东临沂一模)科研人员以野生型拟南芥植株为材料进行了相关实验,其叶肉细胞渗透压、叶片ABA(脱落酸)含量和气孔阻力(与气孔开闭程度有关,气孔全开时气孔阻力最小)之间的变化关系如图1所示,ABA调节气孔关闭与保卫细胞内K+浓度有关,其作用机制如图2所示。
(1)拟南芥叶肉细胞中光合色素分布在 ,作用是 。 (2)据图分析可知,恢复浇水能提高拟南芥光合作用强度,理由是 。(3)由图2可知,当ABA与受体结合后,通过关闭气孔和抑制气孔打开两条途径协同作用,即 ,调节保卫细胞内K+浓度,使气孔维持关闭状态。为进一步研究ABA受体与气孔关闭的关系,研究者以野生型拟南芥植株和超表达ABA受体基因的拟南芥植株为材料设置对照实验,进行培养并定期测量叶片的 。若 ,则说明ABA受体增多能够加速气孔关闭。
(4)研究发现,在干旱条件下,ABA浓度与光合色素降解程度呈正相关。请以拟南芥ABA缺失突变体为材料,设计实验验证该结论。写出实验思路和预期结果(光合色素含量的测定方法不作要求)。
答案 (1)叶绿体类囊体薄膜上 吸收、传递和转化光能 (2)ABA含量降低,气孔阻力减小,CO2供应增加,光合作用增强 (3)促使保卫细胞内Ca2+增加,促进K+外流,同时抑制K+内流 气孔阻力(或气孔直径) 实验组叶片的气孔阻力大于(或气孔直径小于)对照组 (4)实验思路:取经过干旱处理的拟南芥ABA缺失突变体若干并分组编号,用不同浓度的ABA溶液处理,再置于相同且适宜条件下培养。一段时间后测定各组叶片的光合色素含量。预期结果:随着ABA浓度的增大,拟南芥ABA缺失突变体中光合色素含量逐渐下降。
解析 (1)叶绿体中的光合色素分布在类囊体膜上,这些色素能够吸收、传递和转化光能。(2)据图可知,干旱处理后能增大叶片细胞的渗透压,进而促进ABA的合成和分泌,导致气孔关闭,CO2供应减少;恢复浇水后,ABA含量下降,气孔打开,CO2供应增加,因此可推知干旱处理会降低植物的光合作用,恢复浇水则有利于光合作用。(3)实验结果显示气孔阻力与ABA含量变化趋势一致,因此推测对气孔调节功能丧失的突变体施加一定浓度的ABA后,与对照组相比,如果表现为气孔阻力增加,则说明该突变体的气孔开闭异常是ABA合成缺陷导致的。
(4)本实验的目的是要验证在干旱条件下,ABA浓度与光合色素降解程度呈正相关,而且题干已经给了实验材料,根据实验目的可知本实验的自变量是用不同浓度梯度的ABA处理拟南芥ABA缺失突变体,因变量是拟南芥色素含量的变化,无关变量保持相同且适宜。实验设计如下:取经过干旱处理的拟南芥ABA缺失突变体若干并分组编号,用不同浓度的ABA溶液处理,再置于相同且适宜条件下培养。一段时间后测定各组叶片的光合色素含量。预期结果:随着ABA浓度的增大,拟南芥ABA缺失突变体中光合色素含量逐渐下降。
2.(2022山东日照二模)为研究高温条件下不同干旱水平对大豆光合作用的影响。研究人员选取发育进程与长势基本一致的转基因大豆幼苗,在38 ℃高温条件下设置正常(CK)、中度干旱(L)和重度干旱(M)3组来进行一系列实验,结果如下图所示。回答下列问题。
(1)研究人员发现,随着高温干旱时间的延长,大豆叶片逐渐变黄,这主要是由大豆叶肉细胞叶绿体中 上的叶绿素含量降低引起的。 (2)经测定,高温干旱条件下大豆细胞中脯氨酸等可溶性小分子物质的含量增加,其意义是 。 (3)分析图中数据可知,第2~4天大豆净光合速率下降的主要原因是 。由结果可以推断,第4~6天大豆净光合速率下降主要是由非气孔因素导致的,依据是 。 (4)请设计实验,探究导致大豆净光合速率下降的主要因素是高温还是干旱(写出实验设计思路)。
答案 (1)类囊体薄膜(基粒) (2)提高细胞的渗透压,增强细胞的吸水能力 (3)气孔导度下降,胞间CO2含量降低 气孔导度下降,胞间CO2含量反而升高 (4)将生长状况良好的大豆幼苗随机均分为甲、乙、丙三组,甲组在温度和湿度均适宜的条件下培养,乙组在高温、湿度适宜的条件下培养,丙组在温度适宜、干旱条件下培养,将乙、丙两组的净光合速率分别与甲组进行比较。
解析 (1)随着高温干旱时间的延长,大豆叶片逐渐变黄,是叶绿素含量降低导致,叶绿素分布在叶绿体的类囊体薄膜上。(2)水的渗透方向是从低浓度到高浓度,干旱时,外界浓度升高,吸水困难,植物需要提高自身的浓度,也就是通过提高渗透压来提高细胞的吸水能力,所以大豆细胞中脯氨酸等可溶性小分子物质的含量增加。(3)植物叶片通过气孔从外界吸收CO2,CO2含量下降将会导致光合速率下降,进而导致净光合速率下降,分析题图可知,第2~4天大豆净光合速率下降的主要原因是气孔导度下降,吸收的CO2减少,导致胞间CO2含量降低;由结果可以推断,第4~6天大豆净光合速率下降,此时气孔导度继续在下降,胞间CO2含量反而升高,由此推测主要是由非气孔因素导致的。
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