專題突破2匯報人：二氧化碳固定方式的多樣性及光呼吸生物大一輪復習課標要求說明植物細胞的葉綠體從太陽光中捕獲能量，這些能量在二氧化碳和水轉變?yōu)樘桥c氧氣的過程中，轉換并儲存為糖分子中的化學能?？记榉治?.不同生物固定二氧化碳的方式比較2023·湖南·T17

2022·全國甲·T29

2021·遼寧·T22

2021·天津·T15

2021·全國乙·T292.光呼吸2024·黑吉遼·T21

2022·江蘇·T20

2021·山東·T211.某研究小組在研究小麥、玉米和蘆薈的光合作用時，分別測得三種植物一晝夜CO2吸收速率的變化量，結果如圖1：(1)圖1中小麥在10～12時光合作用速率下降的原因是_______________________________________________________________。

溫度過高，植物蒸騰作用失水過多導致氣孔導度下降，CO2吸收減少典例示范(2)小麥進行暗反應時，CO2被C5固定后，形成C3，但科學家在研究玉米等原產在熱帶地區(qū)綠色植物的光合作用時發(fā)現，這類植物固定CO2時，CO2中的碳首先轉移到含有四個碳原子的有機物(C4)中，然后才轉移到C3中，科學家將這類植物叫作C4植物，將其特有的固定CO2的途徑叫作C4途徑；此類作物沒有“光合午休”的現象。而像小麥等僅有C3參與CO2固定的植物叫作C3植物，將其固定CO2的途徑叫作C3途徑。若用14C標記大氣中的CO2，則小麥植株中14C的轉移途徑為__________________________；玉米植株中14C的轉移途徑為________________________________。14CO2→14C3→(14CH2O)14CO2→14C4→14CO2→14C3→(14CH2O)(3)請據圖2比較C3、C4植物的結構并完善表格。大有(4)C3途徑的CO2固定是通過Rubisco來實現的；C4途徑的CO2固定是通過PEP羧化酶催化完成的，PEP羧化酶催化CO2連接到PEP上，形成四碳酸。這兩種酶對CO2的親和力不同，PEP羧化酶對CO2的親和力比Rubisco高出60多倍，有利于玉米等植物在葉肉細胞中把大氣中含量很低的CO2以C4的形式固定下來，形成C4后進入維管束鞘細胞并釋放CO2，PEP羧化酶被形象地稱為“CO2泵”。請解釋玉米在10～12h光合作用速率不降反升的原因：①_________________________________________________________________________________________________。

葉肉細胞中的PEP羧化酶對CO2有很高的親和力，能濃縮低濃度的CO2，從而增加維管束鞘細胞中CO2的濃度②強光下，可產生更多的NADPH和ATP，以滿足C4植物C4途徑對ATP的額外需求。③維管束鞘細胞中的光合產物可就近運入維管束，從而避免了光合產物累積對光合作用可能產生的抑制作用。(5)生長在干旱地區(qū)的植物如蘆薈、仙人掌等多肉植物，具有一種光合固定CO2的附加途徑——CAM途徑，具有CAM途徑的植物被稱為CAM植物。圖1中蘆薈在10～16h進行光合作用，但是CO2吸收速率卻是0，請據圖3判斷：白天，蘆薈進行光合作用的CO2來源是_______________________；夜晚，蘆薈______(填“能”或“不能”)進行卡爾文循環(huán)。蘋果酸的分解和細胞呼吸不能2.不同物種獨立演化出相同或相似的性狀稱為趨同進化。在干旱、炎熱的條件下，植物的氣孔都會關閉，關閉氣孔會阻止CO2進入葉片和O2逸出葉片。其結果是葉內CO2很少，而光合作用的光反應所釋放的O2又在葉內積累。光合作用暗反應中的用于固定CO2的酶Rubisco有一個特點，能夠固定O2，所以稱為加氧酶。在CO2很少而O2很多的情況下，這種固定O2的作用非常顯著，其結果是將糖轉化為一種二碳化合物，然后植物細胞又將這種二碳化合物分解為CO2和水，這種作用為光呼吸。光呼吸的結果不產生糖，而是使細胞中已有的糖轉變成CO2，但是光呼吸不產生ATP。(1)根據文中信息闡述光呼吸與有氧呼吸的區(qū)別與聯(lián)系：____________________________________________________________________________________________________________________________________________。吸的聯(lián)系：光呼吸和有氧呼吸都需要消耗氧氣，都能將糖分解為CO2和水；光呼吸與有氧呼吸的區(qū)別：光呼吸不產生ATP，有氧呼吸產生ATP光呼吸與有氧呼(2)結合題干信息分析，下列可作為光合作用趨同進化的證據有________(多選)。A.從藍細菌到開花植物捕獲光能的裝置都是葉綠體B.為避免光呼吸，陸生植物進化出多種碳濃縮機制C.C4植物和CAM植物都利用Rubisco酶來固定CO2D.C4植物和CAM植物都把CO2的捕獲和固定分開BCD藍細菌是原核生物，光合作用在其光合片層上進行，沒有葉綠體，A錯誤；光呼吸是CO2很少而O2很多的情況下發(fā)生的，所以陸生植物進化出固定低濃度CO2機制，可避免光呼吸，是趨同進化的證據之一，B正確；C4植物和CAM植物都利用R酶來固定CO2，是趨同進化的證據之一，C正確；C4植物和CAM植物都把CO2的捕獲和固定分開，前者在空間上分開，后者在時間上分開，是趨同進化的證據之一，D正確。(1)比較C4植物、CAM植物固定CO2的方式相同點：都對CO2進行了兩次固定；不同點：C4植物兩次固定CO2在空間上錯開；CAM植物兩次固定CO2在時間上錯開。(2)比較C3、C4、CAM途徑C3途徑是碳同化的基本途徑，C4途徑和CAM途徑都只起固定CO2的作用，最終還是通過C3途徑合成有機物。歸納總結1.C3植物、C4植物和CAM植物固定CO2方式的比較歸納總結2.光呼吸(1)發(fā)生條件①干旱、炎熱條件下，氣孔關閉，阻止CO2進入葉片和O2逸出葉片。②Rubisco具有兩面性(或雙功能)。(2)過程歸納總結(3)發(fā)生場所：葉綠體、過氧化物酶體、線粒體。(4)不利影響：光呼吸消耗掉暗反應的底物C5，導致光合作用減弱，農作物產量降低。(5)有利影響①光呼吸是進行光合作用的細胞為適應高光照及高O2低CO2的條件下，提高抗逆性而形成的一條代謝途徑；②在干旱和高輻射等環(huán)境中，氣孔關閉，胞間CO2濃度降低，會導致光抑制。此時光呼吸釋放CO2，用于光合作用，減少碳損失；消耗高光強產生過多的NADPH和ATP，保護光合結構。歸納總結(6)二氧化碳的猝發(fā)：指在光照突然停止之后釋放出大量的二氧化碳的現象。是光合作用停止而光呼吸還在進行造成的。(7)光呼吸與細胞呼吸的區(qū)別反應條件不同：光呼吸的強度大致和光強度成正比。只有在光照下，CO2濃度降低，O2濃度增高時才進行。產能情況不同：光呼吸雖然能使有機物分解為CO2，卻不產生ATP或NADPH。1.(2021·全國乙，29節(jié)選)生活在干旱地區(qū)的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。這類植物晚上氣孔打開吸收CO2，吸收的CO2通過生成蘋果酸儲存在液泡中；白天氣孔關閉，液泡中儲存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用。回答下列問題：(1)光合作用所需的CO2來源于蘋果酸脫羧和__________釋放的CO2。細胞呼吸對點精練(2)若以pH作為檢測指標，請設計實驗來驗證植物甲在干旱環(huán)境中存在這種特殊的CO2固定方式(簡要寫出實驗思路和預期結果)。答案實驗思路：分別在白天和夜間每隔一定時間取干旱條件下生長的植物甲的葉片，測定葉肉細胞液泡中的pH；預期結果：植物甲葉肉細胞液泡中pH在夜間逐漸降低、白天逐漸升高。2.(2022·全國甲，29節(jié)選)C4植物的CO2補償點比C3植物的低。CO2補償點通常是指環(huán)境CO2濃度降低導致光合速率與呼吸速率相等時的環(huán)境CO2濃度?；卮饐栴}：干旱會導致氣孔開度減小，研究發(fā)現在同等程度干旱條件下，C4植物比C3植物生長得好。從兩種植物CO2補償點的角度分析，可能的原因是___________________________________________________________________________________________________________________。干旱會導致氣孔開度減小，CO2供應減少，C4植物的CO2補償點比C3植物低，因此在低CO2濃度下，C4植物比C3植物合成的有機物多3.(2021·天津，15)Rubisco是光合作用過程中催化CO2固定的酶。但其也能催化O2與C5結合，形成C3和C2，導致光合效率下降。CO2與O2競爭性結合Rubisco的同一活性位點，因此提高CO2濃度可以提高光合效率。藍細菌具有CO2濃縮機制，如圖所示?；卮饐栴}：注：羧化體具有蛋白質外殼，可限制氣體擴散。據圖分析，CO2依次以_________和__________方式通過細胞膜和光合片層膜。藍細菌的CO2濃縮機制可提高羧化體中Rubisco周圍的CO2濃度，從而通過促進__________和抑制____________提高光合效率。自由擴散主動運輸CO2固定O2與C5結合4.(2021·遼寧，22節(jié)選)早期地球大氣中的O2濃度很低，到了大約3.5億年前，大氣中O2濃度顯著增加，CO2濃度明顯下降?，F在大氣中的CO2濃度約為390μmol·mol－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(Rubisco)是一種催化CO2固定的酶，在低濃度CO2條件下，催化效率低。有些植物在進化過程中形成了CO2濃縮機制，極大地提高了Rubisco所在局部空間位置的CO2濃度，促進了CO2的固定?；卮鹣铝袉栴}：(1)海水中的無機碳主要以CO2和

兩種形式存在，水體中CO2濃度低、擴散速度慢，有些藻類具有圖1所示的無機碳濃縮過程，圖中

濃度最高的場所是________(填“細胞外”“細胞質基質”或“葉綠體”)，可為圖示過程提供ATP的生理過程有____________________。葉綠體呼吸作用和光合作用(2)某些植物還有另一種CO2濃縮機制，部分過程見圖2。在葉肉細胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可將

轉化為有機物，該有機物經過一系列的變化，最終進入相鄰的維管束鞘細胞釋放CO2，提高了Rubisco附近的CO2濃度。由這種CO2濃縮機制可以推測，PEPC與無機碳的親和力______(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。高于(3)通過轉基因技術或蛋白質工程技術，能進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Rubisco基因，增強CO2固定能力D.將CO2濃縮機制相關基因轉入不具備此機制的植物ACD5.(2023·湖南，17節(jié)選)如圖是水稻和玉米的光合作用暗反應示意圖?？栁难h(huán)的Rubisco酶對CO2的Km為450μmol·L－1(Km越小，酶對底物的親和力越大)，該酶既可催化RuBP與CO2反應，進行卡爾文循環(huán)，又可催化RuBP與O2反應，進行光呼吸(綠色植物在光照下消耗O2并釋放CO2的反應)。該酶的酶促反應方向受CO2和O2相對濃度的影響。與水稻相比，玉米葉肉細胞緊密圍繞維管束鞘，其中葉肉細胞葉綠體是水光解的主要場所，維管束鞘細胞的葉綠體主要與ATP生成有關。玉米的暗反應先在葉肉細胞中利用PEPC酶(PEPC對CO2的Km為7μmol·L－1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)與CO2反應生成C4，固定產物C4轉運到維管束鞘細胞后釋放CO2，再進行卡爾文循環(huán)?；卮鹣铝袉栴}：(1)在干旱、高光照強度環(huán)境下，玉米的光合作用強度______(填“高于”或“低于”)水稻。從光合作用機制及其調控分析，原因是____________________________________________________________________________________________________________________________________(答出三點即可)。高于

玉米PEPC對CO2的親和力大，利用低濃度CO2能力強；維管束鞘細胞中O2含量低，光呼吸弱；玉米維管束鞘細胞的光合產物轉運至輸導組織的速度快(2)某研究將藍細菌的CO2濃縮機制導入水稻，水稻葉綠體中CO2濃度大幅提升，其他生理代謝不受影響，但在光飽和條件下水稻的光合作用強度無明顯變化。其原因可能是________________________________________________________________________________________________________________________(答出三點即可)。

酶的活性達到最大，對CO2的利用率不再提高；受到ATP以及NADPH等物質含量的限制；原核生物和真核生物光合作用機制有所不同課時精練01單擊此處添加章節(jié)副標題1234567891011答案題號12345678答案DBBBBADC題號9答案B對一對(1)CO2的固定(2)細胞質基質線粒體基質(3)光呼吸呼吸作用凈光合速率＝總光合速率－呼吸速率－光呼吸速率，7～10時，隨著光照強度的增加，與WT相比，株系1、株系2因轉基因，降低了光呼吸強度不能總光合速率＝凈光合速率＋細胞呼吸速率＋光呼吸速率，在圖3中，能看到凈光合速率和呼吸作用速率，但無法得知光呼吸速率(4)與株系2與WT相比，轉基因株系1的凈光合速率最大10.2345678910答案111(1)葉肉細胞的葉綠體類囊體薄膜PEP、C5基因的選擇性表達(2)實現細胞間的物質交換和信息交流低玉米葉肉細胞中固定CO2的酶對CO2的親和力更高，可利用較低濃度CO2進行光合作用A(3)獲取C4途徑固定CO2的酶的基因(PEP羧化酶基因)，將其導入水稻細胞11.234567891011答案1一、選擇題1.(2024·鹽城聯(lián)考)圖示為生活在干旱地區(qū)的景天科植物CAM代謝途徑示意圖，下列敘述錯誤的是A.景天科植物固定CO2形成C3的場所是

葉綠體基質B.景天科植物原產地夏季夜晚酶A活性

高，酶B活性低C.給植物提供14C標記的14CO2,14C可以出

現在OAA、蘋果酸、C3和有機物中D.在夜晚，葉肉細胞能產生ATP的細胞器有線粒體和葉綠體√1234567891011答案1234567891011答案在夜晚，葉肉細胞只能通過細胞呼吸產生ATP，即產生ATP的細胞器是線粒體，D錯誤。2.(2024·黃岡期末)景天科植物(如景天、落地生根)的葉子有一個很特殊的CO2固定方式：夜晚氣孔開放，吸收的CO2生成蘋果酸儲存在液泡中；白天氣孔關閉，液泡中的蘋果酸經脫羧作用釋放CO2用于光合作用，其部分代謝途徑如圖所示。下列分析正確的是A.如果白天適當提高CO2濃度，景天科

植物的光合作用速率將隨之提高B.由景天科植物特殊的CO2固定方式推

測其可能生活在高溫干旱地區(qū)C.白天景天科植物葉肉細胞內蘋果酸的含量和葡萄糖的含量可能呈正相關D.景天科植物參與卡爾文循環(huán)的CO2僅來源于蘋果酸的分解1234567891011答案√1234567891011答案通過脫羧作用形成CO2參與暗反應，進而合成葡萄糖，即白天蘋果酸的含量和葡萄糖的含量呈負相關，C錯誤；景天科植物中參與卡爾文循環(huán)的CO2除了來源于蘋果酸的分解外，還來源于細胞呼吸，D錯誤。白天適當提高CO2濃度，景天科植物的光合作用速率不會提高，因為此時葉肉細胞的氣孔是關閉的，A錯誤；白天，景天科植物葉肉細胞內蘋果酸會3.下列有關C3植物和C4植物代謝和結構特點的描述，正確的是A.C3植物都為陰生植物，C4植物多為陽生植物B.在進行光合作用時，C3植物和C4植物分別將CO2中的C首先轉移到C3和

C4中C.C3植物的葉肉細胞具有正常葉綠體，C4植物的葉肉細胞具有無基粒的

葉綠體D.C4植物的維管束鞘外有“花環(huán)型”的兩圈細胞1234567891011答案√1234567891011C3植物既有陽生植物也有陰生植物，A錯誤；C4植物的維管束鞘細胞具有無基粒的葉綠體，而葉肉細胞具有有基粒的葉綠體，C錯誤；C4植物的葉片中，圍繞著維管束的是呈“花環(huán)型”的兩圈細胞：里面一圈是維管束鞘細胞，外面一圈是一部分葉肉細胞，D錯誤。答案4.C4植物是指生長過程中從空氣中吸收CO2后，首先合成含四個碳原子化合物的植物，其能濃縮空氣中低濃度的CO2用于光合作用。玉米屬于C4植物，與C3植物相比具有生長能力強、需水量少等優(yōu)點。如圖為C4植物光合作用固定CO2過程的簡圖。下列相關敘述錯誤的是1234567891011答案A.C4植物葉肉細胞固定CO2時不產生

C3，而是形成蘋果酸或天冬氨酸B.據圖推測暗反應的場所在葉肉細胞中C.由CO2濃縮機制可推測，PEP羧化酶

對CO2的親和力高于RubiscoD.圖中丙酮酸轉變?yōu)榱姿嵯┐际奖?/p>

酸(C3)的過程屬于吸能反應1234567891011答案√5.根據光合作用中CO2固定方式的不同，植物可分為多種類型，其中C3和C4植物的光合速率隨外界CO2

濃度的變化如圖所示(CO2

飽和點是指植物光合速率開始達到最大值時的外界CO2

濃度)。據圖分析，下列說法錯誤的是A.在低CO2

濃度下，C4

植物光合速率更易受CO2

濃度變化的影響B(tài).在C4植物CO2飽和點時，C4植物的光合速率要比

C3

植物的低C.適當擴大C3

植物的種植面積，可能更有利于實現

碳中和的目標D.在干旱條件下，氣孔開度減小，C4植物生長效果要優(yōu)于C3

植物1234567891011答案√1234567891011答案分析題圖可知，在低CO2濃度下，CO2濃度稍微提高，C4植物光合速率快速提高，C3植物在CO2濃度很低時不進行光合作用，A正確；根據圖示，在C4植物CO2飽和點(外界CO2體積分數為300×10－6左右)時，C4植物的光合速率要比C3

植物的高，B錯誤；分析題圖，C3植物的CO2飽和點更高，能利用更多的CO2，從而減少大氣中的CO2，C正確；在干旱條件下，氣孔開度減小，C4植物能利用更低濃度的CO2，生長效果要優(yōu)于C3

植物，D正確。6.在干旱、高溫條件下，玉米(C4植物)由于含有磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)，其利用CO2的能力遠遠高于水稻(C3植物)，具有明顯的生長及產量優(yōu)勢。育種專家從玉米的基因組中分離出PEPC基因，培育出高光合效率的轉基因水稻。下列敘述正確的是A.鑒定時需測定并比較轉基因水稻與非轉基因水稻同化CO2的速率B.DNA聚合酶與PEPC基因上的啟動子結合后能驅動該基因轉錄C.可使用PCR技術檢測PEPC基因是否在轉基因水稻中成功表達D.基于轉基因水稻的科學研究，體現了生物多樣性的間接價值√1234567891011答案1234567891011答案RNA聚合酶識別并結合啟動子，驅動轉錄，DNA聚合酶催化合成DNA，B錯誤；PCR技術可檢測目的基因及其轉錄出的RNA，但不能檢測翻譯是否成功，C錯誤；基于轉基因水稻的科學研究，體現了生物多樣性的直接價值，D錯誤。7.藍細菌能通過產生的一組特殊蛋白質將CO2濃縮在Rubisco(固定CO2的關鍵酶)周圍?？茖W家們在藍細菌這一CO2濃縮機制的研究中又有新發(fā)現。下列有關敘述錯誤的是A.Rubisco是在藍細菌的核糖體上合成的B.藍細菌中含有DNA和RNA，其DNA主要位于擬核中C.藍細菌的CO2濃縮機制可能是自然選擇的結果D.藍細菌中催化H2O光解的酶與Rubisco相同√1234567891011答案酶具有專一性，藍細菌中催化H2O光解的酶與Rubisco不同，后者用于CO2的固定，D錯誤。8.科學家研究出二氧化碳到淀粉的人工合成途徑，這是基礎研究領域的重大突破，技術路徑如圖所示，圖中①～⑥表示相關過程。下列分析不正確的是1234567891011答案A.該途徑與葉肉細胞相比，不進行細胞呼吸消耗糖類，能積累更多的有機物B.過程④⑤⑥類似于固定二氧化碳產生糖類的過程C.該技術在物質轉化的過程中沒有能量的轉化D.該途徑能更大幅度地緩解糧食短缺問題，同時能節(jié)約耕地和淡水資源√1234567891011答案該途徑與葉肉細胞相比，不進行細胞呼吸，即不消耗糖類，在相同條件下能積累更多的有機物，A正確；過程④⑤⑥形成有機物，類似于固定二氧化碳產生糖類的過程，B正確；該途徑實現了“光能→有機物中化學能”的能量轉化，C錯誤；該研究成果的意義是有助于實現碳中和、緩解人類糧食短缺問題，同時可以節(jié)約耕地和淡水資源，D正確。9.圖甲是將玉米的PEPC(與CO2的固定有關的酶)基因與PPDK(催化CO2初級受體“PEP”生成的酶)基因導入水稻后，在某一溫度下測得光照強度對轉雙基因水稻和原種水稻凈光合速率的影響；圖乙是在光照為1000Lux下測得溫度影響凈光合速率的變化曲線(凈光合速率是指植物光合作用積累的有機物，是總光合速率減去呼吸速率的值)。下列相關敘述錯誤的是1234567891011答案A.PEPC在轉雙基因水稻葉肉細胞的葉綠體基質中發(fā)揮作用B.將溫度調整為35℃，重復圖甲相關實驗，a點會向左下方移動C.與原種水稻相比，轉雙基因水稻更適宜栽種在強光照環(huán)境中D.圖甲溫度條件下，轉雙基因水稻與原種水稻的細胞呼吸強度相等1234567891011答案√1234567891011答案PEPC與CO2的固定有關，CO2固定的場所是葉綠體基質，故轉基因成功后，正常情況下，PEPC在轉雙基因水稻葉肉細胞的葉綠體基質中發(fā)揮作用，A正確；1234567891011答案由圖甲可知，a點表示在1000Lux光照強度下轉雙基因水稻的凈光合速率是25μmolCO2·m－2·s－1，對應圖乙的溫度是30℃，據圖乙可知，在30℃、1000Lux光照強度條件下，轉雙基因水稻的凈光合速率小于35℃時，故將溫度調整為35℃重復圖甲相關實驗，則凈光合速率增大，a點向右上方移動，B錯誤；1234567891011答案由圖甲可知，轉雙基因水稻的光飽和點要高于原種水稻，所以更適合栽種在強光照環(huán)境中，C正確；由圖甲可知，當光照強度為0時，兩條曲線的起點相同，故該溫度條件下，兩者細胞呼吸強度相等，D正確。二、非選擇題10.(2024·黑吉遼，21)在光下葉綠體中的C5能與CO2反應形成C3；當CO2/O2比值低時，C5也能與O2反應形成C2等化合物。C2在葉綠體、過氧化物酶體和線粒體中經過一系列化學反應完成光呼吸過程。上述過程在葉綠體與線粒體中主要物質變化如圖1。1234567891011答案光呼吸將已經同化的碳釋放，且整體上是消耗能量的過程?；卮鹣铝袉栴}：(1)反應①是____________過程。(2)與光呼吸不同，以葡萄糖為反應物的有氧呼吸產生NADH的場所是______________和_____________。1234567891011答案CO2的固定細胞質基質線粒體基質(3)我國科學家將改變光呼吸的相關基因轉入某種農作物野生型植株(WT)，得到轉基因株系1和2，測定凈光合速率，結果如圖2、圖3。圖2中植物光合作用CO2的來源除了有外界環(huán)境外，還可來自_______和__________(填生理過程)。7～10時株系1和2與WT凈光合速率逐漸產生差異，原因是______________________________________________________________________________________________________________________________。1234567891011答案光呼吸呼吸作用

凈光合速率＝總光合速率－呼吸速率－光呼吸速率，7～10時，隨著光照強度的增加，與WT相比，株系1、株系2因轉基因，降低了光呼吸強度據圖3中的數據______(填“能”或“不能”)計算出株系1的總光合速率，理由是___________________________________________________________________________________