資源簡介

熱點練4　光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代謝類型
【精準強化】
1.(2024·廣東四校聯(lián)考)下圖為光合作用暗反應的產(chǎn)物磷酸丙糖的代謝途徑，研究表明，磷酸丙糖轉(zhuǎn)移蛋白(TPT)的活性是限制光合速率大小的重要因素，CO2充足時，TPT活性降低。下列有關(guān)敘述錯誤的是 (　　)
A.Pi輸入葉綠體減少時，磷酸丙糖從葉綠體輸出減少
B.暗反應中磷酸丙糖的合成需要消耗光反應產(chǎn)生的ATP
C.葉肉細胞的光合產(chǎn)物主要是以蔗糖形式運出細胞的
D.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上可通過增加CO2濃度來提高作物中蔗糖的含量
2.(2024·湖北七市聯(lián)考)糖酵解時可產(chǎn)生還原型高能化合物NADH，在有氧條件下，電子由電子載體所組成的電子傳遞鏈傳遞，最終被O2氧化。如圖為真核細胞呼吸過程中電子傳遞鏈和氧化磷酸化過程。下列說法錯誤的是(　　)
A.H＋由線粒體基質(zhì)進入線粒體膜間隙時，需要載體蛋白的協(xié)助
B.有氧呼吸過程中，在線粒體內(nèi)膜產(chǎn)生H2O
C.電子傳遞鏈對線粒體內(nèi)膜兩側(cè)H＋梯度的形成起抑制作用
D.H＋在跨膜運輸進入線粒體基質(zhì)的過程中部分能量轉(zhuǎn)移到ATP中儲存
3.(2024·河北衡水調(diào)研)圖1為線粒體內(nèi)膜上發(fā)生的H＋轉(zhuǎn)運和ATP合成過程，圖2為光合作用光合磷酸化過程，①～⑤表示過程，⑥～⑧表示結(jié)構(gòu)。下列敘述錯誤的是(　　)
A.①、②、③、⑤都表示H＋的跨膜運輸過程，其中①、③屬于主動運輸
B.圖1中的NADH來自丙酮酸、酒精或者乳酸的分解
C.P680和P700含有光合色素，具有吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能的作用
D.ATP的合成與H＋的順濃度梯度跨膜運輸有關(guān)
4.(2024·廣東珠海調(diào)研)光呼吸是進行光合作用的細胞在光照和O2/CO2值異常的情況下發(fā)生的一個生理過程，該過程借助葉綠體、線粒體等多種細胞器共同完成(如圖所示)，是光合作用伴隨的一個損耗能量的副反應。光呼吸過程中會消耗O2，并且生成CO2。光呼吸損耗的能量大約是光合作用儲備能量的30%。回答下列問題：
(1)“Rubisco”可能是一種雙功能酶，結(jié)合上圖加以說明：______________________
_____________________________________________________________________。
若植物光合作用過程中的光呼吸強度大于光合作用強度，推測此時的O2/CO2值________(填“高”或“低”)，在該比值情況下，葡萄糖的生成量會減少，原因是____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
(2)據(jù)圖可知，光合作用與光呼吸都利用了________為原料，光呼吸發(fā)生的場所是______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
(3)光呼吸與有氧呼吸都冠以“呼吸”二字，二者的“共同”之處表現(xiàn)在______________________________________________________________________
______________________________________________________________________。
(4)利用塑料大棚種植瓜果蔬菜時，從增產(chǎn)的角度考慮，可以采取的措施有______________________________________________________________________
________________________________________________________(答出兩點)。
5.(2024·廣東七校聯(lián)考)光照條件下，葉肉細胞中O2與CO2競爭性結(jié)合C5，O2與C5結(jié)合后經(jīng)一系列反應釋放CO2的過程稱為光呼吸，其過程如下圖所示?？茖W家采用基因工程獲得了酶A缺陷型的水稻突變株，在不同條件下檢測突變株與野生型水稻植株的生長情況與物質(zhì)含量，實驗結(jié)果如下表所示。請回答：
0.5%CO2 0.03%CO2 0.03%CO2 0.03%CO2
指標 平均株高/cm 平均株高/cm 乙醇酸含量/ (ug·g－1葉重) 乙醛酸含量/ (ug·g－1葉重)
突變體 42 24 1 137 1
野生型 43 42 1 1
(1)根據(jù)不同條件下植株的生長狀況差異，可以推測該突變體在____________(場所)進行的________(生理過程)效率降低。
(2)利用有機物的溶解度差異，采用________法可以將乙醇酸與其他有機物分離。分析物質(zhì)含量與變化，推測酶A具有____________________的功能。
(3)正常進行光合作用的水稻，突然停止光照，葉片CO2釋放量先增加后降低，CO2釋放量增加的原因是____________________________________________
___________________________________________________________________。
(4)已知大氣中CO2含量約為0.03%，參考題干信息，分析自然狀態(tài)下突變株長勢不如野生型的原因是__________________________________________________
____________________________________________________________________。
(5)水稻光呼吸過程需要額外消耗能量，降低凈光合效率，但在進化過程中得以長期保留，其對植物的意義是______________________________________________
____________________________________________________________________。
6.(2024·廣東佛山調(diào)研)20世紀60年代，科學家發(fā)現(xiàn)有些起源于熱帶的植物如甘蔗、玉米等，除了和其他C3植物一樣具有卡爾文循環(huán)[固定CO2的初產(chǎn)物是三碳化合物(C3)，簡稱C3途徑]外，還存在另一條固定CO2的途徑，固定CO2的初產(chǎn)物是四碳化合物(C4)，簡稱C4途徑，這種植物被稱為C4植物，其光合作用過程如圖所示。研究發(fā)現(xiàn)C4植物中PEP羧化酶對CO2的親和力約是Rubisco的60倍。請回答下列問題：
(1)在C4植物光合作用中，CO2中的碳轉(zhuǎn)化成有機物(CH2O)中碳的轉(zhuǎn)移途徑是____________________________(利用箭頭符號表示)，維管束鞘細胞內(nèi)的CO2濃度比葉肉細胞內(nèi)________(填“高”或“低”)。
(2)甲、乙兩種植物光合速率與CO2濃度的關(guān)系如圖。請據(jù)圖分析，植物________更可能是C4植物，作出此判斷的依據(jù)是___________________________________。
(3)Rubisco是一種雙功能酶，當CO2/O2的值高時，可催化C5固定CO2合成有機物；當CO2/O2的值低時，可催化C5結(jié)合O2發(fā)生氧化分解，消耗有機物，此過程稱為光呼吸，結(jié)合題意分析，在炎熱干旱環(huán)境中，C4植物的生長一般明顯優(yōu)于C3植物的原因是___________________________________________________
__________________________________________________________________。
(4)水稻是世界上最重要的糧食作物。目前，科學家正在研究如何利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將“C4途徑”轉(zhuǎn)移到水稻中去，這項研究的意義是_________________________
_____________________________________________________________________。熱點微練4　光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代謝類型
(時間：30分鐘)
【精準強化】
1.(2024·廣東四校聯(lián)考)下圖為光合作用暗反應的產(chǎn)物磷酸丙糖的代謝途徑，研究表明，磷酸丙糖轉(zhuǎn)移蛋白(TPT)的活性是限制光合速率大小的重要因素，CO2充足時，TPT活性降低。下列有關(guān)敘述錯誤的是 (　　)
A.Pi輸入葉綠體減少時，磷酸丙糖從葉綠體輸出減少
B.暗反應中磷酸丙糖的合成需要消耗光反應產(chǎn)生的ATP
C.葉肉細胞的光合產(chǎn)物主要是以蔗糖形式運出細胞的
D.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上可通過增加CO2濃度來提高作物中蔗糖的含量
答案　D
解析　據(jù)圖示信息，磷酸丙糖通過TPT從葉綠體輸出的同時伴隨著Pi進入葉綠體，因此Pi輸入葉綠體減少，說明磷酸丙糖從葉綠體中的輸出過程受阻，即輸出減少，A正確；光反應產(chǎn)生的ATP能用于暗反應中C3的還原過程，由圖示可知，該過程能合成磷酸丙糖，B正確；由圖示可知，葉肉細胞的光合產(chǎn)物磷酸丙糖會在細胞質(zhì)基質(zhì)中用于合成蔗糖，然后以蔗糖形式運出細胞，C正確；根據(jù)題意可知，CO2充足時，TPT活性降低，則磷酸丙糖運出葉綠體合成蔗糖的過程會受到影響，作物中淀粉含量會上升，而蔗糖含量下降，D錯誤。
2.(2024·湖北七市聯(lián)考)糖酵解時可產(chǎn)生還原型高能化合物NADH，在有氧條件下，電子由電子載體所組成的電子傳遞鏈傳遞，最終被O2氧化。如圖為真核細胞呼吸過程中電子傳遞鏈和氧化磷酸化過程。下列說法錯誤的是(　　)
A.H＋由線粒體基質(zhì)進入線粒體膜間隙時，需要載體蛋白的協(xié)助
B.有氧呼吸過程中，在線粒體內(nèi)膜產(chǎn)生H2O
C.電子傳遞鏈對線粒體內(nèi)膜兩側(cè)H＋梯度的形成起抑制作用
D.H＋在跨膜運輸進入線粒體基質(zhì)的過程中部分能量轉(zhuǎn)移到ATP中儲存
答案　C
解析　分析題圖可知，H＋由線粒體基質(zhì)進入線粒體膜間隙需要載體蛋白的協(xié)助，A正確；在有氧呼吸第三階段，前兩個階段產(chǎn)生的[H]，經(jīng)過一系列的化學反應，與O2結(jié)合生成水，場所為線粒體內(nèi)膜，B正確；分析題圖可知，電子傳遞鏈對線粒體內(nèi)膜兩側(cè)H＋梯度的形成起促進作用，C錯誤；分析題圖，NADH中的能量變?yōu)镠＋的電化學勢能，再通過H＋向膜內(nèi)跨膜運輸變?yōu)锳TP中的能量，即H＋在跨膜運輸進入線粒體基質(zhì)的過程中部分能量轉(zhuǎn)移到ATP中儲存，D正確。
3.(2024·河北衡水調(diào)研)圖1為線粒體內(nèi)膜上發(fā)生的H＋轉(zhuǎn)運和ATP合成過程，圖2為光合作用光合磷酸化過程，①～⑤表示過程，⑥～⑧表示結(jié)構(gòu)。下列敘述錯誤的是(　　)
A.①、②、③、⑤都表示H＋的跨膜運輸過程，其中①、③屬于主動運輸
B.圖1中的NADH來自丙酮酸、酒精或者乳酸的分解
C.P680和P700含有光合色素，具有吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能的作用
D.ATP的合成與H＋的順濃度梯度跨膜運輸有關(guān)
答案　B
解析　據(jù)圖分析，圖1所示過程發(fā)生在線粒體內(nèi)膜，圖2所示過程是光反應過程；主動運輸是逆濃度梯度進行的，且需要消耗能量，①、②、③、⑤都表示H＋的跨膜運輸過程，其中①、③屬于主動運輸，A正確；圖1中的NADH來自葡萄糖的分解以及丙酮酸和水的分解，B錯誤；P680和P700含有光合色素，光合色素可吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能，C正確；由圖可知，ATP的合成與H＋的順濃度梯度跨膜運輸有關(guān)，D正確。
4.(2024·廣東珠海調(diào)研)光呼吸是進行光合作用的細胞在光照和O2/CO2值異常的情況下發(fā)生的一個生理過程，該過程借助葉綠體、線粒體等多種細胞器共同完成(如圖所示)，是光合作用伴隨的一個損耗能量的副反應。光呼吸過程中會消耗O2，并且生成CO2。光呼吸損耗的能量大約是光合作用儲備能量的30%?；卮鹣铝袉栴}：
(1)“Rubisco”可能是一種雙功能酶，結(jié)合上圖加以說明：_____________________
____________________________________________________________________。
若植物光合作用過程中的光呼吸強度大于光合作用強度，推測此時的O2/CO2值________(填“高”或“低”)，在該比值情況下，葡萄糖的生成量會減少，原因是__________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(2)據(jù)圖可知，光合作用與光呼吸都利用了________為原料，光呼吸發(fā)生的場所是
_____________________________________________________________________。
(3)光呼吸與有氧呼吸都冠以“呼吸”二字，二者的“共同”之處表現(xiàn)在
_____________________________________________________________________。
(4)利用塑料大棚種植瓜果蔬菜時，從增產(chǎn)的角度考慮，可以采取的措施有
___________________________________________________________(答出兩點)。
答案　(1)該酶既能催化物質(zhì)C5和CO2反應，也能催化物質(zhì)C5和O2反應　高　O2濃度升高時，O2與C5結(jié)合增多，減少了暗反應過程中C3化合物的含量，使得暗反應速率下降，葡萄糖生成量減少
(2)C5(或五碳化合物)　葉綠體基質(zhì)和線粒體
(3)光呼吸過程與有氧呼吸過程都消耗O2并生成CO2
(4)提高塑料大棚內(nèi)CO2的濃度；適當提高光照強度；夜間降低溫度，減少細胞呼吸消耗；降低光呼吸過程(答出兩點即可)
5.(2024·廣東七校聯(lián)考)光照條件下，葉肉細胞中O2與CO2競爭性結(jié)合C5，O2與C5結(jié)合后經(jīng)一系列反應釋放CO2的過程稱為光呼吸，其過程如下圖所示?？茖W家采用基因工程獲得了酶A缺陷型的水稻突變株，在不同條件下檢測突變株與野生型水稻植株的生長情況與物質(zhì)含量，實驗結(jié)果如下表所示。請回答：
0.5% CO2 0.03% CO2 0.03% CO2 0.03% CO2
指標 平均株高/cm 平均株高/cm 乙醇酸含量/(ug·g－1葉重) 乙醛酸含量/(ug·g－1葉重)
突變體 42 24 1 137 1
野生型 43 42 1 1
(1)根據(jù)不同條件下植株的生長狀況差異，可以推測該突變體在____________(場所)進行的________(生理過程)效率降低。
(2)利用有機物的溶解度差異，采用________法可以將乙醇酸與其他有機物分離。分析物質(zhì)含量與變化，推測酶A具有____________________的功能。
(3)正常進行光合作用的水稻，突然停止光照，葉片CO2釋放量先增加后降低，CO2釋放量增加的原因是__________________________________________________。
(4)已知大氣中CO2含量約為0.03%，參考題干信息，分析自然狀態(tài)下突變株長勢不如野生型的原因是__________________________________________________。
(5)水稻光呼吸過程需要額外消耗能量，降低凈光合效率，但在進化過程中得以長期保留，其對植物的意義是_____________________________________________
_____________________________________________________________________。
答案　(1)葉綠體基質(zhì)　暗反應　(2)(紙)層析　催化乙醇酸生成乙醛酸　(3)光照停止，產(chǎn)生的ATP、NADPH減少，暗反應消耗的C5減少，C5與O2結(jié)合增加，產(chǎn)生的CO2增多　(4)突變株因酶A缺陷，乙醇酸無法轉(zhuǎn)變?yōu)镃3，C5生成受阻，自然狀態(tài)下CO2含量較低，固定效率較低，積累有機物較少，長勢不如野生型　
(5)消耗過剩的ATP和NADPH，減少對細胞的損害，補充部分CO2
解析　(1)光呼吸氧化的有機物質(zhì)(即呼吸底物)為乙醇酸。根據(jù)表中數(shù)據(jù)看出，與野生型相比，突變型乙醇酸累積過多，沒有全部轉(zhuǎn)換為乙醛酸，原因可能是暗反應過程中，C3與C5轉(zhuǎn)換物質(zhì)的過程速率減慢，造成乙醇酸消耗量降低，這一過程發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中。(2)利用有機物的溶解度差異，可采用紙層析法將乙醇酸與其他有機物分離?？茖W家采用基因工程獲得了酶A缺陷型的水稻突變株，即酶A缺陷型突變株乙醇酸向乙醛酸轉(zhuǎn)變速率慢，可知酶A具有催化乙醇酸生成乙醛酸的功能。(3)正常進行光合作用的水稻，突然停止光照，光反應減慢，光反應過程中ATP、NADPH產(chǎn)生減少，因而暗反應消耗的C5減少，C5與O2的結(jié)合增加，產(chǎn)生的CO2增多。
6.(2024·廣東佛山調(diào)研)20世紀60年代，科學家發(fā)現(xiàn)有些起源于熱帶的植物如甘蔗、玉米等，除了和其他C3植物一樣具有卡爾文循環(huán)[固定CO2的初產(chǎn)物是三碳化合物(C3)，簡稱C3途徑]外，還存在另一條固定CO2的途徑，固定CO2的初產(chǎn)物是四碳化合物(C4)，簡稱C4途徑，這種植物被稱為C4植物，其光合作用過程如圖所示。研究發(fā)現(xiàn)C4植物中PEP羧化酶對CO2的親和力約是Rubisco的60倍。請回答下列問題：
(1)在C4植物光合作用中，CO2中的碳轉(zhuǎn)化成有機物(CH2O)中碳的轉(zhuǎn)移途徑是____________________________(利用箭頭符號表示)，維管束鞘細胞內(nèi)的CO2濃度比葉肉細胞內(nèi)________(填“高”或“低”)。
(2)甲、乙兩種植物光合速率與CO2濃度的關(guān)系如圖。請據(jù)圖分析，植物________更可能是C4植物，作出此判斷的依據(jù)是_________________________________。
(3)Rubisco是一種雙功能酶，當CO2/O2的值高時，可催化C5固定CO2合成有機物；當CO2/O2的值低時，可催化C5結(jié)合O2發(fā)生氧化分解，消耗有機物，此過程稱為光呼吸，結(jié)合題意分析，在炎熱干旱環(huán)境中，C4植物的生長一般明顯優(yōu)于C3植物的原因是______________________________________________________。
(4)水稻是世界上最重要的糧食作物。目前，科學家正在研究如何利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將“C4途徑”轉(zhuǎn)移到水稻中去，這項研究的意義是_________________________
_____________________________________________________________________。
熱點練4　光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代謝類型
1.D　[據(jù)圖示信息，磷酸丙糖通過TPT從葉綠體輸出的同時伴隨著Pi進入葉綠體，因此Pi輸入葉綠體減少，說明磷酸丙糖從葉綠體中的輸出過程受阻，即輸出減少，A正確；光反應產(chǎn)生的ATP能用于暗反應中C3的還原過程，由圖示可知，該過程能合成磷酸丙糖，B正確；由圖示可知，葉肉細胞的光合產(chǎn)物磷酸丙糖會在細胞質(zhì)基質(zhì)中用于合成蔗糖，然后以蔗糖形式運出細胞，C正確；根據(jù)題意可知，CO2充足時，TPT活性降低，則磷酸丙糖運出葉綠體合成蔗糖的過程會受到影響，作物中淀粉含量會上升，而蔗糖含量下降，D錯誤。]
2.C　[分析題圖可知，H＋由線粒體基質(zhì)進入線粒體膜間隙需要載體蛋白的協(xié)助，A正確；在有氧呼吸第三階段，前兩個階段產(chǎn)生的[H]，經(jīng)過一系列的化學反應，與O2結(jié)合生成水，場所為線粒體內(nèi)膜，B正確；分析題圖可知，電子傳遞鏈對線粒體內(nèi)膜兩側(cè)H＋梯度的形成起促進作用，C錯誤；分析題圖，NADH中的能量變?yōu)镠＋的電化學勢能，再通過H＋向膜內(nèi)跨膜運輸變?yōu)锳TP中的能量，即H＋在跨膜運輸進入線粒體基質(zhì)的過程中部分能量轉(zhuǎn)移到ATP中儲存，D正確。]
3.B　[據(jù)圖分析，圖1所示過程發(fā)生在線粒體內(nèi)膜，圖2所示過程是光反應過程；主動運輸是逆濃度梯度進行的，且需要消耗能量，①、②、③、⑤都表示H＋的跨膜運輸過程，其中①、③屬于主動運輸，A正確；圖1中的NADH來自葡萄糖的分解以及丙酮酸和水的分解，B錯誤；P680和P700含有光合色素，光合色素可吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能，C正確；由圖可知，ATP的合成與H＋的順濃度梯度跨膜運輸有關(guān)，D正確。]
4.答案　(1)該酶既能催化物質(zhì)C5和CO2反應，也能催化物質(zhì)C5和O2反應　高　O2濃度升高時，O2與C5結(jié)合增多，減少了暗反應過程中C3化合物的含量，使得暗反應速率下降，葡萄糖生成量減少
(2)C5(或五碳化合物)　葉綠體基質(zhì)和線粒體
(3)光呼吸過程與有氧呼吸過程都消耗O2并生成CO2
(4)提高塑料大棚內(nèi)CO2的濃度；適當提高光照強度；夜間降低溫度，減少細胞呼吸消耗；降低光呼吸過程(答出兩點即可)
5.答案　(1)葉綠體基質(zhì)　暗反應　(2)(紙)層析　催化乙醇酸生成乙醛酸　(3)光照停止，產(chǎn)生的ATP、NADPH減少，暗反應消耗的C5減少，C5與O2結(jié)合增加，產(chǎn)生的CO2增多　(4)突變株因酶A缺陷，乙醇酸無法轉(zhuǎn)變?yōu)镃3，C5生成受阻，自然狀態(tài)下CO2含量較低，固定效率較低，積累有機物較少，長勢不如野生型　(5)消耗過剩的ATP和NADPH，減少對細胞的損害，補充部分CO2
解析　(1)光呼吸氧化的有機物質(zhì)(即呼吸底物)為乙醇酸。根據(jù)表中數(shù)據(jù)看出，與野生型相比，突變型乙醇酸累積過多，沒有全部轉(zhuǎn)換為乙醛酸，原因可能是暗反應過程中，C3與C5轉(zhuǎn)換物質(zhì)的過程速率減慢，造成乙醇酸消耗量降低，這一過程發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中。(2)利用有機物的溶解度差異，可采用紙層析法將乙醇酸與其他有機物分離。科學家采用基因工程獲得了酶A缺陷型的水稻突變株，即酶A缺陷型突變株乙醇酸向乙醛酸轉(zhuǎn)變速率慢，可知酶A具有催化乙醇酸生成乙醛酸的功能。(3)正常進行光合作用的水稻，突然停止光照，光反應減慢，光反應過程中ATP、NADPH產(chǎn)生減少，因而暗反應消耗的C5減少，C5與O2的結(jié)合增加，產(chǎn)生的CO2增多。
6.答案　(1)CO2→草酰乙酸(C4)→蘋果酸(C4)→CO2→C3→(CH2O)　高　(2)乙　在CO2濃度較低的條件下，植物乙的光合速率明顯高于植物甲(或植物乙利用低濃度二氧化碳的效率更高)　(3)在炎熱干旱環(huán)境中，植物部分氣孔關(guān)閉，導致二氧化碳供應減少，C4植物中的PEP羧化酶活性高，能提高維管束鞘細胞內(nèi)CO2濃度，促進光合作用，抑制光呼吸，從而增加有機物的積累量，使植物快速生長　(4)提高糧食產(chǎn)量/增強水稻抗逆性/增強水稻抗旱性/減弱水稻對水的依賴性
解析　(1)C4植物葉肉細胞中，在PEP羧化酶的催化作用下，CO2首先被磷酸烯醇式丙酮酸固定，形成草酰乙酸(C4)，其轉(zhuǎn)化為蘋果酸(C4)，蘋果酸進入維管束鞘細胞中，釋放出CO2，CO2進入卡爾文循環(huán)，最終形成(CH2O)。C4植物中PEP羧化酶對CO2的親和力約是Rubisco的60倍，葉肉細胞中的CO2的濃度很低時可被PEP羧化酶固定成草酰乙酸(C4)，其轉(zhuǎn)化為蘋果酸(C4)，蘋果酸再進入維管束鞘細胞，釋放CO2，使維管束鞘細胞內(nèi)的CO2濃度升高到可被Rubisco固定的水平(該過程可看作CO2的濃縮)。(2)C4植物葉肉細胞中有PEP羧化酶，而C3植物沒有，所以C4植物對CO2的親和力更強，能更有效地利用低濃度的CO2進行光合作用。(3)見答案。(4)強光照、高溫、干旱條件會導致植物氣孔開放程度降低，細胞中CO2濃度較低，C4途徑的存在可以濃縮CO2，保證光合作用的正常進行，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將“C4途徑”轉(zhuǎn)移到水稻中去，可提高糧食產(chǎn)量，增強水稻抗逆性。(共41張PPT)
SHENG WU XUE
光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代謝類型
微專題4
1.光呼吸
光呼吸是指綠色植物在光照情況下吸收O2，將葉綠體中的C5分解產(chǎn)生CO2的過程。光呼吸現(xiàn)象產(chǎn)生的分子機制是O2和CO2競爭Rubisco酶。在暗反應中，Rubisco酶能夠以CO2為底物實現(xiàn)CO2的固定；在光下，當O2濃度高、CO2濃度低時，O2會與CO2競爭Rubisco酶，在光的驅(qū)動下將碳水化合物氧化生成CO2和水。
①與光呼吸有直接關(guān)系的細胞器為葉綠體、線粒體。光呼吸產(chǎn)生的條件是光照、高O2含量和低CO2含量等。
②在干旱天氣和過強光照下，因為溫度很高，蒸騰作用很強，氣孔大量關(guān)閉。由于光反應速率大于暗反應速率，此時光呼吸可以消耗光反應階段生成的多余的NADPH和ATP，防止強光對葉綠體的破壞，又可以為暗反應階段提供原料，因此光呼吸對植物有重要的正面意義?！　　?br/>[典例1] (2024·廣東湛江質(zhì)檢)光呼吸是植物利用光能，吸收O2并釋放CO2的過程。研究者將四種酶基因(GLO、CAT、GCL、TSR)導入水稻葉綠體，創(chuàng)造了一條新的光呼吸代謝支路(GCGT支路)，如圖虛線所示。據(jù)圖分析，下列推測正確的是(　　)
A.光呼吸時，C5與O2的結(jié)合發(fā)生在葉綠體的類囊體薄膜上
B.在光呼吸中有ATP和NADPH的生成和消耗
C.GCGT支路有利于減少H2O2對葉綠體的損害
D.GCGT支路可以促進光呼吸從而降低光合效率
C
解析　卡爾文循環(huán)的場所為葉綠體基質(zhì)，圖中光呼吸代謝支路利用卡爾文循環(huán)中的C5，故C5和O2的結(jié)合發(fā)生葉綠體基質(zhì)中，A錯誤；GCGT支路中，甘油酸轉(zhuǎn)化為PGA過程中有ATP的消耗，在乙醛酸轉(zhuǎn)化為甘油酸過程中有NADPH的消耗，故由GCGT支路分析可知，該過程有ATP和NADPH的消耗但沒有ATP和NADPH的生成，B錯誤；GCGT支路中，H2O2可被分解為H2O和O2，有利于減少其對葉綠體的損害，C正確；光呼吸代謝支路(GCGT支路)可以將部分碳重新回收進入卡爾文循環(huán)，用于降低光呼吸消耗從而提高光合速率，D錯誤。
2.C4植物
在綠色植物的光合作用中，二氧化碳中的碳首先轉(zhuǎn)移到含有四個碳原子的有機物(C4)中，然后才轉(zhuǎn)移到C3中，科學家將這類植物叫作C4植物，將其固定二氧化碳的途徑，叫作C4途徑。
①C4植物葉肉細胞中的葉綠體有類囊體能進行光反應，而維管束鞘細胞中沒有完整的葉綠體，所以C4植物光反應發(fā)生在葉肉細胞的葉綠體類囊體薄膜上。
②C4植物PEP羧化酶對CO2具有高親和力，當外界環(huán)境干旱(特別是在高溫、光照強烈、干旱條件下)，導致植物氣孔導度減小時，C4植物比C3植物有較強光合作用能力，并且無光合“午休”現(xiàn)象。常見C4植物有玉米、高粱、甘蔗、莧菜等?！　　?br/>[典例2] (2024·廣東七校聯(lián)考)甘蔗、玉米等一些植物的葉片具有特殊的結(jié)構(gòu)，其葉肉細胞中的葉綠體有基粒，而維管束鞘細胞中的葉綠體不含基粒。維管束鞘細胞周圍的葉肉細胞可以利用PEP羧化酶固定較低濃度的CO2，并轉(zhuǎn)移到維管束鞘細胞中釋放，參與光合作用的暗反應，其主要過程如圖所示。請結(jié)合這些內(nèi)容判斷，下列說法中錯誤的是(　　)
A.維管束鞘細胞的葉綠體不能進行光反應，但能進行暗反應
B.維管束鞘細胞中暗反應過程不需要ATP和NADPH
C.PEP羧化酶對環(huán)境中較低濃度的CO2具有富集作用
D.甘蔗、玉米等植物特殊的結(jié)構(gòu)和功能，使其更適應高溫干旱環(huán)境
B
解析　光反應的場所是葉綠體的類囊體薄膜，基粒是由類囊體堆疊而成的，維管束鞘細胞的葉綠體沒有基粒，所以維管束鞘細胞的葉綠體不能進行光反應，葉肉細胞固定的CO2轉(zhuǎn)移到維管束鞘細胞中釋放，參與光合作用的暗反應，A正確；維管束鞘細胞中的暗反應過程需要光反應提供的ATP和NADPH，B錯誤；由圖可知，PEP羧化酶可富集環(huán)境中較低濃度的CO2，C3與低濃度的CO2生成C4，C正確；甘蔗、玉米等一些植物的維管束鞘細胞周圍的葉肉細胞可以利用PEP羧化酶固定較低濃度的CO2，并轉(zhuǎn)移到維管束鞘細胞中釋放，高溫、干旱時植物會關(guān)閉部分氣孔，甘蔗、玉米等在外界CO2供應不足時，C4能分解產(chǎn)生CO2繼續(xù)供暗反應正常進行，故甘蔗、玉米等植物特殊的結(jié)構(gòu)和功能，使其更適應高溫干旱環(huán)境，D正確。
3.景天科植物(CAM植物)
景天科植物在夜間，大氣中CO2從氣孔進入，被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化，與PEP結(jié)合形成草酰乙酸(OAA)，再經(jīng)蘋果酸脫氫酶作用還原為蘋果酸，儲存于液泡中。在白天，蘋果酸從液泡中釋放出來，經(jīng)脫羧酶作用形成CO2和丙酮酸，CO2產(chǎn)生后用于卡爾文循環(huán)。
①仙人掌、菠蘿和許多肉質(zhì)植物都進行這種類型的光合作用。這類植物特別適合于干旱地區(qū)，其特點是氣孔夜間開放，白天關(guān)閉。
②該類植物葉肉細胞夜間淀粉減少，蘋果酸增加，細胞液pH下降；白天淀粉增加，蘋果酸減少，細胞液pH上升?！　　?br/>[典例3] (2024·廣東六校聯(lián)考)光合作用中，有一種特殊的固定CO2和節(jié)省水的類型。菠蘿、仙人掌和許多肉質(zhì)植物都進行這種類型的光合作用，這類植物統(tǒng)稱為CAM植物，其特別適應干旱地區(qū)，特點是氣孔夜晚打開，白天關(guān)閉。如圖為菠蘿葉肉細胞內(nèi)的部分代謝途徑(CAM途徑)示意圖，圖中蘋果酸是一種酸性較強的有機酸。據(jù)圖分析下列問題：
(1)據(jù)圖分析，推測圖中葉肉細胞右側(cè)a過程的活動發(fā)生在________(填“白天”或“夜晚”)，理由是__________________________________________________
________________________________________________________。
菠蘿在夜晚吸收的CO2，能否立即用來完成圖中葉肉細胞左側(cè)的生命活動？________(填“能”或“不能”)，分析原因為____________________________
_________________________________________________________________。
夜晚
題圖中葉肉細胞右側(cè)a過程顯示CO2進入細胞并轉(zhuǎn)變成蘋果酸儲存在液泡中，夜間氣孔打開，細胞才能完成此項活動
不能
夜晚沒有光照，光反應不能正常進行，無法為暗反應提供足夠的ATP和NADPH
(2)圖中蘋果酸通過過程a運輸?shù)揭号輧?nèi)，又會通過過程b運出液泡進入細胞質(zhì)，推測過程b發(fā)生在________(填“白天”或“夜晚”)。過程a具有的生理意義是___________________________________________________________________
________________________________________________(寫出兩個方面即可)。
白天
一方面促進CO2的吸收，另一方面避免蘋果酸降低細胞質(zhì)基質(zhì)的pH，影響細胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)的反應
(3)長期在強光照、高溫、缺水等逆境脅迫下，以菠蘿為代表的CAM植物形成了適應性機制：夜晚氣孔開放，有利于_______________，白天氣孔關(guān)閉，有利于__________________________，且可以通過____________________________獲得光合作用暗反應所需的CO2。
從外界吸收CO2
降低蒸騰作用，減少水分散失
蘋果酸的分解和細胞呼吸
解析　(1)夜晚氣孔開放，CO2進入細胞并轉(zhuǎn)變成蘋果酸儲存起來。夜晚沒有光照，光反應不能正常進行，無法為暗反應提供足夠的ATP和NADPH，因此夜晚不能進行題圖中細胞左側(cè)的生命活動。
(2)白天時，蘋果酸運出液泡，在細胞質(zhì)中分解產(chǎn)生CO2來進行暗反應。夜間氣孔開放，從外界吸收的CO2與PEP發(fā)生系列反應生成蘋果酸，及時通過過程a將蘋果酸運進液泡中的生理意義包括兩方面：一方面促進CO2的吸收，另一方面避免蘋果酸降低細胞質(zhì)基質(zhì)的pH，影響細胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)的反應。
(3)夜間氣孔開放，有利于從外界吸收CO2，白天氣孔關(guān)閉，有利于降低蒸騰作用，減少水分散失。干旱、光照充足的環(huán)境中，菠蘿光合作用大于呼吸作用，光合作用所需的CO2由兩種途徑提供：蘋果酸的分解和細胞呼吸。
4.光合產(chǎn)物及運輸
①磷酸丙糖是光合作用中最先產(chǎn)生的糖，也是光合作用產(chǎn)物從葉綠體運輸?shù)郊毎|(zhì)基質(zhì)的主要形式。
②光合作用產(chǎn)生的磷酸丙糖既可以在葉綠體中形成淀粉，暫時儲存在葉綠體中，又可以通過葉綠體膜上的磷酸轉(zhuǎn)運器運出葉綠體，在細胞質(zhì)基質(zhì)中合成蔗糖。合成的蔗糖或臨時儲藏于液泡內(nèi)，或從光合細胞中輸出，經(jīng)韌皮部裝載長距離運輸?shù)狡渌课弧！　　?br/>[典例4] (2024·江蘇揚州檢測)淀粉和蔗糖是光合作用的主要終產(chǎn)物，其合成過程如右圖所示。細胞質(zhì)內(nèi)形成的蔗糖可以通過跨膜運輸進入液泡進行臨時性儲藏，該過程是由位于液泡膜上的蔗糖載體介導的逆蔗糖濃度梯度運輸。下列說法正確的是(　　)
A.參與蔗糖生物合成的酶位于葉綠體基質(zhì)中
B.呼吸抑制劑不會抑制蔗糖進入液泡的過程
C.細胞質(zhì)基質(zhì)中Pi不會影響葉綠體中的淀粉的合成量
D.磷酸丙糖的輸出量過多會影響C5的再生，使暗反應速率下降
D
解析　細胞質(zhì)內(nèi)形成的蔗糖可以通過跨膜運輸進入液泡進行臨時性儲藏，故參與蔗糖生物合成的酶位于細胞質(zhì)基質(zhì)中，A錯誤；結(jié)合題意“逆蔗糖濃度梯度運輸”可知，蔗糖進入液泡的方式為主動運輸，故呼吸抑制劑可以通過抑制呼吸作用影響能量供應，進而抑制蔗糖進入液泡的過程，B錯誤；結(jié)合題圖分析可知，當細胞質(zhì)基質(zhì)中Pi濃度降低時，會抑制磷酸丙糖從葉綠體中運出，從而促進淀粉的合成，C錯誤；據(jù)圖可知，磷酸丙糖的輸出量增多會影響C5的再生，使暗反應速率下降，D正確。
5.光合磷酸化和氧化磷酸化
(1)電子傳遞鏈和光合磷酸化
①光系統(tǒng)Ⅱ 進行水的光解，產(chǎn)生氧氣、H＋和自由電子(e－)，光系統(tǒng)Ⅰ 主要是介導NADPH的產(chǎn)生。
②電子傳遞過程是高電勢到低電勢(由于光能的作用)，釋放的能量將質(zhì)子(H＋)逆濃度梯度從類囊體的基質(zhì)側(cè)泵入囊腔側(cè)，從而建立了質(zhì)子濃度(電化學)梯度。
③類囊體內(nèi)的高濃度質(zhì)子通過ATP合成酶順濃度梯度流出，而ATP合成酶利用質(zhì)子順濃度梯度流出產(chǎn)生的能量來合成ATP。
④發(fā)生在葉綠體的類囊體薄膜上，需要光，電子供體是H2O，電子受體是NADP＋?！　　?br/>(2)電子傳遞鏈和氧化磷酸化
①發(fā)生在線粒體的內(nèi)膜上，不需要光，電子供體是NADH，電子受體是O2。
②都通過ATP合成酶把ADP磷酸化為ATP。電子傳遞過程中所形成的H＋梯度作為動力，在ATP合成酶的作用下，催化ADP磷酸化成ATP?！　　?br/>[典例5] (2024·湖南長郡中學聯(lián)考)下圖為類囊體薄膜上發(fā)生的光反應示意圖，PSⅠ和PSⅡ分別是光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ，是葉綠素和蛋白質(zhì)構(gòu)成的復合體，能吸收利用光能進行電子的傳遞。PQ、Cytbf、PC是傳遞電子的蛋白質(zhì)，其中PQ在傳遞電子的同時能將H＋運輸?shù)筋惸殷w腔中。圖中實線為電子的傳遞過程，虛線為H＋的運輸過程。ATP合成酶由CF0和CF1兩部分組成，在進行H＋順濃度梯度運輸?shù)耐瑫r催化ATP的合成。請回答下列問題：
(1)分析圖中電子傳遞的整個過程可知，最初提供電子的物質(zhì)為________，最終接受電子的物質(zhì)為________。
(2)光反應產(chǎn)生的氧氣被用于有氧呼吸，且在____________(填場所)被消耗。圖中用于暗反應的物質(zhì)是________________。
水
NADP＋
線粒體內(nèi)膜
ATP和NADPH
(3)合成ATP依賴于類囊體薄膜兩側(cè)的H＋濃度差，圖中使膜兩側(cè)H＋濃度差增加的過程有_____________________________________________________________。
(4)由圖可見，光反應是一個比較復雜的過程，完成了光能轉(zhuǎn)變成____________能，進而轉(zhuǎn)變成________能的過程。
水分解產(chǎn)生H＋；PQ主動運輸H＋；合成NADPH消耗H＋
電
化學
1.(2023·湖北卷，8)植物光合作用的光反應依賴類囊體膜上PSⅠ和PSⅡ光復合體，PSⅡ光復合體含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究發(fā)現(xiàn)，PSⅡ光復合體上的蛋白質(zhì)LHCⅡ，通過與PSⅡ結(jié)合或分離來增強或減弱對光能的捕獲(如圖所示)。LHCⅡ與PSⅡ的分離依賴LHC蛋白激酶的催化。下列敘述錯誤的是(　　)
C
A.葉肉細胞內(nèi)LHC蛋白激酶活性下降，PSⅡ光復合體對光能的捕獲增強
B.Mg2＋含量減少會導致PSⅡ光復合體對光能的捕獲減弱
C.弱光下LHCⅡ與PSⅡ結(jié)合，不利于對光能的捕獲
D.PSⅡ光復合體分解水可以產(chǎn)生H＋、電子和O2
解析　葉肉細胞內(nèi)LHC蛋白激酶活性下降，LHCⅡ與PSⅡ分離減少，PSⅡ光復合體對光能的捕獲增強，A正確；Mg2＋是葉綠素的組成成分，其含量減少會導致PSⅡ光復合體上的葉綠素含量減少，導致對光能的捕獲減弱，B正確；弱光下LHCⅡ與PSⅡ結(jié)合，增強對光能的捕獲，C錯誤；PSⅡ光復合體能吸收光能，并分解水產(chǎn)生H＋、電子和O2，D正確。
2.(2022·全國甲卷，29)根據(jù)光合作用中CO2的固定方式不同，可將植物分為C3植物和C4植物等類型。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?；卮鹣铝袉栴}：
(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反應階段的產(chǎn)物是相同的，光反應階段的產(chǎn)物是____________________(答出3點即可)。
O2、NADPH和ATP
(2)正常條件下，植物葉片的光合產(chǎn)物不會全部運輸?shù)狡渌课?，原因是_____________________________________________________(答出1點即可)。
(3)干旱會導致氣孔開度減小，研究發(fā)現(xiàn)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
___________________________________________________________________。
自身呼吸消耗或建造植物體結(jié)構(gòu)
C4植物的CO2補償點低于C3植物，C4植物能夠利用較低濃度的CO2
解析　(1)光合作用光反應階段的場所是葉綠體的類囊體薄膜，光反應發(fā)生的物質(zhì)變化包括水的光解以及NADPH和ATP的形成，因此光合作用光反應階段生成的產(chǎn)物有O2、NADPH和ATP。(2)葉片光合作用產(chǎn)物一部分用來建造植物體結(jié)構(gòu)和自身呼吸消耗，其余部分被輸送到植物體的儲藏器官儲存起來，故正常條件下，植物葉片的光合產(chǎn)物不會全部運輸?shù)狡渌课弧?3)干旱會導致氣孔開度減小，CO2吸收減少，由于C4植物的CO2補償點低于C3植物，則C4植物能夠利用較低濃度的CO2，因此光合作用受影響較小的植物是C4植物，在同程度干旱條件下，C4植物比C3植物生長得好。
3.(2023·湖南卷，17)下圖是水稻和玉米的光合作用暗反應示意圖。卡爾文循環(huán)的Rubisco酶對CO2的Km為450(μmol·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(guān)。玉米的暗反應先在葉肉細胞中利用PEPC酶[PEPC對CO2的Km為7(μmol·L－1)]催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)與CO2反應生成C4，固定產(chǎn)物C4轉(zhuǎn)運到維管束鞘細胞后釋放CO2，再進行卡爾文循環(huán)。回答下列問題：
(1)玉米的卡爾文循環(huán)中第一個光合還原產(chǎn)物是________________(填具體名稱)，該產(chǎn)物跨葉綠體膜轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)基質(zhì)合成________(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后，再通過____________長距離運輸?shù)狡渌M織器官。
3－磷酸甘油醛
蔗糖
維管組織
(2)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(diào)控分析，原因是____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
___________________________________________________(答出三點即可)。
高于
高光照條件下玉米可以將光合產(chǎn)物及時轉(zhuǎn)移；玉米的PEPC酶對CO2的親和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通過PEPC酶生成C4，使維管束鞘內(nèi)的CO2濃度高于外界環(huán)境，抑制玉米的光呼吸
(3)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(zhì)含量的限制；原核生物和真核生物光合作用機制有所不同
解析　(1)玉米的光合作用過程與水稻相比，雖然CO2的來源不同，但其卡爾文循環(huán)的過程是相同的，結(jié)合水稻的卡爾文循環(huán)圖解，可以看出CO2固定的直接產(chǎn)物是3-磷酸甘油酸，然后被還原成3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛在葉綠體中被轉(zhuǎn)化成淀粉，在葉綠體外被轉(zhuǎn)化成蔗糖，蔗糖是植物長距離運輸?shù)闹饕穷悾ㄟ^維管組織運輸。(2)干旱、高光強時會導致植物氣孔關(guān)閉，吸收的CO2減少，而玉米的PEPC酶與CO2的親和力高，可以利用低濃度的CO2進行光合作用，同時抑制植物的光呼吸，且玉米能將葉綠體內(nèi)的光合產(chǎn)物通過維管組織及時轉(zhuǎn)移出細胞。(3)將藍細菌的CO2濃縮機制導入水稻葉肉細胞，只是提高了葉肉細胞內(nèi)的CO2濃度，而植物的光合作用強度受到很多因素的影響；在光飽和條件下，如果光合作用強度沒有明顯提高，可能是水稻的酶活性達到最大，對CO2的利用率不再提高，或是受到ATP和NADPH等物質(zhì)含量的限制，也可能是因為藍細菌是原核生物，水稻是真核生物，二者的光合作用機制有所不同。
4.(2021·全國乙卷，29)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(guān)閉，液泡中儲存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用?；卮鹣铝袉栴}：
(1)白天葉肉細胞產(chǎn)生ATP的場所有_______________________________。光合作用所需的CO2來源于蘋果酸脫羧和___________釋放的CO2。
(2)氣孔白天關(guān)閉、晚上打開是這類植物適應干旱環(huán)境的一種方式，這種方式既能防止____________________________，又能保證____________正常進行。
葉綠體、細胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體
細胞呼吸
蒸騰作用過強導致植物失水
光合作用
(3)若以pH作為檢測指標，請設(shè)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(jié)果)
實驗思路：取若干長勢相同的植物甲，平均分為A、B兩組；將A組置于干旱條件下培養(yǎng)，B組置于水分充足的條件下培養(yǎng)，其他條件相同且適宜；一段時間后，分別測定兩組植物甲白天和夜晚液泡中的pH。預期結(jié)果：B組液泡中的pH白天和夜晚無明顯變化，A組液泡中的pH夜晚明顯低于白天。
解析　(1)白天植物的葉肉細胞同時進行光合作用和呼吸作用，光合作用過程中產(chǎn)生ATP的場所是葉綠體，呼吸作用過程中產(chǎn)生ATP的場所是細胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體。據(jù)題干信息可知，白天儲存在液泡中的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用，同時葉肉細胞也進行呼吸作用，呼吸作用釋放出來的CO2也可用于光合作用。(2)干旱的環(huán)境中，白天氣孔關(guān)閉可以降低蒸騰作用，避免植物細胞過度失水；夜間氣孔打開吸收CO2，通過生成蘋果酸儲存在液泡中，白天蘋果酸脫羧釋放的CO2為光合作用的進行提供原料，保證了光合作用的正常進行。(3)該實驗的目的是驗證植物甲在干旱環(huán)境中存在特殊的CO2固定方式，根據(jù)題干信息可知，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，推測蘋果酸的存在會導致液泡中呈酸性，由白天氣孔關(guān)閉，液泡中儲存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用，可判斷蘋果酸脫羧釋放出CO2后液泡中酸性下降，因此實驗中需要檢測白天和夜晚葉肉細胞中液泡的pH。
本節(jié)內(nèi)容結(jié)束
THANKS微專題4 光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代謝類型
【知識必備】
1.光呼吸
光呼吸是指綠色植物在光照情況下吸收O2，將葉綠體中的C5分解產(chǎn)生CO2的過程。光呼吸現(xiàn)象產(chǎn)生的分子機制是O2和CO2競爭Rubisco酶。在暗反應中，Rubisco酶能夠以CO2為底物實現(xiàn)CO2的固定；在光下，當O2濃度高、CO2濃度低時，O2會與CO2競爭Rubisco酶，在光的驅(qū)動下將碳水化合物氧化生成CO2和水。
①與光呼吸有直接關(guān)系的細胞器為葉綠體、線粒體。光呼吸產(chǎn)生的條件是光照、高O2含量和低CO2含量等。
②在干旱天氣和過強光照下，因為溫度很高，蒸騰作用很強，氣孔大量關(guān)閉。由于光反應速率大于暗反應速率，此時光呼吸可以消耗光反應階段生成的多余的NADPH和ATP，防止強光對葉綠體的破壞，又可以為暗反應階段提供原料，因此光呼吸對植物有重要的正面意義?！　　?br/>[典例1] (2024·廣東湛江質(zhì)檢)光呼吸是植物利用光能，吸收O2并釋放CO2的過程。研究者將四種酶基因(GLO、CAT、GCL、TSR)導入水稻葉綠體，創(chuàng)造了一條新的光呼吸代謝支路(GCGT支路)，如圖虛線所示。據(jù)圖分析，下列推測正確的是(　　)
A.光呼吸時，C5與O2的結(jié)合發(fā)生在葉綠體的類囊體薄膜上
B.在光呼吸中有ATP和NADPH的生成和消耗
C.GCGT支路有利于減少H2O2對葉綠體的損害
D.GCGT支路可以促進光呼吸從而降低光合效率
2.C4植物
在綠色植物的光合作用中，二氧化碳中的碳首先轉(zhuǎn)移到含有四個碳原子的有機物(C4)中，然后才轉(zhuǎn)移到C3中，科學家將這類植物叫作C4植物，將其固定二氧化碳的途徑，叫作C4途徑。
①C4植物葉肉細胞中的葉綠體有類囊體能進行光反應，而維管束鞘細胞中沒有完整的葉綠體，所以C4植物光反應發(fā)生在葉肉細胞的葉綠體類囊體薄膜上。
②C4植物PEP羧化酶對CO2具有高親和力，當外界環(huán)境干旱(特別是在高溫、光照強烈、干旱條件下)，導致植物氣孔導度減小時，C4植物比C3植物有較強光合作用能力，并且無光合“午休”現(xiàn)象。常見C4植物有玉米、高粱、甘蔗、莧菜等。
[典例2] (2024·廣東七校聯(lián)考)甘蔗、玉米等一些植物的葉片具有特殊的結(jié)構(gòu)，其葉肉細胞中的葉綠體有基粒，而維管束鞘細胞中的葉綠體不含基粒。維管束鞘細胞周圍的葉肉細胞可以利用PEP羧化酶固定較低濃度的CO2，并轉(zhuǎn)移到維管束鞘細胞中釋放，參與光合作用的暗反應，其主要過程如圖所示。請結(jié)合這些內(nèi)容判斷，下列說法中錯誤的是(　　)
A.維管束鞘細胞的葉綠體不能進行光反應，但能進行暗反應
B.維管束鞘細胞中暗反應過程不需要ATP和NADPH
C.PEP羧化酶對環(huán)境中較低濃度的CO2具有富集作用
D.甘蔗、玉米等植物特殊的結(jié)構(gòu)和功能，使其更適應高溫干旱環(huán)境
3.景天科植物(CAM植物)
景天科植物在夜間，大氣中CO2從氣孔進入，被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化，與PEP結(jié)合形成草酰乙酸(OAA)，再經(jīng)蘋果酸脫氫酶作用還原為蘋果酸，儲存于液泡中。在白天，蘋果酸從液泡中釋放出來，經(jīng)脫羧酶作用形成CO2和丙酮酸，CO2產(chǎn)生后用于卡爾文循環(huán)。
①仙人掌、菠蘿和許多肉質(zhì)植物都進行這種類型的光合作用。這類植物特別適合于干旱地區(qū)，其特點是氣孔夜間開放，白天關(guān)閉。
②該類植物葉肉細胞夜間淀粉減少，蘋果酸增加，細胞液pH下降；白天淀粉增加，蘋果酸減少，細胞液pH上升?！　　?br/>[典例3] (2024·廣東六校聯(lián)考)光合作用中，有一種特殊的固定CO2和節(jié)省水的類型。菠蘿、仙人掌和許多肉質(zhì)植物都進行這種類型的光合作用，這類植物統(tǒng)稱為CAM植物，其特別適應干旱地區(qū)，特點是氣孔夜晚打開，白天關(guān)閉。如圖為菠蘿葉肉細胞內(nèi)的部分代謝途徑(CAM途徑)示意圖，圖中蘋果酸是一種酸性較強的有機酸。據(jù)圖分析下列問題：
(1)據(jù)圖分析，推測圖中葉肉細胞右側(cè)a過程的活動發(fā)生在________(填“白天”或“夜晚”)，理由是______________________________________________________
_____________________________________________________________________。
菠蘿在夜晚吸收的CO2，能否立即用來完成圖中葉肉細胞左側(cè)的生命活動？________(填“能”或“不能”)，分析原因為______________________________
_____________________________________________________________________。
(2)圖中蘋果酸通過過程a運輸?shù)揭号輧?nèi)，又會通過過程b運出液泡進入細胞質(zhì)，推測過程b發(fā)生在________(填“白天”或“夜晚”)。過程a具有的生理意義是
________________________________________________(寫出兩個方面即可)。
(3)長期在強光照、高溫、缺水等逆境脅迫下，以菠蘿為代表的CAM植物形成了適應性機制：夜晚氣孔開放，有利于____________，白天氣孔關(guān)閉，有利于______________________________________________________________________，
且可以通過___________________________________________________________
獲得光合作用暗反應所需的CO2。
4.光合產(chǎn)物及運輸
①磷酸丙糖是光合作用中最先產(chǎn)生的糖，也是光合作用產(chǎn)物從葉綠體運輸?shù)郊毎|(zhì)基質(zhì)的主要形式。
②光合作用產(chǎn)生的磷酸丙糖既可以在葉綠體中形成淀粉，暫時儲存在葉綠體中，又可以通過葉綠體膜上的磷酸轉(zhuǎn)運器運出葉綠體，在細胞質(zhì)基質(zhì)中合成蔗糖。合成的蔗糖或臨時儲藏于液泡內(nèi)，或從光合細胞中輸出，經(jīng)韌皮部裝載長距離運輸?shù)狡渌课??！　　?br/>[典例4] (2024·江蘇揚州檢測)淀粉和蔗糖是光合作用的主要終產(chǎn)物，其合成過程如右圖所示。細胞質(zhì)內(nèi)形成的蔗糖可以通過跨膜運輸進入液泡進行臨時性儲藏，該過程是由位于液泡膜上的蔗糖載體介導的逆蔗糖濃度梯度運輸。下列說法正確的是(　　)
A.參與蔗糖生物合成的酶位于葉綠體基質(zhì)中
B.呼吸抑制劑不會抑制蔗糖進入液泡的過程
C.細胞質(zhì)基質(zhì)中Pi不會影響葉綠體中的淀粉的合成量
D.磷酸丙糖的輸出量過多會影響C5的再生，使暗反應速率下降
5.光合磷酸化和氧化磷酸化
(1)電子傳遞鏈和光合磷酸化
①光系統(tǒng)Ⅱ 進行水的光解，產(chǎn)生氧氣、H＋和自由電子(e－)，光系統(tǒng)Ⅰ 主要是介導NADPH的產(chǎn)生。
②電子傳遞過程是高電勢到低電勢(由于光能的作用)，釋放的能量將質(zhì)子(H＋)逆濃度梯度從類囊體的基質(zhì)側(cè)泵入囊腔側(cè)，從而建立了質(zhì)子濃度(電化學)梯度。
③類囊體內(nèi)的高濃度質(zhì)子通過ATP合成酶順濃度梯度流出，而ATP合成酶利用質(zhì)子順濃度梯度流出產(chǎn)生的能量來合成ATP。
④發(fā)生在葉綠體的類囊體薄膜上，需要光，電子供體是H2O，電子受體是NADP＋?！　?br/>　
(2)電子傳遞鏈和氧化磷酸化
①發(fā)生在線粒體的內(nèi)膜上，不需要光，電子供體是NADH，電子受體是O2。
②都通過ATP合成酶把ADP磷酸化為ATP。電子傳遞過程中所形成的H＋梯度作為動力，在ATP合成酶的作用下，催化ADP磷酸化成ATP?！　　?br/>[典例5] (2024·湖南長郡中學聯(lián)考)下圖為類囊體薄膜上發(fā)生的光反應示意圖，PSⅠ和PSⅡ分別是光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ，是葉綠素和蛋白質(zhì)構(gòu)成的復合體，能吸收利用光能進行電子的傳遞。PQ、Cytbf、PC是傳遞電子的蛋白質(zhì)，其中PQ在傳遞電子的同時能將H＋運輸?shù)筋惸殷w腔中。圖中實線為電子的傳遞過程，虛線為H＋的運輸過程。ATP合成酶由CF0和CF1兩部分組成，在進行H＋順濃度梯度運輸?shù)耐瑫r催化ATP的合成。請回答下列問題：
(1)分析圖中電子傳遞的整個過程可知，最初提供電子的物質(zhì)為________，最終接受電子的物質(zhì)為________。
(2)光反應產(chǎn)生的氧氣被用于有氧呼吸，且在________(填場所)被消耗。圖中用于暗反應的物質(zhì)是________。
(3)合成ATP依賴于類囊體薄膜兩側(cè)的H＋濃度差，圖中使膜兩側(cè)H＋濃度差增加的過程有_______________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
(4)由圖可見，光反應是一個比較復雜的過程，完成了光能轉(zhuǎn)變成____________能，進而轉(zhuǎn)變成________能的過程。
【真題感悟】
1.(2023·湖北卷，8)植物光合作用的光反應依賴類囊體膜上PSⅠ和PSⅡ光復合體，PSⅡ光復合體含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究發(fā)現(xiàn)，PSⅡ光復合體上的蛋白質(zhì)LHCⅡ，通過與PSⅡ結(jié)合或分離來增強或減弱對光能的捕獲(如圖所示)。LHCⅡ與PSⅡ的分離依賴LHC蛋白激酶的催化。下列敘述錯誤的是(　　)
A.葉肉細胞內(nèi)LHC蛋白激酶活性下降，PSⅡ光復合體對光能的捕獲增強
B.Mg2＋含量減少會導致PSⅡ光復合體對光能的捕獲減弱
C.弱光下LHCⅡ與PSⅡ結(jié)合，不利于對光能的捕獲
D.PSⅡ光復合體分解水可以產(chǎn)生H＋、電子和O2
2.(2022·全國甲卷，29)根據(jù)光合作用中CO2的固定方式不同，可將植物分為C3植物和C4植物等類型。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?；卮鹣铝袉栴}：
(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反應階段的產(chǎn)物是相同的，光反應階段的產(chǎn)物是____________________(答出3點即可)。
(2)正常條件下，植物葉片的光合產(chǎn)物不會全部運輸?shù)狡渌课?，原因是______________________________________________________________________
_______________________________________________________(答出1點即可)。
(3)干旱會導致氣孔開度減小，研究發(fā)現(xiàn)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
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________。
3.(2023·湖南卷，17)下圖是水稻和玉米的光合作用暗反應示意圖。卡爾文循環(huán)的Rubisco酶對CO2的Km為450(μmol·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(guān)。玉米的暗反應先在葉肉細胞中利用PEPC酶[PEPC對CO2的Km為7(μmol·L－1)]催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)與CO2反應生成C4，固定產(chǎn)物C4轉(zhuǎn)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)玉米的卡爾文循環(huán)中第一個光合還原產(chǎn)物是________(填具體名稱)，該產(chǎn)物跨葉綠體膜轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)基質(zhì)合成________(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后，再通過________長距離運輸?shù)狡渌M織器官。
(2)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(diào)控分析，原因是__________________________
______________________________________________________________________
_____________________________________________________(答出三點即可)。
(3)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)。
4.(2021·全國乙卷，29)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(guān)閉，液泡中儲存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用?；卮鹣铝袉栴}：
(1)白天葉肉細胞產(chǎn)生ATP的場所有________________。光合作用所需的CO2來源于蘋果酸脫羧和________釋放的CO2。
(2)氣孔白天關(guān)閉、晚上打開是這類植物適應干旱環(huán)境的一種方式，這種方式既能防止________________，又能保證____________正常進行。
(3)若以pH作為檢測指標，請設(shè)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(jié)果)__________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
：課后完成　熱點練4

展開更多......

收起↑