培優微專題(三)圍繞“C3、C4植物與光呼吸”分析光合作用過程光合作用的過程是歷年高考的熱點、必考點，多以非選擇題的形式出現。以圖表等為信息載體，考查光合作用的基本過程、物質變化和能量變化是高考命題的常見方式；近幾年高考試題又常結合C4植物、景天科植物光合作用以及光呼吸等，以信息題形式考查，題干信息量較大，且常出現一些新情境、新名詞，注重對考生獲取信息、運用信息解決問題的能力的考查。課題下的深度探究學習——真情境·真應用·真學通[探究素材]據聯合國經濟與社會事務部預測，2050年全球人口將增至97億。如果農作物產量依然維持在現有水平，屆時人類必將面臨嚴重的糧食短缺問題。世界范圍內便掀起了一場以通過生物工程技術提高植物光合效率為中心的“第二次綠色革命”。而“光呼吸代謝工程”被認為是此次革命的核心，光呼吸現象產生的分子機制是O2和CO2競爭Rubisco酶。在暗反應中，Rubisco酶能夠以CO2為底物實現CO2的固定；在光下，當O2濃度高、CO2濃度低時，O2會競爭Rubisco酶，光的驅動下將碳水化合物氧化生成CO2和水。光呼吸是一個高耗能的反應，正常生長條件下光呼吸就可損耗掉光合產物的25%～30%。過程如圖1所示：[探究問題](1)暗反應的進行不需要光照，但受到光照的影響，這是因為____________。(2)由于光呼吸的存在，會降低植物體內有機物的積累速率。Rubisco的催化方向取決于CO2與O2的濃度比，請推測具體的情況：____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)研究發現，光合產物1/3以上要消耗在光呼吸底物上。生產實際中，常通過適當升高CO2濃度達到增產的目的，請分析并解釋其原理：

______________________________________________________________________________________________________(從光合作用原理和Rubisco催化反應特點兩個方面作答)。(4)已知強光下ATP和[H]的積累會產生O2－(超氧陰離子自由基)，而O2－會對葉綠體光合作用的反應中心造成傷害。依據圖中信息，解釋植物在干旱天氣和過強光照下，光呼吸的積極意義是________________________________________。(5)研究發現，小麥的光合午休現象很明顯，而玉米卻幾乎沒有光合午休現象，從玉米的CO2固定途徑分析，可能的原因是______________________________________________________________________________________________________。(6)請解釋C4植物光呼吸比C3植物小很多的原因：______________________________________________________________________________________________。答案：(1)光照影響光反應產生ATP和NADPH的數量，而ATP和NADPH參與暗反應中C3的還原(2)當CO2與O2濃度比高時，Rubisco酶催化羧化反應加強；當CO2與O2濃度比低時，Rubisco酶催化加氧反應加強(3)CO2濃度升高可促進光合作用暗反應的進行，進而提高光合作用強度，同時還可促進Rubisco酶催化更多的C5與CO2結合，減少C5與O2的結合，從而降低光呼吸速率(4)葉片缺水，氣孔部分關閉，CO2吸收減少，低濃度CO2使得光呼吸增強，光呼吸可以消耗多余的ATP和[H]

(5)玉米會先通過C4途徑把CO2儲存起來形成C4，氣孔關閉時，C4分解產生CO2，用于光合作用，所以氣孔關閉對玉米影響不大(6)C4植物葉肉細胞中高效的PEP羧化酶能夠利用極低濃度的CO2，且花環狀的結構使得多個葉肉細胞中的CO2富集到一個維管束鞘細胞中，使得維管束鞘細胞CO2濃度高，在與O2競爭Rubisco酶中有優勢，抑制光呼吸高考下的重難微點突破——重點化·綜合化·精細化提能點(一)從光反應和暗反應關系的角度理解光合作用的過程[查驗進補知能][典例]

(2021·湖南高考)圖a為葉綠體的結構示意圖，圖b為葉綠體中某種生物膜的部分結構及光反應過程的簡化示意圖。回答下列問題：(1)圖b表示圖a中的________結構，膜上發生的光反應過程將水分解成O2、H＋和e－，光能轉化成電能，最終轉化為________和ATP中活躍的化學能。若CO2濃度降低，暗反應速率減慢，葉綠體中電子受體NADP＋減少，則圖b中電子傳遞速率會________(填“加快”或“減慢”)。(2)為研究葉綠體的完整性與光反應的關系，研究人員用物理、化學方法制備了4種結構完整性不同的葉綠體，在離體條件下進行實驗，用Fecy或DCIP替代NADP＋為電子受體，以相對放氧量表示光反應速率，實驗結果如表所示。注：Fecy具有親水性，DCIP具有親脂性。據此分析：①葉綠體A和葉綠體B的實驗結果表明，葉綠體雙層膜對以____________(填“Fecy”或“DCIP”)為電子受體的光反應有明顯阻礙作用。得出該結論的推理過程是____________________________________________________________________。②該實驗中，光反應速率最高的是葉綠體C，表明在無雙層膜阻礙、類囊體又松散的條件下，更有利于______________________，從而提高光反應速率。③以DCIP為電子受體進行實驗，發現葉綠體A、B、C和D的ATP產生效率的相對值分別為1、0.66、0.58和0.41。結合圖b對實驗結果進行解釋__________________________________________________________________________________。[解析]

(1)光反應發生在葉綠體的類囊體薄膜上，即圖b表示圖a的類囊體膜，光反應過程中，色素吸收的光能最終轉化為ATP和NADPH中活躍的化學能，若CO2濃度降低，暗反應速率減慢，葉綠體中電子受體NADP＋減少，則圖b中的電子去路受阻，電子傳遞速率會減慢。(2)①比較葉綠體A和葉綠體B的實驗結果，實驗一中葉綠體B雙層膜局部受損時，以Fecy為電子受體的放氧量明顯大于雙層膜完整時，實驗二中葉綠體B雙層膜局部受損時，以DCIP為電子受體的放氧量與雙層膜完整時無明顯差異，說明葉綠體的雙層膜對以Fecy為電子受體的光反應有明顯阻礙作用。②在無雙層膜阻礙、類囊體松散的條件下，更有利于類囊體上的色素吸收光能，從而提高光反應速率，所以該實驗中，光反應速率最高的是葉綠體C。③根據圖b可知，ATP的合成依賴于H＋順濃度通過類囊體薄膜上的ATP合酶，葉綠體A、B、C、D類囊體薄膜的受損程度依次增大，因此ATP的產生效率逐漸降低。[答案]

(1)類囊體膜NADPH減慢(2)①Fecy實驗一中葉綠體B雙層膜局部受損時，以Fecy為電子受體的放氧量明顯大于雙層膜完整時，實驗二中葉綠體B雙層膜局部受損時，以DCIP為電子受體的放氧量與雙層膜完整時無明顯差異②類囊體上的色素吸收光能③ATP的合成依賴于H＋順濃度通過類囊體薄膜上的ATP合酶，葉綠體A、B、C、D類囊體薄膜的受損程度依次增大，因此ATP的產生效率逐漸降低2．光反應和暗反應的關系(1)光反應為暗反應提供NADPH、ATP，暗反應為光反應提供ADP、Pi和NADP＋。(2)沒有光反應，暗反應無法進行，沒有暗反應，有機物無法合成。(3)光反應產生的ATP只用于C3的還原，不用于植物體的其他生命活動。(4)C3還原消耗的能量不只來自ATP，還可由NADPH提供。[訓練提升素養]1．(2021·衡陽模擬)厭氧型綠硫細菌以硫化物為氫供體進行光合

作用，是最古老的光合細菌之一。如圖表示綠硫細菌的光復

合系統參與代謝的過程簡圖。下列敘述錯誤的是

(

)A．綠硫細菌的光復合系統含有色素和蛋白質B．綠硫細菌能為生態系統中其他生物提供氧氣和有機物C．培養綠硫細菌時不需要通入氧氣也無需提供有機碳源D．圖示過程實現了光能到有機物中的化學能的轉化解析：綠硫細菌的光復合系統能吸收光能，并發生化學反應(需要相關酶)，說明綠硫細菌的光復合系統含有色素和蛋白質，A正確；厭氧型綠硫細菌以硫化物為氫供體進行光合作用，則培養綠硫細菌時不需要通入氧氣也無需提供有機碳源，由圖可知，綠硫細菌光反應不產生氧氣，因此不能為其他生物提供氧氣，B錯誤，C正確；圖中光反應中綠硫細菌將光能轉化為化學能，儲存在ATP和NADPH(有機物)中，D正確。答案：B

2．(2021·聊城模擬)如圖是番茄植株的葉肉細胞中進行光合作用的示意圖，PSⅡ和PSⅠ是由蛋白質和光合色素組成的復合物，是吸收、傳遞、轉化光能的光系統，下列敘述錯誤的是

(

)A．自然界中能發生光合作用的生物，不一定具備PSⅡ和PSⅠ系統B．光反應過程將吸收的光能轉換為活躍的化學能全部儲存在ATP中C．在ATP合成酶的作用下，H＋順濃度梯度轉運提供分子勢能，促進ADP和

Pi合成ATPD．PSⅡ中的色素吸收光能后，將H2O分解為O2和H＋，產生的電子傳遞給

PSⅠ將NADP＋和H＋結合形成NADPH解析：由圖可知，PSⅡ和PSⅠ分布在葉綠體的類囊體薄膜上，自然界中能發生光合作用的生物，不一定具有葉綠體，如藍藻，故不一定具備PSⅡ和PSⅠ系統，A正確；分析圖示可知，光反應過程將吸收的一部分光能轉換為活躍的化學能儲存在ATP中，還有一部分儲存在NADPH中，B錯誤；由圖可知，H＋順濃度梯度轉運出類囊體并產生能量，在ATP合成酶的作用下，促進ADP和Pi合成ATP，C正確；據圖可知，PSⅡ中的色素吸收光能后，將H2O分解為O2、H＋和電子，產生的電子傳遞給PSⅠ用于將NADP＋和H＋結合形成NADPH，D正確。答案：B

3．(2021·德州模擬)1937年，英國植物學家希爾發現，在離體葉綠體的懸浮液中加入鐵鹽或其他氧化劑，在光照下可以釋放出氧氣，該實驗被后人稱為希爾反應。回答下列問題：(1)希爾反應模擬了葉綠體中光合作用的__________階段的部分變化，鐵鹽或其他氧化劑相當于光合作用原反應中的________(填“NADP＋”或“NADPH”)。(2)希爾反應說明水的光解和C3的還原可分開進行。可一般情況下，停止CO2供給，光反應也會停止，原因是__________________________________________________________________________________________________________。(3)為研究光質對希爾反應的影響，科研人員進行了如下實驗。氧化劑DCIP(2,6二氯酚靛酚)是一種藍色染料，被還原后會褪色。實驗結果如下表：所用試劑及處理方式1號2號3號4號5號6號含葉綠體的懸浮液5mL5mL5mL5mL5mL5mL用紙包住試管錫箔紙綠色玻璃紙紫色玻璃紙紅色玻璃紙——滴加0.1%DCIP溶液2滴2滴2滴2滴2滴—充分搖勻后，放于直射陽光或人工光照下10分鐘結果藍綠色較淡藍綠色淡藍綠色淡藍綠色至綠色淡藍綠色至綠色綠色①2號、3號、4號和6號試管________(填“能”或“不能”)形成對照，判斷的依據是__________________________________________________________________。②1號和5號試管對照，說明______________________________，從實驗結果可知，葉綠體中色素對不同光質的吸收情況是______________________________。解析：(1)希爾反應在光照下可以釋放氧氣，說明該實驗模擬了葉綠體中光合作用的光反應階段的部分變化，加入的鐵鹽或其他氧化劑相當于光反應中的NADP＋。(2)停止CO2供應，使得暗反應無法進行，不能為光反應提供ADP、Pi和NADP＋，所以光反應也停止。(3)①2號、3號、4號與6號不能形成對照，因為6號與另外3組試管的實驗處理除光質不同外，滴加0.1%DCIP溶液的情況也不同，違背單一變量原則。②由表中信息可知，1號和5號對比說明黑暗環境下不能發生希爾反應，無法產生還原性物質，DCIP不能被還原。對比2、3、4號試管，DCIP的藍色越淺，葉綠體中色素對光的吸收越強，所以葉綠素對紅光吸收能力最強，紫光次之，綠光最弱。答案：(1)光反應NADP＋

(2)停止CO2供應，暗反應無法進行，不能為光反應提供ADP、Pi和NADP＋

(3)①不能6號與另外3組試管實驗處理除光質不同外，滴加0.1%DCIP溶液的情況也不同，違背單一變量原則②希爾反應必須在光下才能進行對紅光吸收能力最強，紫光次之，綠光最弱提能點(二)從物質含量變化的角度理解光合作用的過程[查驗進補知能][典例]

(2021·錦州模擬)研究人員以生長狀況相同的綠色植物為材料，在相同的條件下進行了四組實驗。其中D組連續光照T秒，A、B、C組依次增加光照—黑暗的交替頻率，每組處理的總時間均為T秒，發現單位光照時間內光合作用產物的相對含量從A到C依次增大。下列相關說法正確的是

(

)A．實驗說明白天給予一定頻率的遮光有利于農作物增產B．實驗過程中C組積累的有機物最多C．實驗結束后立即檢測植物體內NADPH含量，D組最高D．實驗組由黑暗變為光照時，光反應速率增加，暗反應速率變小[解析]實驗說明增加光照—黑暗的交替頻率，光合速率可以提高，但白天遮光會縮短光照時間，同樣不利于農作物增產，A錯誤；實驗過程中D組光照時間最長，所以D組積累的有機物最多，B錯誤；因為D組持續光照，有NADPH積累，故實驗結束后D組NADPH含量最高，C正確；實驗組由黑暗變為光照時，光反應速率增加，暗反應速率也增加，D錯誤。[答案]

C深化學習不同條件下的物質含量變化的分析1．連續光照和間隔光照下有機物合成量的分析(1)光反應為暗反應提供的[H]和ATP在葉綠體中有少量的積累，在光反應停止時，暗反應仍可持續進行一段時間，有機物還能繼續合成。(2)持續光照條件下，會造成對[H]、ATP的利用不充分使其過度積累；光照和黑暗間隔條件下，[H]、ATP基本不積累，能夠被充分利用；因此在光照時間相同的條件下，光照和黑暗間隔處理比持續光照處理有機物的積累量要多。例如：若同一植物處于兩種不同情況下進行光合作用，甲一直光照10分鐘，黑暗處理10分鐘；乙光照5秒，黑暗處理5秒，持續20分鐘，則光合作用制造的有機物：甲<乙。2．分析C3、C5等物質含量變化的一般思路(1)繪制光合作用模式簡圖(2)從物質的生成和消耗兩個方面綜合分析。如CO2供應正常、光照停止時C3的含量變化：[訓練提升素養]1．(2021·唐山模擬)卡爾文等人研究了CO2轉化為糖的途徑：用放射性14C標記的CO2(即14CO2)供小球藻進行光合作用，追蹤14C的去向。在不同時間段對產物進行了分析，下列有關該實驗的敘述錯誤的是

(

)A．光照幾分之一秒時，放射性首先出現在C3中，說明CO2可以生成C3B．光照幾秒后，將檢測到六碳糖中含有放射性C．實驗條件不變的情況，C3和C5的含量保持相對穩定D．如果突然中斷供應CO2，C5就會積累，C3濃度則急劇上升解析：光照幾分之一秒時，放射性首先出現在一種三碳化合物(C3)中，說明CO2可以生成C3，A正確；六碳糖(C6)是光合作用的產物之一，故光照幾秒后，可檢測到其中含有放射性，B正確；條件不變的情況下，小球藻的光合速率相對穩定，C3和C5的含量也保持相對穩定，C正確；如果突然中斷CO2供應，導致CO2的固定速率降低，C5就會積累，C3的還原仍可進行，C3濃度急劇下降，D錯誤。答案：D

2．(2021·錦州質檢)光合作用通過密切關聯的兩大階段——光反應和暗反應實現。對于改變反應條件而引起的變化，下列說法正確的是

(

)A．突然中斷CO2供應會暫時引起葉綠體基質中C5/C3比值減小B．突然中斷CO2供應會暫時引起葉綠體基質中ATP/ADP比值增加C．突然將紅光改變為綠光會暫時引起葉綠體基質中C3/C5比值減小D．突然將綠光改變為紅光會暫時引起葉綠體基質中ATP/ADP比值減小解析：突然中斷CO2供應會導致CO2的固定速率降低，葉綠體中C5含量增加、C3含量減少，C5/C3比值增大，A錯誤；突然中斷CO2供應使C3含量減少，進而使ATP和[H]的含量增多，所以ATP/ADP比值增加，B正確；突然將紅光改變為綠光后光能的利用率降低，ATP和[H]的含量減少，進而使C3含量增多、C5含量減少，C3/C5比值增大，C錯誤；突然將綠光改變為紅光后光能的利用率提高，ATP和[H]的含量增加，ATP/ADP比值增加，D錯誤。答案：B

3．(2021·東營模擬，多選)自然條件下植物所處的光環境非常復雜，其中強光和弱光都是植物經常遭遇的環境光照強度。將黃瓜盆栽苗分為3個組處理：T1組為持續5h強光，然后持續5h弱光；T2組是強光和弱光每3min更替1次，總時間為10h;T3組為完全弱光處理10h。處理結束后測量了幼苗干重、葉綠素含量及葉綠素a/b的比值等指標，結果如圖。下列有關分析錯誤的是

(

)A．T2組較T1組幼苗干重偏低是由于光照強度減弱所致B．T2組處理后導致了葉綠素a含量降低較葉綠素b更加明顯C．T3組葉綠素含量增加但幼苗干重下降與CO2供應不足有關D．光照能量相同時，穩定光照比更替頻繁光照更有利于幼苗的生長解析：T2組和T1組的自變量是強光和弱光替換的頻率，而不是光照強度，A錯誤；T2組葉綠素a/b的值最大，所以葉綠素b含量降低較葉綠素a更加明顯，B錯誤；T3組是一直在弱光條件下處理，所以其幼苗干重下降主要與光照強度降低有關，C錯誤；比較T1和T2組，穩定的光照有利于幼苗的生長，D正確。答案：ABC

提能點(三)從光呼吸與光合作用關系的角度理解光合作用的過程[查驗進補知能][典例]

(2021·山東高考)光照條件下，葉肉細胞中的O2與CO2競爭性結合C5，O2與C5結合后經一系列反應釋放CO2的過程稱為光呼吸。向水稻葉面噴施不同濃度的光呼吸抑制劑SoBS溶液，相應的光合作用強度和光呼吸強度見下表。光合作用強度用固定的CO2量表示，SoBS溶液處理對葉片呼吸作用的影響忽略不計。請回答下列問題。(1)光呼吸中C5與O2

結合的反應發生在葉綠體的____________中。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_____________________________________。(2)與未噴施SoBS溶液相比，噴施100mg/LSoBS溶液的水稻葉片吸收和放出CO2量相等時所需的光照強度________(填“高”或“低”)，據表分析，原因是____________________________________________________________________。(3)光呼吸會消耗光合作用過程中的有機物，農業生產中可通過適當抑制光呼吸以增加作物產量。為探究SoBS溶液利于增產的最適噴施濃度，據表分析，應在________mg/L之間再設置多個濃度梯度進一步進行實驗。[解析]

(1)C5位于葉綠體基質中，則O2與C5結合發生的場所在葉綠體基質中。突然停止光照，則光反應產生的ATP、[H]減少，暗反應消耗的C5減少，C5與O2結合增加，產生的CO2增多。(2)葉片吸收和放出CO2量相等時所需的光照強度即為光飽和點，與對照組相比，噴施100mg/LSoBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸釋放的CO2減少，即葉片的CO2吸收量增加，釋放量減少，此時，在更低的光照強度下，兩者即可相等。(3)光呼吸會消耗有機物，但光呼吸會釋放CO2，補充光合作用的原料，適當抑制光呼吸可以增加作物產量，由表可知，在SoBS溶液濃度為200mg/LSoBS時光合作用強度與光呼吸強度差值最大，即光合產量最大，為了進一步探究SoBS溶液的最適噴施濃度，應在100～300mg/L之間再設置多個濃度梯度進一步進行實驗。[答案]

(1)基質光照停止，產生的ATP、[H]減少，暗反應消耗的C5減少，C5與O2結合增加，產生的CO2增多(2)低噴施SoBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸釋放的CO2減少，即葉片的CO2吸收量增加，釋放量減少，此時，在更低的光照強度下，兩者即可相等(3)100～300深化學習光呼吸與細胞呼吸的比較

光呼吸細胞呼吸底物底物是光下在葉綠體內新形成的，如光合作用中的乙醇酸常用底物是葡萄糖，可以是新形成，也可是后存的場所只發生在光合細胞中，在葉綠體、過氧化物體和線粒體三種細胞器協同作用下進行所有活細胞、細胞質和線粒體中進行條件光下，O2/CO2比值相對高時有氧、無氧都可進行，光下、暗處都可進行意義CO2供應不足時，消耗過多的NADPH和ATP，避免細胞傷害為生命活動提供直接能源物質ATP[訓練提升素養]1．(2021·濰坊一模)光呼吸是O2/CO2偏高時與光合作用同時發生的生理過程，是經長期進化形成的適應機制。光呼吸和暗反應關系密切，機理如圖所示。下列敘述錯誤的是

(

)A．光呼吸可保證CO2不足時，暗反應仍能正常進行B．光合作用的光反應強于暗反應容易導致光呼吸發生C．光呼吸過程雖消耗有機物，但不產生ATPD．抑制光呼吸能大幅度提高光合作用強度解析：分析題圖可知，光呼吸可產生CO2，保證CO2不足時，暗反應仍能正常進行，A正確；光合作用的光反應強于暗反應時，O2/CO2偏高，容易導致光呼吸發生，B正確；光呼吸過程雖然消耗有機物，但不產生ATP，甚至消耗ATP，C正確；抑制光呼吸，參與光呼吸的C5減少，能在一定程度上提高光合速率，但不能大幅度提高光合作用強度，D錯誤。答案：D

2．(2021·青島一模)小麥是生物學中常用的實驗材料。閱讀下面材料，回答下列問題：材料一：某班學生進行新鮮小麥葉片中色素的提取和分離實驗，