第3章細胞代謝課時4光合作用與能量轉化一、選擇題1.[2024貴陽模擬]韭菜在黑暗中生長會變成黃色，稱之為韭黃。提取并分離韭黃葉片色素，與正常韭菜葉相比，濾紙條上只有上端兩條色素帶。下列相關敘述正確的是（D）A.可用無水乙醇進行色素的分離B.濾紙條上的色素主要吸收紅橙光C.處于濾紙條最上端的色素是葉黃素D.實驗結果說明葉綠素的合成需要光照解析提取葉片中的光合色素時，一般使用無水乙醇，分離光合色素時，一般使用層析液，A錯誤；由題干信息可知，韭黃中不含有葉綠素，濾紙條上的色素是胡蘿卜素和葉黃素，主要吸收藍紫光，B錯誤；處于濾紙條最上端的色素是胡蘿卜素（小技巧：以綠葉中色素的分離結果為例，濾紙條上由上到下依次為胡蘿卜素、葉黃素、葉綠素a、葉綠素b），C錯誤；分析題干可知，韭黃是在黑暗條件下形成的，而正常情況下（有光照時）會形成綠色的韭菜，實驗結果說明葉綠素的合成需要光照，D正確。2.[2024深圳模擬]以新鮮菠菜葉為材料進行綠葉中色素的提取和分離實驗，某小組得到如圖所示結果。下列關于該結果的分析，正確的是（B）A.是正確操作后得到的理想結果B.可能研磨時未加入CaCO3導致C.可能研磨時未加入SiO2導致D.可能提取時加入過量的層析液解析圖中濾紙條上距離點樣處由近到遠的條帶分別代表葉綠素b、葉綠素a、葉黃素、胡蘿卜素，綠葉中葉綠素含量高于類胡蘿卜素，圖中顯示類胡蘿卜素含量高于葉綠素，不是正確操作后得到的理想結果，可能是研磨時未加入CaCO3導致葉綠素被破壞，也可能取的是發黃的葉片，A錯誤、B正確；研磨時未加入SiO2會導致研磨不充分，各種色素含量均下降，但葉綠素含量應始終高于類胡蘿卜素，C錯誤；提取時加入過量的層析液不會導致類胡蘿卜素含量高于葉綠素，D錯誤。3.[2023寧波模擬]下列關于高等植物細胞內色素的敘述，錯誤的是（A）A.所有植物細胞中都含有4種光合色素B.有些植物細胞的液泡中也含有色素C.葉綠素和類胡蘿卜素都可以吸收光能D.植物細胞內的光合色素主要包括葉綠素和類胡蘿卜素兩類解析高等植物體內沒有葉綠體的細胞就沒有光合色素，如根尖細胞，A錯誤；有些植物的液泡中也含有水溶性色素，但這些色素不參與光合作用，B正確；植物細胞內的光合色素主要包括葉綠素和類胡蘿卜素，可以吸收光能，C、D正確。4.如圖表示葉綠體中色素吸收光能的情況。據圖判斷，下列說法錯誤的是（C）A.由圖可知，類胡蘿卜素主要吸收400～500nm波長的光B.用450nm波長的光比600nm波長的光更有利于提高光合作用強度C.由550nm波長的光轉為670nm波長的光后，葉綠體吸收利用的光能減少D.土壤中缺乏鎂時，植物對420～470nm波長的光的利用量明顯減少解析由題圖可知，類胡蘿卜素主要吸收400～500nm波長的光，A正確；由題圖可知，葉綠體中色素吸收450nm波長的光比吸收600nm波長的光要多，因此用450nm波長的光比600nm波長的光更有利于提高光合作用強度，B正確；分析題圖可知，由550nm波長的光轉為670nm波長的光后，葉綠體中色素吸收的光能變多，C錯誤；葉綠素吸收420～470nm波長的光較多，缺鎂時，葉綠素的合成受到影響，植物對420～470nm波長的光的利用量明顯減少，D正確。5.[2024武漢部分學校調研]葉綠體中緊密垛疊的類囊體稱為基粒類囊體，而與基粒相連的非垛疊的結構稱為基質類囊體。下列敘述錯誤的是（D）A.基粒類囊體膜和基質類囊體膜相互連接形成連續的膜系統B.垛疊區與非垛疊區的比例會影響葉綠體對光能的捕獲和利用C.類囊體垛疊形成基粒擴展了受光面積，可提高對光能的利用率D.基質類囊體中不含光合色素，是光合作用暗反應進行的場所解析基粒類囊體膜和基質類囊體膜相互連接形成連續的膜系統，類囊體膜上含有光合色素，光合色素與光能的捕獲和利用有關，類囊體垛疊形成基粒擴展了受光面積，可提高對光能的利用率，因此，垛疊區與非垛疊區的比例會影響葉綠體對光能的捕獲和利用，暗反應是在葉綠體基質中進行的，A、B、C正確，D錯誤。6.[結合前沿科技/2024天津耀華中學模擬]中科院天津工業生物技術研究所科研團隊歷時六年科研攻關，實現了世界上第一次二氧化碳到淀粉的人工合成，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，以下分析錯誤的是（C）A.與葉肉細胞相比，該系統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.該過程實現了“光能→活躍的化學能→有機物中穩定的化學能”的能量轉化D.若該技術能推廣應用，將能夠緩解糧食短缺，同時能節約耕地解析該系統不進行細胞呼吸消耗糖類，與葉肉細胞相比，該系統能積累更多的有機物，A正確；④⑤⑥過程形成淀粉，類似于固定二氧化碳產生糖類的過程，B正確；該過程實現了“光能→有機物中穩定的化學能”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和節約耕地資源，D正確。7.正在進行光合作用的植物，若突然降低其周圍環境中的CO2濃度，則短時間內（A）A.葉綠體中C5/C3的值上升B.葉綠體中ATP/ADP的值下降C.NADPH/NADP＋的值下降D.光反應速率加快解析正常條件下進行光合作用的某植物，突然降低其環境中的CO2濃度，此時光照強度不變，光反應速率不變，產生ATP和NADPH的速度也不變，C3的還原速度短時間內不變，C5生成的速度也不變，而CO2濃度下降后，CO2固定為C3的速度減小，則C5的消耗速度減小，C3的生成速度減小，最終導致葉綠體中C5/C3的值上升，故A正確。二、非選擇題8.[2024浙江大聯考，10分]為了探究鋅對蘋果葉片光合作用及其產物分配的影響。在蘋果果實膨大期，用濃度為0、0.1％、0.2％、0.3％和0.4％的ZnSO4溶液分別涂抹葉片，記為A、B、C、D和E組，并在適宜條件下用定量的13CO2進行示蹤實驗，實驗結果如表，回答相關問題：組別葉綠素含量/（mg·g－1）Rubisco的活性/（μmol·min－1·g－1）凈光合速率/（μmol·m－2·s－1）葉片中的13C光合產物/（mg·g－1）果實中的13C光合產物/（mg·g－A1.597.3312.1842.43.4B1.877.6213.1536.54.8C1.938.3114.5833.25.3D2.028.5515.8730.36.2E1.858.1214.0234.64.9（1）為了測定葉片中的葉綠素含量，各組分別取等量烘干的葉片經剪碎和研磨處理，得到足量的色素提取液；再將色素提取液經紅光照射，測得光的吸收率，進而估測葉綠素含量。（2）本實驗要用透明塑料袋將實驗葉片密封，并充入定量的13CO2處理一定時間，經位于葉肉細胞葉綠體基質中酶Rubisco的催化，完成CO2的固定，然后經含活躍化學能的ATP和NADPH參與的吸能（填“吸能”或“放能”）反應完成C3的還原，最后產生蔗糖運輸到果實等部位。（3）為了測定葉片和果實中的13C光合產物的含量，先稱鮮重，用清水和洗滌劑清洗雜質，再先后用1％鹽酸和105℃處理，該操作的目的是使酶失去活性；然后在70℃的烘箱中烘干至質量不再減少為止，磨碎后裝袋待測。（4）結合表中數據分析，鋅影響蘋果葉片光合作用的主要途徑有一方面通過影響葉綠素含量來影響光反應速率；另一方面通過影響Rubisco的活性來影響暗反應速率。（5）根據實驗結果可得出“葉片合成的光合產物越多，向果實運輸的也越多”的結論，依據是與其他組相比，D組處理葉片的凈光合速率較高，但葉片中的13C光合產物較少，而果實中的13C光合產物較多。解析（1）為了測定葉片中的葉綠素含量，各組可取等量烘干的葉片經剪碎和研磨處理，得到足量的色素提取液；因為葉綠素吸收紅光，而類胡蘿卜素不能吸收紅光，因此再將色素提取液經紅光照射，測得光的吸收率，根據光的吸收率可估測葉綠素含量。（2）CO2的固定發生在葉綠體基質，故催化CO2固定的酶Rubisco位于葉綠體基質；ATP和NADPH參與C3的還原過程，C3的還原過程為吸能反應。（3）先后用1％鹽酸和105℃處理的目的是使酶失去活性，避免進行物質代謝過程。（4）結合表中數據分析可知，隨著鋅含量的增加，蘋果葉片凈光合速率先增加后下降，結合其他數據可發現，鋅影響蘋果葉片光合作用的主要途徑有影響葉綠素含量，進而影響光反應速率；影響Rubisco的活性，進而影響暗反應速率。（5）結合表中數據可以看出，與其他組相比，D組蘋果葉片的凈光合速率較高，但葉片中的13C光合產物較少，而果實中的13C光合產物較多，據此可推出葉片合成的光合產物越多，向果實運輸的也越多。9.[情境創新/2024安徽六校聯考，12分]植物吸收的光能超過光合作用所能利用的量時，引起光能轉化效率下降的現象稱為光抑制。光抑制主要發生在光合系統PSⅡ，PSⅡ是由蛋白質和光合色素組成的復合物，能將水分解為O2和H＋并釋放電子，如圖甲。電子積累過多會產生活性氧破壞PSⅡ，使光合速率下降。研究發現，某種真核微藻在低氧環境中，其葉綠體內產氫酶活性提高，部分NADPH會參與生成氫氣的代謝過程。中國科學院研究人員提出“非基因方式電子引流”的策略，利用能接收電子的人工電子梭（鐵氰化鉀）有效解除微藻的光抑制現象，實驗結果如圖乙所示。（1）光合色素吸收的光能經過轉換后，可以儲存到NADPH和ATP中，用于暗反應供能。（2）由圖甲可知，PSⅡ將水分解釋放的電子傳遞給NADP＋和H＋，該物質接收電子后形成NADPH。低氧環境中，生成氫氣的代謝過程會使該微藻生長不良，請根據題目信息從光合作用物質轉化的角度分析原因：低氧環境中，部分NADPH會參與生成氫氣的代謝過程，參與暗反應的NADPH減少，C3的還原減少，有機物生成量減少。（3）據圖乙分析，光照強度由I1增加到I2的過程中，對照組微藻的光能轉化效率下降（填“下降”“不變”或“上升”），理由是光照強度由I1增加到I2過程中，對照組微藻的光合放氧速率不變，光合作用利用的光能不變，但由于光照強度增加了，故光能轉化效率下降。（4）根據實驗結果可知，當光照強度過大時，加入鐵氰化鉀能夠有效解除光抑制，原因是鐵氰化鉀能將光合作用產生的電子及時消耗，使細胞內活性氧水平下降，可降低PSⅡ受損傷的程度。解析（1）光合色素分布在類囊體薄膜上，光合色素吸收的光能可儲存到NADPH和ATP中，用于暗反應過程中三碳化合物的還原。（2）光反應中，PSⅡ將水分解釋放的電子傳遞給H＋和NADP＋，該物質接收電子后形成NADPH。該微藻在低氧環境中，其葉綠體內產氫酶活性提高，部分NADPH會參與生成氫氣的代謝過程，這樣參與暗反應的NADPH減少，C3的還原減少，有機物生成量減少，進而導致該微藻生長不良。（3）由圖可知，光照強度從I1增加到I2的過程中，對照組微藻的光合放氧速率不變，光合作用利用的光能不變，但由于光照強度增加了，因此光能轉化效率下降。（4）由題干信息可知，電子積累過多會產生活性氧破壞PSⅡ，使光合速率下降，而鐵氰化鉀能將光合作用產生的電子及時消耗，使細胞內活性氧水平下降，降低PSⅡ受損傷的程度，因此，當光照強度過大時，加入鐵氰化鉀能夠有效解除光抑制。一、選擇題10.[2024宜春模擬]雨生紅球藻是一種淡水藻類，與水綿相同，屬于綠藻類的自養生物。該藻能大量積累蝦青素而呈現紅色。蝦青素是一種強大的抗氧化劑，具有脂溶性，不溶于水。下列有關紅球藻的說法錯誤的是（A）A.紅球藻吸收紅光和藍紫光，但不吸收綠光B.紅球藻中的葉綠素位于葉綠體的類囊體薄膜上C.紅球藻中的蝦青素可以用無水乙醇來提取D.將紅球藻置于海水中可能會發生質壁分離解析紅球藻屬于綠藻類自養生物，其細胞中含有葉綠體和光合色素，光合色素位于葉綠體的類囊體薄膜上，其主要吸收紅光和藍紫光，也能吸收少量的綠光，A錯誤、B正確；由題意可知，蝦青素具有脂溶性，能夠溶解在有機溶劑中，可用無水乙醇來提取，C正確；紅球藻為真核生物，生活在淡水中，若將紅球藻置于海水中，由于外界溶液濃度較高，紅球藻細胞可能會失水，發生質壁分離，D正確。11.[角度創新/2024重慶八中模擬]羽衣甘藍因其耐寒性和葉色豐富多變的特點，成為冬季重要的觀葉植物。將其葉片色素提取液在濾紙上進行點樣，先后置于層析液和蒸餾水中進行層析，過程及結果如圖所示。已知1、2、3、4、5代表不同類型的色素。下列分析錯誤的是（C）圖1圖2圖3A.羽衣甘藍的葉色豐富多變可能與色素在不同的溫度、pH下發生變化有關B.色素1在層析液中的溶解度最大，且在1、2、3、4四種色素中含量最少C.色素1、2、3、4存在于類囊體上，色素5存在于液泡中，均能轉換光能D.圖2和圖3實驗結果對照，說明色素1～4是脂溶性色素，色素5是水溶性色素解析根據題意“羽衣甘藍因其耐寒性和葉色豐富多變的特點，成為冬季重要的觀葉植物”，可知羽衣甘藍的葉色豐富多變可能與色素在不同的溫度、pH下發生變化有關，A正確。據圖2可知，色素1距離點樣點最遠，其隨層析液在濾紙上擴散的速度最快，故色素1在層析液中的溶解度最大，色素1是胡蘿卜素，它在1、2、3、4四種色素中含量最少，B正確。根據圖2可知，色素1、2、3、4可隨層析液在濾紙上擴散，是脂溶性的光合色素，位于類囊體上；根據圖3可知，色素5可隨蒸餾水在濾紙上擴散，是水溶性色素，存在于液泡中。只有光合色素才能轉換光能，C錯誤、D正確。12.卡爾文為了探明暗反應中碳原子的轉移途徑，給植物提供14CO2，當反應進行至第5s時，14C出現在一種C5和一種C6中，當時間縮短到0.5s時，14C出現在一種C3中，下列相關敘述錯誤的是（D）A.用14C標記CO2的目的是追蹤暗反應中的碳原子B.卡爾文通過控制反應時間來探究碳原子的轉移途徑C.若適當延長反應時間，則可能會檢測到更多種含14C的化合物D.該實驗研究暗反應，因此應該在黑暗環境中進行解析該實驗中用14C標記CO2的目的是追蹤暗反應中的碳原子，便于根據放射性檢測碳原子的轉移途徑，A正確；卡爾文通過控制反應時間來探究碳原子的轉移途徑，在不同的時間點檢測放射性，能探明碳原子的轉移途徑，B正確；若適當延長反應時間，則14C可能會轉移到更多的中間產物中，C正確；該實驗研究暗反應，但暗反應的進行需要光反應提供NADPH、ATP，因此該實驗要在光照條件下進行，D錯誤。13.為探究葉綠體在光下利用ADP和Pi合成ATP的動力，科學家在黑暗條件下進行了如下實驗，下列有關分析正確的是（D）A.黑暗的目的是與光照作對照B.pH＝4的緩沖溶液模擬的是葉綠體基質的環境C.ADP和Pi形成ATP后進入類囊體腔內D.類囊體膜兩側的氫離子濃度差是葉綠體中ATP形成的動力解析實驗在黑暗中進行的目的是避免光照對ATP合成的影響，A錯誤；pH＝4的緩沖溶液模擬的是類囊體腔的環境，B錯誤；ADP和Pi形成ATP后進入葉綠體基質，C錯誤；由實驗結果可以看出，pH平衡前加入ADP和Pi能夠產生ATP，而平衡后加入ADP和Pi不能產生ATP，說明葉綠體中ATP形成的動力來自類囊體膜兩側的氫離子濃度差，D正確。14.[2024江西部分學校聯考]氣孔保衛細胞的細胞膜中存在一種特殊的K＋轉運蛋白BLINK1，在光信號的誘導下，BLINK1可以促進K＋進入保衛細胞，從而使氣孔打開，實現對氣孔的調控，過程如圖所示。下列分析正確的是（A）A.BLINK1既有運輸作用又有催化作用B.光照越強，K＋進入保衛細胞越多，氣孔開度越大C.氣孔打開，短時間內會引起C3還原減少，C3含量增加D.該調節過程會使氣孔關閉，CO2吸收困難，不利于植物生命活動正常進行解析由題圖可知，BLINK1可以催化ATP形成ADP，同時還可以在光的驅動下將K＋運入細胞內，故BLINK1既有運輸作用又有催化作用，A正確；在一定范圍內，光照越強，進入保衛細胞的K＋越多，氣孔開度越大，超出該范圍，光照越強，進入保衛細胞的K＋可能減少，氣孔開度可能減小，B錯誤；氣孔打開，短時間內會引起固定的CO2增多，而C3的還原不受影響，故C3含量增加，C錯誤；該調節過程可以調控氣孔的開啟與關閉，有利于植物適應不同環境，有利于植物的生命活動正常進行，D錯誤。15.[融合新概念/2024湖南師大附中模擬，多選]大氣中的CO2需通過植物葉片內部結構最終擴散到葉綠體基質內進行光合作用，葉肉細胞可導致CO2傳遞受阻從而影響植物的光合作用，該現象稱為葉肉限制；葉肉限制的大小可用葉肉導度（CO2從氣孔到葉綠體內的擴散阻力的倒數）表示。下列說法錯誤的是（AD）A.植物細胞壁越厚，葉肉導度越大B.增加葉肉細胞生物膜的通透性，可以降低葉肉限制C.缺水條件下，葉肉限制可能會增大D.葉肉導度越大，光合速率越小解析細胞壁具有全透性，其厚度不影響二氧化碳從氣孔到葉綠體的擴散，A錯誤；增加葉肉細胞生物膜的通透性，葉肉導度變大，CO2從氣孔到葉綠體內的擴散阻力變小，可以降低葉肉限制，B正確；缺水條件下，氣孔關閉，葉肉細胞導致CO2傳遞受阻增大，葉肉限制可能會增大，C正確；葉肉導度越大，CO2從氣孔到葉綠體內的擴散阻力越小，CO2吸收量越大，光合速率越大，D錯誤。16.[2024宣城六校第一次聯考]某小組將葉綠體破壞后，將離心得到的類囊體懸浮液和葉綠體基質分別放入4支試管中，給予試管①、②光照，將試管③、④置于黑暗條件下，實驗如圖所示。下列有關敘述錯誤的是（B）A.試管①、②對照能說明光反應發生在類囊體上B.試管③、④對照能說明暗反應的場所是葉綠體基質C.4支試管中只有試管①能產生氧氣D.若向試管④中加入試管①的懸浮液，通入CO2后有有機物合成解析試管①、②的自變量為葉綠體的不同部位，其中試管①中可以發生光反應，試管②中不能發生，故兩者對照能說明光反應發生在類囊體上，A正確；試管③、④中均無法進行暗反應，故試管③、④對照不能說明暗反應的場所是葉綠體基質，B錯誤；4支試管中只有試管①中可以發生光反應產生氧氣，C正確；試管①中可進行光反應，產物有NADPH和ATP，若向試管④中加入試管①的懸浮液，通入CO2后可進行暗反應過程，故有有機物合成，D正確。二、非選擇題17.[2024江西九校聯考，12分]大約3.5億年前，大氣中O2濃度顯著增加，CO2濃度明顯下降。CO2濃度為影響植物光合速率的重要因素。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所在局部空間的CO2濃度，促進了CO2的固定。請回答：（1）有一些植物具有如圖所示的CO2濃縮機制，在葉肉細胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）可催化HCO3－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，已知PEP與無機碳的結合力遠大于RuBP（C①圖中所示植物無機碳的固定場所為維管束鞘細胞和葉肉細胞的葉綠體，產生的蘋果酸至少經過6層膜才能脫羧釋放CO2。②玉米有類似的CO2濃縮機制，據此可以推測，夏天中午玉米可能不存在（填“存在”或“不存在”）“光合午休”現象，原因是PEP與無機碳的結合力遠大于RuBP（C5），能利用胞間較低濃度的CO2。（2）圖中所示的物質中，可由光反應提供的是NADPH和ATP。圖中由Pyr轉變為PEP的過程屬于吸能反應（填“吸能反應”或“放能反應”）。（3）在光照條件下，葉肉細胞中還會進行光呼吸，O2與CO2競爭性結合RuBP（C5），O2與RuBP在Rubisco的催化作用下經一系列反應釋放CO2的過程稱為光呼吸，該過程會消耗ATP和NADPH。因此為提高農作物的產量需要降低光呼吸。常采用增施有機肥的措施來提高作物產量，理由是有機肥被微生物（分解者）分解后，使CO2濃度升高，促進Rubisco催化C5與二氧化碳反應，從而降低光呼吸。光呼吸與有氧呼吸的區別在于兩者利用氧氣的場所不同；光呼吸消耗能量，有氧呼吸釋放能量；光呼吸必須在光下進行，有氧呼吸對光無要求；光呼吸在葉肉細胞中進行，有氧呼吸在多數組織細胞中都能進行（答3點）。解析（1）①題圖所示植物的葉肉細胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）可催化無機碳HCO3－轉化為有機物；在維管束鞘細胞的葉綠體中，Rubisco可催化CO2固定，因此題圖所示植物無機碳的固定場所為維管束鞘細胞和葉肉細胞的葉綠體。蘋果酸（Mal）產生于葉肉細胞的葉綠體，在維管束鞘細胞的葉綠體中脫羧釋放CO2，Mal需經過葉肉細胞的葉綠體膜（2層）→葉肉細胞的細胞膜（1層）→維管束鞘細胞的細胞膜（1層）→維管束鞘細胞的葉綠體膜（2層）才能脫羧釋放CO2，一共經過6層膜。②在題圖所示CO2濃縮機制中，PEP與無機碳的結合力遠大于RuBP（C5），能利用胞間較低濃度的CO2，玉米有類似的CO2濃縮機制，因此，夏天中午玉米能夠利用胞間較低濃度的CO2進行光合作用，不存在“光合午休”現象。（2）光反應可為暗反應提供NADPH和ATP。由圖可知，由Pyr轉變為PEP的過程需要消耗ATP，因此，該過程屬于吸能反應。（3）已知Rubisco也能催化C5與O2結合，C5與O2結合后經一系列反應釋放CO2的過程稱為光呼吸，CO2與O2競爭性結合C5，據