情境突破課4二氧化碳固定的三種特殊途徑、光呼吸高考總復(fù)習(xí)優(yōu)化設(shè)計(jì)GAOKAOZONGFUXIYOUHUASHEJI2026情境一二氧化碳固定途徑的多樣性和適應(yīng)性命題情境閱讀不同的植物的CO2固定的過(guò)程不一樣,而且葉片的解剖結(jié)構(gòu)也不相同,這是植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果。以下3種類型是因CO2的固定這一過(guò)程的不同而劃分的。(1)C3途徑:C3途徑是碳同化的基本途徑,也稱為卡爾文循環(huán),可合成糖類等多種有機(jī)物。C4途徑和CAM途徑都只起固定CO2的作用,最終還是通過(guò)C3途徑合成光合產(chǎn)物等。通過(guò)C3途徑固定CO2的植物稱為C3植物,C3植物屬于高光呼吸植物類型,光合速率較低,其種類多,分布廣,多生長(zhǎng)于暖濕條件下,如大多數(shù)樹(shù)木、糧食類植物、煙草等。(2)C4植物:通過(guò)C4途徑固定CO2的植物稱為C4植物,它們主要是那些生活在干旱熱帶地區(qū)的植物。在這種環(huán)境中,植物若長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)放氣孔吸收CO2,會(huì)導(dǎo)致水分通過(guò)蒸騰作用過(guò)快散失。所以,植物只能短時(shí)間開(kāi)放氣孔,CO2的攝入量必然少。植物必須利用這些少量的CO2進(jìn)行光合作用,合成自身生長(zhǎng)所需的物質(zhì)。C4植物的兩次CO2固定在空間上分開(kāi):在葉肉細(xì)胞內(nèi)固定CO2,在維管束鞘細(xì)胞中同化CO2。C4植物的葉片結(jié)構(gòu)

(3)CAM途徑(景天科酸代謝):CAM途徑指生長(zhǎng)在熱帶或亞熱帶干旱及半干旱地區(qū)的一些肉質(zhì)植物所具有的一種光合固定CO2的附加途徑。具有這種途徑的植物稱為CAM植物。該途徑的特點(diǎn)是CAM植物氣孔只有晚上開(kāi)放,將CO2生成蘋(píng)果酸等進(jìn)行固定,白天氣孔關(guān)閉,蘋(píng)果酸等則由液泡轉(zhuǎn)入葉綠體中再釋放CO2,再通過(guò)卡爾文循環(huán)轉(zhuǎn)變成糖類。這是植物對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)。命題角度設(shè)計(jì)(1)C4植物光反應(yīng)發(fā)生在葉肉細(xì)胞的

上,而CO2固定發(fā)生在

細(xì)胞中。

(2)科學(xué)家用含

14C

標(biāo)記的14CO2來(lái)追蹤玉米光合作用中的碳原子的轉(zhuǎn)移途徑,這種碳原子的轉(zhuǎn)移途徑是

。暗反應(yīng)階段中

C3的還原在

細(xì)胞中完成。

(3)與水稻、小麥等

C3植物相比,C4植物的

CO2的補(bǔ)償點(diǎn)較

。高溫、干旱時(shí)C4植物還能保持高效光合作用的原因是

。葉綠體類囊體薄膜

葉肉細(xì)胞和維管束鞘

維管束鞘

低PEP羧化酶對(duì)CO2具有高親和力,C4植物可利用低濃度的CO2進(jìn)行光合作用

(4)景天科植物吸收的CO2

(填“能”或“不能”)合成葡萄糖,原因是

。

(5)如果白天適當(dāng)提高CO2濃度,景天科植物的光合作用速率變化是

(填“增加”“降低”或“基本不變”)。

不能沒(méi)有光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供ATP和NADPH基本不變情境突破訓(xùn)練1.(2024·廣東模擬)甘蔗、玉米是常見(jiàn)的C4植物,C4植物的葉片具有特殊的花環(huán)結(jié)構(gòu),其葉肉細(xì)胞中的葉綠體有類囊體但沒(méi)有Rubisco,而維管束鞘細(xì)胞中的葉綠體沒(méi)有類囊體但有Rubisco。C4植物的光合作用過(guò)程如圖所示。已知PEP羧化酶對(duì)CO2的親和力遠(yuǎn)高于Rubisco,下列敘述錯(cuò)誤的是(

)A.維管束鞘細(xì)胞可以通過(guò)卡爾文循環(huán)制造糖類B.葉肉細(xì)胞可以通過(guò)光反應(yīng)產(chǎn)生ATP和NADPHC.甘蔗、玉米等C4植物具有較低的CO2補(bǔ)償點(diǎn)D.甘蔗、玉米等C4植物具有明顯的光合午休現(xiàn)象答案

D

解析

卡爾文循環(huán)屬于暗反應(yīng)過(guò)程,維管束鞘細(xì)胞中的葉綠體沒(méi)有類囊體但有Rubisco,維管束鞘細(xì)胞可以通過(guò)卡爾文循環(huán)制造糖類,A項(xiàng)正確;葉肉細(xì)胞中的葉綠體有類囊體,類囊體薄膜上含有光合色素,因此葉肉細(xì)胞可以通過(guò)光反應(yīng)產(chǎn)生ATP和NADPH,B項(xiàng)正確;PEP羧化酶對(duì)CO2的親和力遠(yuǎn)高于Rubisco,在CO2濃度較低時(shí),PEP羧化酶仍可催化CO2固定,CO2與某種C3結(jié)合成C4,C4從葉肉細(xì)胞運(yùn)輸至維管束鞘細(xì)胞,又釋放出CO2,因此對(duì)低濃度CO2具有富集作用,所以甘蔗、玉米等C4植物具有較低的CO2補(bǔ)償點(diǎn),一般沒(méi)有光合午休現(xiàn)象,C項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯(cuò)誤。2.(2024·江蘇南京期中)景天科植物的葉子有一個(gè)很特殊的CO2固定方式:夜間氣孔開(kāi)放,吸收的CO2生成蘋(píng)果酸儲(chǔ)存在液泡中;白天氣孔關(guān)閉,液泡中的蘋(píng)果酸經(jīng)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(dāng)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(cè)其可能生活在高溫干旱地區(qū)C.白天景天科植物葉肉細(xì)胞內(nèi)蘋(píng)果酸的含量和葡萄糖的含量可能呈正相關(guān)D.景天科植物參與卡爾文循環(huán)的CO2就是來(lái)源于蘋(píng)果酸的分解答案

B

解析

白天適當(dāng)提高CO2濃度,景天科植物的光合作用速率不會(huì)提高,因?yàn)榇藭r(shí)葉肉細(xì)胞的氣孔是關(guān)閉的,A項(xiàng)錯(cuò)誤;白天,景天科植物葉肉細(xì)胞內(nèi)蘋(píng)果酸會(huì)通過(guò)脫羧作用釋放CO2參與暗反應(yīng),進(jìn)而合成葡萄糖,即白天蘋(píng)果酸的含量和葡萄糖的含量呈負(fù)相關(guān),C項(xiàng)錯(cuò)誤;景天科植物中參與卡爾文循環(huán)的CO2除了來(lái)源于蘋(píng)果酸的分解外,還來(lái)源于細(xì)胞呼吸,D項(xiàng)錯(cuò)誤。情境二光呼吸命題情境閱讀光呼吸現(xiàn)象產(chǎn)生的分子機(jī)制是O2和CO2競(jìng)爭(zhēng)Rubisco酶。在暗反應(yīng)中,Rubisco酶能夠以CO2為底物實(shí)現(xiàn)CO2的固定;在光下,當(dāng)O2濃度高、CO2濃度低時(shí),O2會(huì)競(jìng)爭(zhēng)Rubisco酶,在光的驅(qū)動(dòng)下將碳水化合物氧化生成CO2和水。光呼吸是一個(gè)高耗能的反應(yīng),正常生長(zhǎng)條件下光呼吸就可損耗掉光合產(chǎn)物的25%~30%。過(guò)程如圖所示:(1)與光呼吸有直接關(guān)系的細(xì)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(guò)強(qiáng)光照下,因?yàn)闇囟群芨?蒸騰作用很強(qiáng),氣孔大量關(guān)閉。由于光反應(yīng)速率大于暗反應(yīng)速率,此時(shí)光呼吸可以消耗光反應(yīng)階段生成的多余的NADPH和ATP,防止強(qiáng)光對(duì)葉綠體的破壞,又可以為暗反應(yīng)階段提供原料,因此光呼吸對(duì)植物有重要的正面意義。命題角度設(shè)計(jì)(1)由于光呼吸的存在,會(huì)降低植物體內(nèi)有機(jī)物的積累速率。Rubisco的催化方向取決于CO2與O2的濃度比,請(qǐng)推測(cè)具體的情況:

。

(2)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

。

當(dāng)CO2與O2濃度比高時(shí),Rubisco酶催化RuBP與CO2結(jié)合生成C3酸的反應(yīng)加強(qiáng);當(dāng)CO2與O2濃度比低時(shí),Rubisco酶催化RuBP與O2結(jié)合生成C3酸的反應(yīng)加強(qiáng)光呼吸過(guò)程與有氧呼吸過(guò)程都消耗O2并生成CO2(3)研究發(fā)現(xiàn),光合產(chǎn)物1/3以上要消耗在光呼吸底物上。實(shí)際生產(chǎn)中,常通過(guò)適當(dāng)升高CO2濃度達(dá)到增產(chǎn)的目的,請(qǐng)分析并解釋其原理:_______________________________________________________________(從光合作用原理和Rubisco催化反應(yīng)特點(diǎn)兩個(gè)方面作答)。CO2濃度升高可促進(jìn)光合作用暗反應(yīng)的進(jìn)行,進(jìn)而提高光合作用強(qiáng)度,同時(shí)還可促進(jìn)Rubisco酶催化更多的C5與CO2結(jié)合,減少C5與O2的結(jié)合,從而降低光呼吸速率情境突破訓(xùn)練1.(2024·廣東肇慶二模)大豆、玉米等植物的葉綠體中存在一種名為Rubisco的酶,參與卡爾文循環(huán)和光呼吸。在較強(qiáng)光照下,Rubisco以五碳化合物(RuBP)為底物,在CO2/O2值高時(shí),使RuBP結(jié)合CO2發(fā)生羧化;在CO2/O2值低時(shí),使RuBP結(jié)合O2發(fā)生氧化進(jìn)行光呼吸,具體過(guò)程如下圖所示。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是(

)A.大豆、玉米等植物的葉片中消耗O2的場(chǎng)所有葉綠體、線粒體B.光呼吸發(fā)生在葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和葉綠體中C.有氧呼吸和光呼吸均產(chǎn)生ATPD.干旱、晴朗的中午,葉肉細(xì)胞中光呼吸強(qiáng)度較通常條件下會(huì)降低答案

A

解析

玉米、大豆葉片中通過(guò)有氧呼吸消耗氧氣的場(chǎng)所是線粒體內(nèi)膜,通過(guò)光呼吸消耗氧氣的場(chǎng)所在葉綠體基質(zhì),A項(xiàng)正確;在較強(qiáng)光照下,Rubisco以五碳化合物(RuBP)為底物,在CO2/O2值高時(shí),使RuBP結(jié)合CO2發(fā)生羧化,在CO2/O2值低時(shí),使RuBP結(jié)合O2發(fā)生氧化進(jìn)行光呼吸,由以上可知,光呼吸和卡爾文循環(huán)發(fā)生場(chǎng)所一致,在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行,B項(xiàng)錯(cuò)誤;由圖可知,在CO2/O2的值低時(shí),RuBP結(jié)合O2發(fā)生光呼吸,光呼吸會(huì)消耗多余的ATP、NADPH,C項(xiàng)錯(cuò)誤;干旱、晴朗的中午,胞間CO2濃度會(huì)降低,葉肉細(xì)胞中光呼吸強(qiáng)度較通常條件下會(huì)增強(qiáng),D項(xiàng)錯(cuò)誤。2.(2024·重慶一模)光照條件下,葉肉細(xì)胞中的O2與CO2競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合C2,O2與C2結(jié)合后經(jīng)一系列反應(yīng)釋放CO3的過(guò)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(yīng)的光合作用強(qiáng)度和光呼吸強(qiáng)度見(jiàn)下表。光合作用強(qiáng)度用固定的CO2量表示(見(jiàn)表),SoBS溶液處理對(duì)葉片呼吸作用的影響忽略不計(jì)。下列敘述錯(cuò)誤的是(

)SoBS濃度/(mL·L-1)0100200300400500600光合作用強(qiáng)度/(μmol·m-2·s-1)18.920.920.718.717.616.515.7光呼吸強(qiáng)度/(μmol·m-2·s-1)

6.46.25.85.55.24.84.3A.光呼吸中C2與O2結(jié)合的反應(yīng)發(fā)生在葉綠體的基質(zhì)中B.研究發(fā)現(xiàn)水稻光呼吸缺陷型不能在正常大氣CO2濃度條件下存活,只有在高CO?濃度條件下才能存活,說(shuō)明在正常大氣CO2濃度條件下,光呼吸是不可缺少的生理活動(dòng)C.為探究SoBS溶液利于增產(chǎn)的最適噴施濃度,應(yīng)在100~300mg/L之間而不是0~200mg/L之間再設(shè)置有一定濃度梯度的一系列實(shí)驗(yàn)組進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)D.與未噴施SoBS溶液相比,噴施100mg/LSoBS溶液的水稻葉片的光補(bǔ)償點(diǎn)高答案

D

解析

C5位于葉綠體基質(zhì)中,則O2與C5結(jié)合發(fā)生的場(chǎng)所在葉綠體基質(zhì)中,A項(xiàng)正確;研究發(fā)現(xiàn)水稻光呼吸缺陷型不能在正常大氣CO2濃度條件下存活,只有在高CO2濃度條件下才能存活,由于葉肉細(xì)胞中的O2與CO2競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合C5,即抑制光呼吸的條件下才能存活,這也說(shuō)明了在正常大氣CO2濃度條件下,光呼吸是不可缺少的生理活動(dòng),B項(xiàng)正確;為探究SoBS溶液利于增產(chǎn)的最適噴施濃度,據(jù)表可知,應(yīng)在表中光合作用強(qiáng)度與光呼吸強(qiáng)度差值的最大值的兩側(cè)濃度之間,即應(yīng)在100~300

mg/L之間再設(shè)置有一定濃度梯度的一系列實(shí)驗(yàn)組進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn),C項(xiàng)正確;葉片吸收和放出CO2量相等時(shí)所需的光照強(qiáng)度即為光補(bǔ)償點(diǎn),與對(duì)照組相比,噴施100

mg/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(shí),在更低的光照強(qiáng)度下,兩者即可相等,D項(xiàng)錯(cuò)誤。3.(2024·吉林卷)在光下葉綠體中的C5能與CO2反應(yīng)形成C3,當(dāng)CO2/O2的值低時(shí),C5也能與O2反應(yīng)形成C2等化合物。C2在葉綠體、過(guò)氧化物酶體和線粒體中經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)完成光呼吸過(guò)程。上述過(guò)程在葉綠體與線粒體中的主要物質(zhì)變化如圖1所示。圖1光呼吸將已經(jīng)同化的碳釋放,且整體上是消耗能量的過(guò)程。回答下列問(wèn)題。(1)反應(yīng)①是

過(guò)程。

(2)與光呼吸不同,以葡萄糖為反應(yīng)物的有氧呼吸產(chǎn)生NADH的場(chǎng)所是

和

。

CO2的固定

細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)線粒體基質(zhì)(兩空答案可對(duì)調(diào))(3)我國(guó)科學(xué)家將改變光呼吸的相關(guān)基因轉(zhuǎn)入某種農(nóng)作物野生型植株(WT),得到轉(zhuǎn)基因株系1和2,測(cè)定凈光合速率,結(jié)果如圖2、圖3所示。圖2中植物光合作用所需CO2的來(lái)源除了有外界環(huán)境,還有

和

(填生理過(guò)程)。7—10時(shí)株系1和2與WT的凈光合速率逐漸產(chǎn)生差異,原因是_________________________________________________________________________________________________

。據(jù)圖3中的數(shù)據(jù)

(填“能”或“不能”)計(jì)算出株系1的總光合速率,理由是

。光呼吸呼吸作用(兩空答案可對(duì)調(diào))

株系1和2導(dǎo)入了改變光呼吸的基因,光呼吸強(qiáng)度發(fā)生改變,因?yàn)楣夂粑軐⒁呀?jīng)同化的碳釋放,故株系1和2與