第17講光合作用的影響因素及其應用[課標要求]1.探究不同環境因素對光合作用的影響。2.關注光合作用與農業生產及生活的聯系。考點一光照強度對光合作用強度的影響1.光合作用強度2.影響光合作用強度的因素3.探究光照強度對光合作用強度的影響(1)實驗原理。在光照下,綠色植物通過光合作用產生。

(2)實驗中變量分析。自變量不同

控制自變量調節進行控制

因變量

檢測因變量同一時間段內

對無關變量進行控制等保持一致

(3)實驗流程:取材并處理→排氣→沉水→分組→不同光照處理各組→觀察并記錄。(4)實驗結果:在一定范圍內,臺燈與燒杯的距離越近,單位時間內浮起的圓形小葉片。

(5)實驗結論:在一定范圍內,隨著光照強度不斷增強,光合作用強度。

1.判斷正誤(1)(必修1P105探究·實踐)在探究光照強度對光合作用強度的影響實驗中,NaHCO3濃度越高,葉片浮起來的速率就越快。()(2)(必修1P105探究·實踐)因為配制的NaHCO3溶液中不含O2,所以整個實驗過程中葉圓片只能進行無氧呼吸。()(3)(必修1P105旁欄思考)實驗中測得的O2產生量是植物光合作用實際產生的總O2量。()2.規范表達(1)在“探究光照強度對光合作用強度的影響”實驗中葉片上浮的原因是什么?(2)在“探究光照強度對光合作用強度的影響”實驗中,若改用普通燈泡(鎢絲)作為光源,應注意什么?怎樣改進?1.深度理解光照強度對光合作用的影響(1)原理:光照強度影響光反應階段,制約ATP及NADPH的產生,進而制約暗反應。(2)曲線分析。①關鍵點和段分析。A點:光照強度為0,只進行細胞呼吸;AB段:光合作用強度小于細胞呼吸強度;B點:光補償點(光合作用強度與細胞呼吸強度相等時的光照強度);BD段:光合作用強度大于細胞呼吸強度;C點:光飽和點(光照強度達到C點后,光合作用強度不再隨著光照強度的增大而增大)。②不同植物類型區分。實線的光補償點和光飽和點都高,表示陽生植物,虛線表示陰生植物。(3)應用。①溫室大棚陰天時補光可以提高光合速率。②間作套種農作物等。2.光補償點與光飽和點的移動規律當改變某一條件使光合作用強度改變時,點的移動情況如圖所示。能力1結合光照強度對光合作用強度影響的實驗分析,考查科學探究能力1.為提高甘蔗產糖量,利用甘蔗幼苗探究光照強度對光合作用強度的影響,在適宜溫度、大氣CO2濃度下,測得甘蔗植株的O2釋放速率隨光照強度的變化(假設細胞呼吸消耗O2的速率恒定)如圖所示。下列敘述正確的是()[A]當光照強度相對值為0時,甘蔗葉肉細胞不能進行光反應,但能進行暗反應[B]當光照強度相對值>0時,限制O2釋放速率的因素是溫度[C]當光照強度相對值為5時,適當增加光照強度,短時間內細胞中C3的含量將減少[D]當光照強度相對值為1時,葉肉細胞中產生ATP的場所只有葉綠體和線粒體2.某生物研究小組探究了影響某植物光合作用的因素,圖1為研究光合作用的實驗裝置(葉圓片用氣泵抽出氣體直至葉片沉入水底),實驗方案如下表,記錄30min內上浮葉圓片平均數。請回答下列問題。組別實驗條件溫度/℃白熾燈/W1101202204032080420?530120(1)為探究溫度對光合作用的影響,應將第4組中的白熾燈控制為W。

(2)可根據上述實驗中比較光合作用的強弱,原因是

。

(3)進一步按上述實驗方案增加相應實驗組后,發現隨著光照強度不斷增加,當達到某一光照強度時,30min內葉圓片上浮片數就不再增加了,造成此現象的外界限制因素可能是。

(4)將在適宜條件下測得的實驗數據繪制成圖2曲線。有人依據圖2推測:“在BC段,提高溫度,可以縮短葉圓片上浮的時間”。此推測是否合理?。簡述理由:

。

能力2圍繞光合作用中的補償點、飽和點的移動,考查科學思維3.(2024·陜西咸陽模擬)如圖表示植物光合作用速率隨光照強度改變的曲線,請分析并選出錯誤的一項()[A]若適當提高溫度,光合速率的增加值小于呼吸速率的增加值,則補償點B應相應地向右移動[B]若增加CO2濃度,B點左移,C點左移,D點向右上方移動[C]D點時,ATP從類囊體薄膜向葉綠體基質移動[D]若圖為陽生植物,則換為陰生植物,B點向左移動,D點向左下方移動考點二其他因素對光合作用強度的影響1.影響光合作用的外部因素(1)CO2濃度。①原理:影響反應階段,制約的形成。

②曲線模型分析及應用。(2)溫度。①原理:通過影響從而影響光合作用。

②曲線模型分析。AB段在B點之前,隨著溫度升高,光合速率增大B點酶的最適溫度,光合速率最大BC段隨著溫度升高,酶的活性下降,光合速率減小,50℃左右光合速率幾乎為零③應用:溫室栽培植物時,白天調到光合作用最適溫度,以提高光合速率;晚上適當降低溫室內溫度,以降低細胞呼吸速率,保證植物積累更多的有機物。(3)水分。①原理:水既是光合作用的,又是體內各種化學反應的介質。缺水會影響,間接影響CO2的供應;嚴重缺水還可對酶、葉綠體結構等產生影響,進而影響光合作用。

②曲線模型分析及應用。③在農業生產中,可根據作物的需水規律,合理灌溉。(4)礦質元素。①原理:N、Mg等是葉綠素合成必需的元素,N、P等是構成ATP、NADPH等必需的元素,N等是構成光合作用酶必需的元素,若這些元素缺乏會影響光合作用。②曲線模型分析及應用。2.影響光合作用的內部因素(1)植物自身的遺傳特性(如植物品種不同),以陰生植物、陽生植物為例,如圖所示。(2)植物葉片的葉齡、葉綠素含量及酶。(3)葉面積指數。1.判斷正誤(1)(必修1P105探究·實踐)在“探究光照強度對光合作用強度的影響”中,增加光照強度或溫度,都能明顯縮短葉圓片上浮至液面所用的時間。()(2)(必修1P105正文拓展)溫室條件下,通過增施農家肥增產的原因是其可以提高作物對有機物的吸收。()(3)(必修1P105正文拓展)適時進行灌溉可以緩解作物的“光合午休”程度。()(4)(必修1P105正文拓展)生長于較弱光照條件下的植物,當提高CO2濃度時,其光合速率就隨之增加。()2.規范表達(1)(必修1P105正文拓展)農業生產上一般可進行玉米—大豆間作,其原理是什么?(2)(必修1P108復習與提高拓展)某植物光照下CO2的吸收速率為3.5mg/h,黑暗下CO2的釋放速率為3mg/h,每天光照10h,一晝夜后該植物能否生長?多因子對光合速率的影響能力3結合光合作用的影響因素,考查科學思維4.(2024·貴州黔東南統考)在CO2濃度為0.03%和適宜的恒定溫度條件下,測定植物甲和植物乙在不同光照條件下的光合速率,結果如圖所示。下列分析正確的是()[A]a點時,甲開始進行光反應并產生O2[B]b點時,乙葉肉細胞的光合速率等于其呼吸速率[C]c點時,甲、乙通過光合作用制造的有機物量相等[D]d點時提高CO2濃度,乙的光合速率可能會增大5.(2024·北京模擬)西洋參受干旱脅迫,生長會受影響。檢測西洋參在重度干旱條件下與光合作用相關的指標,結果如圖所示。下列敘述正確的是()[A]CO2吸收速率隨著干旱時間的延長而上升[B]干旱既影響光反應又影響暗反應[C]胞間CO2濃度僅受氣孔導度影響[D]降低氣孔導度不利于西洋參適應干旱環境能力4圍繞光合作用原理在農業生產中的應用,考查社會責任6.(2024·湖北黃岡模擬)細胞呼吸和光合作用的原理在農業生產中具有廣泛的應用。下列有關敘述中,錯誤的是()[A]中耕松土有利于根細胞的有氧呼吸,從而促進根細胞對無機鹽的吸收[B]農作物生長發育過程中,及時去除衰老變黃的葉片有利于有機物的積累[C]合理密植和增施有機肥均有利于提高農作物的光合作用強度[D]溫室種植農作物時,為促進光合作用,白天要適時通風,以保證O2供應考點三植物光合作用和細胞呼吸的日變化曲線分析1.自然環境中綠色植物一晝夜內CO2的吸收與釋放速率的曲線分析光合作用強度的一晝夜變化過程中,限制光合作用的主要因素有光照強度和溫度。2.密閉環境中綠色植物一晝夜內CO2含量的變化曲線分析分析光合作用或細胞呼吸速率的變化時,應分析曲線變化趨勢的快慢,也就是斜率。能力5圍繞密閉和開放環境中一晝夜CO2、O2含量變化的分析,考查科學思維7.(2024·重慶模擬)七子花是我國國家二級保護野生植物。某植物研究所研究了6時到18時七子花樹冠不同層次的凈光合速率(凈光合速率=總光合速率-呼吸速率)的變化情況,結果如圖所示。下列相關敘述中正確的是()[A]從6時到8時,限制七子花樹冠各層凈光合速率的唯一環境因素是光照強度[B]在10時左右,七子花樹冠各層葉片的葉綠體所需要的CO2都有兩個來源[C]與清晨相比,晴朗的夏季午后七子花樹冠上層葉片氣孔的變化幅度小于下層[D]在10時,七子花樹冠中、下層葉片產生ATP的場所都是細胞質基質和線粒體8.(2022·湖南卷,13改編)在夏季晴朗無云的白天,10時左右某植物光合作用強度達到峰值,12時左右光合作用強度明顯減弱。光合作用強度減弱的原因不可能是()[A]葉片蒸騰作用強,失水過多使氣孔部分關閉,進入體內的CO2量減少[B]光合酶活性降低,呼吸酶幾乎不受影響[C]葉綠體內膜上的部分光合色素被光破壞,吸收和傳遞光能的效率降低[D]光反應產物積累,產生反饋抑制,葉片轉化光能的能力下降考向從科學思維及科學探究的角度,考查影響光合作用的因素及應用1.(2024·湖北卷,4)植物甲的花產量、品質(與葉黃素含量呈正相關)與光照長短密切相關。研究人員用不同光照處理植物甲幼苗,實驗結果如下表所示。下列敘述正確的是()組別①②③光照處理光照8h/黑暗16h光照12h/黑暗12h光照16h/黑暗8h首次開花時間7月4日7月18日7月26日莖粗/mm9.510.611.5花的葉黃素含量/(g/kg)2.34.42.4鮮花累計平均產量/(kg/hm2)130002180022500[A]第①組處理有利于誘導植物甲提前開花,且產量最高[B]植物甲花的品質與光照處理中的黑暗時長呈負相關[C]綜合考慮花的產量和品質,應該選擇第②組處理[D]植物甲花的葉黃素含量與花的產量呈正相關2.(2022·海南卷,3)某小組為了探究適宜溫度下CO2對光合作用的影響,將四組等量菠菜葉圓片排氣后,分別置于盛有等體積不同濃度NaHCO3溶液的燒杯中,從燒杯底部給予適宜光照,記錄葉圓片上浮所需時長,結果如圖。下列有關敘述正確的是()[A]本實驗中,溫度、NaHCO3濃度和光照都屬于自變量[B]葉圓片上浮所需時長主要取決于葉圓片光合作用釋放氧氣的速率[C]四組實驗中,0.5%NaHCO3溶液中葉圓片光合速率最高[D]若在4℃條件下進行本實驗,則各組葉圓片上浮所需時長均會縮短3.(2022·北京卷,2)光合作用強度受環境因素的影響。車前草的光合速率與葉片溫度、CO2濃度的關系如圖。據圖分析不能得出()[A]低于最適溫度時,光合速率隨溫度升高而升高[B]在一定的范圍內,CO2濃度升高可使光合作用最適溫度升高[C]CO2濃度為200μL·L-1時,溫度對光合速率影響小[D]10℃條件下,光合速率隨CO2濃度的升高會持續提高4.(2024·全國甲卷,29)在自然條件下,某植物葉片光合速率和呼吸速率隨溫度變化的趨勢如圖所示。回答下列問題。(1)該植物葉片在溫度a和c時的光合速率相等,葉片有機物積累速率(填“相等”或“不相等”),原因是

。

(2)在溫度d時,該植物體的干重會減少,原因是

。

(3)溫度超過b時,該植物由于暗反應速率降低導致光合速率降低。暗反應速率降低的原因可能是

。(答出一點即可)

(4)通常情況下,為了最大程度地獲得光合產物,農作物在溫室栽培過程中,白天溫室的溫度應控制在最大時的溫度。

5.(2023·山東卷,21)當植物吸收的光能過多時,過剩的光能會對光反應階段的PSⅡ復合體(PSⅡ)造成損傷,使PSⅡ活性降低,進而導致光合作用強度減弱。細胞可通過非光化學淬滅(NPQ)將過剩的光能耗散,減少多余光能對PSⅡ的損傷。已知擬南芥的H蛋白有2個功能:①修復損傷的PSⅡ;②參與NPQ的調節。科研人員以擬南芥的野生型和H基因缺失突變體為材料進行了相關實驗,結果如圖所示。實驗中強光照射時對野生型和突變體光照的強度相同,且強光對二者的PSⅡ均造成了損傷。(1)該實驗的自變量為。該實驗的無關變量中,影響光合作用強度的主要環境因素有(答出2個因素即可)。

(2)根據本實驗,(填“能”或“不能”)比較出強光照射下突變體與野生型的PSⅡ活性強弱,理由是

。

(3)據圖分析,與野生型相比,強光照射下突變體中流向光合作用的能量(填“多”或“少”)。若測得突變體的暗反應強度高于野生型,根據本實驗推測,原因是

。

熱點情境5光呼吸、光抑制和CO2固定的三條途徑一、光呼吸[情境鏈接]1.光呼吸的概念植物的葉肉細胞在光下有一個與呼吸作用不同的生理過程,即在光照條件下,葉肉細胞中O2與CO2競爭性結合RuBP(C5),O2與RuBP結合后經一系列反應釋放CO2的過程,這種反應在光照下進行,與有氧呼吸類似,故稱光呼吸。由于光呼吸過程中幾種主要化合物如乙醇酸、乙醛酸、甘氨酸等都是二碳化合物,因此光呼吸也稱C2循環。2.光呼吸的過程3.光呼吸的生理意義(1)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。(2)有利影響:①消除乙醇酸對細胞的不利影響。乙醇酸對細胞有毒害作用,它的產生在代謝中是不可避免的。光呼吸是消除乙醇酸的代謝,使細胞免受傷害。②在干旱和高輻射脅迫下,葉片氣孔關閉或外界CO2濃度降低、CO2進入受阻時,光呼吸釋放的CO2能被卡爾文循環再利用,以維持糖類等有機物的合成。③防止強光對葉綠體的破壞。強光時,光反應速率大于暗反應速率,葉肉細胞中會積累ATP和NADPH,這些物質積累會產生自由基,自由基會損傷葉綠體;強光下,光呼吸加強,會消耗光反應過程中積累的ATP和NADPH,從而減輕對葉綠體的傷害。[典型例題]1.(2023·湖南卷,17節選)下圖是水稻和玉米的光合作用暗反應示意圖。卡爾文循環的Rubisco酶對CO2的Km為450μmol·L-1(K越小,酶對底物的親和力越大①),該酶既可催化RuBP與CO2反應,進行卡爾文循環,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②。與水稻相比,玉米葉肉細胞緊密圍繞維管束鞘③,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似CO2④,再進行卡爾文循環。回答下列問題。

(1)玉米的卡爾文循環中第一個光合還原產物是(填具體名稱),該產物跨葉綠體膜轉運到細胞質基質合成(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后,再通過長距離運輸到其他組織器官。

(2)在干旱、高光照強度環境下⑤,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)。

題號題中信息信息轉換(1)圖片信息玉米和水稻的卡爾文循環相同→玉米直接的光合固定產物是3磷酸甘油酸,第一個光合還原產物是3磷酸甘油醛(2)③+(1)空玉米的光合產物能及時轉移⑤干旱、高光照強度→部分氣孔關閉,細胞內CO2濃度低②+水稻暗反應圖光呼吸的條件是光照、高O2低CO2①+④+⑤PEPC酶對CO2的親和力高于Rubisco酶→玉米能利用低濃度的CO2進行光合作用②+④+⑤+水稻和玉米暗反應圖玉米維管束鞘內的CO2的相對濃度提高,能抑制玉米的光呼吸[遷移應用]1.(2024·山東濰坊一模)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ATP[D]抑制光呼吸能大幅度提高光合作用強度2.(2024·黑吉遼卷,21節選)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。在葉綠體中:C5+CO22C3 ①C5+O2C3+C2 ②在線粒體中:2C2+NAD+C3+CO2+NADH+H+ ③注:C2表示不同種類的二碳化合物,C3也類似。圖1光呼吸將已經同化的碳釋放,且整體上是消耗能量的過程。回答下列問題。(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。

(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

。

二、光抑制[情境鏈接]植物的光合系統所接受的光能超過光合作用所能利用的量時,光合功能便降低,這就是光合作用的光抑制。1.光抑制機理光合系統的破壞,PSⅡ是光破壞的主要場所。發生光破壞后的結果是電子傳遞受阻,光合效率下降。2.光抑制的主要防御機制(1)減少光吸收:植物體也可以通過葉運動(減少葉片與主莖的夾角)或葉綠體運動這種對強光的快速響應以減少對光的吸收,從而避免光抑制。(2)增加熱耗散:①當依賴能量的葉綠素熒光淬滅增加時,通過增加激發能的熱耗散可以部分避免光抑制。降低光飽和條件下的PSⅡ的光化學效率,可以避免光抑制破壞的發生。②在強光下非光輻射能量耗散增加的同時,玉米黃素含量增加,玉米黃素與激發態的葉綠素作用,從而耗散其激發能,保護光合機構免受過量光能破壞。(3)進行光呼吸:C3植物的光呼吸有很高的能量需求。光呼吸可以防止強光和CO2虧缺條件下發生光抑制。[典型例題]2.(2022·山東卷,21節選)強光條件下,植物吸收的光能若超過光合作用的利用量,過剩的光能可導致植物光合作用強度下降,出現光抑制現象①。為探索油菜素內酯(BR)對光抑制的影響機制,將長勢相同的蘋果幼苗進行分組和處理,如表所示②,其中試劑L可抑制光反應關鍵蛋白的合成。各組幼苗均在溫度適宜、水分充足的條件下用強光照射③,實驗結果如圖所示。分組處理甲清水乙BR丙BR+L(1)強光照射后短時間內,蘋果幼苗光合作用暗反應達到一定速率后不再增加,但氧氣的產生速率繼續增加。蘋果幼苗光合作用暗反應速率不再增加,可能的原因有、(答出2種原因即可);氧氣的產生速率繼續增加的原因是

。

(2)據圖分析,與甲組相比,乙組加入BR后光抑制(填“增強”或“減弱”);乙組與丙組相比,說明BR可能通過發揮作用。

(1)信息獲取與識別。關鍵信息信息加工①光照強度可以增加光合作用強度,也可降低光合作用強度②實驗材料:蘋果幼苗自變量:對蘋果幼苗的不同處理(BR和試劑L的有無)因變量:光合作用強度③ⅰ.甲組:強光照射下,蘋果幼苗出現光抑制乙組:油菜素內酯(BR)可減弱幼苗的光抑制丙組:BR和試劑L同時存在時,幼苗仍出現光抑制ⅱ.BR可能通過促進光反應關鍵蛋白的合成來減弱光抑制現象(2)邏輯推理論證。[遷移應用]3.(2024·廣東六校聯考)為探究光與低溫復合脅迫對楊梅葉片凈光合速率的影響,某研究團隊利用盆栽楊梅的兩個品種DK、TM進行實驗;先將兩品種盆栽楊梅分別均分為兩組并分別在室外低溫環境中進行全光照和遮陽50%處理3d,隨后放在20℃、適宜光照下進行3d恢復處理,實驗結果如圖1所示。回答下列問題。(1)據實驗結果分析,更耐低溫、光脅迫的品種是。

(2)先在室外低溫環境中處理,后經恢復處理的Pn值(填“低于”或“高于”)對照組,請從葉綠體的結構和功能角度分析,原因可能是

(答2點即可)。

(3)光抑制是指植物所吸收的光能超過碳同化所能利用的范圍,過剩的光能引起光合結構受損、光合作用效率下降的現象。上述實驗遮陽50%有利于植株光合產物積累的原因是

。

(4)非光化學猝滅(NPQ)是植物防御光破壞的一種重要保護機制,它可以讓過多的光能以熱能的形式散失。①推測NPQ值(填“越大”或“越小”),植物降低光抑制的能力越強,抵抗逆境的能力越強。

②科研人員測定了室外環境自然光照條件下DK、TM兩品種NPQ的日變化曲線,如圖2所示。圖中14h后NPQ緩慢上升的原因是

。

三、CO2固定的三條途徑(C3植物、C4植物和CAM植物)[情境鏈接]自然界中的綠色植物根據光合作用暗反應過程中CO2的固定途徑不同可以分為C3、C4和CAM三種類型。1.C3途徑也稱卡爾文循環,整個循環由RuBP(C5)與CO2的羧化開始到RuBP(C5)再生結束,在葉綠體基質中進行,可合成蔗糖、淀粉等多種有機物。常見C3植物有大麥、小麥、大豆、菜豆、水稻、馬鈴薯等。2.C4途徑(1)過程:在C4植物葉肉細胞中,在有關酶的催化作用下,CO2被三碳化合物(PEP)固定,形成一個四碳化合物(C4),C4進入維管束鞘細胞,釋放出一個CO2,并形成丙酮酸。釋放出來的CO2進入卡爾文循環。(2)C4植物具有較高光合速率的原因。PEP羧化酶提高了C4植物固定CO2的能力,使C4植物比C3植物具有更強光合作用(特別是在高溫、光照強烈、干旱條件下)能力,并且無“光合午休”現象。3.CAM途徑CAM植物夜間吸進CO2,淀粉經糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下,CO2與PEP結合,生成草酰乙酸,進一步還原為蘋果酸儲存在液泡中。從而表現出夜間淀粉減少,蘋果酸增加,細胞液pH下降。而白天氣孔關閉,蘋果酸轉移到細胞質中脫羧,放出CO2,進入C3途徑合成淀粉;形成的丙酮酸可以形成PEP再還原成三碳糖,最后合成淀粉或轉移到線粒體,進一步氧化釋放CO2,又可進入C3途徑。從而表現出白天淀粉增加,蘋果酸減少,細胞液pH上升。常見的CAM植物有菠蘿、蘆薈、百合、仙人掌等。[典型例題]3.(2022·全國甲卷,29)根據光合作用中CO2的固定方式不同,可將植物分為C3植物和C4植物等類型①。C4植物的CO2補償點比C3植物的低。CO2補償點通常是指環境CO2濃度降低導致光合速率與呼吸速率相等時的環境CO2濃度②。回答下列問題。(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反應階段的產物是相同的,光反應階段的產物是(答出3點即可)。

(2)正常條件下,植物葉片的光合產物不會全部運輸到其他部位,原因是

(答出1點即可)。

(3)干旱會導致氣孔開度減小,研究發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

。

(1)信息獲取與識別。關鍵信息信息加工①C3植物CO2的固定方式是C3途徑;C4植物CO2的固定方式是C4途徑和C3途徑②C4植物可以利用較低濃度的CO2進行較強的光合作用,保證光合速率等于呼吸速率(2)邏輯推理論證。4.(2021·全國乙卷,29)生活在干旱地區的一些植物(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①。回答下列問題。(1)白天葉肉細胞產生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)氣孔白天關閉、晚上打開是這類植物適應干旱環境的一種方式,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,請設計實驗來驗證植物甲在干旱環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)(1)信息獲取與識別。信息獲取信息加工①a.氣孔開閉特殊:白天關閉,晚上開放;b.獲取CO2的方式特殊:吸收的CO2通過生成蘋果酸儲存在液泡中;液泡中儲存的蘋果酸再通過脫羧釋放CO2用于光合作用(2)邏輯推理論證。(3)科學探究。實驗任務:設計實驗驗證植物甲在干旱環境中存在這種特殊的CO2固定方式(CO2通過生成蘋果酸儲存在液泡中)。實驗材料:選取植物甲。自變量:生存環境是否干旱。因變量:晚上液泡內的pH。實驗思路:見答案。[遷移應用]4.(2024·河南名校聯考)甘蔗、玉米等一些植物的葉片具有特殊的結構,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。請結合這些內容判斷,下列說法錯誤的是()[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構和功能,使其更適應高溫、干旱環境5.(2021·遼寧卷,22)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。現在大氣中的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。回答下列問題。(1)真核細胞葉綠體中,在Rubisco的催化下,CO2被固定形成,進而被還原生成糖類,此過程發生在中。

(2)海水中的無機碳主要以CO2和HCO3-兩種形式存在,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HCO3-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。

(3)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CO①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。

②圖2所示的物質中,可由光合作用光反應提供的是。圖中由Pyr轉變為PEP的過程屬于(填“吸能反應”或“放能反應”)。

③若要通過實驗驗證某植物在上述CO2濃縮機制中碳的轉變過程及相應場所,可以使用技術。

(4)通過轉基因技術或蛋白質工程技術,可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(多選)。

A.改造植物的HCO3B.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第17講光合作用的影響因素及其應用考點一光照強度對光合作用強度的影響必備知識·梳理1.糖類消耗量生成量2.酶溫度3.(1)O2(2)光照強度光源與燒杯的距離光合作用強度葉片浮起的數量葉片大小、溶液的量(4)越多(5)增強深挖教材1.(1)×當NaHCO3溶液濃度過高時,植物細胞失水,細胞代謝減慢,光合作用速率會降低。(2)×雖然配制的NaHCO3溶液中不含O2,但葉圓片本身可進行光合作用產生O2,所以整個實驗過程中葉圓片進行有氧呼吸。(3)×實驗中測得的O2產生量是凈光合作用產生的O2量,而植物光合作用實際產生的總O2量是總光合作用產生的O2量。2.(1)光合作用產生的O2大于有氧呼吸消耗的O2,使葉肉細胞間隙充滿了氣體,浮力增大,葉片上浮。(2)若改用普通燈泡作為光源應注意燈泡發熱造成的溫度變化對實驗的影響。應在燈泡和光源之間加一玻璃水柱進行隔溫處理。關鍵能力·提升能力11.C當光照強度相對值為0時,甘蔗葉肉細胞不能進行光反應,也不能進行暗反應;該實驗是在適宜溫度下進行的,因此限制O2釋放速率的因素不是溫度;當光照強度相對值為5時,適當增加光照強度,光反應產生的ATP和NADPH增加,C3的還原增強,短時間內C3的消耗增加,合成暫時不變,則C3的含量將減少;當光照強度相對值為1時,植物葉肉細胞進行細胞呼吸和光合作用,葉肉細胞中產生ATP的場所有細胞質基質、線粒體和葉綠體。2.【答案】(1)120(2)30min內上浮葉圓片平均數植物光合作用的光反應階段產生的氧氣會積累在細胞間隙,產生氧氣多的葉圓片上升快(3)溫度或CO2濃度(4)不合理在適宜條件下,提高溫度重復實驗,光合速率變慢,葉圓片上浮至液面所需的時間延長【解析】(1)探究溫度對光合作用的影響時,溫度為自變量,光照強度為無關變量,應保持相同,根據第1組和第5組可知,第4組中的白熾燈應控制為120W。(2)因為植物光合作用的光反應階段產生的氧氣會積累在細胞間隙,產生氧氣多的葉圓片上升快,所以可根據30min內上浮葉圓片平均數比較光合作用的強弱。(3)當光照強度達到飽和時,限制光合作用的外界因素不再是光照強度,可能是溫度或CO2濃度。(4)圖2曲線是在適宜條件下得到的,提高溫度重復實驗,光合速率變慢,葉圓片上浮至液面所需的時間延長。能力23.BB點為光補償點,此時光合作用強度與呼吸作用強度相等,若適當提高溫度,光合速率的增加值小于呼吸速率的增加值,則補償點B應相應地向右移動;若增加CO2濃度,則光合作用強度增加,B點左移,C點右移,D點向右上方移動;D點時的光合作用強度最大,其光反應產生的ATP從類囊體薄膜移向葉綠體基質,參與暗反應過程中三碳化合物的還原;陰生植物的光補償點和光飽和點均低于陽生植物,因此換為陰生植物,則B點向左移動,D點向左下方移動。考點二其他因素對光合作用強度的影響必備知識·梳理1.(1)①暗C3②CO2補償點CO2飽和點(2)①酶活性(3)①原料氣孔的開度(4)②光合作用2.(2)增大(3)下降深挖教材1.(1)×溫度過高葉圓片上浮至液面所用的時間會延長。(2)×溫室條件下,通過增施農家肥可以提高作物對無機鹽和CO2的吸收,作物不能直接吸收有機物。(3)√(4)×在較弱光照條件下,葉綠體中光反應產生的ATP和NADPH較少,即使CO2濃度升高,光合速率可能也不隨之增加,此時限制光合作用的因素是光照強度。2.(1)①兩種植物的根系深淺搭配,合理地利用了不同層次土壤內水分和養分。②兩種植物高矮結合,充分利用了不同層次的陽光。(2)光合作用制造的有機物=(3.5+3)×10=65(mg),呼吸作用消耗的有機物=3×24=72(mg),因此一晝夜后該植物無法生長。關鍵能力·提升能力34.Da點時,甲的光合速率和呼吸速率相等,表示在a點前已經開始進行光合作用;b點時的光照強度為乙的光補償點,此時乙的光合速率等于呼吸速率,但葉肉細胞的光合速率大于呼吸速率;c點時,甲、乙的凈光合速率相等,但呼吸速率不同,因此二者的總光合速率不相等,通過光合作用制造的有機物量不相等;該實驗是在CO2濃度為0.03%的條件下進行的,d點時,若提高CO2濃度,乙的最大光合速率可能會增大。5.B據題圖分析可知,隨著干旱時間的延長,CO2吸收速率先下降后又小幅度上升,然后再下降;干旱條件下土壤含水量降低,植物根系吸收的水分減少,光反應減慢,NADPH和ATP的合成減慢,進而導致C3的還原減慢,而且缺水還會導致植物葉片氣孔導度下降,CO2的吸收量減少,影響暗反應中CO2的固定過程;胞間CO2濃度除了受氣孔導度影響,還受自身暗反應速率的影響;降低氣孔導度可以在一定程度上減少水分的散失,有利于西洋參適應干旱環境。能力46.D中耕松土可以增加土壤中的空氣含量,有助于植物根細胞的有氧呼吸,從而促進根細胞對無機鹽的吸收;農作物生長發育過程中,及時去除衰老變黃的葉片(光合速率較低),可以減少有機物的消耗,有利于有機物的積累;合理密植可有效利用光能并降低呼吸消耗,增施有機肥增加CO2和無機鹽供應,可見二者均有利于提高農作物的光合作用強度;溫室種植農作物時,為促進光合作用,白天要適時通風,以保證CO2供應。考點三植物光合作用和細胞呼吸的日變化曲線分析必備知識·梳理1.光合作用小于等于大于小于呼吸作用S1-(S2+S3)2.呼吸作用小于等于大于等于小于大于能不能關鍵能力·提升能力57.B據題圖分析,從6時到8時,限制七子花樹冠各層凈光合速率的主要環境因素是光照強度,此外還有溫度等;在10時左右,七子花樹冠各層葉片的葉綠體所需要的CO2都有兩個來源,即空氣中的CO2和呼吸作用產生的CO2;與清晨相比,晴朗的夏季午后七子花樹冠上層葉片氣孔關閉,其氣孔的變化幅度大于下層;在10時,七子花樹冠中、下層葉片都可以進行光合作用與呼吸作用,所以產生ATP的場所都是細胞質基質、線粒體和葉綠體。8.C夏季中午葉片蒸騰作用強,失水過多使氣孔部分關閉,進入體內的CO2量減少,暗反應變慢,光合作用強度明顯減弱;夏季中午氣溫過高,導致光合酶活性降低,呼吸酶不受影響(呼吸酶最適溫度高于光合酶),光合作用強度減弱;光合色素分布在葉綠體的類囊體薄膜上而非葉綠體內膜上;夏季中午葉片蒸騰作用強,失水過多使氣孔部分關閉,進入體內的CO2量減少,暗反應減慢,導致光反應產物積累,產生反饋抑制,使葉片轉化光能的能力下降,光合作用強度明顯減弱。研練真題·感悟高考考向1.C由表中數據分析可知,三組中,第①組首次開花時間最早,說明第①組處理有利于誘導植物甲提前開花,但在三組中產量最低;由題干信息可知,植物甲的花品質與葉黃素含量呈正相關,根據表格數據分析,第①組光照處理中的黑暗時長最長,花的葉黃素含量最低,而第③組光照處理中的黑暗時長最短,但花的葉黃素含量卻不是最高的,說明植物甲花的品質與光照處理中的黑暗時長不是呈負相關;由表中信息可知,第②組光照處理,花的葉黃素含量最高,植物甲的花品質最好,且鮮花累計平均產量較高,綜合考慮花的產量和品質,應該選擇第②組處理;由表中數據分析可知,第②組光照處理,花的葉黃素含量最高,但鮮花累計平均產量卻不是最高,說明植物甲花的產量不是最高,所以植物甲花的葉黃素含量與花的產量不是呈正相關。2.B由實驗目的可知,自變量為NaHCO3濃度,溫度和光照均為無關變量;實驗中所用的菠菜葉圓片已進行排氣處理,葉圓片上浮主要是因為其進行光合作用釋放了氧氣,且光合作用釋放氧氣的速率越大,葉圓片上浮所需時間越短;四組實驗中,0.5%的NaHCO3溶液中葉圓片上浮所需時間最長,說明其光合速率最低;實驗是在適宜溫度下進行的,若降低溫度,光合速率減慢,葉圓片上浮所需時間會延長。3.D由題圖可知,當CO2濃度一定時,光合速率會隨著溫度的升高而升高,達到最適溫度時,光合速率達到最大值,之后隨著溫度的繼續升高而降低;由題圖可知,CO2濃度分別為200μL·L-1、370μL·L-1和1000μL·L-1時,光合作用的最適溫度逐漸升高,可推測在一定范圍內,CO2濃度的升高會使光合作用最適溫度升高;由題圖可知,當CO2濃度為200μL·L-1時,光合速率隨溫度變化而變化的幅度最小,可推斷該CO2濃度下,溫度對光合速率的影響小;題圖中10℃條件下,CO2濃度為370μL·L-1或1000μL·L-1時,光合速率無明顯的提高趨勢,所以不能表明10℃條件下,光合速率隨CO2濃度的升高會持續提高。4.【答案】(1)不相等有機物的積累速率可用凈光合速率表示,凈光合速率=光合速率-呼吸速率,而溫度a和c時的呼吸速率不相等,因此葉片在溫度a和c時凈光合速率不相等,有機物積累速率不相等(2)溫度d時,葉片的光合速率與呼吸速率相等,但植物的根部等細胞不進行光合作用,仍呼吸消耗有機物,導致植物體的干重減少(3)溫度過高,導致部分氣孔關閉,CO2供應不足(或溫度過高,導致酶的活性降低)(4)光合速率和呼吸速率差值【解析】(1)該植物葉片在溫度a和c時的光合速率相等,但由于呼吸速率不同,因此葉片有機物積累速率不相等。(2)在溫度d時,葉片的光合速率與呼吸速率相等,但由于植物有些細胞不進行光合作用,如根部細胞,因此該植物體的干重會減少。(3)溫度超過b時,為了降低蒸騰作用,部分氣孔關閉,使CO2供應不足,暗反應速率降低;同時溫度升高使酶的活性降低,導致CO2固定速率減慢,進而使暗反應速率降低。(4)為了最大程度地獲得光合產物,農作物在溫室栽培過程中,白天溫室的溫度應控制在光合速率與呼吸速率差值最大時的溫度,有利于有機物的積累。5.【答案】(1)光照、H蛋白CO2濃度、溫度(2)不能突變體PSⅡ系統光損傷小但不能修復,野生型PSⅡ系統光損傷大但能修復(3)少突變體NPQ高,PSⅡ系統損傷小,雖然損傷不能修復,但是PSⅡ活性高,光反應產物多【解析】(1)據題意,以擬南芥的野生型和H基因缺失突變體為材料進行了相關實驗,結合題圖分析實驗的自變量有光照、H蛋白;影響光合作用強度的主要環境因素有CO2濃度、溫度、水分等。(2)據圖分析,強光照射下突變體的NPQ強度比野生型的NPQ強度高,能減少強光對PSⅡ復合體造成損傷。但是野生型含有H蛋白,能對損傷后的PSⅡ進行修復,故不能確定強光照射下突變體與野生型的PSⅡ活性強弱。(3)突變體的NPQ強度大,能夠減少強光對PSⅡ的損傷,雖然PSⅡ損傷不能修復,但突變體的PSⅡ活性高,能為暗反應提供較多的NADPH和ATP,促進暗反應進行,因此突變體的暗反應強度高于野生型。熱點情境5光呼吸、光抑制和CO2固定的三條途徑【典型例題】1.【答案】(1)3磷酸甘油醛蔗糖維管組織(2)高于高光照條件下玉米可以將光合產物及時轉移;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,使維管束鞘內的CO2濃度高于外界環境,抑制玉米的光呼吸【解析】(1)玉米的光合作用過程與水稻相比,雖然CO2的固定過程不同,但其卡爾文循環的過程是相同的,結合水稻的卡爾文循環圖解,可以看出CO2固定的直接產物是3磷酸甘油酸,然后直接被還原成3磷酸甘油醛。3磷酸甘油醛在葉綠體中被轉化成淀粉,在葉綠體外被轉化成蔗糖,蔗糖是植物長距離運輸的主要糖類,蔗糖通過維管組織進行長距離運輸。(2)干旱、高光照強度時會導致植物氣孔關閉,吸收的CO2減少,而玉米的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,使維管束鞘內的CO2濃度高于外界環境,抑制玉米的光呼吸,且玉米能將葉綠體內的光合產物通過維管組織及時轉移出細胞,因此在干旱、高光照強度環境下,玉米的光合作用強度高于水稻。【遷移應用】1.D在環境中CO2不足時,植物通過光呼吸產生CO2,供暗反應正常進行;光合作用的光反應強于暗反應時,O2/CO2偏高,產生過多的NADPH和ATP,光呼吸容易進行;從過程圖看出光呼吸過程消耗了C5、ATP,不產生ATP;抑制光呼吸能夠減少有機物的消耗,但不能大幅度提高光合作用強度。2.【答案】(1)CO2的固定(2)細胞質基質線粒體基質(3)光呼吸有氧呼吸7—10時,隨著光照強度的增加,CO2/O2比值降低,株系1和2由于轉入了改變光呼吸的相關基因,導致光呼吸速率降低,而光呼吸會將已同化的碳釋放,并消耗能量【解析】(1)在光合作用的暗反應過程中,CO2在特定酶的作用下,與C5結合形成兩個C3,這個過程稱作CO2的固定,故反應①是CO2的固定過程。(2)有氧呼吸第一階段是葡萄糖分解成丙酮酸和NADH,合成少量ATP,場所是細胞質基質;第二階段是丙酮酸和水反應生成二氧化碳和NADH,合成少量ATP,場所是線粒體基質。(3)由圖1可知,在線粒體中進行光呼吸的過程中,也會產生二氧化碳,因此植物光合作用CO2的來源除了有外界環境外,還可來自光呼吸、有氧呼吸。7—10時,隨著光照強度的增加,株系1和2由于轉入了改變光呼吸的相關基因,導致光呼吸速率降低,光呼吸將已經同化的碳釋放,消耗能量,因此與WT相比,株系1和2的凈光合速率較高。[典型例題]2.【答案】(1)C5供應不足CO2的濃度有限(或其他合理答案,兩空答案順序可顛倒)光能的吸收速率繼續增加,使水的光解速率繼續增加(2)減弱促進光反應關鍵蛋白的合成【解析】(1)強光照射后短時間內,蘋果幼苗光合作用暗反應達到一定速率后不再增加,可能的原因有C5供應不足、CO2濃度有限等;氧氣的產生速率繼續增加的原因是光能的吸收速率繼續增加,使水的光解速率繼續增加。(2)據圖分析,與甲組相比,乙組加入BR后光合作用強度較高,說明加入BR后光抑制減弱;乙組用BR處理,丙組用BR和試劑L處理,與乙組相比,丙組光合作用強度較低,由于試劑L可抑制光反應關鍵蛋白的合成,說明BR可能通過促進光反應關鍵蛋白的合成發揮作用。【遷移應用】3.【答案】(1)TM(2)低于前期的低溫脅迫破壞了類囊體膜的結構;前期的低溫脅迫破壞了葉綠素等分子的結構(3)遮陽50%能有效降低光照,植株吸收的光能減少,光抑制減弱,有利于光合產物的積累(4)①越大②14h后,溫度逐漸降低,酶活性下降,光能用于光合作用的比例下降,NPQ出現緩慢上升【解析】(1)與全光照組相比,全光照恢復組凈光合速率都增大,且TM品種的凈光合速率大于DK品種;