热点微专题08 光呼吸、C4植物与景天科植物（原卷版）

光呼吸、C4植物与景天科植物1、学习以下材料，回答问题。科学家将直接利用空气中的CO2进行光合作用的植物称为C3植物，因为CO2固定的最初产物是一种三碳化合物——3－磷酸甘油酸。许多重要的作物，例如水稻、小麦、大豆以及许多种果树和蔬菜，都是C3植物。C3植物有一个共同的问题，就是在干旱、炎热的条件下，气孔会关闭，CO2不能到达叶绿体。对于植物而言，关闭气孔是一种适应现象，这样可减少水分的损失。但关闭气孔也会阻止CO2进入叶片和O2逸出叶片。其结果是叶内CO2很少，而光合作用的光反应所释放的O2又在叶内积累。光合作用暗反应中的第一个用于固定CO2的酶rubisco有一个特点，能够固定O2，所以称为加氧酶。在CO2很少而O2很多的情况下，这种固定O2的作用非常显著，其结果是将糖转化为一种二碳化合物，然后植物细胞又将这种二碳化合物分解为CO2和水，这种作用名为光呼吸(photorespiration)。光呼吸的结果不产生糖，而是使细胞中已有的糖转变成CO2，但是光呼吸不产生ATP。有一类植物与C3植物不同，它们有特殊的适应特性，这类植物称为C4植物。当气温高而干燥时，C4植物将气孔关闭，减少水分的蒸发，同时却能继续利用日光进行光合作用。原因是C4植物中第一个固定CO2的酶不是rubisco，不能固定O2，在CO2很少的情况下也能固定CO2。这种酶存在于一种不发生暗反应的细胞中，它将CO2固定在一种C4化合物中，这种C4化合物能够转移到相邻的细胞中去并释放CO2参与暗反应。所以C4植物在气孔关闭的情况下仍能进行光合作用。玉米、高粱、甘蔗都是C4植物。还有一类被统称为CAM的植物，CAM途径首先在景天属植物中被发现，CAM一词来源于景天酸代谢(crassulaceanacidmetabolism)。CAM植物的特点是气孔夜间张开，白天关闭。夜间CO2进入叶中，与C4植物一样被固定在C4化合物中。白天有光时则C4化合物释放出的CO2参与暗反应，但CAM光合作用的效率不高。(1)在C3植物的叶肉细胞中，光合作用暗反应发生的场所为，其过程是首先在相关酶的催化下CO2与C5结合，生成C3分子，然后在光反应提供的作用下，将C3还原成糖类等有机物。(2)根据文中信息阐述光呼吸与有氧呼吸的区别与联系。(3)夏季正午，水稻植株会出现因光合速率降低而产生的“午休”现象，而玉米植株则不会出现该现象，据文中信息推测玉米植株不会出现“午休”现象的原因是。(4)C4植物捕获和还原CO2在（填“时间”或“空间”）上分离，CAM植物捕获和还原CO2在（填“时间”或“空间”）上分离，这两种途径都有利于植物适应环境。(5)结合文中信息分析下列说法正确的有。A、能进行光合作用的生物捕获光能的结构都是叶绿体B、陆生植物进化出固定低浓度CO2机制，可避免光呼吸C、C4植物和CAM植物都利用酶Rubisco来固定CO2D、CAM植物光合效率较低，所以生长缓慢2、(2022江苏高考题)图1所示为光合作用过程中部分物质的代谢关系（①～⑦表示代谢途径）。Rubisco是光合作用的关键酶之一，CO2和O2竞争与其结合，分别催化C5的羧化与氧化。C5羧化固定CO2合成糖；C5氧化则产生乙醇酸（C2），C2在过氧化物酶体和线粒体协同下，完成光呼吸碳氧化循环。请都图回各下列问题：(1)图1中，类囊体膜直接参与的代谢途径有___________（从①～⑦中选填），在红光照射条件下，参与这些途径的主要色素是___________。(2)在C2循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化，同时生成的________在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。(3)将叶片置于一个密闭小室内，分别在CO2浓度为0和0.03%的条件下测定小室内CO2浓度的变化，获得曲线a、b（图Ⅱ）。①曲线a，0～t1时（没有光照，只进行呼吸作用）段释放的CO2源于细胞呼吸；t1～t2时段，CO2的释放速度有所增加，此阶段的CO2源于________________________。②曲线b，当时间到达t2点后，室内CO2浓度不再改变，其原因是___________________。(4)光呼吸可使光合效率下降20%-50%，科学家在烟草叶绿体中组装表达了衣藻的乙醇酸脱氢酶和南瓜的苹果酸合酶，形成了图Ⅲ代谢途径，通过降低了光呼吸，提高了植株生物量。上述工作体现了遗传多样性的_______价值。3、(2021辽宁高考真题)早期地球大气中的O2浓度很低，到了大约3．5亿年前，大气中O2浓度显著增加，CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约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）是一种催化CO2固定的酶，在低浓度CO2条件下，催化效率低。有些植物在进化过程中形成了CO2浓缩机制，极大地提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定。回答下列问题：(1)真核细胞叶绿体中，在Rubisco的催化下，CO2被固定形成___________，进而被还原生成糖类，此过程发生在___________中。(2)海水中的无机碳主要以CO2和HCO3-两种形式存在，水体中CO2浓度低、扩散速度慢，有些藻类具有图1所示的无机碳浓缩过程，图中HCO3-浓度最高的场所是________（填“细胞外”或“细胞质基质”或“叶绿体”），可为图示过程提供ATP的生理过程有___________。(3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制，部分过程见图2。在叶肉细胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）可将HCO3-转化为有机物，该有机物经过一系列的变化，最终进入相邻的维管束鞘细胞释放CO2，提高了Rubisco附近的CO2浓度。①由这种CO2浓缩机制可以推测，PEPC与无机碳的亲和力_______（填“高于”或“低于”或“等于”）Rubisco。②图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是__________。图中由Pyr转变为PEP的过程属于__________（填“吸能反应”或“放能反应”）。③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所，可以使用__________技术。(4)通过转基因技术或蛋白质工程技术，可能进一步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理的有__________。A、改造植物的HCO3-转运蛋白基因，增强HCO3-的运输能力B．改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成C．改造植物的Rubisco基因，增强CO2固定能力D．将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物4、(2021年山东卷)光照条件下，叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5，O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸。向水稻叶面喷施不同浓度的光呼吸抑制剂SoBS溶液，相应的光合作用强度和光呼吸强度见下表。光合作用强度用固定的CO2量表示，SoBS溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计。(1)光呼吸中C5与O2结合的反应发生在叶绿体的____________中。正常进行光合作用的水稻，突然停止光照，叶片CO2释放量先增加后降低，CO2释放量增加的原因是________。(2)与未喷施SoBS溶液相比，喷施100mg/LSoBS溶液的水稻叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度________(填：“高”或“低”)，据表分析，原因是____________________。(3)光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物，农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探究SoBS溶液利于增产的最适喷施浓度，据表分析，应在____mg/L之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。5、(2022·全国甲卷·高考真题)根据光合作用中CO2的固定方式不同，可将植物分为C3植物和C4植物等类型。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。CO2补偿点通常是指环境CO2浓度降低导致光合速率与呼吸速率相等时的环境CO2浓度。回答下列问题。(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反应阶段的产物是相同的，光反应阶段的产物是________________________________________________________(答出3点即可)。(2)正常条件下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位，原因是____________(答出1点即可)。(3)干旱会导致气孔开度减小，研究发现在同等程度干旱条件下，C4植物比C3植物生长得好。从两种植物CO2补偿点的角度分析，可能的原因是_______________________。6、据联合国经济与社会事务部预测，2050年全球人口将增至97亿。如果农作物产量依然维持在现有水平，届时人类必将面临严重的粮食短缺局面。世界范围内便掀起了一场以通过生物工程技术提高植物光合效率为中心的“第二次绿色革命”。而“光呼吸代谢工程”被认为是此次革命的一个关键突破口。光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco酶。在暗反应中，Rubisco酶能够以CO2为底物实现CO2的固定(羧化反应)；在光下，当O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco酶，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水(加氧反应)。光呼吸是一个高耗能的反应，正常生长条件下光呼吸就可损耗掉光合产物的25～30%。具体过程如图1所示。(1)据图回答下列有关问题：①暗反应的进行不需要光照，但受到光照的影响，这是因为_______________________________________________________________________________________________。②由于光呼吸的存在，会降低植物体内有机物的积累速率。Rubisco酶的催化方向取决于CO2与O2浓度比，请推测具体的情况：____________________________________。③研究发现，光合产物1/3以上要消耗在光呼吸底物上。生产实际中，常通过适当升高CO2浓度达到增产的目的，请分析并解释其原理(从光合作用原理和Rubisco催化反应特点两个方面作答)：_________________________________________________________________。④已知强光下ATP和NADPH的积累会产生O2－(超氧阴离子自由基)，而O2－会对叶绿体光合作用的反应中心造成伤害。依据图中信息，解释植物在干旱天气和过强光照下，光呼吸的积极意义是_______________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)水稻、小麦等C3植物的光呼吸显著，而高粱、玉米等C4植物的光呼吸消耗有机物很少，C4途经如图2所示。与C3植物相比，C4植物叶肉细胞的细胞质基质具有一种特殊的PEP羧化酶，它催化如下反应：C3＋CO2eq\o(→,\s\up7(pH强化剂))C4(苹果酸)。C4进入维管束鞘细胞，生成CO2用于暗反应，再生出的C3(丙酮酸)回到叶肉细胞中，进行循环利用。叶肉细胞包围在维管束鞘细胞四周，形成花环状结构。PEP羧化酶与CO2的亲和力是Rubisco酶的60倍，能固定低浓度的CO2。①研究发现，小麦的光合午休现象很明显，而玉米却几乎没有光合午休现象，从玉米的CO2固定途径分析，可能的原因是_______________________________________________。②请解释C4植物光呼吸比C3植物小很多的原因____________________________________________________________________________________________________。7、甘蔗和大豆是两种常见的农作物，但二者的光合作用途径有所不同。如图甲为甘蔗光合作用过程，其叶肉细胞中存在一种酶，这种酶对CO2有极强的亲和力，通过一系列反应可以将CO2“泵”入维管束鞘细胞，这种酶被称为“CO2泵”，而大豆则缺乏“CO2泵”；图乙表示不同温度对大豆光合速率和呼吸速率的影响。请据图回答下列问题：(1)图甲维管束鞘细胞中的物质A是________________，如果在甘蔗叶肉细胞中注入某种使“CO2泵”活性降低的抑制剂，则短期内A的含量将__________________。据图甲推测，甘蔗的叶肉细胞__________(填“能”或“不能”)进行卡尔文循环。(2)当处于图乙所示光照条件下，温度为35℃时，大豆每小时可固定______mg的CO2，将大豆置于此条件下一昼夜(12小时光照，12小时黑暗)后，大豆表现为________(填“生长”或“不生长”)。(3)研究人员发现，给大豆浇用18O标记的水，在周围的空气中却检测到了C18O2，原因是__________________________________________________________。(4)研究发现晴朗的夏季11：00时，光照增强，温度过高，叶片气孔开度下降，最终导致大豆光合作用速率明显下降；而此时甘蔗光合作用速率不仅没有下降，反而有所上升原因是______________________________________________________________________。8、(2022·辽宁沈阳市高三月考)Rubisco是一种双功能酶，它既能催化RuBP的羧化反应(即C5与CO2生成2C3)同时又能催化RuBP的加氧反应(即C5与O2生成1个C3和1个C2)。在O2浓度过高时，植物会出现光呼吸现象。下图为不同O2和CO2浓度下，植物体内发生的光合作用和光呼吸示意图。下列相关叙述正确