2025人教版高考生物专项复习讲义：光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代谢类型

微专题6光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代谢类

型

考情速览

2024•黑吉辽卷，21；2024•广东卷，20；2023•湖南卷,17；

考情分析

2022•全国甲卷,29；2021•全国乙卷,29；2021•辽宁卷，22

题型1C4植物和C3植物

［认知觉醒］（2023•湖南卷，17）下图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。

卡尔文循环的Rubisco酶对CCh的K,”为450pmol-Lr（K加越小，酶对底物的亲和

力越大），该酶既可催化RuBP与CCh反应，进行卡尔文循环，又可催化RuBP与

02反应，进行光呼吸（绿色植物在光照下消耗02井释放CCh的反应）。该酶的酶促

反应方向受CCh和。2相对浓度的影响。与水稻和比，玉米叶肉细胞紧密围绕维

管束鞘，其中叶肉细胞叶绿体是水光解的主要场所，维管束鞘细胞的叶绿体主要

与ATP生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利用PEPC醐（PEPC对C02的

K,„为7皿0卜口）催化璘酸烯醇式丙酮酸（PEP）与C02反应生成C4,固定产物C4

转运到维管束鞘细胞后释放CO2,再进行卡尔文循环。回答下列问题：

（1）玉米的卡尔文循环中笫一个光合还原产物是（填具体名称），该产物跻

叶绿体膜转运到细胞质基质合成（填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”）后,

再通过长距离运输到其他组织器官。

（2）在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度（填“高于”或“低

于“）水稻。从光合作用机制及其调控分析，原因是

______________________________________________________（答出三点即可）。

⑶某研究将蓝细菌的C02浓缩机制导入水稻，水稻叶绿体中C02浓度大幅提升，

其他生理代谢不受影响，但在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化。其

原因可能是________________________________________________________

________________________________________________________（答出三点即可）。

答案（1）3磷酸甘油醛蔗糖韧皮部（或筛管或韧皮部中的筛管）（2）高于玉

米PEPC对CCh的亲和力大，利用低浓度CCh能力强；维管束鞘细胞中。2含量

低，光呼吸弱；玉米叶肉细胞中的PEP与C02反应生成C4,C4进入维管束鞘细

胞后释放CCh,使CO?得到浓缩，保障了暗反应的进行（3）水稻的光反应强度不

再增加；叶绿体内固定CCh的Rubisco酶的量有限；同化产物转运能力不强

解析（1）玉米的暗反应先在叶肉细胞中进行，在PEPC酶的催化下，PEP与CCh

反应生成C4,C4转运变维管束鞘细胞后释放CCh,再进行卡尔文循环，据此推理，

并结合水稻的暗反应图示，可知玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是3磷

酸甘油醛，在叶绿体内，其可用于淀粉等的合成，大部分运至叶绿体外，并转变

成蔗糖。与葡萄糖相比，蔗糖属于非还原糖，较稳定，对渗透压影响也小，蔗糖

通过筛管长距离运输到其他组织器官。（2）在干旱环境下，大部分气孔关闭，植物

能吸收的C02减少，与型稻叶肉细胞中的Rubisco酶相比，玉米叶肉细胞中的PEPC

酶对CO2的K加小，酶对底物的亲和力大，玉米在较低浓度的CO2下仍能固定CCh

进行光合作用；在高光照强度环境下，光反应较强，产生的较多，与玉米维管

束鞘细胞相比（水光解的主要场所为叶肉细胞的叶绿体），水稻叶肉细胞02较多易

进行光呼吸，使得暗反应减弱；与水稻叶肉细胞相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维

管束鞘，叶肉细胞中的PEP与C02反应生成C4,C4进入维管束鞘细胞后释放C02,

使C02得到浓缩，保障了暗反应的进行。（3）在光饱和条件下，水稻叶绿体的光反

应强度不再增加，产生的ATP和NADPH不再增多，限制了C3的还原；水稻叶

绿体内固定CCh的Rubisco酶的量有限；光合作月产生的有机物在叶绿体中积累

较多，抑制了反应的进行。

思维升华(1)C3植物和C4植物的含义

根据光合作用碳元素同化的最初光合产物(三碳化合物、四碳化合物)的不同，把

高等植物分成C3、C4植物两类，常见的C4植物有甘蔗、玉米、高粱等。

表皮

维管束不

鞘细胞

叶肉细胞

C,植物的叶片结构

叶肉细胞中维管束鞘细胞

：的细胞质中的叶绿体

CC)2L「Ct----♦----a-co

^2C3

匕(PEP)胞间NADPH

降/4/多种酶

NADP*

"丙酮‘酸)，参加

ADP+PiATP催化ATP

ADP+Pi

(CH2O)^

a途径和C、途径

(2)光合作用C4途径产生的原因

C4植物中含有能固定CO2为C4的相关酶，即磷酸怖醇式丙酮酸装化酶，简称为

PEP叛化酶(对CO2有很强的亲和力)，可把大气中含量很低的CO2以C4的形式固

定下来。

⑶C3和C4植物光合用途径的比较

CO2固定CCh固定

项目CO2受体光反应场所暗反应场所

后产物场所

叶肉细胞叶肉细胞叶叶肉细胞叶

C3植物RUBP(C)PGA(C3)

5叶绿体绿体基粒绿体基质

叶肉细胞

细胞质基维管束鞘细

叶肉细胞叶

PEP(C3)OAA(C4)

C4植物质、维管束胞叶绿体基

绿体基粒

RUBP(C)PGA(C3)

5鞘细胞叶质

绿体

题型2景天科植物（CAM植物）

［认知觉醒］（2021•全国乙卷，29）生活在干旱地区的一些植物（如植物甲）具有特

殊的CCh固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CCh,吸收的CO2通过生成苹果

酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱竣释放的CCh可用于光

合作用。回答下列问题：

（1）白天叶肉细胞产生ATP的场所有。光合作用所需的CO2来

源于苹果酸脱竣和释放的CO2o

（2）气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能

防止,又能保证正常进行。

（3）若以pH作为检测指标，请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊

的固定方式.（简要写出实验思路和预期结果）

答案（1）叶绿体、细胞质基质、线粒体细胞呼吸

（2）蒸腾作用过强导致植物过度失水光合作用

（3）实验思路：取若干长势相同的植物甲，平均分为A、B两组；将A组置于干旱

条件下培养，B组置于水分充足的条件下培养，其他条件相同且适宜；一段时间

后，分别测定两组植物甲白天和夜晚液泡中的pH。预期结果：B组液泡中的pH

白天和夜晚无明显变化，A组液泡中的pH夜晚明显低于白天。

解析（1）白天植物的叶肉细胞同时进行光合作用和呼吸作用，光合作用过程中产

生ATP的场所是叶绿体，呼吸作用过程中产生ATP的场所是细胞质基质和线粒

体。据题干信息可知，白天储存在液泡中的苹果酸脱发释放出CO?用于光合作用，

同时叶肉细胞也进行细胞呼吸，细胞呼吸释放出来的CO2也可用于光合作用。（2）

干旱的环境中，白天气孔关闭可以降低蒸腾作用，避免植物细胞过度失水；夜间

气孔打开吸收CCh,通过生成苹果酸储存在液泡Q,白天苹果酸脱竣释放的CO2

为光合作用的进行提供原料，保证了光合作用的正常进行。(3)该实验的目的是验

证植物甲在干旱环境中存在特殊的C02固定方式，根据题干信息，晚上气孔打开

吸收C02,吸收的C02通过生成苹果酸储存在液泡中，推测苹果酸的存在会导致

液泡中呈酸性，由于白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羚释放的CO2可用于

光合作用，可判断苹果酸分解释放出C02后液泡中酸性下降或趋于中性，因此实

验中需要检测白天和夜晚叶肉细胞中液泡的pH。

思维升华(l)CAM途径的含义

景天科植物夜间将吸收的C02固定在苹果酸(C。中，白天苹果酸分解释放C02参

与光合作用的过程。

(2)CAM途径过程图解

注：PEP:磷酸谛醇式丙能酸.

光合作用CAM途径过程图解

夜晚气孔开放，吸收CO?,在PEP拨化睡作用下，

与PEP结合，形成草酰乙酸(OAA)

草酰乙酸被NADH还原后转变为苹果酸，积累

在液泡中

白天气孔关闭，液泡中的革果酸运输到细胞质

基质，在苹果酸脱拨酶作用下，氧化脱窥生成

丙酮酸，放出CO?,CO2参与卡尔文循环，形成

淀粉等；丙酮酸套化生成淀粉等

夜晚淀粉分解产生的磷酸丙摭通过一系列变化,

形成PEP,再进一步循环

(3)CAM途径的意义

白天气孔关闭，减少蒸腾作用，保持植物体内水分并分解苹果酸产生C02进行光

合作用：夜晚开放气孔，吸收光合作用所需的C02,使植物适应高温干旱环境。

题型3光呼吸

［认知觉醒］(2025・辽宁大连模拟)植物体在进化过程中产生了一种具有双功能

的RuBP竣化/加氧酶，C02和02竞争性地与之结合，当C02浓度高时，该能催

化C5与C02形成两分子C3（3磷酸甘油酸），进入暗反应；当02浓度高时，该酶

催化C5与02形成一分子C3和一分子C2（乙醇酸），其中C3进入暗反应，而C2离

开叶绿体进入光呼吸，反应机理如图所示，下列相关叙述错误的是（）

co2

A.植物体光呼吸的形成可能与RuBP竣化/加氧酶的空间结构有关

B.植物体光呼吸使得。中的碳都以CCh的形式散失，明显减少了光合产物的形成

C.强光下，光呼吸加强，可消耗光反应中积累的ATP、NADPH,从而减轻对叶绿

体的伤害

D.植物体光呼吸可保证C02不足时，暗反应仍能正常进行

答案B

解析绝大多数酶是蛋白质，而酶的功能由其结构决定，即与氨基酸的数目、种

类、排列顺序及其盘曲、折叠方式形成的空间结构相关，A正确；由图可知，植

物体光呼吸使得C5中的部分碳以CCh的形式散失，从而减少了光合产物的形成,

B错误；当CO?不足时，植物体可以利用光呼吸产生的CO?进行暗反应，D正确。

思维升华（1）光呼吸的实质

①条件：光照、高02、低C02。

②物质变化：消耗02,生成C02。

③能量变化：损耗能量的副反应。

（2）光呼吸过程图解

〃三PGA(C3),PG(C2),RUBP(C.)

（3）光呼吸与一般有氧呼吸的比较

项目光呼吸一般有氧呼吸

与光的关系只在光下进行光下、黑暗中都可进行

反应条件光照、高02、低C02环境02

底物C5和02通常是葡萄糖、比0和

产物CO2CO2和水

发生部位叶绿体、线粒体细胞质基质、线粒体

（4）光呼吸产生的原因

①内因：Rubisco是一种兼性酶，具有催化覆化反应（C5+CO2f2c3）和加氧反应（C5

+C）2fC3+C2）两种功能。

②外因：高02环境下，光呼吸会明显加强，而提高C02浓度可明显抑制光呼吸。

题型4光抑制

［认知觉醒］（2024・重庆卷，18）重庆石柱是我国著名传统中药黄连的主产区之

一，黄连生长缓慢，存在明显的光饱和（光合速率不再随光强增加而增加）和光抑

制（光能过剩导致光合速率降低）现象。

⑴探寻提高黄连产量的技术措施，研究人员对黄连的光合特征进行了研究，结果

见图lo

T25

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xco.

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史J)t和(junorm"廿)

图1

①黄连的光饱和点约为,jimolm2s）光强大于1300gmolm2-s-1后，

胞间二氧化碳浓度增加主要是由于O

②推测光强对黄连生长的影响主要表现为O黄连叶片适应弱光的特

征有（答2点）。

（2）黄连露天栽培易发生光抑制，严重时其光合结构被破坏（主要受损的部位是位于

类囊体薄膜上的色素蛋白复合体），为减轻光抑制，黄连能采取调节光能在叶片上

各去向（题图2）的比例，提升修复能力等防御机制，具体可包括（多选）。

①叶片叶绿体避光运动；②提高光合产物生成速率；③自由基清除能力增强；④

提高口I绿素含量；⑤增强热耗散

（3）生产上常采用搭棚或林下栽培减轻黄连的光抑制，为增强黄连光合作用以提高

产量还可采取的措施及其作用是____________________________________________

______________________________________________________________________O

答案（1）①500光合作用受到抑制，消耗的二氧化碳减少，且气孔导度增加②

黄连在弱光条件下，随光强增加生长快速达到最大,光照过强其生长受到抑制叶

片较薄，叶绿素较多（叶色深绿，叶绿体颗粒较大，叶绿体类囊体薄膜面积更大）

（2）①②③⑤（3）合理施肥增加光合面积，补充二氧化碳提高暗反应速率

解析（1）①光饱和点光光合速率不再随光强增加而增加时的光照强度，由图1净

2-,

光合速率的曲线可知，当光照强度达到500gmolm_s时净光合速率不再增加；

光强大于1300同「01皿一2.5一1后，由图1可知，光合作用受到抑制，且气孔导度增

加，所以胞间二氧化碳浓度增加主要是由于光合作用受到抑制，消耗的二氧化碳

减少，月气孔导度增加。②由图1净光合速率曲线可知，光强对黄连生长的影响

主要表现为在弱光条件下，随光强增加生长快速达到最大，光照过强其生长受到

抑制；弱光时，可通过增加受光面积或增加光合色素的含量来增加光合速率，所

以黄连叶片适应弱光的特征有叶片较薄，叶绿素较多（叶色深绿，叶绿体颗粒较大，

叶绿体类囊体薄膜面积更大）。（2）为减轻光抑制，黄连能采取调节光能在叶片上各

去向的比例，由图2可看出光能的主要去向为热耗散，所以黄连提升修复能力等

防御机制，具体可包括⑤增强热耗散；①叶片叶绿体避光运动：减少对光的吸收；

②提高光合产物生成速率，从而提高光合速率消耗过多的光能；③自由基清除能

力增强：减少对光合结构的破坏。而④提高叶绿素含量会增加对光能的吸收，不

能减轻光抑制。（3）为增强黄连光合作用以提高产量还可采取的措施及其作用是合

理施肥增加光合面积，补充二氧化碳提高暗反应速率，合理密植等。

专题练6光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代谢类型

（时间：45分钟）

一、选择题

1.（2025•山东济宁高三模拟预测）蓝细菌的光合作用过程需要较高浓度CCh,长期

进化过程中，蓝细菌形成的CCh浓缩机制如图所示。R酶还能催化02与C5结合

形成C3和C2,和CCh竞争性结合R酶同一位点。下列说法正确的是（）

A.蓝细菌的光能转化发生在叶绿体的类囊体薄膜上

B.C02不能以主动运输的方式通过光合片层膜

C.77CO5转运蛋白基因表达增加，光合速率增强

D.当R酶周围CO?浓度高时，C02固定减少，有机物积累减少

答案C

解析蓝细菌是原核生物，无叶绿体结构，A错误；图示为蓝细菌的CCh浓缩机

制，据图可知，CCh进入光合片层膜要依赖CCh转运蛋白，同时消耗能量。因此,

CCh以主动运输的方式通过光合片层膜，B错误；转运蛋白基因表达增加,

膜上HC05转运蛋白量增加，为暗反应提供的C02增加，暗反应速率增加，促使

光反应速率增加，从而使光合速率增加，C正确；Ch和CCh竞争性结合R酶同一

位点，C0?浓缩机制可提高R酶周围CCh浓度。因此，当R酶周围C02浓度高时,

CO?与R酶的结合率高，促进CCh固定，有机物积累增加，D错误。

2.（2025•江西九江模拟）某植物为适应热带干旱地区的环境，形成了独特的CO2利

用模式，即白天气孔开放程度小，夜晚开放程度大，如图所示。下列说法错误的

是（）

A.据图推测过程①②③发生在不同细胞中

B.该植物白天CO2吸收速率低于02释放速率

C.该植物在夜间无法通过卡尔文循环积累产物

D.该模式有利于植物白天减弱蒸腾作用而保水

答案A

解析图中植物黑夜吸收的C02在细胞质基质转化为HC03,再经①②生成苹果

酸（可储存在液泡中），白天苹果酸从液泡中释放出来，通过③分解产生丙酮酸和

C02,C02参与暗反应，①②③发生在同一植物细胞中，A错误；由于白天气孔

开放程度小，CO2吸收较少，但在白天的较强光照下，该植物光反应可进行，可

产生02、ATP、NADPH等，同时利用夜晚储存的苹果酸分解产生的CO2进行暗

反应，推知C02吸收速率应低于02释放速率，B正确；夜间不能进行光反应，没

有光反应提供的ATP和NADPH,无法通过卡尔文循环积累产物，C正确；白天

气孔开放程度小，有利于植物减弱蒸腾作用而保水，D正确。

3.（不定项）（2025•山东潍坊检测）研究发现，R酶属于双功能酶，催化反应的方向取

决于CCh和6相对浓度的高低。光照条件下，当CO2浓度相对较高时，该酶催

化C5与CCh反应，进行光合作用；当Ch浓度相对较高时，该酶催化C5与。2反

应，释放CCh,该过程称为光呼吸，反应机理如图.下列说法正确的是（）

(CH0)

Z2.c

’5R酶

C02

\n*光呼吸2

暗反应R的

r

NADPHATP’3ATPNADPH

A.R酶既能与C02结合也能与02结合，说明该酶不具有专一性

B.夏季晴朗的中午出现“光合午休”时，植物光呼吸的强度会有所增强

C.光呼吸与有氧呼吸相似，都能消耗02产生C02

D.光呼吸的结果会导致光呼吸减弱，该过程体现了负反馈调节

答案BCD

解析虽然R酶既能与CO?结合也能与。2结合，但该酶仍然具有专一性，A错

误；夏季晴朗的中午出现“光合午休”时，由于气孔导度减小，CCh浓度降低，

因此植物光呼吸的强度会有所增强，B正确；有氧呼吸消耗02产生CCh,据图可

知，光呼吸也能消耗。2产生C02,C正确；光呼吸消耗02产生C02,减少02浓

度的同时增加C02浓度，会导致光呼吸减弱，该过程体现了负反馈调节，D正确。

二、非选择题

4.（2024•黑吉辽卷，21）在光下叶绿体中的C5能与CCh反应形成C3；当CO2/O2比

值低时，C5也能与。2反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒

体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶绿体与线粒体中主要物

质变化如图1。光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程。回答

下列问题。

在叶绿体中&+('。2曳*①

C54-()2^-^C34-C2②

酗

在线粒体中：组+2\1)~*(；十CQ+NAI)H+H

③

注:C.2表示不同种类的二碳化合物・C也类似。

图1

(1)反应①是过程。

(2)与光呼吸不同，以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是

和O

(3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株(WT),得到转

基因株系1和2,测定净光合速率，结果如图2、图3。图2中植物光合作用CCh

的来源除了有外界环境外，还可来自和(填生理过程)。7〜10

时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异，原因是

O

据图3中的数据(填“能”或“不能”)计算出株系1的总光合速率，理

由是_______________________________________________________________

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CO,浓度/(utmol,mol'1)

m3

（4）结合上述结果分析，选择转基因株系1进行种植，产量可能更具优势，判断的

依据是_____________________________________________________________

答案（1）CO2的固定（2）细胞质基质线粒体基质（3）光呼吸呼吸作用随

着光照增强，光呼吸增强，转基因株系1和2降低了光呼吸，净光合速率比WT

更高不能总光合速率=净光合速率+细胞呼吸速率（包含光呼吸），无法获得

株系1准确的光呼吸、细胞呼吸产生CO2的速率，不能计算株系1的总光合速率

（4）株系1比株系2和WT的净光合速率高，有机物积累更多

解析（1）在光合作用的暗反应过程中，CO2在特定酶的作用下，与C5结合形成两

个C3,这个过程称作CO2的固定，故反应①是CO2的固定过程。（2）有氧呼吸的

笫一、二、三阶段的场所依次是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜。有氧呼

吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和NADH,合成少量ATP；第二阶段是丙酮酸

和水反应生成二氧化碳和NADH,合成少量ATP,故以葡萄糖为反应物的有氧呼

吸产生NADH的场所是细胞质基质和线粒体基质。（3）由图1可知，在线粒体中

进行光呼吸的过程中，也会产生二氧化碳，因此植物光合作用CO2的来源除了有

外界环境外，还可来自光呼吸和呼吸作用。净光合速率=总光合速率一呼吸速率

（包含光呼吸），7〜10时，随着光照强度的增加，株系1和2由于转入了改变光呼

吸的相关基因，导致光呼吸速率降低，又因光呼吸与暗反应竞争结合C5,所以会

促进暗反应中CO2的固定，提高光合作用速率，因此与WT相比，株系1和2的

净光合速率较高。总光合速率=净光合速率+呼吸速率（包含光呼吸），因横坐标

CO?浓度的改变，光呼吸释放CO2也在改变，无法算出总光合速率。（4）由图2、

图3可知，与株系2和WT相比，转基因株系1的净光合速率最大，因此选择转

基因株系1进行种植，产量可能更具优势。

5.（2025•云南高三模拟预测）Rubisco是一种催化CO2固定的酶，在低浓度CCh条

件下催化效率低。甘蔗在进化过程中形成了一种CO2浓缩机制，提高了Rubisco

所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO?的固定，其浓缩机制如图。回答下列

相关问题。

草酰乙酸厅-y羊果酸NADB-

大NADPHNADP-NADPH

气

中_[PEP炭化酹

HCO\AMP

的

磷酸赤阚7）

co.丙酮酸丙酮酸

式内酮酸

叶肉细胞维管束鞘细胞

（叶绿体”用基粒）（叶绿体中无基粒或基粒发育不良）

（1）甘蔗光反应阶段发生于（填“叶肉细胞”或“维管束鞘细胞”）的

叶绿体中，该阶段的产物有。

⑵由图中CO2浓缩机