命题情境2 光系统、光呼吸、C4途径、CAM途径、人工合成淀粉等-2026高三生物一轮复习

命题情境2光系统、光呼吸、C4途径、CAM途径、

人工合成淀粉等

情境一光系统

【典题引领1】(2021・湖南卷)图a为叶Z录体的结构示意图，图b为叶绿体中某种生物

膜的部分结构及光反应过程的简化示意图。回答下列问题：

图b

注「表示电子C

(1)图b表示图a中的类囊体薄膜结构,膜上发生的光反应过程将水分解成02、H.和e

，光能转化成电能，最终转化为XADEIL和ATP中活跃的化学能。若CCh浓度降低，暗反

应速率减慢，叶绿体中电子受体NADP+减少，则图b中电子传递速率会减慢(填“加快”或

“减慢”)。

(2)为研究叶绿体的完整性与光反应的关系，研究人员用物理、化学方法制备了4种结

构完整性不同的叶绿体，在离体条件下进行实验，用Fccy或DCIP替代NADP*为电子受体,

以相对放氧量表示光反应速率，实验结果如表所示。

叶绿体B：双层叶绿体C：双层叶绿体D：所有

叶绿体A：双层

项目膜局部受损，类膜瓦解，类囊体膜结构解体破裂

膜结构完整

囊体略有损伤松散但未断裂成颗粒或片段

实验一：

以Fccy100167.0425.1281.3

为电子

受体时

的放氧量

实验二：

以DCIP

为电子100106.7471.1109.6

受体时

的放氧量

注Fecy具有亲水性，DQP具有亲脂性。

据此分析：

①叶绿体A和叶绿体B的实验结果表明，叶绿体双层膜对以3（填“Fecy”或“DCIP”）

为电子受体的光反应有明显阻碍作用。得出该结论的推理过程是实脸一中叶绿体B双层膜

局部受损时，以Fecv为电子受体的放氧量明显大于双层膜完整时，实脸二中叶绿体B双层

膜局部受损时，以DCIP为电子受体的放氧量与双层膜完整时无明显差异；结合所给信息：

“Fecy具有亲水性,DCI?具有亲脂性”.可推知叶绿体双层膜对以Fecy为电子唉体的尤

反应有明显阻碍作用。

②该实验中，光反应速率最高的是叶绿体C,表明在无双层膜阻碍、类囊体又松散的条

件下，更有利于类本体上的色素吸收光能、转化光能,从而提高光反应速率。

③以DCIP为电子受体进行实验，发现叶绿体A、B、C和D的ATP产生效率的相对值

分别为1、0.66、0.58和0.41。结合图b对实验结果进行解释：ATP的合成依赖于水光解的

电子传递和H,顺浓度梯度通过类囊体薄膜上的ATP合乐酶,叶绿体A、B、C、D类囊体薄

膜的受损程度依次增大，因此ATP的产生效率逐渐降低。

解析：（1）光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上，即图b表示图a的类囊体薄膜，光反

应过程中，包素吸收的光能最终转化为ATP和NADPH中活跃的化学能，若CO2浓度降低，

暗反应速率减慢，叶绿体中电子受体NADP*减少，则图b中电子传递速率会减慢。（2）①比

较叶绿体A和叶绿体B的实脸结果，实验一中叶绿体B双层膜局部受损时，以Fccy为电子

受体的放氧量明显大于双层膜完整时，实验二中叶绿体B双层膜局部受损时，以DCIP为电

子受体的放氧量与双层膜完整时无明显差异；结合所给信息：“Fccy具有亲水性，DCIP具

有亲脂性”，可推知叶绿体双层膜对以Fecy为电子受体的光反应有明显阻碍作用。②在无

双层膜阻碍、类囊体松散的条件下，更有利于类囊体上的色素吸收、转化光能，从而提高光

反应速率，所以该实脸中，光反应速率最高的是叶绿体C。③根据图b可知，ATP的合成依

赖于水光解的电子传递和H+顺浓度梯度通过类囊体薄膜上的ATP合成酶，叶绿体A、B、

C、D类囊体薄膜的受损程度依次增大，因此ATP的产生效率逐渐降低。

包丽石展

光系统的机理

植物光合作用的光系统及电子传递链如下图:

ADP+Pi

A侧(低H)|NADPH|

质体氧醍

质体蓝索

B侧(高H)

(1)光系统【(PSI)主要介导NADPH的产生。

(2)光系统II(PSH)进行水的光解，产生氧气、H.和自由电子(e)o

(3)电子(e-)经过电子传递链：质体醍(PQ)-*细胞色素b6f复合体一质体蓝素~光系统

I(PSI)-铁氧还蛋白(Fd)-NADPH。

(4)电子传递过程是由高电势到低电势，因此，电子传递过程中释放能量，质体靛(PQ)

利用这部分能量将逆浓度梯度从类囊体的基质侧泵入囊腔侧，从而建立了浓度梯度。

光系统11(PS11)在类囊体的囊腔侧进行的水的光解产生H+以及在类囊体的基质侧进行的H+

和NADP1"形成NADPH的过程，为建立H*浓度梯度也有所贡献。

(5)类囊体膜对H*是高度不通透的，因此，类囊体内的高浓度H一只能通过ATP合成酶

顺浓度梯度流出，而ATP合成酶利用H+顺浓度梯度流出的能量来合成ATP。

情境二光呼吸

【典题引领2](2024•黑吉辽卷)在光下叶绿体中的Cs能与CO?反应形成C3；当CO2/O2

的值低时，Cs也能与02反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物醐体和线粒体中经

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Io

在叶绿体中：Cs+CO?————2C3©

Cs+O2-我J*C3+C2②

在线粒体中：2c2+NAD+——匚-*C3+CO2+NADH+H'③

注C2表示不同种类的二碳化合物，C3也类似。

光呼吸将已经同化的蹶释放，且整体上是消耗能量的过程。回答下列问题。

(1)反应①是CO2的固定过程。

(2)与光呼吸不同，以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是细胞质基质和线

♦知识拓展

光呼吸

(1)光呼吸过程图解

NADPHNADPH

注PGA(C3),PG(G),RUBP(C5)O

(2)光呼吸产生的原因

①内因：RUNSC。是一种多功能霹，具有催化峻化反应(C5+CO2-2C3)和加氧反应(C5+

O2-C3+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。

(3)光呼吸的生理意义

①不利影响：光呼吸消耗暗反应的底物C5,导致光合作用减弱，农作物产量降低。

②有利影响：消除代谢产物乙醇酸对细胞的不利影响；防止强光对光合结构的破坏。

(4)光呼吸与细胞呼吸的区别

比较项目光呼吸细胞呼吸

底物乙醇酸糖、脂肪、蛋白质

叶绿体、过氧化物细胞质基质、

发生部位

酶体、线粒体线粒体

反应条件光照光或暗都可以

消耗能量(消耗

能量产生能量

ATP和NADPH)

共同点消耗氧气，放廿二氧化碳

情境三C4途径、CAM途径

【典题引领3】(2023・沏南卷)如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CO2的Km为450pmol,L」(Km越小，酶对底物的亲和力越大)，该酶既可

催化RuBP与CO?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并释放C02的反应)。该酸的肺促反应方向受C02和02相对浓度的影响。

与水稻相比，玉米叶肉细胞紧密闱绕维管束鞘，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酷

（PEPC对C02的Km为7rmol-L」）催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）与CO2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。回答卜.列问题：

（1）玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是3一璘酸甘油醛（填具体名称）,该产物跨

叶绿体膜转运到细胞质基质合成蓄捶（填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”）后，再通过韧皮部

（或揄导组织）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施壬（填“高于”或“低于”）水稻。

从光合作用机制及其调控侑度分析，原因是①在干旱、高光照强度环境下,水稻关闭大部分

气孔.CCh的吸收减少，而玉米的PEPC酶对CO2的亲和力更大,提高了玉米固定CO2的能

力,可以为暗反应提供足够的CO2；②水稻中的Rubisc。酶在CO?吸收减少时,催化RuBP

与Q反应进行光呼吸，从而使水稻暗反应固定的CO2减少,而玉米的光呼吸较弱甚至没有：

③玉米的光合产物可以通过维管束鞘细胞及时转移,从而提高光合速率（答出三点即可）O

（3）某研究将蓝细菌的CO?浓缩机制导入水稻，水稻叶绿体中CO?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①i

合色素含量的限制：②与光合作用有关的酶的含量和活性的限制：③在光饱和条件下,水稻

的光呼吸较强,限制其光合速率（答出三点即可）。

解析：（1）玉米和水稻的卡尔文循环过程相同，分析题图可知，玉米卡尔文循环中第一

个光合还原产物是3一磷酸甘油醛。3一璘酸甘油潞跨叶泳体膜转运到细胞质基质合成度糖：

光合作用的产物有一部分是淀粉，还有一部分是蔗糖，蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部长

距离运揄到植株其他组织器官。（2）在干旱、高光照强度环境下，为减少蒸腾作用，水稻关

闭大部分气孔，部分气孔关闭会导致水稻吸收C02的量减少，光合作用减弱，而玉米为C4

1

植物,根据题中信息可知，PEPC酶对C02的Km为7ninol-L,Rubisco酶对C02的Km为

45()卜，则PEPC晦对CO?的固定能力较强，在CO-浓度较低时，能够固定较多的CO2,

有利于光合作用的进行；结合(1)中分析可知，玉米的光合产物能通过维管束鞘及时转移，

从而提高光合速率；又知水稻中的Rubisco酶在CO2吸妆减少时，可催化RuBP与Ch反应

进行光呼吸，从而使水稻暗反应固定的CO?减少，而玉米的光呼吸较弱甚至没有。综上可

知，在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度高于水稻。(3)将蓝细菌的CO?浓缩

机制导入水稻后，水稻叶绿体中CO2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鄢变化的原因可能是受光合色素含量的限制、受与光合作

用有关的酶的含量和活性的限制及受光呼吸的影响等。

式知识拓展

1.C4途径

(1)C4途径过程图解

叶肉细胞维管束鞘细胞

⑵C4途径的意义：固定CO2的酶(PEP绫化酶)对C02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。

(3)C3和C4植物光合途径的比较

项目C,^育物C4植物

CO2受体

RuBP(Cs)PEP©)、RUBP(C5)

CO2固定

PGA(C3)PGA©)、OAA(C4)

后的产物

82固叶肉细胞叶肉细胞细胞质基质、维管束鞘细胞叶

定场所叶绿体绿体

光反应叶肉细胞

叶肉细胞叶绿体基粒

场所叶绿体基粒

暗反应叶肉细胞

维管束鞘细胞叶绿体基质

场所叶绿体基质

2.CAM途径

(l)CAM途径过程图解

中午

CO；H,0

/NADH

\NAD'

叶绿体

苹果酸液泡

苹果酸液泡

光合作用CAM途径过程图解

注PEP为磷酸烯醇式丙酮酸。

(2)CAM途径的意义

①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CO2进行光

合作用。

②夜晚：气孔开放，吸收光合作用所需的CO2,使植物适应高温干旱环境。

情境四人工合成淀粉

【典题引领4](2020•山东卷)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类，相关装置及

过程如图所示，其中甲、乙表示物质，模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程

相同。

大气CO?

电气泵

发电装置-悔系统

Q：J糖类

H,O

模块2

(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是模块1和模块2,模块3中的甲可

与CO2结合，甲为五碳化合物(或Cs)。

(2)若正常运转过程中气泵突然停转，则短时间内乙的含量将减少(填“增加”或“减

少”)。若气泵停转时间较长，模块2中的能量转换效率也会发生改变，原因是模块3为模

块2提供的ADP、Pi和NADP+不足。

(3)在与植物光合作用固定的CO?量相等的情况卜，该系统糖类的积累量虹(填“高

于““低于”或“等于“j植物，原因是人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或用肠呼

吸作用消耗糖类)。

(4)干旱条件下，很多植物光合作用速率降低，主要原因是叶片气孔开放程度降低，CCh

的吸收量减少。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低，在沙漠等缺水地区有广

阔的应用前景.

解析：（1）叶绿体中光反应阶段是将光能转化成电能，再转化成ATP中活跃的化学能，

题图中模块1将光能转化为业能，模块2将电能转化为活跃的化学能，两个模块加起来相当

于叶绿体中光反应的功能。在模块3中，C02和甲反应生成乙的过程相当于暗反应中CO?

的固定，因此甲为五碳化合物（或C5）。（2）据图分析可知乙为C3,气泵突然停转，大气中C02

无法进入模块3,相当于暗反应中C02浓度降低，短时间内C02浓度降低，C3的合成减少，

而C3仍在正常还原，因此C3的含量会减少。若气泵停转时间较长，模块3中C02的量严重

不足，导致暗反应的产物ADP、Pi和NADP+不足，无法正常供给光反应的需要，因此模块

2中的能量转换效率也会发生改变。（3）糖类的积累量=产生量一消耗量，在植物中光合作用

产生糖类，呼吸作用消耗缄类，而在人工光合作用系统中没有呼吸作用消耗糖类，因此在与

植物光合作用固定的C02量相等的情况下，该系统糖类的积累量要高于植物。（4）在干旱条

件下，植物为了保住水分会将叶片气孔开放程度降低，导致二氧化碳的吸收量减少，因此光

合作用速率降低。

《情境链接

继20世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，科学家又在人工合

成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从

头合成。人工合成淀粉的技术工艺路线大致为CO2-C-FADH-DHA-DHAP-GAP-F

—6—PfG—6—PfG—1—PfG-淀粉，整个过程涉及11步重要的生化反应。而在自然条

件下，光反应和暗反应涉及的化学反应则有60多步，而且效率较低。

情境练2

（总分：30分）

一、选择题（每小题5分，共5分）

1.（2025•河北唐山模拟）Science发表了中国科学家人工合成淀粉的论文，在实验条件下,

科学家们设计了化学聚糖主反应。对比植物光合作用，比反应大大提高了淀粉合成效率。据

图分析,下列叙述正确的是（B）

A.光合作用中类似干CO2-C1中间体-C3中间体的过程，有酶和ATP即可进行

B.人工合成淀粉过程中需多种酶参与，可以通过改造能基因来提高催化的效率

C.植物光合作用与人工合成淀粉的途径中，都是利用还原剂作用于CO2

D.若两者固定COz量相等，植物光合作用与人工合成淀粉的途径积累的淀粉量相等

解析：绿色植物叶肉细胞内类似于人工合成淀粉新途径中由CCh-Ci中间体-C3中间

体的过程的是C02的固定，不需要光反应提供ATP,A错误；可通过蛋白质工程实现对相

关酶基因的改造，从而提高催化效率，B正确；植物光合作用中还原剂作用于C3,而图示

中人工合成过程还原剂作用于CO2,C错误；在与植物光合作用固定的C02量相等的情况下，

光合作用、人工合成淀粉两种途径合成淀粉的量相同，而人工合成淀粉途径没有呼吸作用消

耗淀粉，因此人工合成淀粉途将积累的淀粉量亚多，D错误.

二、非选择题（共25分）

2.（12分）（2025•山东枣庄模拟）光能超过光合系统所能利用的数量时，光合功能下降的

现象称为光抑制，其中动态光抑制是由于适度过量的光照引起光能利用效率下降，但最大光

合速率保持不变。慢光抑制是由过度过量的光照引起的，过度光照破坏了PSII反应中心，

降低了光能利用效率和最大光合速率。如图为叶肉细胞进行光反应过程的模式图，回答下列

问题：

（1）图中位于叶绿体类囊体薄膜的PSII（填“PSI”或“PSH”）是光抑制发生的主要部

位。

（2）据图可知,ATP合成酶合成ATP的直接动力是1L曳盥,光反应生成的ATP和NADPH

为暗反应提供了能量和还原剂。

（3）动态光抑制并没有导致植物最大光合速率的下降，推测其原因可能是叶肉细胞吸收

的过轲的光能可以热能的形式散失，从而有效缓解强光对植物细胞内光系统PSII的损伤。

（4）当强光和其他环境胁迫因素如高温和干旱等同时存在时，光抑制会叱1，判断依据

是高温和干旱条件，导致植物气孔关闭，CO?供应减少，暗反应减弱，消耗的ATP和NADPH

减少，ATP和NADPH在类囊体中积累，抑制了光反应对光能的吸收和利用，导致光抑制加

孙

解析：（1）题图中PSH和PSI是由光合色素和蛋白质组成的复合物，主要完成光合作用

的光反应，位于叶绿体的美囊体薄膜上。慢光抑制是由过度过量的光照引起的，过度光照破

坏了PSII反应中心，导致光能利用效率和最大光合速率降低，由此可见，PSH是光抑制发

生的主要部位。（2）PSII产生的H+以及PS1和细胞色素5f复合物对H卡的运输，使类囊体腔

中的H+浓度高于外侧，H+的顺浓度梯度运输为ATP的合成提供能量：光反应生成的ATP

和NADPH参与暗反应中C3的还原，为C3的还原提供能量和还原剂。（3）据题干信息可知，

动态光抑制是由于适度过量的光照引起光能利用效率下降，但最大光合速率保持不变，推测

叶肉细胞吸收的过剩的光能可以热能的形式散失，从而有效缓解强光对植物细胞内光系统

PSH的损伤。（4）高温和干旱条件，导致植物气孔关闭，CO?供应减少，暗反应减弱，消耗

的ATP和NADPH减少，ATP和NADPH在类囊体中积累，抑制了光反应对光能的吸收和

利用,光抑制加剧。

3.（13分）（2024•江苏苏州模拟）玉米等C4植物通过光合作用C4途径，使其能在高温下

保持产量。仙人掌等景天科植物则以光合作用CAM途径，助其在沙漠和其他缺水地区生存。

研究表明，马齿宽的光合作用整合了C4途径和CAM途径，主要过程如下图。请问答下列

问题：

CAM途役项限乙酸翠果酸

PEP

城化解

维讦束轮细胞

（l