2026《金版教程》高考复习方案生物经典多选版-第二单元 微专题4 光呼吸、C3植物、C4植物和CAM植物等特殊代谢类型

一光呼吸光呼吸是所有进行光合作用的细胞在光照和高氧低二氧化碳情况下发生的一个生化过程。[例1]植物消耗氧气，将RuBP(C5)转化成二氧化碳的过程称作光呼吸。RuBP羧化酶/氧化酶(Rubisco)不仅能催化CO2与RuBP进行羧化反应，还能催化氧气与RuBP的氧化反应，相关过程如下图所示。回答下列问题。(1)Rubisco催化RuBP的羧化反应发生在真核细胞的______________(具体部位)，这一过程称作__________，反应形成的产物被________还原为糖类。(2)当CO2/O2比值________(填“较高”或“较低”)时，更有利于植物进行羧化反应。对农作物的研究表明甲醇可以抑制光呼吸，已知植物细胞的光呼吸与乙醇酸氧化酶活性呈正相关，结合题干信息推测甲醇抑制光呼吸的机制是______________________________________。(3)在小麦、水稻等C3作物中，光呼吸导致光合作用的转化效率降低20%～50%，根据Rubisco的特性，改良作物的措施有____________________________________________________________________________________(答出2点)。答案：(1)叶绿体基质CO2的固定NADPH(还原型辅酶Ⅱ)(2)较高甲醇通过抑制乙醇酸氧化酶的活性来抑制光呼吸(3)改造Rubisco酶，使其具有更高的CO2亲合力和催化效率；改进或者增加植物浓缩CO2机制，提升Rubisco附近的CO2浓度解析：(1)RuBP羧化酶能催化CO2与RuBP进行羧化反应，CO2与RuBP的反应过程被称为CO2的固定，发生在叶绿体基质中，CO2与RuBP反应的产物(C3)接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原，转化为糖类。[例2]研究者用仪器检测拟南芥叶片在光—暗转换条件下CO2吸收量的变化，每2s记录一个实验数据并在图中以点的形式呈现。(1)在开始检测后的200s内，拟南芥叶肉细胞利用光能分解________，同化CO2。而在实验的整个过程中，叶片可通过________将储藏在有机物中稳定的化学能转化为__________________和热能。(2)图中显示，拟南芥叶片在照光条件下，CO2吸收量在__________μmol·m－2·s－1范围内，在300s时CO2________达到2.2μmol·m－2·s－1。由此得出，叶片的总(真正)光合速率大约是__________μmolCO2·m－2·s－1。(本小题所填数值保留至小数点后一位)(3)从图中还可看出，在转入黑暗条件下100s以后，叶片的CO2释放________，并达到一个相对稳定的水平，这提示在光下叶片可能存在一个与在黑暗中不同的呼吸过程。(4)为证明叶片在光下呼吸产生的CO2中的碳元素一部分来自于叶绿体中的五碳化合物，可利用________________技术进行研究。答案：(1)水细胞呼吸ATP中的活跃的化学能(2)0.2～0.6释放量2.4～2.8(3)逐渐减少(4)放射性14C同位素示踪解析：(2)据图分析，拟南芥叶片在照光条件下进行光合作用，CO2吸收量在0.2～0.6μmol·m－2·s－1范围内，在300s时拟南芥只进行呼吸作用，CO2释放量达到2.2μmol·m－2·s－1。真正的光合作用速率＝净光合作用速率＋呼吸作用速率＝(0.2～0.6)＋2.2＝2.4～2.8μmolCO2·m－2·s－1。二自然界中的绿色植物根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同可以分为C3、C4和CAM三种类型1．C3途径：也称卡尔文循环，整个循环由RuBP(C5)与CO2的羧化开始到RuBP(C5)再生结束，在叶绿体基质中进行，可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有大麦、小麦、大豆、菜豆、水稻、马铃薯等。2．C4途径：通过C4途径固定CO2的植物被称为四碳植物(C4植物)。C4植物具有一个典型的结构特征，即叶脉周围有一圈含叶绿体的薄壁维管束鞘细胞，其外面整齐环列叶肉细胞(如图1)。叶肉细胞中的叶绿体有类囊体能进行光反应，同时，CO2被整合到C4化合物中，随后C4化合物进入维管束鞘细胞，维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，在维管束鞘细胞中，C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物(如图2)。它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有较强光合作用(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)能力，并且无光合午休现象。常见C4植物有玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。3．景天酸代谢(CAM途径)：晚上，开放气孔吸收二氧化碳，并通过羧化反应形成苹果酸存于植物细胞内的大液泡中(图1)。到了白天，关闭气孔减少水分蒸腾，再把夜间储于细胞大液泡里的酸性物质(苹果酸)作脱羧反应，释放的二氧化碳进入卡尔文循环进行光合作用(图2)。常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。由于夜间温度比较低，所以通过气孔丢失的水分要比白天少得多，对于植物来说，这样的好处就是可以避免水分过快的流失，因为气孔只在夜间开放以摄取二氧化碳。4．总结：C3植物、C4植物和CAM植物的比较植物类型比较项目C3植物C4植物CAM植物吸收CO2的时间白天白天夜晚光反应的场所叶肉细胞类囊体薄膜叶肉细胞类囊体薄膜叶肉细胞类囊体薄膜卡尔文循环的场所叶肉细胞的叶绿体基质维管束鞘细胞的叶绿体基质叶肉细胞的叶绿体基质有无光合午休有无无C3途径是碳同化的基本途径，C4途径和CAM途径都只起固定CO2的作用，最终还是通过C3途径合成有机物。[例3]玉米是C4植物，其维管束鞘细胞的叶绿体没有基粒，叶肉细胞的叶绿体有基粒。进行光合作用时，叶肉细胞中对CO2高亲和力的PEP羧化酶催化CO2固定产生四碳化合物(C4途径)，然后运输到维管束鞘细胞中分解，释放出CO2用于卡尔文循环，如下图所示。请回答：(1)光合色素吸收的光能将水分解为氧和H＋，H＋与________结合，形成的产物参与暗反应。(2)图中能够进行光反应的细胞是________。(3)在一般条件下，C4植物的CO2补偿点________(填“大于”“等于”或“小于”)C3植物，在高温、强光照环境中玉米具有C4途径的意义是______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)有人认为干旱环境对C4植物(如玉米、甘蔗等)光合作用影响比C3植物(如小麦、水稻等)小，请设计实验验证这一结论，写出实验思路和预期结果(检测方法不作要求)。实验思路：______________________________________________________________________________________________________________________________________________。预期结果：__________________________________________________________。答案：(1)NADP＋(氧化型辅酶Ⅱ)(2)叶肉细胞(3)小于在高温、强光照环境中，叶片气孔导度下降，CO2的吸收速率下降，导致胞间CO2浓度降低，玉米为C4植物，细胞中有与CO2亲和力强的PEP羧化酶，能利用低浓度CO2进行光合作用(4)将生理状况相同的C3植物与C4植物置于其他条件相同且适宜的干旱环境中培养，一段时间后检测两种植株的生长情况(检测指标合理即可)C4植物的生长情况明显优于C3植物(检测指标与前一空一致即可)[例4]景天科植物A有一个很特殊的CO2同化方式，夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中，如图1所示，白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用，如图2所示。十字花科植物B的CO2同化过程如图3所示，请回答下列问题：(1)白天，影响植物A光合作用强度的环境因素有__________________________________。(2)植物A夜晚能吸收CO2，却不能合成C6H12O6的原因是__________________________________________________________________，白天植物A进行光合作用所需的CO2的来源有____________________________________。(3)在上午10：00时，突然降低环境中CO2浓度后的一小段时间内，植物A细胞中C3含量的变化是________；植物B细胞中C3含量变化是________。答案：(1)温度、光照强度