微专题4　光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代谢类型-2026版一轮复习

微专题4光呼吸、C4植物、CAM植物等特殊代谢类型【知识必备】1.光呼吸光呼吸是指绿色植物在光照情况下吸收O2，将叶绿体中的C5分解产生CO2的过程。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；在光下，当O2浓度高、CO2浓度低时，O2会与CO2竞争Rubisco酶，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。①与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒体。光呼吸产生的条件是光照、高O2含量和低CO2含量等。②在干旱天气和过强光照下，因为温度很高，蒸腾作用很强，气孔大量关闭。由于光反应速率大于暗反应速率，此时光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的NADPH和ATP，防止强光对叶绿体的破坏，又可以为暗反应阶段提供原料，因此光呼吸对植物有重要的正面意义。[典例1](2024·山东潍坊一模)光呼吸是O2/CO2偏高时与光合作用同时发生的生理过程，是经长期进化形成的适应机制。光呼吸和暗反应关系密切，机理如图所示。下列叙述错误的是()A.光呼吸可保证CO2不足时，暗反应仍能正常进行B.光合作用的光反应强于暗反应容易导致光呼吸发生C.光呼吸过程虽消耗有机物，但不产生ATPD.抑制光呼吸能大幅度提高光合作用强度答案D解析在环境中CO2不足时，植物通过光呼吸产生CO2，供暗反应正常进行，A正确；光合作用的光反应强于暗反应时，O2/CO2偏高，产生过多的NADPH和ATP，光呼吸容易进行，B正确；从过程图看出光呼吸过程消耗了C5，消耗ATP，不产生ATP，C正确；抑制光呼吸能够减少有机物的消耗，但不能大幅度提高光合作用强度，D错误。2.C4植物在绿色植物的光合作用中，二氧化碳中的碳首先转移到含有四个碳原子的有机物(C4)中，然后才转移到C3中，科学家将这类植物叫作C4植物，将其固定二氧化碳的途径，叫作C4途径。①C4植物叶肉细胞中的叶绿体有类囊体能进行光反应，而维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，所以C4植物光反应发生在叶肉细胞的叶绿体类囊体薄膜上。②C4植物PEP羧化酶对CO2具有高亲和力，当外界环境干旱(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)，导致植物气孔导度减小时，C4植物比C3植物有较强光合我用夸克网盘分享了「与您分享-国家、地方、行业、团体标准」，点击链接即可保存。打开「夸克APP」，无需下载在线播放视频，畅享原画5倍速，支持电视投屏。链接：/s/45a9f612fe59提取码：t9EX联系qq:1328313560我的道客巴巴：/634cd7bd0a3f5a7311db139533c20794

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作用能力，并且无光合“午休”现象。常见C4植物有玉米、高粱、甘蔗、苋菜等。[典例2](2024·河南名校联盟)甘蔗、玉米等一些植物的叶片具有特殊的结构，其叶肉细胞中的叶绿体有基粒，而维管束鞘细胞中的叶绿体不含基粒。维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2，并转移到维管束鞘细胞中释放，参与光合作用的暗反应，其主要过程如图所示。请结合这些内容判断，下列说法中错误的是()A.维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应，但能进行暗反应B.维管束鞘细胞中暗反应过程不需要ATP和NADPHC.PEP羧化酶对环境中较低浓度的CO2具有富集作用D.甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能，使其更适应高温干旱环境答案B解析光反应的场所是叶绿体的类囊体薄膜，基粒是由类囊体堆叠而成的，维管束鞘细胞的叶绿体没有基粒，所以维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应，叶肉细胞固定的CO2转移到维管束鞘细胞中释放，参与光合作用的暗反应，A正确；维管束鞘细胞中的暗反应过程需要光反应提供的ATP和NADPH，B错误；由图可知，PEP羧化酶可富集环境中较低浓度的CO2，C3与低浓度的CO2生成C4，C正确；甘蔗、玉米等一些植物的维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2，并转移到维管束鞘细胞中释放，高温、干旱时植物会关闭部分气孔，甘蔗、玉米等在外界CO2供应不足时，C4能分解产生CO2继续供暗反应正常进行，故甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能，使其更适应高温干旱环境，D正确。3.景天科植物(CAM植物)景天科植物在夜间，大气中CO2从气孔进入，被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化，与PEP结合形成草酰乙酸(OAA)，再经苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸，储存于液泡中。在白天，苹果酸从液泡中释放出来，经脱羧酶作用形成CO2和丙酮酸，CO2产生后用于卡尔文循环。①仙人掌、菠萝和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用。这类植物特别适合于干旱地区，其特点是气孔夜间开放，白天关闭。②该类植物叶肉细胞夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH下降；白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液pH上升。[典例3](2024·西安铁一中质检)光合作用中，有一种特殊的固定CO2和节省水的类型。菠萝、仙人掌和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用，这类植物统称为CAM植物，其特别适应干旱地区，特点是气孔夜晚打开，白天关闭。如图为菠萝叶肉细胞内的部分代谢途径(CAM途径)示意图，图中苹果酸是一种酸性较强的有机酸。据图分析下列问题：(1)据图分析，推测图中叶肉细胞右侧a过程的活动发生在________(填“白天”或“夜晚”)，理由是______________________________________________。菠萝在夜晚吸收的CO2，能否立即用来完成图中叶肉细胞左侧的生命活动？________(填“能”或“不能”)，分析原因为____________________________________________________________________________________________。(2)图中苹果酸通过过程a运输到液泡内，又会通过过程b运出液泡进入细胞质，推测过程b发生在________(填“白天”或“夜晚”)。过程a具有的生理意义是___________________________________________________________________________________________________________________(写出两个方面即可)。(3)长期在强光照、高温、缺水等逆境胁迫下，以菠萝为代表的CAM植物形成了适应性机制：夜晚气孔开放，有利于____________，白天气孔关闭，有利于___________________________________________________________________，且可以通过________________________________________________________获得光合作用暗反应所需的CO2。答案(1)夜晚题图中叶肉细胞右侧a过程显示CO2进入细胞并转变成苹果酸储存在液泡中，夜间气孔打开，细胞才能完成此项活动不能夜晚没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提供足够的ATP和NADPH(2)白天一方面促进CO2的吸收，另一方面避免苹果酸降低细胞质基质的pH，影响细胞质基质内的反应(3)从外界吸收CO2降低蒸腾作用，减少水分散失苹果酸的分解和细胞呼吸解析(1)夜晚气孔开放，CO2进入细胞并转变成苹果酸储存起来。夜晚没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提供足够的ATP和NADPH，因此夜晚不能进行题图中细胞左侧的生命活动。(2)白天时，苹果酸运出液泡，在细胞质中分解产生CO2来进行暗反应。夜间气孔开放，从外界吸收的CO2与PEP发生系列反应生成苹果酸，及时通过过程a将苹果酸运进液泡中的生理意义包括两方面：一方面促进CO2的吸收，另一方面避免苹果酸降低细胞质基质的pH，影响细胞质基质内的反应。(3)夜间气孔开放，有利于从外界吸收CO2，白天气孔关闭，有利于降低蒸腾作用，减少水分散失。干旱、光照充足的环境中，菠萝光合作用大于呼吸作用，光合作用所需的CO2由两种途径提供：苹果酸的分解和细胞呼吸。4.光合产物及运输①磷酸丙糖是光合作用中最先产生的糖，也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。②光合作用产生的磷酸丙糖既可以在叶绿体中形成淀粉，暂时储存在叶绿体中，又可以通过叶绿体膜上的磷酸转运器运出叶绿体，在细胞质基质中合成蔗糖。合成的蔗糖或临时储藏于液泡内，或从光合细胞中输出，经韧皮部装载长距离运输到其他部位。[典例4](2024·江苏扬州检测)淀粉和蔗糖是光合作用的主要终产物，其合成过程如右图所示。细胞质内形成的蔗糖可以通过跨膜运输进入液泡进行临时性储藏，该过程是由位于液泡膜上的蔗糖载体介导的逆蔗糖浓度梯度运输。下列说法正确的是()A.参与蔗糖生物合成的酶位于叶绿体基质中B.呼吸抑制剂不会抑制蔗糖进入液泡的过程C.细胞质基质中Pi不会影响叶绿体中的淀粉的合成量D.磷酸丙糖的输出量过多会影响C5的再生，使暗反应速率下降答案D解析细胞质内形成的蔗糖可以通过跨膜运输进入液泡进行临时性储藏，故参与蔗糖生物合成的酶位于细胞质基质中，A错误；结合题意“逆蔗糖浓度梯度运输”可知，蔗糖进入液泡的方式为主动运输，故呼吸抑制剂可以通过抑制呼吸作用影响能量供应，进而抑制蔗糖进入液泡的过程，B错误；结合题图分析可知，当细胞质基质中Pi浓度降低时，会抑制磷酸丙糖从叶绿体中运出，从而促进淀粉的合成，C错误；据图可知，磷酸丙糖的输出量增多会影响C5的再生，使暗反应速率下降，D正确。5.光合磷酸化和氧化磷酸化(1)电子传递链和光合磷酸化①光系统Ⅱ进行水的光解，产生氧气、H＋和自由电子(e－)，光系统Ⅰ主要是介导NADPH的产生。②电子传递过程是高电势到低电势(由于光能的作用)，释放的能量将质子(H＋)逆浓度梯度从类囊体的基质侧泵入到囊腔侧，从而建立了质子浓度(电化学)梯度。③类囊体内的高浓度质子通过ATP合成酶顺浓度梯度流出，而ATP合成酶利用质子顺浓度梯度流出产生的能量来合成ATP。④发生在叶绿体的类囊体薄膜上，需要光，电子供体是H2O，电子受体是NADP＋。(2)电子传递链和氧化磷酸化①发生在线粒体的内膜上，不需要光，电子供体是NADH，电子受体是O2。②都通过ATP合成酶把ADP磷酸化为ATP。电子传递过程中所形成的H＋梯度作为动力，在ATP合成酶的作用下，催化ADP磷酸化成ATP。[典例5](2024·湖南长郡中学联考)下图为类囊体薄膜上发生的光反应示意图，PSⅠ和PSⅡ分别是光系统Ⅰ和光系统Ⅱ，是叶绿素和蛋白质构成的复合体，能吸收利用光能进行电子的传递。PQ、Cytbf、PC是传递电子的蛋白质，其中PQ在传递电子的同时能将H＋运输到类囊体腔中。图中实线为电子的传递过程，虚线为H＋的运输过程。ATP合成酶由CF0和CF1两部分组成，在进行H＋顺浓度梯度运输的同时催化ATP的合成。请回答下列问题：(1)分析图中电子传递的整个过程可知，最初提供电子的物质为________，最终接受电子的物质为________。(2)光反应产生的氧气被用于有氧呼吸，且在________(填场所)被消耗。图中用于暗反应的物质是________。(3)合成ATP依赖于类囊体薄膜两侧的H＋浓度差，图中使膜两侧H＋浓度差增加的过程有_______________________________________________________________________________________________________________________________。(4)由图可见，光反应是一个比较复杂的过程，完成了光能转变成____________能，进而转变成________能的过程。答案(1)水NADP＋(2)线粒体内膜ATP和NADPH(3)水分解产生H＋；PQ主动运输H＋；合成NADPH消耗H＋(4)电化学【真题感悟】1.(2023·湖北卷，8)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体，PSⅡ光复合体含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究发现，PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ，通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是()A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强B.Mg2＋含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱C.弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，不利于对光能的捕获D.PSⅡ光复合体分解水可以产生H＋、电子和O2答案C解析叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，LHCⅡ与PSⅡ分离减少，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强，A正确；Mg2＋是叶绿素的组成成分，其含量减少会导致PSⅡ光复合体上的叶绿素含量减少，导致对光能的捕获减弱，B正确；弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，增强对光能的捕获，C错误；PSⅡ光复合体能吸收光能，并分解水产生H＋、电子和O2，D正确。2.(2022·全国甲卷，29)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_______________________________________________________________________________________________________________________________________。答案(1)O2、NADPH和ATP(2)自身呼吸消耗或建造植物体结构(3)C4植物的CO2补偿点低于C3植物，C4植物能够利用较低浓度的CO2解析(1)光合作用光反应阶段的场所是叶绿体的类囊体薄膜，光反应发生的物质变化包括水的光解以及NADPH和ATP的形成，因此光合作用光反应阶段生成的产物有O2、NADPH和ATP。(2)叶片光合作用产物一部分用来建造植物体结构和自身呼吸消耗，其余部分被输送到植物体的储藏器官储存起来，故正常条件下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位。(3)干旱会导致气孔开度减小，CO2吸收减少，由于C4植物的CO2补偿点低于C3植物，则C4植物能够利用较低浓度的CO2，因此光合作用受影响较小的植物是C4植物，在同程度干旱条件下，C4植物比C3植物生长得好。3.(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CO2的Km为450(μmol·L－1)(Km越小，酶对底物的亲和力越大)，该酶既可催化RuBP与CO2反应，进行卡尔文循环，又可催化RuBP与O2反应，进行光呼吸(绿色植物在光照下消耗O2并释放CO2的反应)。该酶的酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影响。与水稻相比，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酶[PEPC对CO2的Km为7(μmol·L－1)]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。回答下列问题：(1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是________(填具体名称)，该产物跨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)。(3)某研究将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻，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－磷酸甘油醛蔗糖维管组织(2)高于高光照条件下玉米可以将光合产物及时转移；玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通过PEPC酶生成C4，使维管束鞘内的CO2浓度高于外界环境，抑制玉米的光呼吸(3)酶的活性达到最大，对CO2的利用率不再提高；受到ATP以及NADPH等物质含量的限制；原核生物和真核生物光合作用机制有所不同解析(1)玉米的光合作用过程与水稻相比，虽然CO2的来源不同，但其卡尔文循环的过程是相同的，结合水稻的卡尔文循环图解，可以看出CO2固定的直接产物是3－磷酸甘油酸，然后被还原成3－磷酸甘油醛。3－磷酸甘油醛在叶绿体中被转化成淀粉，在叶绿体外被转化成蔗糖，蔗糖是植物长距离运输的主要糖类，通过维管组织运输。(2)干旱、高光强时会导致植物气孔关闭，吸收的CO2减少，而玉米的PEPC酶与CO2的亲和力高，可以利用低浓度的CO2进行光合作用，同时抑制植物的光呼吸，且玉米能将叶绿体内的光合产物通过维管组织及时转移出细胞。(3)将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻叶肉细胞，只是提高了叶肉细胞内的CO2浓度，而植物的光合作用强度受到很多因素的影响；在光饱和条件下，如果光合作用强度没有明显提高，可能是水稻的酶活性达到最大，对CO2的利用率不再提高，或是受到ATP和NADPH等物质含量的限制，也可能是因为蓝细菌是原核生物，水稻是真核生物，二者的光合作用机制有所不同。4.(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CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收C