热考微专题5三类生物的碳同化机制解读-C3植物和C4植物、CAM途径

热考微专题5三类生物的碳同化机制解读——C3植物和C4植物、CAM途径真题示例例1(2025·山东卷)高光强环境下，植物光合系统吸收的过剩光能会对光合系统造成损伤，引起光合作用强度下降。植物进化出的多种机制可在一定程度上减轻该损伤。某绿藻可在高光强下正常生长，其部分光合过程如图所示。(1)叶绿体膜的基本支架是________________；叶绿体中含有许多由类囊体组成的________，扩展了受光面积。(2)据图分析，生成NADPH所需的电子源自于________________。采用同位素示踪法可追踪物质的去向，用含3H2O的溶液培养该绿藻一段时间后，以其光合产物葡萄糖为原料进行有氧呼吸时，能进入线粒体基质且被3H标记的物质有H2O、________________。离心收集绿藻并重新放入含Heq\o\al(\s\up1(18),\s\do1(2))O的培养液中，在适宜光照条件下继续培养，绿藻产生的带18O标记的气体有____________________________________________。(3)据图分析，通过途径①和途径②消耗过剩的光能减轻光合系统损伤的机制分别为________________________________________________________________________。例2(2024·广东卷)某湖泊曾处于重度富营养化状态，水面漂浮着大量浮游藻类。管理部门通过控源、清淤、换水以及引种沉水植物等手段，成功实现了水体生态恢复。引种的3种多年生草本沉水植物(①金鱼藻、②黑藻、③苦草，答题时植物名称可用对应序号表示)在不同光照强度下光合速率及水质净化能力见图。回答下列问题。(1)湖水富营养化时，浮游藻类大量繁殖，水体透明度低，湖底光照不足。原有沉水植物因光合作用合成的有机物少于______________的有机物，最终衰退和消亡。(2)生态恢复后，该湖泊形成了以上述3种草本沉水植物为优势的群落垂直结构，从湖底到水面依次是________，其原因是__________________________________________。(3)为了达到湖水净化的目的，选择引种上述3种草本沉水植物的理由是________________________________________________________，三者配合能实现综合治理效果。(4)上述3种草本沉水植物中只有黑藻具C4光合作用途径(浓缩CO2形成高浓度C4后，再分解成CO2传递给C5)使其在CO2受限的水体中仍可有效地进行光合作用，在水生植物群落中竞争力较强。根据图甲设计一个简单的实验方案，验证黑藻的碳浓缩优势，完成下列表格。实验设计方案实验材料对照组：____________实验组：黑藻实验条件控制光照强度为________μmol·m－2·s－1营养及环境条件相同且适宜，培养时间相同控制条件________________________测量指标________________________(5)目前在湖边浅水区种植的沉水植物因强光抑制造成生长不良；此外，大量沉水植物叶片凋落，需及时打捞，增加维护成本。针对这两个实际问题从生态学角度提出合理的解决措施：________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。例3(湖南卷)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对CO2的Km为450μmol·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(PEPC对CO2的Km为7μmol·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)。题后拓展1．C4植物的CO2浓缩机制玉米、甘蔗等起源于热带的植物，其叶肉细胞的叶绿体内，在有关酶的催化作用下，CO2首先被一种三碳化合物[磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)]固定，形成一个四碳化合物(C4)。C4进入维管束鞘细胞的叶绿体中，释放出一个CO2，并形成另一种三碳化合物——丙酮酸。释放出来的CO2进入卡尔文循环；丙酮酸则再次进入叶肉细胞中的叶绿体内，在有关酶的催化下，通过ATP提供的能量，转化成PEP，继续固定CO2，具体过程如图所示。注：维管束主要作用是为植物体输导水分、无机盐和有机养料等。这种以四碳化合物(C4)为光合最初产物的途径称为C4途径，而卡尔文循环这种以三碳化合物(C3)为光合最初产物的途径则称为C3途径。相应的植物被称为C4植物和C3植物。热带植物为了防止水分过度蒸发，常常关闭叶片上的气孔，这样空气中的CO2就不易进入叶肉细胞，不能满足光合作用对CO2的需求。而C4途径中能固定CO2的PEP羧化酶对CO2有很高的亲和力，使叶肉细胞能有效地固定和浓缩CO2，供维管束鞘细胞中叶绿体内的C3途径利用。2．景天科植物的CO2固定景天科酸代谢是许多肉质植物的一种特殊代谢方式。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，贮存于液泡中。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，作用机制如图所示(该机制也称CAM途径)。3．C3、C4植物与CAM植物光合作用过程的比较特征C3植物C4植物CAM植物与CO2结合的物质RuBP(C5)PEPPEPCO2固定的最初产物C3C4草酰乙酸CO