資源簡介

(共21張PPT)
解惑練1
C3植物、C4植物和CAM植物
自然界中的綠色植物根據光合作用暗反應過程中CO2的固定途徑不同可以分為C3、C4和CAM三種類型。
1.C3途徑：也稱卡爾文循環，整個循環由RuBP(C5)與CO2的羧化開始到RuBP(C5)再生結束，在葉綠體基質中進行，可合成蔗糖、淀粉等多種有機物。常見C3植物有大麥、小麥、大豆、菜豆、水稻、馬鈴薯等。
2.C4途徑：研究玉米的葉片結構發現，玉米的維管束
鞘細胞和葉肉細胞緊密排列(如圖1)。葉肉細胞中的葉
綠體有類囊體能進行光反應，同時，CO2被整合到C4
化合物中，隨后C4化合物進入維管束鞘細胞，維管束
鞘細胞中沒有完整的葉綠體，在維管束鞘
細胞中，C4化合物釋放出的CO2參與卡爾文
循環，進而生成有機物(如圖2)。PEP羧化酶
被形象地稱為“CO2泵”，它提高了C4植物
固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有較
強光合作用(特別是在高溫、光照強烈、干旱條件下)能力，并且無光合午休現象。常見C4植物有玉米、甘蔗、高粱、莧菜等。
3.CAM途徑：CAM植物夜間吸進CO2，淀粉經糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，CO2與PEP結合，生成草酰乙酸，進一步還原為蘋果酸儲存在液泡中。從而表現出夜間淀粉減少，蘋果酸增加，細胞液pH下降。而白天氣孔關閉，蘋果酸轉移到細胞質中脫羧，放出CO2，進入C3途徑合成淀粉；形成的丙酮
酸可以形成PEP再還原成三碳糖，
最后合成淀粉或者轉移到線粒體，
進一步氧化釋放CO2，又可進入
C3途徑。從而表現出白天淀粉增
加，蘋果酸減少，細胞液pH上升。
常見的CAM植物有菠蘿、蘆薈、
蘭花、百合、仙人掌等。
歸納總結
C3植物、C4植物和CAM植物的比較
特征 C3植物 C4植物 CAM植物
與CO2結合的物質 RuBP(C5) PEP PEP
CO2固定的最初產物 C3 C4 草酰乙酸
CO2固定的時間 白天 白天 夜晚和白天
光反應的場所 葉肉細胞類囊體薄膜 葉肉細胞類囊體薄膜 葉肉細胞類囊體薄膜
卡爾文循環的場所 葉肉細胞的葉綠體基質 維管束鞘細胞的葉綠體基質 葉肉細胞的葉綠體基質
有無光合午休 有 無 無
歸納總結
C3植物、C4植物和CAM植物的比較
C3途徑是碳同化的基本途徑，C4途徑和CAM途徑都只起固定CO2的作用，最終還是通過C3途徑合成有機物。
1.自然界的植物豐富多樣，對環境的
適應各有差異，自卡爾文發現光合作
用中碳元素的行蹤后，又有科學家發
現碳元素行蹤的其他路徑。請據圖回
答下列問題：
跟蹤訓練
(1)圖1是C3植物碳元素代謝途徑的示意圖。①②③④代表的是物質，A、B、C、D代表的是生理過程，則①④依次是______、_____；D過程是_____________________，ATP的合成除發生在A過程外，還發生在_____
(填字母)過程。
跟蹤訓練
氧氣
C5
有氧呼吸第二、三階段
C、D
(2)C3植物在干旱、炎熱的環境中，由于氣孔關閉造成________________
________________________，從而不利于光合作用。
跟蹤訓練
CO2不能進入葉片，
同時引起O2在細胞內積累
(3)圖2是C4植物和CAM植物利用CO2途徑的示意圖。據圖分析，這兩類植物固定CO2的酶比C3植物多一種________酶，該酶比Rubisco對CO2的親和力大且不與O2親和，具有該酶的植物更能適應___________的環境。
跟蹤訓練
PEP羧化
低CO2濃度
(4)由圖2可知，C4植物是在不同_____進行CO2的固定，而CAM植物是在不同_____進行CO2固定。典型的CAM植物如仙人掌在夜晚吸收的CO2能否立即用于C3途徑？_______
(填“能”或“不能”)，可能的原因是___________________________
_______________________________________。
跟蹤訓練
細胞
時間
不能
沒有光照，光反應不能正常進行，無法為暗反應提供足夠ATP和NADPH
2.(2021·遼寧，22)早期地球大氣中的O2濃度很低，到了大約3.5億年前，大氣中O2濃度顯著增加，CO2濃度明顯下降。現在大氣中的CO2濃度約390 μmol·mol－1，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是一種催化CO2固定的酶，在低濃度CO2條件下，催化效率低。有些植物在進化過程中形成了CO2濃縮機制，極大地提高了Rubisco所在局部空間位置的CO2濃度，促進了CO2的固定。回答下列問題：
(1)真核細胞葉綠體中，在Rubisco的催化下，CO2被固定形成__________，進而被還原生成糖類，此過程發生在___________中。
跟蹤訓練
三碳化合物
葉綠體基質
細胞呼吸和光合作用
葉綠體
跟蹤訓練
跟蹤訓練
跟蹤訓練
①由這種CO2濃縮機制可以推測，PEPC與無機碳的親和力______(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。
高于
跟蹤訓練
②圖2所示的物質中，可由光合作用光反應提供的是______________。圖中由Pyr轉變為PEP的過程屬于_________(填“吸能反應”或“放能反應”)。
NADPH和ATP
吸能反應
跟蹤訓練
跟蹤訓練
圖2所示的物質中，可由光合作用光反應提供的是ATP和NADPH，圖中由Pyr轉變為PEP的過程需要消耗ATP，說明圖中由Pyr轉變為PEP的過程屬于吸能反應。
③若要通過實驗驗證某植物在上述CO2濃縮機制中碳的轉變過程及相應場所，可以使用___________技術。
同位素示蹤
跟蹤訓練
B.改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成
C.改造植物的Rubisco基因，增強CO2固定能力
D.將CO2濃縮機制相關基因轉入不具備此機制的植物
(4)通過轉基因技術或蛋白質工程技術，可能進一步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理的有_____。
AC
跟蹤訓練
改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成，不利于最終CO2的生成，不能提高植物光合作用的效率，B不符合題意；
將CO2濃縮機制相關基因轉入不具備此機制的植物，不一定提高植物光合作用的效率，D不符合題意。
跟蹤訓練自然界中的綠色植物根據光合作用暗反應過程中CO2的固定途徑不同可以分為C3、C4和CAM三種類型。
1．C3途徑：也稱卡爾文循環，整個循環由RuBP(C5)與CO2的羧化開始到RuBP(C5)再生結束，在葉綠體基質中進行，可合成蔗糖、淀粉等多種有機物。常見C3植物有大麥、小麥、大豆、菜豆、水稻、馬鈴薯等。
2．C4途徑：研究玉米的葉片結構發現，玉米的維管束鞘細胞和葉肉細胞緊密排列(如圖1)。葉肉細胞中的葉綠體有類囊體能進行光反應，同時，CO2被整合到C4化合物中，隨后C4化合物進入維管束鞘細胞，維管束鞘細胞中沒有完整的葉綠體，在維管束鞘細胞中，C4化合物釋放出的CO2參與卡爾文循環，進而生成有機物(如圖2)。PEP羧化酶被形象地稱為“CO2泵”，它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有較強光合作用(特別是在高溫、光照強烈、干旱條件下)能力，并且無光合午休現象。常見C4植物有玉米、甘蔗、高粱、莧菜等。
3．CAM途徑：CAM植物夜間吸進CO2，淀粉經糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，CO2與PEP結合，生成草酰乙酸，進一步還原為蘋果酸儲存在液泡中。從而表現出夜間淀粉減少，蘋果酸增加，細胞液pH下降。而白天氣孔關閉，蘋果酸轉移到細胞質中脫羧，放出CO2，進入C3途徑合成淀粉；形成的丙酮酸可以形成PEP再還原成三碳糖，最后合成淀粉或者轉移到線粒體，進一步氧化釋放CO2，又可進入C3途徑。從而表現出白天淀粉增加，蘋果酸減少，細胞液pH上升。常見的CAM植物有菠蘿、蘆薈、蘭花、百合、仙人掌等。
歸納總結　C3植物、C4植物和CAM植物的比較
特征 C3植物 C4植物 CAM植物
與CO2結合的物質 RuBP(C5) PEP PEP
CO2固定的最初產物 C3 C4 草酰乙酸
CO2固定的時間 白天 白天 夜晚和白天
光反應的場所 葉肉細胞類囊體薄膜 葉肉細胞類囊體薄膜 葉肉細胞類囊體薄膜
卡爾文循環的場所 葉肉細胞的葉綠體基質 維管束鞘細胞的葉綠體基質 葉肉細胞的葉綠體基質
有無光合午休 有 無 無
C3途徑是碳同化的基本途徑，C4途徑和CAM途徑都只起固定CO2的作用，最終還是通過C3途徑合成有機物。
跟蹤訓練
1．自然界的植物豐富多樣，對環境的適應各有差異，自卡爾文發現光合作用中碳元素的行蹤后，又有科學家發現碳元素行蹤的其他路徑。請據圖回答下列問題：
(1)圖1是C3植物碳元素代謝途徑的示意圖。①②③④代表的是物質，A、B、C、D代表的是生理過程，則①④依次是________、__________；D過程是__________________，ATP的合成除發生在A過程外，還發生在________(填字母)過程。
(2)C3植物在干旱、炎熱的環境中，由于氣孔關閉造成__________________________，從而不利于光合作用。
(3)圖2是C4植物和CAM植物利用CO2途徑的示意圖。據圖分析，這兩類植物固定CO2的酶比C3植物多一種________酶，該酶比Rubisco對CO2的親和力大且不與O2親和，具有該酶的植物更能適應________________的環境。
(4)由圖2可知，C4植物是在不同________進行CO2的固定，而CAM植物是在不同________進行CO2固定。典型的CAM植物如仙人掌在夜晚吸收的CO2能否立即用于C3途徑？________(填“能”或“不能”)，可能的原因是______________________________________。
2．(2021·遼寧，22)早期地球大氣中的O2濃度很低，到了大約3.5億年前，大氣中O2濃度顯著增加，CO2濃度明顯下降。現在大氣中的CO2濃度約390 μmol·mol－1，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是一種催化CO2固定的酶，在低濃度CO2條件下，催化效率低。有些植物在進化過程中形成了CO2濃縮機制，極大地提高了Rubisco所在局部空間位置的CO2濃度，促進了CO2的固定。回答下列問題：
(1)真核細胞葉綠體中，在Rubisco的催化下，CO2被固定形成______________，進而被還原生成糖類，此過程發生在________________中。
(2)海水中的無機碳主要以CO2和HCO兩種形式存在，水體中CO2濃度低、擴散速度慢，有些藻類具有圖1所示的無機碳濃縮過程，圖中HCO濃度最高的場所是________(填“細胞外”或“細胞質基質”或“葉綠體”)，可為圖示過程提供ATP的生理過程有_____________。
(3)某些植物還有另一種CO2濃縮機制，部分過程見圖2。在葉肉細胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可將HCO轉化為有機物，該有機物經過一系列的變化，最終進入相鄰的維管束鞘細胞釋放CO2，提高了Rubisco附近的CO2濃度。
①由這種CO2濃縮機制可以推測，PEPC與無機碳的親和力____________(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。
②圖2所示的物質中，可由光合作用光反應提供的是_________________________________。
圖中由Pyr轉變為PEP的過程屬于__________________________________(填“吸能反應”或“放能反應”)。
③若要通過實驗驗證某植物在上述CO2濃縮機制中碳的轉變過程及相應場所，可以使用________________技術。
(4)通過轉基因技術或蛋白質工程技術，可能進一步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理的有______________________。
A．改造植物的HCO轉運蛋白基因，增強HCO的運輸能力
B．改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成
C．改造植物的Rubisco基因，增強CO2固定能力
D．將CO2濃縮機制相關基因轉入不具備此機制的植物

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