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2023高中生物備考-“氣孔與細(xì)胞代謝”解析
　 植物氣孔是植物形態(tài)學(xué)上的重要特征，是植物表皮所特有的結(jié)構(gòu)。氣孔通常多存在于植物體的地上部分，尤其是在葉表皮上，在幼莖、花瓣上也可見到，但多數(shù)沉水植物則沒有。氣孔是植物與外界進(jìn)行氣體交換的孔道和控制蒸騰的結(jié)構(gòu)。通過它的開閉，調(diào)控著植物的氣體交換率和水分蒸騰率，對植物的生活起著極為重要的作用。
氣孔是植物葉片與外界進(jìn)行氣體交換的主要通道。通過氣孔擴散的氣體有O2、CO2和水蒸氣。氣孔的運動可以影響光合作用、細(xì)胞呼吸及蒸騰作用。
1.保衛(wèi)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能
保衛(wèi)細(xì)胞有兩種類型：
一類存在于大多數(shù)植物中，呈腎形；另一類存在于禾本科與莎草科等單子葉植物中，呈啞鈴形。與其他表皮細(xì)胞不同，保衛(wèi)細(xì)胞中有葉綠體和磷酸化酶。保衛(wèi)細(xì)胞與葉肉細(xì)胞也不同，前者葉綠體較小，數(shù)目較少，片層結(jié)構(gòu)發(fā)育不良，且無基粒存在，但能進(jìn)行光合作用。保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)、外壁厚度不同，內(nèi)壁厚，外壁薄，當(dāng)液泡內(nèi)溶質(zhì)增多，細(xì)胞滲透壓上升，吸收鄰近細(xì)胞的水分而膨脹，這時較薄的外壁易于伸長，細(xì)胞向外彎曲，氣孔就張開。反之，當(dāng)溶質(zhì)減少，保衛(wèi)細(xì)胞滲透壓下降而失水縮小，內(nèi)壁伸長互相靠攏，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。
禾本科和莎草科等植物氣孔的保衛(wèi)細(xì)胞呈啞鈴形，其外側(cè)還各具一個副衛(wèi)細(xì)胞，與保衛(wèi)細(xì)胞共同組成氣孔器。
狹義上常把保衛(wèi)細(xì)胞之間形成的凸透鏡狀的小孔稱為氣孔（如圖）。有時與保衛(wèi)細(xì)胞相鄰的還有2～4個副衛(wèi)細(xì)胞，把這些細(xì)胞包括在內(nèi)是廣義的氣孔（或氣孔器）。
氣孔在碳同化、呼吸、蒸騰作用等氣體代謝中，成為空氣和水蒸氣的通路。
2.氣孔的結(jié)構(gòu)及分布
氣孔一般由兩個保衛(wèi)細(xì)胞圍成。保衛(wèi)細(xì)胞通常呈腎形或啞鈴形。腎形的保衛(wèi)細(xì)胞中位于氣孔內(nèi)側(cè)的細(xì)胞壁較薄，堅韌而有彈性；外側(cè)的細(xì)胞壁較厚，可脹縮（圖 A，雙子葉植物）；啞鈴形的保衛(wèi)細(xì)胞其兩端壁薄，中間壁厚（圖B，禾本科植物）。
有些植物，在保衛(wèi)細(xì)胞的四周還有一或多個副衛(wèi)細(xì)胞。副衛(wèi)細(xì)胞常常有一定的排列方式，在植物葉表皮的氣孔下方，常有較大的空隙，叫孔下室?？紫率遗c葉肉組織的細(xì)胞間隙相通連，構(gòu)成葉片內(nèi)部的通氣系統(tǒng)和水分蒸散系統(tǒng)。因此，氣孔的開閉能控制植物的氣體交換和水分蒸散。組成氣孔的保衛(wèi)細(xì)胞含有葉綠體．
3.氣孔的開閉
氣孔的開閉與保衛(wèi)細(xì)胞細(xì)胞壁的厚薄均勻程度密切相關(guān)。氣孔開閉的動力則來自保衛(wèi)細(xì)胞膨壓的變化，當(dāng)保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)的水分增加時，細(xì)胞膨壓增大，腎形的保衛(wèi)細(xì)胞位于孔口邊的胞壁厚，保衛(wèi)細(xì)胞膨脹時向孔口邊彎曲，引起氣孔張開。啞鈴型的保衛(wèi)細(xì)胞兩端球型部分胞壁薄，中部胞壁堅厚。當(dāng)細(xì)胞膨壓提高、體積增大時，其兩端向外膨脹，兩個保衛(wèi)細(xì)胞向?qū)Ψ綌D壓，迫使位于中部的氣孔張開。而當(dāng)膨壓明顯減小時，則正好相反，氣孔趨向關(guān)閉。
4.氣孔數(shù)目與植物類型
對不同植物來說，氣孔在單位面積中的數(shù)目多少及葉片不同部位的分布特點不同。有的植物的上、下表皮均有氣孔，如小麥、玉米、向日葵等；有些植物的氣孔只分布在上表皮，如浮水植物睡蓮、浮萍等；有些植物的氣孔則僅分布于下表皮，如榕樹、百合等；沉水植物如眼子菜、金魚藻等，葉片上一般不具有氣孔。氣孔的分布依植物的種類而異，氣孔數(shù)目較多的植物，氣體交換及蒸騰作用均較快。生長于較為干旱地區(qū)的植物，如夾竹桃等，氣孔分布于下表皮，且深陷于葉肉中，其氣體交換及蒸騰作用都比較慢，可適應(yīng)干旱缺水的環(huán)境。
5.調(diào)節(jié)氣孔開閉的因素
植物氣孔運動主要受自身遺傳因素、時間節(jié)律等因素的控制，但是通過感知外界的環(huán)境信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部信號，植物氣孔的開閉也受到多種環(huán)境因子的調(diào)節(jié)與控制。
（1）水分調(diào)節(jié)
葉片過高或過低的含水量會使氣孔關(guān)閉。如葉子被水飽和時，表皮細(xì)胞含水量高而膨脹，擠壓保衛(wèi)細(xì)胞，氣孔在白天也關(guān)閉。在白天蒸騰強烈時，保衛(wèi)細(xì)胞失水過多，即使在光照下氣孔還是關(guān)閉。
在久晴不雨的干熱天和夏天中午，氣孔導(dǎo)度較小，這主要是由保衛(wèi)細(xì)胞失水，體積變小，細(xì)胞壁伸直而導(dǎo)致；而在久雨之后，細(xì)胞吸水膨脹，保衛(wèi)細(xì)胞受到擠壓無法打開，所以白天也處于關(guān)閉狀態(tài)。
（2）溫度調(diào)節(jié)
一般說來，植物氣孔開放程度隨溫度的增加而增加，提高溫度能增加氣孔的開放度。30℃～50℃時，氣孔可達(dá)最大開度。低溫（10℃）下，雖進(jìn)行長時間光照，氣孔仍很難完全張開。高溫下氣孔增加開度是植物抗熱的保護(hù)機制，它可以通過加強蒸騰作用降低植物體溫。
（3）光調(diào)節(jié)
光是影響氣孔運動的主要因素。在一般情況下，氣孔在光照下開放，在黑暗中關(guān)閉。只有景天科植物例外，其氣孔在晚上開放，而在白天關(guān)閉。這些植物在晚上吸收二氧化碳，并以有機酸的形式貯藏起來，而在白天進(jìn)行光合作用時將其還原。促進(jìn)氣孔開放所需的光量，因植物種類而異，煙草僅需全日光的2.5%就行了，其他植物則要求較高，幾乎需要全日光才行。光影響氣孔開放是由于光合作用引起的。
氣孔對光的這種反應(yīng)保證了大部分植物氣孔只有在進(jìn)行CO2同化的時候才開放，這可保證植物盡可能多地從環(huán)境獲取CO2，盡可能少地減少水分損失。
（4）CO2調(diào)節(jié)
二氧化碳濃度對氣孔的開閉有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，在氣孔下腔細(xì)胞間隙中CO2濃度與氣孔導(dǎo)度之間有一個反饋環(huán): 胞間 CO2濃度降低時，氣孔張開，胞間 CO2增加；反之，高濃度時不管在光照或黑暗條件下都能促進(jìn)氣孔關(guān)閉，胞間 CO2降低。
（5）風(fēng)
微風(fēng)時對氣孔的開閉沒有什么影響，大風(fēng)促使氣孔關(guān)閉，減少開度。
（6）化學(xué)物質(zhì)
醋酸苯汞、阿特拉津、乙酰水楊酸等能抑制氣孔開放，降低蒸騰作用。低濃度的脫落酸溶液灑在葉表面，可抑制氣孔開放達(dá)數(shù)天，并且作用快，在2～10分鐘內(nèi)可使多種植物氣孔開始關(guān)閉。細(xì)胞分裂素可促進(jìn)氣孔開放。
（7）植物激素
細(xì)胞分裂素促進(jìn)氣孔開放，而脫落酸卻引起氣孔關(guān)閉。

6.氣孔運動與各種學(xué)說
關(guān)于氣孔的運動，目前主要存在這樣幾種學(xué)說：
（1）淀粉-糖轉(zhuǎn)化學(xué)說
該學(xué)說認(rèn)為，植物在光下，保衛(wèi)細(xì)胞的葉綠體進(jìn)行光合作用，導(dǎo)致CO2濃度的下降，引起pH升高（約由5變?yōu)?），淀粉磷酸化酶促使淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖-1-P，細(xì)胞里葡萄糖濃度高，滲透壓上升，副衛(wèi)細(xì)胞（或周圍表皮細(xì)胞）的水分通過滲透作用進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞，氣孔開放。黑暗時，光合作用停止，由于呼吸積累CO2和H2CO3，使pH降低，淀粉磷酸化酶促使糖轉(zhuǎn)化為淀粉，保衛(wèi)細(xì)胞里葡萄糖濃度低，滲透壓下降，水分從保衛(wèi)細(xì)胞排出，氣孔關(guān)閉。
（2）無機離子吸收學(xué)說
該學(xué)說認(rèn)為，保衛(wèi)細(xì)胞的滲透壓是由K+濃度調(diào)節(jié)的。光合作用產(chǎn)生的ATP，供給保衛(wèi)細(xì)胞鉀-氫離子交換泵，使K+進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞，于是保衛(wèi)細(xì)胞滲透壓上升，細(xì)胞吸水，氣孔張開。
（3）蘋果酸生成學(xué)說
該學(xué)說認(rèn)為，在光下，保衛(wèi)細(xì)胞進(jìn)行光合作用，由淀粉轉(zhuǎn)化的葡萄糖通過糖酵解作用，轉(zhuǎn)化為磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），同時保衛(wèi)細(xì)胞的CO2濃度減少，pH上升，剩下的CO2大部分轉(zhuǎn)變成碳酸氫鹽（HCO3—），在PEP羧化酶作用下，HCO3—與PEP結(jié)合，形成草酰乙酸，再還原為蘋果酸。蘋果酸會產(chǎn)生H+，ATP使鉀-氫離子交換泵開動，質(zhì)子進(jìn)入副衛(wèi)細(xì)胞或表皮細(xì)胞，而K+進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞，于是保衛(wèi)細(xì)胞滲透壓上升，細(xì)胞吸水，氣孔張開。
專項訓(xùn)練
1.保衛(wèi)細(xì)胞吸水膨脹使植物氣孔張開。適宜條件下，制作紫鴨跖草葉片下表皮臨時裝片，觀察蔗糖溶液對氣孔開閉的影響，圖為操作及觀察結(jié)果示意圖。下列敘述錯誤的是（ ）
A. 比較保衛(wèi)細(xì)胞細(xì)胞液濃度，③處理后>①處理后
B. 質(zhì)壁分離現(xiàn)象最可能出現(xiàn)在滴加②后的觀察視野中
C. 滴加③后有較多水分子進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞
D. 推測3種蔗糖溶液濃度高低為②>①>③
2.將生長在水分正常土壤中的某植物通過減少澆水進(jìn)行干旱處理，該植物根細(xì)胞中溶質(zhì)濃度增大，葉片中的脫落酸(ABA)含量增高，葉片氣孔開度減小。回答下列問題。
(1)經(jīng)干旱處理后，該植物根細(xì)胞的吸水能力________。
(2)與干旱處理前相比，干旱處理后該植物的光合速率會________，出現(xiàn)這種變化的主要原因是___________。
(3)有研究表明：干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的。請以該種植物的ABA缺失突變體(不能合成ABA)植株為材料，設(shè)計實驗來驗證這一結(jié)論。要求簡要寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果。
3.生活在干旱地區(qū)的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。這類植物晚上氣孔打開吸收CO2，吸收的CO2通過生成蘋果酸儲存在液泡中；白天氣孔關(guān)閉，液泡中儲存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用?；卮鹣铝袉栴}：
(1)白天葉肉細(xì)胞產(chǎn)生ATP的場所有________。光合作用所需的CO2來源于蘋果酸脫羧和_____釋放的CO2。
(2)氣孔白天關(guān)閉、晚上打開是這類植物適應(yīng)干旱環(huán)境的一種方式，這種方式既能防止_________，又能保證________正常進(jìn)行。
(3)若以pH作為檢測指標(biāo)，請設(shè)計實驗來驗證植物甲在干旱環(huán)境中存在這種特殊的CO2固定方式。(簡要寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果)
4.為探究水和氮對光合作用的影響，研究者將一批長勢相同的玉米植株隨機均分成三組，在限制水肥的條件下做如下處理：(1)對照組；(2)施氮組，補充尿素12(g·m－2)；(3)水＋氮組，補充尿素12(g·m－2)同時補水。檢測相關(guān)生理指標(biāo)，結(jié)果見下表。
回答下列問題：
(1)植物細(xì)胞中自由水的生理作用包括_____________等(寫出兩點即可)。
補充水分可以促進(jìn)玉米根系對氮的_________，提高植株氮供應(yīng)水平。
(2)參與光合作用的很多分子都含有氮。氮與________離子參與組成的環(huán)式結(jié)構(gòu)使葉綠素能夠吸收光能，用于驅(qū)動________________兩種物質(zhì)的合成以及________________的分解；RuBP羧化酶將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)轸然拥絖_______分子上，反應(yīng)形成的產(chǎn)物被還原為糖類。
(3)施氮同時補充水分增加了光合速率，這需要足量的CO2供應(yīng)。據(jù)實驗結(jié)果分析，葉肉細(xì)胞CO2供應(yīng)量增加的原因是_____________。
5.不同光質(zhì)及其組合會影響植物代謝過程。以某高等綠色植物為實驗材料，研究不同光質(zhì)對植物光合作用的影響，實驗結(jié)果如圖1，其中氣孔導(dǎo)度大表示氣孔開放程度大。該高等植物葉片在持續(xù)紅光照射條件下，用不同單色光處理（30s/次），實驗結(jié)果如圖2，圖中“藍(lán)光+綠光”表示先藍(lán)光后綠光處理，“藍(lán)光+綠光+藍(lán)光”表示先藍(lán)光再綠光后藍(lán)光處理。
回答下列問題：
(1)高等綠色植物葉綠體中含有多種光合色素，常用____________方法分離。光合色素吸收的光能轉(zhuǎn)化為ATP和NADPH中的化學(xué)能、可用于碳反應(yīng)中____________的還原。
(2)據(jù)分析，相對于紅光，藍(lán)光照射下胞間CO2濃度低，其原因是____________。氣孔主要由保衛(wèi)細(xì)胞構(gòu)成、保衛(wèi)細(xì)胞吸收水分氣孔開放、反之關(guān)閉，由圖2可知，綠光對藍(lán)光刺激引起的氣孔開放具有阻止作用，但這種作用可被____________光逆轉(zhuǎn)。由圖1圖2可知藍(lán)光可刺激氣孔開放，其機理是藍(lán)光可使保衛(wèi)細(xì)胞光合產(chǎn)物增多，也可以促進(jìn)K+、Cl-的吸收等，最終導(dǎo)致保衛(wèi)細(xì)胞____________，細(xì)胞吸水，氣孔開放。
(3)生產(chǎn)上選用__________LED燈或濾光性薄膜獲得不同光質(zhì)環(huán)境，用于某些藥用植物的栽培。紅光和藍(lán)光以合理比例的____________或____________、合理的光照次序照射，利于次生代謝產(chǎn)物的合成。
6.植物葉片表皮上分布有大量的氣孔。保衛(wèi)細(xì)胞吸水后，會膨脹變形，氣孔開啟；反之細(xì)胞失水收縮，氣孔關(guān)閉。請以放置一小段時間的菠菜為材料設(shè)計一個實驗，證明氣孔具有開啟和關(guān)閉的功能。要求寫出實驗材料與主要用具、實驗步驟、預(yù)測實驗結(jié)果并作出解釋。
7.某植物在停止供水和恢復(fù)供水條件下，氣孔開度(即氣孔開放程度)與光臺速率的變化如圖所示.請回答:
（1）停止供水后，光合速率下降。這是由于水是 的原料，又是光合產(chǎn)物在植物體內(nèi) 的主要介質(zhì)。
（2）在溫度、光照相同的條件下，圖中A點與B點相比，光飽和點低的是 點，其主要原因是 。
（3）停止供水一段時間后，葉片發(fā)黃，原因是 。此時類囊體結(jié)構(gòu)破壞，提供給暗反應(yīng)的 減少。
（4）生產(chǎn)實踐中，可適時噴施植物激素中的 ，起到調(diào)節(jié)氣孔開度的作用。
參考答案
1．A
2．（1）增強
（2）降低；氣孔開度減小使供應(yīng)給光合作用所需的CO2減少
（3）取ABA缺失突變體植株在正常條件下測定氣孔開度，經(jīng)干旱處理后，再測定氣孔開度。預(yù)期結(jié)果是干旱處理前后氣孔開度不變。
將上述干旱處理的ABA缺失突變體植株分成兩組，在干旱條件下，一組進(jìn)行ABA處理，另一組作為對照，一段時間后，分別測定兩組的氣孔開度。預(yù)期結(jié)果是ABA處理組氣孔開度減小，對照組氣孔開度不變。
3． 1 ）線粒體，葉綠體，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) 細(xì)胞呼吸（呼吸作用）
（ 2 ）白天氣孔打開，蒸騰作用過強，植物失水過多
白天光合作用所需 CO2 的供應(yīng)，使得暗反應(yīng)
（ 3 ）實驗思路：
①取生長在干旱環(huán)境下，生理狀態(tài)相同的植物*若干。
②分別在白天 12 點、 14 點、 16 點和 18 點；夜間 12 點、 2 點、 4 點和 6 點取等量葉片。
③用纖維素酶和果膠酶去壁，放在蒸餾水中吸水脹破
④測溶液中的 PH 值
預(yù)期結(jié)果：白天 PH 均高于晚間 PH ，隨著夜間時間的延長， pH 值越低
4．細(xì)胞內(nèi)良好的溶劑，能夠參與生化反應(yīng)，能為細(xì)胞提供液體環(huán)境，還能運送營養(yǎng)物質(zhì)和代謝廢物 主動吸收 鎂 ATP和NADPH（或[H]） 水 C5（或RuBP） 氣孔導(dǎo)度增加，CO2吸收量增多，同時RuBP羧化酶活性增大，使固定CO2的效率增大
5．（1）層析 3-磷酸甘油酸
（2）光合速率大，消耗的二氧化碳多 藍(lán) 溶質(zhì)濃度升高
（3）不同顏色 光強度 光照時間
6.解析：本題以氣孔的結(jié)構(gòu)和開閉原理為素材，考查細(xì)胞滲透吸水的實驗原理和相關(guān)技能。解題關(guān)鍵之一是認(rèn)真閱讀試題，弄清實驗?zāi)康暮托再|(zhì)，二是正確判斷氣孔開啟、關(guān)閉與外界溶液之間的關(guān)系，三是要熟悉和掌握臨時裝片的制片過程及顯微鏡的正確操作步驟。
答案：實驗材料與主要用具：菠菜、清水、濃鹽水、載玻片、蓋玻片、顯微鏡、吸水紙、滴管、鑷子等。實驗步驟：①取菠菜葉，用鑷子剝?nèi)”砥ぁ＂谠谳d玻片上滴一滴清水，將表皮放入清水中，蓋上蓋玻片，制成臨時裝片。③將臨時裝片放在顯微鏡的載物臺上，先在低倍鏡下找到氣孔，移動到視野中央，再換高倍鏡進(jìn)行觀察，記錄觀察到的氣孔狀況。④在蓋玻片的一側(cè)滴上濃鹽水，在另一側(cè)用吸水紙吸取蓋玻片下的液體，反復(fù)做幾次。⑤繼續(xù)觀察氣孔的變化，并做記錄。預(yù)測實驗結(jié)果并作出解釋：在清水中氣孔應(yīng)開啟，因為當(dāng)細(xì)胞液濃度大于細(xì)胞外溶液濃度時，保衛(wèi)細(xì)胞吸水膨脹變形，氣孔開啟。在濃鹽水中氣孔應(yīng)關(guān)閉，因為當(dāng)細(xì)胞液濃度小于細(xì)胞外溶液濃度時，保衛(wèi)細(xì)胞失水收縮，氣孔關(guān)閉。
7.解析：本題以圖像的形式考查光合作用的過程及其影響因素，旨在考查學(xué)生的信息獲取能力及分析推理能力。
（1）水是光合作用光反應(yīng)的原料。同時，物質(zhì)在植物體內(nèi)的運輸離不開水。
（2）觀察圖知，B點氣孔開度降低，植物CO2吸收減少，所以B點在較低光照強度下即達(dá)到飽和。
（3）葉綠素的顏色是綠色，類胡蘿卜素的顏色是黃色。葉片發(fā)黃說明葉綠素含量減少，類胡蘿卜素占據(jù)優(yōu)勢。葉綠素含量減少可能是缺水導(dǎo)致體內(nèi)相關(guān)代謝減慢所致。類囊體是光反應(yīng)的場所，光反應(yīng)可以為暗反應(yīng)提供[H]和ATP。
（4）植物激素中的脫落酸可以使氣孔關(guān)閉。

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