資源簡介

新人教生物一輪復習學案
第9講 光與光合作用
【素養目標】　1.基于對葉綠體結構的認知，認同葉綠體的結構與功能相適應的觀點，并能理解光合作用的場所在葉綠體中。(生命觀念)　2.通過分析比較光反應和暗反應中物質和能量的變化，理解二者之間的關系，進而掌握光合作用的過程，并能形成光合作用通過合成有機物，儲存能量的物質和能量觀。(生命觀念　科學思維)　3.學會使用簡單的實驗器具，提取和分離葉綠體中的色素，探究影響光合作用的環境因素，并記錄實驗結果。(科學探究)　4.通過對影響光合作用環境因素在農業生產中的應用的學習，增強關注社會生產生活的意識。(社會責任)
考點一　捕獲光能的色素和結構
1．綠葉中色素的提取和分離
(1)實驗原理
(2)實驗步驟
(3)實驗結果
色素種類 色素顏色 色素含量 溶解度 擴散速度
胡蘿卜素 橙黃色 最少 最高 最快
葉黃素 黃色 較少 較高 較快
葉綠素a 藍綠色 最多 較低 較慢
葉綠素b 黃綠色 較多 最低 最慢
2.葉綠體的結構及其中的色素
(1)葉綠體的結構
①結構模式圖
②功能：進行光合作用的場所。
(2)色素的吸收光譜
由圖可以看出：
①葉綠體中的色素只吸收可見光，而對紅外光和紫外光等不吸收。
②葉綠素主要吸收紅光和藍紫光，類胡蘿卜素主要吸收藍紫光。
【拾遺補缺】　(1)源于必修1 P99“學科交叉”和圖5－12：光是一種電磁波。可見光的波長范圍大約是400～760 nm。一般情況下，光合作用所利用的光都是可見光。
(2)源于必修1 P97“問題探討”：生產上，用何種顏色的玻璃、塑料薄膜做溫室大棚的頂棚產量高？陰天時，在功率相同的情況下，應該選擇什么顏色的照明燈為蔬菜補充光源？
提示　無色，因為日光中各種顏色的光均能通過，作物光合效率高。陰天時，應選擇補紅光和藍紫光的照明燈。
(1)提取色素時加碳酸鈣的目的是使研磨更充分(　　)
(2)綠葉中含量越多的色素，其在濾紙條上擴散得越快(　　)
(3)葉綠素a和葉綠素b只吸收紅光和藍紫光(　　)
(4)植物葉片之所以呈現綠色，是因為葉片中的葉綠體吸收了綠光(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×
實驗出現異常現象的原因分析
(1)濾紙條上色素帶顏色過淺的原因分析
①未加二氧化硅或研磨不充分，色素未充分提取出來。
②使用放置數天的綠葉或綠葉用量少，濾液中的色素(葉綠素)含量太少。
③一次加入的無水乙醇過多，導致提取液濃度太低。
④未加碳酸鈣或加入過少，色素分子被破壞。
⑤畫濾液細線次數過少。
⑥選用的綠葉葉脈過多，葉肉細胞過少。
(2)濾紙條色素帶重疊：濾紙條未經干燥處理，濾液細線不能達到細、齊、直的要求，使色素擴散不一致。
(3)濾紙條看不到色素帶：①忘記畫濾液細線；②濾液細線觸及層析液，色素全部溶解到層析液中。
(4)濾紙條只呈現胡蘿卜素、葉黃素的色素帶：忘記加碳酸鈣導致葉綠素被破壞或所用葉片為“黃葉”。
[典例剖析]
(2022·成都高三模擬)通常情況下，藍細菌依賴葉綠素a來收集、轉化可見光，用于光合作用。研究發現某些藍細菌在近紅外光環境下生長時，含有葉綠素a的光合系統會失效，而含有葉綠素f的光合系統會啟動。進一步研究發現，葉綠素f能吸收、轉化紅外光，用于光合作用。下列有關敘述正確的是(　　)
A．培養藍細菌研究光合作用時，需提供葡萄糖作為碳源
B．葉綠素f主要分布在藍細菌葉綠體類囊體薄膜上
C．葉綠素f能夠吸收、轉化紅外光，體現了藍細菌對環境的適應
D．在正常光照條件下，藍細菌會同時吸收可見光和紅外光進行光合作用
C　[藍細菌是自養生物，不從外界吸收葡萄糖，培養藍細菌研究光合作用時，不需提供葡萄糖作為碳源，A錯誤；藍細菌是原核生物，沒有葉綠體，B錯誤；某些藍細菌在近紅外光環境下生長時，含有葉綠素f的光合系統會啟動。進一步研究發現，葉綠素f能吸收、轉化紅外光，用于光合作用。葉綠素f能夠吸收、轉化紅外光，體現了藍細菌對環境的適應，C正確；在正常光照條件下，藍細菌光合作用依賴葉綠素a來收集、轉化可見光，用于光合作用，不能吸收紅外光進行光合作用，D錯誤。]
【名師點撥】　掌握信息轉化能力
信息提取 信息1：藍細菌
信息2：近紅外光環境下生長時，含有葉綠素a的光合系統會失效，而含有葉綠素f的光合系統會啟動
信息3：葉綠素f能吸收、轉化紅外光，用于光合作用
信息轉化 1.藍細菌是原核生物，無葉綠體
2.葉綠素種類決定利用的光質種類
3.葉綠素f能利用紅外光進行光合作用
素養考查 生命觀念：結構與功能觀 科學思維：抽象與概括能力
【角度轉換】　提升語言表達能力
綠色植物和藍細菌所含色素的種類相同嗎？不相同。綠色植物主要含葉綠素和類胡蘿卜素，而藍細菌主要含葉綠素和藻藍素。
考向一　實驗的基本原理和過程分析
1．(2023·遼寧名校聯盟高三聯考)某同學在進行“綠葉中色素的提取和分離”的實驗中，出現了如圖所示的結果，出現該結果最可能的原因是(　　)
A．取材時選用的是萎蔫的綠葉
B．研磨時沒有加入碳酸鈣
C．畫濾液細線時沒有重復畫一到兩次
D．層析時濾液細線觸及層析液
B　[取材時選用的是萎蔫的綠葉不影響各色素含量的相對值，A錯誤；研磨時沒有加入碳酸鈣，會導致葉綠素被破壞，而出現圖示情況，B正確；畫濾液細線時沒有重復畫一到兩次，不影響各色素含量的相對值，C錯誤；層析時濾液細線觸及層析液會導致濾紙條上無色素帶出現，D錯誤。]
2．(2022·重慶高三檢測)為了探究各因素對菠菜葉綠體色素提取實驗的影響，某研究小組進行了如下表所示實驗：
組別 SiO2 CaCO3 過濾材料 實驗總時間
甲組 較少 適量 紗布 10 min
乙組 適量 較少 紗布 10 min
丙組 適量 適量 濾紙 10 min
丁組 適量 適量 紗布 60 min
戊組 適量 適量 紗布 10 min
用紙層析法分離色素，與戊組對比，下列對甲～丁組實驗結果的分析，不合理的是(　　)
A．甲組濾紙條上的各種色素條帶都較窄
B．乙組濾紙條上呈綠色的條帶窄一些，呈黃色的條帶差異不大
C．丙組濾紙條上各種色素條帶的顏色明顯深一些
D．丁組濾紙條上各種色素條帶的顏色淺一些
C　[SiO2有助于研磨細胞，甲組加入的較少，各色素含量都降低，A正確；CaCO3可以保護葉綠素不被酸性物質破壞，類胡蘿卜素較穩定，B正確；丙組用濾紙過濾，色素會大量吸附在濾紙上，各色素條帶顏色都應該變淺，C錯誤；操作時間過長，色素易分解，D正確。]
考向二　色素的種類和功能
3．(2022·湖北卷，12)某植物的2種黃葉突變體表現型(表型)相似，測定各類植株葉片的光合色素含量(單位：μg·g－1)，結果如下表。下列有關敘述正確的是(　　)
植株類型 葉綠素a 葉綠素b 類胡蘿卜素 葉綠素/類胡蘿卜素
野生型 1 235 519 419 4.19
突變體1 512 75 370 1.59
突變體2 115 20 379 0.36
A．兩種突變體的出現增加了物種多樣性
B．突變體2比突變體1吸收紅光的能力更強
C．兩種突變體光合色素的含量差異，是由不同基因的突變所導致的
D．葉綠素與類胡蘿卜素的比值大幅下降可導致突變體的葉片呈黃色
D　[兩種突變體屬于同一物種，二者的存在沒有增加物種的種類，但是增加了基因的類型，因此增加了基因多樣性，A錯誤；從色素含量上看，突變體2的葉綠素含量低于突變體1，類胡蘿卜素的含量差異不大，葉綠素主要吸收紅光和藍紫光，因此突變體2比突變體1吸收紅光的能力差，B錯誤；雖然兩種突變體的類胡蘿卜素含量基本相同，葉綠素含量有差異，但光合色素含量均低于野生型，且兩種突變體的表現型(表型)相似，因此二者可能是由相同基因的突變所導致的，C錯誤；兩種突變體中葉綠素與類胡蘿卜素的比值下降，葉片變黃，D正確。]
4．(2022·石家莊高三模擬)某科研小組對不同光照強度條件下生長的柑橘進行研究，如下表為實驗結果，下列相關敘述正確的是(　　)
光照強度 葉色 平均葉面積/(cm2) 氣孔密度(個·mm－2) 凈光合速率/(μmol CO2·m－2·s－1)
強 淺綠 13.6(100%) 826(100%) 4.33(100%)
中 綠 20.3(149%) 768(93%) 4.17(96%)
弱 深綠 28.4(209%) 752(91%) 3.87(89%)
(注：括號內的百分數以強光照的數據作為參考)
A．一定范圍內，柑橘植株的有機物積累速率會隨著光照強度的升高而增大
B．對強光下生長的柑橘突然遮光，短時間內葉片中C5的含量增多
C．一定范圍內，隨著光照強度的增大，氣孔密度減少以免植株過度失水
D．在弱光下，葉片只能通過增加葉面積吸收更多光能以適應弱光環境
A　[凈光合速率可用有機物的積累速率來表示，由上表可知，一定范圍內，柑橘植株凈光合速率會隨著光照強度的升高而增大，A正確；對強光下生長的柑橘植株突然遮光，光反應階段減弱，C3還原產生C5的速率減慢，C5的消耗速率不變，所以短時間內葉片中C5的含量減少，B錯誤；分析題表可知，一定范圍內，隨著光照強度的增大，氣孔密度增加以吸收更多的CO2進行光合作用，C錯誤；表中信息顯示，在弱光下，葉片可通過增加葉綠素含量和葉面積來吸收更多的光能，以適應弱光環境，D錯誤。]
考點二　光合作用的過程
1．探索光合作用原理的部分實驗
時間/發現者 內容
19世紀末 科學界普遍認為，在光合作用中，CO2分子的C和O被分開，O2被釋放，C與H2O結合成甲醛，然后甲醛分子縮合成糖
1928年 科學家發現甲醛對植物有毒害作用，而且甲醛不能通過光合作用轉化成糖
1937年希爾(英國) 在離體葉綠體的懸浮液中加入鐵鹽或其他氧化劑(懸浮液中有H2O，沒有CO2)，在光照下可以釋放出氧氣
1941年魯賓、卡門 (美國) 用同位素示蹤的方法，研究了光合作用中氧氣的來源，HO＋CO2―→植物―→18O2，H2O＋C18O2―→植物―→O2，得出光合作用釋放的氧全部來自水
1954年阿爾農(美國) 在光照下，葉綠體可合成ATP，這一過程總是與水的光解相伴隨
2.光合作用過程
(1)光反應階段
①條件：有光。
②場所：類囊體薄膜。
③物質變化
a．將H2O分解為氧和H＋，其中H＋與NADP＋結合形成NADPH。
b．使ADP和Pi反應形成ATP。
④能量變化
將光能轉化為儲存在ATP和NADPH中的化學能。
(2)暗反應階段
①條件：有沒有光都能進行。
②場所：葉綠體基質。
③過程(卡爾文循環)
a．CO2的固定：C5＋CO22C3。
b．C3的還原：2C3(CH2O)＋C5。
④能量變化：NADPH、ATP中活躍的化學能變為有機物中穩定的化合能。
【拾遺補缺】　源于必修1 P104“相關信息”：C3是指三碳化合物——3－磷酸甘油酸，C5是指五碳化合物——核酮糖－1，5－二磷酸(RuBP)。
3．反應式
(1)產物為(CH2O)：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。
(2)產物為C6H12O6：6CO2＋12H2OC6H12O6＋6O2＋6H2O。
(3)元素的轉移途徑
①H：3H2ONADPH(C3H2O)。
②C：14CO214C3(14CH2O)。
③O：HO18O2；C18O2C3(CHO)。
【拾遺補缺】　(1)源于必修1 P104“相關信息”：光合作用的產物有一部分是淀粉，還有一部分是蔗糖。蔗糖可以進入篩管，再通過韌皮部運輸到植株各處。
(2)源于必修1 P106“小字部分”：光合作用和化能合成作用的比較
項目 光合作用 化能合成作用
區別 能量來源 光能 無機物氧化釋放的能量
代表生物 綠色植物 硝化細菌
相同點 都能將CO2和H2O等無機物合成有機物
(1)在真核細胞內，能進行光合作用的色素分布在葉綠體以及液泡中(　　)
(2)植物在夜晚不能進行光反應，只能進行暗反應(　　)
(3)光合作用中ATP的移動方向是從葉綠體基質到類囊體薄膜(　　)
(4)光合作用過程中產生的ATP可以為細胞內的各項生命活動提供能量(　　)
(5)14CO2中14C的轉移途徑是14CO2→14C3→14C5→(14CH2O)(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×
1．光反應和暗反應的比較
項目 光反應 暗反應
條件 光、色素、酶 ATP、NADPH、CO2、多種酶
場所 類囊體薄膜 葉綠體基質
物質變化 水的光解、ATP的合成 CO2的固定、C3的還原、ATP的水解
能量變化 光能轉化為活躍的化學能 活躍的化學能轉化為穩定的化學能
聯系 光反應為暗反應提供NADPH和ATP，暗反應為光反應提供NADP＋、ADP和Pi。沒有光反應，暗反應無法進行，沒有暗反應，有機物無法合成
2.環境改變時光合作用各物質含量的變化
(1)“過程法”
(2)“模型法”
①圖1中曲線甲表示C3，曲線乙表示C5、NADPH、ATP。
②圖2中曲線甲表示C5、NADPH、ATP，曲線乙表示C3。
③圖3中曲線甲表示C5、NADPH、ATP，曲線乙表示C3。
④圖4中曲線甲表示C3，曲線乙表示C5、NADPH、ATP。
3．連續光照和間隔光照下的有機物合成量分析
(1)光反應為暗反應提供的NADPH和ATP在葉綠體基質中有少量的積累，在光反應停止時，暗反應仍可持續進行一段時間，有機物還能繼續合成。
(2)在總光照時間、總黑暗時間均相同的條件下，光照和黑暗間隔處理比一直連續光照處理有機物的積累量要多。
[典例剖析]
(2022·德州高三檢測)如圖為類囊體薄膜上發生的光反應示意圖，PSⅠ和PSⅡ分別是光系統Ⅰ和光系統Ⅱ，是葉綠素和蛋白質構成的復合體，能吸收利用光能進行電子的傳遞，PQ、Cytbf、PC是傳遞電子的蛋白質，其中PQ在傳遞電子的同時能將H＋運輸到類囊體腔中，圖中實線為電子的傳遞過程，虛線為H＋的運輸過程，ATP合成酶由CF0和CF1兩部分組成，在進行H＋順濃度梯度運輸的同時催化ATP的合成②。請回答下列問題：
(1)分析圖中電子傳遞的整個過程可知，可以丟失電子的物質是____________，最終接受電子的物質為______________________。
(2)光反應產生的O2去向是________________________________。圖中用于暗反應的物質是_________________________。葉綠體產生的O2進入線粒體至少穿過_________________層膜結構。
(3)合成ATP依賴于類囊體薄膜兩側的H＋濃度差，圖中使膜兩側H＋濃度差增加的過程有________________________________________________________________________。
(4)研究發現，葉綠素中含有鎂元素，PSⅠ中含鐵元素，PC中含銅元素，PSⅡ中含錳元素，由此推測，通過______________可防止光合作用的效率降低。
答案　(1)水(H2O)　NADP＋　(2)被細胞呼吸消耗或被植物釋放出體外　ATP、NADPH　5　(3)水光解產生H＋，H＋在膜外與NADP＋結合形成NADPH，PQ在傳遞電子的同時能將H＋運輸到類囊體腔中　(4)為植物提供充足的各種礦物質元素(無機鹽)
解析　(1)根據圖中所示，水光解后產生O2、H＋和電子，故水可以丟失電子(最初提供電子的物質)；水光解后電子將傳遞給NADP＋被H＋還原為NADPH，故最終接受電子的物質為NADP＋。
(2)光反應產生的O2被有氧呼吸利用或被植物釋放到大氣中；光反應產生的NADPH和ATP可用于暗反應中C3的還原，故圖中用于暗反應的物質是ATP和NADPH；葉綠體和線粒體都具有雙層膜結構，因此葉綠體產生的O2至少需穿過1層類囊體薄膜＋2層葉綠體膜＋2層線粒體膜＝5層生物膜才能進入線粒體中被利用。
(3)圖中水光解產生H＋，使類囊體腔內H＋濃度升高，H＋順濃度梯度運輸到葉綠體基質中，而H＋在葉綠體基質中與NADP＋結合形成NADPH使葉綠體基質中H＋濃度降低，同時還可以通過PQ運回到類囊體腔內，這樣就保持了膜兩側的H＋濃度差。
(4)光合作用的重要物質中含有鎂元素、鐵元素、銅元素、錳元素，若這些元素含量降低，則會使光合速率降低，故應該保持這些礦質元素的含量穩定，以防止光合作用的效率降低。
【名師點撥】　掌握信息轉化能力
信息提取 信息1：實線為電子的傳遞過程
信息2：進行H＋順濃度梯度運輸的同時催化ATP的合成
信息轉化 1.光反應過程中，電子傳遞的過程
2.類囊體薄膜兩側的H＋濃度差的產生原因和ATP的合成
素養考查 生命觀念：結構與功能觀 科學思維：分析與綜合能力
【角度轉換】　提升語言表達能力
(1)光反應需要光和色素的共同參與，光能被色素分子吸收后，能量的去向有：轉變為熱能被釋放；以光能的形式(熒光或磷光)釋放；迅速向鄰近的其他色素分子傳遞；傳遞到光反應中心，推動光反應的進行。
(2)光反應過程中，類囊體內外H＋濃度差的來源是：水的光解(場所為類囊體腔內)后釋放的H＋。
考向一　光合作用過程的綜合考查
5．(2021·重慶卷，6)下圖為類囊體膜蛋白排列和光反應產物形成的示意圖。據圖分析，下列敘述錯誤的是(　　)
A．水光解產生的O2若被有氧呼吸利用，最少要穿過4層膜
B．NADP＋與電子(e－)和質子(H＋)結合形成NADPH
C．產生的ATP可用于暗反應及其他消耗能量的反應
D．電子(e－)的有序傳遞是完成光能轉換的重要環節
A　[水光解產生O2的場所是葉綠體類囊體膜的內側，若該O2被有氧呼吸利用，至少需要穿過一層類囊體膜，葉綠體的內膜和外膜，線粒體的外膜和內膜，共5層膜，A錯誤；光反應中NADP＋與電子(e－)和質子(H＋)結合形成NADPH，然后在暗反應過程中被消耗，B正確；由圖可知，產生的ATP可用于暗反應以及核酸代謝、色素合成等其他消耗能量的反應，C正確；電子(e－)在類囊體薄膜上的有序傳遞是完成光能轉換的重要環節，D正確。]
6．(2022·大連高三模擬)研究人員從菠菜中分離出類囊體，將其與酶等16種物質一起用雙層脂質分子包裹成油包水液滴，從而構建半人工光合作用反應體系。該反應體系在光照條件下可實現連續的CO2固定與還原，并不斷產生有機物乙醇酸。下列分析錯誤的是(　　)
A．類囊體產生的ATP和NADPH參與CO2固定與還原
B．加入的16種物質中應包含ADP和NADP＋等物質
C．產生乙醇酸的場所相當于葉綠體基質
D．該反應體系實現了光能到化學能的轉化
A　[類囊體產生的ATP和NADPH參與C3的還原，CO2的固定不需要ATP和NADPH參與，A錯誤；構建的人工光合作用反應體系，在光照條件下可實現連續的CO2固定與還原，故需要加入的物質應包含ADP和NADP＋等，B正確；乙醇酸是暗反應階段產生的，進行暗反應的場所是葉綠體基質，因此產生乙醇酸的場所相當于葉綠體基質，C正確；光照條件下合成有機物實現了光能到化學能的轉化，D正確。]
考向二　不同條件下光合作用過程中物質含量的變化分析
7．(2022·海南學業診斷高三聯考)光合作用的卡爾文循環可分為羧化、還原和再生3個階段，如下圖所示。下列有關說法錯誤的是(　　)
A．RuBP是一種五碳化合物
B．圖中羧化表示CO2的固定過程
C．CO2濃度突然降低，PGA/RuBP的值減小
D．卡爾文循環的3個階段均直接受光反應影響
D　[在羧化階段，RuBP與CO2結合，而光合作用過程中二氧化碳與五碳化合物結合生成三碳化合物，故RuBP為一種五碳化合物，A正確；在羧化階段，RuBP與CO2結合，表示CO2的固定過程，B正確；當CO2濃度突然降低，二氧化碳的固定過程受阻，RuBP的量會增加，PGA的量會減少，故PGA/RuBP的值減小，C正確；光反應產生的NADPH和ATP應用于暗反應，即卡爾文循環中的還原和再生2個階段受光反應的影響，而羧化不受光反應的影響，D錯誤。]
8．(2021·遼寧卷，22)早期地球大氣中的O2濃度很低，大約到了3.5億年前，大氣中的O2濃度顯著增加，CO2濃度明顯下降。現在大氣中的CO2濃度約為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。據此回答下列問題：
(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，有些藻類具有下圖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，部分過程見下圖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”或“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________(多選)。
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的固定能力
D．將CO2濃縮機制的相關基因轉入不具備此機制的植物
答案　(1)三碳化合物　葉綠體基質
(2)葉綠體　呼吸作用和光合作用
(3)①高于　②NADPH和ATP　吸能反應　③同位素標記　
(4)ACD
解析　(1)光合作用的暗反應中，CO2被固定形成三碳化合物，進而被還原生成糖類，此過程發生在葉綠體基質中。
(2)圖中HCO的運輸為消耗ATP的主動運輸，主動運輸為逆濃度梯度的運輸，HCO的運輸方向為細胞外→細胞質基質→葉綠體，故葉綠體中HCO濃度最高。圖中消耗ATP的過程有主動運輸和暗反應(卡爾文循環)，前者需要的ATP主要由細胞呼吸提供，后者需要的ATP一般由光反應提供。
(3)①在葉肉細胞葉綠體中，PEPC催化PEP與HCO反應生成OAA，OAA經過一系列的變化生成Mal，Mal進入維管束鞘細胞釋放CO2，提高了Rubisco附近的CO2濃度，促進了CO2的固定，這說明PEPC與無機碳的親和力高于Rubisco。②光合作用中，光反應為暗反應提供NADPH和ATP。圖中Pyr轉變為PEP的過程消耗ATP，屬于吸能反應。③利用放射性同位素標記法標記CO2中的C元素可以追蹤CO2濃縮機制中碳的轉變過程及相應場所。
(4)改造植物的HCO轉運蛋白基因，增強HCO的運輸能力，可以提高植物光合作用的效率，A符合題意；改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成，不利于最終二氧化碳的生成，不能提高植物光合作用的效率，B不符合題意；改造植物的Rubisco基因，增強CO2固定能力，可以提高植物光合作用的效率，C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中，可提高該植物暗反應所需的CO2的濃度，D符合題意。
考點三　光合作用的影響因素及應用
1．影響光合作用強度的內部因素及應用
(1)植物自身的遺傳特性(如植物品種不同)，以陰生植物、陽生植物為例，如下圖所示。
(2)植物葉片的葉齡、葉綠素含量及酶的含量和活性
(3)葉面積指數(光合面積)
2．光照強度
(1)原理：光照強度通過影響植物的光反應進而影響光合速率。光照強度增加，光反應速率加快，產生的NADPH和ATP增多，使暗反應中C3的還原加快，從而使光合作用產物增加。
(2)曲線解讀
①A點：光照強度為0，只進行細胞呼吸。
②AB段：隨著光照強度逐漸增強，光合作用強度也逐漸增強，CO2釋放量逐漸減少。
③B點：細胞呼吸釋放的CO2全部用于光合作用，即光合作用強度等于細胞呼吸強度，此時的光照強度稱為光補償點。
④BC段：表明隨著光照強度不斷增強，光合作用強度也不斷增強。
⑤D點：D點后光照強度增加，光合作用不再增強，此時內部的限制因素是光合色素含量、酶的數量和活性；外部限制因素是CO2濃度等除光照強度之外的環境因素。D點的光照強度稱為光飽和點。
(3)應用：①溫室生產中，適當增強光照強度，以提高光合速率，使作物增產；②陰生植物的光補償點和光飽和點都較陽生植物低，間作套種農作物，可合理利用光能。
3．CO2濃度
(1)原理：CO2影響暗反應階段，制約C3的形成。
(2)曲線解讀
①圖1中A點表示CO2補償點，即光合速率等于呼吸速率時的CO2濃度。
②圖2中A′點表示進行光合作用所需CO2的最低濃度。
③B點和B′點對應的CO2濃度都表示CO2飽和點。
(3)應用：在農業生產上可以通過通風，增施農家肥等增大CO2濃度，提高光合速率。
4．溫度
(1)原理：溫度通過影響酶的活性影響光合作用，主要制約暗反應。
(2)應用：溫室栽培植物時，白天調到光合作用最適溫度，以提高光合速率；晚上適當降低室內溫度，以降低細胞呼吸速率，保證植物有機物的積累。
5．水分和礦質元素
(1)原理
①水既是光合作用的原料，又是體內各種化學反應的介質，如植物缺水導致萎蔫，使光合速率下降。
②礦質元素通過影響與光合作用有關的化合物的合成，對光合作用產生直接或間接的影響。
(2)應用：農業生產中，可根據作物的生長規律，合理灌溉和施肥。
6．多因子變量對光合速率的影響
(1)曲線分析
P點：限制光合速率的因素應為橫坐標所表示的因子，隨著因子的不斷加強，光合速率不斷提高。
Q點：橫坐標所表示的因素不再是影響光合速率的主要因子，影響因素主要為各曲線所表示的因子。
(2)應用：溫室栽培時，在一定光照強度下，白天適當提高溫度，增加光合作用所需酶的活性，提高光合速率，也可同時適當增加CO2濃度，進一步提高光合速率；當溫度適宜時，可適當增加光照強度和CO2濃度以提高光合速率。
(1)光照強度只影響光反應，不影響暗反應(　　)
(2)只要有光照，植物就能正常生長(　　)
(3)鎂可以影響葉綠素的合成從而影響光反應(　　)
(4)水分能影響氣孔的開閉，間接影響CO2進入植物體內，從而影響光合作用(　　)
(5)整株植物處于光補償點時，葉肉細胞的光合作用強度和呼吸作用強度相等(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×
[典例剖析]
(2021·山東卷，21)光照條件下，葉肉細胞中O2與CO2競爭性結合C5，O2與C5結合后經一系列反應釋放CO2的過程稱為光呼吸。向水稻葉面噴施不同濃度的光呼吸抑制劑SoBS溶液，相應的光合作用強度和光呼吸強度見下表。光合作用強度用固定的CO2量表示，SoBS溶液處理對葉片呼吸作用的影響忽略不計。
SoBS濃度(mg/L) 0 100 200 300 400 500 600
光合作用強度(CO2μmol·m2·s－1) 18.9 20.9 20.7 18.7 17.6 16.5 15.7
光呼吸強度(CO2μmol·m2·s－1) 6.4 6.2 5.8 5.5 5.2 4.8 4.3
(1)光呼吸中C5與O2結合的反應發生在葉綠體的____________中。正常進行光合作用的水稻，突然停止光照，葉片CO2釋放量先增加后降低，CO2釋放量增加的原因是_________________。
(2)與未噴施SoBS溶液相比，噴施100 mg/L SoBS溶液的水稻葉片吸收和放出CO2量相等時所需的光照強度________(填：“高”或“低”)，據表分析，原因是_____________________。
(3)光呼吸會消耗光合作用過程中的有機物，農業生產中可通過適當抑制光呼吸以增加作物產量。為探究SoBS溶液利于增產的最適噴施濃度，據表分析，應在__________mg/L之間再設置多個濃度梯度進一步進行實驗。
答案　(1)基質　光照停止，產生的ATP、NADPH減少，暗反應消耗的C5減少，C5與O2結合增加，產生的CO2增多　(2)低　噴施SoBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸釋放的CO2減少，即葉片的CO2吸收量增加，釋放量減少，此時，在更低的光照強度下，兩者即可相等　(3)100～300
解析　(1)C5位于葉綠體基質中，則O2與C5結合發生的場所在葉綠體基質中。突然停止光照，則光反應產生的ATP、NADPH減少，暗反應消耗的C5減少，C5與O2結合增加，產生的CO2增多。
(2)根據表格可知，與對照組相比，噴施100 mg/L SoBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸(及呼吸作用)釋放的CO2減少，即葉片的CO2吸收量增加，釋放量減少，此時，在更低的光照強度下，兩者即可相等。
(3)光呼吸會消耗有機物，但光呼吸會釋放CO2，補充光合作用的原料，適當抑制光呼吸可以增加作物產量，由表可知，在SoBS溶液濃度為200 mg/L SoBS時光合作用強度與光呼吸強度差值最大，即光合產量最大，為了進一步探究最適噴施濃度，應在100～300 mg/L之間再設置多個濃度梯度進一步進行實驗。
【名師點撥】　掌握信息轉化能力
信息提取 信息1：光呼吸
信息2：噴施不同濃度的光呼吸抑制劑 SoBS 溶液，相應的光合作用強度和光呼吸強度＋表格
信息轉化 1.光呼吸會抑制暗反應，光呼吸會產生CO2
2.光合作用的強度隨著SoBS濃度的增加出現先增加后下降的現象
素養考查 科學思維：比較與綜合能力 科學探究：數據處理能力
【得分要點】　抓住長句表述得分點
(1)不能出現“光呼吸增強/變大”，“C5與O2結合增強/C5與CO2結合減弱”等強調能力、活性的詞語，應答出“C5與O2結合(量)增加或變多，多，升高”等。
(2)不能只分析一個方面，必須兩點都分析：①光合作用強度增強，光呼吸強度減弱；強調“增”“減”，兩點必須有；②CO2固定量增加，CO2釋放量減少；O2與C5結合量減少，CO2與C5結合量增加。每一組兩點必須有；③SoBS抑制光呼吸(C5與O2的結合)，使光合作用增強(更多的CO2與C5結合)，每一組兩點必須有；④光合作用的增加量大于光呼吸的減少量。
考向一　光合作用影響因素的綜合考查
9．(2021·北京卷，3)將某種植物置于高溫環境(HT)下生長一定時間后，測定HT植株和生長在正常溫度(CT)下的植株在不同溫度下的光合速率，結果如圖。由圖不能得出的結論是(　　)
A．兩組植株的CO2吸收速率最大值接近
B．35 ℃時兩組植株的真正(總)光合速率相等
C．50 ℃時HT植株能積累有機物而CT植株不能
D．HT植株表現出對高溫環境的適應性
B　[由圖可知，CT植株和HT植株的CO2吸收速率最大值基本一致，都接近于3 mmol·cm－2·s－1，A正確；CO2吸收速率代表凈光合速率，而總光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率。由圖可知35 ℃時兩組植株的凈光合速率相等，但呼吸速率未知，故35 ℃時兩組植株的真正(總)光合速率無法比較，B錯誤；由圖可知，50 ℃時HT植株的凈光合速率大于零，說明能積累有機物，而CT植株的凈光合速率不大于零，說明不能積累有機物，C正確；由圖可知，在較高的溫度下HT植株的凈光合速率仍大于零，能積累有機物進行生長繁殖，體現了HT植株對高溫環境較適應，D正確。]
10．某植物凈光合速率的變化趨勢如下圖所示。
據圖回答下列問題：
(1)當CO2濃度為a時，高光強下該植物的凈光合速率為________。CO2濃度在a～b之間時，曲線________表示了凈光合速率隨CO2濃度的增高而增高。
(2)CO2濃度大于c時，曲線B和C所表示的凈光合速率不再增加，限制其增加的環境因素是____________。
(3)當環境中CO2濃度小于a時，在圖示的3種光強下，該植物呼吸作用產生的CO2量______________(填“大于”“等于”或“小于”)光合作用吸收的CO2量。
(4)據圖可推測，在溫室中，若要采取提高CO2濃度的措施來提高該種植物的產量，還應該同時考慮________這一因素的影響，并采取相應措施。
答案　(1)0　A、B、C　(2)光強　(3)大于　(4)光強
解析　(1)根據曲線圖可知，當CO2濃度為a時，高光強下(曲線A)該植物的凈光合速率為0；分析坐標圖中曲線的走勢可以看出，當CO2濃度在a～b之間時，曲線A、B和C的凈光合速率都隨著CO2濃度的增高而增高。
(2)由題圖可知，影響凈光合速率的因素為CO2濃度和光強。當CO2濃度大于c時，由于受光強的限制，光反應產生的NADPH和ATP不足，暗反應受到限制，曲線B和C的凈光合速率不再增加。
(3)當環境中的CO2濃度小于a時，在圖示的3種光強下，植物的凈光合速率小于0，說明該植物此時呼吸作用產生的CO2量大于光合作用吸收的CO2量。
(4)據圖可推測，光強和CO2濃度都會影響植物的凈光合速率，因此若要采取提高CO2濃度的措施來提高該種植物的產量，還應同時考慮光強這一因素的影響。
考向二　農業生產中的應用
11．(2021·遼寧卷，2)植物工廠是通過光調控和通風控溫等措施進行精細管理的高效農業生產系統，常采用無土栽培技術。下列有關敘述錯誤的是(　　)
A．可根據植物生長特點調控光的波長和光照強度
B．應保持培養液與植物根部細胞的細胞液濃度相同
C．合理控制晝夜溫差有利于提高作物產量
D．適時通風可提高生產系統內的CO2濃度
B　[不同植物對光的波長和光照強度的需求不同，可根據植物生長特點調控光的波長和光照強度，A正確；為保證植物的根能夠正常吸收水分，該系統應控制培養液的濃度小于植物根部細胞的細胞液濃度，B錯誤；適當提高白天的溫度可以促進光合作用的進行，讓植物合成更多的有機物，而夜晚適當降溫則可以抑制其呼吸作用，使其少分解有機物，合理控制晝夜溫差有利于提高作物產量，C正確；適時通風可提高生產系統內的CO2濃度，進而提高光合作用的速率，D正確。]
12．(2022·湖南卷，17)將純凈水洗凈的河沙倒入潔凈的玻璃缸中制成沙床，作為種子萌發和植株生長的基質。某水稻品種在光照強度為8～10 μmol/(s·m2)時，固定的CO2量等于呼吸作用釋放的CO2量；日照時長短于12小時才能開花。將新采收并解除休眠的該水稻種子表面消毒，浸種1天后，播種于沙床上。將沙床置于人工氣候室中，保濕透氣，晝/夜溫為35 ℃/25 ℃，光照強度為2 μmol/(s·m2)，每天光照時長為14小時。據此回答下列問題：
(1)在此條件下，該水稻種子________(填“能”或“不能”)萌發并成苗(以株高≥2厘米，至少1片綠葉視為成苗)，理由是___________________________________________________。
(2)若將該水稻適齡秧苗栽植于上述沙床上，光照強度為10 μmol/(s·m2)，其他條件與上述實驗相同，該水稻_______(填“能”或“不能”)繁育出新的種子，理由是_______________________(答出兩點即可)。
(3)若該水稻種子用于稻田直播(即將種子直接撒播于農田)，為防鳥害、鼠害減少雜草生長，須灌水覆蓋，該種子應具有____________________特性。
答案　(1)能　種子萌發形成幼苗的過程中，消耗的能量主要來自于種子胚乳中儲存的有機物，且光照有利于葉片葉綠素的形成
(2)不能　光照強度為10 μmol/(s·m2)，等于光補償點，每天光照時長為14小時，此時光照時沒有有機物的積累，黑暗中細胞呼吸仍需消耗有機物，故全天沒有有機物積累；且每天光照時長大于12小時，植株不能開花
(3)耐受酒精毒害
解析　(1)種子萌發形成幼苗的過程中，消耗的能量主要來自于種子胚乳中儲存的有機物，因此在光照強度為2 μmol/(s·m2)，每天光照時長為14小時的條件下，雖然光照強度低于光補償點，但光照有利于葉片葉綠素的形成，種子仍能萌發并成苗。
(2)將該水稻適齡秧苗栽植于上述沙床上，光照強度為10 μmol/(s·m2)，等于光補償點，每天光照時長為14小時，此時光照時沒有有機物的積累，黑暗中細胞呼吸仍需消耗有機物，且每天光照時長大于12小時，植株不能開花，因此該水稻不能繁育出新的種子。
(3)該水稻種子用于稻田直播(即將種子直接撒播于農田)，為防鳥害、鼠害減少雜草生長，須灌水覆蓋，此時種子獲得的氧氣較少，可通過無氧呼吸分解有機物供能，無氧呼吸產生的酒精對種子有一定的毒害作用，推測該種子應具有耐受酒精毒害的特性。
考點四　探究光照強度對光合作用強度的影響
1．實驗原理：葉片含有氣體，上浮葉片下沉充滿細胞間隙，葉片上浮。
2．實驗裝置分析
(1)自變量的設置：光照強度是自變量，通過調整臺燈與燒杯之間的距離來調節光照強度的大小。
(2)中間盛水的玻璃柱的作用：吸收燈光的熱量，避免光照對燒杯內水溫產生影響。
(3)因變量是光合作用強度，可通過觀測單位時間內被抽去空氣的小圓形葉片上浮的數量或者是浮起相同數量的葉片所用的時間長短來衡量光合作用的強弱。
1．實驗結果的生理狀態分析
(1)在黑暗情況下，植物葉片只進行細胞呼吸，吸收氧氣，產生的二氧化碳較易溶于水，所以葉片沉在水底。細胞生理狀態如圖1：
(2)在弱光下，此時的光合作用小于或等于細胞呼吸，葉片中仍然沒有足夠的氧氣，葉片仍然沉在水底。細胞生理狀態如下圖2和圖3：
(3)在中、強光下，光合作用大于細胞呼吸，葉片中會有足夠的氧氣產生，從而充滿了細胞間隙并釋放到外界一部分，使葉片浮起來。細胞生理狀態如圖4：
2．“葉片上浮法”應用中的三點注意
(1)葉片上浮的原因是光合作用產生的O2大于有氧呼吸消耗的O2，不要片面認為只是光合作用產生了O2。
(2)打孔時要避開大的葉脈，因為葉脈中沒有葉綠體，而且會延長小圓形葉片上浮的時間，影響實驗結果的準確性。
(3)為確保溶液中CO2含量充足，小圓形葉片可以放入NaHCO3溶液中。
考向　光合作用影響因素的實驗探究
13．(2022·廣東卷，18)研究者將玉米幼苗置于三種條件下培養10天后(圖a)，測定相關指標(圖b)，探究遮陰比例對植物的影響。
回答下列問題：
(1)結果顯示，與A組相比，C組葉片葉綠素含量______________________________，原因可能是_________________________________________________________________。
(2)比較圖b中B1與A組指標的差異，并結合B2相關數據，推測B組的玉米植株可能會積累更多的________________________，因而生長更快。
(3)某興趣小組基于上述B組條件下玉米生長更快的研究結果，作出該條件可能會提高作物產量的推測，由此設計了初步實驗方案進行探究：
實驗材料：選擇前期______________一致、生長狀態相似的某玉米品種幼苗90株。
實驗方法：按圖a所示的條件，分A、B、C三組培養玉米幼苗，每組30株；其中以________為對照，并保證除____________外其他環境條件一致。收獲后分別測量各組玉米的籽粒重量。
結果統計：比較各組玉米的平均單株產量。
分析討論：如果提高玉米產量的結論成立，下一步探究實驗的思路是________________________________________________________________________。
答案　(1)高　遮陰環境中，葉綠素的合成增加或分解減少
(2)有機物
(3)葉片數量　A組　遮陰比例　增加不同遮陰比例，探究提高作物產量的最適遮陰比例
解析　(1)分析圖b可知C組葉片葉綠素含量高于A組，原因可能是遮陰環境中，葉綠素的合成增加或分解減少。
(2)B組玉米植株可能會積累更多的有機物，因而生長更快。
(3)應選擇前期葉片數量一致，生長狀態相似的某玉米品種幼苗。按圖a所示的條件，則A組為對照，遮陰比例為自變量，其他環境條件為無關變量，應保持一致。如果提高玉米產量的結論成立，下一步應增加不同遮陰比例，探究提高作物產量的最適遮陰比例。
14．(2022·張家口三模)某興趣小組設計了一個居家環境中對植物放氧能力進行測定的實驗。
實驗用植物：綠蘿、仙人掌、虎皮蘭、萬年青、馬齒莧。
實驗試劑：CO2緩沖溶液。
主要儀器：溫度計，照度計、光照強度可調的LED燈。
實驗裝置；采用網購透明塑料桶，并將盛有CO2緩沖溶液的培養皿放入塑料桶中，在塑料桶蓋上插入帶刻度的毛細管，用一滴紅墨水滴入毛細管內調整至0刻度處。
實驗數據如下：
表1　25 ℃、不同光照強度(光強)下毛細管刻度
光強 綠蘿 仙人掌 虎皮蘭 萬年青 馬齒莧
3 klx 0.52 1.36 0.59 1.06 1.08
5 klx 0.91 2.15 1.13 1.92 1.81
7 klx 1.13 2.67 1.41 2.42 2.31
10 klx 1.12 3.11 1.53 2.78 2.61
15 klx 1.11 3.42 1.54 3.02 2.95
20 klx 1.12 3.67 1.56 3.33 3.26
25 klx 1.09 3.69 1.53 3.37 3.29
30 klx 1.07 3.67 1.52 3.35 3.27
表2　5 klx光照強度、不同溫度下毛細管刻度
溫度 綠蘿 仙人掌 虎皮蘭 萬年青 馬齒莧
10 ℃ 0.08 0 0 0 0
15 ℃ 0.62 0.05 0.12 0.92 0.73
20 ℃ 0.85 1.23 0.98 1.73 1.61
25 ℃ 0.91 2.15 1.13 1.92 1.81
30 ℃ 0.81 2.67 1.24 2.21 1.92
35 ℃ 0.54 2.71 1.18 1.73 1.74
據此回答問題：
(1)該實驗的目的是_____________________________________________________。
(2)CO2緩沖溶液的作用是______________________________________。毛細管中液滴移動的距離代表______________。
(3)由表1可知，綠蘿的光飽和點(植物達到最大光合速率時的最小光照強度)約為________，依據是________________________________________________________________________。
(4)由表2可知，在5 klx光照強度下，5種植物中最耐低溫的是__________，此時欲對其凈光合作用的最適溫度進行更準確的測定，可以采取的實驗設計思路為_________________________。
答案　(1)探究光照強度和溫度對不同植物光合作用的影響
(2)維持實驗環境中CO2濃度的恒定　O2的釋放量
(3)7 klx　在一定范圍內，綠蘿放氧能力隨光照強度增加而增加，當光照強度增加到7 klx時，植物放氧能力不再增強
(4)綠蘿　在20 ℃～30 ℃之間設置更加精細的溫度梯度，在5 klx光照強度下，重復實驗，記錄毛細管刻度，刻度顯示最大時對應的溫度即為較準確的最適溫度
解析　(1)由表1和表2展示的實驗結果可知，該實驗探究了溫度和光照強度這兩個環境因素對幾種常見家居綠植光合作用的影響。
(2)在CO2不足時，CO2緩沖溶液可提供CO2用于光合作用，當CO2含量升高時，CO2緩沖溶液可吸收CO2，因此本實驗中用CO2緩沖溶液來維持實驗環境中CO2濃度的恒定，從而使得裝置中只有光合作用釋放的O2能引起氣壓變化，并通過毛細管刻度定量的反映出來。
(3)光飽和點是指達到最大光合作用強度所需要的最小光照強度。由表1知，在一定光照強度范圍內，綠蘿的放氧能力隨光照強度增加而增加，當光照強度增加到7 klx時，植物放氧能力不再增強，故綠蘿的光飽和點約為7 klx。
(4)10 ℃時虎皮蘭、萬年青、馬齒莧、仙人掌無法測出數據，說明在該溫度條件下，它們的光合作用均非常微弱，而綠蘿依然擁有放氧能力，說明綠蘿相對耐低溫。欲對其凈光合作用的最適溫度進行更準確的測定，可以采取的實驗設計思路為在20 ℃～30 ℃之間設置更加精細的溫度梯度，在5 klx光照強度下，重復表2中的實驗，記錄毛細管刻度，刻度顯示最大時對應的溫度即為較準確的最適溫度。
(九)光合作用過程中CO2的固定途徑
1．CO2固定的3種途徑
不同的植物，暗反應的過程不一樣，而且葉片的解剖結構也不相同。這是植物對環境適應的結果。3種類型是因CO2的固定這一過程的不同而劃分的。
(1)C3途徑：C3途徑是碳同化的基本途徑，也稱為卡爾文循環，可合成糖類、淀粉等多種有機物。C4途徑和CAM途徑都只起固定CO2的作用，最終還是通過C3途徑合成光合產物等。
通過C3途徑固定CO2的植物稱為C3植物，C3類植物屬于高光呼吸植物類型，光合速率較低，其種類多，分布廣，多生長于暖濕條件下，如大多數樹木、糧食類植物、煙草等。
(2)C4途徑：通過C4途徑固定CO2的植物稱為C4植物，它們主要是那些生活在干旱熱帶地區的植物。在這種環境中，植物若長時間開放氣孔吸收CO2，會導致水分通過蒸騰作用過快散失。所以，植物只能短時間開放氣孔，CO2的攝入量必然少。植物必須利用這少量的CO2進行光合作用，合成自身生長所需的物質。
C4植物兩次固定是在空間上分開：在葉肉細胞內固定CO2，在維管束鞘細胞中同化CO2。
(3)CAM途徑(景天科酸代謝)：CAM途徑指生長在熱帶或亞熱帶干旱及半干旱地區的一些肉質植物所具有的一種光合固定CO2的附加途徑。具有這種途徑的植物稱為CAM植物。該途徑的特點是：CAM植物氣孔只有晚上開放，將CO2生成蘋果酸等進行固定，白天氣孔關閉，蘋果酸等則由液泡轉入葉綠體中釋放CO2，再通過卡爾文循環轉變成糖。這是植物對干旱環境的適應。
CAM植物兩次固定是在時間上分開：在晚上固定CO2，在白天同化CO2。
2．光呼吸
光呼吸是所有進行光合作用的細胞在光照和高氧低CO2情況下發生的一個生化過程。它是光合作用損耗能量的一個副反應。在黑暗條件下，呼吸過程能不斷轉換形成ATP，并把自由能釋放出來，以供根系的吸收功能、有機物質的合成與運轉功能以及各種物質代謝反應等功能的需要，從而促進生命活動的順利進行。綠色植物在照光條件下的呼吸方式特點是呼吸基質在被分解轉化的過程中雖也放出CO2，但不能產生ATP，從而使光合產物被白白地耗費掉。所以光呼吸越強，光合生產率相對越低。
光呼吸不是一個純粹消耗能量的過程，其功能是：①在光呼吸時細胞線粒體中進行甘氨酸轉變為絲氨酸反應時能形成ATP；②光呼吸可以將光合作用的副產品磷酸乙醇酸和乙醇酸轉變為碳水化合物；③在水分虧缺及高光照條件下，葉片氣孔關閉，光呼吸釋放的CO2能被再固定，可保護光合作用的反應中心，以免被強光所破壞。
光合作用與光呼吸的關系
[對點訓練]
1．(多選)(2023·臨沂高三檢測)光呼吸普遍存在于C3植物和C4植物中，圖1、圖2分別為C3植物和C4植物的部分代謝過程。光呼吸是在光驅動下將糖類氧化生成CO2和H2O的生化過程(見圖1)，在正常生長條件下，光呼吸就可損耗掉光合產物的25%～30%，“光呼吸代謝工程”是提高植物光合效率的一個關鍵突破口。下列說法正確的是(　　)
A．C4植物的光呼吸過程發生在葉肉細胞和維管束鞘細胞中
B．C3植物細胞中CO2濃度倍增，會使光合產物增加、光呼吸減弱
C．C4植物中PEP羧化酶對CO2的親和力高于RuBP羧化酶
D．通過分析可推測，C4植物的光呼吸比C3植物小
BCD　[C4植物的光呼吸過程發生在維管束鞘細胞中，A錯誤；C3植物細胞中CO2濃度倍增，意味著氧氣濃度下降，因而會使光合產物增加、光呼吸減弱，B正確；C4植物中PEP羧化酶對CO2的親和力高于RuBP羧化酶，因而C4植物能利用較低濃度的二氧化碳，C正確；C4植物體內存在聚集二氧化碳的機制，因而C4植物比C3植物固定二氧化碳能力強，且一般不會因為二氧化碳濃度降低啟動光呼吸，因此C4植物的光呼吸比C3植物小，D正確。]
2．(2023·徐州高三檢測)有研究表明，水中CO2濃度降低能誘導輪葉黑藻(一種沉水植物)光合途徑由C3途徑向C4途徑轉變，而且兩條途徑在同一細胞中進行。下圖是輪葉黑藻細胞光合作用相關過程示意圖。請據圖回答問題：
(1)CO2轉變為HCO過程中，生成的H＋以__________的方式運出細胞。催化過程①和過程④中CO2固定的兩種酶(PEPC、Rubisco)中，與CO2親和力較高的是__________。
(2)過程②消耗的NADPH主要來源于結構A中進行的__________過程，完成該過程需要__________________等條件。
(3)過程③發生的場所是__________，細胞中丙酮酸產生的場所還可能有______________。丙酮酸分子可在__________中被徹底分解。
(4)為證明低濃度CO2能誘導輪葉黑藻光合途徑的轉變，研究人員開展相關實驗，請完成下表(提示：實驗中利用pH stat法測定黑藻凈光合速率；用緩沖液提取光合酶)。
實驗步驟的目的 主要實驗步驟
制作生態缸 取20只玻璃缸，在缸底鋪經處理的底泥并注入適量池水；每只缸中各移栽3株生長健壯、長勢基本一致的輪葉黑藻，馴化培養10 d。
設置對照實驗 ①__________________________________________________
控制無關變量 兩組生態缸均置于②__________________________等條件下培養14 d；每天定時利用pH stat法測定黑藻凈光合速率。
制備酶粗提液 取等量的兩組黑藻葉片，利用液氮冷凍處理后迅速研磨；再加入適量冷的緩沖液繼續研磨，離心取③________。
測定酶活性 利用合適方法測定兩組酶粗提液中PEPC的活性，并比較。
預期實驗結果 ④__________________________________________________。
答案　(1)主動運輸　PEPC　(2)光反應　光、光合色素、酶　(3)葉綠體基質　細胞質基質　線粒體基質　(4)將20只生態缸隨機均分為兩組；一組密閉，另一組通入適量CO2　適宜溫度和光照　上清液　實驗組黑藻凈光合速率和PEPC的活性明顯高于對照組
解析　(1)根據圖示，質子H＋轉運需要相應轉運蛋白參與并消耗ATP，屬于主動運輸；根據題干信息“水中CO2濃度降低，能誘導其光合途徑由C3型向C4型轉變”，說明C4循環中PEPC與CO2的親和力高于C3循環中的Rubisco。
(2)圖示結構A為葉綠體類囊體薄膜，是光反應場所，光反應過程需要光照、葉綠素等光合色素、酶等條件，光反應產生ATP、NADPH、O2。
(3)根據圖示過程③在葉綠體基質中完成，細胞中的丙酮酸還可以由葡萄糖在細胞質基質中分解產生，丙酮酸在線粒體基質被徹底氧化分解形成CO2。
(4)根據實驗目的“證明低濃度CO2能誘導黑藻光合途徑轉變”，確定實驗自變量是黑藻培養的CO2濃度，因變量為凈光合速率，因此設置的對照實驗為：將20只生態缸隨機均分為兩組；一組密閉，另一組通入適量CO2，溫度和光照等為本實驗的無關變量，為排除無關變量的影響，兩組生態缸均置于適宜溫度和光照等條件下培養14 d；制備酶粗提液步驟中，葉片研磨并離心后，酶存在上清液中，因此應該取上清液。根據題干信息“水中CO2濃度降低能誘導輪葉黑藻(一種沉水植物)光合途徑由C3途徑向C4途徑轉變”，因此預期實驗結果是實驗組黑藻因低濃度CO2誘導，PEPC活性和凈光合速率(C4循環)明顯大于對照組。
1．(多選)(2022·湖南卷，13)在夏季晴朗無云的白天，10時左右某植物光合作用強度達到峰值，12時左右光合作用強度明顯減弱。光合作用強度減弱的原因可能是(　　)
A．葉片蒸騰作用強，失水過多使氣孔部分關閉，進入體內的CO2量減少
B．光合酶活性降低，呼吸酶不受影響，呼吸釋放的CO2量大于光合固定的CO2量
C．葉綠體內膜上的部分光合色素被光破壞，吸收和傳遞光能的效率降低
D．光反應產物積累，產生反饋抑制，葉片轉化光能的能力下降
AD　[夏季中午葉片蒸騰作用強，失水過多使氣孔部分關閉，進入體內的CO2量減少，暗反應減慢，光合作用強度明顯減弱，A正確；夏季中午氣溫過高，導致光合酶活性降低，呼吸酶不受影響(呼吸酶最適溫度高于光合酶)，光合作用強度減弱，但此時光合作用強度仍然大于呼吸作用強度，即呼吸釋放的CO2量小于光合固定的CO2量，B錯誤；光合色素分布在葉綠體的類囊體薄膜而非葉綠體內膜上，C錯誤；夏季中午葉片蒸騰作用強，失水過多使氣孔部分關閉，進入體內的CO2量減少，暗反應減慢，導致光反應產物積累，產生反饋抑制，使葉片轉化光能的能力下降，光合作用強度明顯減弱，D正確。]
2．(2022·海南卷，3)某小組為了探究適宜溫度下CO2對光合作用的影響，將四組等量菠菜葉圓片排氣后，分別置于盛有等體積不同濃度NaHCO3溶液的燒杯中，從燒杯底部給予適宜光照，記錄葉圓片上浮所需時長，結果如下圖。下列有關敘述正確的是(　　)
A．本實驗中，溫度、NaHCO3濃度和光照都屬于自變量
B．葉圓片上浮所需時長主要取決于葉圓片光合作用釋放氧氣的速率
C．四組實驗中，0.5%NaHCO3溶液中的葉圓片光合速率最高
D．若在4 ℃條件下進行本實驗，則各組葉圓片上浮所需時長均會縮短
B　[由實驗目的可知，溫度和光照均為無關變量，A錯誤；實驗中所用的菠菜葉圓片已進行排氣處理，葉圓片上浮主要是因為其進行光合作用釋放了氧氣，且光合作用釋放氧氣的速率越大，葉圓片上浮所需的時間越短，B正確；四組實驗中，0.5%的NaHCO3溶液中葉圓片上浮時間最長，說明其光合速率最小，C錯誤；實驗是在適宜溫度條件下進行的，若降低溫度，光合速率減慢，葉圓片上浮所需時間延長，D錯誤。]
3．(2022·河北卷，19)某品種茶樹葉片呈現階段性白化：綠色的嫩葉在生長過程中逐漸轉為乳白色，而后又恢復為綠色。白化期葉綠體內部結構解體(僅殘留少量片層結構)。階段性白化過程中相關生理指標檢測結果如下圖。據此回答下列問題：
(1)從葉片中分離葉綠體可采用____________________法。
(2)經檢測，白化過程中葉綠體合成ATP和NADPH的數量顯著降低，其原因是______________________________________(寫出兩點即可)。
(3)白化過程中氣孔導度下降，既能夠滿足光合作用對CO2的需求，又有助于減少_______________________。
(4)葉片復綠過程中需合成大量直接參與光反應的蛋白質。其中部分蛋白質由存在于________中的基因編碼，通過特定的機制完成跨膜運輸：其余蛋白質由存在于________中的基因編碼。
答案　(1)差速離心
(2)葉綠體內部結構解體；光合色素減少
(3)水分的散失
(4)細胞核　葉綠體
解析　(1)葉綠體屬于細胞器，根據不同細胞器的密度不同，可用差速離心法從葉片中分離葉綠體。
(2)光合作用的光反應過程可產生NADPH和ATP，該過程需要葉綠體類囊體薄膜上葉綠素的參與，據題意可知，白化期葉綠體內部結構解體，葉綠體類囊體薄膜減少，且白化過程中葉綠素等光合色素減少，光反應減慢，故白化過程中葉綠體合成ATP和NADPH的數量顯著降低。
(3)白化過程中氣孔導度下降，既能夠滿足光合作用對CO2的需求，又有助于減少水分的散失，利于植物的生存。
(4)葉綠體屬于半自主性細胞器，其中蛋白質的合成主要受到細胞核基因的編碼，合成后經特定機制完成跨膜運輸；其余蛋白質由存在于細胞質中(葉綠體)的基因編碼。
4．(2022·山東卷，21)強光條件下，植物吸收的光能若超過光合作用的利用量，過剩的光能可導致植物光合作用強度下降，出現光抑制現象。為探索油菜素內酯(BR)對光抑制的影響機制，將長勢相同的蘋果幼苗進行分組和處理，如下表所示，其中試劑L可抑制光反應關鍵蛋白的合成。各組幼苗均在溫度適宜、水分充足的條件下用強光照射，實驗結果如下圖所示。
分組 處理
甲 清水
乙 BR
丙 BR＋L
(1)光可以被蘋果幼苗葉片中的色素吸收，分離蘋果幼苗葉肉細胞中的色素時，隨層析液在濾紙上擴散速度最快的色素主要吸收的光的顏色是________。
(2)強光照射后短時間內，蘋果幼苗光合作用暗反應達到一定速率后不再增加，但氧氣的產生速率繼續增加。蘋果幼苗光合作用暗反應速率不再增加，可能的原因有_____________________、_______________________________________(答出2種原因即可)；氧氣的產生速率繼續增加的原因是________________________________________________________________________。
(3)據圖分析，與甲組相比，乙組加入BR后光抑制________(填“增強”或“減弱”)；乙組與丙組相比，說明BR可能通過____________________________發揮作用。
答案　(1)藍紫色
(2)五碳化合物供應不足　CO2的濃度不足　強光照射后短時間內，光反應速率增強，水光解產生氧氣的速率增強
(3)減弱　促進光反應關鍵蛋白的合成
解析　(1)蘋果幼苗葉肉細胞中的色素有葉綠素a、葉綠素b、葉黃素、胡蘿卜素，其中胡蘿卜素在層析液中溶解度最大，故色素分離時，隨層析液在濾紙上擴散速度最快的色素是胡蘿卜素，主要吸收藍紫光。
(2)影響光合作用的外界因素有光照強度、CO2的含量、溫度等；內部因素有酶的活性、色素的數量、五碳化合物的含量等。強光照射后短時間內，蘋果幼苗光合作用暗反應達到一定速率后不再增加，可能的原因有五碳化合物供應不足、CO2的濃度不足；氧氣的產生速率繼續增加的原因是強光照射后短時間內，光反應速率增強，水光解產生氧氣的速率增強。
(3)據圖分析，與甲組相比，乙組加入BR后光合作用強度較高，說明加入BR后光抑制減弱；乙組用BR處理，丙組用BR和試劑L處理，與乙組相比，丙組光合作用強度較低，由于試劑L可抑制光反應關鍵蛋白的合成，說明BR可能通過促進光反應關鍵蛋白的合成發揮作用。
5．(2022·湖北卷，21)不同條件下植物的光合速率和光飽和點(在一定范圍內，隨著光照強度的增加，光合速率增大，達到最大光合速率時的光照強度稱為光飽和點)不同。研究證實高濃度臭氧(O3)對植物的光合作用有影響。用某一高濃度O3連續處理甲、乙兩種植物75天。在第55天、65天、75天分別測定植物凈光合速率，結果如圖1、圖2和圖3所示。
　
【注】　曲線1：甲對照組，曲線2：乙對照組，曲線3：甲實驗組，曲線4：乙實驗組。
回答下列問題：
(1)圖1中，在高濃度O3處理期間，若適當提高環境中的CO2濃度，甲、乙植物的光飽和點會______________(填“減小”“不變”或“增大”)。
(2)與圖3相比，圖2中甲的實驗組與對照組的凈光合速率差異較小，表明_________________________________________________。
(3)從圖3分析可得到兩個結論：①O3處理75天后，甲、乙兩種植物的_______________，表明長時間高濃度的O3對植物光合作用產生明顯抑制；②長時間高濃度的O3對乙植物的影響大于甲植物，表明______________________________。
(4)實驗發現，處理75天后甲、乙植物中的基因A表達量都下降。為確定基因A功能與植物對O3耐受力的關系，使乙植物中基因A過量表達，并用高濃度O3處理75天。若實驗現象為____________________________________________________________，則說明基因A的功能與乙植物對O3耐受力無關。
答案　(1)增大
(2)隨處理時間的延長，高濃度臭氧對甲植物光合作用的抑制作用增強
(3)凈光合速率均明顯減小　甲植物對O3的耐受力比乙植物對O3的耐受力強
(4)基因A過量表達并用高濃度O3處理75天的乙植物與直接用高濃度O3處理75天的乙植物在同等光照條件下，凈光合速率相等
解析　(1)若適當提高環境中的CO2濃度，則甲、乙植物的暗反應會加強，需要的光反應產物增多，從而使植物所需的光照強度增大，故光飽和點增大。
(2)甲的對照組與實驗組分別是曲線1和3，圖3和圖2相比可知，處理75天時甲的實驗組與對照組的凈光合速率的差異比處理65天時的大，說明隨著處理時間的延長高濃度臭氧對甲植物光合作用的抑制作用增強。
(3)從圖3分析，高濃度臭氧處理植物75天后，甲、乙兩種植物的凈光合速率均明顯減小；相同光照強度下，甲植物實驗組與對照組凈光合速率差值比乙植物小，表明甲植物對O3的耐受力比乙植物強。
(4)實驗發現，處理75天后甲、乙植物中的基因A表達量都下降，為確定基因A功能與植物對O3耐受力的關系，自變量是基因A功能，因此可以使乙植物中基因A過量表達，并用高濃度O3，處理75天，比較基因A過量表達與表達量下降時的凈光合速率，若與乙組75天時的最大凈光合速率基本相同，則說明基因A的功能與乙品種水稻對O3耐受力無關。

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