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蘇教生物一輪復習解惑練
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 葉肉細胞類囊體膜 葉肉細胞類囊體膜 葉肉細胞類囊體膜
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。①、②、③、④代表的是物質，A、B、C、D代表的是生理過程，則①、④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_____________________________________。
答案　(1)氧氣　C5　有氧呼吸第二、三階段　C、D
(2)CO2不能進入葉片，同時引起O2在細胞內積累
(3)PEP羧化　低CO2濃度　(4)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。
(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
答案　(1)三碳化合物　葉綠體基質　(2)葉綠體　細胞呼吸和光合作用　(3)①高于　②NADPH和ATP　吸能反應　③同位素示蹤　(4)AC
解析　(2)由題圖1可知，HCO運輸需要消耗ATP，說明HCO是通過主動運輸進入葉綠體的，主動運輸一般是逆濃度運輸，由此推斷圖中HCO濃度最高的場所是葉綠體。該過程中細胞質中需要的ATP由細胞呼吸提供，葉綠體中的ATP由光合作用提供。(3)①PEPC參與催化HCO＋PEP過程，說明PEPC與無機碳的親和力高于Rubisco。②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。(4)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。

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