生物課件第三單元細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用解惑練2光呼吸和光抑制

解惑練2光呼吸和光抑制1.光呼吸光呼吸是進(jìn)行光合作用的細(xì)胞在光照和高氧低二氧化碳情況下發(fā)生的一個(gè)生化過程。該過程以光合作用的中間產(chǎn)物為底物，吸收氧、釋放二氧化碳。其生化途徑和在細(xì)胞中的發(fā)生部位也與一般呼吸(也稱暗呼吸)不同。(1)光呼吸的起因Ⅰ.植物體為什么會發(fā)生光呼吸呢？主要原因是在生物體的進(jìn)化過程中產(chǎn)生了一種具有雙功能的酶，這個(gè)酶的名字叫作RuBP羧化/加氧酶，就是核酮糖－1,5－二磷酸羧化/加氧酶，這個(gè)酶可以縮寫為Rubisco。核酮糖－1,5－二磷酸(RuBP)就是卡爾文循環(huán)中的C5。Ⅱ.二氧化碳和氧氣競爭性與Rubisco結(jié)合，當(dāng)二氧化碳濃度高時(shí)，Rubisco催化RuBP與二氧化碳形成兩分子3－磷酸甘油酸(PGA)，就是卡爾文循環(huán)中的C3，進(jìn)行卡爾文循環(huán)；當(dāng)氧氣濃度高時(shí)，Rubisco催化RuBP與氧氣形成1分子PGA(C3)和1分子磷酸乙醇酸(C2)，其中PGA進(jìn)入卡爾文循環(huán)，而磷酸乙醇酸脫去磷酸基團(tuán)形成乙醇酸，乙醇酸就離開葉綠體，走上了光呼吸的征途，這條路艱難而曲折，有害也有利。基本過程見圖。(2)光呼吸的過程Ⅰ.發(fā)生光呼吸的細(xì)胞需要三個(gè)細(xì)胞器的協(xié)同作用才能將光呼吸起始階段產(chǎn)生的“次品”修復(fù)，耗時(shí)耗能。這也是早期光呼吸被人們稱作“卡爾文循環(huán)中的漏逸”，“Rubisco的構(gòu)造缺陷”的原因。Ⅱ.右圖展示了卡爾文循環(huán)和光呼吸的詳細(xì)過程。(3)光呼吸的危害如果在較強(qiáng)光下，光呼吸加強(qiáng)，使得C5氧化分解加強(qiáng)，一部分碳以CO2的形式散失，從而減少了光合產(chǎn)物的形成和積累。其次，光呼吸過程中消耗了ATP和NADPH，即造成了能量的損耗。(4)光呼吸的意義其實(shí)光呼吸和卡爾文循環(huán)是一種動態(tài)平衡，適當(dāng)?shù)墓夂粑鼘χ参矬w有一定積極意義，這也許是進(jìn)化過程中形成光呼吸的原因。光呼吸的主要生理意義如下：Ⅰ.回收碳元素。就是2分子的C2形成1分子的C3和CO2，那1分子C3通過光呼吸過程又返回到卡爾文循環(huán)中，不至于全部流失掉。即通過光呼吸回收了3/4的碳元素。Ⅱ.防止強(qiáng)光對葉綠體的破壞。強(qiáng)光時(shí)，由于光反應(yīng)速率大于暗反應(yīng)速率，因此，葉肉細(xì)胞中會積累ATP和NADPH，這些物質(zhì)積累會產(chǎn)生自由基，尤其是超氧陰離子，這些自由基能損傷葉綠體，而強(qiáng)光下，光呼吸加強(qiáng)，會消耗光反應(yīng)過程中積累的ATP和NADPH，從而減輕對葉綠體的傷害。當(dāng)然植物體還有很多避免強(qiáng)光下?lián)p傷葉綠體的機(jī)制。光呼吸算是其中之一。Ⅲ.消除乙醇酸對細(xì)胞的毒害。歸納總結(jié)光呼吸與暗呼吸的比較比較項(xiàng)目光呼吸暗呼吸(有氧呼吸)底物乙醇酸糖、脂肪、蛋白質(zhì)發(fā)生部位葉綠體、過氧化物酶體、線粒體細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體反應(yīng)條件光照光或暗都可以能量消耗能量(消耗ATP和NADPH)產(chǎn)生能量共同點(diǎn)消耗氧氣，放出二氧化碳2.光抑制植物的光合系統(tǒng)所接受的光能超過光合作用所能利用的量時(shí)，光合功能便降低，這就是光合作用的光抑制。(1)光抑制機(jī)理：光合系統(tǒng)的破壞，PSⅡ是光破壞的主要場所。發(fā)生光破壞后的結(jié)果：電子傳遞受阻，光合效率下降。(2)光抑制的主要防御機(jī)制①減少光吸收，植物體也可以通過葉運(yùn)動(減少葉片與主莖的夾角)或葉綠體運(yùn)動這種對強(qiáng)光的快速響應(yīng)以減少對光的吸收，從而避免光抑制。②增加熱耗散：a.當(dāng)依賴能量的葉綠素?zé)晒忖缭黾訒r(shí)，通過增加激發(fā)能的熱耗散可以部分避免光抑制。降低光飽和條件下的PSⅡ的光化學(xué)效率，可以避免光抑制破壞的發(fā)生。b.在強(qiáng)光下非光輻射能量耗散增加的同時(shí)，玉米黃素含量增加，玉米黃素與激發(fā)態(tài)的葉綠素作用，從而耗散其激發(fā)能，保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受過量光能破壞。③進(jìn)行光呼吸：C3植物的光呼吸有很高的能量需求。光呼吸可以防止強(qiáng)光和CO2虧缺條件下發(fā)生光抑制。1.光呼吸是O2/CO2偏高時(shí)與光合作用同時(shí)發(fā)生的生理過程，是經(jīng)長期進(jìn)化形成的適應(yīng)機(jī)制。光呼吸和暗反應(yīng)關(guān)系密切，機(jī)理如圖所示。下列敘述錯(cuò)誤的是A.光呼吸可保證CO2不足時(shí)，暗反應(yīng)仍能

正常進(jìn)行B.光合作用的光反應(yīng)強(qiáng)于暗反應(yīng)容易導(dǎo)致

光呼吸發(fā)生C.光呼吸過程雖消耗有機(jī)物，但不產(chǎn)生ATPD.抑制光呼吸能大幅度提高光合作用強(qiáng)度跟蹤訓(xùn)練√2.某研究小組測得在適宜條件下某植物葉片遮光前吸收CO2的速率和遮光(完全黑暗)后釋放CO2的速率。吸收或釋放CO2的速率隨時(shí)間變化趨勢的示意圖如下(吸收或釋放CO2的速率是指單位面積葉片在單位時(shí)間內(nèi)吸收或釋放CO2的量)，回答下列問題：(1)在光照條件下，圖形A＋B＋C的面積表示_______________，該植物在一定時(shí)間內(nèi)單位面積葉片光合作用，其中圖形B的面積表示______________________，從圖形C可推測該植物存在另一個(gè)________的途徑，CO2進(jìn)出葉肉細(xì)胞都是通過_________的方式進(jìn)行的。跟蹤訓(xùn)練固定的CO2總量呼吸作用釋放出的CO2量釋放CO2自由擴(kuò)散跟蹤訓(xùn)練根據(jù)坐標(biāo)圖分析，A的面積為葉肉細(xì)胞吸收外界CO2的量，而B＋C的面積總和則是植物自身產(chǎn)生CO2的量，兩部分的CO2都會被植物的葉肉細(xì)胞所吸收，即光合作用固定的CO2總量。遮光之后，植物主要進(jìn)行呼吸作用產(chǎn)生CO2，根據(jù)遮光后平穩(wěn)段的直線的變化趨勢可以推出B的面積表示這段時(shí)間內(nèi)植物呼吸作用放出的CO2量，而圖形C則表示植物可能通過其他途徑產(chǎn)生CO2。CO2屬于小分子，進(jìn)出細(xì)胞都是通過自由擴(kuò)散的方式進(jìn)行的。(2)在題述實(shí)驗(yàn)中，若提高溫度、降低光照，則圖形_____(填“A”或“B”)的面積變小，圖形_____(填“A”或“B”)的面積增大，原因是____________________________。跟蹤訓(xùn)練AB光合速率降低，呼吸速率增強(qiáng)題干中提到適宜條件是針對光合作用，所以提高溫度、降低光照都會使光合作用減弱，所以A的面積會變小，而呼吸作用的最適溫度比光合作用的最適溫度要高，所以提高溫度會增大呼吸作用的速率，而光照的改變對呼吸作用無影響，所以B的面積會變大。跟蹤訓(xùn)練3.(2021·山東，21)光照條件下，葉肉細(xì)胞中O2與CO2競爭性結(jié)合C5，O2與C5結(jié)合后經(jīng)一系列反應(yīng)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(yīng)的光合作用強(qiáng)度和光呼吸強(qiáng)度見下表。光合作用強(qiáng)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(jì)。跟蹤訓(xùn)練SoBS濃度(mg/L)0100200300400500600光合作用強(qiáng)度(CO2μmol·m－2·s－1)18.920.920.718.717.616.515.7光呼吸強(qiáng)度(CO2μmol·m－2·s－1)6.46.25.85.55.24.84.3(1)光呼吸中C5與O2結(jié)合的反應(yīng)發(fā)生在葉綠體的______中。正常進(jìn)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_______________________________________________________________________________________。跟蹤訓(xùn)練SoBS濃度(mg/L)0100200300400500600光合作用強(qiáng)度(CO2μmol·m－2·s－1)18.920.920.718.717.616.515.7光呼吸強(qiáng)度(CO2μmol·m－2·s－1)6.46.25.85.55.24.84.3基質(zhì)

光照停止，產(chǎn)生的ATP、NADPH減少，暗反應(yīng)消耗的C5減少，C5與O2結(jié)合增加，產(chǎn)生的CO2增多(2)與未噴施SoBS溶液相比，噴施100mg/LSoBS溶液的水稻葉片吸收和放出CO2量相等時(shí)所需的光照強(qiáng)度______(填“高”或“低”)，據(jù)表分析，原因是___________________________________________________________________________________________________________________________________________________。跟蹤訓(xùn)練SoBS濃度(mg/L)0100200300400500600光合作用強(qiáng)度(CO2μmol·m－2·s－1)18.920.920.718.717.616.515.7光呼吸強(qiáng)度(CO2μmol·m－2·s－1)6.46.25.85.55.24.84.3低

噴施100mg/LSoBS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(shí)，在更低的光照強(qiáng)度下，兩者即可相等(3)光呼吸會消耗光合作用過程中的有機(jī)物，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可通過適當(dāng)抑制光呼吸以增加作物產(chǎn)量。為探究SoBS溶液利于增產(chǎn)的最適噴施濃度，據(jù)表分析，應(yīng)在_________mg/L之間再設(shè)置多個(gè)濃度梯度進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。SoBS濃度(mg/L)0100200300400500600光合作用強(qiáng)度(CO2μmol·m－2·s－1)18.920.920.718.717.616.515.7光呼吸強(qiáng)度(CO2μmol·m－2·s－1)6.46.25.85.55.24.84.3100～300跟蹤訓(xùn)練跟蹤訓(xùn)練光呼吸會消耗有機(jī)物，但光呼吸會釋放CO2，補(bǔ)充光合作用的原料，適當(dāng)抑制光呼吸可以增加作物產(chǎn)量，由表可知，在SoBS溶液濃度為200mg/L時(shí)光合作用強(qiáng)度與光呼吸強(qiáng)度差值最大，即光合產(chǎn)量最大，為了進(jìn)一步探究最適噴施濃度，應(yīng)在100～300mg/L之間再設(shè)置多個(gè)濃度梯度進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。跟蹤訓(xùn)練4.(2023·江蘇揚(yáng)州高郵市模擬預(yù)測)夏季，植物經(jīng)常受到高溫和強(qiáng)光的雙重脅迫。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)光照過強(qiáng)，植物吸收的光能超過其所需要時(shí)，會導(dǎo)致光合速率下降，這種現(xiàn)象稱為光抑制。有關(guān)光抑制的機(jī)制，一般認(rèn)為：

在強(qiáng)光下，一方面因NADP＋不足使電子傳遞給O2形成

；另一方面會導(dǎo)致還原態(tài)電子積累，形成三線態(tài)葉綠素(3chl)，3chl與O2反應(yīng)生成單線1O2。

和1O2都非常活潑，如不及時(shí)清除，會攻擊葉綠素和PSⅡ反應(yīng)中心的D1蛋白，從而損傷光合結(jié)構(gòu)。類胡蘿卜素可快速淬滅3chl，也可以直接清除1O2，起到保護(hù)葉綠體的作用。請回答下列問題：跟蹤訓(xùn)練(1)根據(jù)圖1分析，PSⅡ位于___________________(細(xì)胞結(jié)構(gòu))；請從光反應(yīng)和暗反應(yīng)物質(zhì)聯(lián)系的角度，分析強(qiáng)光條件下NADP＋不足的原因：_______________________________________________________________________。跟蹤訓(xùn)練類囊體薄膜葉綠體強(qiáng)光條件下，光反應(yīng)產(chǎn)生的NADPH多于暗反應(yīng)消耗的量，導(dǎo)致NADP＋供應(yīng)不足跟蹤訓(xùn)練根據(jù)圖1分析，PSⅡ可以吸收光能，位于葉綠體類囊體薄膜；強(qiáng)光條件下，光反應(yīng)產(chǎn)生的NADPH多于暗反應(yīng)消耗的量，導(dǎo)致NADP＋供應(yīng)不足。(2)圖2是夏季連續(xù)兩晝夜內(nèi)，某杏樹CO2吸收量和釋放量的變化曲線圖。S1～S5表示曲線與橫軸圍成的面積。造成圖2中MN段波動的主要外界因素是______。經(jīng)過這兩晝夜，該杏樹仍正常生長，則有機(jī)物的積累量在圖示____(填字母)時(shí)刻達(dá)到最大值。圖中S2明顯小于S4，造成這種情況的主要外界因素最可能是__________。跟蹤訓(xùn)練I溫度光照強(qiáng)度影響植物細(xì)胞呼吸的主要因素是溫度，夜間溫度有起伏，故造成MN段波動的因素為溫度。I點(diǎn)時(shí)植株的光合強(qiáng)度等于呼吸強(qiáng)度，超過I點(diǎn)有機(jī)物消耗大于合成速率，故這兩晝夜有機(jī)物的積累量在I時(shí)刻達(dá)到最大值。影響光合作用的環(huán)境因素主要有光照強(qiáng)度、溫度和CO2濃度，故兩晝夜中，造成S2明顯小于S4的外界因素最可能是光照強(qiáng)度。跟蹤訓(xùn)練(3)光合作用中的Rubisco酶是一個(gè)雙功能酶，在光下，它既能催化C5與CO2的羧化反應(yīng)進(jìn)行光合作用，又能催化C5與O2的加氧反應(yīng)進(jìn)行光呼吸(如圖3)。羧化和加氧作用的相對速率完全取決于CO2和O2的相對濃度。研究發(fā)現(xiàn)，光呼吸也能對光合器官起保護(hù)作用，避免產(chǎn)生光抑制，請根據(jù)圖3分析原因：____________________________________________________________________________。跟蹤訓(xùn)練消耗多余的ATP和NADPH，從而對光合器官起保護(hù)作用，避免產(chǎn)生光抑制光呼吸可以據(jù)圖3分析可知，光呼吸可以消耗多余的ATP和NADPH，從而對光合器官起保護(hù)作用，避免產(chǎn)生光抑制。跟蹤訓(xùn)練5.(2022·山東，21)強(qiáng)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(dǎo)致植物光合作用強(qiáng)度下降，出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。為探索油菜素內(nèi)酯(BR)對光抑制的影響機(jī)制，將長勢相同的蘋果幼苗進(jìn)行分組和處理，如表所示，其中試劑L可抑制光反應(yīng)關(guān)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(qiáng)光照射，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。跟蹤訓(xùn)練(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(xì)胞中的色素時(shí)，隨