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文檔簡介
回歸課本之新教材的查缺補(bǔ)漏-03光呼吸
專題3光呼吸
一、光呼吸
光呼吸是所有進(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、起因:在生物體的進(jìn)化過程中產(chǎn)生了一種具有雙功能的酶,這個酶
的名字叫做RuBP竣化/加氧酶(核酮糖一1,5—二磷酸竣化/加氧酶),可以
縮寫為Rubisco。核酮糖一1,5—二磷酸(RuBP)就是卡爾文循環(huán)中的C5。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,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,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,乙醇酸離開葉綠體,進(jìn)行光呼吸?;具^程見下圖。
RJCO2卡
PGA(C3)—
I爾
竣化文
RuBPPGA(C3)—循
(C)環(huán)
5PGA(C)—
加氧3
n磷酸乙醇酸
高。2C2循環(huán)
(C2)
2、卡爾文循環(huán)和光呼吸的詳細(xì)過程:光合碳循環(huán)中催化CO2固定的核酮
糖一1,5—二磷酸竣化酶同時具有加氧酶的功能,催化RuBP的加氧反應(yīng),
生成磷酸乙醇酸和3—磷酸甘油酸(PGA),磷酸乙醇酸被磷酸酯酶分解生成
乙醇酸,后者在乙醇酸氧化酶催化下氧化成乙醛酸;乙醛酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨反應(yīng)變?yōu)?/p>
甘氨酸后,由兩分子甘氨酸生成絲氨酸、CO2和NH3各一分子。這便是光呼
吸的釋放C02的反應(yīng)。絲氨酸以后轉(zhuǎn)變?yōu)榱u基丙酮酸,再被還原及磷酸化
成為PGA,后者又進(jìn)入光合碳循環(huán)。
CO2O2
每核酮糖-1,5-二
替磷酸(RuBPORu?is£I①
磷酸乙醇酸(CJ
3-磷酸甘油酸
H2O
(PGA.C,0②
ADP+Pi73-磷酸甘Pi
ATP->?\
油醛(C:*),乙醇酸(Q)
3-磷酸甘油酸
甘油酸(C:,)
一(PGA,C,)葉綠體
甘油酸(C:,)乙醇酸(G)
NAD+二⑦③解。
NADH乙醛酸I
羥基丙酮酸(Cl(C)HO+1/2O
f谷氨酸一222
?Ia-酮戊二酸,ZD|?___
甘氨酸麗團(tuán)
絲氨酸(C.3)
G)〔揚(yáng)C體,
NADHNAD+
絲氨酸??一—7——甘氨酸
(C.3)CC>2H?oNH:(C2)[線粒體)
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
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:
(1)回收碳元素。就是2分子的C2形成1分子的C3和C02,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。
(2)防止強(qiáng)光對葉綠體的破壞。強(qiáng)光時,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。
(3)消除乙醇酸對細(xì)胞的毒害。
。例1
1.Rubisco是光合作用暗反應(yīng)中催化C02與RuBP結(jié)合的酶。該酶同時具有催化02與
RuBP結(jié)合的活性。當(dāng)C02濃度相對較高時,該酶催化CO2與RuBP結(jié)合生成C3,并進(jìn)
一步完成卡爾文循環(huán)。當(dāng)。2濃度相對較高時,該酶催化02與RuBP結(jié)合生成C3和C2,
C3進(jìn)入卡爾文循環(huán):C2最后在線粒體內(nèi)生成CO2該過程稱為光呼吸??栁难h(huán)和光呼
吸的過程如圖所示。下列說法錯誤的是()
A.卡爾文循環(huán)中,C3的還原需要消耗光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH
B.CCh與RuBP結(jié)合的場所和02與RuBP結(jié)合的場所不同
C.溫室栽培蔬菜時增施有機(jī)肥,既減少光呼吸對光合產(chǎn)物的損耗又增加土壤肥力
D.干旱脅迫容易導(dǎo)致植物光呼吸強(qiáng)度增加
2.Rubisco酶是綠色植物光合作用過程中的關(guān)鍵酶,當(dāng)CO2濃度較高時,該酶催化CCh
與C5反應(yīng)進(jìn)行光合作用。當(dāng)02濃度較高時,該酶催化C5與02反應(yīng),最后在線粒體內(nèi)
生成C02,植物這種在光下吸收02產(chǎn)生C02的現(xiàn)象稱為光呼吸。下列敘述錯誤的是(
A.綠色植物進(jìn)行光呼吸的場所有葉綠體基粒和線粒體
B.植物光呼吸的進(jìn)行導(dǎo)致光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物減少
C.Rubisco酶催化C02和C5反應(yīng)稱作三碳化合物的還原
D.光合作用的暗反應(yīng)過程需要光反應(yīng)提供NADPH和ATP
3.下圖所示為光合作用過程中部分物質(zhì)的代謝關(guān)系(①?⑤表示代謝途徑)。Rubisco是
光合作用的關(guān)鍵酶之一,CO2和02競爭與其結(jié)合,分別催化C5的竣化與氧化。C5竣
化固定C02合成糖;C5氧化則產(chǎn)生乙醇酸(C2),C2在過氧化物酶體和線粒體協(xié)同下,
完成光呼吸碳氧化循環(huán)。據(jù)圖回答相關(guān)問題:
⑴利用方法,可以研究c元素在圖示代謝中轉(zhuǎn)移途徑。圖示中,類囊體膜
直接參與的代謝途徑有(從①?⑤中選填),在紅光照射條件下,參與這些
途徑的主要色素是o在C2循環(huán)途徑中,乙醇酸進(jìn)入過氧化物酶體被繼續(xù)氧
化,同時生成了過氧化氫,過氧化氫再分解生成和H20。
(2)正常進(jìn)行光合作用的植物,突然停止光照,引起減少,導(dǎo)致暗反應(yīng)減弱,
C5與02結(jié)合增加,使細(xì)胞釋放的CO2(填“增加”或“減少”)。
(3)結(jié)合圖示分析,通過(填“提高”或“降低”)CO2/O2或者提高
可以降低光呼吸作用。
二、G途徑
1、基本概念
C4途徑是有一些植物對外界吸收的C02的固定反應(yīng)是在葉肉細(xì)胞的胞質(zhì)
溶膠中進(jìn)行的,在磷酸烯醇式丙酮酸般化酶的催化下將CO2連接到磷酸烯醇
式丙酮酸(PEP)上,形成四碳酸:草酰乙酸(0AA),這種固定C02的方式稱為
C4途徑。C4植物每同化1分子CO2,需要消耗5分子ATP和2分子NADPHo
2、光合作用C4途徑產(chǎn)生的原因
因?yàn)镃4植物中含有能固定CO2為C4的相關(guān)酶,即磷酸烯醇式丙酮酸竣
化酶,簡稱為PEP竣化酶(與CO2有很強(qiáng)的親和力)??纱偈筆EP把大氣中
含量很低的CO2以C4的形式固定下來。C4植物這種獨(dú)特的作用,被形象的比
喻成“二氧化碳泵”。
3、C3植物與C4植物葉片結(jié)構(gòu)比較
Cs植物
C3植物葉片中維管束鞘細(xì)胞較小,其內(nèi)不含葉綠體,其葉肉細(xì)胞內(nèi)含有
典型的葉綠體,即可進(jìn)行光反應(yīng)又可進(jìn)行暗反應(yīng)。
C4植物葉片有“花環(huán)形結(jié)構(gòu)”的兩圈細(xì)胞,內(nèi)層為維管束鞘細(xì)胞,含有葉
綠體,只能進(jìn)行暗反應(yīng)。葉肉細(xì)胞中含典型葉綠體,能進(jìn)行光反應(yīng),通過C4
途徑固定C02。
4、C4植物具有較高光合速率的因素
(1)C4植物的葉肉細(xì)胞中的PEP竣化酶(PEPC)對底物C02溶解產(chǎn)物
HCCh-的親和力極高,使細(xì)胞中有高濃度的CO2,從而促進(jìn)暗反應(yīng),降低了光呼吸,
且光呼吸釋放的C02又易被再固定;
(2)高光強(qiáng)可產(chǎn)生更多的NADPH和ATP,以滿足C4植物C4循環(huán)對ATP
的額外需求;
(3)鞘細(xì)胞中的光合產(chǎn)物可就近運(yùn)入維管束,從而避免了光合產(chǎn)物累積
對光合作用可能產(chǎn)生的抑制作用。
這些都使C4植物可以具有較高的光合速率。
4.研究發(fā)現(xiàn),玉米、甘蔗等植物除了和其他C3植物一樣具有卡爾文循環(huán)(固定C02
的初產(chǎn)物為C3,簡稱C3途徑)外,還有另一條固定CO2的途徑,固定CO2的初產(chǎn)物為
C4,簡稱C4途徑,這種植物為C4植物,其固定C02的途徑如下圖。研究發(fā)現(xiàn),C4植物
中PEP潼化酶對C02的親和力約是Rubisco酶的60倍。下列有關(guān)敘述錯誤的是()
B.高溫條件下,C4植物光合效率高的原因是氣孔不關(guān)閉
C.低濃度C02條件下,C4植物可能比C3植物生長得好
D.蘋果酸的主要作用是將葉肉細(xì)胞中的CO2轉(zhuǎn)入維管束鞘細(xì)胞
5.玉米葉肉細(xì)胞中的葉綠體較小數(shù)目也少但葉綠體內(nèi)有基粒;相鄰的維管束鞘細(xì)胞中
葉綠體較大數(shù)目較多但葉綠體內(nèi)沒有基粒。玉米細(xì)胞除C3途徑外還有另一條固定CO2
的途徑,簡稱C4途徑如下圖。研究發(fā)現(xiàn),C4植物中PEP藪化酶對C02的親和力約是
Rubisc。酶的60倍。下列有關(guān)敘述錯誤的是()
C3途徑和CO2的還
C4途徑(葉肉細(xì)
原(維管束鞘細(xì)胞
胞中的葉綠體)
中的葉綠體)
C4■■■■2c3^^NADPH
co2
PEP較化酶/多種酶V>NADP+
參加催化卜
C3(PEP)C5ATP
(丙.酸):、、、^A~?ADP+Pi
ADP+PiATP(CH2O)
A.維管束鞘細(xì)胞中光合作用所利用的CO2都是C4分解釋放的
B.若葉肉細(xì)胞中光合作用速率大于細(xì)胞呼吸速率,植物的干重不一定增加
C.玉米的有機(jī)物是在維管束鞘細(xì)胞通過C3途徑合成的
D.干旱條件下C3途徑植物光合速率比C4途徑植物小
三、CAM途徑
1.光合作用CAM途徑基本定義
景天屬植物是一大類肉質(zhì)植物,景天酸代謝(crassulaceanacidmetabolism,
CAM)首先就是在這類植物中發(fā)現(xiàn)。景天屬植物夜間將吸收的CO2固定在蘋
果酸(C4)中,白天蘋果酸分解釋放CO2參與光合作用。
2.光合作用CAM途徑過程圖解
3、光合作用CAM途徑特點(diǎn)
(1)CAM途徑的形成,是與植物適應(yīng)干旱地區(qū)有關(guān)。白天缺水,氣孔
關(guān)閉,植物便利用前一個晚上固定的C02進(jìn)行光合作用。
(2)植物體在夜晚的有機(jī)酸含量十分高,而糖類含量下降;白天則相反,
有機(jī)酸下降,而糖分增多。
(3)由于利用的CO2含量有限,CAM途徑光合作用強(qiáng)度較低,生物產(chǎn)
量通常較低。
6.為了應(yīng)對外界環(huán)境的變化,植物在長期的進(jìn)化過程中逐漸形成了自己獨(dú)特的代謝過
程。根據(jù)光合作用中的碳同化途徑的不同,可把植物分為C3植物、C4植物和CAM植
物。C3植物為典型溫帶植物,如水稻、小麥;C4植物為典型熱帶或亞熱帶植物,如玉
米、甘蔗;CAM植物(景天科植物)為典型干旱地區(qū)植物,如仙人掌。下圖1、2、3
分別表示三類植物的光合作用的部分過程,請據(jù)圖回答下列問題:
葉肉細(xì)胞
大氣巾
*(co2A(多種酶憐
的C0?高〈總)
圖1
葉肉細(xì)胞維管束鞘細(xì)胞
多種酶
ADP+PiATP
圖3
(1)圖1中過程①進(jìn)行的場所是細(xì)胞的,過程②需要光反應(yīng)提供
oC3植物在干旱、炎熱的環(huán)境中,光合作用強(qiáng)度明顯減弱的原因是
⑵與C3植物相比,C4植物葉肉細(xì)胞中固定CO2的酶與CO2的親和力更強(qiáng),使得C4植
物能利用,因此,C4植物對干旱環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)。
(3)CAM植物葉肉細(xì)胞液泡的pH夜晚比白要(填“高”或“低,CAM植
物之所以適應(yīng)干旱地區(qū)的環(huán)境變化,是因?yàn)镃AM植物白天氣孔關(guān)閉進(jìn)行卡爾文循環(huán),
其利用的C02來源于;夜晚進(jìn)行過程。
7.某些植物可通過特有的景天酸代謝(CAM)途徑固定CO2。在夜晚,葉片的氣孔開
放,通過一系列反應(yīng)將C02固定成蘋果酸儲存在液泡中(甲);在白天,葉片氣孔關(guān)閉,
蘋果酸運(yùn)出液泡后放出CO2,供葉綠體進(jìn)行暗反應(yīng)(乙)。下列關(guān)于CAM植物的敘述,
母牛的是()
A.在白天,葉肉細(xì)胞能產(chǎn)生ATP的部位只有線粒體
B.該植物細(xì)胞在夜晚不能持續(xù)進(jìn)行光合作用合成有機(jī)物
C.CAM途徑的出現(xiàn),可能與植物適應(yīng)干旱條件有關(guān)
D.若下午突然降低外界CO2濃度,C3的含量突然減少
專項(xiàng)達(dá)標(biāo)
8.綠色植物在進(jìn)行光合作用時會同時伴隨發(fā)生一種消耗能量、吸收和釋放CO2的現(xiàn)象,
被稱為光呼吸。下圖為光呼吸的關(guān)系示意圖。下列有關(guān)說法錯誤的是()
A.光呼吸吸收02、釋放CO2的場所分別是葉綠體、線粒體
B.在光照條件下,若葉肉細(xì)胞中02含量下降、C02含量升高,會促進(jìn)光呼吸
C.溫室栽培蔬菜時可通過增施有機(jī)肥減少光呼吸對光合產(chǎn)物的損耗
D.干旱高溫等逆境條件下,植物的光呼吸會增強(qiáng)
9.科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)觀察到,正在進(jìn)行光合作用的葉片突然停止光照后,短時間內(nèi)會釋
放出大量的C02,這一現(xiàn)象被稱為“C02的猝發(fā)”。研究表明植物除了細(xì)胞呼吸外還存在
另一個釋放CO2的途徑——光呼吸。圖為適宜條件下某植物葉片遮光前co2吸收速率
和遮光后C02釋放速率隨時間變化的曲線(單位:pmol-m2s-i),下列說法正確的是()
A.突然遮光,短時間內(nèi)葉綠體中C5的含量會上升
B.光照條件下該植物產(chǎn)生ATP的場所是葉綠體
C.若降低光照強(qiáng)度,則圖形A、B的面積均變小速率
D.該植物在光照條件下葉綠體固定CO2的速率為12pimo卜nr2sl
10.景天酸代謝(CAM)途徑屬于某些植物特有的CO2固定方式:夜晚氣孔開放,通過一
系列反應(yīng)將CO2固定于蘋果酸,并儲存在液泡中(甲);白天氣孔關(guān)閉,蘋果酸運(yùn)出液泡
后放出CO2,供葉綠體的暗反應(yīng)(乙)利用。下列關(guān)于這類植物的敘述錯誤的是()
甲
A.在夜晚,葉肉細(xì)胞能產(chǎn)生ATP的細(xì)胞器有線粒體和葉綠體
B.景天酸代謝途徑的出現(xiàn),可能與植物適應(yīng)干旱條件有關(guān)
C.給植物提供14c標(biāo)記的14co2,i4C可以出現(xiàn)在OAA、蘋果酸、C3和有機(jī)物中
D.在上午某一時刻,突然降低外界的CO2濃度,葉肉細(xì)胞中C3的含量短時間內(nèi)不變
11.光合作用的暗反應(yīng)過程被稱為碳同化。植物在長期進(jìn)化過程中逐漸形成了多種碳同
化途徑,如圖1、圖2、圖3所示,請據(jù)圖回答下列問題:
ABCD
光能2LCH20k?萄糖
出
二3丙酮乙?一酰丙酮躥酸、1隹
■^ATP
>NADP>co2
H200
C02
圖1:C3植物碳元素代謝途徑示意圖
C4植物「光合
葉肉細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)維管束鞘細(xì)胞葉綠體?產(chǎn)物
co2-*co
C
3Rubisco酶.「
C3?C3
圖2:C4植物光合作用過程示意圖
圖3:CAM植物光合作用過程示意圖
(1)圖1中的①、②、③、④表示物質(zhì),A、B、C、D表示生理過程,則①和④分別表
示,在A、B、C、D中,能產(chǎn)生ATP的過程有(填字母)。
⑵在C4植物中,PEP化酶對C02的親和力約是Rubisco酶的60倍,在顯微鏡下觀察
C4植物玉米的葉片發(fā)現(xiàn),葉肉細(xì)胞包圍在維管束鞘細(xì)胞四周,形成花環(huán)狀結(jié)構(gòu),結(jié)合圖
2推測,維管束鞘細(xì)胞中CO2濃度(填“高于”或“低于”)葉肉細(xì)胞中的CO2濃度。
(3)由圖3推測,CAM植物葉肉細(xì)胞液泡的pH夜晚比白天要(填“高”或“低。
CAM植物白天氣孔關(guān)閉,用于光合作用的CO2來源于o
(4)由圖2和圖3可知,C4植物和CAM植物捕獲CO2和生成有機(jī)物的反應(yīng)分別是在_____
(填“時間”或“空間”)上分離,這兩種途徑都有利于植物適應(yīng)環(huán)境。
12.小麥體內(nèi)只有一條固定CO2的途經(jīng)一卡爾文循環(huán),也稱為C3途經(jīng);甘蔗除了具
有C3途經(jīng)外,還有另外一條途經(jīng),即C4途經(jīng)。比較甘蔗和小麥的葉片結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),小麥
的維管束鞘細(xì)胞不含葉綠體,光合作用的全過程在葉肉細(xì)胞葉綠體中完成。而甘蔗的葉
肉細(xì)胞的葉綠體中基粒發(fā)達(dá),維管束鞘細(xì)胞的葉綠體中無基粒。甘蔗細(xì)胞暗反應(yīng)中CO2
固定過程如下圖所示,能有效利用較低濃度的CO2。下列錯誤的是()
葉肉細(xì)胞維管束鞘細(xì)
中的葉綠體胞中的葉綠體
C02------->TC4(草酰乙酸)fC4(蘋果酸)----->co2(3-磷酸該油酸)
胞間連絲“N/2C、
C3(PEP)(\
T____________1C5(RUBP)酶
~/~\/
ADP+PiATP(丙酮酸)、_
(CH2O)—
A.干旱環(huán)境小麥光合作用速率比甘蔗大
B.甘蔗葉肉細(xì)胞不能通過卡爾文循環(huán)產(chǎn)生有機(jī)物
C.甘蔗、小麥光反應(yīng)的場所發(fā)生在葉肉細(xì)胞中
D.甘蔗、小麥暗反應(yīng)過程中CCh的受體不完全相同
13.黑藻固定CCh有兩條途徑(如圖):①CCh在核酮糖-1,5-二磷酸較化酶(Rubisco)
催化下直接與C5反應(yīng)生成C3;②CO2先在磷酸烯醇式丙酮酸竣化酶(PEPC)催化下與
磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)反應(yīng)生成C4(四碳化合物),當(dāng)C4儲存到一定量時分解放出
CO2參與暗反應(yīng)。已知PEPC對CO2親和力是Rubisco的幾十倍。
回答下列問題:
(1)由圖可知,丙酮酸轉(zhuǎn)化為PEP的過程屬于(填“吸能”或“放能”)反應(yīng)。黑藻細(xì)
胞固定C02的具體場所是oC3的還原需要提供能量。
(2)研究發(fā)現(xiàn)黑藻經(jīng)低濃度CO2處理后,PEPC與Rubisco的活性比值由0.47上升到4.17,
試分析發(fā)生這一變化的意義:。黑藻具有這種生理特性是長期的結(jié)果。
(3)為了探究在低濃度CCh處理下黑藻固定CCh途徑改變的分子機(jī)制,研究人員檢測了
低濃度CCh處理前后黑藻體內(nèi)兩種PEPC基因的表達(dá)情況,結(jié)果如圖所示。
處理前處理后
由圖可知,在低濃度CO2處理下黑藻固定CO2途徑改變的分子機(jī)制是O
14.光呼吸可使大豆、水稻和小麥等作物的光合效率降低20%至50%,造成產(chǎn)量損失。
光呼吸是由于。2競爭性地結(jié)合到卡爾文循環(huán)關(guān)鍵酶Rubisco酶上,引起核酮糖1,5-
磷酸(C5)加氧分解。下圖1表示葉肉細(xì)胞中有關(guān)代謝,其中①?④代表光呼吸過程。請
據(jù)圖回答下列問題:
淀粉
丙糖磷酸‘線粒體'
ADP
卡爾文循環(huán)甘油酸
C0
相⑦⑤ATP/:/2
y
°2②④
'、'。2
2-磷酸甘油酸乙醇酸
葉綠體[過氧化物酶體,
圖1
【
(30
S?
SZ
/25
IoooO
OO?????
且20
C?□口□□□
葉肉細(xì)胞維管束鞘細(xì)胞
>〕15?0
第10□□野生型
大氣中3?
5oAP
叵口oAP+RNA干擾
CO~0
00
5O川5
0000200)0
途
徑
胞間CO2濃度(pbar)
圖2圖3
(1)在紅光照射條件下,參與途徑①的主要色素是;Rubisco酶主要分布在一
中,催化CO2與C5結(jié)合,生成2分子C3,影響該反應(yīng)的內(nèi)部因素有(寫出兩
個)。
(2)當(dāng)環(huán)境中Ch與CO2含量比值_______(填“偏高”或“偏低”)時,葉片容易發(fā)生光呼吸。
正常光合的葉片,突然停止光照后葉片會出現(xiàn)快速釋放CO2現(xiàn)象(C02猝發(fā)),試解釋這
一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因:O
(3)從能量代謝分析,光呼吸與有氧呼吸最大的區(qū)別是o
⑷水稻、小麥屬于C3植物,而高粱、玉米屬于C4植物,其特有的C4途徑如圖2所示。
根據(jù)圖中信息推測,PEP竣化酶比Rubisco酶對CO2的親和力o葉肉細(xì)胞包圍
在維管束鞘細(xì)胞四周,形成花環(huán)狀結(jié)構(gòu),根據(jù)此結(jié)構(gòu)特點(diǎn),進(jìn)一步推測C4植物光呼吸
比C3植物=
(5)根據(jù)對光呼吸機(jī)理的研究,科研人員利用基因編輯手段設(shè)計(jì)了只在葉綠體中完成的光
呼吸替代途徑AP(依然具有降解乙醇酸產(chǎn)生CO2的能力)。同時利用RNA干擾技術(shù),降
低葉綠體膜上乙醇酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)量。檢測三種不同類型植株的光合速率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果
如圖3所示。據(jù)此回答:當(dāng)胞間CO?濃度較高時,三種類型植株中,AP+RNA干擾型
光合速率最高的原因可能是、,進(jìn)而促進(jìn)光合作用過程。
參考答案:
1.B
【分析】由題干信息可知,植物在光下會進(jìn)行一種區(qū)別于光合作用和呼吸作用的生理作用,
即光呼吸作用,該作用在光下吸收02產(chǎn)生CO2,該現(xiàn)象與植物的Rubisc。酶有關(guān),它催化
五碳化合物反應(yīng)取決于CO2和02的濃度,當(dāng)C02的濃度較高時,會進(jìn)行光合作用的暗反應(yīng)
階段,當(dāng)。2的濃度較高時,會產(chǎn)生三碳化合物進(jìn)入線粒體中進(jìn)行光呼吸。
【詳解】A、卡爾文循環(huán)中,C3的還原需要能量和還原劑,故需要消耗光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP
和NADPH,A正確;
B、催化RuBP與CO2結(jié)合與催化RuBP與02結(jié)合的是同一種酶(Rubisco),說明C02與RuBP
結(jié)合的場所和。2與RuBP結(jié)合的場所相同,均在葉綠體基質(zhì),B錯誤;
C、在有光條件下,若葉肉細(xì)胞中02含量下降,C02含量升高,會抑制光呼吸過程,因此溫
室栽培蔬菜時可通過增施有機(jī)肥措施,微生物分解有機(jī)物時消耗。2,產(chǎn)生CO2和無機(jī)鹽,
既減少光呼吸對光合產(chǎn)物的損耗又增土壤的肥力,C正確;
D、由于干旱時,溫度很高,蒸騰作用很強(qiáng),氣孔大量關(guān)閉,導(dǎo)致C02濃度降低,Rubisco
更易于與O2結(jié)合,導(dǎo)致光呼吸增強(qiáng),D正確。
故選B。
2.AC
【分析】光合作用的過程及場所:光反應(yīng)發(fā)生在類囊體薄膜中,主要包括水的光解和ATP
的合成兩個過程;暗反應(yīng)發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中,主要包括C02的固定和C3的還原兩個過程。
【詳解】A、光呼吸是植物在當(dāng)02濃度較高時,Rubisco酶催化C5與02反應(yīng),最后在線粒
體內(nèi)生成C02的過程,涉及到的場所有葉綠體基質(zhì)和線粒體,A錯誤;
B、植物光呼吸的進(jìn)行利用了C5,影響CO2的固定,導(dǎo)致光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物減少,B正
確;
C、Rbisco酶催化CO2和C5反應(yīng)稱作二氧化碳的固定,C錯誤;
D、光合作用的暗反應(yīng)過程需要光反應(yīng)提供NADPH和ATP參與C3的還原,D正確。
故選AC。
3.(1)同位素標(biāo)記③葉綠素。2
(2)ATP和NADPH增加
(3)提高Rubisco與CO?的親和力
【分析】分析題圖:①表示02與C5反應(yīng)產(chǎn)生乙醇酸(C2);②表示CO2和C5反應(yīng)生成C3;
③表示H+與NADP+結(jié)合生成NADPH;④表示C2在過氧化物酶體和線粒體協(xié)同下,完成光
呼吸碳氧化循環(huán);⑤表示C3的還原。
【詳解】(1)可以用同位素標(biāo)記法研究碳元素的轉(zhuǎn)移途徑。在光合作用過程中,類囊體膜上
發(fā)生的是光反應(yīng),水被分解成氧氣并生成NADPH,同時伴隨著ATP的生成,故可以發(fā)生③
過程(H+與NADP+結(jié)合生成NADPH)。在光合色素中,葉綠素主要吸收紅光和藍(lán)紫光,類
胡蘿卜素主要吸收藍(lán)紫光,在紅光照射條件下,參與代謝途徑的主要色素是葉綠素(葉綠素
a和葉綠素b)。在C2循環(huán)途徑中,乙醇酸進(jìn)入過氧化物酶體被繼續(xù)氧化,并生成過氧化氫,
過氧化氫會被過氧化物酶體中的過氧化氫酶催化為水和氧氣。
(2)對正常進(jìn)行光合作用的植物突然停止光照,則光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供的ATP和[H]減少,
導(dǎo)致暗反應(yīng)減弱;
C5與。2結(jié)合增加,在過氧化物酶體和線粒體協(xié)同下,生成的C02增加。
(3)當(dāng)C02的含量較高,。2含量較低時,C5與CO2結(jié)合較多,與。2結(jié)合較少,可以降低
光呼吸作用,另外,還可以通過提高Rubisco與CO2的親和力,從而降低光呼吸作用。
4.B
【分析】光合作用包括光反應(yīng)階段和暗反應(yīng)階段,光反應(yīng)在類囊體薄膜上進(jìn)行,暗反應(yīng)在葉
綠體基質(zhì)中進(jìn)行。
【詳解】A、圖中C02進(jìn)入葉肉細(xì)胞后,與磷酸烯醇式丙酮酸結(jié)合,生成草酰乙酸,A正確;
B、高溫條件下,C4植物光合效率高的原因是C4植物中PEP竣化酶對CO2的親和力遠(yuǎn)大于
Rubisco酶,故C4植物能夠利用較低濃度的C02進(jìn)行光合作用,B錯誤;
C、低濃度CO2條件下,C4植物能夠利用低濃度的CO2進(jìn)行光合作用,C3植物則不能,因
此C4植物可能比C3植物生長得好,C正確;
D、由圖可知,蘋果酸的主要作用是將葉肉細(xì)胞中的CO2轉(zhuǎn)入維管束鞘細(xì)胞,D正確。
故選B。
5.A
【分析】玉米存在C3和C4兩個途徑,夏季正午時會因氣孔關(guān)閉,C02吸收減少,但C4途
徑中的PEP竣化酶對CO2的親和力很高,CO2通過C4途徑進(jìn)入C3途徑,固定形成C3,C3
被還原形成糖類物質(zhì)。
【詳解】A、在玉米的維管束鞘細(xì)胞中光合作用所利用的CO2來源有C4分解釋放的和細(xì)胞
呼吸產(chǎn)生的,A錯誤
B、若葉肉細(xì)胞中光合作用速率大于細(xì)胞呼吸速率,但對于整個植株來說,還有部分不能進(jìn)
行光合作用的細(xì)胞也要通過呼吸作用消耗有機(jī)物,故植物的干重不一定增加,B正確;
C、玉米的維管束鞘細(xì)胞能進(jìn)行光合作用暗反應(yīng),故玉米的有機(jī)物是在維管束鞘細(xì)胞通過
C3途徑合成的,C正確;
D、在干旱條件下,植物葉片中的氣孔部分關(guān)閉,導(dǎo)致植物吸收的C02減小,相比于C3途
徑,C4途徑中的PEP便化酶對C02的親和力很高,C4進(jìn)入維管束鞘細(xì)胞的葉綠體中分解產(chǎn)
生C02,故C3途徑植物光合速率比C4途徑植物小,D正確。
故選Ao
6.(1)葉綠體基質(zhì)NADPH和ATP干旱炎熱的環(huán)境中,植物為了減少蒸騰作
用,氣孔大量關(guān)閉,造成CO2進(jìn)入葉片組織大幅減少,導(dǎo)致光合作用強(qiáng)度明顯減弱
⑵更低濃度的CO2
(3)低蘋果酸分解和細(xì)胞呼吸CO2的固定
【分析】圖1:①是二氧化碳的固定,②是三碳化合物的還原。
圖2:C4植物是在葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和維管束鞘細(xì)胞的葉綠體中進(jìn)行CO2的固定的,
C4植物是在不同細(xì)胞中進(jìn)行CO2的固定。
圖3:CAM植物是晚上在葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)進(jìn)行CO2固定,白天在葉肉細(xì)胞葉綠體中
進(jìn)行CO2固定的,所以CAM植物是在不同時間進(jìn)行CO2固定。
【詳解】(1)圖1中過程①表示二氧化碳的固定,其進(jìn)行的場所是細(xì)胞的葉綠體基質(zhì),過程
②表示三碳化合物的還原,此過程需要光反應(yīng)提供NADPH和ATP。C3植物在干旱、炎熱
的環(huán)境中,因?yàn)橹参餅榱朔乐拐趄v作用散失大量水分,所以氣孔大量關(guān)閉,故而影響了二氧
化碳的吸收,導(dǎo)致光合作用強(qiáng)度明顯減弱。
(2)與C3植物相比,C4植物葉肉細(xì)胞中固定CO2的酶與CCh的親和力更強(qiáng),故C4可以利
用低濃度的二氧化碳,使得C4植物對干旱環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)。
(3)CAM植物在夜晚要儲存二氧化碳到液泡,故pH夜晚比白天要低,CAM植物白天氣
孔關(guān)閉,由圖可知,卡爾文循環(huán)利用的CCh來源于蘋果酸分解和細(xì)胞呼吸。因?yàn)樯钤诟?/p>
旱炎熱的環(huán)境中,為應(yīng)對外界環(huán)境,CAM植物白天關(guān)閉氣孔可降低蒸騰作用以減少水分的
散失,夜晚進(jìn)行CO2的固定過程。
7.AD
【分析】光合作用,通常是指綠色植物(包括藻類)吸收光能,把二氧化碳和水合成有機(jī)物,
同時釋放氧氣的過程。光合作用分為光反應(yīng)階段和暗反應(yīng)階段。光反應(yīng)階段的特征是在光驅(qū)
動下生成氧氣、ATP和NADPH的過程。暗反應(yīng)階段是利用光反應(yīng)生成NADPH和ATP使
氣體二氧化碳還原為糖。由于這階段基本上不直接依賴于光,而只是依賴于NADPH和ATP
的提供,故稱為暗反應(yīng)階段。
【詳解】A、在白天,葉肉細(xì)胞能進(jìn)行光合作用和呼吸作用,故能產(chǎn)生ATP的部位是葉綠體、
線粒體和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì),A錯誤;
B、夜晚沒有光照,光反應(yīng)不能進(jìn)行,無法為暗反應(yīng)提供ATP和NADPH,故在夜晚不能持
續(xù)進(jìn)行光合作用合成有機(jī)物,B正確;
C、CAM途徑的出現(xiàn),能夠適應(yīng)干旱環(huán)境,干旱條件下氣溫較高,氣孔開放程度較低,因
此白天能從外界吸收的CO2不多,C正確;
D、CAM植物在白天氣孔關(guān)閉,突然降低外界C02濃度,不會影響細(xì)胞間CO2濃度,C3的
含量不會突然減少,D錯誤。
故選AD?
8.B
【分析】由圖可知,光呼吸和光合作用的安放映都利用C5作為原料,但光合作用的暗反應(yīng)
階段通過C3的還原生成糖類和C5,實(shí)現(xiàn)了C5的再生,而光呼吸將C5徹底氧化分解生成
C02.
【詳解】A、由圖可知,光呼吸吸收02、釋放C02的場所分別是葉綠體、線粒體,A正確;
B、在光照條件下,若葉肉細(xì)胞中02含量下降、CO2含量升高,會抑制光呼吸過程,B錯誤;
C、溫室栽培蔬菜時可通過增施有機(jī)肥,既減少光呼吸對光合產(chǎn)物的損耗并增強(qiáng)土壤的肥力,
C正確;
D、由于干旱高溫時,蒸騰作用很強(qiáng),氣孔大量關(guān)閉,導(dǎo)致CO2濃度降低,C5更易于與02
結(jié)合,導(dǎo)致光呼吸增強(qiáng),D正確。
故選B。
9.D
【分析】圖像反映了遮光前后植物吸收或釋放CO2速率變化,在遮光后短時間內(nèi)C02釋放
速率明顯超過細(xì)胞在同等條件下細(xì)胞呼吸作用釋放CO2速率。從圖形可看出當(dāng)遮光一段時
間后C02釋放速率達(dá)到穩(wěn)定,由于遮光后植物沒有光合作用只有呼吸作用,所以B值就應(yīng)
代表該植物呼吸作用釋放二氧化碳速率,B+C是代表在遮光短時間內(nèi)釋放CO2速率最大值,
因此C代表遮光后短時間內(nèi)除呼吸作用釋放二氧化碳外其他途徑釋放二氧化碳速率。
【詳解】A、當(dāng)突然遮光,光照強(qiáng)度降低,光反應(yīng)減弱,光反應(yīng)產(chǎn)生的NADPH和ATP減少,
C3的還原減弱,C5的生成減少,而C02的固定依舊在進(jìn)行,C5的消耗暫時不變,故C5減少,
A錯誤;
B、光照條件下,植物既進(jìn)行光合作用,也進(jìn)行呼吸作用,因此葉綠體和線粒體都會產(chǎn)生ATP,
B錯誤;
C、由于遮光后植物沒有光合作用只有呼吸作用所以B值就應(yīng)代表該植物呼吸作用釋放二氧
化碳速率,若C代表遮光后短時間內(nèi)除呼吸作用釋放二氧化碳外其他途徑釋放二氧化碳速
率,降低光照強(qiáng)度,光合作用降低,圖形A面積變小,圖形B代表的是呼吸作用,其面積
不會變小,C錯誤;
D、據(jù)題可知,該植物光呼吸速率為5-3=2nmol-m2s-i,該植物在光照下葉綠體固定CO2的
速率為7+3+2=12|imol-nr2.s-i,D正確。
故選D。
10.A
【分析】植物在光照條件下進(jìn)行光合作用,光合作用分為光反應(yīng)階段和暗反應(yīng)階段,光反應(yīng)
階段在葉綠體的類囊體薄膜上進(jìn)行水的光解,產(chǎn)生ATP和NADPH,同時釋放氧氣,ATP
和NADPH用于暗反應(yīng)階段三碳化合物的還原,細(xì)胞的呼吸作用不受光照的限制,有光無光
都可以進(jìn)行,為細(xì)胞的各項(xiàng)生命活動提供能量。
【詳解】A、在夜晚,葉肉細(xì)胞只能通過細(xì)胞呼吸產(chǎn)生ATP,即產(chǎn)生ATP的細(xì)胞器是線粒體,
A錯誤;
B、具有景天酸代謝途徑的植物,氣孔白天關(guān)閉,可以減少蒸騰作用,夜晚氣孔張開吸收二
氧化碳,可以適應(yīng)干旱的環(huán)境條件,B正確;
C、具有景天酸代謝途徑的植物,晚上氣孔開放,"CO?進(jìn)入細(xì)胞后在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中與PEP
結(jié)合生成OAA,然后再轉(zhuǎn)化為蘋果酸而被固定。白天蘋果酸運(yùn)出液泡后放出14co2,14co2
首先與五碳化合物結(jié)合生成三碳化合物,隨后三碳化合物被還原生成有機(jī)物,即14c可以出
現(xiàn)在OAA、蘋果酸、C3和有機(jī)物中,C正確;
D、由于該植物白天氣孔關(guān)閉,所以在上午某一時刻,突然降低外界的CO2濃度,對于該葉
肉細(xì)胞來說,其暗反應(yīng)不受影響,即C3的含量不受影響,短時間內(nèi)不變,D正確。
故選Ao
11.(1)。2、C5ACD
⑵高于
⑶低液泡中的蘋果酸經(jīng)脫竣作用釋放C02
(4)空間、時間
【分析】圖1是光合作用和有氧呼吸過程示意圖,其中A、B、C、D分別表示光合作用的
光反應(yīng)階段、光合作用暗反應(yīng)階段、有氧呼吸第一階段、有氧呼吸二三階段。
C4植物是在葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和維管束鞘細(xì)胞的葉綠體中進(jìn)行C02的固定的,C4植物
是在不同細(xì)胞中進(jìn)行C02的固定,而CAM植物是晚上在葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)進(jìn)行CO2
固定,白天在葉肉細(xì)胞葉綠體中進(jìn)行C02固定的,所以CAM植物是在不同時間進(jìn)行C02
固定。
【詳解】(1)由圖1分析可知,①是水光解產(chǎn)生的。2,④是參與C02固定的C5。C過程是
有氧呼吸第一階段,發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中。D表示的過程是有氧呼吸二三階段。合成ATP
的過程有A光反應(yīng)階段,C有氧呼吸第一階段和D有氧呼吸二、三階段。
(2)PEP化酶對CCh的親和力約是Rubisco酶的60倍,結(jié)合圖2推測,維管束鞘細(xì)胞中
CO2濃度(消耗較慢)高于葉肉細(xì)胞中的C02濃度。
(3)CAM植物在晚上氣孔張開,吸收二氧化碳變成蘋果酸,蘋果酸進(jìn)入液泡儲存起來,白
天蘋果酸分解釋放出二氧化碳用于卡爾文循環(huán),因此CAM植物葉肉細(xì)胞液泡的pH夜晚比
白天要“低”。根據(jù)圖3顯示,CAM植物白天進(jìn)行光合作用所需CO2的來源有液泡中的蘋果
酸經(jīng)脫竣作用釋放C02和細(xì)胞的呼吸作用產(chǎn)生。
(4)C4植物捕獲和固定CO2的反應(yīng)在空間上分離(在葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞中分別進(jìn)行
C02的捕獲和固定)CAM植物捕獲和固定CCh的反應(yīng)在時間上分離(晚上捕獲,白天固定)。
12.A
【分析】根據(jù)題干信息和圖形分析:在甘蔗葉肉細(xì)胞中PEP(C3)將CCh固定成C4(草酰
乙酸),C4的進(jìn)一步反應(yīng)產(chǎn)物可轉(zhuǎn)運(yùn)到甘蔗的維管束鞘細(xì)胞中去釋放出CO2,同時產(chǎn)生C3
(丙酮酸),丙酮酸進(jìn)入葉肉細(xì)胞的葉綠體進(jìn)一步反應(yīng)生成PEP;而釋放出的CO2又可與
RuBP(核酮糖二磷酸)結(jié)合進(jìn)生成C3。
【詳解】A、小麥體內(nèi)只有一條固定CCh的途經(jīng),即卡爾文循環(huán);甘蔗除了具有C3途經(jīng)外,
還有C4途經(jīng),能有效利用較低濃度的CO2,因此在干旱環(huán)境中,小麥葉片氣孔關(guān)閉,吸收
C02較少,小麥光合作用速率比甘蔗小,A錯誤;
B、由圖可知:甘蔗有機(jī)物的生成是在維管束鞘細(xì)胞中經(jīng)過卡爾文循環(huán)合成的,而葉肉細(xì)胞
只進(jìn)行C4途徑,不形成有機(jī)物,故甘蔗葉肉細(xì)胞不能通過卡爾文循環(huán)產(chǎn)生有機(jī)物,B正確;
C、甘蔗的葉
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