人教生物重难强化训练：专题2 细胞的代谢（4） 光合作用和细胞呼吸的其他途径（含解析）

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专题2 细胞的代谢
（四） 光合作用和细胞呼吸的其他途径
1．光呼吸是O2/CO2的值偏高时与光合作用同时发生的生理过程，是经长期进化形成的适应机制。光呼吸和暗反应关系密切，机理如图所示。下列叙述错误的是(　 )
A．光呼吸可保证CO2不足时，暗反应仍能正常进行
B．光合作用的光反应强于暗反应时容易导致光呼吸发生
C．光呼吸过程虽消耗有机物，但不产生ATP
D．抑制光呼吸能大幅度提高光合作用强度
解析：选D　当环境中CO2不足时，植物通过光呼吸产生CO2，供暗反应正常进行，A正确；光合作用的光反应强于暗反应时，O2/CO2的值偏高，产生过多的NADPH和ATP，利于光呼吸进行，B正确；由题图可知，光呼吸过程消耗了C5和ATP，不产生ATP，C正确；抑制光呼吸能够减少有机物的消耗，但不能大幅度提高光合作用强度，D错误。
2．(2023·泰安调研)下图是植物叶肉细胞中部分代谢过程的模式图，图中R酶在光下既能催化C5与CO2的羧化反应，又能催化C5与O2氧化反应。C5与O2反应的产物经过T蛋白转运到叶绿体外，并经代谢途径Ⅰ产生CO2的现象称为光呼吸。
(1)R酶是一种存在于叶绿体_______中的酶，可以催化C5与CO2反应最终产生C3，C3接受_______释放的能量的同时被NADPH还原。
(2)从植物所处环境中相关气体浓度之比分析，当________________________时，有利于光呼吸而不利于光合作用。若要利用基因工程降低光呼吸，提高光合效率，请据图分析提出你的设计思路：______________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)为与光呼吸相区别，研究人员将细胞呼吸称为“暗呼吸”，从反应场所和环境条件的角度列举光呼吸和“暗呼吸”的不同：_________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)CO2浓度较高时，R酶催化CO2与C5反应生成C3，C3接受ATP和NADPH释放的能量并被NADPH还原，这是暗反应过程，故R酶的存在场所是叶绿体基质。(2)当O2浓度过高时，在叶绿体基质中C5与O2结合生成C3和2 磷酸乙醇酸，减少了C5与CO2结合生成C3的量，不利于光合作用，因此可以推测，当O2浓度与CO2浓度比值高(CO2浓度与O2浓度比值低)时，有利于光呼吸而不利于光合作用。T蛋白的功能是将乙醇酸运输出叶绿体，在叶绿体外最终转化成CO2和甘油酸，甘油酸又被T蛋白运回叶绿体，但是该过程损失了部分CO2，因此可以通过敲除T蛋白基因或导入其他目的基因，使其抑制T蛋白活性减少该代谢途径中CO2的丢失，从而进一步提高光合作用的效率。(3)光呼吸与“暗呼吸”的环境条件不同：光呼吸需要光，“暗呼吸”有光无光均可。光呼吸与“暗呼吸”的反应场所不同：光呼吸在叶绿体内和叶绿体外，“暗呼吸”在细胞质基质和线粒体。
答案：(1)基质　ATP和NADPH　(2)O2浓度与CO2浓度比值高(或CO2浓度与O2浓度比值低)　敲除T蛋白基因或导入其他目的基因使其抑制T蛋白活性　(3)光呼吸的反应场所为叶绿体内和叶绿体外，“暗呼吸”的反应场所为细胞质基质和线粒体；光呼吸需要光，“暗呼吸”有光无光均可
3．(2023·佛山高三质量检测)黑藻固定CO2有两条途径(如图1)：①CO2在核酮糖 1,5 二磷酸羧化酶(Rubisco)催化下直接与C5反应生成C3；②CO2先在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)催化下与磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)反应生成C4(四碳化合物)，当C4储存到一定量时分解放出CO2参与暗反应。已知PEPC对CO2的亲和力是Rubisco的几十倍。回答下列问题：
(1)由图1可知，丙酮酸转化为PEP的过程属于________(填“吸能”或“放能”)反应。黑藻细胞固定CO2的具体场所是_______________________________________________。
C3的还原需要____________________提供能量。
(2)研究发现黑藻经低浓度CO2处理后，PEPC与Rubisco的活性比值由0.47上升到4.17，试分析发生这一变化的意义：____________________________________________________
_____________________________________________________________________。
黑藻具有这种生理特性是长期________的结果。
(3)为了探究在低浓度CO2处理下黑藻固定CO2途径改变的分子机制，研究人员检测了低浓度CO2处理前后黑藻体内两种PEPC基因的表达情况，结果如图2所示。由图2可知，在低浓度CO2处理下黑藻固定CO2途径改变的分子机制是____________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)由题图1可知，丙酮酸转化为PEP的过程伴随着ATP的水解，故该过程属于吸能反应；黑藻细胞可以在细胞质基质中将低浓度的CO2固定为C4，在叶绿体基质中利用高浓度的CO2与C5反应生成C3；C3的还原过程需要光反应产生的NADPH和ATP提供能量。(2)研究发现黑藻经低浓度CO2处理后，PEPC与Rubisco的活性比值由0.47上升到4.17，PEPC的活性提高，有利于黑藻细胞在低浓度CO2条件下增强固定CO2的能力，以提高光合作用强度；黑藻具有这种生理特性是长期进化的结果。(3)分析图2可知，在低浓度CO2处理下，PEPC1基因表达的相对含量稍有下降，而PEPC2基因表达的相对含量明显增加，推测是由于低浓度CO2处理诱导PEPC2基因表达增强，使PEPC2基因表达的相对含量增加，导致PEPC活性提高，引起黑藻固定CO2的能力增强。
答案：(1)吸能　细胞质基质、叶绿体基质　NADPH和ATP　(2)低浓度CO2处理后，PEPC的活性提高，有利于黑藻细胞在低浓度CO2条件下，增强固定CO2的能力，以提高光合作用强度　进化　
(3)低浓度CO2处理诱导PEPC2基因表达增强，使PEPC2基因表达的相对含量增加，导致PEPC活性提高，引起黑藻固定CO2的能力增强
4．光合作用的暗反应过程被称为碳同化。植物在长期进化过程中逐渐形成了多种碳同化途径。如图1所示，玉米、甘蔗等C4植物，其PEP羧化酶与CO2有强亲和力，可以将环境中低浓度的CO2固定下来，集中到维管束鞘细胞。而景天科等CAM(景天酸代谢)植物，长期生活在干旱或半干旱环境中，它们在夜晚捕获CO2，然后转变成苹果酸储存在液泡中，白天气孔关闭，苹果酸脱羧释放CO2用于卡尔文循环。
(1)在显微镜下观察玉米叶片结构发现，叶肉细胞包围在维管束鞘细胞四周，形成花环状结构。维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，推测其可能缺少________(填“基粒”或“基质”)结构。CAM植物叶肉细胞液泡的pH夜晚比白天要________(填“高”或“低”)。由图1可知，C4植物与CAM植物在捕获和固定大气中的CO2的方式上最明显的区别是________________________________________________________________________
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(2)玉米与传统的水稻、小麦等粮食作物相比，具有很强的耐旱、耐寒、耐贫瘠性以及极好的环境适应性。图2所示为玉米与小麦的光合速率与环境CO2体积分数的关系曲线，其中最可能表示玉米的曲线是________，理由是_____________________________________
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(3)蝴蝶兰因其花姿优美、花色艳丽而较受欢迎。图3为蝴蝶兰叶片净CO2吸收速率和有机酸含量的昼夜变化。据图3推测，蝴蝶兰________(填“存在”或“不存在”)CAM途径，判断依据是___________________________________________________________
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(4)Rubisco酶是卡尔文循环中催化CO2固定的酶。Rubisco酶对CO2和O2都有亲和力，在光照条件下，当CO2/O2的值高时，Rubisco酶可催化C5固定CO2合成有机物，当CO2/O2的值低时，Rubisco酶可催化C5结合O2发生氧化分解，消耗有机物，此过程称为光呼吸，它会导致光合效率下降。有人认为，景天酸代谢(CAM)途径是景天科植物长期进化得到的一种可以抑制光呼吸的碳浓缩机制。你认为这种说法________(填“合理”或“不合理”)，理由是________________________________________________________________________
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(5)科学研究发现：Rubisco酶是一种双功能酶，在较强光照下，它既催化C5与CO2的羧化反应进行光合作用，同时又催化C5的加氧反应进行光呼吸，羧化和加氧反应的相对速率完全取决于CO2与O2的相对浓度。如图4所示为光合作用暗反应和光呼吸的部分过程。
为探究光呼吸的产物与场所，请利用同位素标记法设计实验，验证图示过程光呼吸的终产物和场所，简要写出实验思路和预期实验结果。(要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组)
解析：(1)由图1可知，维管束鞘细胞中可进行卡尔文循环，该过程发生在叶绿体基质中，推测维管束鞘细胞可能缺少基粒结构。结合图1可知，CAM植物在晚上气孔张开，将吸收的CO2转变成苹果酸，苹果酸进入液泡储存起来，白天苹果酸分解释放出CO2用于卡尔文循环，因此CAM植物叶肉细胞液泡的pH夜晚比白天要低。由图1可知，C4植物与CAM植物在捕获和固定大气中的CO2的方式上最明显的区别表现在C4植物捕获和固定CO2的反应在空间上分离(或在不同的细胞内捕获和固定CO2)，CAM植物捕获和固定CO2的反应在时间上分离(或在夜晚捕获CO2，白天固定CO2)，这些特性都是长期适应环境的结果。(2)玉米为C4植物，小麦为C3植物，相比较而言，由于PEP羧化酶对CO2的亲和力强，C4植物在低浓度CO2条件下具有更高的光合速率，因此a曲线最可能表示玉米。(3)由图3可知蝴蝶兰叶片在夜间吸收CO2出现高峰，而白天吸收CO2较少，同时蝴蝶兰叶片中白天有机酸的含量下降，夜晚有机酸的含量升高，这些都是CAM植物的光合特性，据此可判断蝴蝶兰存在CAM途径。(4)CAM植物的叶肉细胞可以在夜晚吸收大量的CO2，并将其转变为苹果酸储存在液泡中，在白天苹果酸脱羧释放CO2，使得叶绿体中Rubisco酶周围的CO2浓度升高，从而使CO2在与O2竞争Rubisco酶时有优势，抑制了光呼吸，因此，景天酸代谢(CAM)途径是景天科植物长期进化得到的一种可以抑制光呼吸的碳浓缩机制。(5)实验思路及预期实验结果见答案。
答案：(1)基粒　低　C4植物捕获和固定CO2的反应在空间上分离(或在不同的细胞内捕获和固定CO2)，CAM植物捕获和固定CO2的反应在时间上分离(或在夜晚捕获CO2，白天固定CO2)　(2)a　玉米是C4植物，小麦是C3植物，低浓度CO2条件下，玉米的光合速率高于小麦(3)存在　由图3可知蝴蝶兰叶片吸收CO2主要发生在夜间，白天吸收CO2较少(或白天的净CO2吸收速率较低，夜晚的净CO2吸收速率较高)；蝴蝶兰叶片中白天有机酸的含量下降，夜晚有机酸的含量升高，符合CAM植物的光合特性　(4)合理　CAM植物的叶肉细胞可以在夜晚吸收大量的CO2，并将其转变为苹果酸储存在液泡中，在白天苹果酸脱羧释放CO2，使得叶绿体中Rubisco酶周围的CO2浓度升高，CO2在与O2竞争Rubisco酶时有优势，抑制了光呼吸　(5)实验思路：甲组：将小麦(或C3植物)叶肉细胞置于光照较强和C18O2浓度较高的环境中培养一段时间后检测18O出现的场所及物质；乙组：将小麦(或C3植物)叶肉细胞置于光照较强和18O2浓度较高的环境中培养一段时间后检测18O出现的场所及物质。
预期实验结果：甲组中的18O出现在叶绿体基质中，在糖类中可以检测到18O；乙组中的18O出现在线粒体和叶绿体基质中，在CO2和糖类中可以检测到18O
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