2024届高三二轮复习生物：特殊CO2固定方式及光呼吸专题练习（有答案）

特殊CO2固定方式及光呼吸专题练习
1．玉米是一种生活在高温、高光强环境的农作物，存在于其叶肉细胞中的PEP羧化酶(PEPC)具有高CO2亲和力，可在低浓度CO2条件下高效固定CO2。玉米的光合作用需要叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成，如图1为两类细胞在叶片中的位置示意图，图2为相关物质转化示意图。请回答下列问题：
(1)图1中的维管束鞘的外侧紧密连接一层环状的叶肉细胞，组成了花环型结构。该特殊结构的意义在于叶肉细胞中________________对CO2具有很强的亲和力，可以把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来，进而维持______________细胞内的叶绿体中高CO2状态。科学家把这种独特作用，形象地比喻成“二氧化碳泵”。
(2)在玉米的叶肉细胞内的苹果酸通过______(填结构P的名称)进入维管束鞘细胞释放出丙酮酸和CO2。叶肉细胞和维管束鞘细胞间具有大量结构P的意义是________________。经浓缩后释放的CO2在Rubisco的催化下经过程①被固定成________，在____________________(填场所)中进一步被还原生成磷酸丙糖。
(3)综上分析，玉米光合作用需要叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成，固定CO2的受体有____________________________。
(4)热休克蛋白(HSPs)是植物对逆境胁迫短期适应的必需组分，对减轻逆境胁迫引起的伤害起着重要的作用。为研究小热休克蛋白(sHSPs)降低干旱胁迫对玉米生长的影响机制，科研人员采用如表中的实验步骤和操作过程开展研究，请完成表格：
实验目的 简要操作过程
材料处理及分组编号 供试玉米种子在28 ℃培养箱中发芽1天后，选取①__________的种子置于相同营养液中培养。待幼苗第二片叶子完全展开，随机均分成甲、乙两组
自变量处理 甲组植株根系置于PEG溶液中，在40%的空气相对湿度中培养，模拟②____________条件；乙组植株根系置于等量蒸馏水中，在75%的空气相对湿度中培养
控制无关变量 将甲、乙两组置于温度、光照等条件适宜且相同的环境中培养8 h，之后剪取两组叶片放在液氮中储存
指标检测及结果分析 对叶片研磨、离心后，取总RNA，以sHSPs和β－action基因③_________为依据设计引物，进行RT－PCR扩增，其中β－action(一种蛋白质骨架)为内参。扩增产物用1%的④_____________电泳检测，EB(溴化乙锭)染色照相
2.有些植物光合作用时CO2被固定的最初产物是C3，这些植物称为C3植物；而有些生活在热带干旱地区的植物，其在夜间气孔开放时，CO2被转化成苹果酸储存在液泡中，在白天气孔关闭时，液泡中的苹果酸会释放出CO2，进而在叶绿体中完成卡尔文循环，这些植物称为CAM植物。请回答下列问题：
(1)在C3植物的叶绿体中，CO2被__________固定成C3，C3再接受________________的能量被还原成糖类。
(2)如图是CAM植物在进行光合作用时固定CO2的方式，据图判断，苹果酸进入液泡和细胞质基质的物质运输方式分别为__________________。CAM植物在白天光合作用所需CO2的来源有苹果酸脱羧和________；在夜间气孔开放时，CAM植物可以合成[H]，原因是_______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________。
注：PEP为磷酸烯醇式丙酮酸。
(3)植物甲是一种兼性CAM植物，当其在干旱的环境时，表现为气孔夜间开放、白天关闭的CAM类型，当其在水分充足的环境时，则转变为气孔白天开放、夜间关闭的C3类型。若以液泡pH的变化为检测指标，请设计实验验证植物甲是兼性CAM植物，简要写出实验思路和预期结果。
实验思路：___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________；
预期结果：_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
3．(2021·辽宁，22)早期地球大气中的O2浓度很低，到了大约3.5亿年前，大气中O2浓度显著增加，CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约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)是一种催化CO2固定的酶，在低浓度CO2条件下，催化效率低。有些植物在进化过程中形成了CO2浓缩机制，极大地提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定。回答下列问题：
(1)真核细胞叶绿体中，在Rubisco的催化下，CO2被固定形成________________，进而被还原生成糖类，此过程发生在______________中。
(2)海水中的无机碳主要以CO2和HCO－3两种形式存在，水体中CO2浓度低、扩散速度慢，有些藻类具有如图1所示的无机碳浓缩过程，图中HCO－3浓度最高的场所是_______________(填“细胞外”“细胞质基质”或“叶绿体”)，可为图示过程提供ATP的生理过程有_________。
(3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制，部分过程如图2。在叶肉细胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将HCO－3转化为有机物，该有机物经过一系列的变化，最终进入相邻的维管束鞘细胞释放CO2，提高了Rubisco附近的CO2浓度。
①由这种CO2浓缩机制可以推测，PEPC与无机碳的亲和力________(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。
②图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是________________。图中由Pyr转变为PEP的过程属于________________(填“吸能反应”或“放能反应”)。
③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所，可以使用________________技术。
(4)通过转基因技术或蛋白质工程技术，可能进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－3转运蛋白基因，增强HCO－3的运输能力
B．改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成
C．改造植物的Rubisco基因，增强CO2固定能力
D．将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物
4．(2023·泉州高三统考)春夏季节无机碳含量较低的富营养化水体中常常发生水华，铜锈微囊藻是一种主要水华蓝细菌，能通过浓缩CO2保持竞争优势，机制如图1，其中①～⑨代表过程，A～D代表载体，羧体是一种由蛋白质组成的类细胞器，CA代表碳酸酐酶。研究人员进一步研究了特定环境对CA活力的影响，结果如图2、图3。请回答下列问题：
(1)图1中，铜锈微囊藻光合作用固定CO2的场所是________，光合片层结构上的________(色素名称)吸收光能，合成的________________参与C3的还原。
(2)图1中，铜锈微囊藻浓缩CO2的机制有：①通过载体__________(填字母)的转运建立Na＋电化学势能驱动载体C吸收HCO－3；②通过________驱动载体D吸收HCO－3；③细胞质中的____________能将羧体中外泄的CO2转变为HCO－3。
(3)在高浓度CO2条件下，CA活力__________________________________________________。
结合图2、图3分析，微囊藻水华的爆发往往发生在水体无机碳含量较低的春夏季节，原因是_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(4)鞭毛虫(一种原生动物)能吞食微囊藻等蓝细菌，研究人员提出可利用鞭毛虫防治水华，且研究了鞭毛虫吞食作用对铜锈微囊藻细胞大小(FSC)和酯酶(FL1，诱发细胞聚合成群体)活性的影响，结果如图4、图5。
该研究表明鞭毛虫防治水华的效果不太理想，其原因是在鞭毛虫吞食作用下，一方面铜锈微囊藻细胞_____________________________________________________，增殖加快；另一方面__________________________________________，有效阻止鞭毛虫的吞食。
题组三　辨析光呼吸
5．(2021·山东，21)光照条件下，叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5，O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸。向水稻叶面喷施不同浓度的光呼吸抑制剂SoBS溶液，相应的光合作用强度和光呼吸强度见下表。光合作用强度用固定的CO2量表示，SoBS溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计。
SoBS浓度(mg/L) 0 100 200 300 400 500 600
光合作用强度 (CO2μmol·m－2·s－1) 18.9 20.9 20.7 18.7 17.6 16.5 15.7
光呼吸强度 (CO2μmol·m－2·s－1) 6.4 6.2 5.8 5.5 5.2 4.8 4.3
(1)光呼吸中C5与O2结合的反应发生在叶绿体的__________中。正常进行光合作用的水稻，突然停止光照，叶片CO2释放量先增加后降低，CO2释放量增加的原因是_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(2)与未喷施SoBS溶液相比，喷施100 mg/L SoBS溶液的水稻叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度__________(填“高”或“低”)，据表分析，原因是______________________
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(3)光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物，农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探究SoBS溶液利于增产的最适喷施浓度，据表分析，应在____________mg/L之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。
6．(2023·湖南，17)下图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。卡尔文循环的Rubisco酶对CO2的Km为450 μmol·L－1(K越小，酶对底物的亲和力越大)，该酶既可催化RuBP与CO2反应，进行卡尔文循环，又可催化RuBP与O2反应，进行光呼吸(绿色植物在光照下消耗O2并释放CO2的反应)。该酶的酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影响。与水稻相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘，其中叶肉细胞叶绿体是水光解的主要场所，维管束鞘细胞的叶绿体主要与ATP生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利用PEPC酶(PEPC对CO2的Km为7 μmol·L－1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与CO2反应生成C4，固定产物C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2，再进行卡尔文循环。回答下列问题：
(1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是________________(填具体名称)，该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成________(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后，再通过____________长距离运输到其他组织器官。
(2)在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度________(填“高于”或“低于”)水稻。从光合作用机制及其调控分析，原因是
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
________________________________________________________________(答出三点即可)。
(3)某研究将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻，水稻叶绿体中CO2浓度大幅提升，其他生理代谢不受影响，但在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化。其原因可能是______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(答出三点即可)。
拓展练习
1．当同时给予植物红光和远红光照射时，光合作用的速率大于分开给光的速率，这一现象称为双光增益效应，如图1所示；出现这一现象的原因是光合作用过程中存在两个串联的光系统，即光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)，其作用机理如图2所示。下列相关说法正确的是(　　)
A．光系统Ⅰ位于叶绿体类囊体，光系统Ⅱ位于叶绿体基质
B．双光增益是通过提高单位时间内光合色素对光能的吸收量来实现的
C．光系统Ⅰ和光系统Ⅱ通过电子传递链串联起来，最终提高了光能的利用率
D．光系统Ⅰ和光系统Ⅱ产生的氧化剂都可以氧化水，从而生成氧气
2．(2023·南京市第九中学高三检测)景天科植物的叶子有一个很特殊的CO2固定方式：夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中，白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用，其部分代谢途径如图所示。下列分析正确的是(　　)
A．如果白天适当提高CO2浓度，景天科植物的光合作用速率将随之提高
B．由景天科植物特殊的CO2固定方式推测其可能生活在高温干旱地区
C．白天景天科植物叶肉细胞内苹果酸的含量和葡萄糖的含量可能呈正相关
D．景天科植物参与卡尔文循环的CO2就是来源于苹果酸的分解
3．根据光合作用中CO2的固定方式不同，可将植物分为C3植物和C4植物等类型。在适宜温度、水分和一定的光照强度下，测得两类植物CO2的吸收速率随大气CO2浓度变化的情况，绘制成如图所示的曲线(CO2补偿点时的光合速率与呼吸速率相等)。下列有关叙述正确的是(　　)
A．在大气CO2浓度达到补偿点后，C3植物和C4植物开始进行光合作用
B．在大气CO2浓度达到饱和点后，限制C4植物光合速率的主要环境因素是光照强度
C．图中两条曲线的交叉点代表此时C3植物和C4植物光合作用制造的有机物一样多
D．干旱会导致气孔开度减小，在同等程度干旱条件下，C3植物比C4植物生长得更好
4．(2023·湖北，11)高温是制约世界粮食安全的因素之一，高温往往使植物叶片变黄、变褐。研究发现平均气温每升高1 ℃，水稻、小麦等作物减产约3%～8%。关于高温下作物减产的原因，下列叙述错误的是(　　)
A．呼吸作用变强，消耗大量养分
B．光合作用强度减弱，有机物合成减少
C．蒸腾作用增强，植物易失水发生萎蔫
D．叶绿素降解，光反应生成的NADH和ATP减少
5．某生物兴趣小组在实验室中模拟夏季一天中的光照强度，并测定苦菊幼苗光合速率的变化情况，结果如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A．若b点时天气突然转阴，叶肉细胞叶绿体中C3含量降低
B．一天中不同时间的不同光照强度下，苦菊幼苗的光合速率可能相同
C．cd段最可能是光照强度过强损坏了叶绿体，致使光合速率下降
D．若a点时叶片的净光合速率为0，则此状态下苦菊幼苗的干重保持不变
6．(2023·茂名高三期末)如图为线粒体结构及功能示意图，下列叙述错误的是(　　)
A．在细胞质基质中，葡萄糖可被分解为丙酮酸
B．线粒体中生成的ATP向细胞质基质运送，需要与细胞质基质中的ADP进行交换
C．三羧酸循环只能以丙酮酸为分解底物，产生的CO2以自由扩散的方式释放
D．NADH和FADH2分解产生的e－在线粒体内膜上经电子传递链最终传递给O2
7．光合作用暗反应过程中，CO2与C5在Rubisco酶的催化下生成3－磷酸甘油酸(PGA)。但是当O2浓度较高时，O2与CO2竞争性结合C5，O2与C5反应后生成二磷酸乙醇酸(PG)，最终释放CO2，该过程称为光呼吸(其过程如图所示)。正在进行光合作用的绿色植物叶片在光照停止后，CO2释放量突然增加，称为“CO2的猝发”。下列说法正确的是(　　)
A．光呼吸现象的发生取决于CO2和O2浓度的比例
B．光照过强导致气孔关闭，若植物细胞呼吸强度不变，则CO2的产生量减少
C．若突然停止光照，PG的生成量会减少
D．O2与C5反应的过程必须在光下进行
8．(2023·山东，17改编)某种植株的非绿色器官在不同O2浓度下，单位时间内O2吸收量和CO2释放量的变化如图所示。若细胞呼吸分解的有机物全部为葡萄糖，下列说法不正确的是(　　)
A．乙曲线表示O2吸收量
B．O2浓度为b时，该器官不进行无氧呼吸
C．O2浓度由0到b的过程中，有氧呼吸消耗葡萄糖的速率逐渐增加
D．O2浓度为a时最适合保存该器官，该浓度下葡萄糖消耗速率最小
9．(2023·泉州高三学情调查)叶绿体中催化CO2固定的酶R由大亚基和小亚基组装而成，其合成过程及部分代谢途径如图1所示。图1中合成的蔗糖可从叶肉细胞进入筛管－伴胞复合体(SE－CC)，再运输到植物体的其他部位，图2为蔗糖进入SE－CC的途径之一。请回答下列问题：
(1)据图1分析，活化的酶R催化____________产生C3－Ⅰ，C3－Ⅰ还原为C3－Ⅱ，这一步骤需要光反应产生的________作为还原剂。在叶绿体中，C3－Ⅱ除了进一步合成淀粉外，还必须合成化合物X以维持卡尔文循环，X为________。
(2)图1中酶R的大亚基在__________________合成，叶绿体是具有半自主性的细胞器，由图1分析，其原因为_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(3)由图2可知，蔗糖由叶肉细胞运输到韧皮部薄壁细胞的过程是通过_________________(结构)完成的。进入韧皮部薄壁细胞的蔗糖又可借助膜上单向载体，顺浓度梯度转运到SE－CC附近的细胞外空间中，此转运方式应属于____________________。
(4)图2中SE－CC的细胞膜上有“蔗糖－H＋共运输载体”(SU载体)，蔗糖从细胞外空间通过__________方式进入SE－CC中，筛管中的蔗糖浓度________(填“低于”“高于”或“等于”)叶肉细胞。
(5)使用细胞呼吸抑制剂会____________蔗糖向SE－CC中的运输速率，其原因是_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
10．催化CO2和C5结合的酶(Rubisco)是一种双功能酶，在O2浓度高时也能催化O2和C5结合，引发光呼吸，导致光合效率降低。研究发现，蓝细菌具有羧酶体，可降低其光呼吸。如图1为蓝细菌的结构模式图及部分代谢过程示意图。请回答下列问题：
(1)蓝细菌的遗传物质存在的场所有________(填图1中序号)，其光合片层相当于叶绿体中______________的功能。
(2)蓝细菌暗反应的场所有________________________。图中A物质是____________，C物质的作用有____________________________。结合图示和所学知识分析，蓝细菌光呼吸较低的原因有______(填字母)。
a．蓝细菌有碳泵等多个无机碳运输途径，能使细胞中的CO2浓度保持在较高水平
b．羧酶体的外壳会阻止O2进入、CO2逃逸，保持羧酶体内高CO2浓度环境
c．蓝细菌无线粒体，无法通过有氧呼吸消耗O2、产生CO2，胞内O2/CO2较高
(3)菠菜是一种C3植物，其光呼吸显著高于蓝细菌。科研人员制作了特殊的实验装置，开展探究光照强度和CO2浓度双因素对菠菜叶片光合作用强度影响的实验。
实验材料：新鲜的菠菜叶片、打孔器、12支注射器、5 W白色LED灯、不同浓度的NaHCO3溶液等。
实验装置制作：如图2所示。
实验注意事项和数据分析：
①打孔器打出的圆形小叶片装入注射器中，注射器吸入清水排出空气，并用手指堵住注射器前端小孔缓慢拉动活塞重复2～3次，目的是__________________________。将处理过的圆形小叶片放入________处盛有清水的烧杯中待用。
②进行实验，记录实验结果。以NaHCO3溶液浓度为X轴、注射器离圆心的距离为Y轴，各注射器内圆形小叶片上浮所用平均时间为Z轴，绘制三维柱形图(图3)。A1、B1和C1 3支注射器实验的自变量是__________________，该实验结果除了能说明光合速率大小与CO2浓度、光照强度呈正相关外，还能说明_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
参考答案
1．(1)PEP羧化酶(PEPC)　维管束鞘　(2)胞间连丝　提高物质运输效率　C3　叶绿体基质　(3)C5和磷酸烯醇式丙酮酸　(4)①萌发一致　②干旱胁迫　③两端脱氧核苷酸序列　④琼脂糖凝胶
2．(1)C5　ATP和NADPH　(2)主动运输、协助扩散　细胞呼吸　夜间细胞可以通过有氧呼吸的第一、二阶段合成[H]　(3)选取若干正常生长的植物甲，随机均分为A、B两组，将A组置于干旱环境下培养，B组置于水分充足环境下培养，其他条件相同且适宜，培养一段时间后，在夜晚和次日白天检测A、B两组植物液泡的pH　A组次日白天液泡pH明显大于夜间，B组次日白天液泡pH与夜间相差不大
3．(1)三碳化合物　叶绿体基质　(2)叶绿体　细胞呼吸和光合作用　(3)①高于　②NADPH和ATP　吸能反应
③同位素示踪　(4)ACD
4．(1)羧体　藻蓝素和叶绿素　ATP、NADPH　(2)A、B　ATP(水解)　类CA组分　(3)降低　低CO2、强光条件下微囊藻的CA活力升高，浓缩CO2的能力增强　(4)变小，细胞相对表面积增加，有利于细胞与外界的物质交换　FL1活性升高，诱发细胞聚合成较大的群体
5．(1)基质　光照停止，产生的ATP、NADPH减少，暗反应消耗的C5减少，C5与O2结合增加，产生的CO2增多　(2)低　喷施100 mg/L SoBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸释放的CO2减少，即叶片的CO2吸收量增加、释放量减少。此时，在更低的光照强度下，两者即可相等　(3)100～300
6．(1) 3－磷酸甘油醛　蔗糖　维管组织　(2)高于　高光照条件下玉米可以将光合产物及时转移；玉米的PEPC酶比水稻的Rubisco酶对CO2的亲和力更高；玉米能通过PEPC酶生成C4，使维管束鞘内的CO2浓度高于外界环境，抑制玉米的光呼吸　(3)酶的活性达到最大，对CO2的利用率不再提高；受到ATP以及NADPH等物质含量的限制；原核生物和真核生物光合作用机制有所不同
拓展练习答案
1．C　
2．B　
3．B　
4．D　
5．B　
6．C　
7．A　
8．D　
9．(1)CO2固定　NADPH　C5　(2)叶绿体基质中的核糖体　叶绿体内的DNA能指导部分叶绿体蛋白质的合成，同时叶绿体的活动还受核基因调控　(3)胞间连丝　协助扩散　(4)主动运输　高于　(5)降低　SU载体将蔗糖从细胞外空间转运进SE－CC中是主动运输，动力由H＋在膜两侧浓度差(或H＋浓度梯度、H＋电化学势能)提供；细胞呼吸抑制剂使ATP合成减少，会使膜两侧H＋浓度差降低
10．(1)①　类囊体(薄膜)　(2)细胞质基质和羧酶体　H＋　(为C3还原)提供能量和还原剂　ab　(3)①使圆形小叶片内的气体溢出　黑暗(或无光照)　②光照强度　光照强度越低，CO2浓度对光合作用速率的影响越显著(或CO2浓度越低，光照强度对光合速率的影响越显著)