(共48张PPT)
命题区1 细胞代谢
(2020·山东卷)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类，相关装置及过程如下图所示，其中甲、乙表示物质，模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
题型一 光合作用与细胞呼吸的物质和能量转化
(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是__________，模块3中的甲可与CO2结合，甲为________。
(2)若正常运转过程中气泵突然停转，则短时间内乙的含量将______ (填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长，模块2中的能量转换效率也会发生改变，原因是__________________________。
(3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量________(填“高于”“低于”或“等于”)植物，原因是_______________________________________________________。
(4)干旱条件下，很多植物光合作用速率降低，主要原因是_______。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低，在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。
解析：(1)叶绿体中光反应阶段是将光能转化成ATP和NADPH中活跃的化学能，题图中模块1将光能转化为电能，模块2将电能转化为活跃的化学能，两个模块加起来相当于叶绿体中光反应的功能。在模块3中，CO2和甲反应生成乙的过程相当于暗反应中CO2的固定，因此甲为五碳化合物(或C5)。(2)据以上分析可知，乙为C3，若气泵突然停转，大气中CO2无法进入模块3，相当于暗反应中CO2浓度降低，短时间内CO2浓度降低，C3的合成减少，而C3仍在正常还原，因此C3的量会减少。若气泵停转时间较长，模块3中CO2的量严重不足，导致暗反应的产物ADP、Pi和NADP＋不足，无法正常供给光反
应的需要，因此模块2中的能量转换效率也会发生改变。(3)糖类的积累量＝产生量－消耗量，在植物中光合作用产生糖类，呼吸作用消耗糖类，而在人工光合作用系统中没有呼吸作用进行消耗，因此在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量要高于植物。(4)在干旱条件下，植物为了保持水分会将叶片气孔开放程度降低，导致CO2的吸收量减少，因此光合作用速率降低。
答案：(1)模块1和模块2 五碳化合物(或C5) (2)减少 模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP＋不足 (3)高于 人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或植物呼吸作用消耗糖类) (4)叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少
·任务一 “模块1和模块2”装置分析
(1)为何要设计大面积的太阳能板？
提示：固定大量的太阳能，用于转化为电能。
(2)为什么要将水电解？
提示：水电解产生e－和H＋，用于NADPH的合成。
(3)能量转换装置中发生了何种变化？
提示：电能转化为活跃的化学能。
·任务二 “模块3”装置分析
(1)模块3为何设置酶系统？
提示：模块3进行固定CO2和还原C3的过程，该过程需要酶的催化。
(2)整个模块3为何是一个储碳装置？
提示：通过模块3可以将大气中的CO2最终转化为糖类，实现了CO2的储存。
(3)模块2和模块3之间相互提供的物质是什么？
提示：模块2为模块3提供NADPH和ATP,模块3为模块2提供NADP＋、ADP和Pi。
·任务三 人工光合系统的应用
(1)人工光合作用相比植物光合作用有何优点？
提示：人工光合作用系统中没有呼吸作用进行消耗，因此在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量要高于植物。在没有土壤条件的环境中，如在沙漠地区、火星等，可以用该人工光合作用系统生产人类所需的营养物质。
(2)能否用人工光合作用系统完全代替绿色植物？并说明理由。
提示：不能。因为人工光合作用系统无法模拟植物的蒸腾作用，不能参与水循环等，因此不能用该系统完全替代植物。
模型一 细胞呼吸与光合作用中物质和能量的转化模型
模型二 物质含量变化模型(以降低光照强度时C3含量变化为例)
为提高粮食产量，科研工作者以作物甲为材料，探索采用生物工程技术提高光合作用效率的途径。请回答下列问题：
(1)图1是叶肉细胞中部分碳代谢过程的模式图。其中环形代谢途径表示的是光合作用中的_____________反应。
(2)如图1所示，在光合作用中R酶催化C5与CO2形成2分子3-磷酸甘油酸。在某些条件下，R酶还可以催化C5和O2反应生成1分子C3和1分子2-磷酸乙醇酸，后者在酶的催化作用下转换为______________后通过膜上的载体(T)离开叶绿体。再经过代谢途径Ⅰ最终将2分子乙醇酸转换为1分子甘油酸，并释放1分子CO2。
(3)为了减少叶绿体内碳的丢失，研究人员利用转基因技术将编码某种藻类C酶(乙醇酸脱氢酶)的基因和某种植物M酶(苹果酸合成酶)的基因转入作物甲，与原有的代谢途径Ⅲ相连，人为地在叶绿体中建立一个新的乙醇酸代谢途径(图2中的途径Ⅱ)。
①将C酶和M酶的编码基因转入作物甲，能够实现的目的是利用途径Ⅱ，将__________转化为__________，降低叶绿体基质中该物质的含量，减少其对叶绿体的毒害作用。
②转基因操作后，途径Ⅲ能够提高光合作用效率的原因是________ _________________________________________________________。
解析：(1)题图1是叶肉细胞中部分碳代谢过程，其中环形代谢途径代表卡尔文循环，即光合作用的暗反应阶段。(2)由题图1细胞代谢途径可知，在O2浓度过高的条件下，R酶还可以催化C5和O2反应生成1分子C3和1分子2-磷酸乙醇酸，2-磷酸乙醇酸又转换为乙醇酸。(3)①由题图2细胞代谢途径可知，经过Ⅱ途径，乙醇酸转化为乙醛酸，随后再转化为苹果酸，降低了叶绿体基质中乙醇酸的含量，减少其对叶绿体的毒害作用。②由题图2细胞代谢途径可知，Ⅱ过程增加了苹果酸的含量，而苹果酸经过途径Ⅲ能产生CO2，增加叶绿体基质中CO2的浓度，CO2是光合作用中暗反应的原料，因此提高了暗反应的速率。
答案：(1)暗(或碳) (2)乙醇酸 (3)①乙醇酸 苹果酸 ②由于途径Ⅱ提高了苹果酸的含量，使叶绿体基质中CO2浓度增加，直接增加了暗(碳)反应的反应底物
(2023·山东卷)当植物吸收的光能过多时，过剩的光能会对光反应阶段的PSⅡ复合体(PSⅡ)造成损伤，使PSⅡ活性降低，进而导致光合作用强度减弱。细胞可通过非光化学淬灭(NPQ)将过剩的光能耗散，减少多余光能对PSⅡ的损伤。已知拟南芥的H蛋白有2个功能：①修复损伤的PSⅡ；②参与NPQ的调节。科研人员以拟南芥的野生型和H基因缺失突变体为材料进行了相关实验，结果如图所示。实验中强光照射时对野生型和突变体光照的强度相同，且强光对二者的PSⅡ均造成了损伤。
题型二 光合作用和细胞呼吸的实验设计与分析
(1)该实验的自变量为____________。该实验的无关变量中，影响光合作用强度的主要环境因素有______________(答出2个因素即可)。
(2)根据本实验，________(填“能”或“不能”)比较出强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱，理由是______________________ _________________________________________________________。
(3)据图分析，与野生型相比，强光照射下突变体中流向光合作用的能量_____ (填“多”或“少”)。若测得突变体的暗反应强度高于野生型，根据本实验推测，原因是______________________________ ________________________________________________________。
解析：(1)据题意可知，科研人员以拟南芥的野生型和H基因缺失突变体为材料进行了相关实验，实验中强光照射时对野生型和突变体光照的强度相同，结合题图分析，实验的自变量有光照、拟南芥种类(或有无H蛋白)。影响光合作用强度的主要环境因素有CO2浓度、温度、水分等。(2)据题图分析，强光照射下突变体的NPQ强度相对值比野生型的NPQ强度相对值高，能减少强光对PSⅡ复合体造成的损伤。但是野生型含有H蛋白，能对损伤后的PSⅡ进行修复，故不能确定强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱。(3)据题图分析，强光照射下突变体中NPQ强度相对值较高，而NPQ能将过剩的光能
耗散，从而使流向光合作用的能量减少；突变体的NPQ强度相对值高，能够减少强光对PSⅡ的损伤且减少作用大于野生型H蛋白的修复作用，这样导致突变体的PSⅡ活性高，能为暗反应提供较多的NADPH和ATP，从而促进暗反应进行，因此突变体的暗反应强度高于野生型。
答案：(1)光照、拟南芥种类(或有无H蛋白) CO2浓度、温度 (2)不能 突变体PSⅡ系统光损伤小但不能修复，野生型PSⅡ系统损伤大但能修复 (3)少 突变体NPQ强度高，PSⅡ系统损伤小，虽然损伤不能修复，但是PSⅡ活性高，光反应产物多
·任务一 PSⅡ和“NPQ”功能分析
(1)PSⅡ位于何种结构？参与光合作用的什么过程？
提示：PSⅡ位于叶绿体的类囊体薄膜上，参与光合作用的光反应阶段。
(2)PSⅡ如何影响光合作用的暗反应？
提示：PSⅡ参与光合作用的光反应阶段，影响NADPH和ATP的合成，从而影响暗反应。
(3)NPQ具有何种功能？
提示：耗散过剩的光能，减少多余光能对PSⅡ的损伤。
·任务二 “H蛋白”功能分析
(1)H蛋白具有何种功能？
提示：①修复已经损伤的PSⅡ；②通过参与NPQ的调节，减少多余光能对PSⅡ的损伤。
(2)H蛋白缺失，会产生何种影响？
提示：损伤的PSⅡ无法被修复，同时PSⅡ可能会被损伤得更多。
·任务三 实验变量及结果分析
(1)分析题图，该实验的自变量能否描述成光照强度？说明理由。
提示：不能。分析题图的横坐标可知，处理方式是黑暗和强光照射，所以自变量是有没有光照，而不是光照强度的高低。
(2)分析题图，强光照射对突变体和野生型拟南芥PSⅡ损伤程度有何不同？
提示：突变体的NPQ强度高于野生型，能够耗散更多过剩的光能，从而减轻强光照射对PSⅡ的损伤。
模型一 实验中三种变量的分析
模型二 四步法书写实验步骤
番茄在夏季栽培过程中常受到高温和强光的双重胁迫，导致产量和品质下降。为研究亚高温强光(HH)对番茄光合作用的影响，研究人员对番茄进行不同条件处理，实验结果如图所示。
(1)据图分析，与对照组相比，HH组番茄净光合速率下降的原因可能是___________________________________________ (答出两点)。
(2)通过实验可知，HH组过剩的光能产生不是气孔因素引起的，理由是____________________________________________________；而是由于__________________________________，造成光能过剩，对植物造成危害。
(3)PSⅡ是一种光合作用单位，由光合色素和相关蛋白质构成，位于叶绿体___________________上。D1蛋白是PSⅡ的核心蛋白，在HH条件下，过剩的光能会损伤D1蛋白。植物可利用一系列的光保护和光防御机制来维持PSⅡ的生理功能。研究发现，亚高温强光下同时施加适量硫酸链霉素(可抑制D1蛋白合成)的植株光合速率比HH组低。据此推测，科研人员可通过______________________________的方法，提高番茄在高温和强光双重胁迫条件下的光合作用速率。
解析：(1)HH组为亚高温强光组，由题图可知，高温会导致RuBP羧化酶活性降低，暗反应速率下降，光合作用速率降低；温度升高，与呼吸作用有关酶活性增强，呼吸作用速率升高，因此，与对照组相比，HH组番茄净光合速率下降。(2)题图中数据显示，与对照组相比，亚高温强光组气孔导度下降，但胞间CO2浓度却上升，说明过剩光能的产生不是气孔因素引起的，而是RuBP羧化酶活性下降，使C3的合成速率下降，导致光反应产物积累，进而使光能转化效率降低，造成光能过剩，对植物造成危害。(3)叶绿体中的色素位于类囊体薄膜上，PSⅡ是一种光合色素和蛋白质的复合体，因此推测
PSⅡ位于类囊体薄膜上。亚高温强光下同时施加适量硫酸链霉素(可抑制D1蛋白合成)的植株光合速率比HH组低，说明D1蛋白能够提高植株光合速率，因此可以通过提高亚高温强光条件下D1蛋白表达量的方法，提高番茄在高温和强光双重胁迫条件下的光合作用速率。
答案：(1)RuBP羧化酶活性降低，暗反应速率下降，光合作用速率降低；温度升高，与呼吸作用有关酶活性增强，呼吸作用速率升高 (2)气孔开度降低，但胞间CO2浓度却升高 RuBP羧化酶活性下降，使C3的合成速率下降，导致光反应产物积累，进而使光能转化效率降低 (3)类囊体薄膜 提高亚高温强光条件下D1蛋白表达量
(2024·山东卷)从开花至籽粒成熟，小麦叶片逐渐变黄。与野生型相比，某突变体叶片变黄的速度慢，籽粒淀粉含量低。研究发现，该突变体内细胞分裂素合成异常，进而影响了类囊体膜蛋白稳定性和蔗糖转化酶活性，而呼吸代谢不受影响。类囊体膜蛋白稳定性和蔗糖转化酶活性检测结果如图所示，开花14天后植株的胞间CO2浓度和气孔导度如表所示，其中Lov为细胞分裂素合成抑制剂，KT为细胞分裂素类植物生长调节剂，气孔导度表示气孔张开的程度。已知蔗糖转化酶催化蔗糖分解为单糖。
题型三 影响光合作用和细胞呼吸的因素分析及应用
检测指标 植株 14天 21天 28天
胞间CO2浓度/
(μmol CO2·mol－1) 野生型 140 151 270
突变体 110 140 205
气孔导度/
(mol H2O·m－2·s－1) 野生型 125 95 41
突变体 140 112 78
(1)光反应在类囊体上进行，生成可供暗反应利用的物质有________。结合细胞分裂素的作用，据图分析，与野生型相比，开花后突变体叶片变黄的速度慢的原因是_______________________。
(2)光饱和点是光合速率达到最大时的最低光照强度。据表分析，与野生型相比，开花14天后突变体的光饱和点_____________(填“高”或“低”)，理由是____________________________________。
(3)已知叶片的光合产物主要以蔗糖的形式运输到植株各处。据图分析，突变体籽粒淀粉含量低的原因是__________________________ ________________________________________________________。
解析：(1)光反应为暗反应提供的物质有ATP和NADPH。根据题干和图标信息，可以推断，突变体中的细胞分裂素合成增加，又由细胞分裂素具有促进叶绿素合成的作用，推出突变体的叶绿素合成增多，由题干和图表信息可知，突变体的类囊体稳定性更高，叶绿素降解慢，因此突变体叶片变黄的速度慢的原因是突变体中细胞分裂素含量多，叶绿素合成多，类囊体膜蛋白稳定性高，叶绿色降解慢。(2)叶片气孔的开闭(影响CO2的吸收)、固定CO2的酶活性、叶绿体的结构稳定性等，都是光合作用的影响因素。基于上述基础知识，结合表中信息，可以判断出，与野生型相比，突变体的气孔导度变
大，而胞间CO2的浓度变低，说明CO2的供应量增多，进入细胞内的CO2也增多，光合作用的原料CO2变多，而且根据图中类囊体稳定性增强的信息，可以推出突变体固定CO2多，暗反应快，光合色素多，光反应增强，光合速率加快。因此，根据题干所给的光饱和点信息，可以推断出突变体光合速率达到最大时的最低光强会比野生型高，理由是突变体气孔导度大，胞间CO2浓度低，固定CO2能力强。(3)突变体中的蔗糖转化酶活性升高，光合作用产物蔗糖更多得被分解成单糖，可供运输至籽粒的蔗糖减少，淀粉合成的原料减少。因此，突变体籽粒淀粉含量低的原因是突变体的蔗糖转化酶活性高，有更多的蔗糖被分解成单糖，运输到籽粒中的蔗糖减少。
答案：(1)ATP和NADPH 突变体中细胞分裂素含量多，叶绿素合成多，类囊体膜蛋白稳定性稿，叶绿素降解慢 (2)高 突变体气孔导度大，胞间CO2浓度低，固定CO2能力强 (3)突变体的蔗糖转化酶活性高，有更多的蔗糖被分解成单糖，运输到籽粒中的蔗糖减少
·任务一：光反应的影响因素分析
(1)光反应通过什么物质与暗反应联系？
提示：光反应产生的ATP和NADPH可用于暗反应C3的还原。
(2)影响光反应的内部因素有哪些？
提示：光合色素(叶绿素和类胡萝卜素)、与光反应有关的酶、类囊体结构的稳定性等。
(3)影响叶绿素合成的因素有哪些？
提示：外界因素主要是光照、温度、矿质元素等，内部因素主要是酶、植物激素(细胞分裂素可促进叶绿素合成)等。
·任务二：光饱和点的影响因素分析
(1)光合作用和呼吸作用如何影响光饱和点？
提示：光饱和点受光合作用和呼吸作用共同影响。在呼吸作用不变的情况下，光合作用增强，消耗的CO2更多，植物体达到光饱和点需要的光照强度更高。
(2)气孔导度和胞间CO2浓度如何反映光合作用强度？
提示：气孔导度大，吸收CO2速率快，光合作用强度大。胞间CO2浓度小代表叶肉细胞吸收的CO2多，光合作用强度大。
·任务三：光合作用产物的储存和运输分析
(1)光合作用的主要产物是什么？
提示：淀粉和蔗糖是光合作用的主要产物。
(2)籽粒中淀粉的来源有哪些？
提示：淀粉主要储存于籽粒中，而籽粒中的淀粉主要由叶片光合作用合成的蔗糖经筛管运输而来。
模型一 外界因素对光合作用的影响机理
模型二 多因子对光合作用影响曲线
某科研小组新合成了一种叔胺类有机物DCPTA，为研究其对甜瓜光合作用的影响，将生长状况相同的甜瓜幼苗均分为四组，各组实验条件为①不遮光＋清水，②不遮光＋DCPTA，③遮光＋清水，④遮光＋DCPTA，其余实验条件相同且适宜。分别测定了四组幼苗的光合速率、气孔导度(即开放程度)、胞间CO2浓度、Rubisco(固定CO2的酶)活性、丙二醛(膜脂过氧化产物，其含量与生物膜受损程度成正相关)含量，如下图所示，回答下列问题：
(1)Rubisco催化的底物是____________________，DCPTA对Rubisco活性的影响在________(填“不遮光”或“遮光”)条件下影响幅度更大。
(2)比较①②组或③④组，DCPTA能有效提高光合速率，原因是_________________________________________________________。
(3)与①②④组比较，第③组光合速率和气孔导度均最低，气孔导度________(填“是”或“不是”)影响其光合作用的主要因素，原因是_____________________________________；第③组光合速率最低的具体原因是_______________________________________。
(4)通过对本实验中自变量的研究进行分析，在温室栽种甜瓜提高产量的措施有___________________________________________。
解析：(1)Rubisco是固定CO2的酶，固定CO2的过程是C5与CO2反应生成C3，则Rubisco的底物是五碳化合物(或C5或核酮糖-1,5-二磷酸或RuBP)和CO2。对比①②组(不遮光条件下)和③④组(遮光条件下)Rubisco活性的差异，可发现③④组差异更大，即DCPTA对Rubisco活性的影响在遮光条件下影响幅度更大。(2)比较①②组或③④组可知，DCPTA增大了气孔导度；提高了Rubisco活性，增加了对CO2的固定；降低了丙二醛含量，降低了生物膜受损程度，所以DCPTA能有效提高光合速率。(3)与①②④组比较，第③组光合速率最低，其气孔导度虽然最低，但胞间CO2浓度却最高，说明气
孔导度不是影响其光合作用的主要因素。遮光导致光照减弱，会降低光反应；Rubisco活性最弱会抑制暗反应；丙二醛最高说明生物膜受损程度最大，会降低光反应，这些都是第③组光合速率最低的原因。(4)通过对本实验中自变量的研究进行分析可知，喷洒一定含量的DCPTA、阴雨天适当补充光照是温室栽种甜瓜提高产量的措施。
答案：(1)五碳化合物(或C5，或核酮糖-1,5-二磷酸或RuBP)和CO2 遮光 (2)DCPTA增大了气孔导度；提高了Rubisco活性，增加了对CO2的固定；降低了丙二醛含量，降低了生物膜受损程度 (3)不是 ③组气孔导度虽然最低，但胞间CO2浓度却最高 遮光导致光照减弱，会降低光反应；Rubisco活性最弱会抑制暗反应；丙二醛最高说明生物膜受损程度最大，会降低光反应 (4)喷洒一定含量的DCPTA；阴雨天适当补充光照 光合作用与细胞呼吸的物质和能量转化
(2020·山东卷)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类，相关装置及过程如下图所示，其中甲、乙表示物质，模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是____________，模块3中的甲可与CO2结合，甲为________。
(2)若正常运转过程中气泵突然停转，则短时间内乙的含量将________(填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长，模块2中的能量转换效率也会发生改变，原因是__________________________________________________________。
(3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量________(填“高于”“低于”或“等于”)植物，原因是_______________________________________________________________________________________。
(4)干旱条件下，很多植物光合作用速率降低，主要原因是______________。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低，在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。
解析：(1)叶绿体中光反应阶段是将光能转化成ATP和NADPH中活跃的化学能，题图中模块1将光能转化为电能，模块2将电能转化为活跃的化学能，两个模块加起来相当于叶绿体中光反应的功能。在模块3中，CO2和甲反应生成乙的过程相当于暗反应中CO2的固定，因此甲为五碳化合物(或C5)。(2)据以上分析可知，乙为C3，若气泵突然停转，大气中CO2无法进入模块3，相当于暗反应中CO2浓度降低，短时间内CO2浓度降低，C3的合成减少，而C3仍在正常还原，因此C3的量会减少。若气泵停转时间较长，模块3中CO2的量严重不足，导致暗反应的产物ADP、Pi和NADP＋不足，无法正常供给光反应的需要，因此模块2中的能量转换效率也会发生改变。(3)糖类的积累量＝产生量－消耗量，在植物中光合作用产生糖类，呼吸作用消耗糖类，而在人工光合作用系统中没有呼吸作用进行消耗，因此在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量要高于植物。(4)在干旱条件下，植物为了保持水分会将叶片气孔开放程度降低，导致CO2的吸收量减少，因此光合作用速率降低。
答案：(1)模块1和模块2 五碳化合物(或C5) (2)减少 模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP＋不足 (3)高于 人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或植物呼吸作用消耗糖类) (4)叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少
·任务一 “模块1和模块2”装置分析
(1)为何要设计大面积的太阳能板？
提示：固定大量的太阳能，用于转化为电能。
(2)为什么要将水电解？
提示：水电解产生e－和H＋，用于NADPH的合成。
(3)能量转换装置中发生了何种变化？
提示：电能转化为活跃的化学能。
·任务二 “模块3”装置分析
(1)模块3为何设置酶系统？
提示：模块3进行固定CO2和还原C3的过程，该过程需要酶的催化。
(2)整个模块3为何是一个储碳装置？
提示：通过模块3可以将大气中的CO2最终转化为糖类，实现了CO2的储存。
(3)模块2和模块3之间相互提供的物质是什么？
提示：模块2为模块3提供NADPH和ATP，模块3为模块2提供NADP＋、ADP和Pi。
·任务三 人工光合系统的应用
(1)人工光合作用相比植物光合作用有何优点？
提示：人工光合作用系统中没有呼吸作用进行消耗，因此在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量要高于植物。在没有土壤条件的环境中，如在沙漠地区、火星等，可以用该人工光合作用系统生产人类所需的营养物质。
(2)能否用人工光合作用系统完全代替绿色植物？并说明理由。
提示：不能。因为人工光合作用系统无法模拟植物的蒸腾作用，不能参与水循环等，因此不能用该系统完全替代植物。
模型一 细胞呼吸与光合作用中物质和能量的转化模型
模型二 物质含量变化模型(以降低光照强度时C3含量变化为例)
为提高粮食产量，科研工作者以作物甲为材料，探索采用生物工程技术提高光合作用效率的途径。请回答下列问题：
(1)图1是叶肉细胞中部分碳代谢过程的模式图。其中环形代谢途径表示的是光合作用中的 反应。
(2)如图1所示，在光合作用中R酶催化C5与CO2形成2分子3-磷酸甘油酸。在某些条件下，R酶还可以催化C5和O2反应生成1分子C3和1分子2-磷酸乙醇酸，后者在酶的催化作用下转换为 后通过膜上的载体(T)离开叶绿体。再经过代谢途径Ⅰ最终将2分子乙醇酸转换为1分子甘油酸，并释放1分子CO2。
(3)为了减少叶绿体内碳的丢失，研究人员利用转基因技术将编码某种藻类C酶(乙醇酸脱氢酶)的基因和某种植物M酶(苹果酸合成酶)的基因转入作物甲，与原有的代谢途径Ⅲ相连，人为地在叶绿体中建立一个新的乙醇酸代谢途径(图2中的途径Ⅱ)。
①将C酶和M酶的编码基因转入作物甲，能够实现的目的是利用途径Ⅱ，将 转化为 ，降低叶绿体基质中该物质的含量，减少其对叶绿体的毒害作用。
②转基因操作后，途径Ⅲ能够提高光合作用效率的原因是____________________________________________________________________________________。
解析：(1)题图1是叶肉细胞中部分碳代谢过程，其中环形代谢途径代表卡尔文循环，即光合作用的暗反应阶段。(2)由题图1细胞代谢途径可知，在O2浓度过高的条件下，R酶还可以催化C5和O2反应生成1分子C3和1分子2-磷酸乙醇酸，2-磷酸乙醇酸又转换为乙醇酸。(3)①由题图2细胞代谢途径可知，经过Ⅱ途径，乙醇酸转化为乙醛酸，随后再转化为苹果酸，降低了叶绿体基质中乙醇酸的含量，减少其对叶绿体的毒害作用。②由题图2细胞代谢途径可知，Ⅱ过程增加了苹果酸的含量，而苹果酸经过途径Ⅲ能产生CO2，增加叶绿体基质中CO2的浓度，CO2是光合作用中暗反应的原料，因此提高了暗反应的速率。
答案：(1)暗(或碳) (2)乙醇酸 (3)①乙醇酸 苹果酸 ②由于途径Ⅱ提高了苹果酸的含量，使叶绿体基质中CO2浓度增加，直接增加了暗(碳)反应的反应底物
光合作用和细胞呼吸的实验设计与分析
(2023·山东卷)当植物吸收的光能过多时，过剩的光能会对光反应阶段的PSⅡ复合体(PSⅡ)造成损伤，使PSⅡ活性降低，进而导致光合作用强度减弱。细胞可通过非光化学淬灭(NPQ)将过剩的光能耗散，减少多余光能对PSⅡ的损伤。已知拟南芥的H蛋白有2个功能：①修复损伤的PSⅡ；②参与NPQ的调节。科研人员以拟南芥的野生型和H基因缺失突变体为材料进行了相关实验，结果如图所示。实验中强光照射时对野生型和突变体光照的强度相同，且强光对二者的PSⅡ均造成了损伤。
(1)该实验的自变量为______________。该实验的无关变量中，影响光合作用强度的主要环境因素有________________(答出2个因素即可)。
(2)根据本实验，________(填“能”或“不能”)比较出强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱，理由是________________________________________ ___________________________________________________________________。
(3)据图分析，与野生型相比，强光照射下突变体中流向光合作用的能量_____ (填“多”或“少”)。若测得突变体的暗反应强度高于野生型，根据本实验推测，原因是_________________________________________________。
解析：(1)据题意可知，科研人员以拟南芥的野生型和H基因缺失突变体为材料进行了相关实验，实验中强光照射时对野生型和突变体光照的强度相同，结合题图分析，实验的自变量有光照、拟南芥种类(或有无H蛋白)。影响光合作用强度的主要环境因素有CO2浓度、温度、水分等。(2)据题图分析，强光照射下突变体的NPQ强度相对值比野生型的NPQ强度相对值高，能减少强光对PSⅡ复合体造成的损伤。但是野生型含有H蛋白，能对损伤后的PSⅡ进行修复，故不能确定强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱。(3)据题图分析，强光照射下突变体中NPQ强度相对值较高，而NPQ能将过剩的光能耗散，从而使流向光合作用的能量减少；突变体的NPQ强度相对值高，能够减少强光对PSⅡ的损伤且减少作用大于野生型H蛋白的修复作用，这样导致突变体的PSⅡ活性高，能为暗反应提供较多的NADPH和ATP，从而促进暗反应进行，因此突变体的暗反应强度高于野生型。
答案：(1)光照、拟南芥种类(或有无H蛋白) CO2浓度、温度 (2)不能 突变体PSⅡ系统光损伤小但不能修复，野生型PSⅡ系统损伤大但能修复 (3)少 突变体NPQ强度高，PSⅡ系统损伤小，虽然损伤不能修复，但是PSⅡ活性高，光反应产物多
·任务一 PSⅡ和“NPQ”功能分析
(1)PSⅡ位于何种结构？参与光合作用的什么过程？
提示：PSⅡ位于叶绿体的类囊体薄膜上，参与光合作用的光反应阶段。
(2)PSⅡ如何影响光合作用的暗反应？
提示：PSⅡ参与光合作用的光反应阶段，影响NADPH和ATP的合成，从而影响暗反应。
(3)NPQ具有何种功能？
提示：耗散过剩的光能，减少多余光能对PSⅡ的损伤。
·任务二 “H蛋白”功能分析
(1)H蛋白具有何种功能？
提示：①修复已经损伤的PSⅡ；②通过参与NPQ的调节，减少多余光能对PSⅡ的损伤。
(2)H蛋白缺失，会产生何种影响？
提示：损伤的PSⅡ无法被修复，同时PSⅡ可能会被损伤得更多。
·任务三 实验变量及结果分析
(1)分析题图，该实验的自变量能否描述成光照强度？说明理由。
提示：不能。分析题图的横坐标可知，处理方式是黑暗和强光照射，所以自变量是有没有光照，而不是光照强度的高低。
(2)分析题图，强光照射对突变体和野生型拟南芥PSⅡ损伤程度有何不同？
提示：突变体的NPQ强度高于野生型，能够耗散更多过剩的光能，从而减轻强光照射对PSⅡ的损伤。
模型一 实验中三种变量的分析
模型二 四步法书写实验步骤
番茄在夏季栽培过程中常受到高温和强光的双重胁迫，导致产量和品质下降。为研究亚高温强光(HH)对番茄光合作用的影响，研究人员对番茄进行不同条件处理，实验结果如图所示。
(1)据图分析，与对照组相比，HH组番茄净光合速率下降的原因可能是_____________________________________________________ (答出两点)。
(2)通过实验可知，HH组过剩的光能产生不是气孔因素引起的，理由是_____________________________；而是由于_____________________________，造成光能过剩，对植物造成危害。
(3)PSⅡ是一种光合作用单位，由光合色素和相关蛋白质构成，位于叶绿体
上。D1蛋白是PSⅡ的核心蛋白，在HH条件下，过剩的光能会损伤D1蛋白。植物可利用一系列的光保护和光防御机制来维持PSⅡ的生理功能。研究发现，亚高温强光下同时施加适量硫酸链霉素(可抑制D1蛋白合成)的植株光合速率比HH组低。据此推测，科研人员可通过__________________________________的方法，提高番茄在高温和强光双重胁迫条件下的光合作用速率。
解析：(1)HH组为亚高温强光组，由题图可知，高温会导致RuBP羧化酶活性降低，暗反应速率下降，光合作用速率降低；温度升高，与呼吸作用有关酶活性增强，呼吸作用速率升高，因此，与对照组相比，HH组番茄净光合速率下降。(2)题图中数据显示，与对照组相比，亚高温强光组气孔导度下降，但胞间CO2浓度却上升，说明过剩光能的产生不是气孔因素引起的，而是RuBP羧化酶活性下降，使C3的合成速率下降，导致光反应产物积累，进而使光能转化效率降低，造成光能过剩，对植物造成危害。(3)叶绿体中的色素位于类囊体薄膜上，PSⅡ是一种光合色素和蛋白质的复合体，因此推测PSⅡ位于类囊体薄膜上。亚高温强光下同时施加适量硫酸链霉素(可抑制D1蛋白合成)的植株光合速率比HH组低，说明D1蛋白能够提高植株光合速率，因此可以通过提高亚高温强光条件下D1蛋白表达量的方法，提高番茄在高温和强光双重胁迫条件下的光合作用速率。
答案：(1)RuBP羧化酶活性降低，暗反应速率下降，光合作用速率降低；温度升高，与呼吸作用有关酶活性增强，呼吸作用速率升高 (2)气孔开度降低，但胞间CO2浓度却升高 RuBP羧化酶活性下降，使C3的合成速率下降，导致光反应产物积累，进而使光能转化效率降低 (3)类囊体薄膜 提高亚高温强光条件下D1蛋白表达量
影响光合作用和细胞呼吸的因素分析及应用
(2024·山东卷)从开花至籽粒成熟，小麦叶片逐渐变黄。与野生型相比，某突变体叶片变黄的速度慢，籽粒淀粉含量低。研究发现，该突变体内细胞分裂素合成异常，进而影响了类囊体膜蛋白稳定性和蔗糖转化酶活性，而呼吸代谢不受影响。类囊体膜蛋白稳定性和蔗糖转化酶活性检测结果如图所示，开花14天后植株的胞间CO2浓度和气孔导度如表所示，其中Lov为细胞分裂素合成抑制剂，KT为细胞分裂素类植物生长调节剂，气孔导度表示气孔张开的程度。已知蔗糖转化酶催化蔗糖分解为单糖。
检测指标 植株 14天 21天 28天
胞间CO2浓度/ (μmol CO2·mol－1) 野生型 140 151 270
突变体 110 140 205
气孔导度/ (mol H2O·m－2·s－1) 野生型 125 95 41
突变体 140 112 78
(1)光反应在类囊体上进行，生成可供暗反应利用的物质有 。结合细胞分裂素的作用，据图分析，与野生型相比，开花后突变体叶片变黄的速度慢的原因是__________________________________________。
(2)光饱和点是光合速率达到最大时的最低光照强度。据表分析，与野生型相比，开花14天后突变体的光饱和点 (填“高”或“低”)，理由是__________________________________________________________________。
(3)已知叶片的光合产物主要以蔗糖的形式运输到植株各处。据图分析，突变体籽粒淀粉含量低的原因是_______________________________________________________________________________________________________________。
解析：(1)光反应为暗反应提供的物质有ATP和NADPH。根据题干和图标信息，可以推断，突变体中的细胞分裂素合成增加，又由细胞分裂素具有促进叶绿素合成的作用，推出突变体的叶绿素合成增多，由题干和图表信息可知，突变体的类囊体稳定性更高，叶绿素降解慢，因此突变体叶片变黄的速度慢的原因是突变体中细胞分裂素含量多，叶绿素合成多，类囊体膜蛋白稳定性高，叶绿色降解慢。(2)叶片气孔的开闭(影响CO2的吸收)、固定CO2的酶活性、叶绿体的结构稳定性等，都是光合作用的影响因素。基于上述基础知识，结合表中信息，可以判断出，与野生型相比，突变体的气孔导度变大，而胞间CO2的浓度变低，说明CO2的供应量增多，进入细胞内的CO2也增多，光合作用的原料CO2变多，而且根据图中类囊体稳定性增强的信息，可以推出突变体固定CO2多，暗反应快，光合色素多，光反应增强，光合速率加快。因此，根据题干所给的光饱和点信息，可以推断出突变体光合速率达到最大时的最低光强会比野生型高，理由是突变体气孔导度大，胞间CO2浓度低，固定CO2能力强。(3)突变体中的蔗糖转化酶活性升高，光合作用产物蔗糖更多得被分解成单糖，可供运输至籽粒的蔗糖减少，淀粉合成的原料减少。因此，突变体籽粒淀粉含量低的原因是突变体的蔗糖转化酶活性高，有更多的蔗糖被分解成单糖，运输到籽粒中的蔗糖减少。
答案：(1)ATP和NADPH 突变体中细胞分裂素含量多，叶绿素合成多，类囊体膜蛋白稳定性稿，叶绿素降解慢 (2)高 突变体气孔导度大，胞间CO2浓度低，固定CO2能力强 (3)突变体的蔗糖转化酶活性高，有更多的蔗糖被分解成单糖，运输到籽粒中的蔗糖减少
·任务一：光反应的影响因素分析
(1)光反应通过什么物质与暗反应联系？
提示：光反应产生的ATP和NADPH可用于暗反应C3的还原。
(2)影响光反应的内部因素有哪些？
提示：光合色素(叶绿素和类胡萝卜素)、与光反应有关的酶、类囊体结构的稳定性等。
(3)影响叶绿素合成的因素有哪些？
提示：外界因素主要是光照、温度、矿质元素等，内部因素主要是酶、植物激素(细胞分裂素可促进叶绿素合成)等。
·任务二：光饱和点的影响因素分析
(1)光合作用和呼吸作用如何影响光饱和点？
提示：光饱和点受光合作用和呼吸作用共同影响。在呼吸作用不变的情况下，光合作用增强，消耗的CO2更多，植物体达到光饱和点需要的光照强度更高。
(2)气孔导度和胞间CO2浓度如何反映光合作用强度？
提示：气孔导度大，吸收CO2速率快，光合作用强度大。胞间CO2浓度小代表叶肉细胞吸收的CO2多，光合作用强度大。
·任务三：光合作用产物的储存和运输分析
(1)光合作用的主要产物是什么？
提示：淀粉和蔗糖是光合作用的主要产物。
(2)籽粒中淀粉的来源有哪些？
提示：淀粉主要储存于籽粒中，而籽粒中的淀粉主要由叶片光合作用合成的蔗糖经筛管运输而来。
模型一 外界因素对光合作用的影响机理
模型二 多因子对光合作用影响曲线
某科研小组新合成了一种叔胺类有机物DCPTA，为研究其对甜瓜光合作用的影响，将生长状况相同的甜瓜幼苗均分为四组，各组实验条件为①不遮光＋清水，②不遮光＋DCPTA，③遮光＋清水，④遮光＋DCPTA，其余实验条件相同且适宜。分别测定了四组幼苗的光合速率、气孔导度(即开放程度)、胞间CO2浓度、Rubisco(固定CO2的酶)活性、丙二醛(膜脂过氧化产物，其含量与生物膜受损程度成正相关)含量，如下图所示，回答下列问题：
(1)Rubisco催化的底物是 ，DCPTA对Rubisco活性的影响在________(填“不遮光”或“遮光”)条件下影响幅度更大。
(2)比较①②组或③④组，DCPTA能有效提高光合速率，原因是__________ __________________________________________________________________。
(3)与①②④组比较，第③组光合速率和气孔导度均最低，气孔导度________ (填“是”或“不是”)影响其光合作用的主要因素，原因是________________ ____________________________________；第③组光合速率最低的具体原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(4)通过对本实验中自变量的研究进行分析，在温室栽种甜瓜提高产量的措施有___________________________________________________。
解析：(1)Rubisco是固定CO2的酶，固定CO2的过程是C5与CO2反应生成C3，则Rubisco的底物是五碳化合物(或C5或核酮糖-1,5-二磷酸或RuBP)和CO2。对比①②组(不遮光条件下)和③④组(遮光条件下)Rubisco活性的差异，可发现③④组差异更大，即DCPTA对Rubisco活性的影响在遮光条件下影响幅度更大。(2)比较①②组或③④组可知，DCPTA增大了气孔导度；提高了Rubisco活性，增加了对CO2的固定；降低了丙二醛含量，降低了生物膜受损程度，所以DCPTA能有效提高光合速率。(3)与①②④组比较，第③组光合速率最低，其气孔导度虽然最低，但胞间CO2浓度却最高，说明气孔导度不是影响其光合作用的主要因素。遮光导致光照减弱，会降低光反应；Rubisco活性最弱会抑制暗反应；丙二醛最高说明生物膜受损程度最大，会降低光反应，这些都是第③组光合速率最低的原因。(4)通过对本实验中自变量的研究进行分析可知，喷洒一定含量的DCPTA、阴雨天适当补充光照是温室栽种甜瓜提高产量的措施。
答案：(1)五碳化合物(或C5，或核酮糖-1,5-二磷酸或RuBP)和CO2 遮光 (2)DCPTA增大了气孔导度；提高了Rubisco活性，增加了对CO2的固定；降低了丙二醛含量，降低了生物膜受损程度 (3)不是 ③组气孔导度虽然最低，但胞间CO2浓度却最高 遮光导致光照减弱，会降低光反应；Rubisco活性最弱会抑制暗反应；丙二醛最高说明生物膜受损程度最大，会降低光反应 (4)喷洒一定含量的DCPTA；阴雨天适当补充光照
