课时跟踪练13
一、选择题
1．下图分别是萨克斯、鲁宾和卡门、恩格尔曼所做的关于光合作用的三个经典实验。下列相关叙述正确的是( C )
A．图1中A与C部分对照说明光合作用需要光
B．图2所示实验运用的实验方法是荧光标记法
C．图3所示实验中，需氧细菌分布于光束照射的部位
D．萨克斯的实验证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉
解析：图1中B与C部分对照说明光合作用需要光，A项错误；图2所示实验运用的实验方法是同位素示踪法，B项错误；图3所示实验中，光束照射的部位通过光合作用产生了O2，所以需氧细菌分布于光束照射的部位，C项正确；萨克斯的实验只能证明有淀粉生成，但不能证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉，D项错误。
2．玉米叶肉细胞的叶绿体中有类囊体，但不含固定CO2的酶Rubisco，下列有关玉米光合作用的叙述，合理的是( A )
A．叶肉细胞的叶绿体能够生成NADPH和ATP
B．叶肉细胞的叶绿体能够利用NADPH和ATP
C．C3的还原发生在叶肉细胞的叶绿体基质中
D．叶肉细胞中缺乏酶Rubisco的基因
解析：玉米叶肉细胞的叶绿体中有类囊体，可以通过光反应阶段生成NADPH和ATP，A项合理；玉米叶肉细胞的叶绿体中不含固定CO2的酶Rubisco，因此不能进行暗反应，不能利用NADPH和ATP进行C3的还原，B项、C项不合理；由于基因选择性表达，叶肉细胞中酶Rubisco的基因没有表达，D项不合理。
3．科学家向小球藻培养液中通入14CO2，给予实验装置不同时间光照，结果如下表所示。根据实验结果分析，下列叙述正确的是( A )
实验组别 光照时间/s 放射性物质分布
1 2 大量3-磷酸甘油酸(三碳化合物)
2 20 12种磷酸化糖类
3 60 除上述12种磷酸化糖类外，还有氨基酸、有机酸等
A．暗反应最初形成的很可能是3-磷酸甘油酸(三碳化合物)
B．本实验利用小球藻研究的是光合作用的光反应阶段
C．3-磷酸甘油酸可直接转化成氨基酸、有机酸等
D．实验结果说明光合作用产物是各种糖类
解析：由题表可知，CO2进入叶绿体后，最初形成的物质是3-磷酸甘油酸(三碳化合物)，A项正确；由题意可知，用同位素标记法探究CO2中碳元素的去向，故本实验利用小球藻研究的是光合作用的暗反应阶段，B项错误；根据时间分析，3-磷酸甘油酸要先转化成12种磷酸化糖类，然后才转化成氨基酸、有机酸等，C项错误；题表中的数据说明光合作用除了产生糖类外，还有氨基酸、有机酸等其他有机物，D项错误。
4．在一定条件下，下列关于某叶肉细胞内叶绿体和线粒体生理活动的叙述，正确的是( A )
A．若突然增加CO2浓度，则短时间内叶绿体中C3比ADP先增加
B．光照下两者发生氧化反应时都能释放能量供各项生命活动利用
C．若突然增加光照强度，则短时间内叶绿体中C5比ADP先减少
D．光照下叶绿体直接为线粒体提供O2和葡萄糖
解析：若突然增加CO2浓度，首先是CO2固定生成的C3增多，C3增多，还原C3的速率加快，此时消耗ATP产生ADP才增多，所以短时间内叶绿体中C3比ADP先增加，A项正确；光合作用光反应产生的ATP只用于暗反应和叶绿体内的物质合成，呼吸作用产生的ATP可供各项生命活动利用，B项错误；若突然增加光照强度，短时间内，先是光反应加强，消耗ADP和Pi合成ATP增加，同时NADPH也增加，促进C3还原加快，短时间内CO2的固定速率不变，因此短时间内叶绿体中C5与ADP同时增加，C项错误；线粒体是有氧呼吸的主要场所，但不能直接利用葡萄糖，葡萄糖需要在细胞质基质中被分解成丙酮酸后才能进入线粒体被氧化分解，D项错误。
5．下图为叶肉细胞中部分代谢途径示意图(RuBP为与CO2结合的五碳化合物)。下列说法错误的是( D )
A．CO2转化为TP需要光反应提供的ATP和NADPH
B．淀粉需水解成TP等产物，通过载体运出叶绿体
C．若TP运出过多，则可能会影响CO2的固定
D．推测TR、GR和运出蔗糖的载体的空间结构相同
解析：TR、GR和运出蔗糖的载体的功能不同，空间结构不同，D项错误。
6．玉米叶肉细胞中有一种酶，通过系列反应将CO2泵入维管束鞘细胞，使维管束鞘细胞积累较高浓度的CO2，保证卡尔文循环顺利进行，这种酶被称为“CO2泵”。下列相关叙述错误的是( C )
A．A→B的过程还需要光反应提供的NADPH、ATP等物质的参与
B．抑制“CO2泵”的活性，短时间内维管束鞘细胞中B的含量增加
C．晴朗的夏季11：00时，温度升高，玉米维管束鞘细胞的光合作用速率会明显下降
D．可用层析法分别分离玉米叶肉细胞、维管束鞘细胞中的色素并比较色素的含量和种类差别
解析：A→B的过程表示C3的还原，需要光反应提供的NADPH、ATP等物质的参与，A项正确；A表示C3，B表示C5，抑制“CO2泵”的活性，维管束鞘细胞中CO2含量降低，导致CO2的固定受阻，消耗的C5减少，而C3的还原仍正常进行，所以在短时间内，维管束鞘细胞中B(C5)的含量增加，B项正确；晴朗的夏季11：00时，玉米维管束鞘细胞的光合作用速率可能会有所上升，原因是玉米叶肉细胞内有“CO2泵”，仍可以维持细胞内较高的CO2浓度，此时光照强度增强，光合作用速率上升，C项错误；不同色素在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸上的扩散速度不同，故可用层析法分别分离玉米叶肉细胞、维管束鞘细胞中的色素，并比较色素的含量和种类差别，D项正确。
7．下图为高等绿色植物光合作用和细胞呼吸之间的物质和能量转变示意图，图中①～⑥代表物质。据图判断，下列说法错误的是( C )
A．①和⑤产生后在细胞中的主要分布位置不同
B．④转变成CO2的过程可发生在细胞质基质和线粒体基质中
C．给植物提供C18O2，则植物释放的CO2中没有18O
D．光照突然增强，短时间内可能会导致①与②的比值增大，随后该比值减小，最终基本不变
解析：给植物提供C18O2，光合作用产生的有机物中含有18O，经过细胞呼吸有机物分解释放的CO2中也有18O，C项错误。
8．(2025·广州高三模拟)光照充足时，叶肉细胞中Rubisco催化O2与CO2竞争性结合C5。O2和CO2与Rubisco的亲和力与各自的相对浓度有关，相对浓度高则与酶的亲和力高。O2与C5结合后经一系列的反应，最终释放CO2的过程称为光呼吸。下图中实线部分表示植物叶肉细胞的光合作用和光呼吸等正常的生命活动过程，虚线部分表示为科学家通过基因工程所构建的新的光呼吸代谢支路。下列叙述错误的是( D )
A．酶Rubisco既能催化CO2的固定，又能催化C5与O2反应
B．光呼吸会消耗一部分C5，从而降低光合作用产量
C．新的光呼吸代谢支路，有利于植物积累有机物
D．在农业生产中，可通过给大棚通风的方式，提高农作物的光呼吸过程
解析：叶肉细胞中Rubisco既可催化CO2与C5反应生成C3，又可催化O2与C5生成C3与C2，A项正确；光呼吸中O2与C5结合生成C3与C2，使参与CO2固定的C5减少，导致光合作用产量降低，B项正确；新的光呼吸代谢支路将C2转化为叶绿体内的CO2，增大叶绿体中CO2浓度，有利于植物积累有机物，C项正确；在农业生产中，给大棚通风可加快大棚中的气体交换速率，增加大棚中的CO2浓度，降低O2浓度，可降低农作物的光呼吸，D项错误。
二、非选择题
9．植物叶肉细胞光合作用的光反应、暗反应、蔗糖与淀粉合成代谢途径如下图所示。图中叶绿体内膜上的磷酸转运器运出1分子三碳糖磷酸的同时运进1分子Pi(无机磷酸)。请回答下列问题：
(1)图甲中所表示的结构是____________。H＋的跨膜运输促进了E的形成，物质C表示________。物质C、E为F(3-磷酸甘油酸)转化为G(三碳糖磷酸)提供了___________________________________________。
(2)磷除了是光合作用相关产物的组成成分，还是叶绿体内____________(答出2类)的组成成分。
(3)图乙过程中，若蔗糖合成或输出受阻，则进入叶绿体的Pi数量________，从而导致了光反应中合成的______数量下降，卡尔文循环减速。此时过多的三碳糖磷酸将会用于____________，以维持卡尔文循环运行。
答案：(1)类囊体薄膜 NADPH 氢、磷酸基团和能量 (2)核酸、磷脂 (3)减少 ATP 合成淀粉
10．(2023·湖南选择考)如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(Km越小，酶对底物的亲和力越大)，该酶既可催化C5(RuBP)与CO2反应，进行卡尔文循环，又可催化C5(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酶对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2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3点即可)。
解析：(1)玉米的暗反应先在叶肉细胞中进行，在PEPC酶的催化下，PEP与CO2反应生成C4，C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2，再进行卡尔文循环，据此推理，并结合水稻的暗反应示意图，可知玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是3-磷酸甘油醛。在叶绿体内，其可用于淀粉等的合成，大部分运至叶绿体外，并转变成蔗糖。蔗糖通过筛管长距离运输到其他组织器官。(2)在干旱环境下，大部分气孔关闭，植物能吸收的CO2减少，与水稻叶肉细胞中的Rubisco酶相比，玉米叶肉细胞中的PEPC酶对CO2的Km小，亲和力大，玉米在较低浓度的CO2下仍能固定CO2进行光合作用；在高光照强度环境下，光反应较强，产生的O2较多，与玉米维管束鞘细胞相比(水光解的主要场所为叶肉细胞的叶绿体)，水稻叶肉细胞O2较多，易进行光呼吸，使暗反应减弱；与水稻叶肉细胞相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘，叶肉细胞中的PEP与CO2反应生成C4，C4进入维管束鞘细胞后释放CO2，使CO2得到浓缩，保障了暗反应的进行。(3)在光饱和条件下，水稻叶绿体的光反应强度不再增加，产生的ATP和NADPH不再增多，限制了C3的还原；水稻叶绿体内固定CO2的Rubisco酶的量有限；光合作用产生的有机物在叶绿体中积累较多，抑制了反应的进行。
答案：(1)3-磷酸甘油醛 蔗糖 筛管 (2)高于 玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比Rubisco酶高，能利用低浓度的CO2；玉米水光解主要在叶肉细胞进行，暗反应在维管束鞘细胞中进行，维管束鞘细胞中CO2/O2较高，提高了光合作用效率；玉米通过C3和C4在叶肉和维管束鞘细胞之间的循环，将CO2转运到维管束鞘细胞浓缩，维管束鞘细胞中CO2浓度较高 (3)NADPH和ATP的供应限制、固定CO2的Rubisco酶数量有限、原核生物和真核生物光合作用机制有所不同
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第13讲 光合作用的原理
【课标要求】 说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。
1．探索光合作用原理的部分实验[连一连]
提示：①—B—c ②—C—e
③—A—a ④—E—b ⑤—D—d
[易错提醒] 同位素标记法中使用的同位素并非都具有放射性，如18O就没有放射性，不能检测其放射性；而14C有放射性，可被追踪检测。
2．光合作用的概念
光合作用是指绿色植物通过______，利用光能，将____________转化成储存着能量的有机物，并且释放出____的过程。
叶绿体
二氧化碳和水
氧气
3．光合作用的过程图解
叶绿体类囊体的薄膜
H＋＋O2＋e－
叶绿体基质
(CH2O)
稳定的化学能
[易错提醒] 暗反应有光、无光都能进行，若光反应停止，暗反应可持续进行一段时间，但时间不长；暗反应过程中的C3和C5并不是只含有3个或5个碳原子，还有H、O等原子。
4．反应式
(1)若有机物为(CH2O)：_____________________________。
(2)若有机物为C6H12O6：
____________________________________________________。
5．光合作用和化能合成作用的比较
[易错提醒] 绿色植物和化能合成菌为自养生物；人、动物、真菌以及大多数细菌属于异养生物。
无机物氧化所释放的能量
CO2和H2O
[教材命题点思考]
1．光反应的产物有哪些？产物的去向、用途如何？
提示：ATP、NADPH、O2。ATP、NADPH进入叶绿体基质参与暗反应，用于C3的还原；O2进入线粒体参与细胞呼吸，或以气体形式从植物表皮的气孔释放进入大气。
2．如何确定卡尔文循环中碳的同化和去向？
提示：可用同位素标记CO2，每隔一段时间取样分析，根据标记物出现的时间确定碳的同化和去向。
3．光合作用中，在提供C18O2较长时间后，能够检测出18O的物质有哪些？
提示：糖类、水、氧气等。
[模型命题点思考]
4．在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中，其叶片暗反应中C3和C5微摩尔浓度的变化趋势如图所示。回答下列问题：
(1)图中物质A是________(填“C3”或“C5”)。
C3
(2)在CO2浓度为1%的环境中，物质B的浓度比物质A的低，原因是
________________________________________________________________；
将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后，物质B浓度升高的原因是________________________________________________________________。
提示：暗反应速率在该环境中已达到稳定，即C3和C5的含量稳定。根据暗反应的特点，此时C3的分子数是C5的2倍 C5的合成速率不变，消耗速率减慢，导致C5积累
(3)若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中，暗反应中C3和C5浓度达到稳定时，物质A的浓度将比物质B的________(填“低”或“高”)。
(4)CO2浓度为0.003%时，该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的________(填“低”或“高”)，其原因是________________________________________________________。
高
低
CO2浓度低时，暗反应强度低，所需ATP和NADPH少
环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
(1)“过程法”分析各物质含量的变化。
下图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原，当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时，分析相关物质含量在短时间内的变化：
(2)“模型法”表示C3和C5含量的变化(条件改变后短时间内各物质相对含量的变化)。
√
考向1 光合作用的基本过程
1．(2021·广东选择考)在高等植物光合作用的卡尔文循环中，唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco。下列叙述正确的是( )
A．Rubisco存在于细胞质基质中
B．激活Rubisco需要黑暗条件
C．Rubisco催化CO2固定需要ATP
D．Rubisco催化C5和CO2结合
解析：暗反应阶段CO2的固定过程为Rubisco催化C5与CO2反应的过程，该过程发生在叶绿体基质中，有光、无光条件下暗反应均可进行，故Rubisco的活性与是否有光无关，A项、B项错误，D项正确；CO2的固定过程不消耗ATP，C项错误。
2．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浓度显著提高，CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约为390 μmol·mol－1，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/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。
C3(三碳化合物)
叶绿体基质
解析：CO2的固定指CO2与C5结合生成C3的过程，CO2的固定属于暗反应阶段，发生在叶绿体基质中。
叶绿体
呼吸作用和光合作用(光反应)
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。
高于
NADPH和ATP
吸能反应
同位素标记
解析：①在该CO2浓缩机制中，与PEPC结合的无机碳浓度较低，说明PEPC与无机碳的亲和力高于Rubisco。②光合作用光反应可生成ATP和NADPH。图2中Pyr转变为PEP的过程消耗ATP，属于吸能反应。③常用同位素标记法研究元素的转移途径。
ACD
解析：若抑制OAA的合成，会使进入维管束鞘细胞叶绿体中的Mal减少，Rubisco附近的CO2浓度降低，CO2的固定减少，不能提高光合作用的效率，B不合理。
√
考向2 不同条件下光合作用过程中物质含量的变化分析
3．光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。下列对于改变反应条件而引起的变化的说法，正确的是( )
A．突然中断CO2供应，会暂时引起叶绿体基质中 C5/C3 的值减小
B．突然中断CO2供应，会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
C．突然将红光改变为绿光，会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小
D．突然将绿光改变为红光，会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值减小
解析：突然中断CO2供应导致CO2的固定速率降低，叶绿体中C5含量增加、C3含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值增大，A项错误；突然将红光改变为绿光后，光能利用率降低，ATP和NADPH的含量减少，进而使C3含量增加、C5含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值增大，C项错误；突然将绿光改变为红光后，光能利用率提高，ATP的含量增加，ATP/ADP的值增大，D项错误。
√
4．下图为某植物叶肉细胞光合作用示意图，图中①②③④表示相关物质。现有甲、乙两植株，甲叶色正常，乙为叶片黄化的突变植株，叶绿素含量明显少于甲。将甲、乙植株置于正常光照、温度、CO2浓度等条件相同的环境中，下列相关分析正确的是( )
A．被色素吸收的光能全部用于③合成ATP
B．只有接受ATP释放的能量，C3才可被NADPH还原
C．如果突然增加光照强度，则短时间内②的含量减少，③的含量增加
D．如果突然增加光照强度，甲的叶肉细胞中C3的含量减少，乙的叶肉细胞中④的含量减少
解析：光合作用过程中色素吸收的光能有两方面的用途，一方面引起水的光解，另一方面参与ATP合成，A项错误；在光合作用暗反应阶段，C3的还原只有接受ATP释放的能量才可完成，B项正确；题图中②表示NADP＋，若突然增加光照强度，光反应增强，则短时间内②的含量减少，③为ADP和Pi，增加光照强度后短时间内③的含量也会减少，C项错误；若突然增加光照强度，则甲、乙两植株光合作用光反应过程均增强，所以C3含量均减少，题图中④(C5)含量均增加，D项错误。
√
高考真题体验
1．(2020·天津等级考)研究人员从菠菜中分离类囊体，将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴，从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原，并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是( )
A．产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质
B．该反应体系不断消耗的物质仅是CO2
C．类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原
D．与叶绿体相比，该反应体系不含光合作用色素
解析：由题干信息“该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原，并不断产生有机物乙醇酸”可知，乙醇酸的合成场所相当于叶绿体基质，A项正确；该反应体系既能在类囊体上进行光反应，又能利用16种酶等物质进行暗反应，因此该反应体系不断消耗的物质有CO2、H2O等，B项错误；类囊体上进行的光反应为暗反应中C3的还原提供了NADPH和ATP，光反应产生的O2不参与暗反应，C项错误；该反应体系中有类囊体，在光照条件下还可实现连续的CO2固定与还原，说明该反应体系中有吸收、传递和转化光能的光合色素，D项错误。
2．(2022·湖南选择考)将用纯净水洗净的河沙倒入洁净的玻璃缸中制成沙床，作为种子萌发和植株生长的基质。某水稻品种在光照强度为8～10 μmol/(s·m2)时，固定的CO2量等于呼吸作用释放的CO2量；日照时长短于12小时才能开花。将新采收并解除休眠的该水稻种子表面消毒，浸种1天后，播种于沙床上。将沙床置于人工气候室中，保湿透气，昼/夜温度为35 ℃/25 ℃，光照强度为2 μmol/(s·m2)，每天光照时长为14小时。回答下列问题：
(1)在此条件下，该水稻种子____________(填“能”或“不能”)萌发并成苗(以株高≥2厘米，至少1片绿叶视为成苗)，理由是________________________________________________________________
________________________________________________________________。
答案：能 种子萌发形成幼苗的过程中，消耗的能量主要来自种子胚乳中储存的有机物，且光照有利于叶片叶绿素形成
(2)若将该水稻适龄秧苗栽植于上述沙床上，光照强度为10 μmol/(s·m2)，其他条件与上述实验相同，该水稻________(填“能”或“不能”)繁育出新的种子，理由是___________________________________________________
_____________________________________________(答出2点即可)。
答案：不能 光照强度为10 μmol/(s·m2)，等于光补偿点，不会积累有机物，黑暗中细胞呼吸仍需消耗有机物，故全天没有有机物积累；且每天光照时长为14小时，日照时长大于12小时植株不能开花
(3)若该水稻种子用于稻田直播(即将种子直接撒播于农田)，为防鸟害、鼠害和减少杂草生长，须灌水覆盖，该种子应具有________________________________________________________________特性。
答案：耐受酒精毒害
3．(2020·高考江苏卷)大豆与根瘤菌是互利共生关系，下图所示为大豆叶片及根瘤中部分物质的代谢、运输途径，请据图回答下列问题：
(1)在叶绿体中，光合色素分布在________________上；在酶催化下直接参与CO2固定的化学物质是H2O和________。
类囊体薄膜
C5
(2)上图所示的代谢途径中，催化固定CO2形成3-磷酸甘油酸(PGA)的酶在____________中，PGA还原成磷酸丙糖(TP)运出叶绿体后合成蔗糖，催化TP合成蔗糖的酶存在于____________________。
(3)根瘤菌固氮产生的NH3可用于氨基酸的合成，氨基酸合成蛋白质时，通过脱水缩合形成__________键。
叶绿体基质
细胞质基质
肽
(4)CO2和N2的固定都需要消耗大量ATP。叶绿体中合成ATP的能量来自________；根瘤中合成ATP的能量主要源于________的分解。
(5)蔗糖是大多数植物长距离运输的主要有机物，与葡萄糖相比，以蔗糖作为运输物质的优点是_______________________________________________
________________________________________________________________。
光能
糖类
非还原糖性质较稳定(或蔗糖分子为二糖，对渗透压的影响相对较小)第13讲 光合作用的原理
【课标要求】 说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。
INCLUDEPICTURE "核心知识CSJ.TIF"
1．探索光合作用原理的部分实验[连一连]
提示：①—B—c ②—C—e ③—A—a ④—E—b ⑤—D—d
[易错提醒] 同位素标记法中使用的同位素并非都具有放射性，如18O就没有放射性，不能检测其放射性；而14C有放射性，可被追踪检测。
2．光合作用的概念
光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
3．光合作用的过程图解
[易错提醒] 暗反应有光、无光都能进行，若光反应停止，暗反应可持续进行一段时间，但时间不长；暗反应过程中的C3和C5并不是只含有3个或5个碳原子，还有H、O等原子。
4．反应式
(1)若有机物为(CH2O)：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。
(2)若有机物为C6H12O6：6CO2＋12H2OC6H12O6＋6O2＋6H2O。
5．光合作用和化能合成作用的比较
[易错提醒] 绿色植物和化能合成菌为自养生物；人、动物、真菌以及大多数细菌属于异养生物。
INCLUDEPICTURE "广东新选考命题新指向FJ.TIF"
[教材命题点思考]
1．光反应的产物有哪些？产物的去向、用途如何？
提示：ATP、NADPH、O2。ATP、NADPH进入叶绿体基质参与暗反应，用于C3的还原；O2进入线粒体参与细胞呼吸，或以气体形式从植物表皮的气孔释放进入大气。
2．如何确定卡尔文循环中碳的同化和去向？
提示：可用同位素标记CO2，每隔一段时间取样分析，根据标记物出现的时间确定碳的同化和去向。
3．光合作用中，在提供C18O2较长时间后，能够检测出18O的物质有哪些？
提示：糖类、水、氧气等。
[模型命题点思考]
4．在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中，其叶片暗反应中C3和C5微摩尔浓度的变化趋势如图所示。回答下列问题：
(1)图中物质A是________(填“C3”或“C5”)。
(2)在CO2浓度为1%的环境中，物质B的浓度比物质A的低，原因是______________________________________________________
______________________________________________________；
将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后，物质B浓度升高的原因是______________________________________________________。
(3)若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中，暗反应中C3和C5浓度达到稳定时，物质A的浓度将比物质B的________(填“低”或“高”)。
(4)CO2浓度为0.003%时，该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的________(填“低”或“高”)，其原因是______________________________________________________
______________________________________________________。
提示：(1)C3 (2)暗反应速率在该环境中已达到稳定，即C3和C5的含量稳定。根据暗反应的特点，此时C3的分子数是C5的2倍 C5的合成速率不变，消耗速率减慢，导致C5积累 (3)高 (4)低 CO2浓度低时，暗反应强度低，所需ATP和NADPH少
INCLUDEPICTURE "重难突破CSJ.TIF"
环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
(1)“过程法”分析各物质含量的变化。
下图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原，当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时，分析相关物质含量在短时间内的变化：
(2)“模型法”表示C3和C5含量的变化(条件改变后短时间内各物质相对含量的变化)。
INCLUDEPICTURE "考向探究CSJ.TIF"
考向1 光合作用的基本过程
1．(2021·广东选择考)在高等植物光合作用的卡尔文循环中，唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco。下列叙述正确的是( D )
A．Rubisco存在于细胞质基质中
B．激活Rubisco需要黑暗条件
C．Rubisco催化CO2固定需要ATP
D．Rubisco催化C5和CO2结合
解析：暗反应阶段CO2的固定过程为Rubisco催化C5与CO2反应的过程，该过程发生在叶绿体基质中，有光、无光条件下暗反应均可进行，故Rubisco的活性与是否有光无关，A项、B项错误，D项正确；CO2的固定过程不消耗ATP，C项错误。
2．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浓度显著提高，CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约为390 μmol·mol－1，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/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两种形式存在，水体中CO2浓度低、扩散速度慢，有些藻类具有图1所示的无机碳浓缩过程。图中HCO浓度最高的场所是________(填“细胞外”“细胞质基质”或“叶绿体”)，可为图中过程提供ATP的生理过程有______________________________________________________。
(3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制，部分过程见图2。在叶肉细胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将HCO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________(多选)。
A．改造植物的HCO转运蛋白基因，增强HCO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，增强固定CO2的能力
D．将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物
解析：(1)CO2的固定指CO2与C5结合生成C3的过程，CO2的固定属于暗反应阶段，发生在叶绿体基质中。(2)由题图1可知，HCO的运输均需消耗ATP，属于逆浓度梯度的主动运输，故叶绿体中HCO的浓度最高。图1过程所需ATP可由呼吸作用和光反应提供。(3)①在该CO2浓缩机制中，与PEPC结合的无机碳浓度较低，说明PEPC与无机碳的亲和力高于Rubisco。②光合作用光反应可生成ATP和NADPH。图2中Pyr转变为PEP的过程消耗ATP，属于吸能反应。③常用同位素标记法研究元素的转移途径。(4)若抑制OAA的合成，会使进入维管束鞘细胞叶绿体中的Mal减少，Rubisco附近的CO2浓度降低，CO2的固定减少，不能提高光合作用的效率，B不合理。
答案：(1)C3(三碳化合物) 叶绿体基质 (2)叶绿体 呼吸作用和光合作用(光反应) (3)①高于 ②NADPH和ATP 吸能反应 ③同位素标记 (4)ACD
考向2 不同条件下光合作用过程中物质含量的变化分析
3．光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。下列对于改变反应条件而引起的变化的说法，正确的是( B )
A．突然中断CO2供应，会暂时引起叶绿体基质中 C5/C3 的值减小
B．突然中断CO2供应，会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
C．突然将红光改变为绿光，会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小
D．突然将绿光改变为红光，会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值减小
解析：突然中断CO2供应导致CO2的固定速率降低，叶绿体中C5含量增加、C3含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值增大，A项错误；突然将红光改变为绿光后，光能利用率降低，ATP和NADPH的含量减少，进而使C3含量增加、C5含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值增大，C项错误；突然将绿光改变为红光后，光能利用率提高，ATP的含量增加，ATP/ADP的值增大，D项错误。
4．下图为某植物叶肉细胞光合作用示意图，图中①②③④表示相关物质。现有甲、乙两植株，甲叶色正常，乙为叶片黄化的突变植株，叶绿素含量明显少于甲。将甲、乙植株置于正常光照、温度、CO2浓度等条件相同的环境中，下列相关分析正确的是( B )
A．被色素吸收的光能全部用于③合成ATP
B．只有接受ATP释放的能量，C3才可被NADPH还原
C．如果突然增加光照强度，则短时间内②的含量减少，③的含量增加
D．如果突然增加光照强度，甲的叶肉细胞中C3的含量减少，乙的叶肉细胞中④的含量减少
解析：光合作用过程中色素吸收的光能有两方面的用途，一方面引起水的光解，另一方面参与ATP合成，A项错误；在光合作用暗反应阶段，C3的还原只有接受ATP释放的能量才可完成，B项正确；题图中②表示NADP＋，若突然增加光照强度，光反应增强，则短时间内②的含量减少，③为ADP和Pi，增加光照强度后短时间内③的含量也会减少，C项错误；若突然增加光照强度，则甲、乙两植株光合作用光反应过程均增强，所以C3含量均减少，题图中④(C5)含量均增加，D项错误。
高考真题体验
1．(2020·天津等级考)研究人员从菠菜中分离类囊体，将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴，从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原，并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是( A )
A．产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质
B．该反应体系不断消耗的物质仅是CO2
C．类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原
D．与叶绿体相比，该反应体系不含光合作用色素
解析：由题干信息“该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原，并不断产生有机物乙醇酸”可知，乙醇酸的合成场所相当于叶绿体基质，A项正确；该反应体系既能在类囊体上进行光反应，又能利用16种酶等物质进行暗反应，因此该反应体系不断消耗的物质有CO2、H2O等，B项错误；类囊体上进行的光反应为暗反应中C3的还原提供了NADPH和ATP，光反应产生的O2不参与暗反应，C项错误；该反应体系中有类囊体，在光照条件下还可实现连续的CO2固定与还原，说明该反应体系中有吸收、传递和转化光能的光合色素，D项错误。
2．(2022·湖南选择考)将用纯净水洗净的河沙倒入洁净的玻璃缸中制成沙床，作为种子萌发和植株生长的基质。某水稻品种在光照强度为8～10 μmol/(s·m2)时，固定的CO2量等于呼吸作用释放的CO2量；日照时长短于12小时才能开花。将新采收并解除休眠的该水稻种子表面消毒，浸种1天后，播种于沙床上。将沙床置于人工气候室中，保湿透气，昼/夜温度为35 ℃/25 ℃，光照强度为2 μmol/(s·m2)，每天光照时长为14小时。回答下列问题：
(1)在此条件下，该水稻种子____________(填“能”或“不能”)萌发并成苗(以株高≥2厘米，至少1片绿叶视为成苗)，理由是______________________________________________________
______________________________________________________。
(2)若将该水稻适龄秧苗栽植于上述沙床上，光照强度为10 μmol/(s·m2)，其他条件与上述实验相同，该水稻________(填“能”或“不能”)繁育出新的种子，理由是______________________________________________________
______________________________________________________(答出2点即可)。
(3)若该水稻种子用于稻田直播(即将种子直接撒播于农田)，为防鸟害、鼠害和减少杂草生长，须灌水覆盖，该种子应具有______________________________________________________特性。
答案：(1)能 种子萌发形成幼苗的过程中，消耗的能量主要来自种子胚乳中储存的有机物，且光照有利于叶片叶绿素形成
(2)不能 光照强度为10 μmol/(s·m2)，等于光补偿点，不会积累有机物，黑暗中细胞呼吸仍需消耗有机物，故全天没有有机物积累；且每天光照时长为14小时，日照时长大于12小时植株不能开花 (3)耐受酒精毒害
3．(2020·高考江苏卷)大豆与根瘤菌是互利共生关系，下图所示为大豆叶片及根瘤中部分物质的代谢、运输途径，请据图回答下列问题：
(1)在叶绿体中，光合色素分布在______________________________________________________
上；在酶催化下直接参与CO2固定的化学物质是H2O和________。
(2)上图所示的代谢途径中，催化固定CO2形成3-磷酸甘油酸(PGA)的酶在____________中，PGA还原成磷酸丙糖(TP)运出叶绿体后合成蔗糖，催化TP合成蔗糖的酶存在于______________________________________________________。
(3)根瘤菌固氮产生的NH3可用于氨基酸的合成，氨基酸合成蛋白质时，通过脱水缩合形成__________键。
(4)CO2和N2的固定都需要消耗大量ATP。叶绿体中合成ATP的能量来自________；根瘤中合成ATP的能量主要源于________的分解。
(5)蔗糖是大多数植物长距离运输的主要有机物，与葡萄糖相比，以蔗糖作为运输物质的优点是______________________________
______________________________________________________。
答案：(1)类囊体薄膜 C5 (2)叶绿体基质 细胞质基质 (3)肽
(4)光能 糖类 (5)非还原糖性质较稳定(或蔗糖分子为二糖，对渗透压的影响相对较小)
课时跟踪练13
一、选择题
1．下图分别是萨克斯、鲁宾和卡门、恩格尔曼所做的关于光合作用的三个经典实验。下列相关叙述正确的是( C )
A．图1中A与C部分对照说明光合作用需要光
B．图2所示实验运用的实验方法是荧光标记法
C．图3所示实验中，需氧细菌分布于光束照射的部位
D．萨克斯的实验证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉
解析：图1中B与C部分对照说明光合作用需要光，A项错误；图2所示实验运用的实验方法是同位素示踪法，B项错误；图3所示实验中，光束照射的部位通过光合作用产生了O2，所以需氧细菌分布于光束照射的部位，C项正确；萨克斯的实验只能证明有淀粉生成，但不能证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉，D项错误。
2．玉米叶肉细胞的叶绿体中有类囊体，但不含固定CO2的酶Rubisco，下列有关玉米光合作用的叙述，合理的是( A )
A．叶肉细胞的叶绿体能够生成NADPH和ATP
B．叶肉细胞的叶绿体能够利用NADPH和ATP
C．C3的还原发生在叶肉细胞的叶绿体基质中
D．叶肉细胞中缺乏酶Rubisco的基因
解析：玉米叶肉细胞的叶绿体中有类囊体，可以通过光反应阶段生成NADPH和ATP，A项合理；玉米叶肉细胞的叶绿体中不含固定CO2的酶Rubisco，因此不能进行暗反应，不能利用NADPH和ATP进行C3的还原，B项、C项不合理；由于基因选择性表达，叶肉细胞中酶Rubisco的基因没有表达，D项不合理。
3．科学家向小球藻培养液中通入14CO2，给予实验装置不同时间光照，结果如下表所示。根据实验结果分析，下列叙述正确的是( A )
实验组别 光照时间/s 放射性物质分布
1 2 大量3-磷酸甘油酸(三碳化合物)
2 20 12种磷酸化糖类
3 60 除上述12种磷酸化糖类外，还有氨基酸、有机酸等
A．暗反应最初形成的很可能是3-磷酸甘油酸(三碳化合物)
B．本实验利用小球藻研究的是光合作用的光反应阶段
C．3-磷酸甘油酸可直接转化成氨基酸、有机酸等
D．实验结果说明光合作用产物是各种糖类
解析：由题表可知，CO2进入叶绿体后，最初形成的物质是3-磷酸甘油酸(三碳化合物)，A项正确；由题意可知，用同位素标记法探究CO2中碳元素的去向，故本实验利用小球藻研究的是光合作用的暗反应阶段，B项错误；根据时间分析，3-磷酸甘油酸要先转化成12种磷酸化糖类，然后才转化成氨基酸、有机酸等，C项错误；题表中的数据说明光合作用除了产生糖类外，还有氨基酸、有机酸等其他有机物，D项错误。
4．在一定条件下，下列关于某叶肉细胞内叶绿体和线粒体生理活动的叙述，正确的是( A )
A．若突然增加CO2浓度，则短时间内叶绿体中C3比ADP先增加
B．光照下两者发生氧化反应时都能释放能量供各项生命活动利用
C．若突然增加光照强度，则短时间内叶绿体中C5比ADP先减少
D．光照下叶绿体直接为线粒体提供O2和葡萄糖
解析：若突然增加CO2浓度，首先是CO2固定生成的C3增多，C3增多，还原C3的速率加快，此时消耗ATP产生ADP才增多，所以短时间内叶绿体中C3比ADP先增加，A项正确；光合作用光反应产生的ATP只用于暗反应和叶绿体内的物质合成，呼吸作用产生的ATP可供各项生命活动利用，B项错误；若突然增加光照强度，短时间内，先是光反应加强，消耗ADP和Pi合成ATP增加，同时NADPH也增加，促进C3还原加快，短时间内CO2的固定速率不变，因此短时间内叶绿体中C5与ADP同时增加，C项错误；线粒体是有氧呼吸的主要场所，但不能直接利用葡萄糖，葡萄糖需要在细胞质基质中被分解成丙酮酸后才能进入线粒体被氧化分解，D项错误。
5．下图为叶肉细胞中部分代谢途径示意图(RuBP为与CO2结合的五碳化合物)。下列说法错误的是( D )
A．CO2转化为TP需要光反应提供的ATP和NADPH
B．淀粉需水解成TP等产物，通过载体运出叶绿体
C．若TP运出过多，则可能会影响CO2的固定
D．推测TR、GR和运出蔗糖的载体的空间结构相同
解析：TR、GR和运出蔗糖的载体的功能不同，空间结构不同，D项错误。
6．玉米叶肉细胞中有一种酶，通过系列反应将CO2泵入维管束鞘细胞，使维管束鞘细胞积累较高浓度的CO2，保证卡尔文循环顺利进行，这种酶被称为“CO2泵”。下列相关叙述错误的是( C )
A．A→B的过程还需要光反应提供的NADPH、ATP等物质的参与
B．抑制“CO2泵”的活性，短时间内维管束鞘细胞中B的含量增加
C．晴朗的夏季11：00时，温度升高，玉米维管束鞘细胞的光合作用速率会明显下降
D．可用层析法分别分离玉米叶肉细胞、维管束鞘细胞中的色素并比较色素的含量和种类差别
解析：A→B的过程表示C3的还原，需要光反应提供的NADPH、ATP等物质的参与，A项正确；A表示C3，B表示C5，抑制“CO2泵”的活性，维管束鞘细胞中CO2含量降低，导致CO2的固定受阻，消耗的C5减少，而C3的还原仍正常进行，所以在短时间内，维管束鞘细胞中B(C5)的含量增加，B项正确；晴朗的夏季11：00时，玉米维管束鞘细胞的光合作用速率可能会有所上升，原因是玉米叶肉细胞内有“CO2泵”，仍可以维持细胞内较高的CO2浓度，此时光照强度增强，光合作用速率上升，C项错误；不同色素在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸上的扩散速度不同，故可用层析法分别分离玉米叶肉细胞、维管束鞘细胞中的色素，并比较色素的含量和种类差别，D项正确。
7．下图为高等绿色植物光合作用和细胞呼吸之间的物质和能量转变示意图，图中①～⑥代表物质。据图判断，下列说法错误的是( C )
A．①和⑤产生后在细胞中的主要分布位置不同
B．④转变成CO2的过程可发生在细胞质基质和线粒体基质中
C．给植物提供C18O2，则植物释放的CO2中没有18O
D．光照突然增强，短时间内可能会导致①与②的比值增大，随后该比值减小，最终基本不变
解析：给植物提供C18O2，光合作用产生的有机物中含有18O，经过细胞呼吸有机物分解释放的CO2中也有18O，C项错误。
8．(2025·广州高三模拟)光照充足时，叶肉细胞中Rubisco催化O2与CO2竞争性结合C5。O2和CO2与Rubisco的亲和力与各自的相对浓度有关，相对浓度高则与酶的亲和力高。O2与C5结合后经一系列的反应，最终释放CO2的过程称为光呼吸。下图中实线部分表示植物叶肉细胞的光合作用和光呼吸等正常的生命活动过程，虚线部分表示为科学家通过基因工程所构建的新的光呼吸代谢支路。下列叙述错误的是( D )
A．酶Rubisco既能催化CO2的固定，又能催化C5与O2反应
B．光呼吸会消耗一部分C5，从而降低光合作用产量
C．新的光呼吸代谢支路，有利于植物积累有机物
D．在农业生产中，可通过给大棚通风的方式，提高农作物的光呼吸过程
解析：叶肉细胞中Rubisco既可催化CO2与C5反应生成C3，又可催化O2与C5生成C3与C2，A项正确；光呼吸中O2与C5结合生成C3与C2，使参与CO2固定的C5减少，导致光合作用产量降低，B项正确；新的光呼吸代谢支路将C2转化为叶绿体内的CO2，增大叶绿体中CO2浓度，有利于植物积累有机物，C项正确；在农业生产中，给大棚通风可加快大棚中的气体交换速率，增加大棚中的CO2浓度，降低O2浓度，可降低农作物的光呼吸，D项错误。
二、非选择题
9．植物叶肉细胞光合作用的光反应、暗反应、蔗糖与淀粉合成代谢途径如下图所示。图中叶绿体内膜上的磷酸转运器运出1分子三碳糖磷酸的同时运进1分子Pi(无机磷酸)。请回答下列问题：
(1)图甲中所表示的结构是____________。H＋的跨膜运输促进了E的形成，物质C表示________。物质C、E为F(3-磷酸甘油酸)转化为G(三碳糖磷酸)提供了___________________________________________。
(2)磷除了是光合作用相关产物的组成成分，还是叶绿体内____________(答出2类)的组成成分。
(3)图乙过程中，若蔗糖合成或输出受阻，则进入叶绿体的Pi数量________，从而导致了光反应中合成的______数量下降，卡尔文循环减速。此时过多的三碳糖磷酸将会用于____________，以维持卡尔文循环运行。
答案：(1)类囊体薄膜 NADPH 氢、磷酸基团和能量 (2)核酸、磷脂 (3)减少 ATP 合成淀粉
10．(2023·湖南选择考)如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(Km越小，酶对底物的亲和力越大)，该酶既可催化C5(RuBP)与CO2反应，进行卡尔文循环，又可催化C5(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酶对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2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3点即可)。
解析：(1)玉米的暗反应先在叶肉细胞中进行，在PEPC酶的催化下，PEP与CO2反应生成C4，C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2，再进行卡尔文循环，据此推理，并结合水稻的暗反应示意图，可知玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是3-磷酸甘油醛。在叶绿体内，其可用于淀粉等的合成，大部分运至叶绿体外，并转变成蔗糖。蔗糖通过筛管长距离运输到其他组织器官。(2)在干旱环境下，大部分气孔关闭，植物能吸收的CO2减少，与水稻叶肉细胞中的Rubisco酶相比，玉米叶肉细胞中的PEPC酶对CO2的Km小，亲和力大，玉米在较低浓度的CO2下仍能固定CO2进行光合作用；在高光照强度环境下，光反应较强，产生的O2较多，与玉米维管束鞘细胞相比(水光解的主要场所为叶肉细胞的叶绿体)，水稻叶肉细胞O2较多，易进行光呼吸，使暗反应减弱；与水稻叶肉细胞相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘，叶肉细胞中的PEP与CO2反应生成C4，C4进入维管束鞘细胞后释放CO2，使CO2得到浓缩，保障了暗反应的进行。(3)在光饱和条件下，水稻叶绿体的光反应强度不再增加，产生的ATP和NADPH不再增多，限制了C3的还原；水稻叶绿体内固定CO2的Rubisco酶的量有限；光合作用产生的有机物在叶绿体中积累较多，抑制了反应的进行。
答案：(1)3-磷酸甘油醛 蔗糖 筛管 (2)高于 玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比Rubisco酶高，能利用低浓度的CO2；玉米水光解主要在叶肉细胞进行，暗反应在维管束鞘细胞中进行，维管束鞘细胞中CO2/O2较高，提高了光合作用效率；玉米通过C3和C4在叶肉和维管束鞘细胞之间的循环，将CO2转运到维管束鞘细胞浓缩，维管束鞘细胞中CO2浓度较高 (3)NADPH和ATP的供应限制、固定CO2的Rubisco酶数量有限、原核生物和真核生物光合作用机制有所不同
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