第17讲 光合作用的影响因素及其应用
[课标要求]
1.探究不同环境因素对光合作用的影响。
2.关注光合作用与农业生产及生活的联系。
考点一 光照强度对光合作用强度的影响
1.光合作用强度
2.影响光合作用强度的因素
3.探究光照强度对光合作用强度的影响
(1)实验原理。
在光照下,绿色植物通过光合作用产生 。
(2)实验中变量分析。
自变量 不同
控制自变量 调节 进行控制
因变量
检测因变量 同一时间段内
对无关变量 进行控制 等保持一致
(3)实验流程:取材并处理→排气→沉水→分组→不同光照处理各组→观察并记录。
(4)实验结果:在一定范围内,台灯与烧杯的距离越近,单位时间内浮起的圆形小叶片
。
(5)实验结论:在一定范围内,随着光照强度不断增强,光合作用强度 。
1.判断正误
(1)(必修1 P105探究·实践)在探究光照强度对光合作用强度的影响实验中,NaHCO3浓度越高,叶片浮起来的速率就越快。( )
(2)(必修1 P105探究·实践)因为配制的NaHCO3溶液中不含O2,所以整个实验过程中叶圆片只能进行无氧呼吸。( )
(3)(必修1 P105旁栏思考)实验中测得的O2产生量是植物光合作用实际产生的总O2量。( )
2.规范表达
(1)在“探究光照强度对光合作用强度的影响”实验中叶片上浮的原因是什么
(2)在“探究光照强度对光合作用强度的影响”实验中,若改用普通灯泡(钨丝)作为光源,应注意什么 怎样改进
1.深度理解光照强度对光合作用的影响
(1)原理:光照强度影响光反应阶段,制约ATP及NADPH的产生,进而制约暗反应。
(2)曲线分析。
①关键点和段分析。
A点:光照强度为0,只进行细胞呼吸;AB段:光合作用强度小于细胞呼吸强度;B点:光补偿点(光合作用强度与细胞呼吸强度相等时的光照强度);BD段:光合作用强度大于细胞呼吸强度;C点:光饱和点(光照强度达到C点后,光合作用强度不再随着光照强度的增大而
增大)。
②不同植物类型区分。
实线的光补偿点和光饱和点都高,表示阳生植物,虚线表示阴生植物。
(3)应用。
①温室大棚阴天时补光可以提高光合速率。
②间作套种农作物等。
2.光补偿点与光饱和点的移动规律
当改变某一条件使光合作用强度改变时,点的移动情况如图所示。
能力1 结合光照强度对光合作用强度影响的实验分析,考查科学探究能力
1.为提高甘蔗产糖量,利用甘蔗幼苗探究光照强度对光合作用强度的影响,在适宜温度、大气CO2浓度下,测得甘蔗植株的O2释放速率随光照强度的变化(假设细胞呼吸消耗O2的速率恒定)如图所示。下列叙述正确的是( )
[A] 当光照强度相对值为0时,甘蔗叶肉细胞不能进行光反应,但能进行暗反应
[B] 当光照强度相对值>0时,限制O2释放速率的因素是温度
[C] 当光照强度相对值为5时,适当增加光照强度,短时间内细胞中C3的含量将减少
[D] 当光照强度相对值为1时,叶肉细胞中产生ATP的场所只有叶绿体和线粒体
2.某生物研究小组探究了影响某植物光合作用的因素,图1为研究光合作用的实验装置(叶圆片用气泵抽出气体直至叶片沉入水底),实验方案如下表,记录30 min内上浮叶圆片平均数。请回答下列问题。
组别 实验条件
温度/℃ 白炽灯/W
1 10 120
2 20 40
3 20 80
4 20
5 30 120
(1)为探究温度对光合作用的影响,应将第4组中的白炽灯控制为 W。
(2)可根据上述实验中 比较光合作用的强弱,原因是
。
(3)进一步按上述实验方案增加相应实验组后,发现随着光照强度不断增加,当达到某一光照强度时,30 min内叶圆片上浮片数就不再增加了,造成此现象的外界限制因素可能是
。
(4)将在适宜条件下测得的实验数据绘制成图2曲线。有人依据图2推测:“在BC段,提高温度,可以缩短叶圆片上浮的时间”。此推测是否合理 。简述理由:
。
能力2 围绕光合作用中的补偿点、饱和点的移动,考查科学思维
3.(2024·陕西咸阳模拟)如图表示植物光合作用速率随光照强度改变的曲线,请分析并选出错误的一项( )
[A] 若适当提高温度,光合速率的增加值小于呼吸速率的增加值,则补偿点B应相应地向右移动
[B] 若增加CO2浓度,B点左移,C点左移,D点向右上方移动
[C] D点时,ATP从类囊体薄膜向叶绿体基质移动
[D] 若图为阳生植物,则换为阴生植物,B点向左移动,D点向左下方移动
考点二 其他因素对光合作用强度的影响
1.影响光合作用的外部因素
(1)CO2浓度。
①原理:影响 反应阶段,制约 的形成。
②曲线模型分析及应用。
(2)温度。
①原理:通过影响 从而影响光合作用。
②曲线模型分析。
AB段 在B点之前,随着温度升高,光合速率增大
B点 酶的最适温度,光合速率最大
BC段 随着温度升高,酶的活性下降,光合速率减小,50 ℃左右光合速率几乎为零
③应用:温室栽培植物时,白天调到光合作用最适温度,以提高光合速率;晚上适当降低温室内温度,以降低细胞呼吸速率,保证植物积累更多的有机物。
(3)水分。
①原理:水既是光合作用的 ,又是体内各种化学反应的介质。缺水会影响 ,间接影响CO2的供应;严重缺水还可对酶、叶绿体结构等产生影响,进而影响光合作用。
②曲线模型分析及应用。
③在农业生产中,可根据作物的需水规律,合理灌溉。
(4)矿质元素。
①原理:N、Mg等是叶绿素合成必需的元素,N、P等是构成ATP、NADPH等必需的元素,N等是构成光合作用酶必需的元素,若这些元素缺乏会影响光合作用。
②曲线模型分析及应用。
2.影响光合作用的内部因素
(1)植物自身的遗传特性(如植物品种不同),以阴生植物、阳生植物为例,如图所示。
(2)植物叶片的叶龄、叶绿素含量及酶。
(3)叶面积指数。
1.判断正误
(1)(必修1 P105探究·实践)在“探究光照强度对光合作用强度的影响”中,增加光照强度或温度,都能明显缩短叶圆片上浮至液面所用的时间。( )
(2)(必修1 P105正文拓展)温室条件下,通过增施农家肥增产的原因是其可以提高作物对有机物的吸收。( )
(3)(必修1 P105正文拓展)适时进行灌溉可以缓解作物的“光合午休”程度。( )
(4)(必修1 P105正文拓展)生长于较弱光照条件下的植物,当提高CO2浓度时,其光合速率就随之增加。( )
2.规范表达
(1)(必修1 P105正文拓展)农业生产上一般可进行玉米—大豆间作,其原理是什么
(2)(必修1 P108复习与提高拓展)某植物光照下CO2的吸收速率为3.5 mg/h,黑暗下CO2的释放速率为3 mg/h,每天光照10 h,一昼夜后该植物能否生长
多因子对光合速率的影响
能力3 结合光合作用的影响因素,考查科学思维
4.(2024·贵州黔东南统考)在CO2浓度为0.03%和适宜的恒定温度条件下,测定植物甲和植物乙在不同光照条件下的光合速率,结果如图所示。下列分析正确的是( )
[A] a点时,甲开始进行光反应并产生O2
[B] b点时,乙叶肉细胞的光合速率等于其呼吸速率
[C] c点时,甲、乙通过光合作用制造的有机物量相等
[D] d点时提高CO2浓度,乙的光合速率可能会增大
5.(2024·北京模拟)西洋参受干旱胁迫,生长会受影响。检测西洋参在重度干旱条件下与光合作用相关的指标,结果如图所示。下列叙述正确的是( )
[A] CO2吸收速率随着干旱时间的延长而上升
[B] 干旱既影响光反应又影响暗反应
[C] 胞间CO2浓度仅受气孔导度影响
[D] 降低气孔导度不利于西洋参适应干旱环境
能力4 围绕光合作用原理在农业生产中的应用,考查社会责任
6.(2024·湖北黄冈模拟)细胞呼吸和光合作用的原理在农业生产中具有广泛的应用。下列有关叙述中,错误的是( )
[A] 中耕松土有利于根细胞的有氧呼吸,从而促进根细胞对无机盐的吸收
[B] 农作物生长发育过程中,及时去除衰老变黄的叶片有利于有机物的积累
[C] 合理密植和增施有机肥均有利于提高农作物的光合作用强度
[D] 温室种植农作物时,为促进光合作用,白天要适时通风,以保证O2供应
考点三 植物光合作用和细胞呼吸的日变化曲线分析
1.自然环境中绿色植物一昼夜内CO2的吸收与释放速率的曲线分析
光合作用强度的一昼夜变化过程中,限制光合作用的主要因素有光照强度和温度。
2.密闭环境中绿色植物一昼夜内CO2含量的变化曲线分析
分析光合作用或细胞呼吸速率的变化时,应分析曲线变化趋势的快慢,也就是斜率。
能力5 围绕密闭和开放环境中一昼夜CO2、O2含量变化的分析,考查科学思维
7.(2024·重庆模拟)七子花是我国国家二级保护野生植物。某植物研究所研究了6时到
18时七子花树冠不同层次的净光合速率(净光合速率=总光合速率-呼吸速率)的变化情况,结果如图所示。下列相关叙述中正确的是( )
[A] 从6时到8时,限制七子花树冠各层净光合速率的唯一环境因素是光照强度
[B] 在10时左右,七子花树冠各层叶片的叶绿体所需要的CO2都有两个来源
[C] 与清晨相比,晴朗的夏季午后七子花树冠上层叶片气孔的变化幅度小于下层
[D] 在10时,七子花树冠中、下层叶片产生ATP的场所都是细胞质基质和线粒体
8.(2022·湖南卷,13改编)在夏季晴朗无云的白天,10时左右某植物光合作用强度达到峰值,12时左右光合作用强度明显减弱。光合作用强度减弱的原因不可能是( )
[A] 叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少
[B] 光合酶活性降低,呼吸酶几乎不受影响
[C] 叶绿体内膜上的部分光合色素被光破坏,吸收和传递光能的效率降低
[D] 光反应产物积累,产生反馈抑制,叶片转化光能的能力下降
考向 从科学思维及科学探究的角度,考查影响光合作用的因素及应用
1.(2024·湖北卷,4)植物甲的花产量、品质(与叶黄素含量呈正相关)与光照长短密切相关。研究人员用不同光照处理植物甲幼苗,实验结果如下表所示。下列叙述正确的是( )
组别 ① ② ③
光照处理 光照8 h/ 黑暗16 h 光照12 h/ 黑暗12 h 光照16 h/ 黑暗8 h
首次开 花时间 7月4日 7月18日 7月26日
茎粗/mm 9.5 10.6 11.5
花的叶黄素 含量/(g/kg) 2.3 4.4 2.4
鲜花累计平均 产量/(kg/hm2) 13 000 21 800 22 500
[A] 第①组处理有利于诱导植物甲提前开花,且产量最高
[B] 植物甲花的品质与光照处理中的黑暗时长呈负相关
[C] 综合考虑花的产量和品质,应该选择第②组处理
[D] 植物甲花的叶黄素含量与花的产量呈正相关
2.(2022·海南卷,3)某小组为了探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,将四组等量菠菜叶圆片排气后,分别置于盛有等体积不同浓度NaHCO3溶液的烧杯中,从烧杯底部给予适宜光照,记录叶圆片上浮所需时长,结果如图。下列有关叙述正确的是( )
[A] 本实验中,温度、NaHCO3浓度和光照都属于自变量
[B] 叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率
[C] 四组实验中,0.5% NaHCO3溶液中叶圆片光合速率最高
[D] 若在4 ℃条件下进行本实验,则各组叶圆片上浮所需时长均会缩短
3.(2022·北京卷,2)光合作用强度受环境因素的影响。车前草的光合速率与叶片温度、CO2浓度的关系如图。据图分析不能得出( )
[A] 低于最适温度时,光合速率随温度升高而升高
[B] 在一定的范围内,CO2浓度升高可使光合作用最适温度升高
[C] CO2浓度为200 μL·L-1时,温度对光合速率影响小
[D] 10 ℃条件下,光合速率随CO2浓度的升高会持续提高
4.(2024·全国甲卷,29)在自然条件下,某植物叶片光合速率和呼吸速率随温度变化的趋势如图所示。回答下列问题。
(1)该植物叶片在温度a和c时的光合速率相等,叶片有机物积累速率 (填“相等”或“不相等”),原因是 。
(2)在温度d时,该植物体的干重会减少,原因是
。
(3)温度超过b时,该植物由于暗反应速率降低导致光合速率降低。暗反应速率降低的原因可能是 。(答出一点即可)
(4)通常情况下,为了最大程度地获得光合产物,农作物在温室栽培过程中,白天温室的温度应控制在 最大时的温度。
5.(2023·山东卷,21)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
。
热点情境5 光呼吸、光抑制和CO2固定的三条途径
一、光呼吸
[情境链接]
1.光呼吸的概念
植物的叶肉细胞在光下有一个与呼吸作用不同的生理过程,即在光照条件下,叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合RuBP(C5),O2与RuBP结合后经一系列反应释放CO2的过程,这种反应在光照下进行,与有氧呼吸类似,故称光呼吸。由于光呼吸过程中几种主要化合物如乙醇酸、乙醛酸、甘氨酸等都是二碳化合物,因此光呼吸也称C2循环。
2.光呼吸的过程
3.光呼吸的生理意义
(1)不利影响:光呼吸消耗掉暗反应的底物C5,导致光合作用减弱,农作物产量降低。
(2)有利影响:①消除乙醇酸对细胞的不利影响。乙醇酸对细胞有毒害作用,它的产生在代谢中是不可避免的。光呼吸是消除乙醇酸的代谢,使细胞免受伤害。②在干旱和高辐射胁迫下,叶片气孔关闭或外界CO2浓度降低、CO2进入受阻时,光呼吸释放的CO2能被卡尔文循环再利用,以维持糖类等有机物的合成。③防止强光对叶绿体的破坏。强光时,光反应速率大于暗反应速率,叶肉细胞中会积累ATP和NADPH,这些物质积累会产生自由基,自由基会损伤叶绿体;强光下,光呼吸加强,会消耗光反应过程中积累的ATP和NADPH,从而减轻对叶绿体的伤害。
[典型例题]
1.(2023·湖南卷,17节选)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①),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②。与水稻相比,玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘③,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似CO2④,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⑤,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)。
题号 题中信息 信息转换
(1) 图片信息 玉米和水稻的卡尔文循环相同→玉米直接的光合固定产物是3磷酸甘油酸,第一个光合还原产物是3磷酸甘油醛
(2) ③+(1)空 玉米的光合产物能及时转移
⑤ 干旱、高光照强度→部分气孔关闭,细胞内CO2浓度低
②+水稻 暗反应图 光呼吸的条件是光照、高O2低CO2
①+④+⑤ PEPC酶对CO2的亲和力高于Rubisco酶→玉米能利用低浓度的CO2进行光合作用
②+④+⑤+ 水稻和玉米 暗反应图 玉米维管束鞘内的CO2的相对浓度提高,能抑制玉米的光呼吸
[迁移应用]
1.(2024·山东潍坊一模)光呼吸是O2/CO2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
2.(2024·黑吉辽卷,21节选)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3;当CO2/O2比值低时,C5也能与O2反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶绿体与线粒体中主要物质变化如图1。
在叶绿体中:
C5+CO22C3 ①
C5+O2C3+C2 ②
在线粒体中:
2C2+NAD+C3+CO2+NADH+H+ ③
注:C2表示不同种类的二碳化合物,C3也类似。
图 1
光呼吸将已经同化的碳释放,且整体上是消耗能量的过程。回答下列问题。
(1)反应①是 过程。
(2)与光呼吸不同,以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是 和
。
(3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株(WT),得到转基因株系1和2,测定净光合速率,结果如图2、图3。图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外,还可来自 和 (填生理过程)。7—10时株
系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异,原因是
。
二、光抑制
[情境链接]
植物的光合系统所接受的光能超过光合作用所能利用的量时,光合功能便降低,这就是光合作用的光抑制。
1.光抑制机理
光合系统的破坏,PSⅡ是光破坏的主要场所。发生光破坏后的结果是电子传递受阻,光合效率下降。
2.光抑制的主要防御机制
(1)减少光吸收:植物体也可以通过叶运动(减少叶片与主茎的夹角)或叶绿体运动这种对强光的快速响应以减少对光的吸收,从而避免光抑制。
(2)增加热耗散:①当依赖能量的叶绿素荧光淬灭增加时,通过增加激发能的热耗散可以部分避免光抑制。降低光饱和条件下的PSⅡ的光化学效率,可以避免光抑制破坏的发生。②在强光下非光辐射能量耗散增加的同时,玉米黄素含量增加,玉米黄素与激发态的叶绿素作用,从而耗散其激发能,保护光合机构免受过量光能破坏。
(3)进行光呼吸:C3植物的光呼吸有很高的能量需求。光呼吸可以防止强光和CO2亏缺条件下发生光抑制。
[典型例题]
2.(2022·山东卷,21节选)强光条件下,植物吸收的光能若超过光合作用的利用量,过剩的光能可导致植物光合作用强度下降,出现光抑制现象①。为探索油菜素内酯(BR)对光抑制的影响机制,将长势相同的苹果幼苗进行分组和处理,如表所示②,其中试剂L可抑制光反应关键蛋白的合成。各组幼苗均在温度适宜、水分充足的条件下用强光照射③,实验结果如图所示。
分组 处理
甲 清水
乙 BR
丙 BR+L
(1)强光照射后短时间内,苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增加,但氧气的产生速率继续增加。苹果幼苗光合作用暗反应速率不再增加,可能的原因有 、
(答出2种原因即可);氧气的产生速率继续增加的原因是
。
(2)据图分析,与甲组相比,乙组加入BR后光抑制 (填“增强”或“减弱”);乙组与丙组相比,说明BR可能通过 发挥作用。
(1)信息获取与识别。
关键信息 信息加工
① 光照强度可以增加光合作用强度,也可降低光合作用强度
② 实验材料:苹果幼苗 自变量:对苹果幼苗的不同处理(BR和试剂L的有无) 因变量:光合作用强度
③ ⅰ.甲组:强光照射下,苹果幼苗出现光抑制 乙组:油菜素内酯(BR)可减弱幼苗的光抑制 丙组:BR和试剂L同时存在时,幼苗仍出现光抑制 ⅱ.BR可能通过促进光反应关键蛋白的合成来减弱光抑制现象
(2)逻辑推理论证。
[迁移应用]
3.(2024·广东六校联考)为探究光与低温复合胁迫对杨梅叶片净光合速率的影响,某研究团队利用盆栽杨梅的两个品种DK、TM进行实验;先将两品种盆栽杨梅分别均分为两组并分别在室外低温环境中进行全光照和遮阳50%处理3 d,随后放在20 ℃、适宜光照下进行3 d恢复处理,实验结果如图1所示。回答下列问题。
(1)据实验结果分析,更耐低温、光胁迫的品种是 。
(2)先在室外低温环境中处理,后经恢复处理的Pn值 (填“低于”或“高于”)对照组,请从叶绿体的结构和功能角度分析,原因可能是
(答2点即可)。
(3)光抑制是指植物所吸收的光能超过碳同化所能利用的范围,过剩的光能引起光合结构受损、光合作用效率下降的现象。上述实验遮阳50%有利于植株光合产物积累的原因是
。
(4)非光化学猝灭(NPQ)是植物防御光破坏的一种重要保护机制,它可以让过多的光能以热能的形式散失。
①推测NPQ值 (填“越大”或“越小”),植物降低光抑制的能力越强,抵抗逆境的能力越强。
②科研人员测定了室外环境自然光照条件下DK、TM两品种NPQ的日变化曲线,如图2所示。图中14 h后NPQ缓慢上升的原因是
。
三、CO2固定的三条途径(C3植物、C4植物和CAM植物)
[情境链接]
自然界中的绿色植物根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同可以分为C3、C4和CAM三种类型。
1.C3途径
也称卡尔文循环,整个循环由RuBP(C5)与CO2的羧化开始到RuBP(C5)再生结束,在叶绿体基质中进行,可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有大麦、小麦、大豆、菜豆、水稻、马铃薯等。
2.C4途径
(1)过程:在C4植物叶肉细胞中,在有关酶的催化作用下,CO2被三碳化合物(PEP)固定,形成一个四碳化合物(C4),C4进入维管束鞘细胞,释放出一个CO2,并形成丙酮酸。释放出来的CO2进入卡尔文循环。
(2)C4植物具有较高光合速率的原因。
PEP羧化酶提高了C4植物固定CO2的能力,使C4植物比C3植物具有更强光合作用(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)能力,并且无“光合午休”现象。
3.CAM途径
CAM植物夜间吸进CO2,淀粉经糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下,CO2与PEP结合,生成草酰乙酸,进一步还原为苹果酸储存在液泡中。从而表现出夜间淀粉减少,苹果酸增加,细胞液pH下降。而白天气孔关闭,苹果酸转移到细胞质中脱羧,放出CO2,进入C3途径合成淀粉;形成的丙酮酸可以形成PEP再还原成三碳糖,最后合成淀粉或转移到线粒体,进一步氧化释放CO2,又可进入C3途径。从而表现出白天淀粉增加,苹果酸减少,细胞液pH上升。常见的CAM植物有菠萝、芦荟、百合、仙人
掌等。
[典型例题]
3.(2022·全国甲卷,29)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①。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。CO2补偿点通常是指环境CO2浓度降低导致光合速率与呼吸速率相等时的环境CO2浓度②。回答下列问题。
(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反应阶段的产物是相同的,光反应阶段的产物是 (答出3点即可)。
(2)正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位,原因是
(答出1点即可)。
(3)干旱会导致气孔开度减小,研究发现在同等程度干旱条件下,C4植物比C3植物生长得好。从两种植物CO2补偿点的角度分析,可能的原因是
。
(1)信息获取与识别。
关键信息 信息加工
① C3植物CO2的固定方式是C3途径; C4植物CO2的固定方式是C4途径和C3途径
② C4植物可以利用较低浓度的CO2进行较强的光合作用,保证光合速率等于呼吸速率
(2)逻辑推理论证。
4.(2021·全国乙卷,29)生活在干旱地区的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2,吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中;白天气孔关闭,液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用①。回答下列问题。
(1)白天叶肉细胞产生ATP的场所有 。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和 释放的CO2。
(2)气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式,这种方式既能防止
, 又能保证 正常进行。
(3)若以pH作为检测指标,请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。(简要写出实验思路和预期结果)
(1)信息获取与识别。
信息获取 信息加工
① a.气孔开闭特殊:白天关闭,晚上开放; b.获取CO2的方式特殊:吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中;液泡中储存的苹果酸再通过脱羧释放CO2用于光合作用
(2)逻辑推理论证。
(3)科学探究。
实验任务:设计实验验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式(CO2通过生成苹果酸储存在液泡中)。
实验材料:选取植物甲。
自变量:生存环境是否干旱。
因变量:晚上液泡内的pH。
实验思路:见答案。
[迁移应用]
4.(2024·河南名校联考)甘蔗、玉米等一些植物的叶片具有特殊的结构,其叶肉细胞中的叶绿体有基粒,而维管束鞘细胞中的叶绿体不含基粒。维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2,并转移到维管束鞘细胞中释放,参与光合作用的暗反应,其主要过程如图所示。请结合这些内容判断,下列说法错误的是( )
[A] 维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应,但能进行暗反应
[B] 维管束鞘细胞中暗反应过程不需要ATP和NADPH
[C] PEP羧化酶对环境中较低浓度的CO2具有富集作用
[D] 甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能,使其更适应高温、干旱环境
5.(2021·辽宁卷,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浓度约为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HC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HC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,部分过程见图2。在叶肉细胞中,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可将HC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HC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
第17讲 光合作用的影响因素及其应用
考点一 光照强度对光合作用强度的影响
必备知识·梳理
1.糖类 消耗量 生成量
2.酶 温度
3.(1)O2 (2)光照强度 光源与烧杯的距离 光合作用强度
叶片浮起的数量 叶片大小、溶液的量 (4)越多 (5)增强
深挖教材
1.(1)× 当NaHCO3溶液浓度过高时,植物细胞失水,细胞代谢减慢,光合作用速率会降低。
(2)× 虽然配制的NaHCO3溶液中不含O2,但叶圆片本身可进行光合作用产生O2,所以整个实验过程中叶圆片进行有氧呼吸。
(3)× 实验中测得的O2产生量是净光合作用产生的O2量,而植物光合作用实际产生的总O2量是总光合作用产生的O2量。
2.(1)光合作用产生的O2大于有氧呼吸消耗的O2,使叶肉细胞间隙充满了气体,浮力增大,叶片上浮。
(2)若改用普通灯泡作为光源应注意灯泡发热造成的温度变化对实验的影响。应在灯泡和光源之间加一玻璃水柱进行隔温处理。
关键能力·提升
能力1
1.C 当光照强度相对值为0时,甘蔗叶肉细胞不能进行光反应,也不能进行暗反应;该实验是在适宜温度下进行的,因此限制O2释放速率的因素不是温度;当光照强度相对值为5时,适当增加光照强度,光反应产生的ATP和NADPH增加,C3的还原增强,短时间内C3的消耗增加,合成暂时不变,则C3的含量将减少;当光照强度相对值为1时,植物叶肉细胞进行细胞呼吸和光合作用,叶肉细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体。
2.【答案】 (1)120 (2)30 min内上浮叶圆片平均数 植物光合作用的光反应阶段产生的氧气会积累在细胞间隙,产生氧气多的叶圆片上升快 (3)温度或CO2浓度 (4)不合理 在适宜条件下,提高温度重复实验,光合速率变慢,叶圆片上浮至液面所需的时间延长
【解析】 (1)探究温度对光合作用的影响时,温度为自变量,光照强度为无关变量,应保持相同,根据第1组和第5组可知,第4组中的白炽灯应控制为120 W。(2)因为植物光合作用的光反应阶段产生的氧气会积累在细胞间隙,产生氧气多的叶圆片上升快,所以可根据
30 min内上浮叶圆片平均数比较光合作用的强弱。(3)当光照强度达到饱和时,限制光合作用的外界因素不再是光照强度,可能是温度或CO2浓度。(4)图2曲线是在适宜条件下得到的,提高温度重复实验,光合速率变慢,叶圆片上浮至液面所需的时间延长。
能力2
3.B B点为光补偿点,此时光合作用强度与呼吸作用强度相等,若适当提高温度,光合速率的增加值小于呼吸速率的增加值,则补偿点B应相应地向右移动;若增加CO2浓度,则光合作用强度增加,B点左移,C点右移,D点向右上方移动;D点时的光合作用强度最大,其光反应产生的ATP从类囊体薄膜移向叶绿体基质,参与暗反应过程中三碳化合物的还原;阴生植物的光补偿点和光饱和点均低于阳生植物,因此换为阴生植物,则B点向左移动,D点向左下方移动。
考点二 其他因素对光合作用强度的影响
必备知识·梳理
1.(1)①暗 C3 ②CO2补偿点 CO2饱和点 (2)①酶活性
(3)①原料 气孔的开度 (4)②光合作用
2.(2)增大 (3)下降
深挖教材
1.(1)× 温度过高叶圆片上浮至液面所用的时间会延长。
(2)× 温室条件下,通过增施农家肥可以提高作物对无机盐和CO2的吸收,作物不能直接吸收有机物。
(3)√
(4)× 在较弱光照条件下,叶绿体中光反应产生的ATP和NADPH较少,即使CO2浓度升高,光合速率可能也不随之增加,此时限制光合作用的因素是光照强度。
2.(1)①两种植物的根系深浅搭配,合理地利用了不同层次土壤内水分和养分。②两种植物高矮结合,充分利用了不同层次的阳光。
(2)光合作用制造的有机物=(3.5+3)×10=65(mg),呼吸作用消耗的有机物=3×24=72(mg),因此一昼夜后该植物无法生长。
关键能力·提升
能力3
4.D a点时,甲的光合速率和呼吸速率相等,表示在a点前已经开始进行光合作用;b点时的光照强度为乙的光补偿点,此时乙的光合速率等于呼吸速率,但叶肉细胞的光合速率大于呼吸速率;c点时,甲、乙的净光合速率相等,但呼吸速率不同,因此二者的总光合速率不相等,通过光合作用制造的有机物量不相等;该实验是在CO2浓度为0.03%的条件下进行的,d点时,若提高CO2浓度,乙的最大光合速率可能会增大。
5.B 据题图分析可知,随着干旱时间的延长,CO2吸收速率先下降后又小幅度上升,然后再下降;干旱条件下土壤含水量降低,植物根系吸收的水分减少,光反应减慢,NADPH和ATP的合成减慢,进而导致C3的还原减慢,而且缺水还会导致植物叶片气孔导度下降,CO2的吸收量减少,影响暗反应中CO2的固定过程;胞间CO2浓度除了受气孔导度影响,还受自身暗反应速率的影响;降低气孔导度可以在一定程度上减少水分的散失,有利于西洋参适应干旱环境。
能力4
6.D 中耕松土可以增加土壤中的空气含量,有助于植物根细胞的有氧呼吸,从而促进根细胞对无机盐的吸收;农作物生长发育过程中,及时去除衰老变黄的叶片(光合速率较低),可以减少有机物的消耗,有利于有机物的积累;合理密植可有效利用光能并降低呼吸消耗,增施有机肥增加CO2和无机盐供应,可见二者均有利于提高农作物的光合作用强度;温室种植农作物时,为促进光合作用,白天要适时通风,以保证CO2供应。
考点三 植物光合作用和细胞
呼吸的日变化曲线分析
必备知识·梳理
1.光合作用 小于 等于 大于 小于 呼吸作用 S1-(S2+S3)
2.呼吸作用 小于 等于 大于 等于 小于 大于 能 不能
关键能力·提升
能力5
7.B 据题图分析,从6时到8时,限制七子花树冠各层净光合速率的主要环境因素是光照强度,此外还有温度等;在10时左右,七子花树冠各层叶片的叶绿体所需要的CO2都有两个来源,即空气中的CO2和呼吸作用产生的CO2;与清晨相比,晴朗的夏季午后七子花树冠上层叶片气孔关闭,其气孔的变化幅度大于下层;在10时,七子花树冠中、下层叶片都可以进行光合作用与呼吸作用,所以产生ATP的场所都是细胞质基质、线粒体和叶绿体。
8.C 夏季中午叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少,暗反应变慢,光合作用强度明显减弱;夏季中午气温过高,导致光合酶活性降低,呼吸酶不受影响(呼吸酶最适温度高于光合酶),光合作用强度减弱;光合色素分布在叶绿体的类囊体薄膜上而非叶绿体内膜上;夏季中午叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少,暗反应减慢,导致光反应产物积累,产生反馈抑制,使叶片转化光能的能力下降,光合作用强度明显减弱。
研练真题·感悟高考
考向
1.C 由表中数据分析可知,三组中,第①组首次开花时间最早,说明第①组处理有利于诱导植物甲提前开花,但在三组中产量最低;由题干信息可知,植物甲的花品质与叶黄素含量呈正相关,根据表格数据分析,第①组光照处理中的黑暗时长最长,花的叶黄素含量最低,而第③组光照处理中的黑暗时长最短,但花的叶黄素含量却不是最高的,说明植物甲花的品质与光照处理中的黑暗时长不是呈负相关;由表中信息可知,第②组光照处理,花的叶黄素含量最高,植物甲的花品质最好,且鲜花累计平均产量较高,综合考虑花的产量和品质,应该选择第②组处理;由表中数据分析可知,第②组光照处理,花的叶黄素含量最高,但鲜花累计平均产量却不是最高,说明植物甲花的产量不是最高,所以植物甲花的叶黄素含量与花的产量不是呈正相关。
2.B 由实验目的可知,自变量为NaHCO3浓度,温度和光照均为无关变量;实验中所用的菠菜叶圆片已进行排气处理,叶圆片上浮主要是因为其进行光合作用释放了氧气,且光合作用释放氧气的速率越大,叶圆片上浮所需时间越短;四组实验中,0.5%的NaHCO3溶液中叶圆片上浮所需时间最长,说明其光合速率最低;实验是在适宜温度下进行的,若降低温度,光合速率减慢,叶圆片上浮所需时间会延长。
3.D 由题图可知,当CO2浓度一定时,光合速率会随着温度的升高而升高,达到最适温度时,光合速率达到最大值,之后随着温度的继续升高而降低;由题图可知,CO2浓度分别为200 μL·L-1、370 μL·L-1和1 000 μL·L-1时,光合作用的最适温度逐渐升高,可推测在一定范围内,CO2浓度的升高会使光合作用最适温度升高;由题图可知,当CO2浓度为200 μL·L-1时,光合速率随温度变化而变化的幅度最小,可推断该CO2浓度下,温度对光合速率的影响小;题图中10 ℃条件下,CO2浓度为370 μL·L-1或1 000 μL·L-1时,光合速率无明显的提高趋势,所以不能表明10 ℃条件下,光合速率随CO2浓度的升高会持续提高。
4.【答案】 (1)不相等 有机物的积累速率可用净光合速率表示,净光合速率=光合速率-呼吸速率,而温度a和c时的呼吸速率不相等,因此叶片在温度a和c时净光合速率不相等,有机物积累速率不相等
(2)温度d时,叶片的光合速率与呼吸速率相等,但植物的根部等细胞不进行光合作用,仍呼吸消耗有机物,导致植物体的干重减少
(3)温度过高,导致部分气孔关闭,CO2供应不足(或温度过高,导致酶的活性降低)
(4)光合速率和呼吸速率差值
【解析】 (1)该植物叶片在温度a和c时的光合速率相等,但由于呼吸速率不同,因此叶片有机物积累速率不相等。(2)在温度d时,叶片的光合速率与呼吸速率相等,但由于植物有些细胞不进行光合作用,如根部细胞,因此该植物体的干重会减少。(3)温度超过b时,为了降低蒸腾作用,部分气孔关闭,使CO2供应不足,暗反应速率降低;同时温度升高使酶的活性降低,导致CO2固定速率减慢,进而使暗反应速率降低。(4)为了最大程度地获得光合产物,农作物在温室栽培过程中,白天温室的温度应控制在光合速率与呼吸速率差值最大时的温度,有利于有机物的积累。
5.【答案】 (1)光照、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系统光损伤大但能修复
(3)少 突变体NPQ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
【解析】 (1)据题意,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,结合题图分析实验的自变量有光照、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)据图分析,强光照射下突变体的NPQ强度比野生型的NPQ强度高,能减少强光对PSⅡ复合体造成损伤。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)突变体的NPQ强度大,能够减少强光对PSⅡ的损伤,虽然PSⅡ损伤不能修复,但突变体的PSⅡ活性高,能为暗反应提供较多的NADPH和ATP,促进暗反应进行,因此突变体的暗反应强度高于野生型。
热点情境5 光呼吸、光抑制和CO2
固定的三条途径
【典型例题】
1.【答案】 (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酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高;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
【解析】 (1)玉米的光合作用过程与水稻相比,虽然CO2的固定过程不同,但其卡尔文循环的过程是相同的,结合水稻的卡尔文循环图解,可以看出CO2固定的直接产物是3磷酸甘油酸,然后直接被还原成3磷酸甘油醛。3磷酸甘油醛在叶绿体中被转化成淀粉,在叶绿体外被转化成蔗糖,蔗糖是植物长距离运输的主要糖类,蔗糖通过维管组织进行长距离运输。(2)干旱、高光照强度时会导致植物气孔关闭,吸收的CO2减少,而玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高;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,且玉米能将叶绿体内的光合产物通过维管组织及时转移出细胞,因此在干旱、高光照强度环境下,玉米的光合作用强度高于水稻。
【迁移应用】
1.D 在环境中CO2不足时,植物通过光呼吸产生CO2,供暗反应正常进行;光合作用的光反应强于暗反应时,O2/CO2偏高,产生过多的NADPH和ATP,光呼吸容易进行;从过程图看出光呼吸过程消耗了C5、ATP,不产生ATP;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。
2.【答案】 (1)CO2的固定
(2)细胞质基质 线粒体基质
(3)光呼吸 有氧呼吸 7—10时,随着光照强度的增加,CO2/O2比值降低,株系1和2由于转入了改变光呼吸的相关基因,导致光呼吸速率降低,而光呼吸会将已同化的碳释放,并消耗能量
【解析】 (1)在光合作用的暗反应过程中,CO2在特定酶的作用下,与C5结合形成两个C3,这个过程称作CO2的固定,故反应①是CO2的固定过程。(2)有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和NADH,合成少量ATP,场所是细胞质基质;第二阶段是丙酮酸和水反应生成二氧化碳和NADH,合成少量ATP,场所是线粒体基质。(3)由图1可知,在线粒体中进行光呼吸的过程中,也会产生二氧化碳,因此植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外,还可来自光呼吸、有氧呼吸。7—10时,随着光照强度的增加,株系1和2由于转入了改变光呼吸的相关基因,导致光呼吸速率降低,光呼吸将已经同化的碳释放,消耗能量,因此与WT相比,株系1和2的净光合速率较高。
[典型例题]
2.【答案】 (1)C5供应不足 CO2的浓度有限(或其他合理答案,两空答案顺序可颠倒) 光能的吸收速率继续增加,使水的光解速率继续增加
(2)减弱 促进光反应关键蛋白的合成
【解析】 (1)强光照射后短时间内,苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增加,可能的原因有C5供应不足、CO2浓度有限等;氧气的产生速率继续增加的原因是光能的吸收速率继续增加,使水的光解速率继续增加。(2)据图分析,与甲组相比,乙组加入BR后光合作用强度较高,说明加入BR后光抑制减弱;乙组用BR处理,丙组用BR和试剂L处理,与乙组相比,丙组光合作用强度较低,由于试剂L可抑制光反应关键蛋白的合成,说明BR可能通过促进光反应关键蛋白的合成发挥作用。
【迁移应用】
3.【答案】 (1)TM
(2)低于 前期的低温胁迫破坏了类囊体膜的结构;前期的低温胁迫破坏了叶绿素等分子的结构
(3)遮阳50%能有效降低光照,植株吸收的光能减少,光抑制减弱,有利于光合产物的积累
(4)①越大 ②14 h后,温度逐渐降低,酶活性下降,光能用于光合作用的比例下降,NPQ出现缓慢上升
【解析】 (1)与全光照组相比,全光照恢复组净光合速率都增大,且TM品种的净光合速率大于DK品种;与遮阳50%组相比,遮阳50%恢复组净光合速率都增大,且TM品种的净光合速率大于DK品种,说明TM品种更耐低温、光胁迫。(2)据题图可知,先在室外低温环境中处理,后经恢复处理组的Pn值低于对照组,可能原因有:前期的低温胁迫破坏了类囊体膜的结构、前期的低温胁迫破坏了叶绿素等分子的结构等。(3)遮阳50%能有效降低光照,植株吸收的光能减少,光抑制减弱,有利于光合产物的积累。(4)①结合第(3)小题信息可知,NPQ值越大,植物降低光抑制的能力越强,抵抗逆境的能力越强。②在室外环境条件下,14 h后温度逐渐降低,酶活性下降,光能用于光合作用的比例下降,NPQ出现缓慢上升。
【典型例题】
3.【答案】 (1)O2、NADPH和ATP
(2)叶片的光合产物一部分被自身呼吸消耗,一部分用来建造植物体结构,此外才被输送到植物体的其他部位
(3)C4植物的CO2补偿点低于C3植物,C4植物能够利用较低浓度的CO2
【解析】 (1)光合作用光反应阶段的场所是叶绿体的类囊体膜,光反应发生的物质变化包括水的光解以及ATP的形成,因此光合作用光反应阶段生成的产物有O2、NADPH和ATP。(2)叶片的光合作用产物一部分用来建造植物体结构,一部分被自身呼吸消耗,此外才被输送到植物体的其他部位。故正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位。(3)C4植物的CO2固定途径有C4和C3途径,其主要的CO2固定酶是PEPC、Rubisco;而C3植物只有C3途径,其主要的CO2固定酶是Rubisco。干旱会导致气孔开度减小,叶片气孔关闭,CO2吸收减少;由于C4植物的CO2补偿点低于C3植物,则C4植物能够利用较低浓度的CO2,因此光合作用受影响较小的植物是C4植物,C4植物比C3植物生长得好。
4.【答案】 (1)细胞质基质、线粒体(线粒体基质和线粒体内膜)、叶绿体类囊体薄膜 细胞呼吸(或呼吸作用)
(2)蒸腾作用过强导致水分散失过多 光合作用
(3)实验思路:取生长状态相同的植物甲若干株随机均分为A、B两组;A组在(湿度适宜的)正常环境中培养,B组在干旱环境中培养,其他条件相同且适宜,一段时间后,分别检测两组植株夜晚同一时间液泡中的pH,并求平均值。
预期结果:A组pH平均值高于B组。
【解析】 (1)白天有光照,叶肉细胞能利用液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2进行光合作用,也能利用光合作用产生的氧气和有机物进行有氧呼吸,光合作用光反应阶段能将光能转化为化学能储存在ATP中,有氧呼吸三阶段都能释放能量合成ATP,因此叶肉细胞能产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体(线粒体基质和线粒体内膜)、叶绿体的类囊体薄膜。光合作用为有氧呼吸提供有机物和氧气,反之,细胞呼吸(呼吸作用)产生的CO2也能用于光合作用暗反应,故光合作用所需的CO2可来源于苹果酸脱羧和细胞呼吸(或呼吸作用)释放的CO2。(2)由于环境干旱,植物吸收的水分较少,为了维持机体的平衡,适应这一环境,气孔白天关闭能防止因温度较高蒸腾作用较强导致的植物体水分散失过多,晚上气孔打开吸收CO2储存固定以保证光合作用等生命活动的正常进行。(3)该实验自变量是植物甲所处的生存环境是否干旱,由于夜间气孔打开吸收CO2,生成苹果酸储存在液泡中,导致液泡pH降低,故可通过检测液泡的pH验证植物甲存在该特殊方式,即因变量检测指标是晚上液泡中的pH。实验思路及预期结果见答案。
【迁移应用】
4.B 光反应的场所是叶绿体的类囊体薄膜,基粒是由类囊体堆叠而成的,维管束鞘细胞的叶绿体没有基粒,所以维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应,叶肉细胞固定的CO2转移到维管束鞘细胞中释放,参与光合作用的暗反应;维管束鞘细胞中的暗反应过程需要光反应提供的ATP和NADPH;由题图可知,PEP羧化酶可富集环境中较低浓度的CO2,C3与低浓度的CO2生成C4;甘蔗、玉米等一些植物的维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2,并转移到维管束鞘细胞中释放,高温、干旱时植物会关闭部分气孔,甘蔗、玉米等在外界CO2供应不足时,C4能分解产生CO2继续供暗反应正常进行,故甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能,使其更适应高温、干旱环境。
5.【答案】 (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)AC
【解析】(2)由图1可知,HC运输需要消耗ATP,说明HC是通过主动运输进入叶绿体的,主动运输是逆浓度运输,由此推断图1中HC浓度最高的场所是叶绿体。该过程细胞质中需要的ATP由细胞呼吸提供,叶绿体中的ATP由光合作用提供。(3)①PEPC参与催化HC与PEP形成OAA的过程,说明PEPC与无机碳的亲和力高于Rubisco。②图2所示的物质中,可由光合作用光反应提供的是ATP和NADPH,图2中由Pyr转变为PEP的过程需要消耗ATP,说明图2中由Pyr转变为PEP的过程属于吸能反应。(4)改造植物的PEPC基因,抑制OAA的合成,不利于最终CO2的生成,不能提高植物光合作用的效率;CO2浓缩机制涉及多个相关基因,利用转基因技术将多个基因转入不具备此机制的植物,几乎无法提高植物光合作用的效率,该思路不可取。(共179张PPT)
第17讲
光合作用的影响因素及其应用
[课标要求]
1.探究不同环境因素对光合作用的影响。
2.关注光合作用与农业生产及生活的联系。
光照强度对光合作用强度的影响
考点一
1.光合作用强度
糖类
消耗量
生成量
2.影响光合作用强度的因素
酶
温度
3.探究光照强度对光合作用强度的影响
(1)实验原理。
在光照下,绿色植物通过光合作用产生 。
O2
(2)实验中变量分析。
自变量 不同
控制自变量 调节 进行控制
因变量
检测因变量 同一时间段内
对无关变量 进行控制 等保持一致
光照强度
光源与烧杯的距离
光合作用强度
叶片浮起的数量
叶片大小、溶液的量
(3)实验流程:取材并处理→排气→沉水→分组→不同光照处理各组→观察并记录。
(4)实验结果:在一定范围内,台灯与烧杯的距离越近,单位时间内浮起的圆形小叶片 。
(5)实验结论:在一定范围内,随着光照强度不断增强,光合作用强度 。
越多
增强
深挖教材
1.判断正误
(1)(必修1 P105探究·实践)在探究光照强度对光合作用强度的影响实验中,
NaHCO3浓度越高,叶片浮起来的速率就越快。( )
×
【提示】 当NaHCO3溶液浓度过高时,植物细胞失水,细胞代谢减慢,光合作用速率会降低。
(2)(必修1 P105探究·实践)因为配制的NaHCO3溶液中不含O2,所以整个实验过程中叶圆片只能进行无氧呼吸。( )
×
【提示】 虽然配制的NaHCO3溶液中不含O2,但叶圆片本身可进行光合作用产生O2,所以整个实验过程中叶圆片进行有氧呼吸。
(3)(必修1 P105旁栏思考)实验中测得的O2产生量是植物光合作用实际产生的总O2量。( )
×
【提示】 实验中测得的O2产生量是净光合作用产生的O2量,而植物光合作用实际产生的总O2量是总光合作用产生的O2量。
2.规范表达
(1)在“探究光照强度对光合作用强度的影响”实验中叶片上浮的原因是什么
【提示】 光合作用产生的O2大于有氧呼吸消耗的O2,使叶肉细胞间隙充满了气体,浮力增大,叶片上浮。
(2)在“探究光照强度对光合作用强度的影响”实验中,若改用普通灯泡(钨丝)作为光源,应注意什么 怎样改进
【提示】 若改用普通灯泡作为光源应注意灯泡发热造成的温度变化对实验的影响。应在灯泡和光源之间加一玻璃水柱进行隔温处理。
1.深度理解光照强度对光合作用的影响
(1)原理:光照强度影响光反应阶段,制约ATP及NADPH的产生,进而制约暗反应。
(2)曲线分析。
①关键点和段分析。
A点:光照强度为0,只进行细胞呼吸;AB段:光合作用强度小于细胞呼吸强度;
B点:光补偿点(光合作用强度与细胞呼吸强度相等时的光照强度);BD段:光合作用强度大于细胞呼吸强度;C点:光饱和点(光照强度达到C点后,光合作用强度不再随着光照强度的增大而增大)。
②不同植物类型区分。
实线的光补偿点和光饱和点都高,表示阳生植物,虚线表示阴生植物。
(3)应用。
①温室大棚阴天时补光可以提高光合速率。
②间作套种农作物等。
2.光补偿点与光饱和点的移动规律
当改变某一条件使光合作用强度改变时,点的移动情况如图所示。
能力1 结合光照强度对光合作用强度影响的实验分析,考查科学探究能力
1.为提高甘蔗产糖量,利用甘蔗幼苗探究光照强度对光合作用强度的影响,在适宜温度、大气CO2浓度下,测得甘蔗植株的O2释放速率随光照强度的变化(假设细胞呼吸消耗O2的速率恒定)如图所示。下列叙述正确的是( )
[A] 当光照强度相对值为0时,甘蔗叶肉细胞不能进行光反应,但能进行暗反应
[B] 当光照强度相对值>0时,限制O2释放速率的因素是温度
[C] 当光照强度相对值为5时,适当增加光照强度,短时间内细胞中C3的含量将减少
[D] 当光照强度相对值为1时,叶肉细胞中产生ATP的场所只有叶绿体和线粒体
C
【解析】 当光照强度相对值为0时,甘蔗叶肉细胞不能进行光反应,也不能进行暗反应;该实验是在适宜温度下进行的,因此限制O2释放速率的因素不是温度;当光照强度相对值为5时,适当增加光照强度,光反应产生的ATP和NADPH增加,C3的还原增强,短时间内C3的消耗增加,合成暂时不变,则C3的含量将减少;当光照强度相对值为1时,植物叶肉细胞进行细胞呼吸和光合作用,叶肉细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体。
2.某生物研究小组探究了影响某植物光合作用的因素,图1为研究光合作用的实验装置(叶圆片用气泵抽出气体直至叶片沉入水底),实验方案如下表,记录30 min内上浮叶圆片平均数。请回答下列问题。
组别 实验条件
温度/℃ 白炽灯/W
1 10 120
2 20 40
3 20 80
4 20
5 30 120
(1)为探究温度对光合作用的影响,应将第4组中的白炽灯控制为 W。
120
【解析】 (1)探究温度对光合作用的影响时,温度为自变量,光照强度为无关变量,应保持相同,根据第1组和第5组可知,第4组中的白炽灯应控制为120 W。
(2)可根据上述实验中 比较光合作用的强弱,原因是
。
30 min内上浮叶圆片平均数
植物光合作用的光反应阶段产生的氧气会积累在细胞间隙,产生氧
气多的叶圆片上升快
【解析】 (2)因为植物光合作用的光反应阶段产生的氧气会积累在细胞间隙,产生氧气多的叶圆片上升快,所以可根据30 min内上浮叶圆片平均数比较光合作用的强弱。
(3)进一步按上述实验方案增加相应实验组后,发现随着光照强度不断增加,当达到某一光照强度时,30 min内叶圆片上浮片数就不再增加了,造成此现象的外界限制因素可能是 。
温度或CO2浓度
【解析】 (3)当光照强度达到饱和时,限制光合作用的外界因素不再是光照强度,可能是温度或CO2浓度。
(4)将在适宜条件下测得的实验数据绘制成图2曲线。有人依据图2推测:“在BC段,提高温度,可以缩短叶圆片上浮的时间”。此推测是否合理 。简述理由:
。
不合理
在适宜条件下,提高温度重复实验,光合速率变慢,叶圆片上浮至
液面所需的时间延长
【解析】 (4)图2曲线是在适宜条件下得到的,提高温度重复实验,光合速率变慢,叶圆片上浮至液面所需的时间延长。
能力2 围绕光合作用中的补偿点、饱和点的移动,考查科学思维
3.(2024·陕西咸阳模拟)如图表示植物光合作用速率随光照强度改变的曲线,请分析并选出错误的一项( )
[A] 若适当提高温度,光合速率的增加值小于呼吸速率的增加值,则补偿点B应相应地向右移动
[B] 若增加CO2浓度,B点左移,C点左移,D点向右上方移动
[C] D点时,ATP从类囊体薄膜向叶绿体基质移动
[D] 若图为阳生植物,则换为阴生植物,B点向左移动,D点向左下方移动
B
【解析】 B点为光补偿点,此时光合作用强度与呼吸作用强度相等,若适当提高温度,光合速率的增加值小于呼吸速率的增加值,则补偿点B应相应地向右移动;若增加CO2浓度,则光合作用强度增加,B点左移,C点右移,D点向右上方移动;D点时的光合作用强度最大,其光反应产生的ATP从类囊体薄膜移向叶绿体基质,参与暗反应过程中三碳化合物的还原;阴生植物的光补偿点和光饱和点均低于阳生植物,因此换为阴生植物,则B点向左移动,D点向左下方移动。
考点二
其他因素对光合作用强度的影响
1.影响光合作用的外部因素
(1)CO2浓度。
①原理:影响 反应阶段,制约 的形成。
暗
C3
②曲线模型分析及应用。
CO2补偿点
CO2饱和点
(2)温度。
①原理:通过影响 从而影响光合作用。
②曲线模型分析。
AB段 在B点之前,随着温度升高,光合速率增大
B点 酶的最适温度,光合速率最大
BC段 随着温度升高,酶的活性下降,光合速率减小,50 ℃左右光合速率几乎为零
酶活性
③应用:温室栽培植物时,白天调到光合作用最适温度,以提高光合速率;晚上适当降低温室内温度,以降低细胞呼吸速率,保证植物积累更多的有机物。
(3)水分。
①原理:水既是光合作用的 ,又是体内各种化学反应的介质。缺水会影响 ,间接影响CO2的供应;严重缺水还可对酶、叶绿体结构等产生影响,进而影响光合作用。
原料
气孔的开度
②曲线模型分析及应用。
③在农业生产中,可根据作物的需水规律,合理灌溉。
(4)矿质元素。
①原理:N、Mg等是叶绿素合成必需的元素,N、P等是构成ATP、NADPH等必需的元素,N等是构成光合作用酶必需的元素,若这些元素缺乏会影响光合作用。
②曲线模型分析及应用。
光合作用
2.影响光合作用的内部因素
(1)植物自身的遗传特性(如植物品种不同),以阴生植物、阳生植物为例,如图所示。
(2)植物叶片的叶龄、叶绿素含量及酶。
增大
(3)叶面积指数。
下降
深挖教材
1.判断正误
(1)(必修1 P105探究·实践)在“探究光照强度对光合作用强度的影响”中,增加光照强度或温度,都能明显缩短叶圆片上浮至液面所用的时间。( )
×
【提示】 温度过高叶圆片上浮至液面所用的时间会延长。
(2)(必修1 P105正文拓展)温室条件下,通过增施农家肥增产的原因是其可以提高作物对有机物的吸收。( )
×
【提示】 温室条件下,通过增施农家肥可以提高作物对无机盐和CO2的吸收,作物不能直接吸收有机物。
(3)(必修1 P105正文拓展)适时进行灌溉可以缓解作物的“光合午休”程度。
( )
√
(4)(必修1 P105正文拓展)生长于较弱光照条件下的植物,当提高CO2浓度时,其光合速率就随之增加。( )
×
【提示】 在较弱光照条件下,叶绿体中光反应产生的ATP和NADPH较少,即使CO2浓度升高,光合速率可能也不随之增加,此时限制光合作用的因素是光照强度。
2.规范表达
(1)(必修1 P105正文拓展)农业生产上一般可进行玉米—大豆间作,其原理是什么
【提示】 ①两种植物的根系深浅搭配,合理地利用了不同层次土壤内水分和养分。②两种植物高矮结合,充分利用了不同层次的阳光。
(2)(必修1 P108复习与提高拓展)某植物光照下CO2的吸收速率为3.5 mg/h,黑暗下CO2的释放速率为3 mg/h,每天光照10 h,一昼夜后该植物能否生长
【提示】 光合作用制造的有机物=(3.5+3)×10=65(mg),呼吸作用消耗的有机物=3×24=72(mg),因此一昼夜后该植物无法生长。
多因子对光合速率的影响
能力3 结合光合作用的影响因素,考查科学思维
4.(2024·贵州黔东南统考)在CO2浓度为0.03%和适宜的恒定温度条件下,测定植物甲和植物乙在不同光照条件下的光合速率,结果如图所示。下列分析正确的是( )
[A] a点时,甲开始进行光反应并产生O2
[B] b点时,乙叶肉细胞的光合速率等于其呼吸速率
[C] c点时,甲、乙通过光合作用制造的有机物量相等
[D] d点时提高CO2浓度,乙的光合速率可能会增大
D
【解析】 a点时,甲的光合速率和呼吸速率相等,表示在a点前已经开始进行光合作用;b点时的光照强度为乙的光补偿点,此时乙的光合速率等于呼吸速率,但叶肉细胞的光合速率大于呼吸速率;c点时,甲、乙的净光合速率相等,但呼吸速率不同,因此二者的总光合速率不相等,通过光合作用制造的有机物量不相等;该实验是在CO2浓度为0.03%的条件下进行的,d点时,若提高CO2浓度,乙的最大光合速率可能会增大。
5.(2024·北京模拟)西洋参受干旱胁迫,生长会受影响。检测西洋参在重度干旱条件下与光合作用相关的指标,结果如图所示。下列叙述正确的是( )
[A] CO2吸收速率随着干旱时间的延长而上升
[B] 干旱既影响光反应又影响暗反应
[C] 胞间CO2浓度仅受气孔导度影响
[D] 降低气孔导度不利于西洋参适应干旱环境
B
【解析】 据题图分析可知,随着干旱时间的延长,CO2吸收速率先下降后又小幅度上升,然后再下降;干旱条件下土壤含水量降低,植物根系吸收的水分减少,光反应减慢,NADPH和ATP的合成减慢,进而导致C3的还原减慢,而且缺水还会导致植物叶片气孔导度下降,
CO2的吸收量减少,影响暗反应中CO2的固定过程;胞间CO2浓度除了受气孔导度影响,还受自身暗反应速率的影响;降低气孔导度可以在一定程度上减少水分的散失,有利于西洋参适应干旱环境。
能力4 围绕光合作用原理在农业生产中的应用,考查社会责任
6.(2024·湖北黄冈模拟)细胞呼吸和光合作用的原理在农业生产中具有广泛的应用。下列有关叙述中,错误的是( )
[A] 中耕松土有利于根细胞的有氧呼吸,从而促进根细胞对无机盐的吸收
[B] 农作物生长发育过程中,及时去除衰老变黄的叶片有利于有机物的积累
[C] 合理密植和增施有机肥均有利于提高农作物的光合作用强度
[D] 温室种植农作物时,为促进光合作用,白天要适时通风,以保证O2供应
D
【解析】 中耕松土可以增加土壤中的空气含量,有助于植物根细胞的有氧呼吸,从而促进根细胞对无机盐的吸收;农作物生长发育过程中,及时去除衰老变黄的叶片(光合速率较低),可以减少有机物的消耗,有利于有机物的积累;合理密植可有效利用光能并降低呼吸消耗,增施有机肥增加CO2和无机盐供应,可见二者均有利于提高农作物的光合作用强度;温室种植农作物时,为促进光合作用,白天要适时通风,以保证CO2供应。
考点三
植物光合作用和细胞呼吸的日变化曲线分析
1.自然环境中绿色植物一昼夜内CO2的吸收与释放速率的曲线分析
光合作用强度的一昼夜变化过程中,限制光合作用的主要因素有光照强度和温度。
光合作用
小于
等于
大于
小于
呼吸作
用
S1-(S2+S3)
2.密闭环境中绿色植物一昼夜内CO2含量的变化曲线分析
分析光合作用或细胞呼吸速率的变化时,应分析曲线变化趋势的快慢,也就是斜率。
呼吸作用
小于
等于
大于
等于
小于
大于
能
不能
能力5 围绕密闭和开放环境中一昼夜CO2、O2含量变化的分析,考查科学思维
7.(2024·重庆模拟)七子花是我国国家二级保护野生植物。某植物研究所研究了6时到18时七子花树冠不同层次的净光合速率(净光合速率=总光合速率-呼吸速率)的变化情况,结果如图所示。下列相关叙述中正确的是( )
[A] 从6时到8时,限制七子花树冠各层净光合速率的唯一环境因素是光照强度
[B] 在10时左右,七子花树冠各层叶片的叶绿体所需要的CO2都有两个来源
[C] 与清晨相比,晴朗的夏季午后七子花树冠上层叶片气孔的变化幅度小于下层
[D] 在10时,七子花树冠中、下层叶片产生ATP的场所都是细胞质基质和线粒体
B
【解析】 据题图分析,从6时到8时,限制七子花树冠各层净光合速率的主要环境因素是光照强度,此外还有温度等;在10时左右,七子花树冠各层叶片的叶绿体所需要的CO2都有两个来源,即空气中的CO2和呼吸作用产生的CO2;与清晨相比,晴朗的夏季午后七子花树冠上层叶片气孔关闭,其气孔的变化幅度大于下层;在10时,七子花树冠中、下层叶片都可以进行光合作用与呼吸作用,所以产生ATP的场所都是细胞质基质、线粒体和叶绿体。
8.(2022·湖南卷,13改编)在夏季晴朗无云的白天,10时左右某植物光合作用强度达到峰值,12时左右光合作用强度明显减弱。光合作用强度减弱的原因不可能是( )
[A] 叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少
[B] 光合酶活性降低,呼吸酶几乎不受影响
[C] 叶绿体内膜上的部分光合色素被光破坏,吸收和传递光能的效率降低
[D] 光反应产物积累,产生反馈抑制,叶片转化光能的能力下降
C
【解析】 夏季中午叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少,暗反应变慢,光合作用强度明显减弱;夏季中午气温过高,导致光合酶活性降低,呼吸酶不受影响(呼吸酶最适温度高于光合酶),光合作用强度减弱;光合色素分布在叶绿体的类囊体薄膜上而非叶绿体内膜上;夏季中午叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少,暗反应减慢,导致光反应产物积累,产生反馈抑制,使叶片转化光能的能力下降,光合作用强度明显减弱。
考向 从科学思维及科学探究的角度,考查影响光合作用的因素及应用
1.(2024·湖北卷,4)植物甲的花产量、品质(与叶黄素含量呈正相关)与光照长短密切相关。研究人员用不同光照处理植物甲幼苗,实验结果如下表所示。
研练真题·感悟高考
组别 ① ② ③
光照处理 光照8 h/ 黑暗16 h 光照12 h/ 黑暗12 h 光照16 h/
黑暗8 h
首次开 花时间 7月4日 7月18日 7月26日
茎粗/mm 9.5 10.6 11.5
花的叶黄素 含量/(g/kg) 2.3 4.4 2.4
鲜花累计平均 产量/(kg/hm2) 13 000 21 800 22 500
下列叙述正确的是( )
[A] 第①组处理有利于诱导植物甲提前开花,且产量最高
[B] 植物甲花的品质与光照处理中的黑暗时长呈负相关
[C] 综合考虑花的产量和品质,应该选择第②组处理
[D] 植物甲花的叶黄素含量与花的产量呈正相关
C
【解析】 由表中数据分析可知,三组中,第①组首次开花时间最早,说明第①组处理有利于诱导植物甲提前开花,但在三组中产量最低;由题干信息可知,植物甲的花品质与叶黄素含量呈正相关,根据表格数据分析,第①组光照处理中的黑暗时长最长,花的叶黄素含量最低,而第③组光照处理中的黑暗时长最短,但花的叶黄素含量却不是最高的,说明植物甲花的品质与光照处理中的黑暗时长不是呈负相关;由表中信息可知,第②组光照处理,花的叶黄素含量最高,植物甲的花品质最好,且鲜花累计平均产量较高,综合考虑花的产量和品质,应该选择第②组处理;由表中数据分析可知,第②组光照处理,花的叶黄素含量最高,但鲜花累计平均产量却不是最高,说明植物甲花的产量不是最高,所以植物甲花的叶黄素含量与花的产量不是呈正相关。
2.(2022·海南卷,3)某小组为了探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,将四组等量菠菜叶圆片排气后,分别置于盛有等体积不同浓度NaHCO3溶液的烧杯中,从烧杯底部给予适宜光照,记录叶圆片上浮所需时长,结果如图。下列有关叙述正确的是( )
[A] 本实验中,温度、NaHCO3浓度和光照都属于自变量
[B] 叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率
[C] 四组实验中,0.5% NaHCO3溶液中叶圆片光合速率最高
[D] 若在4 ℃条件下进行本实验,则各组叶圆片上浮所需时长均会缩短
B
【解析】 由实验目的可知,自变量为NaHCO3浓度,温度和光照均为无关变量;实验中所用的菠菜叶圆片已进行排气处理,叶圆片上浮主要是因为其进行光合作用释放了氧气,且光合作用释放氧气的速率越大,叶圆片上浮所需时间越短;四组实验中,0.5%的NaHCO3溶液中叶圆片上浮所需时间最长,说明其光合速率最低;实验是在适宜温度下进行的,若降低温度,光合速率减慢,叶圆片上浮所需时间会延长。
3.(2022·北京卷,2)光合作用强度受环境因素的影响。车前草的光合速率与叶片温度、CO2浓度的关系如图。据图分析不能得出( )
[A] 低于最适温度时,光合速率随温度升高而升高
[B] 在一定的范围内,CO2浓度升高可使光合作用最适温度升高
[C] CO2浓度为200 μL·L-1时,温度对光合速率影响小
[D] 10 ℃条件下,光合速率随CO2浓度的升高会持续提高
D
【解析】 由题图可知,当CO2浓度一定时,光合速率会随着温度的升高而升高,达到最适温度时,光合速率达到最大值,之后随着温度的继续升高而降低;由题图可知,CO2浓度分别为200 μL·L-1、370 μL·L-1和1 000 μL·L-1时,光合作用的最适温度逐渐升高,可推测在一定范围内,CO2浓度的升高会使光合作用最适温度升高;
由题图可知,当CO2浓度为200 μL·L-1时,光合速率随温度变化而变化的幅度最小,可推断该CO2浓度下,温度对光合速率的影响小;题图中10 ℃条件下,
CO2浓度为370 μL·L-1或1 000 μL·L-1时,光合速率无明显的提高趋势,所以不能表明10 ℃条件下,光合速率随CO2浓度的升高会持续提高。
4.(2024·全国甲卷,29)在自然条件下,某植物叶片光合速率和呼吸速率随温度变化的趋势如图所示。回答下列问题。
(1)该植物叶片在温度a和c时的光合速率相等,叶片有机物积累速率 (填
“相等”或“不相等”),原因是
。
不相等
速率=光合速率-呼吸速率,而温度a和c时的呼吸速率不相等,因此叶片在温度a和c时净光合速率不相等,有机物积累速率不相等
有机物的积累速率可用净光合速率表示,净光合
【解析】 (1)该植物叶片在温度a和c时的光合速率相等,但由于呼吸速率不同,因此叶片有机物积累速率不相等。
(2)在温度d时,该植物体的干重会减少,原因是
。
温度d时,叶片的光合速率与呼吸速率相等,但植物的根部等细胞不进行光合作用,仍呼吸消耗有机物,导致植物体的干重减少
【解析】 (2)在温度d时,叶片的光合速率与呼吸速率相等,但由于植物有些细胞不进行光合作用,如根部细胞,因此该植物体的干重会减少。
(3)温度超过b时,该植物由于暗反应速率降低导致光合速率降低。暗反应速率降低的原因可能是
。(答出一点即可)
温度过高,导致部分气孔关闭,CO2供应不足(或温度过
高,导致酶的活性降低)
【解析】 (3)温度超过b时,为了降低蒸腾作用,部分气孔关闭,使CO2供应不足,暗反应速率降低;同时温度升高使酶的活性降低,导致CO2固定速率减慢,进而使暗反应速率降低。
(4)通常情况下,为了最大程度地获得光合产物,农作物在温室栽培过程中,白天温室的温度应控制在 最大时的温度。
光合速率和呼吸速率差值
【解析】 (4)为了最大程度地获得光合产物,农作物在温室栽培过程中,白天温室的温度应控制在光合速率与呼吸速率差值最大时的温度,有利于有机物的积累。
5.(2023·山东卷,21)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)。
光照、H蛋白
CO2浓度、温度
【解析】 (1)据题意,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,结合题图分析实验的自变量有光照、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)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
。
不能
突变体PSⅡ系统光损伤小但不能修复,野生
型PSⅡ系统光损伤大但能修复
【解析】 (2)据图分析,强光照射下突变体的NPQ强度比野生型的NPQ强度高,能减少强光对PSⅡ复合体造成损伤。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
。
少
突变体NPQ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
【解析】 (3)突变体的NPQ强度大,能够减少强光对PSⅡ的损伤,虽然PSⅡ损伤不能修复,但突变体的PSⅡ活性高,能为暗反应提供较多的NADPH和ATP,促进暗反应进行,因此突变体的暗反应强度高于野生型。
热点情境5
光呼吸、光抑制和CO2固定的三条途径
[情境链接]
1.光呼吸的概念
植物的叶肉细胞在光下有一个与呼吸作用不同的生理过程,即在光照条件下,叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合RuBP(C5),O2与RuBP结合后经一系列反应释放CO2的过程,这种反应在光照下进行,与有氧呼吸类似,故称光呼吸。由于光呼吸过程中几种主要化合物如乙醇酸、乙醛酸、甘氨酸等都是二碳化合物,因此光呼吸也称C2循环。
一、光呼吸
2.光呼吸的过程
3.光呼吸的生理意义
(1)不利影响:光呼吸消耗掉暗反应的底物C5,导致光合作用减弱,农作物产量降低。
(2)有利影响:①消除乙醇酸对细胞的不利影响。乙醇酸对细胞有毒害作用,它的产生在代谢中是不可避免的。光呼吸是消除乙醇酸的代谢,使细胞免受伤害。
②在干旱和高辐射胁迫下,叶片气孔关闭或外界CO2浓度降低、CO2进入受阻时,光呼吸释放的CO2能被卡尔文循环再利用,以维持糖类等有机物的合成。③防止强光对叶绿体的破坏。强光时,光反应速率大于暗反应速率,叶肉细胞中会积累ATP和NADPH,这些物质积累会产生自由基,自由基会损伤叶绿体;强光下,光呼吸加强,会消耗光反应过程中积累的ATP和NADPH,从而减轻对叶绿体的伤害。
[典型例题]
1.(2023·湖南卷,17节选)下图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。
(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。
3-磷酸甘油醛
蔗糖
维管组织
【解析】 (1)玉米的光合作用过程与水稻相比,虽然CO2的固定过程不同,但其卡尔文循环的过程是相同的,结合水稻的卡尔文循环图解,可以看出CO2固定的直接产物是3-磷酸甘油酸,然后直接被还原成3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛在叶绿体中被转化成淀粉,在叶绿体外被转化成蔗糖,蔗糖是植物长距离运输的主要糖类,蔗糖通过维管组织进行长距离运输。
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酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高;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
【解析】 (2)干旱、高光照强度时会导致植物气孔关闭,吸收的CO2减少,而玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高;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,且玉米能将叶绿体内的光合产物通过维管组织及时转移出细胞,因此在干旱、高光照强度环境下,玉米的光合作用强度高于水稻。
题号 题中信息 信息转换
(1) 图片信息 玉米和水稻的卡尔文循环相同→玉米直接的光合固定产物是3-磷酸甘油酸,第一个光合还原产物是3-磷酸甘油醛
思维建模
(2) ③+(1)空 玉米的光合产物能及时转移
⑤ 干旱、高光照强度→部分气孔关闭,细胞内CO2浓度低
②+水稻 暗反应图 光呼吸的条件是光照、高O2低CO2
①+④+⑤ PEPC酶对CO2的亲和力高于Rubisco酶→玉米能利用低浓度的CO2进行光合作用
②+④+⑤+ 水稻和玉米 暗反应图 玉米维管束鞘内的CO2的相对浓度提高,能抑制玉米的光呼吸
[迁移应用]
1.(2024·山东潍坊一模)光呼吸是O2/CO2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
D
【解析】 在环境中CO2不足时,植物通过光呼吸产生CO2,供暗反应正常进行;光合作用的光反应强于暗反应时,O2/CO2偏高,产生过多的NADPH和ATP,光呼吸容易进行;从过程图看出光呼吸过程消耗了C5、ATP,不产生ATP;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。
2.(2024·黑吉辽卷,21节选)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3;当CO2/O2比值低时,C5也能与O2反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶绿体与线粒体中主要物质变化如图1。
在叶绿体中:
图1
光呼吸将已经同化的碳释放,且整体上是消耗能量的过程。回答下列问题。
(1)反应①是 过程。
CO2的固定
【解析】 (1)在光合作用的暗反应过程中,CO2在特定酶的作用下,与C5结合形成两个C3,这个过程称作CO2的固定,故反应①是CO2的固定过程。
(2)与光呼吸不同,以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是
和 。
细胞质基质
线粒体基质
【解析】 (2)有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和NADH,合成少量ATP,场所是细胞质基质;第二阶段是丙酮酸和水反应生成二氧化碳和NADH,合成少量ATP,场所是线粒体基质。
(3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株(WT),得到转基因株系1和2,测定净光合速率,结果如图2、图3。图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外,还可来自 和 (填生理过程)。7—10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异,原因是
。
光呼吸
有氧呼吸
7—10时,随着光照强度的增加,CO2/O2比值降低,株系1和2
由于转入了改变光呼吸的相关基因,导致光呼吸速率降低,而光呼吸会将已同化的碳释放,
并消耗能量
【解析】 (3)由图1可知,在线粒体中进行光呼吸的过程中,也会产生二氧化碳,因此植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外,还可来自光呼吸、有氧呼吸。7—10时,随着光照强度的增加,株系1和2由于转入了改变光呼吸的相关基因,导致光呼吸速率降低,光呼吸将已经同化的碳释放,消耗能量,因此与WT相比,株系1和2的净光合速率较高。
图1
二、光抑制
[情境链接]
植物的光合系统所接受的光能超过光合作用所能利用的量时,光合功能便降低,这就是光合作用的光抑制。
1.光抑制机理
光合系统的破坏,PSⅡ是光破坏的主要场所。发生光破坏后的结果是电子传递受阻,光合效率下降。
2.光抑制的主要防御机制
(1)减少光吸收:植物体也可以通过叶运动(减少叶片与主茎的夹角)或叶绿体运动这种对强光的快速响应以减少对光的吸收,从而避免光抑制。
(2)增加热耗散:①当依赖能量的叶绿素荧光淬灭增加时,通过增加激发能的热耗散可以部分避免光抑制。降低光饱和条件下的PSⅡ的光化学效率,可以避免光抑制破坏的发生。②在强光下非光辐射能量耗散增加的同时,玉米黄素含量增加,玉米黄素与激发态的叶绿素作用,从而耗散其激发能,保护光合机构免受过量光能破坏。
(3)进行光呼吸:C3植物的光呼吸有很高的能量需求。光呼吸可以防止强光和CO2亏缺条件下发生光抑制。
[典型例题]
分组 处理
甲 清水
乙 BR
丙 BR+L
(1)强光照射后短时间内,苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增加,但氧气的产生速率继续增加。苹果幼苗光合作用暗反应速率不再增加,可能的原因有 、
(答出2种原因即可);氧气的产生速率继续增加的原因是 。
C5供应不足
CO2的浓度有限(或其他合理答案,
两空答案顺序可颠倒)
光能的吸收速率继续增加,使水的光解速率继续增加
【解析】 (1)强光照射后短时间内,苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增加,可能的原因有C5供应不足、CO2浓度有限等;氧气的产生速率继续增加的原因是光能的吸收速率继续增加,使水的光解速率继续增加。
(2)据图分析,与甲组相比,乙组加入BR后光抑制 (填“增强”或“减弱”);乙组与丙组相比,说明BR可能通过 发挥作用。
减弱
促进光反应关键蛋白的合成
【解析】 (2)据图分析,与甲组相比,乙组加入BR后光合作用强度较高,说明加入BR后光抑制减弱;乙组用BR处理,丙组用BR和试剂L处理,与乙组相比,丙组光合作用强度较低,由于试剂L可抑制光反应关键蛋白的合成,说明BR可能通过促进光反应关键蛋白的合成发挥作用。
思维建模
(1)信息获取与识别。
关键信息 信息加工
① 光照强度可以增加光合作用强度,也可降低光合作用强度
② 实验材料:苹果幼苗
自变量:对苹果幼苗的不同处理(BR和试剂L的有无)
因变量:光合作用强度
③ ⅰ.甲组:强光照射下,苹果幼苗出现光抑制
乙组:油菜素内酯(BR)可减弱幼苗的光抑制
丙组:BR和试剂L同时存在时,幼苗仍出现光抑制
ⅱ.BR可能通过促进光反应关键蛋白的合成来减弱光抑制现象
(2)逻辑推理论证。
[迁移应用]
3.(2024·广东六校联考)为探究光与低温复合胁迫对杨梅叶片净光合速率的影响,某研究团队利用盆栽杨梅的两个品种DK、TM进行实验;先将两品种盆栽杨梅分别均分为两组并分别在室外低温环境中进行全光照和遮阳50%处理3 d,随后放在20 ℃、适宜光照下进行3 d恢复处理,实验结果如图1所示。回答下列问题。
(1)据实验结果分析,更耐低温、光胁迫的品种是 。
TM
【解析】 (1)与全光照组相比,全光照恢复组净光合速率都增大,且TM品种的净光合速率大于DK品种;与遮阳50%组相比,遮阳50%恢复组净光合速率都增大,且TM品种的净光合速率大于DK品种,说明TM品种更耐低温、光胁迫。
(2)先在室外低温环境中处理,后经恢复处理的Pn值 (填“低于”或“高于”)对照组,请从叶绿体的结构和功能角度分析,原因可能是
(答2点即可)。
低于
【解析】 (2)据题图可知,先在室外低温环境中处理,后经恢复处理组的Pn值低于对照组,可能原因有:前期的低温胁迫破坏了类囊体膜的结构、前期的低温胁迫破坏了叶绿素等分子的结构等。
前期的低温胁迫
破坏了类囊体膜的结构;前期的低温胁迫破坏了叶绿素等分子的结构
(3)光抑制是指植物所吸收的光能超过碳同化所能利用的范围,过剩的光能引起光合结构受损、光合作用效率下降的现象。上述实验遮阳50%有利于植株光合产物积累的原因是
。
遮阳50%能有效降低光照,植株吸收的光能
减少,光抑制减弱,有利于光合产物的积累
【解析】 (3)遮阳50%能有效降低光照,植株吸收的光能减少,光抑制减弱,有利于光合产物的积累。
(4)非光化学猝灭(NPQ)是植物防御光破坏的一种重要保护机制,它可以让过多的光能以热能的形式散失。
①推测NPQ值 (填“越大”或“越小”),植物降低光抑制的能力越强,抵抗逆境的能力越强。
越大
【解析】 (4)①结合第(3)小题信息可知,NPQ值越大,植物降低光抑制的能力越强,抵抗逆境的能力越强。
②科研人员测定了室外环境自然光照条件下DK、TM两品种NPQ的日变化曲线,如图2所示。图中14 h后NPQ缓慢上升的原因是
。
14 h后,温度逐渐
降低,酶活性下降,光能用于光合作用的比例下降,NPQ出现缓慢上升
【解析】 ②在室外环境条件下,14 h后温度逐渐降低,酶活性下降,光能用于光合作用的比例下降,NPQ出现缓慢上升。
三、CO2固定的三条途径(C3植物、C4植物和CAM植物)
[情境链接]
自然界中的绿色植物根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同可以分为C3、C4和CAM三种类型。
1.C3途径
也称卡尔文循环,整个循环由RuBP(C5)与CO2的羧化开始到RuBP(C5)再生结束,在叶绿体基质中进行,可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有大麦、小麦、大豆、菜豆、水稻、马铃薯等。
2.C4途径
(1)过程:在C4植物叶肉细胞中,在有关酶的催化作用下,CO2被三碳化合物(PEP)固定,形成一个四碳化合物(C4),C4进入维管束鞘细胞,释放出一个CO2,并形成丙酮酸。释放出来的CO2进入卡尔文循环。
(2)C4植物具有较高光合速率的原因。
PEP羧化酶提高了C4植物固定CO2的能力,使C4植物比C3植物具有更强光合作用(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)能力,并且无“光合午休”现象。
3.CAM途径
CAM植物夜间吸进CO2,淀粉经糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下,CO2与PEP结合,生成草酰乙酸,进一步还原为苹果酸储存在液泡中。从而表现出夜间淀粉减少,苹果酸增加,细胞液pH下降。而白天气孔关闭,苹果酸转移到细胞质中脱羧,放出CO2,进入C3途径合成淀粉;形成的丙酮酸可以形成PEP再还原成三碳糖,最后合成淀粉或转移到线粒体,进一步氧化释放CO2,又可进入C3途径。从而表现出白天淀粉增加,苹果酸减少,细胞液pH上升。常见的CAM植物有菠萝、芦荟、百合、仙人掌等。
[典型例题]
(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反应阶段的产物是相同的,光反应阶段的产物是 (答出3点即可)。
O2、NADPH和ATP
【解析】 (1)光合作用光反应阶段的场所是叶绿体的类囊体膜,光反应发生的物质变化包括水的光解以及ATP的形成,因此光合作用光反应阶段生成的产物有O2、NADPH和ATP。
(2)正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位,原因是
(答出1点即可)。
叶片的光合产物一部分被自身呼吸消耗,一部分用来建造植物体结构,此外才被输送到植物体的其他部位
【解析】 (2)叶片的光合作用产物一部分用来建造植物体结构,一部分被自身呼吸消耗,此外才被输送到植物体的其他部位。故正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位。
(3)干旱会导致气孔开度减小,研究发现在同等程度干旱条件下,C4植物比C3植物生长得好。从两种植物CO2补偿点的角度分析,可能的原因是
。
C4植物的CO2补偿点低于C3植物,C4植物能够利用较低浓度的CO2
【解析】 (3)C4植物的CO2固定途径有C4和C3途径,其主要的CO2固定酶是PEPC、Rubisco;而C3植物只有C3途径,其主要的CO2固定酶是Rubisco。干旱会导致气孔开度减小,叶片气孔关闭,CO2吸收减少;由于C4植物的CO2补偿点低于C3植物,则C4植物能够利用较低浓度的CO2,因此光合作用受影响较小的植物是C4植物,C4植物比C3植物生长得好。
思维建模
(1)信息获取与识别。
关键信息 信息加工
① C3植物CO2的固定方式是C3途径;
C4植物CO2的固定方式是C4途径和C3途径
② C4植物可以利用较低浓度的CO2进行较强的光合作用,保证光合速率等于呼吸速率
(2)逻辑推理论证。
[典型例题]
(1)白天叶肉细胞产生ATP的场所有
。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和 释放的CO2。
细胞质基质、线粒体(线粒体基质和线
粒体内膜)、叶绿体类囊体薄膜
细胞呼吸(或呼吸作用)
【解析】 (1)白天有光照,叶肉细胞能利用液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2进行光合作用,也能利用光合作用产生的氧气和有机物进行有氧呼吸,光合作用光反应阶段能将光能转化为化学能储存在ATP中,有氧呼吸三阶段都能释放能量合成ATP,因此叶肉细胞能产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体(线粒体基质和线粒体内膜)、叶绿体的类囊体薄膜。光合作用为有氧呼吸提供有机物和氧气,反之,细胞呼吸(呼吸作用)产生的CO2也能用于光合作用暗反应,故光合作用所需的CO2可来源于苹果酸脱羧和细胞呼吸(或呼吸作用)释放的CO2。
(2)气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式,这种方式既能防止 , 又能保证 正常进行。
蒸腾作用过强导致水分散失过多
光合作用
【解析】 (2)由于环境干旱,植物吸收的水分较少,为了维持机体的平衡,适应这一环境,气孔白天关闭能防止因温度较高蒸腾作用较强导致的植物体水分散失过多,晚上气孔打开吸收CO2储存固定以保证光合作用等生命活动的正常进行。
(3)若以pH作为检测指标,请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。(简要写出实验思路和预期结果)
【答案】 (3)实验思路:取生长状态相同的植物甲若干株随机均分为A、B两组;A组在(湿度适宜的)正常环境中培养,B组在干旱环境中培养,其他条件相同且适宜,一段时间后,分别检测两组植株夜晚同一时间液泡中的pH,并求平均值。
预期结果:A组pH平均值高于B组。
【解析】 (3)该实验自变量是植物甲所处的生存环境是否干旱,由于夜间气孔打开吸收CO2,生成苹果酸储存在液泡中,导致液泡pH降低,故可通过检测液泡的pH验证植物甲存在该特殊方式,即因变量检测指标是晚上液泡中的pH。实验思路及预期结果见答案。
思维建模
(1)信息获取与识别。
信息获取 信息加工
① a.气孔开闭特殊:白天关闭,晚上开放;
b.获取CO2的方式特殊:吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中;液泡中储存的苹果酸再通过脱羧释放CO2用于光合作用
(2)逻辑推理论证。
(3)科学探究。
实验任务:设计实验验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式(CO2通过生成苹果酸储存在液泡中)。
实验材料:选取植物甲。
自变量:生存环境是否干旱。
因变量:晚上液泡内的pH。
实验思路:见答案。
[迁移应用]
4.(2024·河南名校联考)甘蔗、玉米等一些植物的叶片具有特殊的结构,其叶肉细胞中的叶绿体有基粒,而维管束鞘细胞中的叶绿体不含基粒。维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2,并转移到维管束鞘细胞中释放,参与光合作用的暗反应,其主要过程如图所示。请结合这些内容判断,下列说法错误的是( )
[A] 维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应,但能进行暗反应
[B] 维管束鞘细胞中暗反应过程不需要ATP和NADPH
[C] PEP羧化酶对环境中较低浓度的CO2具有富集作用
[D] 甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能,使其更适应高温、干旱环境
B
【解析】 光反应的场所是叶绿体的类囊体薄膜,基粒是由类囊体堆叠而成的,维管束鞘细胞的叶绿体没有基粒,所以维管束鞘细胞的叶绿体不能进行光反应,叶肉细胞固定的CO2转移到维管束鞘细胞中释放,参与光合作用的暗反应;维管束鞘细胞中的暗反应过程需要光反应提供的ATP和NADPH;由题图可知,PEP羧化酶可富集环境中较低浓度的CO2,C3与低浓度的CO2生成C4;甘蔗、玉米等一些植物的维管束鞘细胞周围的叶肉细胞可以利用PEP羧化酶固定较低浓度的CO2,并转移到维管束鞘细胞中释放,高温、干旱时植物会关闭部分气孔,甘蔗、玉米等在外界CO2供应不足时,C4能分解产生CO2继续供暗反应正常进行,故甘蔗、玉米等植物特殊的结构和功能,使其更适应高温、干旱环境。
5.(2021·辽宁卷,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浓度约为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。
三碳化合物
叶绿体基质
叶绿体
细胞呼吸和光合作用
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。
高于
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”)。
NADPH和ATP
吸能反应
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。
同位素示踪
(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)。
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
AC
【解析】 (4)改造植物的PEPC基因,抑制OAA的合成,不利于最终CO2的生成,不能提高植物光合作用的效率;CO2浓缩机制涉及多个相关基因利用转基因技术将多个基因转入不具备此机制的植物,几乎无法提高植物光合作用的效率该思路不可取。
(时间:30分钟 满分:54分)
基础强化练
选择题:1～7题,每题2分。
1.(探究光照强度对光合速率的影响|2024·太原质检)某同学将新鲜金鱼藻置于盛有NaHCO3溶液的烧杯中,改变灯泡与烧杯的距离,测得气泡产生速率如下表所示。
灯泡与烧杯距离/cm 15 30 45 60 75 90
气泡产生速率/(个·min-1) 49 28 11 0 0 0
下列叙述正确的是( )
[A] 本实验的目的是探究CO2浓度对光合速率的影响
[B] 15～45 cm气泡产生量为光合作用实际产生氧气的量
[C] 小于60 cm时,限制光合速率的主要因素是光照强度
[D] 60 cm时,光线太弱导致光合作用完全停止
C
【解析】 根据题意分析,该实验的目的是探究光照强度对光合速率的影响;15～45 cm气泡的产生速率表示净光合速率;小于60 cm时,随着光照强度的增加,气泡的产生速率加快,因此,此时限制光合速率的主要因素是光照强度;60 cm时,光线太弱可能导致没有气泡产生,此时光合速率等于或小于呼吸速率,光合作用没有完全停止。
2.(影响光合速率的因素|2024·梅州统考)小明家想建一个绿色蔬菜大棚,他结合所学知识给出若干建议,其中包括在大棚内安装太阳能灯和增加供暖装置以确保昼夜温度均高于室外,下列有关小明的建议和对应原理的叙述正确的是( )
[A] 太阳能灯能在阴天时增加光照强度,增强光反应,为暗反应提供更多的ATP和NADPH
[B] 光反应在光下进行,暗反应在暗处进行,夜晚要关闭太阳能灯让植物进行暗
反应
[C] 大棚内最好安装绿色的太阳能灯
[D] 延长光照时间能提高光合作用的速率
A
【解析】 阴天时光照不足,可用太阳能灯增加光照强度,进而增强光反应,为暗反应提供更多的NADPH和ATP;光反应必须在光下进行,而暗反应有光、无光都能进行,为了更好地提高产量,夜晚需要打开太阳能灯(适当延长光照时间),让植物进行光合作用,因为暗反应需要光反应提供ATP和NADPH;绿叶中的色素主要吸收蓝紫光和红光,几乎不吸收绿光,不宜在大棚内安装绿色的太阳能灯,可安装白色、蓝紫色或红色的太阳能灯;光合作用速率指的是单位时间内的光合作用强度,延长光照时间不能提高光合作用的速率。
3.(光照对光合作用的影响|2024·北京模拟)为研究两个新育品种P1、P2幼苗的光合作用特性,研究人员分别测定了幼苗叶片的净光合速率,结果如图。下列分析错误的是( )
[A] 本实验的自变量为光照强度和幼苗种类
[B] 当光照强度大于a时,P1对光能的利用率高于P2
[C] 当光照强度短时间由a变为b,P1叶肉细胞中C5含量增加
[D] 与P2相比,P1更适合在林下种植
C
【解析】 由题干信息及题图可知,本实验的自变量为光照强度和幼苗种类;当光照强度大于a时,P1净光合速率大于P2,说明P1对光能的利用率高于P2;当光照强度短时间由a变为b,光照强度加强,光反应加强,C3的还原速率增加,因此P1叶肉细胞中C5含量增加;P2的最大净光合速率小于P1,且P2在较低的光照强度下就达到了最大净光合速率,所以与P1相比,P2更适合在林下种植。
4.(影响光合作用的因素|2025·三明期中)在一定浓度的CO2和适当的温度条件下,测定A植物和B植物在不同光照条件下的光合速率,结果如下表,下列有关说法错误的是( )
项目 A植物 B植物
光合速率与呼吸速率相等时光照强度/klx 1 3
光饱和时光照强度/klx 3 9
光饱和时CO2吸收量/[mg/(100 cm2叶·小时)] 11 30
黑暗条件下CO2释放量/[mg/(100 cm2叶·小时)] 5.5 15
注:光饱和是指当光照强度增加到某一点后,再增加光照强度,光合作用强度也不增加的现象。
[A] 与B植物相比,A植物是在弱光照条件下生长的植物
[B] 当光照强度超过9 klx时,B植物光合速率主要受暗反应限制
[C] 当光照强度为1 k1x时,对A植物内叶肉细胞来说,叶绿体消耗的CO2量大于细胞呼吸产生的CO2量
[D] 当光照强度为3 klx时,A植物与B植物固定的CO2量的差值为4 mg/(100 cm2叶·小时)
D
【解析】 由于A植物在光饱和时的光照强度低于B植物,所以A植物是在弱光照条件下生长的植物;光照主要通过影响光反应进而影响光合作用,光照强度为
9 klx时B植物处于光饱和,如果再增加光照强度,也不会提高光合作用速率,此时主要是CO2浓度等因素限制了暗反应;当光照强度为1 klx时,A植物光合作用强度和呼吸作用强度相等,此时对A植物内叶肉细胞来说,光合作用强度大于呼吸作用强度,故叶绿体消耗的CO2量(总光合量)大于细胞呼吸产生的CO2量;当光照强度为3 klx时,A植物固定的CO2的量为11+5.5=16.5[mg/(100 cm2叶·小时)],而B植物此时光合速率等于呼吸速率,固定的CO2的量为15 mg/(100 cm2叶·小时),故两者固定的CO2的差值为1.5 mg/(100 cm2叶·小时)。
5.(叶龄与光合速率的关系|2024·海口期末)如图是某学校兴趣小组研究菠菜光合速率相对值与叶龄关系的结果图示。下列说法错误的是( )
[A] A点光合速率较低是由于幼叶光合色素含量少
[B] 随着叶片不断地展开,AB段光合速率上升
[C] 由于叶片的衰老,CD段光合速率下降
[D] 若光照突然增强,则短时间内叶绿体中C3的含量增加
D
【解析】 A点叶龄小,光合色素含量少,吸收的光能也少,导致光合速率较低;AB段随着叶龄增加,光合色素含量增多,叶片面积增大,酶数量增多,光合速率增大;CD段随叶龄增大,叶片逐渐衰老,叶片中的光合色素含量减少,酶数量减少,光合速率下降;若光照突然增强,光反应产生的ATP和NADPH 增加,C3的还原加快,而C3的生成基本不变,因此短时间内叶绿体中C3的含量减少。
6.(影响光合作用的曲线|2024·北京检测)农作物的光合作用强度与其产量直接相关。科研人员研究了光照强度和CO2浓度对某种植物光合作用强度的影响,绘制出成熟叶片在两种CO2浓度条件下,光合作用强度随光照强度的变化曲线(如图)。下列说法正确的是
( )
[A] 单位叶片中A点的光合作用强度一定大于呼吸作用强度
[B] D点以后限制光合作用强度的内因可能是酶浓度
[C] CO2浓度由B点调至C点瞬间,叶绿体中C3含量下降
[D] 若该曲线是在最适温度下测得,突然降低温度,D点会向右上方移动
B
【解析】 曲线代表总光合作用强度,呼吸作用强度未知,所以A点光合作用强度不一定大于呼吸作用强度;CO2浓度由B点调至C点瞬间,C3的合成增加,消耗暂时不变,所以C3含量上升;若题图曲线是在最适温度下测得,突然降低温度,光合速率降低,D点会向左下方移动。
7.(农业生产措施|2024·兰州质检)下列关于农业生产措施及其作用对应关系一致的是( )
A
选项 措施 作用
[A] 在甘蔗生长后期除去下部部分老叶 降低呼吸作用,增加有机物积累
[B] 合理密植 提高光合速率,提高作物产量
[C] 温室及时通风 促进作物吸收利用O2
[D] 适时适度松土 促进作物根系对有机营养物质及无机盐离子的吸收
【解析】 随着甘蔗茎的伸长,基部叶片自上而下逐渐枯黄,在甘蔗生长后期除去下部部分老叶,可降低甘蔗植株的呼吸作用,减少有机物的消耗,有利于有机物的积累;合理密植,适当增大种植密度,有利于增大光合作用面积,但不能提高光合速率;温室及时通风有利于作物吸收利用CO2;植物根系细胞吸收无机盐的方式是主动运输,需要细胞代谢供能,适时适度松土能保持土壤的通气性,促进植物根部细胞进行有氧呼吸,从而促进植物根系吸收无机盐离子,高等植物属于自养型生物,不从外界吸收有机营养物质。
选择题:8～11题,每题4分。
8.(光照强度对光合速率的影响|2024·孝感模拟)红松(阳生)和人参(阴生)均为我国北方地区的植物。如图为两种植物在温度、水分均适宜的条件下,光合速率与呼吸速率的比值(P/R)随光照强度变化的曲线图。下列叙述正确的是( )
[A] 当光照强度为A时,持续光照一昼夜后人参干重增加
[B] 光照强度大于D时,可能是温度限制了红松P/R值的增大
[C] 若适当增施含镁的肥料,一段时间后人参的A点右移
[D] 光照强度为C时,红松和人参的光合速率有可能不同
D
能力提升练
【解析】 光照强度为A时,人参的光合速率与呼吸速率的比值为1,即光合速率等于呼吸速率,净光合速率等于零,没有有机物的积累,持续光照一昼夜后人参干重不会增加;光照强度在D点时红松P/R值达到最大,此后随着光照强度的增加,光合速率也不再增加,即在D点之后,限制红松P/R值增大的主要外界因素是CO2浓度,不是温度,因为图示曲线是在温度、水分均适宜条件下获得的;适当增施含镁的肥料,可以增加人参叶肉细胞中叶绿素的含量,进而促进光反应以提高光合速率,在较低的光照强度下就可达到与呼吸速率相等的状态,即一段时间后人参的A点左移;光照强度为C时,红松和人参的P/R值相等,由于红松是阳生植物,而人参为阴生植物,二者的呼吸速率有差别,因此二者的光合速率有可能不同。
9.(光照强度对单个叶片光合速率的影响|2024·白银模拟)光合作用是自然界最重要的化学反应之一,光合作用的限制因素有内因和外因两个方面,外因主要包括温度、CO2浓度和光照强度。如图是实验人员测得的光照强度对单个叶片光合速率的影响。下列相关叙述错误的是( )
B
[A] 阴生植物的光极限和CO2极限范围一般小于阳生植物
[B] 在光合作用最适温度下适当升温,若细胞呼吸速率增大,则光补偿点左移
[C] 达到CO2极限时,限制光合速率的因素可能是CO2浓度或温度
[D] 实际生产中施肥过多会影响植物吸水,施肥不足可能影响叶绿素和相关酶的合成
【解析】 与阳生植物相比,阴生植物对光的需求小,呼吸作用弱,所以阴生植物的光极限和CO2极限范围一般小于阳生植物;在光合作用最适温度下适当升温,光合作用速率下降,若细胞呼吸速率增大,则光补偿点右移;光合作用达到CO2极限时,光合作用速率不随光照强度改变而改变,则限制光合作用速率的因素可能是CO2浓度或温度;实际生产中施肥过多会使土壤渗透压升高,减少植物细胞吸水量,甚至导致植物细胞失水,施肥不足,植物可能缺乏N等元素,影响光合作用相关的色素和酶的合成。
10.(影响光合作用的因素|2025·龙岩期中)某研究性学习小组采用盆栽实验,探究土壤干旱对某种植物叶片光合速率的影响。实验开始时土壤水分充足,然后实验组停止浇水,对照组土壤水分条件保持适宜,实验结果如图所示。下列相关分析正确的是( )
[A] 叶片光合速率下降和叶片叶绿素含量下降是同步的
[B] 实验2～4 d,光合速率下降是由叶片叶绿素含量下降引起的
[C] 实验2～4 d,叶片光合速率下降的原因可能是CO2的吸收减少
[D] 实验4～8 d,光合速率下降较快主要与干旱导致暗反应原料之一水的不足有关
C
【解析】 比较图甲和图乙,图甲中光合速率在第2 d就开始下降,而图乙中叶绿素含量在第4 d才开始下降,因此叶片光合速率下降先于叶片叶绿素含量下降,故可知实验2～4 d,光合速率下降不是由叶片叶绿素含量下降引起的,可能是由于干旱导致气孔关闭,叶片吸收CO2浓度下降,进而引起暗反应下降,使得光合速率下降;实验4～8 d,光合速率下降较快主要与叶片叶绿素含量降低有关。
11.(非光化学猝灭|2024·沈阳模拟)非光化学猝灭(NPQ)是光合色素通过分子振动将吸收的过剩光能以热能形式散失的机制,该机制可避免强光损伤光合结构,但强光下发生的NPQ在光减弱时仍会持续一段时间。自然环境中光照强度通常在短时间中剧烈波动,为探究光波动对植物光合作用的影响,研究人员以黄瓜幼苗为材料,设置光照强度相同但强光—弱光波动频率不同的T1、T2、T3组(光波动频率T1下列说法错误的是( )
[A] 与T1组相比,T2组黄瓜幼苗光合作用固定的光能少
[B] 光波动频率越高,黄瓜幼苗在弱光期NPQ的总持续时间越长
[C] T3组黄瓜幼苗色素含量的变化,不利于其适应光剧烈波动环境
[D] 培育出光照减弱时NPQ降低的黄瓜品种,能提高其光合产量
C
【解析】 据题图可知,T1组和T2组的光合色素基本相同,但T1组的生物量高于T2组,由此推断,与T1组相比,T2组黄瓜幼苗光合作用固定的光能少;由题意“强光下发生的NPQ在光减弱时仍会持续一段时间”可知,随着光波动频率的增大,NPQ指标也在增加,黄瓜幼苗在弱光期NPQ的总持续时间越长;NPQ能够避免强光损伤光合结构,从题图中可知,T3组NPQ指标最高,能更好地适应光剧烈波动的环境;NPQ指标越大,其生物量越小,故培育出光照减弱时NPQ降低的黄瓜品种,能提高其光合产量。
12.(12分)(光保护|2025·成都月考)太阳光对植物的影响包括两方面,一方面光对于植物进行光合作用是必需的,另一方面过量的光又会导致植物氧化性损伤。研究发现,在强光条件下,植物类囊体中的pH会由正常条件下的6.5降低至5.5～5.8,H+浓度的升高激活了类囊体膜上的光保护蛋白PSBS,激活的PSBS抑制类囊体膜上电子的传递,最终将过量的光能转换成热能释放,从而防止强光对植物造成损伤。
如图为具体过程,图中A～G分别表示不同物质,F代表糖类,回答下列问题。
(1)图中C表示 ,图中ATP合酶的作用是 (答出两点)。
ATP
催化ATP合成,运输H+
【解析】 (1)在光合作用的光反应阶段,在有关酶的催化作用下,利用类囊体薄膜两侧的H+浓度差,类囊体膜上的ATP合酶催化合成了ATP,故B是ADP和Pi,C是ATP。ATP合酶能催化ATP合成,且能运输H+。
(2)图中E表示 ,图中反应Ⅱ发生在 中。
NADPH
叶绿体基质
【解析】 (2)在光合作用的光反应阶段,H+与电子、氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)结合,形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH),故D是NADP+,E是NADPH,题图中反应Ⅰ表示光反应,反应Ⅱ表示暗反应,暗反应阶段的场所是叶绿体基质。
(3)研究发现,抑制ATP合酶的活性 (填“有利于”或“不利于”)PSBS发挥功能,原因是
。
有利于
抑制ATP合酶的活性导致ATP的合成受阻,会引起类囊体
腔内的H+浓度升高,进而激活PSBS
【解析】 (3)根据题意和结合题图分析可知,叶绿体的类囊体膜蛋白PSBS会感应类囊体腔内的高浓度H+而被激活,激活了的PSBS抑制电子在类囊体膜上的传递。所以抑制ATP合酶的活性导致ATP的合成受阻,会导致类囊体腔内H+浓度升高而激活PSBS,最终将过量的光能转换成热能释放,从而防止强光对植物造成损伤,因此有利于PSBS发挥功能。
(4)据图可知A物质为O2,它来自水的分解,而不是来自物质G。现以大豆为实验材料,验证这一结论,请补充实验过程。
实验思路:将 的多株大豆随机均分为甲、乙两组。向甲组提供 ,向乙组提供与甲组等量的 ,其他条件相同且适宜。一段时间后,检测甲、乙两组释放的氧气。
结果:甲组释放的都是18O2,乙组释放的都是O2。
长势良好且相同
H2O和C18O2
13.(12分)(干旱胁迫|2025·云南高考适应性考试)为了研究干旱胁迫对植物的影响,研究人员以具有较高经济价值和生态价值的优良灌木细叶小蘗为实验材料。选取多株生长状况相近的幼苗,随机均分为两组;Ⅰ组正常浇水管理,Ⅱ组干旱处理,在其他相同且适宜的条件下培养;一段时间后,测定每株相关指标,数据如下。
指标 组别 叶片相对含水量/% 叶片净光合速率/ (μmolCO2·m-2·s-1) 气孔导度/ (mol·m-2·s-1) 蒸腾速率/
(μmol·m-2·s-1)
Ⅰ组 61.32 5.45 0.12 1.39
Ⅱ组 56.15 4.12 0.08 0.72
注:气孔导度越大,气孔开放程度越大。
回答下列问题:
(1)该实验的无关变量中,影响光合作用的主要环境因素有
(答出2点即可)。实验中Ⅰ组、Ⅱ组均测定多株植株相关数据的目的是
。
求取平均值,减小实验误差
光照强度、温度
【解析】 (1)该实验的无关变量中,影响光合作用的主要环境因素有光照强度、温度等;实验中Ⅰ组、Ⅱ组均测定多株植株相关数据的目的是求取平均值,减小实验误差,确保实验结果的准确性。
(2)气孔导度减小直接影响光合作用的 阶段,导致为另一阶段提供的 和 减少。
暗反应
ADP、Pi
NADP+
【解析】 (2)气孔导度减小会影响CO2的吸收,进而直接影响光合作用的暗反应阶段;暗反应速率降低,会导致其为光反应阶段提供的ADP、Pi和NADP+减少。
(3)绿色植物光合作用过程中,水光解产生的电子若有剩余,则和氧气结合形成超氧阴离子自由基,攻击生物膜系统,导致生物膜损伤。生物膜在植物光合作用中的功能主要体现在两个方面:①是 ;
②是 。
吸收、传递和转化光能
控制气孔的开闭
【解析】 (3)生物膜在植物光合作用中的功能主要体现在两个方面:①是在类囊体薄膜上进行的光反应,即吸收、传递和转化光能;②是生物膜可控制气孔的开闭。
(4)干旱胁迫时,植物叶片萎蔫卷曲下垂是一种自我保护行为,综上分析其原理是
。
植物叶片萎蔫卷曲下垂可避免吸收更多热量,防止水分过度蒸发,从而保证气孔的相对开度,进而保证光合作用在一定强度下进行
【解析】 (4)干旱胁迫时,植物叶片萎蔫卷曲下垂可避免吸收更多热量,防止水分过度蒸发,从而保证气孔的相对开度,进而保证光合作用在一定强度下进行。第17讲 光合作用的影响因素及其应用
(时间:30分钟 满分:54分)
基础强化练
选择题:1~7题,每题2分。
1.(探究光照强度对光合速率的影响|2024·太原质检)某同学将新鲜金鱼藻置于盛有NaHCO3溶液的烧杯中,改变灯泡与烧杯的距离,测得气泡产生速率如下表所示。下列叙述正确的是( )
灯泡与烧杯距离/cm 15 30 45 60 75 90
气泡产生速率/(个·min-1) 49 28 11 0 0 0
[A] 本实验的目的是探究CO2浓度对光合速率的影响
[B] 15~45 cm气泡产生量为光合作用实际产生氧气的量
[C] 小于60 cm时,限制光合速率的主要因素是光照强度
[D] 60 cm时,光线太弱导致光合作用完全停止
2.(影响光合速率的因素|2024·梅州统考)小明家想建一个绿色蔬菜大棚,他结合所学知识给出若干建议,其中包括在大棚内安装太阳能灯和增加供暖装置以确保昼夜温度均高于室外,下列有关小明的建议和对应原理的叙述正确的是( )
[A] 太阳能灯能在阴天时增加光照强度,增强光反应,为暗反应提供更多的ATP和NADPH
[B] 光反应在光下进行,暗反应在暗处进行,夜晚要关闭太阳能灯让植物进行暗反应
[C] 大棚内最好安装绿色的太阳能灯
[D] 延长光照时间能提高光合作用的速率
3.(光照对光合作用的影响|2024·北京模拟)为研究两个新育品种P1、P2幼苗的光合作用特性,研究人员分别测定了幼苗叶片的净光合速率,结果如图。下列分析错误的是( )
[A] 本实验的自变量为光照强度和幼苗种类
[B] 当光照强度大于a时,P1对光能的利用率高于P2
[C] 当光照强度短时间由a变为b,P1叶肉细胞中C5含量增加
[D] 与P2相比,P1更适合在林下种植
4.(影响光合作用的因素|2025·三明期中)在一定浓度的CO2和适当的温度条件下,测定A植物和B植物在不同光照条件下的光合速率,结果如下表,下列有关说法错误的是( )
项目 A植物 B植物
光合速率与呼吸速率相等时光照强度/klx 1 3
光饱和时光照强度/klx 3 9
光饱和时CO2吸收量/[mg/(100 cm2叶·小时)] 11 30
黑暗条件下CO2释放量/[mg/(100 cm2叶·小时)] 5.5 15
注:光饱和是指当光照强度增加到某一点后,再增加光照强度,光合作用强度也不增加的
现象。
[A] 与B植物相比,A植物是在弱光照条件下生长的植物
[B] 当光照强度超过9 klx时,B植物光合速率主要受暗反应限制
[C] 当光照强度为1 k1x时,对A植物内叶肉细胞来说,叶绿体消耗的CO2量大于细胞呼吸产生的CO2量
[D] 当光照强度为3 klx时,A植物与B植物固定的CO2量的差值为4 mg/(100 cm2叶·
小时)
5.(叶龄与光合速率的关系|2024·海口期末)如图是某学校兴趣小组研究菠菜光合速率相对值与叶龄关系的结果图示。下列说法错误的是( )
[A] A点光合速率较低是由于幼叶光合色素含量少
[B] 随着叶片不断地展开,AB段光合速率上升
[C] 由于叶片的衰老,CD段光合速率下降
[D] 若光照突然增强,则短时间内叶绿体中C3的含量增加
6.(影响光合作用的曲线|2024·北京检测)农作物的光合作用强度与其产量直接相关。科研人员研究了光照强度和CO2浓度对某种植物光合作用强度的影响,绘制出成熟叶片在两种CO2浓度条件下,光合作用强度随光照强度的变化曲线(如图)。下列说法正确的是( )
[A] 单位叶片中A点的光合作用强度一定大于呼吸作用强度
[B] D点以后限制光合作用强度的内因可能是酶浓度
[C] CO2浓度由B点调至C点瞬间,叶绿体中C3含量下降
[D] 若该曲线是在最适温度下测得,突然降低温度,D点会向右上方移动
7.(农业生产措施|2024·兰州质检)下列关于农业生产措施及其作用对应关系一致的是( )
选项 措施 作用
[A] 在甘蔗生长后期除去下部部分老叶 降低呼吸作用,增加有机物积累
[B] 合理密植 提高光合速率,提高作物产量
[C] 温室及时通风 促进作物吸收利用O2
[D] 适时适度松土 促进作物根系对有机营养物质及无机盐离子的吸收
能力提升练
选择题:8~11题,每题4分。
8.(光照强度对光合速率的影响|2024·孝感模拟)红松(阳生)和人参(阴生)均为我国北方地区的植物。如图为两种植物在温度、水分均适宜的条件下,光合速率与呼吸速率的比值(P/R)随光照强度变化的曲线图。下列叙述正确的是( )
[A] 当光照强度为A时,持续光照一昼夜后人参干重增加
[B] 光照强度大于D时,可能是温度限制了红松P/R值的增大
[C] 若适当增施含镁的肥料,一段时间后人参的A点右移
[D] 光照强度为C时,红松和人参的光合速率有可能不同
9.(光照强度对单个叶片光合速率的影响|2024·白银模拟)光合作用是自然界最重要的化学反应之一,光合作用的限制因素有内因和外因两个方面,外因主要包括温度、CO2浓度和光照强度。如图是实验人员测得的光照强度对单个叶片光合速率的影响。下列相关叙述错误的是( )
[A] 阴生植物的光极限和CO2极限范围一般小于阳生植物
[B] 在光合作用最适温度下适当升温,若细胞呼吸速率增大,则光补偿点左移
[C] 达到CO2极限时,限制光合速率的因素可能是CO2浓度或温度
[D] 实际生产中施肥过多会影响植物吸水,施肥不足可能影响叶绿素和相关酶的合成
10.(影响光合作用的因素|2025·龙岩期中)某研究性学习小组采用盆栽实验,探究土壤干旱对某种植物叶片光合速率的影响。实验开始时土壤水分充足,然后实验组停止浇水,对照组土壤水分条件保持适宜,实验结果如图所示。下列相关分析正确的是( )
[A] 叶片光合速率下降和叶片叶绿素含量下降是同步的
[B] 实验2~4 d,光合速率下降是由叶片叶绿素含量下降引起的
[C] 实验2~4 d,叶片光合速率下降的原因可能是CO2的吸收减少
[D] 实验4~8 d,光合速率下降较快主要与干旱导致暗反应原料之一水的不足有关
11.(非光化学猝灭|2024·沈阳模拟)非光化学猝灭(NPQ)是光合色素通过分子振动将吸收的过剩光能以热能形式散失的机制,该机制可避免强光损伤光合结构,但强光下发生的NPQ在光减弱时仍会持续一段时间。自然环境中光照强度通常在短时间中剧烈波动,为探究光波动对植物光合作用的影响,研究人员以黄瓜幼苗为材料,设置光照强度相同但强光—弱光波动频率不同的T1、T2、T3组(光波动频率T1[A] 与T1组相比,T2组黄瓜幼苗光合作用固定的光能少
[B] 光波动频率越高,黄瓜幼苗在弱光期NPQ的总持续时间越长
[C] T3组黄瓜幼苗色素含量的变化,不利于其适应光剧烈波动环境
[D] 培育出光照减弱时NPQ降低的黄瓜品种,能提高其光合产量
12.(12分)(光保护|2025·成都月考)太阳光对植物的影响包括两方面,一方面光对于植物进行光合作用是必需的,另一方面过量的光又会导致植物氧化性损伤。研究发现,在强光条件下,植物类囊体中的pH会由正常条件下的6.5降低至5.5~5.8,H+浓度的升高激活了类囊
体膜
上的光保护蛋白PSBS,激活的PSBS抑制类囊体膜上电子的传递,最终将过量的光能转换成热能释放,从而防止强光对植物造成损伤。如图为具体过程,图中A~G分别表示不同物质,F代表糖类,回答下列问题。
(1)图中C表示 ,图中ATP合酶的作用是
(答出两点)。
(2)图中E表示 ,图中反应Ⅱ发生在 中。
(3)研究发现,抑制ATP合酶的活性 (填“有利于”或“不利于”)PSBS发挥功能,原因是 。
(4)据图可知A物质为O2,它来自水的分解,而不是来自物质G。现以大豆为实验材料,验证这一结论,请补充实验过程。
实验思路:将 的多株大豆随机均分为甲、乙两组。向甲组提供 ,向乙组提供与甲组等量的 ,其他条件相同且适宜。一段时间后,检测甲、乙两组释放的氧气。
结果:甲组释放的都是18O2,乙组释放的都是O2。
13.(12分)(干旱胁迫|2025·云南高考适应性考试)为了研究干旱胁迫对植物的影响,研究人员以具有较高经济价值和生态价值的优良灌木细叶小蘗为实验材料。选取多株生长状况相近的幼苗,随机均分为两组;Ⅰ组正常浇水管理,Ⅱ组干旱处理,在其他相同且适宜的条件下培养;一段时间后,测定每株相关指标,数据如下。
指标 组别 叶片相 对含水量/% 叶片净光 合速率/ (μmolCO2·m-2·s-1) 气孔导 度/(mol·m-2·s-1) 蒸腾 速率/ (μmol·m-2·s-1)
Ⅰ组 61.32 5.45 0.12 1.39
Ⅱ组 56.15 4.12 0.08 0.72
注:气孔导度越大,气孔开放程度越大。
回答下列问题。
(1)该实验的无关变量中,影响光合作用的主要环境因素有 (答出2点即可)。实验中Ⅰ组、Ⅱ组均测定多株植株相关数据的目的是 。
(2)气孔导度减小直接影响光合作用的 阶段,导致为另一阶段提供的 和 减少。
(3)绿色植物光合作用过程中,水光解产生的电子若有剩余,则和氧气结合形成超氧阴离子自由基,攻击生物膜系统,导致生物膜损伤。生物膜在植物光合作用中的功能主要体现在两个方面:①是 ;②是 。
(4)干旱胁迫时,植物叶片萎蔫卷曲下垂是一种自我保护行为,综上分析其原理是
。
第17讲 光合作用的影响因素及其应用
1.C 根据题意分析,该实验的目的是探究光照强度对光合速率的影响;15~45 cm气泡的产生速率表示净光合速率;小于60 cm时,随着光照强度的增加,气泡的产生速率加快,因此,此时限制光合速率的主要因素是光照强度;60 cm时,光线太弱可能导致没有气泡产生,此时光合速率等于或小于呼吸速率,光合作用没有完全停止。
2.A 阴天时光照不足,可用太阳能灯增加光照强度,进而增强光反应,为暗反应提供更多的NADPH和ATP;光反应必须在光下进行,而暗反应有光、无光都能进行,为了更好地提高产量,夜晚需要打开太阳能灯(适当延长光照时间),让植物进行光合作用,因为暗反应需要光反应提供ATP和NADPH;绿叶中的色素主要吸收蓝紫光和红光,几乎不吸收绿光,不宜在大棚内安装绿色的太阳能灯,可安装白色、蓝紫色或红色的太阳能灯;光合作用速率指的是单位时间内的光合作用强度,延长光照时间不能提高光合作用的速率。
3.D 由题干信息及题图可知,本实验的自变量为光照强度和幼苗种类;当光照强度大于a时,P1净光合速率大于P2,说明P1对光能的利用率高于P2;当光照强度短时间由a变为b,光照强度加强,光反应加强,C3的还原速率增加,因此P1叶肉细胞中C5含量增加;P2的最大净光合速率小于P1,且P2在较低的光照强度下就达到了最大净光合速率,所以与P1相比,P2更适合在林下种植。
4.D 由于A植物在光饱和时的光照强度低于B植物,所以A植物是在弱光照条件下生长的植物;光照主要通过影响光反应进而影响光合作用,光照强度为9 klx时B植物处于光饱和,如果再增加光照强度,也不会提高光合作用速率,此时主要是CO2浓度等因素限制了暗反应;当光照强度为1 klx时,A植物光合作用强度和呼吸作用强度相等,此时对A植物内叶肉细胞来说,光合作用强度大于呼吸作用强度,故叶绿体消耗的CO2量(总光合量)大于细胞呼吸产生的CO2量;当光照强度为3 klx时,A植物固定的CO2的量为11+5.5=
16.5[mg/(100 cm2叶·小时)],而B植物此时光合速率等于呼吸速率,固定的CO2的量为
15 mg/(100 cm2叶·小时),故两者固定的CO2的差值为1.5 mg/(100 cm2叶·小时)。
5.D A点叶龄小,光合色素含量少,吸收的光能也少,导致光合速率较低;AB段随着叶龄增加,光合色素含量增多,叶片面积增大,酶数量增多,光合速率增大;CD段随叶龄增大,叶片逐渐衰老,叶片中的光合色素含量减少,酶数量减少,光合速率下降;若光照突然增强,光反应产生的ATP和NADPH 增加,C3的还原加快,而C3的生成基本不变,因此短时间内叶绿体中C3的含量减少。
6.B 曲线代表总光合作用强度,呼吸作用强度未知,所以A点光合作用强度不一定大于呼吸作用强度;CO2浓度由B点调至C点瞬间,C3的合成增加,消耗暂时不变,所以C3含量上升;若题图曲线是在最适温度下测得,突然降低温度,光合速率降低,D点会向左下方移动。
7.A 随着甘蔗茎的伸长,基部叶片自上而下逐渐枯黄,在甘蔗生长后期除去下部部分老叶,可降低甘蔗植株的呼吸作用,减少有机物的消耗,有利于有机物的积累;合理密植,适当增大种植密度,有利于增大光合作用面积,但不能提高光合速率;温室及时通风有利于作物吸收利用CO2;植物根系细胞吸收无机盐的方式是主动运输,需要细胞代谢供能,适时适度松土能保持土壤的通气性,促进植物根部细胞进行有氧呼吸,从而促进植物根系吸收无机盐离子,高等植物属于自养型生物,不从外界吸收有机营养物质。
8.D 光照强度为A时,人参的光合速率与呼吸速率的比值为1,即光合速率等于呼吸速率,净光合速率等于零,没有有机物的积累,持续光照一昼夜后人参干重不会增加;光照强度在D点时红松P/R值达到最大,此后随着光照强度的增加,光合速率也不再增加,即在D点之后,限制红松P/R值增大的主要外界因素是CO2浓度,不是温度,因为图示曲线是在温度、水分均适宜条件下获得的;适当增施含镁的肥料,可以增加人参叶肉细胞中叶绿素的含量,进而促进光反应以提高光合速率,在较低的光照强度下就可达到与呼吸速率相等的状态,即一段时间后人参的A点左移;光照强度为C时,红松和人参的P/R值相等,由于红松是阳生植物,而人参为阴生植物,二者的呼吸速率有差别,因此二者的光合速率有可能不同。
9.B 与阳生植物相比,阴生植物对光的需求小,呼吸作用弱,所以阴生植物的光极限和CO2极限范围一般小于阳生植物;在光合作用最适温度下适当升温,光合作用速率下降,若细胞呼吸速率增大,则光补偿点右移;光合作用达到CO2极限时,光合作用速率不随光照强度改变而改变,则限制光合作用速率的因素可能是CO2浓度或温度;实际生产中施肥过多会使土壤渗透压升高,减少植物细胞吸水量,甚至导致植物细胞失水,施肥不足,植物可能缺乏N等元素,影响光合作用相关的色素和酶的合成。
10.C 比较图甲和图乙,图甲中光合速率在第2 d就开始下降,而图乙中叶绿素含量在第4 d才开始下降,因此叶片光合速率下降先于叶片叶绿素含量下降,故可知实验2~4 d,光合速率下降不是由叶片叶绿素含量下降引起的,可能是由于干旱导致气孔关闭,叶片吸收CO2浓度下降,进而引起暗反应下降,使得光合速率下降;实验4~8 d,光合速率下降较快主要与叶片叶绿素含量降低有关。
11.C 据题图可知,T1组和T2组的光合色素基本相同,但T1组的生物量高于T2组,由此推断,与T1组相比,T2组黄瓜幼苗光合作用固定的光能少;由题意“强光下发生的NPQ在光减弱时仍会持续一段时间”可知,随着光波动频率的增大,NPQ指标也在增加,黄瓜幼苗在弱光期NPQ的总持续时间越长;NPQ能够避免强光损伤光合结构,从题图中可知,T3组NPQ指标最高,能更好地适应光剧烈波动的环境;NPQ指标越大,其生物量越小,故培育出光照减弱时NPQ降低的黄瓜品种,能提高其光合产量。
12.【答案】 (除标注外,每空1分)
(1)ATP 催化ATP合成,运输H+(2分)
(2)NADPH 叶绿体基质
(3)有利于 抑制ATP合酶的活性导致ATP的合成受阻,会引起类囊体腔内的H+浓度升高,进而激活PSBS(3分)
(4)长势良好且相同 O和CO2 H2O和C18O2
【解析】 (1)在光合作用的光反应阶段,在有关酶的催化作用下,利用类囊体薄膜两侧的H+浓度差,类囊体膜上的ATP合酶催化合成了ATP,故B是ADP和Pi,C是ATP。ATP合酶能催化ATP合成,且能运输H+。(2)在光合作用的光反应阶段,H+与电子、氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)结合,形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH),故D是NADP+,E是NADPH,题图中反应Ⅰ表示光反应,反应Ⅱ表示暗反应,暗反应阶段的场所是叶绿体基质。(3)根据题意和结合题图分析可知,叶绿体的类囊体膜蛋白PSBS会感应类囊体腔内的高浓度H+而被激活,激活了的PSBS抑制电子在类囊体膜上的传递。所以抑制ATP合酶的活性导致ATP的合成受阻,会导致类囊体腔内H+浓度升高而激活PSBS,最终将过量的光能转换成热能释放,从而防止强光对植物造成损伤,因此有利于PSBS发挥功能。(4)分析题意可知,实验目的是用同位素标记法验证氧气来自水的分解而不是CO2。实验思路为分别给植物供应18O标记的CO2和无标记的CO2,观察释放的氧气中有无18O2。故实验思路补充为将长势良好且相同的多株大豆(控制无关变量)分为甲、乙两组。向甲组提供O 和CO2,向乙组提供与甲组等量的C18O2和H2O,其他条件相同且适宜。一段时间后,检测甲、乙组中释放的氧气中有无18O2。结果:若甲组释放的氧气为18O2,而乙组释放的氧气为O2,则氧气来自水的分解。
13.【答案】 (除标注外,每空1分)
(1)光照强度、温度 求取平均值,减小实验误差(3分)
(2)暗反应 ADP、Pi NADP+
(3)吸收、传递和转化光能 控制气孔的开闭
(4)植物叶片萎蔫卷曲下垂可避免吸收更多热量,防止水分过度蒸发,从而保证气孔的相对开度,进而保证光合作用在一定强度下进行(3分)
【解析】 (1)该实验的无关变量中,影响光合作用的主要环境因素有光照强度、温度等;实验中Ⅰ组、Ⅱ组均测定多株植株相关数据的目的是求取平均值,减小实验误差,确保实验结果的准确性。(2)气孔导度减小会影响CO2的吸收,进而直接影响光合作用的暗反应阶段;暗反应速率降低,会导致其为光反应阶段提供的ADP、Pi和NADP+减少。(3)生物膜在植物光合作用中的功能主要体现在两个方面:①是在类囊体薄膜上进行的光反应,即吸收、传递和转化光能;②是生物膜可控制气孔的开闭。(4)干旱胁迫时,植物叶片萎蔫卷曲下垂可避免吸收更多热量,防止水分过度蒸发,从而保证气孔的相对开度,进而保证光合作用在一定强度下进行。
