(共45张PPT)
第四节 影响光合作用和细胞呼吸的环境因素
1.光合速率:可以用单位时间单位叶面积上的CO2固定量、O2释放量或有机物的合成量来表示。
2.光照
(1)光照强度:在一定范围内,光合速率随着光照强度的增强而相应增加;当达到某一定值后,光
照强度即使继续增强,光合速率也不再增加。
(2)光质:叶绿体中的色素对不同光质的光有不同的吸收值,植物在红光和蓝光下光合速率更
高。
3.CO2:CO2是光合作用的原料之一。在一定范围内,植物光合速率随着环境中CO2浓度的上升
而增加,在CO2浓度达到某一定值后,再增加CO2浓度,光合速率也不再增加。
知识点 1 影响光合作用的环境因素
必备知识 清单破
4.温度:温度对光合作用中酶活性的影响很大,因而对光合速率也有明显的影响。
5.土壤中的水分含量和无机盐的种类
(1)水是光合作用的原料之一,充足的水分能直接影响植物的光合速率。
(2)氮素是蛋白质、核酸的组成成分,充足的氮素供应可以促进叶面积的增大和叶数量的增
多,从而增加光照面积,间接地影响植物的光合速率。
(3)镁是叶绿素的组成成分,适时补充镁元素可以促进叶绿素的合成,从而影响光合速率。
1.呼吸速率:呼吸速率是植物细胞代谢强弱的一个重要指标,常用单位面积或单位重量的植物
体在单位时间内所吸收O2或释放CO2的量来表示。
2.温度
(1)温度主要影响了与细胞呼吸有关的酶的活性。在一定的温度范围内,酶活性因温度的升
高而提高,呼吸速率也会增高;到达最高值后,因温度高于酶的最适温度,酶活性降低,因而呼吸
速率也随着温度的升高而下降。
(2)植物细胞呼吸的最适温度一般高于光合作用的最适温度,因此,当细胞呼吸处于最适温度
时,细胞呼吸旺盛,而光合作用可能已经有所减弱。
知识点 2 影响细胞呼吸的环境因素
3.氧
(1)在氧浓度较低的范围内,植物的呼吸(有氧呼吸)速率随氧浓度的增加而升高,但增至一定
程度时,呼吸速率就不再升高了。
(2)在缺氧条件下,植物可短暂地进行无氧呼吸,但由于有机物的不完全氧化,积累的不完全氧
化产物(乙醇或乳酸)会对细胞产生毒害。
(3)动物在剧烈运动时会因无氧呼吸积累过多的乳酸,从而出现肌肉酸痛。
(4)在以有氧呼吸为主的生物体内,随着氧浓度的提高,有氧呼吸会增强,无氧呼吸会有所减弱。
4.二氧化碳:二氧化碳是细胞呼吸的最终产物,当二氧化碳体积分数高于5%时,细胞呼吸明显
受到抑制。
5.植物组织的含水量:在一定范围内,细胞呼吸速率随组织含水量的增加而增高。干燥种子的
细胞呼吸速率很低,而当种子吸水后,细胞呼吸速率迅速增高。
归纳总结 影响细胞呼吸的内部因素
内部因素 内容 举例
遗传特性 不同种类的植物呼吸速率不同 一般旱生植物呼吸速率比水生植物低,阴生植物呼吸速率比阳生植物低
生长发 育时期 同一种植物在不同的生长发
育时期呼吸速率不同 一般幼苗期、开花期等呼吸
速率高,成熟期呼吸速率低
器官 类型 同一种植物的不同器官呼吸
速率不同 一般生殖器官呼吸速率比营
养器官高
1.增加光照面积、延长光照时间等可以充分利用光能。
2.适当增强细胞呼吸可以促进作物的生长发育。
3.合理密植有利于作物的细胞呼吸和光合作用。
4.在储藏果蔬时,一般采用适当降低温度或氧浓度的方法,抑制细胞呼吸,以减少有机物的消
耗。
5.在储藏粮食时,通过降低粮仓的湿度,使储存的种子保持干燥,以抑制细胞呼吸,延长保存期
限。
知识点 3 光合作用和细胞呼吸原理的应用
知识辨析
1.温度只影响暗反应过程,因为只有暗反应需要酶的催化,这种说法正确吗
2.CO2浓度是通过影响暗反应过程来影响光合作用的,这种说法正确吗
3.储存蔬菜、水果时应隔绝O2,以减弱细胞呼吸,这种说法正确吗
4.稻田需要定期排水,否则水稻幼苗根部会因缺氧产生乳酸而变黑、腐烂,这种说法正确吗
提示
提示
提示
提示
不正确。光反应也需酶的催化,也受温度影响。
正确。CO2参与光合作用的暗反应,故CO2浓度是通过影响暗反应过程来影响光合作
用的。
不正确。若隔绝O2,细胞无氧呼吸会加强,不利于蔬菜、水果的储存,应该低氧储存蔬菜、水果。
不正确。水稻幼苗根部在缺氧条件下,会进行无氧呼吸产生乙醇而变黑、腐烂。
1.光照强度对光合作用的影响分析
(1)曲线分析
关键能力 定点破
定点 1 影响光合作用的环境因素及应用
1、A点:光照强度为0,此时植物只进行细胞呼吸;单位时间内A点的CO2释放速率表示细胞呼吸速率。
2、AB段(不含A、B点):随光照强度的增大,光合作用强度逐渐增大,但光合速率小于呼吸速率。
3、B点:光合速率=呼吸速率,此时的光照强度称为光补偿点。
4、BC段(不含B、C点):随光照强度的增大,光合作用强度不断增大,光合速率大于呼吸速率。
5、C点:此时光照强度称为光饱和点,C点之后随光照强度的增强,光合速率基本不变。
(2)应用分析
1、欲使植物正常生长,则光照强度应大于B点对应的光照强度。
2、适当提高光照强度可增加作物产量。
3、阴生植物的光补偿点和光饱和点比较低,间作套种时农作物的种类要合理搭配。
2.CO2浓度对光合作用的影响分析
(1)曲线分析
1、A点:表示光合速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度,即CO2补偿点。
2、A'点:表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。
3、B点和B'点:都表示CO2饱和点。
(2)应用分析
可通过“正其行,通其风”以及适当增施有机肥等来增加CO2浓度,从而提高作物光合速
率。
3.温度对光合作用的影响分析
(1)曲线分析
1、A点所对应的温度为光合作用中酶的最适温度。
2、温度过高时,酶失活,光合作用停止。
(2)应用分析
1、适时播种,以保证植物在适宜温度下进行光合作用。
2、温室栽培时白天适当提高温度,夜间适当降低温度,从而增加有机物积累量。
4.水和化学元素对光合作用的影响分析
(1)水是光合作用重要的反应物,且可影响气孔的开闭,间接影响CO2的吸收,还可影响光合产
物的运输,从而影响光合速率。
(2)化学元素影响细胞内许多化合物的合成,从而影响植物体的光合作用,如充足的氮素可以
促进叶面积的增大和叶数量的增多,从而增加光照面积,间接地影响植物的光合速率。
(2)分析:P点及P点之前,限制光合速率的主要因素应为横坐标所表示的因素,随着该因素的不
断增强,光合速率不断提高;Q点及以后,横坐标所表示的因素不再是影响光合速率的因素。
5.光照强度、CO2浓度和温度对光合作用影响的综合分析
(1)曲线图
典例 将桑树和大豆分别单独种植(单作)或两种隔行种植(间作),测得两种植物的光合速率
如图所示(注:光饱和点是光合速率达到最大值时所需的最低光照强度)。据图分析,下列叙述
正确的是 ( )
A.大豆植株开始积累有机物时的最低光照强度单作大于间作
B.与单作相比,间作时两种植物光合作用的光饱和点均增大
C.间作虽然提高了桑树的光合速率但降低了大豆的光合速率
D.与单作相比,间作时两种植物的呼吸强度均没有受到影响
A
思路点拨
解析 据图分析可知,大豆植株开始积累有机物时的最低光照强度单作大于间作,A正确;与
单作相比,间作时桑树光合作用的光饱和点增大,而大豆的光饱和点减小,B错误;由图可知,大
豆在较弱光照强度范围内的光合速率间作比单作高,C错误;曲线显示大豆间作时呼吸作用强
度比单作时弱,D错误。
定点 2 影响细胞呼吸的环境因素及应用
因素 原因 曲线 应用
温度 通过影响呼吸酶的活
性来影响呼吸速率 1、在零上低温下储藏蔬菜、水果;
2、温室中栽培蔬菜时,夜间适当降低温度,可减弱细胞呼吸,减少有机物的消耗,提高蔬菜的产量
O2浓度 O2浓度低时,无氧呼吸占优势,随O2浓度增加,无氧呼吸被抑制,有氧呼吸不断加
强;但当O2浓度达到一定值后,随O2浓度增加,有氧呼吸不再增强(受呼吸酶数量
等因素的影响) 适当降低O2浓度,抑制细胞呼吸,减少有机物消耗,从而延长
蔬菜、水果的保鲜时间
CO2 浓度 CO2是细胞呼吸的产物,随着CO2浓度的增加,CO2对细胞呼吸的
抑制作用增强 蔬菜、水果储藏时,适当增大CO2浓度可以抑制细胞呼吸,减少有机物的消耗
含水量 水既是反应物,又是生成物。在一定范围内,细胞呼吸速率随
含水量的增加而升高,超过一定范围,细胞呼吸会受到抑制 — 1、种子浸泡,有利于萌发;
2、种子晒干,有利于储藏
典例 呼吸商(RQ)=细胞呼吸释放的CO2量/吸收的O2量。如图是生物氧化分解葡萄糖过程
中呼吸商与氧分压的关系,以下叙述正确的是( )
A.呼吸商越大,细胞呼吸产生的CO2越多
B.b点有氧呼吸强度大于a点
C.为延长蔬菜的保存时间,最好将氧分压调至c点
D.c点以后细胞呼吸强度不随氧分压变化而变化
B
解析 呼吸商越大,表明细胞呼吸释放的CO2量与吸收的O2量的比值越大,A错误。由题图可
以看出,氧分压越小,呼吸商越大,a点时生物主要进行无氧呼吸,a点→b点有氧呼吸增强,无氧
呼吸减弱,因此,b点有氧呼吸强度大于a点,B正确。c点生物只进行有氧呼吸,消耗有机物较
多,不适合蔬菜保存,C错误。c点以后细胞呼吸强度可能会随氧分压变化而变化,但呼吸商仍
是1,D错误。
1.自然环境中一昼夜植物光合作用曲线
(1)b时:开始进行光合作用。
(2)c时:开始积累有机物。
(3)c、e时:光合作用强度与呼吸作用强度相等。
(4)e时:有机物积累量最大。
定点 3 自然环境及密闭容器中植物光合作用曲线及分析
2.密闭容器中一昼夜植物光合作用曲线
(1)光合作用强度与呼吸作用强度相等的点:D点、H点。
(2)该植物一昼夜表现为生长,其原因是I点时玻璃罩内CO2浓度低于A点时玻璃罩内CO2浓度,
说明经过一昼夜,密闭容器中CO2浓度减小,即植物光合作用制造的有机物总量>呼吸作用消
耗的有机物量,植物有有机物的积累。
典例 如图表示某香果树净光合速率在夏季某天不同时间的变化曲线,下列叙述错误的是 ( )
A.在10:00该香果树吸收CO2的速率最高
B.在18:00该香果树叶绿体产生氧气量为0
C.在11:00左右,曲线下降的原因最可能是叶片部分气孔关闭
D.假设10:00突然有乌云遮蔽,短时间内该香果树叶片中C5含量下降
B
解析 由图可知,在10:00该香果树净光合速率最大,该香果树吸收CO2的速率最高,A正确;在1
8:00该香果树净光合速率为0,即光合速率等于呼吸速率,该香果树叶绿体产生氧气量不为0,B
错误;在11:00左右,曲线下降的原因最可能是气温过高,叶片部分气孔关闭以减少水分的散
失,导致二氧化碳供应不足,C正确;假设10:00突然有乌云遮蔽,光照强度降低,短时间内该香果
树叶片中C3的还原速率降低,而CO2固定速率不变,导致C5含量降低,D正确。
1.光合速率与呼吸速率关系的模型图
定点 4 绿色植物光合速率与呼吸速率的测定与判断
图2
(1)图1中三种速率的关系:真正光合速率=净光合速率+呼吸速率。
(2)图1中三种速率的表示方法和测定方法
项目 表示方法 测定方法
净光合速率(又称表观光合速
率) 单位时间O2的释放量、CO2
的吸收量、有机物的积累量 光照下测定植物CO2吸收量
或O2释放量
真正光合速率(又称实际光合
速率、总光合速率) 单位时间O2的产生量、CO2
的固定量、有机物的制造量 —
呼吸速率(黑暗中测量) 单位时间CO2的释放量、O2
的吸收量、有机物的消耗量 黑暗中测定植物CO2释放量
或O2吸收量
(3)图2中面积与合成、消耗有机物的关系
1、S1+S3:呼吸作用消耗的有机物量。
2、S2+S3:光合作用产生的有机物总量。
3、S2-S1:光合作用净积累的有机物量。
2.气体体积变化法测定光合速率与呼吸速率
甲 乙
(1)装置甲测定呼吸速率
1、烧杯中放入适宜浓度的NaOH溶液用于吸收CO2。
2、将装置甲置于黑暗且温度适宜的环境中一段时间,记录红色液滴移动的距离,计算呼吸速
率。
(2)装置乙测定净光合速率
1、烧杯中放入CO2缓冲液,用于保证容器内CO2浓度相对恒定,并满足光合作用需求。
2、将装置乙置于光下且温度适宜的环境中一段时间,记录红色液滴移动的距离,计算净光合
速率。
(3)为防止气压、温度等物理因素引起误差,应设置对照实验,即用死亡的相同大小的同种绿
色植物分别进行上述实验,根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。
3.“黑白瓶法”测定光合速率与呼吸速率
(1)测定原理:黑瓶不透光,瓶中生物仅能进行呼吸作用;白瓶透光,瓶中生物可以进行光合作用
和呼吸作用,因此,光合作用产生氧气量=白瓶中氧气增加量+黑瓶中氧气减少量。
(2)测定方法:取三个相同的透明玻璃瓶a、b、c,将a瓶先包以黑胶布,再包以锡箔。用a、b、c
三瓶从待测水体相同位置取水,测定c瓶中的氧气含量。将a瓶、b瓶密封后再沉入取水处,24
小时后取出,测定两瓶中的氧气含量。
(3)计算规律
1、在初始值已知的情况下,黑瓶中氧气的减少量为瓶中生物有氧呼吸量;白瓶中氧气的增加
量为瓶中生物净光合作用量;两者之和为瓶中生物总(真)光合作用量。
2、在初始值未知的情况下,白瓶中测得的氧气现有量与黑瓶中测得的氧气现有量之差即瓶
中生物总(真)光合作用量。
4.“半叶法”测定光合作用有机物总产量
(1)使用范围:检测单位时间、单位面积有机物产生总量,常用于大田农作物的光合速率测
定。
(2)测定方法:在测定时,将植物对称叶片的一半遮光,另一半则留在光下进行光合作用,过一段
时间后,在这两部分的对应部位取同等面积的小叶片,分别烘干称重。这两个小叶片的干重
开始时视为相等,照光后的叶片重量超过遮光处理后的叶片重量,超过部分即光合作用有机
物的总产量。
典例 某转基因作物有很强的光合作用能力。某中学生物兴趣小组在暑假开展了对该转基
因作物光合作用强度测试的研究课题,设计了如图所示装置。下列有关叙述错误的是 ( )
A.若测定植物的呼吸作用强度,应该将甲、乙装置的D中都放入NaOH溶液且进行黑暗处理
B.若测定植物的净光合作用强度,应该将甲、乙装置的D中都放入CO2缓冲液且放在光照充
足的条件下
C.测定植物呼吸作用强度时,30 min后甲装置中的液滴左移1.5 cm,乙装置中的液滴右移0.5 cm,
则呼吸速率为4 cm/h
D.测定植物净光合作用强度时,30 min后,甲装置中的液滴右移4.5 cm,乙装置中的液滴右移0.
5 cm,则净光合速率为10 cm/h
D
解析 若测定植物的呼吸作用强度,应该将甲、乙装置的D中都放入NaOH溶液且进行黑暗
处理,此时液滴的移动是由装置中氧气含量的变化引起的,测定的是呼吸消耗的氧气量,乙装
置起着对照作用(排除外界因素对实验结果的干扰),A正确;若测定植物的净光合作用强度,应
该将甲、乙装置的D中都放入CO2缓冲液,保证光合作用过程中的二氧化碳供应并维持二氧
化碳浓度稳定,并将装置放在光照充足的条件下,甲装置中液滴的移动是由光合作用产生的
氧气和呼吸作用消耗的氧气共同引起的,乙装置起着对照作用,B正确;测定植物呼吸作用强
度时,30 min后甲装置中的液滴左移1.5 cm,乙装置中的液滴右移0.5 cm(对照组),那么实际上
甲装置中植物呼吸作用使液滴向左移动了1.5+0.5=2(cm),则呼吸速率为2÷0.5=4(cm/h),C正
确;测定植物净光合作用强度时,30 min后,甲装置中的液滴右移4.5 cm,乙装置中的液滴右移
0.5 cm(对照组),那么实际上甲装置中植物净光合作用使液滴向右移动了4.5-0.5=4(cm),则净
光合速率为4÷0.5=8(cm/h),D错误。
情境探究
Rubisco是普遍分布于玉米、大豆等作物的叶绿体中的一种双功能酶,它既是光呼吸中
不可缺少的加氧酶,也是卡尔文循环中固定CO2最关键的羧化酶。在较强光照下,Rubisco以
五碳化合物(RuBP)为底物,在CO2/O2的值高时,催化RuBP结合CO2发生羧化;在CO2/O2的值低
时,催化RuBP结合O2发生氧化产生光呼吸,具体过程如图所示。
学科素养 情境破
素养 生命观念——光合作用的特殊类型
问题1 从物质变化的角度看,光呼吸和有氧呼吸的共同点是什么
提示 光呼吸和有氧呼吸都需要消耗O2,都产生CO2。
问题2 在天气晴朗、气候干燥的中午,大豆叶肉细胞中光呼吸的强度较通常条件下会升高还
是降低 为什么
提示 升高。在天气晴朗、气候干燥的中午,光照强度较强,部分气孔关闭,CO2/O2的值低,此时Rubisco催化RuBP结合O2发生氧化产生光呼吸,故光呼吸强度升高。
问题3 光呼吸的存在会明显降低作物产量,原因是什么
提示 光呼吸存在时,光呼吸消耗参与暗反应的ATP、NADPH和RuBP,使暗反应速率减小,
从而使光合作用合成有机物减少。
问题4 研究表明,光呼吸是植物在长期进化过程中为适应环境变化、提高抗逆性而形成的一
条代谢途径。据图推测,光呼吸提高抗逆性的作用机理是什么
提示 光呼吸可以为光合作用提供CO2。
讲解分析
1.光呼吸与光合作用暗反应的比较
光合作用暗反应 光呼吸
过程 CO2+C5 2C3; 2C3 C5+(CH2O) C5+O2 C2+C3;
C2+C3 C5+CO2
反应物 C5、CO2 C5、O2
条件 CO2/O2的值高 CO2/O2的值低
意义 合成糖类,储存能量 消耗能量,生成的CO2可用于
光合作用
2.一些植物在进化中形成了特殊的固定和浓缩CO2的机制,能够在高温、干旱导致的气孔开
放度下降的情况下,有效利用叶肉细胞间隙低浓度的CO2进行光合作用,如C4植物和CAM植
物。
(1)C4植物:CO2在叶肉细胞被PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)固定,生成C4,C4通过胞间连丝进入维管
束鞘细胞生成CO2,CO2被C5固定,从而进入卡尔文循环。
(2)CAM植物:夜晚,CAM植物气孔开放吸收CO2,CO2在叶肉细胞被固定为苹果酸,储存在液泡
中;白天光照时,为防止过度蒸腾作用,气孔关闭,苹果酸出液泡,并生成CO2,CO2被C5固定,从而
进入卡尔文循环。
C3植物 C4植物 CAM植物
植物类型 典型温带植物 典型热带或亚热带植物 典型干旱地区植物
主要CO2固定酶 Rubisco PEP羧化酶、Rubisco PEP羧化酶、Rubisco
发生CO2固定的细胞 叶肉细胞 叶肉细胞和维管束鞘细胞 叶肉细胞
卡尔文循环的场所 叶肉细胞的叶绿体基质 维管束鞘细胞的叶绿体基质 叶肉细胞的叶绿体基
质
最初CO2接受体 RuBP(C5) PEP 光下:RuBP(C5);
黑暗中:PEP
CO2固定的最初产物 C3 C4 光下:C3;
黑暗中:草酰乙酸
3.C3植物、C4植物和CAM植物的比较
C3途径是碳同化的基本途径,C4途径和CAM途径都只起固定CO2的作用,最终还是通过C3
途径合成有机物。
典例呈现
例题 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,即在光照下叶肉细胞吸收O
2,释放CO2。由于这种反应需叶绿体参与,并与光合作用同时发生,故称光呼吸。Rubisco是一
种双功能酶,能催化羧化反应和加氧反应。RuBP(C5)既可与CO2结合,经Rubisco催化生成
PGA(C3),进行光合作用;又可与O2在Rubisco催化下生成1分子PGA和1分子PG(C2),进行光呼
吸。具体过程如图1:
(1)在光照条件下,Rubisco催化RuBP与CO2生成PGA的过程称为 ,该过程发生在
(填场所)中。Rubisco也可以催化RuBP与O2反应,推测O2与CO2比值 (填“高”或“低”)时,有利于光呼吸而不利于光合作用。
(2)分析下表,遮光比例为 时植物积累的有机物最多,结合已学的生物学知识和题中
的信息,从两个方面解释该条件下比不遮光条件下积累的有机物多的原因: 。
CO2的固定
叶绿体基质
高
10%
适当遮光可以提高
叶绿素的含量增强光合速率;可以抑制光呼吸进而提高光合速率
遮光比例(%) 叶绿素含量(mg/g) 净光合速率(μmol·m-2·s-1) 植株干重(g)
0 2.1 8.0 7.5
10 2.3 9.6 9.9
30 2.4 8.9 9.2
50 2.6 5.0 7.2
70 2.9 2.7 4.8
90 3.0 0 3.2
(3)在干旱和过强光照下,因为温度高,蒸腾作用强,植物气孔大量关闭。此时的光呼吸可以消
耗光反应阶段生成的多余的 ,光呼吸产生的 又可以作为暗反应阶段的
原料,因此有观点指出光呼吸在一定条件下对植物也有重要的正面意义。
(4)1955年,科学家通过实验发现,对正在进行光合作用的叶片突然停止光照,短时间内会释放
出大量的CO2,并称之为“CO2的猝发”。某研究小组测得在适宜条件下某植物叶片遮光前
吸收CO2的速率和遮光(完全黑暗)后释放CO2的速率随时间变化趋势的示意图如图2(吸收或
释放CO2的速率是指单位面积叶片在单位时间内吸收或释放CO2的量)。突然停止光照时,短
时间内植物所释放的CO2的来源是 。在光照条件下,该植物单位面积叶片光合作用固定的CO2总量是 (用图形的面积表示,图中A、B、C表示每一块的面积大小)。
ATP和NADPH
CO2
细胞呼吸释放的CO2和光呼吸释放的CO2
A+B+C
思路点拨
(1)在光照条件下,细胞进行呼吸作用和光合作用的同时还进行光呼吸。
(2)RuBP(C5)可以与O2在Rubisco酶催化下生成1分子PGA(C3)和1分子PG(C2)。
(3)光呼吸消耗光反应产生的ATP和NADPH。
解题思路 (1)在光照条件下,Rubisco催化RuBP(C5)与CO2生成PGA(C3)的过程是暗反应阶段
CO2的固定,场所是叶绿体基质。RuBP也可以与O2在Rubisco催化下生成1分子PGA(C3)和1分
子PG(C2),进行光呼吸,推测当O2含量较高时,即O2与CO2比值高时,有利于光呼吸而不利于光
合作用。(2)分析表格数据可知:当遮光比例为10%时,植物的净光合速率最大,即该条件下植
物积累的有机物最多。适当遮光可以提高叶绿素的含量使光合速率增强,同时适当遮光可降
低叶绿体中O2含量,抑制光呼吸,进而增强光合速率,因此遮光比例为10%时比不遮光条件下
积累的有机物多。(3)在干旱和过强光照下,因为温度高,蒸腾作用强,气孔大量关闭,CO2吸收
减少,暗反应速率降低,此时光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的ATP和NADPH,起到保
护叶绿体的作用。另外光呼吸产生的CO2又可以作为暗反应阶段的原料,提高暗反应速率,因
此有观点指出光呼吸在一定条件下对植物也有重要的正面意义。(4)据图2可知,遮光一段时
间后,CO2释放速率趋于稳定,此时植物只进行呼吸作用,则B表示细胞呼吸释放CO2的量。突
然停止光照时,短时间内CO2释放量除了B外还有C,则C表示光呼吸释放CO2的量。由此可知,
突然停止光照,短时间内植物释放CO2的来源有细胞呼吸释放的CO2和光呼吸释放的CO2。在
光照条件下,细胞进行呼吸作用和光合作用的同时还进行光呼吸,该植物单位面积叶片光合
作用固定的CO2总量=A+B+C。第四节 影响光合作用和细胞呼吸的环境因素
基础过关练
题组一 影响光合作用的环境因素
1.影响绿色植物光合作用强度的环境因素不包括( )
A.光照强度 B.水
C.光合色素含量 D.温度
2.科学家研究20 ℃时小麦光合作用强度与光照强度的关系,得到如图曲线,下列叙述不正确的是( )
A.a点时叶肉细胞产生ATP的细胞器只有线粒体
B.随着环境温度的升高,cd段位置不断上移
C.其他条件适宜,当植物缺Mg时,b点将向右移动
D.外界条件适宜时,c点之后小麦光合作用强度不再增加可能与叶绿体中酶的数量有关
3.下图曲线表示在适宜温度、水分和一定的光照强度下,甲、乙两种植物叶片的CO2净吸收速率与CO2浓度的关系。下列说法正确的是( )
A.CO2浓度为a时,甲植物开始进行光合作用
B.适当增大光照强度,a点将向右移动
C.CO2浓度为b时,甲植物、乙植物光合作用的强度相等
D.甲、乙同置于一个透明密闭钟罩,在适宜光照下,甲植株的生长最先受到影响
4.光合作用是一系列非常复杂的生理过程,受到多种因素的影响。图甲表示在CO2充足的条件下,某植物的光合速率与光照强度及温度的关系;图乙表示鸭茅(一种多年生草本植物,幼叶成折叠状)相对光合速率(%)与叶龄的关系。请回答下列问题:
甲
乙
(1)光照强度的变化会使光合作用光反应产生的 发生变化,进而直接影响暗反应中的 过程。
(2)环境温度影响光合作用,主要是影响参与光合作用的 ,进而影响光合作用的 (填“光反应”“暗反应”或“光反应和暗反应”)。
(3)图甲中的光合速率是指 (填“净光合速率”或“总光合速率”),判断的依据是 。在温度为10 ℃、光照强度大于 klx时,光合速率不再随光照强度的增大而增大。
(4)图乙中B点表示叶片充分展开时,相对光合速率 。CD段相对光合速率明显下降的可能原因是 。光合产物从叶片中输出的快慢影响叶片的光合速率。若摘除花或果实,叶片光合速率随之降低,推测原因是 。
题组二 影响细胞呼吸的环境因素
5.温度对某植物细胞呼吸速率的影响如图所示。下列叙述正确的是( )
A.ab段,温度升高促进了线粒体内葡萄糖的分解过程
B.bc段,温度过高抑制了与细胞呼吸有关的酶的活性
C.b点时,氧气与葡萄糖中的碳元素结合生成的二氧化碳最多
D.c点时,细胞呼吸释放的绝大部分能量储存在ATP中
6.如图是细胞呼吸速率与氧气浓度之间的对应关系,下列相关叙述正确的是( )
A.表示有氧呼吸过程的是曲线Ⅰ,表示无氧呼吸过程的是曲线Ⅱ
B.曲线Ⅰ对应呼吸方式可能会产生乳酸,其不能被细胞再次利用
C.曲线Ⅱ呼吸速率最终趋于稳定的原因可能是酶活性或数量受限
D.正常情况下当无氧呼吸消失时,有氧呼吸的速率一定达到最大
题组三 光合作用和细胞呼吸原理的应用
7.细胞呼吸原理广泛用于生产实践中,下表中有关措施与对应目的错误的是( )
选项 应用 措施 目的
A 种子储藏 晒干 除去自由水,降低细胞呼吸强度
B 酵母菌 酿酒 先通气, 后密封 加快酵母菌繁殖,有利于酒精发酵
C 蔬菜保鲜 低温无氧 降低酶的活性,降低细胞呼吸
D 栽种庄稼 中耕松土 提高土壤含氧量,促进根细胞的有氧呼吸,从而促进根对无机盐的吸收
8.下列措施中,与利用光合作用原理提高农作物产量无关的做法是 ( )
A.降低夜间温度,减少有机物的消耗
B.控制各株作物的间距,合理密植
C.大棚中用干冰增加二氧化碳浓度
D.种植大棚蔬菜,阴天开灯增加光照
能力提升练
题组 环境因素对光合作用影响的图表及实验分析
1.夏季晴朗的一天,甲、乙两株同种植物在不同条件下CO2吸收速率的变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.甲植株在a点开始进行光合作用
B.乙植株在e点有机物积累量最多
C.曲线bc段和de段下降的原因相同
D.两曲线bd段不同的原因可能是乙植株气孔部分关闭
2.如图为某一植物在不同实验条件下测得的净光合速率,下列假设条件中能使图中结果成立的是( )
A.横坐标是CO2浓度,甲表示较高温度,乙表示较低温度
B.横坐标是温度,甲表示较高CO2浓度,乙表示较低CO2浓度
C.横坐标是光波长,甲表示较高温度,乙表示较低温度
D.横坐标是光照强度,甲表示较高CO2浓度,乙表示较低CO2浓度
3.晴朗的夏季,将一株植物放在密闭的玻璃罩内,置于室外进行培养,用CO2浓度测定仪测得了一天内该玻璃罩内CO2浓度的变化情况,绘制成下图所示的曲线,下列有关叙述错误的是( )
A.H点CO2浓度最低,说明此时植物积累的有机物最多
B.FG段CO2浓度下降缓慢,是因为中午温度过高使酶活性降低
C.BC段较AB段CO2浓度增加慢,是因为低温使植物细胞呼吸作用减弱
D.从0时开始计算,经过24小时,植物体内的有机物量有所增加
4.某生物兴趣小组就影响植物光合作用的因素进行了研究,获得如图所示的实验结果。下列有关分析正确的是( )
A.该实验表明,温度、光照强度和CO2浓度都会影响植物光合作用的强度
B.当光照强度大于7时,该植物在15 ℃和25 ℃的环境中合成有机物的速率相同
C.随着温度的升高,该植物的呼吸速率逐渐增强
D.该植物可在较低温度、较弱光照的环境中快速生长
5.阳光穿过上层植物的空隙形成光斑,光斑会随太阳的运动而移动。如图为红薯叶在光斑照射前后吸收CO2和释放O2的情况。下列分析错误的是( )
A.图中A点光反应速率小于暗反应
B.BC段,植物的光反应速率与暗反应速率趋于相等
C.光斑移开后的一段时间,光合作用仍在进行
D.CD段变化主要是因为光斑移开,植物缺乏光照
6.科研工作者研究了土壤含水量对番茄品种甲和乙光合作用的影响,结果如图所示。有关叙述错误的是( )
图1
图2
A.土壤含水量对番茄光合速率的影响和对番茄叶片气孔导度影响的趋势基本一致
B.土壤含水量大于70%后,土壤含水量是限制番茄光合速率的主要因素
C.土壤含水量的下降,可能影响番茄叶片光合产物的输出,从而限制了其暗反应的速率
D.土壤含水量的下降,可能造成了番茄叶绿体类囊体膜的损伤,从而限制了光反应的速率
7.(多选题)科研人员检测晴朗天气下露地栽培和大棚栽培的油桃的光合速率(Pn)日变化情况,并将检测结果绘制成图。下列相关说法正确的是( )
A.光照强度增大是导致ab段、lm段Pn增大的主要原因
B.bc段适时通风、mn段适时遮阴可有效缓解Pn下降
C.ef段、op段Pn下降的原因是光照强度逐渐增强
D.适时浇水、增施农家肥是提高大田作物产量的重要措施
8.拟柱孢藻是一种水华蓝细菌(旧称“蓝藻”),其色素分布于光合片层上。拟柱孢藻优先利用水体中的CO2,也能利用水体中的HC(胞外碳酸酐酶催化HC分解为CO2)。科研人员用不同浓度的CO2驯化培养拟柱孢藻,20天后依次获得藻种1、2、3,测定藻种1、2、3胞外碳酸酐酶活力,并探究不同浓度NaHCO3溶液对藻种1、2、3生长的影响,结果如图。请回答下列问题。
图2
(1)拟柱孢藻细胞没有叶绿体,但是能进行光合作用的原因是 。光照条件下,拟柱孢藻细胞产生的O2来自 (填过程)。
(2)据图1分析,藻种1较藻种2、藻种3能保持一定的竞争优势,这是因为 。
(3)探究不同浓度NaHCO3溶液对藻种1、2、3生长的影响时,水体中CO2浓度应该保持在 (填“较高”或“较低”)水平;光照强度应保持 。
(4)图2中,B点净光合速率比A点高的原因是 。
9.科学研究中,植物光合产物合成部位被称作“源”,光合产物储存部位被称作“库”。图1为光合产物合成及向“库”运输过程示意图。科研人员通过去除部分桃树枝条上的果实,探究“库”的大小对叶片净光合速率等的影响,结果如表所示。请回答下列问题。
图1
组别 净光合 速率/ (μmol· m-2·s-1) 叶片蔗 糖含量/ (mg· g-1FW) 叶片淀 粉含量/ (mg· g-1FW) 气孔导度/ (mmol· m-2·s-1)
对照组 (留果) 5.39 30.14 60.61 51.41
实验组 (去果) 2.48 34.20 69.32 29.70
(1)图1中的暗反应阶段利用光反应产生的 将 还原为磷酸丙糖。磷酸丙糖可在叶绿体中合成 储存,也可运至细胞质基质合成蔗糖。
(2)根据表格推测,去果处理使叶片中 含量增加,进而抑制了光合速率;同时发现气孔导度在下降,这会使 供应不足,抑制暗反应,光合速率进一步下降。
(3)为进一步探究蔗糖浓度对叶绿体光合速率的影响,研究人员进行了相关实验。该实验通过 法获得离体叶绿体,将其悬浮在类似 (填细胞结构)的溶胶状环境中,确保其正常的结构和功能。根据图2的实验结果推测,当蔗糖浓度在 范围时,光合速率受到抑制。
答案与分层梯度式解析
第四节 影响光合作用和细胞呼吸的环境因素
基础过关练
1.C 2.B 3.D 5.B 6.C 7.C 8.A
1.C 影响光合作用的环境因素包括:光照强度、二氧化碳浓度、温度、矿质元素、水分等,光合色素含量是影响光合作用的内部因素,C符合题意。
2.B 分析曲线图:图示是20 ℃时小麦光合作用强度与光照强度的关系曲线,a点时,细胞只进行呼吸作用;ab段(不包括a、b点)表示呼吸速率大于光合速率;b点时光合速率等于呼吸速率;b点之后,光合速率大于呼吸速率;cd段光合速率保持相对稳定。a点时,叶肉细胞只进行呼吸作用,能产生ATP的细胞器只有线粒体,A正确;当环境温度小于最适温度时,在一定温度范围内,随着温度逐渐升高,cd段位置不断上移,当环境温度大于最适温度时,随着温度逐渐升高,cd段位置会下移,题中未给出小麦光合作用的最适温度,B错误;Mg是植物合成叶绿素的必需元素,当缺少Mg时,叶绿素的合成受阻,导致光合作用强度降低,b点光合速率等于呼吸速率,因此当植物缺Mg时,要让光合速率等于呼吸速率,就必须要增加光照强度以提高光合作用强度,所以b点将向右移,C正确;c点对应的光照强度是光饱和点,该点之后光合作用强度不再随光照强度的增大而增大,此时影响光合作用的因素可能是叶绿体中酶的数量等,D正确。
3.D 题图纵坐标为CO2净吸收速率,CO2净吸收速率=光合作用吸收CO2的速率-呼吸作用释放CO2的速率,CO2浓度大于0小于a时,甲植物光合作用小于呼吸作用;CO2浓度为a时,甲植物光合作用等于呼吸作用;CO2浓度大于a时,甲植物光合作用大于呼吸作用,可见CO2浓度在a之前,甲植物就开始进行光合作用,A错误。a点是二氧化碳补偿点,适当增大光照强度,光合作用可能增强,a点将左移,B错误。CO2浓度为b时,甲、乙两植物的净光合作用强度相等,由于不知道两植物的呼吸作用强度,因此不能比较总光合作用强度,C错误。甲、乙同置于一个透明密闭钟罩,在适宜光照下,钟罩内CO2浓度下降,由题图可知,乙植物的二氧化碳补偿点低于甲植物,乙植物更能适应较低CO2浓度的环境,故与乙相比,甲植株的生长最先受到影响,D正确。
4.答案 (1)ATP、NADPH C3的还原 (2)酶的活性 光反应和暗反应 (3)总光合速率 光照强度为0时,光合速率为0 L1 (4)最大(或达100%) 随着叶龄的增加,叶绿素的含量减少、光合作用相关酶的活性降低 光合产物的输出受阻
解析 (1)光合作用的光反应阶段产生的NADPH和ATP,参与暗反应阶段C3的还原,故光照强度的变化会影响暗反应过程。(2)温度主要通过影响酶的活性进而影响光合作用,由于光反应和暗反应均需要酶的催化,故温度对两者均有影响。(3)分析图甲:当光照强度为0时,光合速率不是负值而是0,故图甲中的光合速率是指总光合速率;在温度为10 ℃、光照强度大于L1 klx时,光合速率不再随光照强度的增大而增大。(4)据图乙可知:B点叶片充分展开,能最大限度地吸收、利用光能,相对光合速率最大(达100%);CD段随着叶龄的增加,叶片衰老,叶绿素含量减少、酶活性降低,导致相对光合速率明显下降;若摘除花或果实,则光合产物的输出受阻,叶片光合速率随之降低。
5.B 葡萄糖分解形成丙酮酸的过程发生在细胞质基质中,A错误;b点时,细胞呼吸速率最大,说明此时的温度是呼吸酶的最适温度,而bc段,由于温度超过呼吸酶的最适温度,与细胞呼吸有关的酶活性降低,细胞呼吸被抑制,B正确;b点时,呼吸速率最大,氧气与葡萄糖和水脱下来的[H]结合生成的水最多,C错误;c点时,无论是有氧呼吸还是无氧呼吸,释放的能量绝大部分以热能的形式散失,D错误。
6.C 曲线Ⅰ中随氧气浓度升高,呼吸速率逐渐降低,则曲线Ⅰ表示无氧呼吸;曲线Ⅱ中在一定范围内随氧气浓度升高,呼吸速率升高,当氧气浓度超过一定范围后,细胞呼吸速率趋于平衡(此时限制因素可能是呼吸酶活性或数量),则曲线Ⅱ表示有氧呼吸,A错误,C正确。人体肌细胞无氧呼吸产生的乳酸能在肝脏中再次转化为葡萄糖,B错误。无氧呼吸消失后,有氧呼吸在一定范围内可随氧气浓度的升高继续增强,D错误。
7.C 种子储藏时需要通过晒干降低自由水含量,进而降低细胞呼吸强度,延长储存时间,A正确;酵母菌是兼性厌氧微生物,发酵时先通气的目的是使酵母菌在有氧条件下进行有氧呼吸,加快酵母菌繁殖,后密封的目的是制造无氧环境使酵母菌在无氧条件下产生酒精,B正确;蔬菜保鲜一般采用零上低温、低氧的方法,抑制细胞呼吸,减少有机物消耗,C错误;栽种庄稼时进行中耕松土的目的是提高土壤中氧气的含量,进而有利于根细胞进行有氧呼吸,从而促进根部对无机盐的吸收,D正确。
8.A 夜间降低温度,可以减弱呼吸作用,减少有机物的消耗,有利于有机物的积累,能提高产量,但与光合作用的原理无关,A符合题意;合理密植,有利于充分利用光能,同时也有利于空气流通增加二氧化碳浓度,使植物的光合作用增强,制造的有机物增多,可提高产量,B不符合题意;二氧化碳是光合作用的原料,大棚中用干冰增加二氧化碳浓度会促进光合作用积累有机物,从而提高农作物产量,C不符合题意;光照是光合作用的条件,阴天光照强度弱,通过开灯增强光照强度,能够提高光合作用的效率,从而达到提高产量的目的,D不符合题意。
能力提升练
1.D 2.D 3.B 4.D 5.A 6.B 7.ABD
1.D 由题图可知,甲植株在a点净光合速率为0,此时光合速率与呼吸速率相等,甲植株在a点之前就已经进行光合作用,只是a点之前光合速率小于呼吸速率,A错误;乙植株在18时之后,呼吸速率大于光合速率,有机物积累减少,因此18时有机物积累量最多,B错误;曲线bc段下降的原因是气温高,蒸腾作用旺盛,乙植株为了减少水分的散失而关闭部分气孔,乙植株吸收的CO2减少,de段的变化是由光照强度减弱引起的,C错误,D正确。
2.D 植物光合作用具有最适温度,在最适温度条件下净光合速率最高,高于或低于最适温度净光合速率均有所下降,因此不能确定甲、乙两条曲线温度的高低,A不符合题意;温度会影响酶活性,当温度超过酶的最适温度时,酶活性下降,净光合速率降低,因此横轴不能表示温度,B不符合题意;光合色素主要吸收红光和蓝紫光,即净光合速率与光波长不呈正相关,并且不能确定两条曲线的温度大小,C不符合题意;横轴可以表示光照强度,二氧化碳是光合作用的原料,甲可以表示较高CO2浓度,乙表示较低CO2浓度,D符合题意。
3.B H点CO2浓度最低,说明此时玻璃罩内CO2被吸收得最多,所以植物积累的有机物最多,A正确;FG段为中午时分,光照强,气温高,导致蒸腾作用强,为避免水分过多散失,植物部分气孔关闭,CO2吸收减少,光合速率降低,B错误;BC段较AB段CO2浓度增加慢,是因为低温使植物呼吸作用减弱,CO2释放量减少,C正确;由于I点的CO2浓度低于A点,所以从0时开始计算,经过24小时,植物体内的有机物量有所增加,D正确。
4.D 图中影响光合作用的因素只涉及温度和光照强度,并没有CO2浓度,A错误;当光照强度大于7时,该植物在15 ℃和25 ℃的环境中积累有机物的速率相同,但25 ℃时合成有机物的速率较大,B错误;在一定温度范围内,随着温度的升高,该植物的呼吸速率逐渐增强,但是超过最适温度后,随着温度的升高,该植物的呼吸速率会减弱,C错误;由图中可以看出,在15 ℃条件下,植物的净光合速率较高,并且在光照强度为5时就达到了光饱和点,D正确。
5.A 图中A点氧气的释放速率大于二氧化碳的吸收速率,可推出此时光反应速率大于暗反应,A错误;BC段,氧气的释放速率与二氧化碳的吸收速率趋于相等,可推出此阶段植物的光反应速率与暗反应速率趋于相等,B正确;光斑移开后的一段时间仍有二氧化碳的吸收,说明光合作用仍在进行,C正确。
6.B 根据图中曲线的趋势可以看出,土壤含水量对甲、乙两种番茄光合速率的影响和对番茄叶片气孔导度影响的趋势基本一致,A正确;土壤含水量大于70%后,光合速率不随土壤含水量的增加而增大,说明土壤含水量大于70%后,限制番茄光合速率的主要因素不是土壤含水量,B错误;土壤含水量下降可能会影响叶绿体中光合产物的输出,从而抑制暗反应的进行,导致光合速率下降,C正确;番茄光合作用光反应的场所是类囊体膜,土壤含水量降低,水分亏缺会造成类囊体膜损伤,从而影响光反应的速率,D正确。
7.ABD 日出后光照强度逐渐增大,ab段、lm段油桃的Pn随光照强度增大而增大,A正确。大棚栽培条件下的油桃在bc段Pn下降,主要原因是日出后旺盛的光合作用消耗大量CO2,使大棚内CO2浓度迅速下降,从而使油桃的光合速率迅速减小,因此bc段适时通风可增加大棚中的CO2浓度,从而有效缓解Pn下降;而露地栽培的油桃在mn段Pn下降,是由环境温度过高引起部分气孔关闭导致的,适时遮阴可减少气孔的关闭,从而有效缓解Pn下降,B正确。ef段、op段Pn下降是由光照强度减弱引起的,C错误。适时浇水、增施农家肥均是提高大田作物产量的重要措施,D正确。
8.答案 (1)细胞中含有与光合作用有关的色素和酶 水的光解(或光反应) (2)藻种1胞外碳酸酐酶的活力高,能充分利用水体中的HC (3)较低 相同且适宜 (4)NaHCO3溶液浓度较高,分解产生的CO2多
解析 (1)拟柱孢藻是一种水华蓝细菌,为原核生物,含有的光合色素为藻蓝素和叶绿素,并含有光合作用有关的酶,是能进行光合作用的自养生物,产生氧气的生理过程为水的光解(或光反应)。(2)根据图1分析可得,藻种1、2、3的驯养环境中的CO2含量依次升高,而胞外碳酸酐酶的活力依次降低。低浓度CO2水体中,藻种1能保持一定的竞争优势是因为其胞外碳酸酐酶的活力高,能够充分利用水体中的HC,分解得到较多的CO2,为光合作用提供更多原料。(3)拟柱孢藻优先利用水体中的CO2,也能利用水体中的HC,胞外碳酸酐酶催化HC分解为CO2,探究不同浓度NaHCO3溶液对藻种1、2、3生长的影响时,为保证拟柱孢藻能够充分利用水体中的HC,水体中CO2浓度应该保持在较低的水平。探究不同浓度NaHCO3溶液对藻种1、2、3生长的影响时,光照强度属于无关变量,应保持相同且适宜。(4)分析图2可得,A、B两点的净光合速率差异主要是由于NaHCO3的浓度不同,B点NaHCO3浓度高,分解产生的CO2多,净光合速率高。
9.答案 (1)ATP和NADPH C3 淀粉 (2)蔗糖和淀粉 CO2 (3)差速离心 细胞质基质 0.47~0.57 mol·L-1
解析 (1)光反应为暗反应提供NADPH和ATP,根据图1可知,C3还原之后生成磷酸丙糖,磷酸丙糖可在叶绿体中合成淀粉储存起来。(2)根据表格数据分析,去果的实验组和对照组相比,叶片中的蔗糖和淀粉含量增加;气孔导度下降会使二氧化碳供应不足,从而抑制暗反应阶段。(3)分离细胞器的方法是差速离心法,分离出的细胞器要悬浮在类似细胞质基质的环境中,保证其结构和功能不受影响。根据图2曲线分析可知,蔗糖浓度为0.47 mol·L-1时的光合速率与蔗糖浓度为0时的光合速率相等,超过该浓度后,随着蔗糖浓度升高,光合速率相对值降低,据此推测该实验中蔗糖浓度为0.47~0.57 mol·L-1时抑制了光合速率。
