(共22张PPT)
[命题最前沿五] 提高农作物产量
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突破训练
1．(2023·湖北等级考)高温是制约世界粮食安全的因素之一，高温往往使植物叶片变黄、变褐。研究发现平均气温每升高1 ℃，水稻、小麦等作物减产约3%～8%。关于高温下作物减产的原因，下列叙述错误的是( )
A.呼吸作用变强，消耗大量养分
B.光合作用强度减弱，有机物合成减少
C.蒸腾作用增强，植物易失水发生萎蔫
D.叶绿素降解，光反应生成的NADH和ATP减少
√
解析：呼吸作用的最适温度高于光合作用的，气温升高，植物呼吸作用增强，消耗的有机物增多，造成作物减产，A正确；温度升高，可能导致光合作用相关酶的活性降低，光合作用强度减弱，有机物合成减少，B正确；温度升高，蒸腾作用增强，植物易失水萎蔫，从而影响正常的生命活动，造成减产，C正确；据题干信息可知，高温使叶片变黄、变褐，推测高温导致叶绿素降解，光反应产生的NADPH和ATP减少，NADH在呼吸作用过程中产生，D错误。
2．关于生物学原理在生产实践中的应用，下列叙述错误的是( )
A.“一次施肥不能太多”是为了避免土壤溶液浓度过高，引起烧苗现象
B.农家肥在土壤中微生物的分解下产生CO2和无机盐，提高光合作用速率
C.“露田、晒田”能为根系提供更多O2，促进细胞呼吸，有利于根吸收无机盐和有机物
D.“肥田之法，种绿豆最佳”，利用根瘤菌和绿豆的互利共生肥田
解析：“露田、晒田”能为根系提供更多O2，促进根细胞进行有氧呼吸，有利于根吸收更多的无机盐，但不能促进根吸收有机物。
√
3．间作是指同一生长期内在同一田块上间隔种植不同作物的种植方式。已知氨基酸总量高的鲜叶更适合制作优质绿茶。某科研小组对单作、间作两种种植方式影响茶叶品质的光合作用机制进行了如下研究。
Ⅰ.实验分组：甲组(单作)：只种植茶树(高1米左右)；乙组(间作)：桂花树(高5～6米)与茶树间行种植。
Ⅱ.实验过程：在同一茶厂，试验地坡势平缓度、土壤肥力基本一致，分别于春茶、夏茶的生长季节测定。选择天气晴好的日期，8：00—18：00每隔2 h测一次茶树的相关数据，结果如下图所示。 回答下列问题：
(1)图A中，导致8：00—12：00期间甲、乙两组净光合速率均增加的环境变化是_________________________。图B中，与甲组相比，
乙组在10：00—12：00期间净光合速率继续增加的原因是
______________________________________________________________________________________。
茶树对不同元素的吸收量具有差异的直接原因是
______________________________________________________________。
光照强度增加(和温度上升)
桂花树的遮阴作用使环境温度适宜，茶树叶片气孔未关闭，不影响CO2的吸收
(茶树根系)细胞膜上吸收不同离子的载体蛋白的种类和数量存在差异
(2)实验测得两种种植条件下不同季节对茶叶氨基酸总量(%)的影响如下表所示。由此可知，更适合制作优质绿茶的采摘季节和种植方式分别是__________。
处理 春茶 夏茶
甲组 2.38 1.49
乙组 2.96 2.00
春季、间作
(3)科研人员为研究果实对邻近叶片光合速率的影响。选择若干生理状况相同的植株，随机均分为2组，分别测定第15片叶片光合速率；实验组摘除果实，对照组不摘除果实，再次测定2组第15片叶片光合速率。结果表明：实验组光合速率显著下降。基于上述实验设计的最合理假设是__________________________________________。
叶片中光合产物的积累会抑制光合作用的进行
解析：(1)题图A中，8：00—12：00期间光照强度增加(和温度升高)导致甲、乙两组净光合速率均增加。题图B中，与甲组相比，乙组在10：00—12：00期间净光合速率继续增加，原因是桂花树的遮阴作用使环境温度适宜(或间作使光照强度、温度适宜)，不影响气孔开度，CO2的吸收不受影响。细胞膜对无机盐的吸收取决于细胞膜上载体蛋白的种类及数量，由于(茶树根系)细胞膜上吸收不同离子的载体蛋白的种类和数量存在差异，故其对不同元素的吸收量具有差异性。(2)氨基酸含量高的鲜叶比较适合制作优质绿茶，
据题表数据可知，乙组春茶的氨基酸总量最高，因此更适合制作优质绿茶的采摘季节和种植方式是春季、间作。(3)由于摘除果实后光合速率显著下降，故根据实验设计的最合理假设是叶片中光合产物的积累会抑制光合作用的进行。
4.农业生产中的一些栽培措施可以影响作物的生理活动，促进作物的生长发育，达到增加产量的目的。请回答下列问题：
(1)轮作是指在同一田块上有顺序地在季节间和年度间轮换种植不同作物的种植方式。农民通常将玉米和大豆进行轮作。玉米对土壤中氮和硅的吸收量较多，而对钙的吸收量较少；豆科植物吸收大量的钙，而对硅的吸收量极少。根据题意可知，将玉米和大豆轮作的好处是___________________
_____________________(答出一点即可)。
防止土壤养分失衡(或
充分利用土壤营养)
(2)农民有时也会进行玉米和大豆的间行种植，其生物学原理是______________________________________________________________
______________________________________________________________
__________________________________________________。
利用大豆根瘤菌的固氮作用增加土壤中氮的含量，同时玉米和大豆间行种植可充分利用光能(或提高光能利用率)，提高单位土地面积的粮食产量
(3)很多植物不能混合种植，混合种植会导致产量下降。某生物兴趣小组欲通过一次实验进行如下两方面的研究：一是验证甲、乙两种植物混合种植，导致两种植物的单株平均干重均下降；二是探究两种植物根部竞争、茎叶竞争对单株平均干重的影响强度。完成如下实验步骤以及实验结果分析。
①实验步骤：
a.选择生长状况相似的健康甲、乙植株若干，分成适量且等量的几组备用。实验共分四组，编号为A、B、C、D。
b.A、B组的甲、乙植株______________，以此为对照；
C组的甲、乙植株种植在同一土壤中但茎叶部分分开，以形成根部竞争；D组的甲、乙植株___________________________________，以形成茎叶竞争。
c.在相同且适宜的条件下培养相同时间，测定各组植株的单株平均干重。
单独种植
种植在隔离的土壤中，但茎叶部分交织
②实验结果分析：
若________________________________________________________，说明根部竞争的影响大；
若_______________________________________________________，说明茎叶竞争的影响大；
若C、D组的单株平均干重比A、B组低，且两组下降量相当，说明根部竞争与茎叶竞争的影响强度相当。
C、D组的单株平均干重比A、B组低，且C组下降量大于D组
C、D组的单株平均干重比A、B组低，且C组下降量小于D组
解析：(1)玉米主要吸收氮和硅，而大豆主要吸收钙，所以二者轮作的好处是防止土壤养分失衡(或充分利用土壤养分)。(2)玉米和大豆间行种植，可利用大豆根瘤菌的固氮作用增加土壤中氮的含量，同时玉米和大豆间行种植可充分利用光能(或提高光能利用率)，提高单位土地面积的粮食产量。(3)①实验设计时要注意单一变量原则和对照原则，A、B组的甲、乙植株单独种植，以此为对照；C组的甲、乙植株种植在同一土壤中但茎叶部分分开，以形成根部竞争；D组的甲、乙植株种植在隔离的土壤中但茎叶部分交织，
以形成茎叶竞争。②若C、D组的单株平均干重比A、B组低，且C组下降量大于D组，说明根部竞争的影响大；若C、D组的单株平均干重比A、B组低，且C组下降量小于D组，说明茎叶竞争的影响大；若C、D组的单株平均干重比A、B组低，且两组下降量相当，说明根部竞争与茎叶竞争的影响强度相当。(共23张PPT)
[命题最前沿四] 光系统及电子传递链、光呼吸、CAM途径、C4途径——与大学教材知识的衔接
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1．光系统及电子传递链
(1)光系统 Ⅱ 进行水的光解，产生O2、H＋和自由电子(e－)，光系统 Ⅰ 主要是介导NADPH的产生。
(2)光反应时，通过光合色素将光能转化为电能，电子在电子传递体之间的传递导致ATP和NADPH的合成。
(3)光合作用ATP的合成依赖ATP合酶，通过光系统中电子传递链释放的能量在类囊体薄膜两侧建立质子梯度，质子顺电化学梯度流动时驱动ATP的合成。
2．光呼吸
(1)光呼吸是指绿色植物在光照情况下吸收O2，将叶绿体中的C5分解产生CO2的过程。光呼吸是光合作用中一个损耗能量的副反应。
(2)与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒体。光呼吸发生的条件是光照、高O2含量和低CO2含量等。
(3)在干旱天气和过强光照下，因为温度很高，蒸腾作用很强，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NADPH和ATP，又可以为暗反应阶段提供原料，因此光呼吸对植物有重要意义。
3．景天科植物(CAM途径)
(1)仙人掌、菠萝和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用。这类植物特别适合于干旱地区生长，其特点是气孔夜间开放，吸收并固定CO2，形成以苹果酸为主的有机酸；白天则气孔关闭，不吸收CO2，但同时却通过光合碳循环将从苹果酸中释放的CO2还原为糖。
(2)这是一种节省水的光合作用，参与CO2转化的细胞器除了叶绿体之外，还有线粒体和液泡。
4．C4植物(C4途径)
(1)玉米、高粱、甘蔗都是C4植物，适于在高温、干燥和强光的条件下生长。
(2)C4植物叶肉细胞的叶绿体和维管束鞘细胞的叶绿体共同完成CO2的固定。
(3)在高温、光照强烈和干旱的条件下，绿色植物的气孔大量关闭。这时，C4植物能够利用叶片内细胞间隙中含量很低的CO2进行光合作用(通过CO2泵转变为高浓度的CO2环境)。
突破训练
1．(2025·广州高三模拟)在光合作用的光反应中，叶绿素吸收的光能会被转化成电子进行传递。电子从光系统Ⅱ(PSⅡ)转移到光系统Ⅰ(PSⅠ)，最终生成NADPH。除此之外，PSⅡ还负责光合生物中水的光依赖性氧化，同时释放氧气和质子(H＋)，质子可以推动ATP合成，过程如右上图所示。下列相关叙述错误的是( )
A.PSⅡ具有吸收利用光能，并进行电子传递的作用
B.破坏PSⅡ会影响光反应中氧气的释放和ATP的合成
C.若降低B侧的H＋浓度，则有利于光反应过程中产生ATP
D.通过光合电子传递链，光能可转化到NADPH和ATP中
√
解析：据题图可知，类囊体薄膜上的PSⅡ具有吸收利用光能，并进行电子传递的作用，A正确；由题干可知，PSⅡ负责光合作用过程中水的光解，释放氧气和质子(H＋)，质子可以推动ATP合成，因此破坏PSⅡ会影响该过程中氧气的释放和ATP的合成，B正确；降低B侧的H＋浓度会减小类囊体薄膜两侧的H＋浓度差，不利于H＋顺浓度梯度运输到膜外，不利于ATP的合成，C错误；由题图可知，通过光合电子传递链，光能最终转化为ATP和NADPH中的化学能，D正确。
2．原本生活在干旱地区的多肉植物，经研究发现其CO2固定过程非常特殊，被称为景天酸代谢途径。其光合作用产生的中间产物苹果酸在CO2的固定和利用过程中起重要作用，过程如下图所示。据图分析，下列叙述错误的是( )
A.进行景天酸代谢的植物白天进行光反应，积累ATP和NADPH，晚上进行暗反应合成有机物
B.图示的代谢方式可以有效地避免植物由蒸腾过度导致的脱水，从而使该类植物适应干旱环境
C.与常见的C3代谢途径植物相比，夜间更适于放置在室内的是进行景天酸代谢途径的植物
D.多肉植物在其原生地环境中，其液泡中的pH会呈现白天升高、晚上降低的周期性变化
√
解析：白天在光照条件下，进行景天酸代谢的植物通过光反应生成的NADPH和ATP，用于暗反应，晚上植物没有NADPH和ATP的供应，暗反应不能进行，A错误；图示景天酸代谢途径，白天气孔关闭可减少水分散失，可以有效地避免植物由蒸腾过度导致的脱水，从而使该类植物适应干旱环境，B正确；由于进行景天酸代谢途径的植物晚上气孔开放，不断吸收CO2用于合成苹果酸，空气中的CO2减少，因此，与常见的C3代谢途径植物相比，夜间更适于放置在室内的是进行景天酸代谢途径的植物，C正确；多肉植物在晚上吸收CO2生成苹果酸储存在液泡中(pH降低)，白天苹果酸分解产生CO2用于暗反应(pH升高)，因此其液泡中的pH会呈现白天升高、晚上降低的周期性变化，D正确。
3．植物消耗氧气，将RuBP(C5)转化成CO2的过程称作光呼吸。RuBP羧化酶/加氧酶(Rubisco)不仅能催化CO2与RuBP进行羧化反应，还能催化氧气与RuBP的氧化反应，相关过程如下图所示。回答下列问题。
(1)Rubisco催化RuBP的羧化反应发生在真核细胞的____________(填具体部位)，这一过程称作____________，反应形成的产物被_______________________还原为糖类。
叶绿体基质
CO2的固定
NADPH(还原型辅酶Ⅱ)
(2)当CO2与O2的比值________(填“较高”或“较低”)时，更有利于植物进行羧化反应。对农作物的研究表明甲醇可以抑制光呼吸，已知植物细胞的光呼吸与乙醇酸氧化酶活性呈正相关，结合题干信息推测，甲醇抑制光呼吸的机制是__________________________________________________。
(3)在小麦、水稻等C3作物中，光呼吸导致光合作用的转化效率降低20%～50%，根据Rubisco的特性，改良作物的措施有
________________________________________________________________________________________________________(答出两点即可)。
较高
通过抑制乙醇酸氧化酶的活性来抑制光呼吸
改造Rubisco，使其具有更高的CO2亲和力和催化效率；改进或增加植物浓缩CO2的机制，提升Rubisco附近的CO2浓度
解析：(1)RuBP羧化酶/加氧酶能催化CO2与RuBP进行羧化反应，CO2与RuBP反应的过程被称为CO2的固定，发生在叶绿体基质中，CO2与RuBP反应的产物(C3)接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原，转化为糖类。(2)当CO2的含量较高时，CO2更容易与RuBP进行羧化反应，故当CO2与O2的比值较高时，更有利于植物进行羧化反应。甲醇可以抑制光呼吸，且植物细胞的光呼吸与乙醇酸氧化酶活性呈正相关，故可推测甲醇通过抑制乙醇酸氧化酶的活性来抑制光呼吸。(3)为了降低植物的光呼吸作用，可以改造Rubisco，使其具有更高的CO2亲和力和催化效率；改进或增加植物浓缩CO2的机制，提升Rubisco附近的CO2浓度。
4．有研究表明，大气中CO2浓度上升会提高C3植物(如小麦、水稻等)的光合速率，但对C4植物(如玉米、甘蔗等)的光合速率未产生明显的促进作用。当光照强度持续增加时， C3植物的光合速率不再增加， C4植物的光合速率仍可增加(注：光合作用时，CO2首先被固定在C4中，然后才转移到C3中，这类植物称为C4植物，CO2直接固定在C3中的植物称为C3植物)。下图为C4植物光合作用过程示意图。回答下列问题。
(1)植物光合作用的光反应在叶肉细胞的______________(填具体部位)上发生，产生的______________(填具体物质)为卡尔文循环提供能量。
(2)根据题干推测，在一般条件下，C4植物的CO2饱和点(光合速率不再随CO2浓度增加而增加时的CO2浓度)________(填“大于”“等于”或“小于”)C3植物的，其光饱和点(光合速率不再随光照强度增加而增加时的光照强度)________(填“大于” “等于”或“小于”)C3植物的。
类囊体薄膜
ATP和NADPH
小于
大于
(3)大气中CO2浓度上升能够提高C3植物的光合作用效率，但对C4植物无明显影响。据上图分析可能的原因是_________________________________
_______。
(4)有人认为干旱环境对C4植物光合作用的影响比C3植物的小，请设计实验验证这一结论，写出实验思路和预期结果(检测方法不做要求)。
实验思路：____________________________________________________
_______________________________________。
预期结果：________________________________。
PEP含量少或将PEP转化为C4的酶活性
较低
将长势相同的C3植物与C4植物置于同样的干旱环境中培养，一段时间后检测两种植株的生长情况
C4植物的生长量大于C3植物的
解析：(1)光合作用的光反应发生在类囊体膜上；光反应产生的ATP和NADPH可以为暗反应(卡尔文循环)提供能量。(2)根据题干可知，大气中CO2浓度上升会提高C3植物的光合速率，但对C4植物的光合速率未产生明显的促进作用，说明C4植物的CO2饱和点小于C3植物的，当光照强度持续增加时， C3植物的光合速率不再增加， C4植物的光合速率仍可增加，说明C4植物的光饱和点大于C3植物的。(3)由图可知， C4植物进行光合作用时，CO2首先与PEP结合，被固定在C4中，然后才转移到C3中，故推测大气中CO2浓度上升能够提高C3植物的光合作用效率，但对C4植物无明显影响的原因是C4植物叶绿体内PEP含量少或将PEP转化为C4的酶活性较低。
(4)本实验为验证干旱环境对C4植物光合作用的影响比C3植物的小，实验思路为将长势相同的C3植物与C4植物置于同样的干旱环境中培养，一段时间后检测两种植株的生长情况，预期结果为C4植物的生长量大于C3植物的。
