新教材高考生物二轮复习专题二第2讲光合作用与细胞呼吸课件

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光能转变为ATP和NADPH中活跃的化学能
温度、O2、H2O等
1.用韭菜的宿根在见光和避光下可分别培育出韭菜和韭黄,以此为材料设计实验,如何探究韭菜和韭黄的叶片中各有哪些色素?请你提供检测方法并写出主要步骤。
提示 纸层析法。主要步骤是①提取韭菜和韭黄叶片中的色素,②制备滤纸条,③画滤液细线,④用层析液分离色素,⑤观察色素带。
2.卡尔文等人在小球藻培养液中通入14CO2,适宜光照下培养,在给予不同的光照时间后,检测分析其放射性物质出现的情况,从而揭示了光合作用暗反应的过程。该实验中用到了什么实验方法?请预测实验结果(答出一点即可)。
提示 同位素标记法。实验结果:生成的有机物中含有14C。
3.海洋中的藻类植物,习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻,它们在海水中的垂直分布依次是浅、中、深,这与光能的捕获有关吗?请简要分析。
提示 有关。不同颜色的藻类吸收不同波长的光。藻类本身的颜色是反射出来的光,即红藻反射出红光,绿藻反射出绿光,褐藻反射出黄光。水层对光波中的红光、橙光的吸收显著多于对蓝光、绿光的吸收,即到达深水层的光线是相对短波长的光,所以吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层,吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水的深层。
4.光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO2,一定时间后杀死小球藻,同时提取产物并分析。实验发现,仅仅30 s的时间,放射性代谢产物多达几十种。缩短时间到7 s,发现放射性代谢产物减少到12种,若要探究CO2转化成的第一个产物,可能的实验思路是什么?
提示 不断缩短光照时间后杀死小球藻,同时提取产物并分析,直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物,该物质即为CO2转化成的第一个产物。
5.在农业生产实践中,常采用多种措施提高农作物的产量。根据高中生物学所学内容,请你从生物学的角度分析如何提高农作物产量。
提示 ①搞好遗传育种或选种:如将固氮基因转移到粮食作物中等。②改善细胞代谢条件:提高光合作用的强度和降低呼吸作用的强度;合理密植;间作、轮种和套种;科学施肥;合理灌溉。③调整能量流动方向:松土除草,加强病虫害防治。④施加调节物质。
6.全球气温的上升会对农作物产量造成哪些方面的影响?
提示 使农作物的最佳种植地带转移;使农作物病虫害的发生地转移;会增加许多主要农作物害虫的数量、生长速度和地理分布的范围;通过二氧化碳和气温的作用影响农作物产量。
1.图解光合作用与细胞呼吸的过程
特别提示无氧呼吸中的[H]无氧呼吸过程中,[H]在第一阶段产生,在第二阶段被消耗,无[H]的积累。
2.光合作用与细胞呼吸过程中物质变化和能量转化过程(1)光合作用和细胞呼吸中物质变化过程
(2)光合作用和细胞呼吸中能量转化过程
①光合作用中光反应产生的ATP只供暗反应利用,而细胞呼吸产生的ATP可供各项生命活动利用。②无氧呼吸只在第一阶段产生少量ATP,第二阶段不产生ATP。
3.不同条件下光合作用与细胞呼吸的关系(1)关系图解
(2)解读真正光合速率与呼吸速率的关系(图示)
题组一　精典对练——拿高分▶题型一　结合光合作用与细胞呼吸的过程,考查生命观念、科学思维1.(2020全国Ⅰ卷)种子储藏中需要控制呼吸作用以减少有机物的消耗。若作物种子呼吸作用所利用的物质是淀粉分解产生的葡萄糖,下列关于种子呼吸作用的叙述,错误的是(　　)A.若产生的CO2与乙醇的分子数相等,则细胞只进行无氧呼吸B.若细胞只进行有氧呼吸,则吸收O2的分子数与释放CO2的相等C.若细胞只进行无氧呼吸且产物是乳酸,则无O2吸收也无CO2释放D.若细胞同时进行有氧和无氧呼吸,则吸收O2的分子数比释放CO2的多
答案 D　解析 由题干可知,种子呼吸作用消耗的底物为葡萄糖。有氧呼吸消耗1 ml葡萄糖产生6 ml CO2,无氧呼吸消耗1 ml葡萄糖产生2 ml乙醇和2 ml CO2,因此,若呼吸作用产生的CO2与乙醇的分子数相等,则细胞只进行无氧呼吸,A项正确。有氧呼吸消耗1 ml葡萄糖和6 ml O2产生6 ml CO2,因此,若细胞只进行有氧呼吸,则吸收O2的分子数与释放CO2的相等,B项正确。产乳酸的无氧呼吸,既不消耗O2,也不产生CO2,因此,若细胞只进行无氧呼吸且产物是乳酸,则无O2吸收也无CO2释放,C项正确。若细胞同时进行有氧呼吸和产乳酸的无氧呼吸,则吸收O2的分子数等于释放CO2的分子数;若同时进行有氧呼吸和产酒精的无氧呼吸,则吸收O2的分子数比释放CO2的少,D项错误。
2.(2021山东烟台测试)叶绿体中催化CO2固定的酶R由叶绿体DNA编码的大亚基和细胞核DNA编码的小亚基共同组装而成,部分代谢途径如下图所示。下列有关叙述正确的是(　　)
A.叶绿体的功能受核DNA的控制B.酶R在NADPH的参与下固定CO2形成C3-ⅠC.X的浓度随着外界CO2浓度增加而增加D.C3-Ⅱ输出叶绿体的速度不影响淀粉的合成
答案 A　解析 R酶的小亚基由核基因控制合成,故叶绿体的功能受核DNA的控制,A项正确。CO2的固定不需要NADPH的参与,B项错误。X(C5)的浓度与CO2浓度、光照强度等因素相关,外界CO2浓度增加,短时间内C5的浓度会减小,C项错误。一部分C3-Ⅱ在叶绿体中转化为淀粉,一部分输出叶绿体转化为蔗糖,故其输出叶绿体的速度会影响淀粉的合成,D项错误。
题后拓展光合产物光合作用中最主要的产物是碳水化合物,其中包括单糖、二糖和多糖。单糖中最普遍的是葡萄糖和果糖;二糖是蔗糖;多糖则是淀粉。在植物叶片中,葡萄糖常转变成淀粉暂时储存起来。光合产物转移有利于光合作用的进行。
▶题型二　借助光合作用中物质含量的变化,考查科学思维3.下列关于光合作用中改变反应条件而引起的变化,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的值减小C.突然将单色光改变为白光会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大D.突然将白光改变为单色光会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值增大
答案 C　解析 突然中断CO2供应,会使暗反应中CO2固定减少,而短时间内C3还原仍在进行,因此C3减少,C5增多,会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值增大,A项错误。突然中断CO2供应,会使生成的C3减少,因此C3还原利用的ATP减少,导致ATP积累增多,而ADP生成量减少,会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大,B项错误。突然将单色光改变为白光会导致光反应吸收的光能增加,光反应产生的ATP和NADPH增加,而ADP相对含量减少,因此暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大,C项正确。突然将白光改变为单色光,会导致光反应产生的ATP和NADPH减少,这将抑制暗反应中C3的还原,导致C5减少,C3增多,因此会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值减小,D项错误。
4.(2021山东临沂一模)已知蛋白核小球藻的光合作用过程如下图所示,其中PSⅠ和PSⅡ为光合色素与蛋白质组成的复合光反应系统。在盐胁迫(高浓度NaCl)条件下,蛋白核小球藻的光反应复合体PSⅠ和PSⅡ的结构会受到损伤,电子传递速率降低,光反应速率降低,从而使光合作用减弱。下列分析错误的是(　　)
A.PSⅡ中的光合色素能利用吸收的光能,将H2O分解为O2和H+B.ATP合成酶具有催化功能,并协助H+实现跨膜运输C.蛋白核小球藻光反应产生的O2被细胞呼吸利用至少穿过四层生物膜D.刚遭遇盐胁迫的蛋白核小球藻,叶肉细胞内C3含量上升,C5含量下降
答案 C　解析 PSⅠ和PSⅡ为光合色素与蛋白质组成的复合光反应系统,光合作用的光反应阶段发生在类囊体薄膜上,PSⅡ中的光合色素吸收光能后,将H2O分解为O2和H+,A项正确。酶具有催化作用,由题图可知,ATP合成酶可协助H+实现跨膜运输,B项正确。由题图可知,蛋白核小球藻光反应产生的O2被细胞呼吸利用至少穿过五层生物膜,包括类囊体薄膜、叶绿体的双层膜及线粒体的双层膜,C项错误。在盐胁迫(高浓度NaCl)条件下,蛋白核小球藻的光反应复合体PSⅠ和PSⅡ的结构会受到损伤,电子传递速率降低,光反应速率降低,使产生的ATP、NADPH减少,从而影响了暗反应,使C3含量上升、C5含量下降,D项正确。
技巧点拨过程图法分析C3、C5等物质含量变化的一般程序(1)绘制光合作用模式简图
(2)从物质的生成和消耗两个方面综合分析。如CO2供应正常、光照停止时,C3的含量变化如下图所示。
题组二　易错防范——不失分1.生命活动的正常进行需要能量的驱动,而能量的供应(光合作用)和利用(细胞呼吸)都离不开化学反应,物质是能量的载体,能量是物质变化的动力,这体现了生物学中的物质和能量观。判断下列有关细胞呼吸、光合作用的表述是否正确。(1)若细胞同时进行有氧呼吸和无氧呼吸(以葡萄糖为呼吸底物),则吸收O2的分子数比释放CO2的多[2020全国Ⅰ卷,T2D]。(　　)(2)马铃薯块茎细胞无氧呼吸产生丙酮酸的过程不能生成ATP[2019全国Ⅱ卷,T2C]。(　　)(3)乳酸菌无氧呼吸的第二阶段需ATP水解提供能量[2019天津卷,T2D改编]。(　　)
(4)卡尔文等探究CO2中的碳在光合作用中的转化途径采用了同位素标记法[2020江苏卷,T20A改编]。(　　)(5)高等植物细胞中,光合作用的光反应只发生在生物膜上[2018海南卷,T4A改编]。(　　)
(8)光合作用过程中光能转化为化学能,细胞呼吸过程中化学能转化成热能和ATP。(　　)
2.(2021山东潍坊三模)下图为某一类型无氧呼吸过程中物质和能量变化的简图。下列相关说法正确的是(　　)
A.图示过程是马拉松长跑时所需能量的主要来源B.无氧呼吸第一阶段葡萄糖分解产生的能量全部储存于ATP中C.丙酮酸变为乳酸的过程没有中间产物,故不需要酶催化D.细胞代谢中的物质代谢总要伴随着能量代谢
答案 D　解析 马拉松长跑时所需能量的主要来源是有氧呼吸,期间会伴随着无氧呼吸的进行,A项错误。无氧呼吸第一阶段葡萄糖分解产生的能量少部分储存于ATP中,大部分以热能的形式散失,B项错误。无氧呼吸中在不同酶的催化下,丙酮酸转化为酒精和二氧化碳或乳酸,故丙酮酸变为乳酸的过程需要酶催化,C项错误。物质是能量的载体,能量是物质循环的动力,故细胞代谢中的物质代谢总要伴随着能量代谢,D项正确。
3.(2021山东德州二模)厌氧型绿硫细菌以硫化物为氢供体进行光合作用,是最古老的光合细菌之一。下图表示绿硫细菌的光复合系统参与的代谢过程。下列叙述错误的是(　　)
A.绿硫细菌的光复合系统含有色素和蛋白质B.绿硫细菌能为生态系统中其他生物提供氧气和有机物C.培养绿硫细菌时不需要通入氧气也无需提供有机碳源D.图示过程实现了光能到有机物中的化学能的转化
答案 B　解析 由题图可知,绿硫细菌的光复合系统也能吸收光能,并发生化学反应(需要相关酶),说明绿硫细菌的光复合系统含有色素和蛋白质,A项正确。厌氧型绿硫细菌以硫化物为氢供体进行光合作用,由题图可知,绿硫细菌光反应不产生氧气,因此不能为其他生物提供氧气,B项错误。厌氧型绿硫细菌以硫化物为氢供体进行光合作用,因此培养绿硫细菌时不需要通入氧气,也无需提供有机碳源,C项正确。题图反应中绿硫细菌将光能转化为化学能,储存在ATP和NADPH(有机物)中,D项正确。
易错点拨细胞呼吸的底物与产物(1)并非所有生物的无氧呼吸都产生CO2。人、高等动物、马铃薯的块茎、甜菜的块根及玉米种子的胚等进行无氧呼吸的产物为乳酸。(2)细胞呼吸的底物并非只有葡萄糖。细胞呼吸最常用、最主要的底物为葡萄糖,但脂肪、蛋白质等其他有机物也可作为细胞呼吸的底物。若以脂肪为有氧呼吸底物,O2消耗量多于CO2产生量。
1.掌握影响细胞呼吸因素的四类曲线
点拨果蔬储存:0 ℃以上低温、低氧、高CO2、一定湿度。粮食储存:低温、干燥、低氧、高CO2。
2.把握影响光合作用因素的三类曲线
特别提示光合作用影响因素的实践应用
3.光合速率曲线和呼吸速率曲线的综合分析
题组一　精典对练——拿高分▶题型一　围绕光合作用的影响因素,考查科学思维1.(2021山东滨州高三期末)盐胁迫对西瓜幼苗相关生理特性的影响如下表所示。下列说法正确的是(　　)
注气孔导度表示气孔张开的程度。
A.本实验的无关变量包括每组幼苗数量、NaCl浓度和用量等B.幼苗的净光合速率随着NaCl浓度升高而不断减小C.低盐胁迫有利于幼苗吸收更多的水分和CO2D.高盐胁迫下气孔导度是限制净光合速率的主要因素
答案 C　解析 由题表可知,自变量为NaCl浓度,因变量为净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率,则每组幼苗数量、胁迫时间等均属于无关变量,A项错误。低盐胁迫下的净光合速率与空白对照组相比有所上升,NaCl浓度从20 mml/L增大到120 mml/L,幼苗的净光合速率随着NaCl浓度升高而不断减小,B项错误。低盐胁迫使气孔导度增大,有利于幼苗吸收CO2,蒸腾速率增加,使植物体吸收更多的水分,C项正确。高盐胁迫下,净光合速率明显下降,相比对照组,胞间CO2浓度增加,蒸腾速率降低,可能是植物细胞在高盐环境中失水导致植物细胞缺水从而降低了净光合速率,D项错误。
2.(2021山东临沂高三期末)将玉米的PEPC酶(果胶酯酶)基因与PPDK酶(丙酮酸磷酸双激酶)基因导入水稻,获得转双基因水稻。某温度下,光照强度对转双基因和原种水稻光合速率的影响如图1所示;在光照强度相对值为10时,测得的温度对光合速率的影响如图2所示。据图分析,下列说法正确的是(　　)
A.本实验的自变量是光照强度和温度B.在25 ℃下重复图1相关实验,A点会向右上方移动C.转双基因水稻提高了CO2的固定能力,从而增强了光合速率D.转双基因水稻适合栽种在高温、低光照环境中
答案 C　解析 由题意可知,本实验的自变量是水稻种类(水稻是否导入玉米的PEPC酶基因与PPDK酶基因)、光照强度和温度,A项错误。由图2可知图1是在30 ℃时做的实验,25 ℃时净光合速率变低,所以A点向左下方移动,B项错误。图1中A点以前限制光合作用的因素是光照强度,以后主要是温度和CO2浓度,由此可推知转双基因水稻可提高对CO2的利用而增强光合速率,C项正确。由图1可知,随光照强度增大,转双基因水稻的光合速率增大,所以转双基因水稻适合栽种在高光照环境中。由图2可知,转双基因水稻在35 ℃时光合速率最大,超过40 ℃时光合速率降为0,D项错误。
▶题型二　围绕光合作用和细胞呼吸在生产实践中的应用,考查社会责任3.(2021山东滨州高三期末)多花黄精是中国特有的野生药材,具有提高免疫力等多种功效。在种植过程中发现,栽培环境光照过强会使其光合速率下降。为探索多花黄精的最佳栽培条件,研究小组进行了相关实验,如下表所示。
(1)光照过强会导致多花黄精光反应系统受损,破坏了　　　　　　　(填结构名称),导致光能捕获能力下降。随机选择在不同遮光条件下大小一致、长势旺盛的多花黄精叶片,用　　　　　　　　提取叶片中的色素测定叶绿素含量。由上表结果可知,随着遮阴程度的增加,多花黄精总叶绿素含量　　　　,叶绿素a/叶绿素b的值　　　　,这种结果表明多花黄精具有一定的耐阴能力。 (2)多花黄精的最大净光合速率在遮阴处理下均比对照组　　　。与T1处理相比,T3处理下多花黄精的CO2吸收速率　　　　,原因是　　　　　　　　　　　　　　　。结合该研究结果,请给人工栽培多花黄精提出一项合理建议:　　　　　　　　　　　　　　　　。  
(3)甜玉米为喜光植物,植株较高,在生产实践中与多花黄精进行合理搭配种植,可以充分利用　　　　　　　　　　　　(至少答出两点),以增加经济效益。
答案 (1)类囊体(或基粒)　无水乙醇　增加　减小　(2)高　较小　光照强度低,光反应减弱,为暗反应提供的NADPH和ATP较少,导致暗反应速率较低　种植多花黄精时适度遮阴(或种植多花黄精时采用1层遮阴网遮光)　(3)光能、CO2、无机盐
解析 (1)由题表可知,适当遮光条件下,两种叶绿素的含量增加,据此可推测光照过强会导致多花黄精光反应系统受损,破坏了类囊体(薄膜),导致光能捕获能力下降。随机选择在不同遮光条件下大小一致、长势旺盛的多花黄精叶片,用无水乙醇提取叶片中的色素测定叶绿素含量。由题表可知,随着遮阴程度的增加,多花黄精总叶绿素含量增加,叶绿素a/b的值减小,该结果表明多花黄精具有一定的耐阴能力。
(2)实验数据显示多花黄精的最大净光合速率在遮阴处理下均比对照组高。与T1处理相比,T3处理下比T1、T2处理条件下多花黄精的CO2吸收速率小,应该是光照强度过低,光反应减弱,为暗反应提供的NADPH和ATP较少,导致暗反应速率减小。根据表中研究结果可知,在人工栽培多花黄精时为了提高产量,可适当遮光,如实验中采用1层黑色遮阴网(透光率达到80%)效果最好。(3)甜玉米为喜光植物,植株较高,正好能起到给多花黄精遮阴的作用,二者合理搭配种植,可以充分利用空间、资源(光能、CO2、无机盐),同时也能满足多花黄精耐阴的需求,从而增加产量,提高经济效益。
▶题型三　将影响光合作用的因素与植物激素调节相结合,考查科学探究4.(2021山东临沂一模)科研人员以野生型拟南芥植株为材料进行了相关实验,其叶肉细胞渗透压、叶片ABA含量和气孔阻力(与气孔开闭程度有关,气孔全开时气孔阻力最小)之间的变化关系如图1所示,ABA调节气孔关闭与保卫细胞内K+浓度有关,其作用机制如图2所示。回答下列问题。
(1)拟南芥叶肉细胞中光合色素分布在　　　　　　　　　　　　　,作用是　　　　　　　　　　　　　　。 (2)据图分析可知,恢复浇水能提高拟南芥光合作用强度,理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)由图2可知,当ABA与受体结合后,通过关闭气孔和抑制气孔开放两条途径协同作用,即　　　　　　　　　　　　　　,调节保卫细胞内K+浓度,使气孔维持关闭状态。为进一步研究ABA受体与气孔关闭的关系,研究者以野生型拟南芥植株和超表达ABA受体基因的拟南芥植株为材料设置对照实验,进行培养并定期测量叶片的　　　　　　　。
若　　　　　　　　　　　　　　　　　,则说明ABA受体增多能够加速气孔关闭。 (4)研究发现,在干旱条件下,ABA浓度与光合色素降解程度呈正相关。请以拟南芥ABA缺失突变体为材料,设计实验验证该结论。写出实验思路和预期结果(光合色素含量的测定方法不作要求)。
答案 (1)叶绿体类囊体薄膜上　吸收、传递和转化光能(2)ABA含量降低,气孔阻力减小,CO2供应增加,光合作用增强(3)促使保卫细胞内Ca2+增加,促进K+外流,同时抑制K+内流　气孔阻力(或气孔直径)　实验组叶片的气孔阻力大于(或气孔直径小于)对照组(4)实验思路:取经过干旱处理的拟南芥ABA缺失突变体若干并分组编号,用不同浓度的ABA溶液处理,再置于相同且适宜条件下培养;一段时间后测定各组叶片的光合色素含量。预期结果:随着ABA浓度的增大,拟南芥ABA缺失突变体中光合色素含量逐渐下降。
 解析 (1)叶绿体中的光合色素分布在类囊体膜上,这些色素能够吸收、传递和转化光能。(2)由题图可知,干旱处理能增大叶片细胞的渗透压,进而促进ABA的合成和分泌,导致气孔关闭,CO2供应减少;恢复供水后,ABA含量下降,气孔打开,CO2供应增加,因此可推知干旱处理会降低植物的光合作用,恢复供水则有利于光合作用。(3)由题图2可知,当ABA与受体结合后,促使保卫细胞内Ca2+增加,促进K+外流,使气孔处于关闭状态,同时抑制K+内流,调节保卫细胞内K+浓度,使气孔维持关闭状态(抑制气孔开放),即通过关闭气孔和抑制气孔开放两条途径协同作用。由于当ABA与受体结合后,使气孔维持关闭状态,故为进一步研究ABA受体与气孔关闭的关系,以野生型拟南芥植株和超表达ABA受体基因(ABA受体增多)的拟南芥植株为材料设置对照实验,进行培养,自变量为ABA受体的多少,因变量为叶片的气孔阻力(或气孔直径)。若实验组叶片的气孔阻力大于(或气孔直径小于)对照组,则说明ABA受体增多能够加速气孔关闭。
(4)本实验的目的是要验证在干旱条件下,ABA浓度与光合色素降解程度呈正相关,而且题干已经给了实验材料,根据实验目的可知本实验的自变量是用不同浓度梯度的ABA处理拟南芥ABA缺失突变体,因变量是拟南芥色素含量的变化,无关变量保持相同且适宜。实验设计如下:取经过干旱处理的拟南芥ABA缺失突变体若干并分组编号,用不同浓度的ABA溶液处理,再置于相同且适宜条件下培养;一段时间后测定各组叶片的光合色素含量。预期结果:随着ABA浓度的增大,拟南芥ABA缺失突变体中光合色素含量逐渐下降。
题后拓展植物激素对光合作用的影响脱落酸通过促进气孔关闭影响植物吸收CO2的速率,进而影响光合作用速率。
题组二　易错防范——不失分1.某兴趣小组取两株生理状态一致的番茄植株,一株保留果实,一株摘除果实,分别置于密闭透明的玻璃钟罩中,在自然条件下处理一昼夜,结果如下图所示。据图分析,下列说法正确的是(　　)
A.甲组番茄植株光合作用开始于7时,乙组开始于6时B.24 h内,甲、乙两组番茄植株光合速率等于呼吸速率只在17时、18时C.24 h后,甲组玻璃钟罩中CO2浓度低于乙组,说明乙组植株长势更好D.甲组番茄植株有果实,果实的存在可促进番茄植株的光合作用
答案 D　解析 两组植株所处环境相同,应同时进行光合作用,乙组番茄植株在6时的光合速率等于呼吸速率,说明乙组在6时前就进行了光合作用,因此甲组番茄植株也在7时前进行了光合作用,A项错误。24 h内,甲组番茄植株光合速率等于呼吸速率在7时、17时,乙组番茄植株光合速率等于呼吸速率在6时、18时,B项错误。24 h后,甲组玻璃钟罩中CO2浓度低于乙组,说明甲组合成的有机物更多,甲组植株长势更好,C项错误。玻璃钟罩中的乙组植物无果实,叶片光合作用产物不能及时输出,抑制光合作用吸收CO2;而玻璃罩中的甲组番茄植株有果实,光合产物及时输出,光合作用较强,由此说明果实的存在可促进番茄植株的光合作用,D项正确。
易错点拨(1)植物在一天中光合速率和呼吸速率相等的时间点有两个。(2)逆向思维:纵坐标是玻璃罩内CO2浓度变化曲线,植物吸收的CO2变化曲线与之相反。
2.在CO2浓度相同、光照不同的条件下,对油菜光合速率日变化研究的实验结果如下图所示。下列分析错误的是(　　)
A.据图可知,油菜最大光合速率上午均比下午高,这与环境因素的变化有关B.与Ⅰ相比,Ⅱ出现“光合午休”现象是由于中午光照强烈、温度升高,导致叶片气孔关闭影响光合作用的暗反应阶段,从而使光合速率下降C.与Ⅱ相比,Ⅲ也出现了“光合午休”现象,可推测油菜的光合速率除受外界环境因素影响外,还受遗传因素的控制D.据图可知,提高CO2浓度,Ⅰ的光合速率可达到Ⅲ
答案 D　解析 由题图可知,油菜最大光合速率上午均比下午高,这与上午光照强烈、温度适宜等因素有关,A项正确。与Ⅰ相比,Ⅱ中午时分,由于光照强烈导致温度升高,植物蒸腾作用剧烈而失水,使叶肉细胞部分气孔关闭,CO2通过气孔进入叶肉细胞内部的量减少,叶肉细胞内的CO2浓度降低,大大降低了暗反应过程中CO2的固定,导致光合速率下降,B项正确。与Ⅱ相比,Ⅲ在恒定光照强度下,同样的时间也出现了“光合午休”现象,这是内因即遗传因素控制的生物节律现象,C项正确。由题图可知,限制曲线Ⅰ的主要环境因素是光照强度,所以提高CO2浓度,Ⅰ的光合速率也不能达到Ⅲ,D项错误。
3.(2021山东潍坊二模)下图表示在光照、温度等条件适宜情况下,环境中CO2浓度分别对甲、乙两种植物光合速率的影响。请回答下列问题。
(1)当CO2浓度为350 μml/mL时,甲植物CO2的固定速率　　　　(填“小于”“等于”或“大于”)乙植物CO2的固定速率;此时若适当提高CO2浓度,则短时间内甲植物叶绿体中C3/C5的值将　　　　(填“升高”“降低”或“不变”)。若其他环境条件不变,要使甲植物经过一昼夜(12 h白天,12 h黑夜)获得有机物的积累,则白天CO2浓度必须大于　　　　μml/mL。 (2)在光照强度、温度等其他条件适宜的情况下,将上述两种植物置于初始CO2浓度为600 μml/mL的同一密闭容器中。一段时间后,发现两种植物的光合速率都降低,其中光合速率首先开始降低的植物是　　　　,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)有科研人员认为乙植物比甲植物更适合生活在干旱土壤中,据图分析理由是 
答案 (1)大于　升高　150(2)甲　CO2浓度为600 μml/mL时,甲、乙两植物都达到了CO2饱和点;容器中CO2浓度逐渐降低;甲植物CO2饱和点大于乙植物CO2饱和点,所以CO2浓度降低甲植物光合速率首先降低(3)干旱会导致植物气孔部分关闭,CO2供应不足,乙植物更能耐受低CO2浓度,其CO2补偿点更低,所以乙植物更适合生活在干旱土壤中
解析 (1)由题图可知,当CO2浓度为350 μml/mL时,甲植物的呼吸速率大于乙植物,净光合速率相等,因此甲植物CO2的固定速率大于乙植物CO2的固定速率;此时若适当提高CO2浓度,短时间内CO2的固定速率加快,C5含量减少,C3增多,则甲植物叶绿体中C3/C5的值将升高。甲植物经过一昼夜呼吸作用释放CO2量=24×20 =480(mg/m2),光合作用固定速率=480÷12=40[mg/(m2·h)],则净光合速率=真正的光合速率-呼吸速率=40-20=20[mg/(m2·h)],由题图可知,要想获得有机物的积累,则白天净光合速率要大于20 mg/(m2·h),因此CO2浓度必须大于150 μml/mL。
(2)在光照强度、温度等其他条件适宜的情况下,将上述两种植物置于初始CO2浓度为600 μml/mL的同一密闭容器中,此时甲、乙两植物都达到了CO2饱和点,容器中CO2浓度逐渐降低;甲植物CO2饱和点大于乙植物CO2饱和点,所以CO2浓度降低甲植物光合速率首先降低。(3)干旱会导致植物气孔部分关闭,CO2供应不足,由题图可知,乙植物更能耐受低CO2浓度,其CO2补偿点更低,所以乙植物更适合生活在干旱土壤中。
易错点拨“三率”的概念及相互关系
1.种子萌发时细胞呼吸类型的实验探究(1)实验设计:欲确认某生物的呼吸类型,应设置两套呼吸装置,如下图所示(以发芽种子为例)。
(2)实验结果预测和结论
2.呼吸速率和净光合速率测定的常用方法(1)液滴移动法(气体体积变化法)
提示在实验操作过程中,无法直接测定植物的真正光合速率,因此,常在光照下测定植物的净光合速率,在黑暗中测定呼吸速率,两者之和即为植物的真正光合速率。
特别提醒物理误差的校正为使实验结果精确,除减少无关变量的干扰外,还应设置对照装置。对照装置与两装置相比,不同点是用“死亡的绿色植物”代替“绿色植物”,其余均相同。
(2)黑白瓶法“黑白瓶”问题是一类通过净光合作用强度和有氧呼吸强度推算真正光合作用强度的问题,题中“黑瓶”不透光,测定的是有氧呼吸量;“白瓶”给予光照,测定的是净光合作用量,可分为有初始值与没有初始值两种情况,规律如下所示。
4.光合作用与细胞呼吸实验的设计技巧(1)实验设计中必须注意三点
1.图甲为在一定浓度CO2缓冲液、其他最适条件下培养的植物,图乙的a、b为培养过程中一些量的相对值的变化。下列说法错误的是(　　)
A.若图乙表示图甲中植物叶肉细胞内C3的变化,则a到b可能是突然停止光照或光照减弱B.若图乙表示图甲完全培养液中K+的浓度,由a到b的变化说明植物对K+吸收的相对速率小于对水分吸收的相对速率C.若图乙表示图甲植物呼吸速率的变化,则由a到b的变化可能是由遮光改为照光D.若图乙表示图甲植物光合速率的变化,则由a到b可能是适当提高了CO2缓冲液的浓度
答案 C　解析 若图乙表示图甲中植物叶肉细胞内C3的变化,则a到b表示C3的含量增多,可能是突然停止光照或光照减弱,使光反应产生的ATP和NADPH减少,C3的还原减弱所致,A项正确。若图乙表示图甲完全培养液中K+的浓度,由a到b表示K+的浓度上升,这说明植物对K+吸收的相对速率小于对水分吸收的相对速率,B项正确。光照强度影响光合速率,基本不影响呼吸速率,C项错误。适当提高CO2浓度即CO2缓冲液的浓度,可以加快光合速率,D项正确。
2.(2021山东烟台高三期末)马缨丹是一种原产于美洲的热带植物,在高温下生长旺盛。植株中还存在挥发油、酚酸类和黄酮类物质,能够抑制其他植物生长。回答下列问题。
(1)马缨丹在光合作用过程中光反应的场所是　　　　　　　　　　,光反应中能量的转换过程是　　　　　　　　　　　　　　　。 
(2)如上图所示,以马缨丹绿叶、CO2缓冲液、聚光灯等为实验材料,研究光对马缨丹光合作用的影响。实验时,试管内变化的气体是　　　　。在光照足够强的情况下,用不同颜色的玻璃纸罩住聚光灯,研究发现用绿色玻璃纸罩住的实验组红色液滴移动量最少,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)在探究马缨丹对高温适应性机制时表明,适当降温后马缨丹叶片气孔导度增大不是由适当降温直接引起的,而是由叶片中的细胞分裂素(CTK)含量增加引起的。请利用生理状况相同的马缨丹CTK缺失突变体(不能合成CTK)植株、CTK溶液、气孔导度测定仪,设计实验来验证这一结论,要求简要写出实验思路及预期结果。
答案 (1)类囊体薄膜　将光能转化成ATP和NADPH中活跃的化学能(2)O2　光合色素对绿光的吸收最少,光合作用产生的氧气最少(3)[方案一]实验思路:取CTK缺失突变体植株在较高温度下第一次测定气孔导度,经适当降温处理后,第二次测定气孔导度,最后给予外源CTK处理,第三次测定气孔导度。预期结果:第一次和第二次测定的气孔导度相同,第三次测定的气孔导度增大。
[方案二]实验思路:取CTK缺失突变体植株在较高温度下测定气孔导度,经适当降温处理后,再测定气孔导度。然后将上述降温处理的CTK缺失突变体植株分成两组,在低温条件下,一组进行CTK处理,另一组作为对照组,一段时间后,分别测定两组的气孔导度。预期结果:降温处理前后的气孔导度不变;低温条件下CTK处理组气孔导度增大,对照组气孔导度不变。
解析 (1)马缨丹在光合作用过程中光反应的场所是类囊体薄膜,光反应中能量的转换过程是将光能转化成ATP和NADPH中活跃的化学能。(2)光合作用利用CO2并释放O2,试管中有CO2缓冲液,能维持CO2的恒定,所以实验时,试管内变化的气体是O2。由于光合色素对绿光的吸收最少,光合作用产生的O2最少,所以在光照足够强的情况下,用不同颜色的玻璃纸罩住聚光灯,会发现用绿色玻璃纸罩住的实验组红色液滴移动量最少。(3)本实验目的是证明适当降温后马缨丹叶片气孔导度增大不是由适当降温直接引起的,而是由叶片中的细胞分裂素(CTK)含量增加引起的。根据提供的实验材料可进行的实验设计见答案。
大题分析与表达(一)　细胞代谢类大题突破
【典例】 (2020山东等级考)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如下图所示,其中甲、乙表示物质,模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。回答下列问题。
(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是　　　　　　　,模块3中的甲可与CO2结合,甲为　　　　　　　。 (2)若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将　　　　　(填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长,模块2中的能量转换效率也会发生改变,原因是　。 (3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,该系统糖类的积累量　　　　　(填“高于”“低于”或“等于”)植物,原因是　　　　　　　　　　　　。 (4)干旱条件下,很多植物光合作用速率降低,主要原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低,在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。 
【表达模板】(1)“条件·原因”类长句作答技巧
(2)“数量·原因”类长句作答技巧
答案 (1)模块1和模块2　五碳化合物(或C5)(2)减少　模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足(3)高于　人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或植物呼吸作用消耗糖类)(4)叶片气孔开放程度降低,CO2的吸收量减少
1.(2021山东滨州一模)甘蔗和玉米等植物的叶肉细胞在较低CO2条件下也能固定CO2,形成四碳二羧酸化合物(C4酸)进入维管束鞘细胞后释放CO2,从而提高维管束鞘细胞中的CO2浓度,为C3途径提供原料。这种浓缩CO2的机制称为C4途径。其过程如下图所示,其中PEP为磷酸烯醇式丙酮酸,PEPC为磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。回答下列问题。
(1)玉米植株细胞中,C3途径进行的场所是　　　　　　　,光反应为该过程提供的物质有　　　　　。 (2)通过C3途径和C4途径固定CO2时,与CO2结合的物质分别是　　　　　和　　　　　。 (3)Rubisc和PEPC分别是C3途径和C4途径固定CO2的两种关键酶。二者固定CO2能力较强的是　　　,试说明理由:　 　。 (4)玉米、甘蔗等C4植物原产地多是强光照、高温、干旱的热带地区,试说明C4途径的适应意义: 　。 
答案 (1)叶绿体基质　NADPH和ATP(2)C5　PEP(3)PEPC　PEPC在较低浓度CO2条件下仍可催化CO2与PEP的结合(4)热带地区的强光照、高温、干旱条件会导致植物气孔开放程度降低,细胞中CO2浓度较低,C4途径的存在可以浓缩CO2,保证光合作用的正常进行
2.为了研究樱桃叶片光合作用对弱光环境的适应性调节机制,某研究小组进行了一系列实验,部分结果如下图所示。回答下列问题。
(1)由图可知,随着光照强度的减弱,叶面积逐渐　　　　　　　　,以获取更多的　　　　　　　　用于光合作用。从叶片的生长过程分析,叶面积这种变化是　　　　　　　　　　　　　　　　的结果。 (2)随着光照强度的减弱,樱桃叶片的净光合速率降低,主要原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。进一步研究发现,随着光照强度的减弱,叶片中可溶性蛋白的含量逐渐增加,从弱光环境下光合作用适应性调节的角度分析,其可能的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答出一点即可)。 (3)若想初步比较不同光照条件下的樱桃叶片中叶绿素的含量差异,根据所学的知识,你该如何设计实验来探究?(简要写出实验思路即可)  　。 
答案 (1)增大　光能　细胞分裂和细胞生长(细胞数量和体积增加)　(2)光照强度减弱使单位面积樱桃叶片的光合作用减弱,即真正光合速率降低,而樱桃叶片的呼吸速率变化不大　参与光反应的相关蛋白质含量增加、光合作用暗反应相关酶的含量增加等(合理即可)　(3)挑选等量的在不同光照条件下培养的樱桃叶片,在相同条件下进行绿叶中色素的提取和分离实验,比较不同组之间叶绿素所在的条带的宽度即可得出结论