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押江苏卷第20题 光合作用的应用-备战高考生物临考题号押题（江苏卷）
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细胞代谢是高考考查的重点和难点之一,本专题知识的综合性较强，与生产、生活的联系密切。从考查题型看,近年高考的考查点主要集中在以下几个方面:①以文字表述的形式考查光合作用、细胞呼吸等的基本原理、过程的基础题;②以流程图的形式或者信息背景迁移形式考查光合作用或细胞呼吸的中等难度题);③以图表的形式考查光合作用和细胞呼吸的综合题。总体来说,本专题内容侧重于考查学生的理解能力、获取信息的能力和学科内知识综合应用的能力。
高考对本专题知识点的考查常结合坐标曲线考查光合作用、细胞呼吸的影响因素及其在生产实践中的应用，对总光合速率、净光合速率与呼吸速率的考查也较多。强化对相关原理的分析及相关曲线模型的归纳整合与加强针对性训练是备考的关键。
坐标曲线中，多以时间、位置、温度等易测量的因素为横坐标，以事物的某种性质为纵坐标，用曲线表示事物的变化及性质间的相互关系，常用来分析生命现象，从而揭示生物体结构、代谢、生命活动及生物环境相互作用的关系等方面的本质特性。坐标曲线图的类型很多，有单—曲线型、多重曲线型等。坐标曲线图无论多么复杂，关键是数和形。数就是曲线中的点——起点、转折点和终点;形就是曲线的变化趋势，乃至将来的动态。解题思维模板如下∶
具体分析∶（1）快速确认曲线图中"总光合速率"与"净光合速率"。若光照强度为"0"时，CO2吸收量（或光合速率）从"0"开始，则描述指标为"总光合速率"，若此时CO2吸收量从负值开始，则描述指标应为"净光合速率"。
（2）读曲线图时必须"全线"关注，不可就某些"片段"盲目下结论。
解答光合作用相关曲线的基本步骤如下∶
(2022江苏卷T20). 图1所示为光合作用过程中部分物质的代谢关系（①～⑦表示代谢途径）。Rubisc是光合作用的关键酶之一，CO2和O2竞争与其结合，分别催化C5的羧化与氧化。C5羧化固定CO2合成糖；C5氧化则产生乙醇酸（C2），C2在过氧化物酶体和线粒体协同下，完成光呼吸碳氧化循环。请都图回各下列问题：
（1）图1中，类囊体膜直接参与的代谢途径有___________（从①～⑦中选填），在红光照射条件下，参与这些途径的主要色素是___________。
（2）在C2循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化，同时生成的___________在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。
（3）将叶片置于一个密闭小室内，分别在CO2浓度为0和0.03%的条件下测定小室内CO2浓度的变化，获得曲线a、b（图Ⅱ）。
①曲线a，0～t1时（没有光照，只进行呼吸作用）段释放的CO2源于细胞呼吸；t1～t2时段，CO2的释放速度有所增加，此阶段的CO2源于___________。
②曲线b，当时间到达t2点后，室内CO2浓度不再改变，其原因是___________。
（4）光呼吸可使光合效率下降20%-50%，科学家在烟草叶绿体中组装表达了衣藻的乙醇酸脱氢酶和南瓜的苹果酸合酶，形成了图Ⅲ代谢途径，通过降低了光呼吸，提高了植株生物量。上述工作体现了遗传多样性的___________价值。
【答案】（1） ①. ①⑥ ②. 叶绿素a和叶绿素b
（2）过氧化氢 （3） ①. 光呼吸和呼吸作用 ②. 光合作用强度等于呼吸作用
（4）直接价值
【解析】
【分析】光合作用的光反应阶段（场所是叶绿体的类囊体膜上）：水的光解产生[H]与氧气，以及ATP的形成。光合作用的暗反应阶段（场所是叶绿体的基质中）：CO2被C5固定形成C3，C3在光反应提供的ATP和[H]的作用下还原生成有机物。
【小问1详解】
类囊体薄膜发生的反应有水的光解产生[H]与氧气，以及ATP的形成，即①⑥。叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，叶绿素主要有叶绿素a和叶绿素b两种，叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色；类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，用红光照射参与反映的主要是叶绿素啊和叶绿素b。
【小问2详解】
过氧化氢酶能将过氧化氢分解为O2和H2O，所以在C2循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化，同时生成的过氧化氢在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。
小问3详解】
a曲线t1～t2时段，有光照，所以CO2是由细胞呼吸和光呼吸共同产生。b曲线有光照后t1～t2时段CO2下降最后达到平衡，说明光呼吸细胞呼吸和光合作用达到了平衡。
【小问4详解】
图Ⅲ代谢途径，通过降低了光呼吸，提高了植株生物量，直接提升了流入生态系统的能量，是直接价值。
(2021江苏卷T20). 线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要。下图示叶肉细胞中部分代谢途径，虚线框内示“草酰乙酸/苹果酸穿梭”，请据图回答下列问题。
（1）叶绿体在___上将光能转变成化学能，参与这一过程的两类色素是_____。
（2）光合作用时，CO2与C5结合产生三碳酸，继而还原成三碳糖（C3），为维持光合作用持续进行，部分新合成的C3必须用于再生______；运到细胞质基质中的C3可合成蔗糖，运出细胞。每运出一分子蔗糖相当于固定了___个CO2分子。
（3）在光照过强时，细胞必须耗散掉叶绿体吸收的过多光能，避免细胞损伤。草酸乙酸/苹果酸穿梭可有效地将光照产生的______中的还原能输出叶绿体，并经线粒体转化为______中的化学能。
（4）为研究线粒体对光合作用的影响，用寡霉素（电子传递链抑制剂）处理大麦，实验方法是:取培养10~14d大麦苗，将其茎浸入添加了不同浓度寡霉素的水中，通过蒸腾作用使药物进入叶片。光照培养后，测定，计算光合放氧速率（单位为µmlO2•mg-1chl•h-1，chl为叶绿素）。请完成下表。
【答案】（1） ①. 类囊体薄膜 ②. 叶绿素、类胡萝卜素
（2） ①. C5 ②. 12
（3） ①. [H]
②. ATP
（4） ①. 在水中加入相同体积不含寡霉素的丙酮 ②. 减少叶片差异造成的误差
③. 叶绿素定量测定（或测定叶绿素含量）
【解析】
【分析】图示表示植物叶肉细胞光合作用的碳反应、蔗糖的合成以及呼吸作用过程的代谢途径，设计实验研究线粒体对光合作用的影响。
【小问1详解】
光合作用光反应场所为类囊体薄膜，将光能转变成化学能，参与该反应的光和色素是叶绿素、类胡萝卜素。
【小问2详解】
据题意在暗反应进行中为维持光合作用持续进行，部分新合成的C3可以转化为C5继续被利用；一分子蔗糖含12个C原子，C5含有5个碳原子，据图固定1个CO2合成1个C3，应为还要再生出C5，故需要12个CO2合成一分子蔗糖。
【小问3详解】
NADPH起还原剂作用，含有还原能，呼吸作用过程中能量释放用于合成ATP中的化学能和热能。
【小问4详解】
设计实验遵循单一变量原则，对照原则，等量原则，对照组为在水中加入相同体积不含寡霉素丙酮溶液。对照组和各实验组均测定多个大麦叶片的原因是减少叶片差异造成的误差。称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定其中叶绿素的含量。
【点睛】本题主要考查光合作用与呼吸作用的过程，线粒体与叶绿体功能的理解和应用，意在增强学生设计实验的能力，题目难度中等。
1．光照条件下，叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5，O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸，其过程如下图所示。科学家采用基因工程获得了酶A缺陷型的水稻突变株，在不同条件下检测突变株与野生型水稻植株的生长情况与物质含量，实验结果如下表所示。请回答：
(1)取野生型水稻新鲜叶片烘干粉碎，提取光合色素。提取时，需加入无水乙醇和碳酸钙，如未加碳酸钙，提取液会偏_____色。用纸层析法分离光合色素时，因四种色素随层析液在滤纸上的_____不同而出现色素带分层的现象。若用不同波长的光照射叶绿素a的提取液，测量并计算叶绿素a对不同波长光的吸收率，可绘制出该色素的吸收光谱，其中在_____区明显偏暗。
(2)产生乙醇酸的场所是_____。根据实验结果推测酶A的功能是___。
(3)用电子显微镜可观察到叶绿体内有一些被称为“脂质仓库”的颗粒，其体积随叶绿体的生长而逐渐变小，可能的原因是其中的脂质参与构成叶绿体中的____结构。正常情况下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位，留在植物叶片内的光合产物的去向有______。
(4)大气中CO2含量约为0．03%，根据题干信息，分析自然状态下突变株长势不如野生型的原因是______。
(5)水稻光呼吸过程需要额外消耗能量，降低净光合效率，但在进化过程中得以长期保留，其对植物的意义消耗过剩的_____，减少对细胞的损害，同时还可以补充______。
【答案】(1) 黄 移动速率 红光和蓝紫光
(2) 叶绿体基质 催化乙醇酸生成乙醛酸
(3) 膜 用于叶片自身的细胞呼吸，为新陈代谢提供能量；用于叶片自身的生长发育
(4)因酶A缺陷，乙醇酸无法转变为C3，C5生成受阻；而自然状态下CO2含量较低，固定效率较低，积累有机物较少，长势不如野生型
(5) ATP和NADPH CO2
【分析】绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以，可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。由于色素存在于细胞内，需要先破碎细胞才能释放出色素。绿叶中的色素不只有一种，它们都能溶解在层析液中，但不同的色素溶解度不同。溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。这样，绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开。
【详解】（1）碳酸钙能中和酸性物质，使叶绿素在研磨中不易被破坏，若未加碳酸钙，提取液中叶绿素含量偏少，表现出类胡萝卜素的颜色，偏黄色。因四种色素在层析液中的溶解度不同，导致扩散速度不同，而出现色素带分层。叶绿素a主要吸收红光和蓝紫光，测量并计算叶绿素a对不同波长光的吸收率，可绘制出该色素的吸收光谱，其中在红光和蓝紫光区明显偏暗。
（2）根据图分析，乙醇酸是光呼吸的产物，光呼吸需要RUBP羧化酶的作用，故在叶绿体基质产生。突变株不能合成酶A，导致植株乙醇酸含量升高，而乙醛酸含量不变，说明酶A的作用是催化乙醇酸生成乙醛酸。
（3）“脂质仓库”的体积随叶绿体的生长而逐渐变小，叶绿体的生长需要合成大量的膜结构，膜的主要成分是磷脂，故可能的原因是其中的脂质参与构成叶绿体中的膜结构。正常情况下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位，留在植物叶片内的光合产物可用于叶片自身的细胞呼吸，为新陈代谢提供能量，如物质的运输过程等；也用于叶片自身的生长发育。
（4）酶A可将乙醇酸转化为乙醛酸，此过程中伴随C3的生成，而C3可参与暗反应阶段，故突变株因酶A缺陷，乙醇酸无法转变为C3，C5生成受阻；而自然状态下CO2含量较低，固定效率较低，积累有机物较少，长势不如野生型。
（5）光呼吸过程消耗能量，即是可消耗过剩的ATP和NADPH，减少对细胞的损害；同时光呼吸过程可产生CO2，起到补充CO2的作用。
2．钾的含量是影响我国长江流域冬油菜产量的重要因素，K+、Mg2+等离子可在植物体内转移。缺钾胁迫使油菜叶片的光合功能衰退，籽粒产量降低。科研人员比较田间条件下蕾苔期油菜不同叶片（无柄叶为幼叶，长柄叶为成熟叶）对缺钾胁迫的反应，测定了相关的代谢指标，结果如下表所示。回答问题：
(1)叶片气孔开放与保卫细胞积累K+密切相关。在ATP驱动下，保卫细胞细胞膜上的钾一氢离子交换泵会_________（填“顺浓度梯度”或“逆浓度梯度”）将K+转运进入细胞。在液泡内积累高浓度的K+可提高___________________，从而有利于保卫细胞吸水，使气孔导度增大。
(2)图中PSI和PSII分别是光系统I和光系统II，光系统位于___________上，水光解生成氧气需要的光能是通过______（填“PSI”或“PSII”）吸收利用的。在红光照射条件下，参与这些途径的主要色素是__________________。
(3)油菜进行光合作用时，若气孔导度增大，则短时间内叶绿体C3的含量将_________，原因是____________________。
(4)在以上实验油菜的三类叶片中，缺钾胁迫主要抑制__________叶的光合功能，影响机制主要是___________________________________。
(5)缺钾条件下，短柄叶和无柄叶的光合功能___________，从钾的角度分析，最可能的原因是________________________。
【答案】(1) 逆浓度梯度 细胞的渗透压（或细胞液浓度或细胞液的渗透压）
(2) 类囊体膜 PSII 叶绿素（叶绿素a和叶绿素b）
(3) 增多 气孔导度增大使进入细胞的CO2增多，CO2固定加快，生成的C3增多
(4) 长柄 缺钾引起叶绿素含量明显减少，降低了光反应速率
(5) 基本不变 成熟叶中的钾向幼叶中转移，以维持幼叶中的钾含量正常
【分析】分析题意，本实验目的是研究田间条件下油菜不同叶片（无柄叶为幼叶，长柄叶为成熟叶）对缺钾胁迫的反应，则实验的自变量是钾的情况及叶片类型，因变量是植物生长情况，可通过净光合速率等进行比较。
【详解】（1）钾一氢离子交换泵消耗ATP运输K+的方式是主动运输，因此是逆浓度梯度运输；液泡积累高浓度的K+可提高细胞液的渗透压，从而有利于保卫细胞吸水。
（2）类囊体膜是光合作用中光反应阶段的场所，其上有光系统I和II；结合图示可知，PSII上能利用光将水进行裂解，产生氧气、H+、e-；叶绿素可以吸收红光，在红光照射条件下，吸收转化光能，参与光合作用。
（3）二氧化碳是暗反应的原料，可参与二氧化碳的固定过程生成C3，气孔导度增大使进入细胞的CO2增多，CO2固定加快，生成的C3增多。
（4）分析表格数据，无柄叶缺钾和钾正常时净光合速率分别是22.1、22.4，短柄叶缺钾和钾正常时净光合速率分别是27.3、27.1，长柄叶缺钾和钾正常时净光合速率分别是22.0、25.3，故在以上实验油菜的三类叶片中，缺钾胁迫主要抑制长柄叶的光合功能。
（5）分析表格数据可知，缺钾使叶绿素含量明显降低，降低了光反应速率，从而降低叶片的净光合速率。分析表格数据可知，缺钾条件下，短柄叶和无柄叶的光合功能基本不变，幼叶中钾含量变化不大，原因可能是成熟叶中的钾向幼叶中转移，维持幼叶中的钾含量正常。
3．下图1表示酵母菌细胞内细胞呼吸相关物质代谢过程，请回答以下问题：
(1)由图可知，酵母菌细胞内丙酮酸可在__________和__________（填场所）被消耗。
(2)酵母菌在O2充足时几乎不产生酒精，有人认为是因为O2的存在会抑制图1中酶I的活性而导致无酒精产生，为验证该假说，实验小组将酵母菌破碎后高速离心，取__________（填“含线粒体的沉淀物”或“上清液”）均分为甲、乙两组，向甲、乙两支试管加入等量的葡萄糖溶液，立即再向甲试管中通入O2，一段时间后，分别向甲、乙两试管中滴加等量的酸性的重铬酸钾溶液进行检测。按照上述实验过程，如果观察到甲试管__________，乙试管__________（填甲乙试管颜色变化），说明（2）中假说成立。
(3)为了研究酵母菌细胞中ATP合成过程中能量转换机制，科学家利用提纯的大豆磷脂、某种细菌膜蛋白（1）和牛细胞中的ATP合成酶（Ⅱ）构建ATP体外合成体系，如图2所示。ATP的结构简式是__________，科学家利用该人工体系模拟酵母菌细胞中__________（填场所）合成ATP的能量转换过程。
(4)科学家利用上述人工体系进行了相关实验，如下表。
注：“＋”“－”分别表示人工体系中分组的“有”“无”。
①比较第1组和第2组的结果可知，1可以转运H+进入囊泡。进一步研究发现，第1组囊泡内pH比囊泡外低1．8，说明囊泡内的H+浓度__________（填“高于”或“等于”或“低于”）囊泡外。
②比较第1组和第3组的结果可知，伴随H+通过__________（填“I”或“Ⅱ”）向囊泡外转运的过程，ADP和Pi合成ATP。
③上述实验表明，如果利用人工体系模拟叶绿体产生ATP，能量转换过程是：__________→H+电化学势能→ATP中的化学能。
【答案】(1) 细胞质基质 线粒体基质
(2) 上清液 甲试管不显灰绿色（显橙色） 乙试管显灰绿色（橙色变灰绿色）
(3) A-P～P～P 线粒体内膜
(4) 高于 Ⅱ 光能
【分析】1.有氧呼吸的第一、二、三阶段的场所依次是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜，有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和[H]，合成少量ATP，第二阶段是丙酮酸和水反应生成二氧化碳、[H]和少量ATP，第三阶段是氧气和[H]反应生成水，合成大量ATP。
2.无氧呼吸第一阶段与有氧呼吸第一阶段完全相同，第二阶段是丙酮酸在不同酶的催化作用下，分解成酒精和二氧化碳，或者转化为乳酸，其场所是细胞质基质。
【详解】（1）丙酮酸是酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸第一阶段的产物，若是进行有氧呼吸，丙酮酸在线粒体基质消耗，若是进行无氧呼吸，丙酮酸在细胞质基质被消耗。
（2）由题图可知，酶1是催化丙酮酸分解为酒精和二氧化碳的，说明酶1位于细胞质基质，所以酵母菌破碎后高速离心，取上清液（主要成分是细胞质基质，含有酶1）分为甲、乙两组，在两支试管加入等量葡萄糖，向甲试管通入O2，所以甲是实验组，乙是对照组。一段时间后，分别向甲、乙两试管中加入等量的酸性的重铬酸钾溶液进行检测。若甲试管由橙红变灰绿色说明产生了酒精，则O2对酶1没有抑制作用，如果甲试管不变色，同时乙试管变成灰绿色，说明O2对酶1有抑制作用，即假说成立。
（3）ATP分子的中文名称是腺苷三磷酸，其结构简式可表示为A-P～P～P。根据图形分析：科学家利用提纯的大豆磷脂、某种细菌膜蛋白（I）和牛细胞中的ATP合成酶（Ⅱ）构建ATP体外合成体系，该图可以模拟的是膜结构上合成ATP的过程，所以是线粒体的内膜上合成ATP的能量转换过程。
（4）第1组囊泡内pH比囊泡外低1.8，说明囊泡内的H+浓度高，并且高于囊泡外的H+浓度。
②比较第1组和第3组的人工体系可知，第一组的体系中存在存在Ⅱ，因此在第一组中，伴随H+通过Ⅱ向囊泡外转运的过程，ADP和Pi合成ATP。
③结合图示并分析实验数据可知，在光的照射下，H+通过Ⅰ逆浓度梯度转运至囊泡内，而后通过ⅡH+顺浓度梯度运出囊泡，并同时促进了ATP的产生，可见该人工体系产生ATP的能量转换过程是光能→H+电化学势能→ATP中的化学能。
4．下图1是发生在番茄叶绿体内的光反应机制，其中PSⅠ和PSⅡ表示光系统Ⅰ和光系统Ⅱ；图2表示番茄细胞合成番茄红素等代谢过程，番茄红素为脂溶性物质，积累在细胞内的脂滴中。请回答下列问题：
(1)图1能完成水光解的结构是_____________（选填“光系统Ⅰ”或“光系统Ⅱ”）。电子（e-）由水释放出来后，经过一系列的传递体形成电子流，电子的最终受体是_____________。光反应阶段光系统Ⅰ和光系统Ⅱ吸收的光能储存在_____________中。
(2)如图2所示，番茄细胞进行有氧呼吸时，第一阶段产生的物质X为_____________，物质X可跨膜转运至线粒体基质，在酶的催化下形成乙酰CA，再参与柠檬酸循环，柠檬酸循环过程_____________（选填“需要”或“不需要”）氧气参与。科研人员利用转基因技术改造番茄植株，使有关酶过度表达从而提高番茄红素积累量。据图2分析，转基因植株细胞过度表达的酶发挥作用的位置应为_____________（选填“细胞质基质”或“线粒体基质”），功能应是将图中物质X更多地转化为_____________。
(3)PSⅡ是一种光合色素和蛋白质的复合体，D1蛋白是PSI的核心蛋白。研究发现亚高温强光（HH）条件下，过剩的光能会损伤D1蛋白，进而影响植物的光合作用。为研究亚高温强光（HH）对番茄光合作用的影响，研究人员对番茄进行不同条件处理，实验结果如图3所示。
据图可知，HH条件下，过剩光能产生的原因不是气孔因素引起的，理由是_____________；而是由于_____________，使C3的合成速率下降，导致光反应产物积累，进而使光能转化效率降低而造成光能过剩，对植物造成危害。
(4)研究发现，D1蛋白周转（D1蛋白更新合成）和叶黄素循环（几种叶黄素在不同条件下的转化，）是植物应对高温高光强条件的重要保护机制。研究人员利用番茄植株进行了四组处理：A组在适宜温度和光照强度下培养，B组用H2O处理，C组用叶黄素循环抑制剂（DTT）处理，D组用D1蛋白周转抑制剂（SM）处理，其中B、C、D三组均置于HH条件下培养，结果如图4所示。据图分析，在HH条件下，D1蛋白周转比叶黄素循环对番茄植株的保护作用_____________（选填“强”或“弱”），理由是_____________。
【答案】(1) 光系统Ⅱ NADP+（氧化型辅酶Ⅱ） NADPH和ATP
(2) 丙酮酸 不需要 细胞质基质 番茄红素
(3) 气孔开度降低，但胞间CO2浓度却升高（“胞间CO2浓度升高”） RuBP羧化酶活性下降
(4) 强 与对照组相比，C组和D组番茄光合效率下降，且D组下降得更多
【分析】光合作用过程：①光反应场所在叶绿体类囊体薄膜，发生水的光解、ATP和NADPH的生成；②暗反应场所在叶绿体的基质，发生CO2的固定和C3的还原，消耗ATP和NADPH。
【详解】（1）从图中可以看出，光系统Ⅱ可以将水光解，光合作用过程中，接受电子的是NADP+，该物质接受电子和H+后，生成了NADPH；光反应过程中接受的能力储存在ATP和NADPH中。
（2）有氧呼吸第一阶段的产物X是丙酮酸，丙酮酸可进入线粒体基质参与有氧呼吸第二阶段；
柠檬酸循环是将丙酮酸分解为乙酰辅酶A，而氧气参与有氧呼吸第三阶段和[H]生成水，所以柠檬酸循环不需要氧气参与；
若想使番茄红素积累，需要提高合成番茄红素酶的量，该酶在细胞质基质发挥作用，将物质X更多的转化成番茄红素和甘油三酯。
（3）为研究亚高温高光对番茄光合作用的影响，实验的自变量是温度和光照强度，表中数据显示亚高温高光组与对照组相比，气孔导度下降，但胞间CO2浓度却上升，说明过剩光能产生的原因不是气孔因素引起的。
从图3中可以看出，Rubp羧化酶的活性降低，该酶可以催化CO2固定，所以C3的合成速率下降。
（4）据图可知，与对照比，SM和DTT处理下番茄光合效率下降，且SM处理组下降得更多，因此在HH条件下，D1蛋白周转比叶黄素循环对番茄植株的保护作用更强。
5．下图是轮叶黑藻细胞光合作用相关过程示意图。研究表明：水中CO2浓度降低能诱导轮叶黑藻（一种沉水植物）光合途径由C3向C4途径转变，C4途径可使轮叶黑藻适应低CO2浓度的环境，而且两条途径在同一细胞中进行。请据图回答问题：
(1)当轮叶黑藻等沉水植物大量繁殖后，部分浮游植物的数量下降，大型底栖动物的数量有所增加，这是在_____（填“种群”、“群落”或“生态系统”）水平上研究的结果。
(2)为图中物质A的还原提供能量的是_______。图中催化CO2固定的两种酶（PEP羧化酶、Rubisc）中，与CO2亲和力较高的是PEP羧化酶，这是_______的结果，意义是_______。
(3)在光照条件下，轮叶黑藻细胞叶绿体的类囊体腔中的H+浓度_______（填“高于”或“低于”）叶绿体基质；轮叶黑藻细胞中丙酮酸产生的场所有_________。
(4)黑藻是一种常见的沉水高等植物，某实验小组利用黑藻进行如下实验，请分析并回答：
该实验的目的是④_______；该实验得出的结论是⑤______。
【答案】(1)群落
(2) NADPH和ATP 自然选择 使轮叶黑藻能适应水中低浓度CO2的环境，提高其光合强度
(3) 高于 叶绿体基质、细胞质基质
(4) NaHCO3/碳酸氢钠 设置对照实验 净光合速率 探究光照强度对光合作用强度的影响 在一定范围内，随光照强度的增加，光合作用速率逐渐增强
【分析】分析题图可知：C3途径是指CO2被C5固定形成C3，C3在光反应提供的ATP和DNAPH的作用下还原生成糖类等有机物；C4途径是指在PEP羧化酶的催化下，PEP在叶肉细胞中与HCO3－结合，先把CO2固定成草酰乙酸，再转化为苹果酸，重新释放CO2后进入卡尔文循环。
【详解】（1）群落水平研究的包括群落的范围和边界、丰富度、空间结构、种间关系、群落的演替等，故当轮叶黑藻等沉水植物大量繁殖后，部分浮游植物的数量下降，大型底栖动物的数量有所增加，这是在群落水平上研究的结果（种间关系）。
（2）图中物质A为C3，C3的还原需要能量，光反应的产物ATP和NADPH中储存着活跃的化学能，二者均可为C3的还原提供能量；结合题干“水中CO2浓度降低能诱导轮叶黑藻（一种沉水植物）光合途径由C3向C4途径转变，C4途径可使轮叶黑藻适应低CO2浓度的环境”，说明C4循环中PEP羧化酶与CO2的亲和力高于C3循环中的Rubisc，这是自然选择的结果，使得轮叶黑藻能适应水中低浓度CO2的环境，提高其光合强度，利于其生长。
（3）在光照条件下，类囊体腔内的H+比叶绿体基质的要多，故其pH值相较叶绿体基质要低（泵出为顺浓度梯度，从而将质子势能转化为ATP中的能量）；图中苹果酸分解成丙酮酸和二氧化碳的场所是叶绿体基质，细胞中丙酮酸产生的场所还可能有细胞质基质（呼吸第一阶段的产物，葡萄糖分解产生丙酮酸和NADH），故轮叶黑藻细胞中丙酮酸产生的场所有叶绿体基质、细胞质基质。
（4）①植物进行光合作用需要的条件有光照、CO2等，从表格中“甲、乙、丙三组玻璃瓶双侧各等距离放置1个18W的LED灯，分别控制灯距为10cm、15cm、20cm”可知实验的自变量为光照强度，其他无关变量保持一致且适宜，故实验需要保证正常的CO2原料供应，即材料准备中应取若干盛有一定量浓度为1%的NaHCO3（分解释放CO2，维持玻璃瓶中二氧化碳浓度稳定）溶液的玻璃瓶；
②“甲、乙、丙三组玻璃瓶双侧各等距离放置1个18W的LED灯，分别控制灯距为10cm、15cm、20cm。作为对照组，对丁组玻璃瓶进行遮光处理，其他条件相同且适宜，培养一段时间”体现的是实验组和对照组的设置，故该操作的目的为设置对照实验（实验遵循对照原则和单一变量原则）；
③甲到丙瓶中的黑藻同时进行了光合作用和有氧呼吸，光合作用速率大于呼吸速率时，黑藻向外释放氧气，故甲到丙瓶内氧气的释放速率表示这段时间内黑藻的净光合速率；
④⑤由表格数据可知，甲到丙瓶，灯距逐渐增大，光合作用逐渐减弱，氧气释放速率随之下降，故实验结论为：在一定范围内，随光照强度的增加，光合作用速率逐渐增强，可以推测，该实验的实验目的是探究光照强度对光合作用强度的影响。
实验步骤的目的
简要操作过程
配制不同浓度的寡霉素丙酮溶液
寡霉素难溶于水，需先溶于丙酮，配制高浓度母液，并用丙酮稀释成不同药物浓度，用于加入水中
设置寡霉素为单一变量的对照组
①_______________
②_______________
对照组和各实验组均测定多个大麦叶片
光合放氧测定
用氧电极测定叶片放氧
③_______________
称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定
条件
0．5% CO2
0．03% CO2
0．03% CO2
0．03% CO2
指标
平均株高/cm
平均株高/cm
乙醇酸含量/
乙醛酸含量/
（μg·g-1叶重）
（μg·g-1叶重）
突变株
42
24
1137
1
野生型
43
42
1
1
叶片
处理
净光合速率/（CO2uml·m-2·s-1）
胞间CO2浓度/（CO2uml·ml-1）
气孔导度/（H2Oml·m-2·s-1）
叶绿素含量/（mg·g-1）
叶片钾含量/%
无柄叶
缺钾
22.1
240
0.24
1.89
1.79
钾正常
22.4
241
0.29
2.01
1.88
短柄叶
缺钾
27.3
277
0.45
1.87
2.23
钾正常
27.1
276
0.46
1.94
2.45
长柄叶
缺钾
22.0
269
0.41
1.29
2.01
钾正常
25.3
273
0.43
1.95
3.84
组别
人工体系
H+通过I的转运
H+通过Ⅱ的转运
ATP
大豆磷脂构成的囊泡
Ⅰ
Ⅱ
1
＋
＋
＋
有
有
产生
2
＋
－
＋
无
无
不产生
3
＋
＋
－
有
无
不产生
实验步骤的目的
主要实验步骤
材料准备
取若干盛有一定量浓度为1%的①______溶液的玻璃瓶，将玻璃瓶均分为甲、乙、丙、丁四组，每个玻璃瓶中均放入等量、新鲜的黑藻叶片，用橡胶塞密封
②______
甲、乙、丙三组玻璃瓶双侧各等距离放置1个18W的LED灯，分别控制灯距为10cm、15cm、20cm。作为对照组，对丁组玻璃瓶进行遮光处理，其他条件相同且适宜，培养一段时间
实验数据记录
组别
甲
乙
丙
丁
瓶内氧气的变化速率（mg•h-1）
6.47
4.22
1.98
-2.14
实验结果分析
甲到丙瓶内氧气的释放速率可以表示这段时间内黑藻的③______。丁瓶内氧气的变化速率可以表示这段时间内黑藻的呼吸速率。
细胞代谢是高考考查的重点和难点之一,本专题知识的综合性较强，与生产、生活的联系密切。从考查题型看,近年高考的考查点主要集中在以下几个方面:①以文字表述的形式考查光合作用、细胞呼吸等的基本原理、过程的基础题;②以流程图的形式或者信息背景迁移形式考查光合作用或细胞呼吸的中等难度题);③以图表的形式考查光合作用和细胞呼吸的综合题。总体来说,本专题内容侧重于考查学生的理解能力、获取信息的能力和学科内知识综合应用的能力。
高考对本专题知识点的考查常结合坐标曲线考查光合作用、细胞呼吸的影响因素及其在生产实践中的应用，对总光合速率、净光合速率与呼吸速率的考查也较多。强化对相关原理的分析及相关曲线模型的归纳整合与加强针对性训练是备考的关键。
坐标曲线中，多以时间、位置、温度等易测量的因素为横坐标，以事物的某种性质为纵坐标，用曲线表示事物的变化及性质间的相互关系，常用来分析生命现象，从而揭示生物体结构、代谢、生命活动及生物环境相互作用的关系等方面的本质特性。坐标曲线图的类型很多，有单—曲线型、多重曲线型等。坐标曲线图无论多么复杂，关键是数和形。数就是曲线中的点——起点、转折点和终点;形就是曲线的变化趋势，乃至将来的动态。解题思维模板如下∶
具体分析∶（1）快速确认曲线图中"总光合速率"与"净光合速率"。若光照强度为"0"时，CO2吸收量（或光合速率）从"0"开始，则描述指标为"总光合速率"，若此时CO2吸收量从负值开始，则描述指标应为"净光合速率"。
（2）读曲线图时必须"全线"关注，不可就某些"片段"盲目下结论。
解答光合作用相关曲线的基本步骤如下∶
(2022江苏卷T20). 图1所示为光合作用过程中部分物质的代谢关系（①～⑦表示代谢途径）。Rubisc是光合作用的关键酶之一，CO2和O2竞争与其结合，分别催化C5的羧化与氧化。C5羧化固定CO2合成糖；C5氧化则产生乙醇酸（C2），C2在过氧化物酶体和线粒体协同下，完成光呼吸碳氧化循环。请都图回各下列问题：
（1）图1中，类囊体膜直接参与的代谢途径有___________（从①～⑦中选填），在红光照射条件下，参与这些途径的主要色素是___________。
（2）在C2循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化，同时生成的___________在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。
（3）将叶片置于一个密闭小室内，分别在CO2浓度为0和0.03%的条件下测定小室内CO2浓度的变化，获得曲线a、b（图Ⅱ）。
①曲线a，0～t1时（没有光照，只进行呼吸作用）段释放的CO2源于细胞呼吸；t1～t2时段，CO2的释放速度有所增加，此阶段的CO2源于___________。
②曲线b，当时间到达t2点后，室内CO2浓度不再改变，其原因是___________。
（4）光呼吸可使光合效率下降20%-50%，科学家在烟草叶绿体中组装表达了衣藻的乙醇酸脱氢酶和南瓜的苹果酸合酶，形成了图Ⅲ代谢途径，通过降低了光呼吸，提高了植株生物量。上述工作体现了遗传多样性的___________价值。
【答案】（1） ①. ①⑥ ②. 叶绿素a和叶绿素b
（2）过氧化氢 （3） ①. 光呼吸和呼吸作用 ②. 光合作用强度等于呼吸作用
（4）直接价值
【解析】
【分析】光合作用的光反应阶段（场所是叶绿体的类囊体膜上）：水的光解产生[H]与氧气，以及ATP的形成。光合作用的暗反应阶段（场所是叶绿体的基质中）：CO2被C5固定形成C3，C3在光反应提供的ATP和[H]的作用下还原生成有机物。
【小问1详解】
类囊体薄膜发生的反应有水的光解产生[H]与氧气，以及ATP的形成，即①⑥。叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，叶绿素主要有叶绿素a和叶绿素b两种，叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色；类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，用红光照射参与反映的主要是叶绿素啊和叶绿素b。
【小问2详解】
过氧化氢酶能将过氧化氢分解为O2和H2O，所以在C2循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化，同时生成的过氧化氢在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。
小问3详解】
a曲线t1～t2时段，有光照，所以CO2是由细胞呼吸和光呼吸共同产生。b曲线有光照后t1～t2时段CO2下降最后达到平衡，说明光呼吸细胞呼吸和光合作用达到了平衡。
【小问4详解】
图Ⅲ代谢途径，通过降低了光呼吸，提高了植株生物量，直接提升了流入生态系统的能量，是直接价值。
(2021江苏卷T20). 线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要。下图示叶肉细胞中部分代谢途径，虚线框内示“草酰乙酸/苹果酸穿梭”，请据图回答下列问题。
（1）叶绿体在___上将光能转变成化学能，参与这一过程的两类色素是_____。
（2）光合作用时，CO2与C5结合产生三碳酸，继而还原成三碳糖（C3），为维持光合作用持续进行，部分新合成的C3必须用于再生______；运到细胞质基质中的C3可合成蔗糖，运出细胞。每运出一分子蔗糖相当于固定了___个CO2分子。
（3）在光照过强时，细胞必须耗散掉叶绿体吸收的过多光能，避免细胞损伤。草酸乙酸/苹果酸穿梭可有效地将光照产生的______中的还原能输出叶绿体，并经线粒体转化为______中的化学能。
（4）为研究线粒体对光合作用的影响，用寡霉素（电子传递链抑制剂）处理大麦，实验方法是:取培养10~14d大麦苗，将其茎浸入添加了不同浓度寡霉素的水中，通过蒸腾作用使药物进入叶片。光照培养后，测定，计算光合放氧速率（单位为µmlO2•mg-1chl•h-1，chl为叶绿素）。请完成下表。
【答案】（1） ①. 类囊体薄膜 ②. 叶绿素、类胡萝卜素
（2） ①. C5 ②. 12
（3） ①. [H]
②. ATP
（4） ①. 在水中加入相同体积不含寡霉素的丙酮 ②. 减少叶片差异造成的误差
③. 叶绿素定量测定（或测定叶绿素含量）
【解析】
【分析】图示表示植物叶肉细胞光合作用的碳反应、蔗糖的合成以及呼吸作用过程的代谢途径，设计实验研究线粒体对光合作用的影响。
【小问1详解】
光合作用光反应场所为类囊体薄膜，将光能转变成化学能，参与该反应的光和色素是叶绿素、类胡萝卜素。
【小问2详解】
据题意在暗反应进行中为维持光合作用持续进行，部分新合成的C3可以转化为C5继续被利用；一分子蔗糖含12个C原子，C5含有5个碳原子，据图固定1个CO2合成1个C3，应为还要再生出C5，故需要12个CO2合成一分子蔗糖。
【小问3详解】
NADPH起还原剂作用，含有还原能，呼吸作用过程中能量释放用于合成ATP中的化学能和热能。
【小问4详解】
设计实验遵循单一变量原则，对照原则，等量原则，对照组为在水中加入相同体积不含寡霉素丙酮溶液。对照组和各实验组均测定多个大麦叶片的原因是减少叶片差异造成的误差。称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定其中叶绿素的含量。
【点睛】本题主要考查光合作用与呼吸作用的过程，线粒体与叶绿体功能的理解和应用，意在增强学生设计实验的能力，题目难度中等。
1．光照条件下，叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5，O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸，其过程如下图所示。科学家采用基因工程获得了酶A缺陷型的水稻突变株，在不同条件下检测突变株与野生型水稻植株的生长情况与物质含量，实验结果如下表所示。请回答：
(1)取野生型水稻新鲜叶片烘干粉碎，提取光合色素。提取时，需加入无水乙醇和碳酸钙，如未加碳酸钙，提取液会偏_____色。用纸层析法分离光合色素时，因四种色素随层析液在滤纸上的_____不同而出现色素带分层的现象。若用不同波长的光照射叶绿素a的提取液，测量并计算叶绿素a对不同波长光的吸收率，可绘制出该色素的吸收光谱，其中在_____区明显偏暗。
(2)产生乙醇酸的场所是_____。根据实验结果推测酶A的功能是___。
(3)用电子显微镜可观察到叶绿体内有一些被称为“脂质仓库”的颗粒，其体积随叶绿体的生长而逐渐变小，可能的原因是其中的脂质参与构成叶绿体中的____结构。正常情况下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位，留在植物叶片内的光合产物的去向有______。
(4)大气中CO2含量约为0．03%，根据题干信息，分析自然状态下突变株长势不如野生型的原因是______。
(5)水稻光呼吸过程需要额外消耗能量，降低净光合效率，但在进化过程中得以长期保留，其对植物的意义消耗过剩的_____，减少对细胞的损害，同时还可以补充______。
【答案】(1) 黄 移动速率 红光和蓝紫光
(2) 叶绿体基质 催化乙醇酸生成乙醛酸
(3) 膜 用于叶片自身的细胞呼吸，为新陈代谢提供能量；用于叶片自身的生长发育
(4)因酶A缺陷，乙醇酸无法转变为C3，C5生成受阻；而自然状态下CO2含量较低，固定效率较低，积累有机物较少，长势不如野生型
(5) ATP和NADPH CO2
【分析】绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以，可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。由于色素存在于细胞内，需要先破碎细胞才能释放出色素。绿叶中的色素不只有一种，它们都能溶解在层析液中，但不同的色素溶解度不同。溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。这样，绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开。
【详解】（1）碳酸钙能中和酸性物质，使叶绿素在研磨中不易被破坏，若未加碳酸钙，提取液中叶绿素含量偏少，表现出类胡萝卜素的颜色，偏黄色。因四种色素在层析液中的溶解度不同，导致扩散速度不同，而出现色素带分层。叶绿素a主要吸收红光和蓝紫光，测量并计算叶绿素a对不同波长光的吸收率，可绘制出该色素的吸收光谱，其中在红光和蓝紫光区明显偏暗。
（2）根据图分析，乙醇酸是光呼吸的产物，光呼吸需要RUBP羧化酶的作用，故在叶绿体基质产生。突变株不能合成酶A，导致植株乙醇酸含量升高，而乙醛酸含量不变，说明酶A的作用是催化乙醇酸生成乙醛酸。
（3）“脂质仓库”的体积随叶绿体的生长而逐渐变小，叶绿体的生长需要合成大量的膜结构，膜的主要成分是磷脂，故可能的原因是其中的脂质参与构成叶绿体中的膜结构。正常情况下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位，留在植物叶片内的光合产物可用于叶片自身的细胞呼吸，为新陈代谢提供能量，如物质的运输过程等；也用于叶片自身的生长发育。
（4）酶A可将乙醇酸转化为乙醛酸，此过程中伴随C3的生成，而C3可参与暗反应阶段，故突变株因酶A缺陷，乙醇酸无法转变为C3，C5生成受阻；而自然状态下CO2含量较低，固定效率较低，积累有机物较少，长势不如野生型。
（5）光呼吸过程消耗能量，即是可消耗过剩的ATP和NADPH，减少对细胞的损害；同时光呼吸过程可产生CO2，起到补充CO2的作用。
2．钾的含量是影响我国长江流域冬油菜产量的重要因素，K+、Mg2+等离子可在植物体内转移。缺钾胁迫使油菜叶片的光合功能衰退，籽粒产量降低。科研人员比较田间条件下蕾苔期油菜不同叶片（无柄叶为幼叶，长柄叶为成熟叶）对缺钾胁迫的反应，测定了相关的代谢指标，结果如下表所示。回答问题：
(1)叶片气孔开放与保卫细胞积累K+密切相关。在ATP驱动下，保卫细胞细胞膜上的钾一氢离子交换泵会_________（填“顺浓度梯度”或“逆浓度梯度”）将K+转运进入细胞。在液泡内积累高浓度的K+可提高___________________，从而有利于保卫细胞吸水，使气孔导度增大。
(2)图中PSI和PSII分别是光系统I和光系统II，光系统位于___________上，水光解生成氧气需要的光能是通过______（填“PSI”或“PSII”）吸收利用的。在红光照射条件下，参与这些途径的主要色素是__________________。
(3)油菜进行光合作用时，若气孔导度增大，则短时间内叶绿体C3的含量将_________，原因是____________________。
(4)在以上实验油菜的三类叶片中，缺钾胁迫主要抑制__________叶的光合功能，影响机制主要是___________________________________。
(5)缺钾条件下，短柄叶和无柄叶的光合功能___________，从钾的角度分析，最可能的原因是________________________。
【答案】(1) 逆浓度梯度 细胞的渗透压（或细胞液浓度或细胞液的渗透压）
(2) 类囊体膜 PSII 叶绿素（叶绿素a和叶绿素b）
(3) 增多 气孔导度增大使进入细胞的CO2增多，CO2固定加快，生成的C3增多
(4) 长柄 缺钾引起叶绿素含量明显减少，降低了光反应速率
(5) 基本不变 成熟叶中的钾向幼叶中转移，以维持幼叶中的钾含量正常
【分析】分析题意，本实验目的是研究田间条件下油菜不同叶片（无柄叶为幼叶，长柄叶为成熟叶）对缺钾胁迫的反应，则实验的自变量是钾的情况及叶片类型，因变量是植物生长情况，可通过净光合速率等进行比较。
【详解】（1）钾一氢离子交换泵消耗ATP运输K+的方式是主动运输，因此是逆浓度梯度运输；液泡积累高浓度的K+可提高细胞液的渗透压，从而有利于保卫细胞吸水。
（2）类囊体膜是光合作用中光反应阶段的场所，其上有光系统I和II；结合图示可知，PSII上能利用光将水进行裂解，产生氧气、H+、e-；叶绿素可以吸收红光，在红光照射条件下，吸收转化光能，参与光合作用。
（3）二氧化碳是暗反应的原料，可参与二氧化碳的固定过程生成C3，气孔导度增大使进入细胞的CO2增多，CO2固定加快，生成的C3增多。
（4）分析表格数据，无柄叶缺钾和钾正常时净光合速率分别是22.1、22.4，短柄叶缺钾和钾正常时净光合速率分别是27.3、27.1，长柄叶缺钾和钾正常时净光合速率分别是22.0、25.3，故在以上实验油菜的三类叶片中，缺钾胁迫主要抑制长柄叶的光合功能。
（5）分析表格数据可知，缺钾使叶绿素含量明显降低，降低了光反应速率，从而降低叶片的净光合速率。分析表格数据可知，缺钾条件下，短柄叶和无柄叶的光合功能基本不变，幼叶中钾含量变化不大，原因可能是成熟叶中的钾向幼叶中转移，维持幼叶中的钾含量正常。
3．下图1表示酵母菌细胞内细胞呼吸相关物质代谢过程，请回答以下问题：
(1)由图可知，酵母菌细胞内丙酮酸可在__________和__________（填场所）被消耗。
(2)酵母菌在O2充足时几乎不产生酒精，有人认为是因为O2的存在会抑制图1中酶I的活性而导致无酒精产生，为验证该假说，实验小组将酵母菌破碎后高速离心，取__________（填“含线粒体的沉淀物”或“上清液”）均分为甲、乙两组，向甲、乙两支试管加入等量的葡萄糖溶液，立即再向甲试管中通入O2，一段时间后，分别向甲、乙两试管中滴加等量的酸性的重铬酸钾溶液进行检测。按照上述实验过程，如果观察到甲试管__________，乙试管__________（填甲乙试管颜色变化），说明（2）中假说成立。
(3)为了研究酵母菌细胞中ATP合成过程中能量转换机制，科学家利用提纯的大豆磷脂、某种细菌膜蛋白（1）和牛细胞中的ATP合成酶（Ⅱ）构建ATP体外合成体系，如图2所示。ATP的结构简式是__________，科学家利用该人工体系模拟酵母菌细胞中__________（填场所）合成ATP的能量转换过程。
(4)科学家利用上述人工体系进行了相关实验，如下表。
注：“＋”“－”分别表示人工体系中分组的“有”“无”。
①比较第1组和第2组的结果可知，1可以转运H+进入囊泡。进一步研究发现，第1组囊泡内pH比囊泡外低1．8，说明囊泡内的H+浓度__________（填“高于”或“等于”或“低于”）囊泡外。
②比较第1组和第3组的结果可知，伴随H+通过__________（填“I”或“Ⅱ”）向囊泡外转运的过程，ADP和Pi合成ATP。
③上述实验表明，如果利用人工体系模拟叶绿体产生ATP，能量转换过程是：__________→H+电化学势能→ATP中的化学能。
【答案】(1) 细胞质基质 线粒体基质
(2) 上清液 甲试管不显灰绿色（显橙色） 乙试管显灰绿色（橙色变灰绿色）
(3) A-P～P～P 线粒体内膜
(4) 高于 Ⅱ 光能
【分析】1.有氧呼吸的第一、二、三阶段的场所依次是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜，有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和[H]，合成少量ATP，第二阶段是丙酮酸和水反应生成二氧化碳、[H]和少量ATP，第三阶段是氧气和[H]反应生成水，合成大量ATP。
2.无氧呼吸第一阶段与有氧呼吸第一阶段完全相同，第二阶段是丙酮酸在不同酶的催化作用下，分解成酒精和二氧化碳，或者转化为乳酸，其场所是细胞质基质。
【详解】（1）丙酮酸是酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸第一阶段的产物，若是进行有氧呼吸，丙酮酸在线粒体基质消耗，若是进行无氧呼吸，丙酮酸在细胞质基质被消耗。
（2）由题图可知，酶1是催化丙酮酸分解为酒精和二氧化碳的，说明酶1位于细胞质基质，所以酵母菌破碎后高速离心，取上清液（主要成分是细胞质基质，含有酶1）分为甲、乙两组，在两支试管加入等量葡萄糖，向甲试管通入O2，所以甲是实验组，乙是对照组。一段时间后，分别向甲、乙两试管中加入等量的酸性的重铬酸钾溶液进行检测。若甲试管由橙红变灰绿色说明产生了酒精，则O2对酶1没有抑制作用，如果甲试管不变色，同时乙试管变成灰绿色，说明O2对酶1有抑制作用，即假说成立。
（3）ATP分子的中文名称是腺苷三磷酸，其结构简式可表示为A-P～P～P。根据图形分析：科学家利用提纯的大豆磷脂、某种细菌膜蛋白（I）和牛细胞中的ATP合成酶（Ⅱ）构建ATP体外合成体系，该图可以模拟的是膜结构上合成ATP的过程，所以是线粒体的内膜上合成ATP的能量转换过程。
（4）第1组囊泡内pH比囊泡外低1.8，说明囊泡内的H+浓度高，并且高于囊泡外的H+浓度。
②比较第1组和第3组的人工体系可知，第一组的体系中存在存在Ⅱ，因此在第一组中，伴随H+通过Ⅱ向囊泡外转运的过程，ADP和Pi合成ATP。
③结合图示并分析实验数据可知，在光的照射下，H+通过Ⅰ逆浓度梯度转运至囊泡内，而后通过ⅡH+顺浓度梯度运出囊泡，并同时促进了ATP的产生，可见该人工体系产生ATP的能量转换过程是光能→H+电化学势能→ATP中的化学能。
4．下图1是发生在番茄叶绿体内的光反应机制，其中PSⅠ和PSⅡ表示光系统Ⅰ和光系统Ⅱ；图2表示番茄细胞合成番茄红素等代谢过程，番茄红素为脂溶性物质，积累在细胞内的脂滴中。请回答下列问题：
(1)图1能完成水光解的结构是_____________（选填“光系统Ⅰ”或“光系统Ⅱ”）。电子（e-）由水释放出来后，经过一系列的传递体形成电子流，电子的最终受体是_____________。光反应阶段光系统Ⅰ和光系统Ⅱ吸收的光能储存在_____________中。
(2)如图2所示，番茄细胞进行有氧呼吸时，第一阶段产生的物质X为_____________，物质X可跨膜转运至线粒体基质，在酶的催化下形成乙酰CA，再参与柠檬酸循环，柠檬酸循环过程_____________（选填“需要”或“不需要”）氧气参与。科研人员利用转基因技术改造番茄植株，使有关酶过度表达从而提高番茄红素积累量。据图2分析，转基因植株细胞过度表达的酶发挥作用的位置应为_____________（选填“细胞质基质”或“线粒体基质”），功能应是将图中物质X更多地转化为_____________。
(3)PSⅡ是一种光合色素和蛋白质的复合体，D1蛋白是PSI的核心蛋白。研究发现亚高温强光（HH）条件下，过剩的光能会损伤D1蛋白，进而影响植物的光合作用。为研究亚高温强光（HH）对番茄光合作用的影响，研究人员对番茄进行不同条件处理，实验结果如图3所示。
据图可知，HH条件下，过剩光能产生的原因不是气孔因素引起的，理由是_____________；而是由于_____________，使C3的合成速率下降，导致光反应产物积累，进而使光能转化效率降低而造成光能过剩，对植物造成危害。
(4)研究发现，D1蛋白周转（D1蛋白更新合成）和叶黄素循环（几种叶黄素在不同条件下的转化，）是植物应对高温高光强条件的重要保护机制。研究人员利用番茄植株进行了四组处理：A组在适宜温度和光照强度下培养，B组用H2O处理，C组用叶黄素循环抑制剂（DTT）处理，D组用D1蛋白周转抑制剂（SM）处理，其中B、C、D三组均置于HH条件下培养，结果如图4所示。据图分析，在HH条件下，D1蛋白周转比叶黄素循环对番茄植株的保护作用_____________（选填“强”或“弱”），理由是_____________。
【答案】(1) 光系统Ⅱ NADP+（氧化型辅酶Ⅱ） NADPH和ATP
(2) 丙酮酸 不需要 细胞质基质 番茄红素
(3) 气孔开度降低，但胞间CO2浓度却升高（“胞间CO2浓度升高”） RuBP羧化酶活性下降
(4) 强 与对照组相比，C组和D组番茄光合效率下降，且D组下降得更多
【分析】光合作用过程：①光反应场所在叶绿体类囊体薄膜，发生水的光解、ATP和NADPH的生成；②暗反应场所在叶绿体的基质，发生CO2的固定和C3的还原，消耗ATP和NADPH。
【详解】（1）从图中可以看出，光系统Ⅱ可以将水光解，光合作用过程中，接受电子的是NADP+，该物质接受电子和H+后，生成了NADPH；光反应过程中接受的能力储存在ATP和NADPH中。
（2）有氧呼吸第一阶段的产物X是丙酮酸，丙酮酸可进入线粒体基质参与有氧呼吸第二阶段；
柠檬酸循环是将丙酮酸分解为乙酰辅酶A，而氧气参与有氧呼吸第三阶段和[H]生成水，所以柠檬酸循环不需要氧气参与；
若想使番茄红素积累，需要提高合成番茄红素酶的量，该酶在细胞质基质发挥作用，将物质X更多的转化成番茄红素和甘油三酯。
（3）为研究亚高温高光对番茄光合作用的影响，实验的自变量是温度和光照强度，表中数据显示亚高温高光组与对照组相比，气孔导度下降，但胞间CO2浓度却上升，说明过剩光能产生的原因不是气孔因素引起的。
从图3中可以看出，Rubp羧化酶的活性降低，该酶可以催化CO2固定，所以C3的合成速率下降。
（4）据图可知，与对照比，SM和DTT处理下番茄光合效率下降，且SM处理组下降得更多，因此在HH条件下，D1蛋白周转比叶黄素循环对番茄植株的保护作用更强。
5．下图是轮叶黑藻细胞光合作用相关过程示意图。研究表明：水中CO2浓度降低能诱导轮叶黑藻（一种沉水植物）光合途径由C3向C4途径转变，C4途径可使轮叶黑藻适应低CO2浓度的环境，而且两条途径在同一细胞中进行。请据图回答问题：
(1)当轮叶黑藻等沉水植物大量繁殖后，部分浮游植物的数量下降，大型底栖动物的数量有所增加，这是在_____（填“种群”、“群落”或“生态系统”）水平上研究的结果。
(2)为图中物质A的还原提供能量的是_______。图中催化CO2固定的两种酶（PEP羧化酶、Rubisc）中，与CO2亲和力较高的是PEP羧化酶，这是_______的结果，意义是_______。
(3)在光照条件下，轮叶黑藻细胞叶绿体的类囊体腔中的H+浓度_______（填“高于”或“低于”）叶绿体基质；轮叶黑藻细胞中丙酮酸产生的场所有_________。
(4)黑藻是一种常见的沉水高等植物，某实验小组利用黑藻进行如下实验，请分析并回答：
该实验的目的是④_______；该实验得出的结论是⑤______。
【答案】(1)群落
(2) NADPH和ATP 自然选择 使轮叶黑藻能适应水中低浓度CO2的环境，提高其光合强度
(3) 高于 叶绿体基质、细胞质基质
(4) NaHCO3/碳酸氢钠 设置对照实验 净光合速率 探究光照强度对光合作用强度的影响 在一定范围内，随光照强度的增加，光合作用速率逐渐增强
【分析】分析题图可知：C3途径是指CO2被C5固定形成C3，C3在光反应提供的ATP和DNAPH的作用下还原生成糖类等有机物；C4途径是指在PEP羧化酶的催化下，PEP在叶肉细胞中与HCO3－结合，先把CO2固定成草酰乙酸，再转化为苹果酸，重新释放CO2后进入卡尔文循环。
【详解】（1）群落水平研究的包括群落的范围和边界、丰富度、空间结构、种间关系、群落的演替等，故当轮叶黑藻等沉水植物大量繁殖后，部分浮游植物的数量下降，大型底栖动物的数量有所增加，这是在群落水平上研究的结果（种间关系）。
（2）图中物质A为C3，C3的还原需要能量，光反应的产物ATP和NADPH中储存着活跃的化学能，二者均可为C3的还原提供能量；结合题干“水中CO2浓度降低能诱导轮叶黑藻（一种沉水植物）光合途径由C3向C4途径转变，C4途径可使轮叶黑藻适应低CO2浓度的环境”，说明C4循环中PEP羧化酶与CO2的亲和力高于C3循环中的Rubisc，这是自然选择的结果，使得轮叶黑藻能适应水中低浓度CO2的环境，提高其光合强度，利于其生长。
（3）在光照条件下，类囊体腔内的H+比叶绿体基质的要多，故其pH值相较叶绿体基质要低（泵出为顺浓度梯度，从而将质子势能转化为ATP中的能量）；图中苹果酸分解成丙酮酸和二氧化碳的场所是叶绿体基质，细胞中丙酮酸产生的场所还可能有细胞质基质（呼吸第一阶段的产物，葡萄糖分解产生丙酮酸和NADH），故轮叶黑藻细胞中丙酮酸产生的场所有叶绿体基质、细胞质基质。
（4）①植物进行光合作用需要的条件有光照、CO2等，从表格中“甲、乙、丙三组玻璃瓶双侧各等距离放置1个18W的LED灯，分别控制灯距为10cm、15cm、20cm”可知实验的自变量为光照强度，其他无关变量保持一致且适宜，故实验需要保证正常的CO2原料供应，即材料准备中应取若干盛有一定量浓度为1%的NaHCO3（分解释放CO2，维持玻璃瓶中二氧化碳浓度稳定）溶液的玻璃瓶；
②“甲、乙、丙三组玻璃瓶双侧各等距离放置1个18W的LED灯，分别控制灯距为10cm、15cm、20cm。作为对照组，对丁组玻璃瓶进行遮光处理，其他条件相同且适宜，培养一段时间”体现的是实验组和对照组的设置，故该操作的目的为设置对照实验（实验遵循对照原则和单一变量原则）；
③甲到丙瓶中的黑藻同时进行了光合作用和有氧呼吸，光合作用速率大于呼吸速率时，黑藻向外释放氧气，故甲到丙瓶内氧气的释放速率表示这段时间内黑藻的净光合速率；
④⑤由表格数据可知，甲到丙瓶，灯距逐渐增大，光合作用逐渐减弱，氧气释放速率随之下降，故实验结论为：在一定范围内，随光照强度的增加，光合作用速率逐渐增强，可以推测，该实验的实验目的是探究光照强度对光合作用强度的影响。
实验步骤的目的
简要操作过程
配制不同浓度的寡霉素丙酮溶液
寡霉素难溶于水，需先溶于丙酮，配制高浓度母液，并用丙酮稀释成不同药物浓度，用于加入水中
设置寡霉素为单一变量的对照组
①_______________
②_______________
对照组和各实验组均测定多个大麦叶片
光合放氧测定
用氧电极测定叶片放氧
③_______________
称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定
条件
0．5% CO2
0．03% CO2
0．03% CO2
0．03% CO2
指标
平均株高/cm
平均株高/cm
乙醇酸含量/
乙醛酸含量/
（μg·g-1叶重）
（μg·g-1叶重）
突变株
42
24
1137
1
野生型
43
42
1
1
叶片
处理
净光合速率/（CO2uml·m-2·s-1）
胞间CO2浓度/（CO2uml·ml-1）
气孔导度/（H2Oml·m-2·s-1）
叶绿素含量/（mg·g-1）
叶片钾含量/%
无柄叶
缺钾
22.1
240
0.24
1.89
1.79
钾正常
22.4
241
0.29
2.01
1.88
短柄叶
缺钾
27.3
277
0.45
1.87
2.23
钾正常
27.1
276
0.46
1.94
2.45
长柄叶
缺钾
22.0
269
0.41
1.29
2.01
钾正常
25.3
273
0.43
1.95
3.84
组别
人工体系
H+通过I的转运
H+通过Ⅱ的转运
ATP
大豆磷脂构成的囊泡
Ⅰ
Ⅱ
1
＋
＋
＋
有
有
产生
2
＋
－
＋
无
无
不产生
3
＋
＋
－
有
无
不产生
实验步骤的目的
主要实验步骤
材料准备
取若干盛有一定量浓度为1%的①______溶液的玻璃瓶，将玻璃瓶均分为甲、乙、丙、丁四组，每个玻璃瓶中均放入等量、新鲜的黑藻叶片，用橡胶塞密封
②______
甲、乙、丙三组玻璃瓶双侧各等距离放置1个18W的LED灯，分别控制灯距为10cm、15cm、20cm。作为对照组，对丁组玻璃瓶进行遮光处理，其他条件相同且适宜，培养一段时间
实验数据记录
组别
甲
乙
丙
丁
瓶内氧气的变化速率（mg•h-1）
6.47
4.22
1.98
-2.14
实验结果分析
甲到丙瓶内氧气的释放速率可以表示这段时间内黑藻的③______。丁瓶内氧气的变化速率可以表示这段时间内黑藻的呼吸速率。
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