2021高考生物人教版一轮教师用书第三单元第10讲　光合作用


第10讲　光合作用
考点一　捕获光能的色素和叶绿体的结构

1.叶绿体中的色素及吸收光谱
(1)叶绿体中的色素
分布
叶绿体类囊体薄膜上
功能
吸收、传递和转化光能
种
类
叶绿素(含量约占3/4)
叶绿素a(蓝绿色)
叶绿素b(黄绿色)
类胡萝卜素(含量约占1/4)
胡萝卜素(橙黄色)
叶黄素(黄色)
(2)色素的吸收光谱分析

①色素的功能:叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
②色素吸收光的范围:可见光的波长范围大约是390～760 nm,叶绿体中的色素只吸收可见光,对红外光和紫外光等不吸收。
(3)影响叶绿素合成的因素分析
①光照:光是影响叶绿素合成的主要条件,一般植物在黑暗中不能合成叶绿素,因而叶片发黄。
②温度:温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性,进而影响叶绿素的合成。低温时,叶绿素分子易被破坏,而使叶片变黄。
③必需元素:叶绿素中含N、Mg等必需元素,缺乏该种元素将导致叶绿素无法合成,叶片变黄。另外,Fe是叶绿素合成过程中某些酶的辅助成分,缺Fe也将导致叶绿素合成受阻,叶片变黄。
2.叶绿体的结构和功能
(1)结构模式图

(2)结构
(3)功能:进行光合作用的场所。
(4)恩格尔曼的实验:好氧细菌只分布在叶绿体被光束照射的部位。
3.恩格尔曼实验方法的巧妙之处
(1)巧选实验材料:选择水绵和好氧细菌,水绵的叶绿体呈螺旋式带状,便于观察;用好氧细菌可以确定释放氧气的部位。
(2)妙法排除干扰因素:没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰。
(3)巧妙设计对照实验:用极细的光束照射,叶绿体上可分为有光照和无光照的部位,相当于一组对照实验;临时装片暴露在光下的实验再一次验证实验结果。
[纠误诊断]
(1)叶绿素a和b主要吸收红光和蓝紫光。(　√　)
(2)液泡中色素吸收的光能用于光合作用。(　×　)
提示:叶绿体中色素吸收的光能用于光合作用。
(3)叶片黄化,叶绿体对红光的吸收增多。(　×　)
提示:叶片黄化,说明叶绿体中的叶绿素减少,所以吸收红光减少。
(4)光合作用需要的色素和酶分布在叶绿体基粒和基质中。(　×　)
提示:叶绿体基质中有酶分布,但没有色素。
(5)没有叶绿体,细胞不能进行光合作用。(　×　)
提示:蓝藻细胞没有叶绿体,但含有叶绿素和藻蓝素,能进行光合作用。

1.思考回答下列问题:
(1)为什么高等植物的叶片一般呈现绿色?说出你的理由。
提示:因为叶绿体中的色素几乎不吸收绿光,绿光被反射出来,所以叶片一般呈现绿色。
(2)入秋后,叶片逐渐变黄,试解释其原因。
提示:入秋后,气温逐渐降低,低温可导致叶绿素被破坏,而类胡萝卜素比较稳定,叶片中叶绿素含量减少,类胡萝卜素含量相对增加,导致叶片变黄。
(3)温室或大棚种植蔬菜时,最好选择什么颜色的玻璃或塑料薄膜?说明原因。
提示:无色透明。有色玻璃或塑料薄膜主要透过同色光,其他色光很少或不能透过,光照强度会减弱,不利于光合作用;而无色透明的玻璃或塑料薄膜能透过日光中各种色光,光照强度较大,有利于光合作用的进行。
2.科学家用绿藻为实验材料,研究不同波长的光对植物光合速率的影响。下图为部分实验结果,由该实验结果得出的实验结论是什么?

提示:用红光(或波长为660 nm的光)和远红光(或波长为710 nm的光)单独照射时,植物的光合速率基本相同,两种光同时照射时,植物的光合速率增加,且大于单独照射的总和。

题型一　考查色素的分布、种类和作用
1.(2017·全国Ⅲ卷)植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应(如O2的释放)来绘制的。下列叙述错误的是(　A　)
A.类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成
B.叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制
C.光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示
D.叶片在640～660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的
解析:叶绿体中色素包括类胡萝卜素和叶绿素,其中类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,不吸收红光等长波光;通过测量叶绿素对不同波长光的吸收值(吸收百分比)可绘制其吸收光谱;光合作用释放氧气、吸收二氧化碳,因此光合作用的作用光谱可用在不同光波长下的氧气释放速率或二氧化碳吸收速率来表示;叶绿素主要吸收红光(640～660 nm 波长)和蓝紫光,这些色素吸收的光可用于光合作用释放氧气。
2.(2019·河北衡水金卷)下列关于植物细胞中光合色素的说法正确的是(　A　)
A.光合色素分布在叶绿体的类囊体薄膜上
B.Mg是构成叶绿素所必需的微量元素
C.叶绿素对绿光吸收最多,所以叶片呈绿色
D.用纸层析法分离色素时,含量多的色素在滤纸上扩散快
解析:植物细胞中光合色素分布在叶绿体的类囊体薄膜上;Mg是构成叶绿素所必需的大量元素;叶绿素对绿光吸收最少,绿光被反射出来,所以叶片呈绿色;用纸层析法分离色素时,溶解度高的色素在滤纸上扩散快。
题型二　考查叶绿体的结构和功能
3.(2019·重庆南开中学月考)下列关于叶绿体的叙述,正确的是(　C　)
A.叶绿体的外膜、内膜极大地扩展了受光面积
B.叶绿体基质中NADP+能形成NADPH
C.类囊体薄膜上的光合色素都可以吸收蓝紫光
D.类囊体薄膜中的酶可催化CO2的固定和还原
解析:叶绿体扩大受光面积的不是外膜和内膜而是类囊体薄膜;NADP+形成NADPH的场所是基粒;类囊体薄膜上的叶绿素和类胡萝卜素都能吸收蓝紫光;催化CO2的固定和还原的酶存在叶绿体的基质中。
4.(2019·福建泉州模拟)在水稻叶肉细胞的叶绿体中,不会都发生的生理过程是(　A　)
A.二氧化碳的生成与利用
B.遗传信息的转录与翻译
C.NADPH的生成与利用
D.ATP的合成与水解
解析:叶绿体的基质可以发生二氧化碳的利用,但叶绿体中不会有二氧化碳的生成;叶绿体中因为含有少量DNA和RNA及核糖体,所以能进行遗传信息的转录和翻译;叶绿体中进行光合作用的光反应会产生NADPH,然后在暗反应中会利用NADPH;在光反应中能合成ATP,在暗反应中会利用ATP。

叶绿体的结构与功能相适应的特点
(1)叶绿体的基粒由类囊体堆叠而成,可以增加膜面积。
(2)叶绿体的类囊体薄膜上分布有吸收光能的色素。
(3)叶绿体的类囊体薄膜和基质中有催化光合作用进行的酶。
考点二　实验:绿叶中色素的提取和分离

1.实验原理
(1)提取:绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂中而不溶于水,可用无水乙醇提取色素。
(2)分离:各种色素在层析液中溶解度不同,溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快;反之则慢,从而使各种色素相互分离。
2.实验步骤



观察实验结果
3.实验结果
结合图示填写表格内容。

色素种类
色素颜色
色素含量
溶解度
扩散速度
a
胡萝卜素
橙黄色
最少
最高
最快
b
叶黄素
黄色
较少
较高
较快
c
叶绿素a
蓝绿色
最多
较低
较慢
d
叶绿素b
黄绿色
较多
最低
最慢

1.实验注意事项
注意事项
操作目的
提
取
色
素
选新鲜绿色的叶片
使滤液中色素含量高
研磨时加无水乙醇
溶解色素
加少量SiO2和CaCO3
研磨充分和保护色素
迅速、充分研磨
防止乙醇过度挥发,充分溶解色素
盛放滤液的试管管口加棉塞
防止乙醇挥发和色素氧化
分
离
色
素
滤纸预先干燥处理
使层析液在滤纸上快速扩散
滤液细线要细、齐、直
使分离出的色素带平整不重叠
滤液细线干燥后再画一两次
使分离出的色素带清晰分明
滤液细线不触及层析液
防止色素直接溶解到层析液中
2.绿叶中色素提取和分离实验异常现象分析
(1)收集到的滤液绿色过浅的原因分析
①未加石英砂(二氧化硅),研磨不充分。
②使用放置数天的绿叶,滤液色素(叶绿素)太少。
③一次加入大量的无水乙醇,提取浓度太低(正确做法:分次加入少量无水乙醇提取色素)。
④未加碳酸钙或加入过少,色素分子被破坏。
(2)滤纸条色素带重叠:没经干燥处理,滤液细线不能达到细、齐、直的要求,使色素扩散不一致造成的。
(3)滤纸条看不到色素带:①忘记画滤液细线;②滤液细线接触到层析液,且时间较长,色素全部溶解到层析液中。
(4)滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带:忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏或所用叶片为“黄叶”。

题型一　考查实验原理和实验操作
1.(2019·河北石家庄模拟)下列关于叶绿体中色素的提取和分离实验的操作,正确的是(　B　)
A.使用定性滤纸过滤研磨液
B.将干燥处理过的定性滤纸条用于层析
C.在画出一条滤液细线后紧接着重复画线2～3次
D.研磨叶片时,用体积分数为70%的乙醇溶解色素
解析:过滤的目的主要是将滤渣和滤液分开,要用尼龙布而不能用滤纸过滤研磨液;干燥处理定性滤纸是为了让层析液能够更快地上升,使色素更好地分离;画滤液细线,要等一次画完干燥后才能重复,防止滤液细线过粗;叶绿体中色素不溶于水,而溶于有机溶剂,可用无水乙醇溶解色素。
2.下列关于绿叶中光合色素的提取和分离的叙述,不正确的是(　C　)
A.用无水乙醇提取到的各种色素的含量不同
B.色素在层析液中的溶解度不同,导致色素带的位置不同
C.研磨绿叶时不加CaCO2,则滤纸条上四条色素带变窄的比例相同
D.只画一次滤液细线会导致滤纸条上四条色素带的宽度变窄
解析:无水乙醇可以溶解色素,可以用无水乙醇提取叶绿体中的色素,其提取到的各种色素的含量不同;绿叶中色素能够分离的原因是不同色素在层析液中的溶解度不同,溶解度大的,扩散速度快,溶解度小的,扩散速度慢;研磨绿叶时加入CaCO3是为了防止色素被破坏,特别是防止叶绿素被破坏,因此不加CaCO3滤纸条上四条色素带变窄的比例不相同;只画一次滤液细线,滤纸上含有的色素含量减少,会导致滤纸条上四条色素带的宽度变窄。
题型二　实验结果分析
3.学生利用新鲜菠菜叶进行叶绿体色素的提取和分离实验时,由于各组操作不同,出现了下列四种不同的层析结果。下列分析不合理的是(　C　)



A.甲可能误用蒸馏水做提取液和层析液
B.乙可能是因为研磨时未加入SiO2
C.丙是正确操作得到的理想结果
D.丁可能是因为研磨时未加入CaCO3
解析:色素能溶解在有机溶剂中,几乎不溶于蒸馏水中;未加入SiO2,导致研磨不充分,获得的色素少;层析后距点样处由远到近依次为胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b,叶绿素的含量比类胡萝卜素多,丙图不符合;CaCO3可防止色素(主要是叶绿素)被破坏,研磨时未加入CaCO3会出现丁图所示结果。
4.(2019·晋冀鲁豫名校联考节选)为研究不同光照强度对夏腊梅光合生理特性的影响,设置了如下实验:编号分别为CK、T40、T60、T80组,对应的遮光率分别为:全自然光照、40%、60%、80%,下图为部分实验结果。回答下列问题:
处理
叶绿素a
(mg/g)
叶绿素b
(mg/g)
类胡萝卜素
(mg/g)
CK
0.392 6
0.098 6
0.042 9
T40
1.166 3
0.268 5
0.118 3
T60
0.920 1
0.244 8
0.084 4
T80
0.411 0
0.113 0
0.038 0
(1)可用　　　　　　提取绿叶中的光合色素,用　　　　　　法分离色素。 
(2)根据表格,色素带自下往上在第二条带最窄的是　　　　组,若T80组色素含量少是因光照弱不利于色素的合成,则CK组色素含量少的原因最可能是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
解析:色素带自下往上第二条带是叶绿素a。CK组为自然光照,光照太强,色素含量少,可能是光照过强加速了色素的破坏。
答案:(1)无水乙醇　纸层析
(2)CK　光照太强加速了色素(叶绿素)的破坏
考点三　光合作用的过程

1.光合作用的探究历程
科学家
关键设计或现象
实验结论(观点)
普利斯
特利
点燃的蜡烛(小鼠)+绿色植物→蜡烛不熄灭(小鼠不死亡)
植物可以更新空气
英格
豪斯
500多次植物更新空气的实验
植物只有在光下才能更新空气
梅耶
依据能量转化与守恒定律
光合作用把光能转换为化学能
萨克斯

光合作用产物除氧气外还有淀粉
恩格
尔曼

氧气是叶绿体释放出来的,叶绿体是光合作用的场所
鲁宾和
卡门

光合作用释放的氧气全部来自H2O
卡尔文
用14C标记的14CO2供小球藻进行光合作用,追踪检测其放射性
碳原子的转移途径为:14CO2→14C3→(14CH2O)
2.光合作用的过程

(1)根据上图分析光反应与暗反应的区别:
过程
Ⅰ.光反应
Ⅱ.暗反应
场所
叶绿体类囊体薄膜
叶绿体基质
条件
光、色素和酶
多种酶
原料
水、NADP+、ADP、Pi
[H](NADPH)、
ATP、CO2
产物
[H](NADPH)、
ATP、O2
(CH2O)、ADP、Pi
物质
变化
①水的光解:
H2O[H]+O2
②ATP的合成:
ADP+PiATP
①CO2的固定:
CO2+C52C3
②C3的还原:
2C3
(CH2O)+C5
能量
变化
光能→ATP中
活跃的化学能
ATP中活跃的化学能→
有机物中稳定的化学能
(2)据图分析光反应与暗反应的联系:

①光反应为暗反应提供ATP和NADPH。
②暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+。
(3)写出光合作用总反应式,并用箭头标注反应物中H、O的去向:。
3.光合作用和化能合成作用的比较
项目
光合作用
化能合成作用
区
别
能量来源
光能
无机物氧化释放的能量
代表生物
绿色植物
硝化细菌
相同点
都能将CO2和H2O等无机物合成有机物
[纠误诊断]
(1)光合作用光反应阶段产生的[H]可在叶绿体基质中作为还原剂。(　√　)
(2)H2O在光下分解为[H]和O2的过程发生在叶绿体基质中。(　×　)
提示:H2O在光下分解为[H]和O2的过程发生在叶绿体的类囊体薄膜上。
(3)只提供光照,不提供CO2,植物可独立进行光反应。(　×　)
提示:在暗反应不能进行时,因光反应产生的[H]和ATP的积累,光反应也会停止。
(4)在其他条件适宜情况下,在供试植物正常进行光合作用时突然停止光照,并在黑暗中立即开始连续取样分析,在短时间内,叶绿体中C3和C5化合物含量都迅速增加。(　×　)
提示:突然停止光照后,C3增加,C5减少。
(5)正常生长的绿藻,照光培养一段时间后,用黑布迅速将培养瓶罩上,其叶绿体内CO2的固定立即停止。(　×　)
提示:光反应停止后,光反应产生的[H]和ATP仍可被暗反应利用一段时间。
(6)土壤中的硝化细菌可利用CO2和H2O合成糖。(　√　)

1.探究光照和CO2供应的变化对光合作用中物质变化的影响
下图中Ⅰ表示光反应,Ⅱ表示CO2的固定,Ⅲ表示C3的还原,当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化:

(1)CO2供应不变,光照条件突然发生变化,可以分为两种情况:
光
照
C3含量变化
C5含量变化
减
弱
Ⅰ过程减弱→[H]和ATP合成减少→Ⅲ过程减弱、Ⅱ过程暂时不变→C3消耗减少、合成暂时不变→C3含量增加
Ⅰ过程减弱→[H]和ATP合成减少→Ⅲ过程减弱、Ⅱ过程暂时不变→C5消耗暂时不变、合成减少→C5含量减少
增
强
与上述分析相反,结果是C3含量减少,C5含量增加
(2)光照条件不变,CO2供应突然发生变化,可以分为两种情况:
CO2
供应
C3含量变化
C5含量变化
减
少
Ⅱ过程减弱、Ⅲ过程暂时不变→C3合成减少,消耗暂时不变→C3含量减少
Ⅱ过程减弱、Ⅲ过程暂时不变→C5消耗减少、合成暂时不变→C5含量增加
增
加
与上述分析相反,结果是C3含量增加,C5含量减少
[深度思考]
　叶绿体中C3的分子数量为什么多于C5的分子数量?
提示:暗反应CO2固定时,每消耗1分子C5,产生2分子C3;C3还原时,每还原2分子C3,产生1分子C5,因此当暗反应速率达到稳定时,C3化合物的分子数是C5化合物的2倍。
2.为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响,科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。每组处理的总时间均为135 s,光照与黑暗处理情况见下图所示(A、B、C三组光照与黑暗处理时间相同)。结果是A组光合作用产物的相对含量为50%;B组光合作用产物的相对含量为70%;C组光合作用产物的相对含量为94%;D组光合作用产物的相对含量为100%。

(1)各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件适宜且相同,这样处理的目的是什么?
提示:排除无关变量对实验结果的干扰(或保证自变量的唯一性)。
(2)可以判断,单位光照时间内,B组和C组植物合成有机物的量都高于D组植物合成有机物的量,判断依据是什么?如何解释这一实验结果?
提示:B组和C组只用了D组一半的光照时间,其光合作用产物的相对含量却是D组的70%和94%。因为随着光照和黑暗交替频率的增加,使光下产生的ATP和[H]能够及时利用与再生,从而提高了光合作用中CO2的同化量。

题型一　考查探究光合作用历程的相关实验
1.(2019·河北衡水金卷)下列有关光合作用探究历程的叙述正确的是(　D　)
A.英格豪斯认为密闭玻璃罩中蜡烛熄灭的根本原因是缺乏足够的氧气
B.萨克斯的实验中叶片曝光的一半变蓝,说明叶绿体在光下产生了淀粉
C.鲁宾和卡门用18O只标记了H2O,证明了光合作用释放的氧气都来自水
D.恩格尔曼的水绵实验利用了好氧细菌的生理特点作为因变量观测指标
解析:英格豪斯认为植物只有绿叶才能更新空气,且只有在阳光照射下才能成功;萨克斯实验证明了绿色叶片在光合作用中产生了淀粉;鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2,证明了光合作用释放的氧气都来自水。
2.光合作用的暗反应阶段主要包括:C5和CO2结合生成C3,C3经一系列变化生成糖类和C5。为确定光合作用暗反应阶段哪个反应间接依赖光,科学家利用小球藻进行实验,结果如图所示。请回答下列问题:

(1)利用热酒精处理小球藻能终止细胞内的化学反应。欲探究14CO2中14C的转移路径,给小球藻提供14CO2后,应怎样处理? 　。 
(2)暗反应阶段间接依赖光照的反应是　　　　　　　　　　　　　,做出此判断的依据是　 　。 
(3)若其他条件不变,突然降低光照条件下CO2的浓度,短时间内细胞中C3和C5含量的变化趋势分别是　　　　　　　　　　　。 
解析:(1)据题意可知:欲探究14CO2中14C的转移路径,给小球藻提供14CO2后,应每间隔一段时间用热酒精终止暗反应进程,提取并鉴定含14C的物质。
(2)分析图示可知:当反应条件由光照变为黑暗时,C3含量升高而C5及各种中间产物的含量下降,说明C3的还原与光照条件有关,据此可判断;暗反应阶段间接依赖光照的反应是C3经一系列变化生成糖类和C5。
(3)若其他条件不变,突然降低光照条件下CO2的浓度,导致CO2和C5结合形成C3的CO2固定过程减弱,新生成的C3减少,而原有的C3继续被还原为C5和糖类,所以短时间内细胞中C3含量降低,C5含量升高。
答案:(1)每间隔一段时间用热酒精终止暗反应进程,提取并鉴定含14C的物质
(2)C3经一系列变化生成糖类和C5　当反应条件由光照变为黑暗时,C3含量升高而C5及各种中间产物的含量下降
(3)C3含量降低,C5含量升高
题型二　考查光合作用的过程
3.(2015·福建卷)在光合作用中,RuBP羧化酶能催化CO2+C5(即RuBP)→2C3。为测定RuBP羧化酶的活性,某学习小组从菠菜叶中提取该酶,用其催化C5与 14CO2 的反应,并检测产物14C3的放射性强度。下列分析错误的是(　B　)
A.菠菜叶肉细胞内RuBP羧化酶催化上述反应的场所是叶绿体基质
B.RuBP羧化酶催化的上述反应需要在无光条件下进行
C.测定RuBP羧化酶活性的过程中运用了同位素标记法
D.单位时间内14C3生成量越多说明RuBP羧化酶活性越高
解析:CO2固定过程属于暗反应,发生在叶绿体基质中,有光、无光条件下均可进行;该实验利用了同位素标记法,C3为CO2固定的产物,故单位时间内14C3生成量越多,说明RuBP羧化酶的活性越高。
4.(2019·河北唐山期末)某同学以菠菜的绿叶为材料,制备了完整叶绿体悬浮液,并均分为两组,进行如下实验:
组别
加入物质
条件
实验现象
A组
DCPIP溶液
适宜温度和
光照等条件
产生气泡,DCPIP溶液
变为无色
B组
适量磷酸、
NaHCO3
(CH2O)/C3比值增高
(注:DCPIP氧化态为蓝紫色,被还原后为无色。)
请分析回答:
(1)分离获得完整叶绿体需要用到的方法是　　　　　法和过滤。 
(2)A组气泡中成分是　　　　,DCPIP溶液由蓝紫色变无色的原因是　 。 
(3)B组(CH2O)/C3比值增高原因是 　 。 
解析:(1)分离获得完整叶绿体需要用到的方法是差速离心法和过滤。
(2)A组可以进行光合作用的光反应阶段,气泡中成分是O2,DCPIP氧化态为蓝紫色,被还原后为无色,DCPIP由蓝紫色变无色说明被还原了,原因是光反应阶段产生的[H]使DCPIP还原。
(3)B组(CH2O)/C3比值增高原因是磷酸有利于光反应阶段中ATP的形成,进而促进暗反应中C3的还原形成(CH2O)。
答案:(1)差速离心　(2)O2　光反应阶段产生的[H]使DCPIP还原
(3)磷酸有利于光反应阶段中ATP的形成,进而促进暗反应中C3的还原形成(CH2O)
题型三　考查环境条件变化对光合作用中物质含量的影响
5.(2019·河北衡水金卷)用一定浓度的NaHSO3溶液喷洒到小麦的叶片上,短期内检测到叶绿体中C3的含量下降,C5的含量上升,则NaHSO3溶液的作用可能是(　C　)
A.促进叶绿体中CO2的固定
B.抑制叶绿体中C3的还原
C.促进叶绿体中ATP的合成
D.抑制叶绿体中有机物的输出
解析:短期内C3含量下降,C5含量上升,则推测NaHSO3 的作用可能是促进C3的还原。结合题干,应为促进叶绿体中ATP的合成。
6.下图是水绵在不同环境因素影响下光合速率变化的示意图,据图回答:


(1)t1→t2期间,叶绿体　　　　　　上的色素捕获的光能增加,光反应产生的ATP和[H]增多,加速了　　　　　　(场所)中C3的还原,进而使光合作用速率增大。 
(2)t2→t3期间,限制水绵光合速率的外界因素主要是　　　　,此时进一步增加光照强度,光合作用速率将　　　　(填“增加”“减少”或“不变”)。 
(3)t3→t4期间,光合速率提高的原因是  　 。 
(4)t4后短暂时间内,叶绿体中ADP和Pi含量　　　　(填“增加”“减少”或“不变”)。 
解析:(1)叶绿体中捕获光能的色素分布在类囊体薄膜上。光反应产生的ATP和[H]可用于暗反应阶段C3的还原,暗反应的场所是叶绿体基质。(2)题图显示:t2→t3期间,光照充足且恒定,但光合速率不再增加,t3时刻充入CO2后,光合速率开始增加,这说明t2→t3期间,限制水绵光合速率的外界因素主要是CO2浓度,此时进一步增加光照强度,光合作用速率将不变。(3)结合对(2)的分析可知:t3→t4期间,光合速率提高的原因是:CO2浓度增大,暗反应增强,C3含量增多,加快消耗了原本积累的ATP和[H],从而促进光反应,进而使光合速率增强。(4)t4时刻突然停止光照,光反应停止,类囊体薄膜上不再有ATP合成,原有的ATP继续水解成ADP和Pi,释放的能量用于C3的还原,所以t4后短暂时间内,叶绿体中ADP和Pi含量会增加。
答案:(1)类囊体(薄膜)　叶绿体基质
(2)CO2浓度　不变
(3)CO2浓度增大,暗反应增强,C3含量增多,加快消耗了原本积累的ATP和[H],从而促进光反应加速,进而使光合速率增强
(4)增加

利用模型法分析光合作用中物质的量的变化


(1)以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化。
(2)以上各物质变化中,C3和C5含量的变化是相反的,[H]和ATP含量变化是一致的。
(3)具体分析时只有理清C3、C5的“来源”与“去路”(C3产生于CO2的固定,消耗于C3的还原;C5产生于C3的还原,消耗于CO2的固定),才能准确做出判断。
考点四　影响光合作用的环境因素及应用

1.光合作用强度
(1)概念:植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
(2)两种表示方法
①一定时间内原料的消耗量。
②一定时间内产物的生成量。
2.影响光合作用过程的环境因素
(1)空气中CO2浓度。
(2)土壤中水分含量。
(3)光照时间长短、强弱以及光的成分。
(4)温度的高低。
3.探究光照强度对光合作用强度的影响
(1)实验原理:
①利用抽气法排出叶片细胞间隙中的气体,使其沉入水中。
②通过台灯与烧杯的距离控制光照强度。
③光合作用的过程中产生O2的多少与光合作用强度密切相关,O2积累在细胞间隙从而使下沉的叶片上浮。因此可依据一定时间内小圆形叶片上浮的数量,来比较光合作用强度。
(2)实验步骤及操作要点:
实验步骤
操作要点
①制备小圆形叶片
将绿色菠菜叶片用直径为1 cm的打孔器打出小圆形叶片30片
②排出细胞间隙中的气体
a.将小圆形叶片和适量清水置于注射器中,排出注射器内的空气。
b.用手堵住注射器前端的小孔,并缓缓拉动活塞,使小圆形叶片内的气体逸出。重复几次,直到小圆形叶片沉入水底
③分装小圆形叶片
将内部气体逸出的小圆形叶片各10片,分别放入暗处盛有20 mL富含CO2的清水的3个小烧杯中。这时的叶片由于细胞间隙充满了水,全部沉到水底
④给予不同的光照强度
分别取离台灯10 cm、20 cm、30 cm(对应编号为1、2、3)的位置,把三个烧杯分别放在这三个位置上,打开台灯
⑤观察并记录
一定时间内小圆形叶片浮起的数量
(3)实验结论:在一定光照强度范围内,光合作用强度随光照强度的增强而增强。
[纠误诊断]
(1)生长于较弱光照条件下的植物,当提高CO2浓度时,其光合速率未随之增加,主要限制因素是光照强度。(　√　)
(2)延长光照时间能够提高光合作用强度。(　×　)
提示:延长光照时间只能提高光合作用的产物量,不能提高光合作用强度。
(3)植物体从土壤中吸收的水分主要用于光合作用。(　×　)
提示:植物体从土壤中吸收的水分主要用于蒸腾作用。
(4)停止供水,植物光合速率下降,这是由于水是光合作用的原料,又是光合产物在植物体内运输的主要介质。(　√　)
(5)夏季晴天,植物出现光合“午休”现象的主要原因是环境中CO2浓度过低。(　×　)
提示:出现光合“午休”现象是因为夏季中午温度过高,引起气孔关闭,CO2吸收减少,而不是环境中CO2浓度过低。

1.光照强度对光合作用的影响及应用
(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在OA范围内,光照强度是光合速率的限制因子,光合速率和光照强度呈直线关系,即光照越强,光合速率越快。
②当光照强度在AB范围内,光合速率的增加减慢。
③当光照强度超过B点,光合速率不再随光照强度的增大而增加,这一光照强度称为光饱和点。
(3)应用分析:适当提高光照强度能提高大棚作物产量。
[深度思考]
(1)下图为某植物光照强度与CO2吸收量和释放量的关系。当条件改变时,请分析曲线中几个关键点的移动规律

①a点:与呼吸强度相关,呼吸强度增加或减小,a点相应下移或上移。
②b点:此时光合速率应等于呼吸速率。若环境改变(如光照强度降低)使光合速率低于呼吸速率,则b点应右移,通过增强光照强度以提高光合速率。
③c点:与光合强度相关,若环境改变(如CO2浓度降低)使暗反应速率降低,光合作用对光照的需求降低,则c点左移、d点左下移动。
(2)若植物长期处于光照强度为光补偿点(植物的光合强度和呼吸强度达到相等时的光照强度值)的自然环境中,植物能否正常生长?原因是什么?
提示:不能。因为光照强度为光补偿点时,植物在白天没有有机物的积累,而且植物在夜间又进行细胞呼吸消耗有机物,植物体内的有机物减少,因此植物将不能正常生长。
2.CO2浓度对光合作用的影响
(1)原理:CO2浓度通过影响暗反应阶段,制约C3的生成。
(2)曲线分析

图甲中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度,即CO2补偿点,而图乙中的A'点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度;两图中的B点和B'点都表示CO2饱和点,两图都表示在一定范围内,光合作用速率随CO2浓度增加而增大。
(3)应用
①大田要“正其行,通其风”,多施有机肥。
②温室内可通过放干冰、使用CO2生成器、施用农家肥、与猪舍鸡舍连通等方法适当提高CO2浓度。
[深度思考]
(1)大棚生产中,为什么多施有机肥能够提高作物的产量?
提示:有机肥中的有机物被微生物分解产生了CO2和无机盐,能够增加大棚中的CO2浓度并为作物提供矿质营养。
(2)在农业生产上,农作物的种植密度过大时,农作物的产量反而会降低,原因是什么?
提示:农作物的种植密度过大时,会造成作物的下部的叶片通风和透光度低,下部的叶片因光照强度和CO2浓度低,光合速率降低,而作物种植密度大又造成整体上作物的细胞呼吸强度的增大,因此作物的净光合速率降低。
3.温度对光合作用的影响及应用
(1)原理:温度通过影响光合酶的活性影响光合作用强度。
(2)曲线分析:

光合作用强度和细胞呼吸强度都受温度的影响,但光合作用相关酶对温度反应更为敏感。
(3)应用:温室栽培植物时,白天调到光合作用最适温度,以提高光合作用强度;晚上适当降低温室内温度,以降低细胞呼吸强度,保证植物有机物的积累。
4.水对光合作用的影响及应用
(1)原理:水既是光合作用的原料,又是体内各种化学反应的介质,如植物缺水导致萎蔫,使光合速率下降。另外,水分还能影响气孔的开闭,间接影响CO2进入植物体内。
(2)曲线分析

图1表明在农业生产中,可根据作物的需水规律,合理灌溉。图2曲线中间E处光合作用强度暂时降低,是因为温度高,气孔关闭,影响了CO2的供应。
(3)应用:预防干旱,合理灌溉。
5.矿质元素对光合作用的影响及应用
(1)原理:矿质元素是参与光合作用的许多重要化合物的组成成分,缺乏会影响光合作用的进行。例如,N是酶的组成元素,N、P是ATP、磷脂的组成元素,Mg是叶绿素的组成元素等。
(2)曲线分析:

在一定浓度范围内,增大必需矿质元素的供应,可提高光合作用强度;但当超过一定浓度后,会因土壤溶液的浓度过高,植物渗透失水而导致植物光合作用强度下降。
(3)应用:合理施肥、补充土壤中的矿质元素。
[深度思考]
研究小组将生长状况相似的菠菜幼苗均分为A、B两组进行实验探究,A组培养在完全培养液中,B组培养在缺Mg2+的培养液中,其他条件相同且适宜。一段时间后,持续提供14C标记的CO2进行光合作用,然后检测并比较14C标记的有机化合物的量。①该实验的目的是什么?②B组14C标记的(CH2O)的量比A组低,原因是什么?
提示:(1)探究Mg2+对植物光合作用的影响。(2)缺少Mg2+不利于叶绿素的合成,光反应产生的[H]和ATP不足,C3的还原减少,形成的(CH2O)减少。
6.光照强度、CO2浓度和温度对光合作用的综合作用
(1)常见曲线

(2)曲线分析
P点:限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子,随着因子的不断加强,光合速率不断提高。
Q点:横坐标所表示的因子不再是影响光合速率的因素,影响因素主要为各曲线所表示的因子。
(3)应用:温室栽培时,在一定光照强度下,白天适当提高温度,增加光合酶的活性,提高光合速率,也可同时适当增加CO2浓度,进一步提高光合速率;当温度适宜时,可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合速率。
7.写出下列两例实验探究思路
(1)为了探究弱光和强光对某种绿色植物的叶片内各种光合色素含量的影响,请简要写出实验设计思路并利用所学知识进行检测。
提示:该实验的自变量是光的强弱、因变量是叶片内各种光合色素含量,故实验设计为将某种生理状态、大小等相同的绿色植株平均分为甲、乙、丙3组,甲组给予弱光照、乙组给予自然光照、丙组给予强光照,其他条件相同且适宜,一段时间后取每组相同部位的等量叶片进行色素的提取和分离,比较滤纸条上各种色素带的宽度。
(2)研究表明,CaCl2与脱落酸(ABA)都能提高棉花的抗旱能力,并且混合使用效果更佳,请简要写出证明该观点的实验设计思路。
提示:在干旱条件下分别用清水、CaCl2、ABA及CaCl2和ABA的混合物分别处理棉花,测量并比较四种情况下的净光合速率(CO2吸收量)大小。

题型一　环境因素影响光合作用的坐标曲线分析
1.(2018·全国Ⅰ卷)甲、乙两种植物净光合速率随光照强度的变化趋势如图所示。

回答下列问题:
(1)当光照强度大于a时,甲、乙两种植物中,对光能的利用率较高的植物是　　　　。 
(2)甲、乙两种植物单独种植时,如果种植密度过大,那么净光合速率下降幅度较大的植物是　　　　,判断的依据是　 　。 
(3)甲、乙两种植物中,更适合在林下种植的是　　　　。 
(4)某植物夏日晴天中午12:00时叶片的光合速率明显下降,其原因是进入叶肉细胞的　　　　(填“O2”或“CO2”)不足。 
解析:(1)由曲线图可知,光照强度大于a时,甲植物的净光合速率随着光照强度的增加而增加的幅度更大,说明甲植物对光能的利用率较高。
(2)当种植密度过大时,植株的叶片会相互遮挡,植株接受的光照强度减弱,导致植物净光合速率下降。由曲线图可知,光照强度降低时甲植物净光合速率降低的幅度比乙大。
(3)由曲线图可知,在低光照强度下,乙植物的净光合速率较高,在高光照强度下,乙植物的净光合速率明显低于甲植物,所以乙植物更适合在林下低光照强度的环境下种植。
(4)夏日晴天中午12:00,温度较高,部分气孔关闭,进入叶肉细胞的CO2明显减少,抑制了暗反应,导致叶片的光合速率明显降低。
答案:(1)甲
(2)甲　光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大,种植密度过大,植株接受的光照强度减弱,导致甲植物净光合速率下降幅度比乙大
(3)乙
(4)CO2
2.(2019·河北石家庄一模)甲、乙两种植物在温度适宜的情况下,环境中CO2浓度对光合速率影响如图所示。请回答下列问题:

(1)CO2浓度为B时,限制甲、乙两种植物光合速率的主要环境因素分别为　　　　　　、　　　　　　。Q点甲植物和乙植物制造O2的速率　　　　(填“相同”或“不同”)。 
(2)光照强度、温度等其他条件适宜的情况下,将上述两种植物幼苗置于同一密闭的容器中,一段时间内,生长首先受影响的植物是　　　　。该密闭容器中CO2浓度的变化趋势是　　　　　　　　　　　　　　　　　,原因是　 　 。 
解析:(1)根据分析可知,CO2浓度为B时,乙植物已达到最大光合速率,说明限制此时光合速率的环境因素应为二氧化碳浓度以外的因素,又由于实验的温度是最适的,故限制此时光合速率的主要环境因素是光照强度。二氧化碳浓度为B时,甲植物还没有达到最大光合速率,故限制此时光合速率的主要外界环境因素是CO2浓度。真光合速率=净光合速率+呼吸速率,Q点甲植物和乙植物的净光合速率相等,但由于甲植物和乙植物的呼吸速率不同,故甲植物和乙植物制造O2的速率不同。(2)光照强度、温度等其他条件适宜的情况下,将上述两种植物幼苗置于同一密闭的容器中,由于植物正常生长,即净光合速率大于0,植物需从装置中吸收二氧化碳,使装置中二氧化碳不断减少,由图可知,当环境中二氧化碳浓度降低时,甲植物的光合速率最先降低,所以一段时间内,生长首先受影响的是甲植物。由于在适宜的条件下,密闭容器内植物在光下光合作用吸收CO2的量大于呼吸作用释放CO2的量,使密闭小室中CO2浓度降低,CO2浓度降低会使植物的光合速率降低,当CO2浓度降低到一定水平时,植物的光合作用和呼吸作用强度相等,这时装置内CO2浓度就保持相对稳定,所以使该密闭容器中CO2浓度先降低,降低至一定水平时保持相对稳定。
答案:(1)CO2浓度　光照强度　不同
(2)甲植物　降低至一定水平时保持相对稳定　适宜的条件下,密闭容器内植物在光下光合作用吸收CO2的量大于呼吸作用释放CO2的量,使密闭小室中CO2浓度降低,CO2浓度降低到一定水平时,植物的光合作用和呼吸作用强度相等,这时装置内CO2浓度就保持相对稳定

坐标曲线上限制因变量变化的因素分析
(1)单曲线分析:曲线上升段或下降段的限制因素,主要是横轴对应的变量(自变量);曲线水平段的限制因素是除自变量之外的其他影响因变量的因素。
(2)多曲线分析:两曲线重合部分的限制因素是横轴对应的变量(自变量),两曲线不重合部分的差异是由除自变量之外的其他影响因变量的因素所致。
题型二　环境因素影响光合作用的实验探究和分析
3.为完成“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验,提供以下材料用具:菠菜叶、打孔器(直径1 cm)、注射器、40 W台灯、烧杯、4% NaHCO3溶液、蒸馏水、不同颜色的透明薄膜等。
(1)某同学选取其中一个因素进行探究,以下是实验结果:
时间
上浮的叶圆片数量(片)
蒸馏水
0.5%
NaHCO3
1%
NaHCO3
1.5%
NaHCO3
2%
NaHCO3
2 min
0
7
11
10
4
4 min
0
15
16
13
7
①该实验的目的是　 , 
实验检测指标是　 。 
②有哪些措施可以减少实验误差? 　 。(至少写出两项)
③有同学认为叶片之所以浮起,是因为呼吸作用消耗了有机物且产生了CO2导致叶片上浮的。根据实验结果判断该观点是否正确?并说明理由:  　 。 
(2)利用以上材料,还可以探究的环境因素有　 。 　(答出两个) 
解析:(1)①由表格看出实验的自变量是不同浓度的 NaHCO3 溶液,NaHCO3溶液的浓度不同,提供的CO2浓度不同,因此该实验是探究的不同浓度的CO2对光合速率的影响。实验观察的指标是单位时间内上浮的叶圆片数量。②减少实验误差就要平衡无关变量,重复实验求平均值。③叶片上浮的原因是光合速率大于呼吸速率,叶片内氧气增多,叶圆片的密度变小。说明叶圆片上浮的原因不是呼吸作用消耗有机物且产生了CO2,应从蒸馏水中叶圆片没有上浮的角度来论述。
(2)上述实验材料,还有40 W台灯、不同颜色的透明薄膜,还可探究光照强度或不同光质对光合作用的影响。
答案:(1)①探究CO2浓度(或NaHCO3浓度)对叶片光合速率的影响　相同时间内烧杯中叶片浮起的数量
②用打孔器打出的叶片数量足够多;每组实验重复几次,记录的数据取平均值
③不正确,因为在蒸馏水的那组实验中,叶片一样进行了呼吸作用,却没有叶片浮起,叶片上浮的原因是光合作用强度大于呼吸作用强度,叶片内氧气增多
(2)光照强度、光的性质
4.(2019·全国Ⅰ卷)将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理。该植物根细胞中溶质浓度增大,叶片中的脱落酸(ABA)含量增高,叶片气孔开度减小,回答下列问题:
(1)经干旱处理后,该植物根细胞的吸水能力　　　　。 
(2)与干旱处理前相比,干旱处理后该植物的光合速率会　　　　;出现这种变化的主要原因是　 　。 
(3)有研究表明:干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的,请以该种植物的ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株为材料,设计实验来验证这一结论,要求简要写出实验思路和预期结果。
解析:(1)经干旱处理后,根细胞的细胞液溶质浓度增大,渗透压增大,对水分子吸引力增大,植物根细胞的吸水能力增强。
(2)据题干条件可知,干旱处理后该植物的叶片气孔开度减小,导致叶片细胞吸收CO2减少,暗反应减弱,因此光合速率会下降。
(3)根据题意分析可知,实验目的为验证干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的,故实验应分为两部分:①证明干旱条件下植物气孔开度变化不是缺水引起的;②证明干旱条件下植物气孔开度减小是ABA引起的。该实验材料为ABA缺失突变体植株(不能合成ABA),自变量应分别为①正常条件和缺水环境,②植物体中ABA的有无,因变量均为气孔开度变化,据此设计实验。
①取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度,经干旱处理后,再测定气孔开度,预期结果是干旱处理前后气孔开度不变,可说明缺水环境不影响ABA缺失突变体植株气孔开度变化,即干旱条件下植物气孔开度变化不是缺水引起的。
②将上述干旱处理的ABA缺失突变体植株分成两组,在干旱条件下,一组进行ABA处理,另一组作为对照组,一段时间后,分别测定两组的气孔开度,预期结果是ABA处理组气孔开度减小,对照组气孔开度不变。可说明干旱条件下植物气孔开度减小是ABA引起的。
答案:(1)增强　
(2)降低　气孔开度减小使供应给光合作用所需的CO2减少　
(3)①实验思路:取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度,经干旱处理后,再测定气孔开度。
预期结果:干旱处理前后气孔开度不变。
②将上述干旱处理的ABA缺失突变体植株分成两组,在干旱条件下,一组进行ABA处理,另一组作为对照组,一段时间后,分别测定两组的气孔开度。
预期结果:ABA处理组气孔开度减小,对照组气孔开度不变。
5.(2014·福建卷)氢是一种清洁能源。莱茵衣藻能利用光能将H2O分解成[H]和O2,[H]可参与暗反应,低氧时叶绿体中的产氢酶活性提高,使[H]转变为氢气。
(1)莱茵衣藻捕获光能的场所在叶绿体的　。 
(2)CCCP(一种化学物质)能抑制莱茵衣藻的光合作用,诱导其产氢。已知缺硫也能抑制莱茵衣藻的光合作用。为探究缺硫对莱茵衣藻产氢的影响,设完全培养液(A组)和缺硫培养液(B组),在特定条件下培养莱茵衣藻,一定时间后检测产氢总量。实验结果:B组>A组,说明缺硫对莱茵衣藻产氢有　　　　作用。 
为探究CCCP、缺硫两种因素对莱茵衣藻产氢的影响及其相互关系,则需增设两实验组,其培养液为　　　　　　　　　　和　　　　　　　　　　。 
(3)产氢会导致莱茵衣藻生长不良,请从光合作用物质转化的角度分析其原因: 　 。 
(4)在自然条件下,莱茵衣藻几乎不产氢的原因是　　　　　　　　　　　　,因此可通过筛选高耐氧产氢藻株以提高莱茵衣藻产氢量。 
解析:(1)莱茵衣藻捕获光能的场所在叶绿体的类囊体薄膜上。(2)根据实验结果可知,莱茵衣藻培养在缺硫培养液中产氢的总量大于培养在完全培养液中产氢的总量,说明缺硫对莱茵衣藻产氢有促进作用。结合原有的实验设计可知,A组为对照组,B组实验可以探究缺硫对莱茵衣藻产氢的影响,为了探究CCCP对莱茵衣藻产氢的影响,可以设置一实验组让莱茵衣藻在含有CCCP的完全培养液中培养并检测产氢总量;为了探究CCCP和缺硫两种因素在影响莱茵衣藻产氢时的相互关系,可以设置一实验组让莱茵衣藻在含有CCCP的缺硫培养液中培养并检测产氢总量。(3)依据题意可知,当莱茵衣藻光反应产生的[H]转变为氢气(H2)时,参与暗反应的[H]减少,有机物生成量减少,从而导致莱茵衣藻生长不良。(4)结合题干中“低氧时叶绿体中的产氢酶活性提高,使[H]转变为氢气”可判断,在自然条件下莱茵衣藻几乎不产氢的原因是自然环境中的氧气抑制产氢酶的活性,从而使[H]无法转变为氢气。
答案: (1)类囊体薄膜
(2)促进　添加CCCP的完全培养液　添加CCCP的缺硫培养液
(3)莱茵衣藻光反应产生的[H]转变为H2,参与暗反应的[H]减少,有机物生成量减少
(4)氧气抑制产氢酶的活性

[构建知识网络]


[强化思维表达]
1.叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光,胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。
2.光反应阶段是叶绿体中的色素吸收光能,将H2O分解成[H]和O2,同时形成ATP的过程。
3.暗反应阶段是在叶绿体基质内在多种酶催化下完成的,包括CO2的固定和C3的还原等过程。
4.光照强度直接影响光反应的速率,光反应产物[H]和ATP的数量多少会影响暗反应的速率。
5.温度影响光合作用过程,特别是影响暗反应中酶的催化效率,从而影响光合速率。
6.CO2是暗反应的原料,CO2浓度高低直接影响光合速率。
7.矿质元素:直接或间接影响光合作用。例如镁是叶绿素的组成成分,氮对酶的含量有影响,磷是ATP的组成成分。