真题解读丨光合作用与细胞呼吸综合大题解读(第二部分)

回答下列问题：

（1）图a中，当胞间CO2浓度在900~1200μmol·mol−1范围时，红光下光合速率的限制因子是，推测此时蓝光下净光合速率更高的原因是。

（2）图b中，突变体水稻在远红光与红光条件下蒸腾速率接近，推测其原因是。

（3）归纳上述两个研究内容，总结出光影响植物的两条通路（图c）。通路1中，①吸收的光在叶绿体中最终被转化为。通路2中吸收光的物质②为。用箭头完成图c中②所介导的通路，并在箭头旁用“（+）”或“（-）”标注前后两者间的作用，（+）表示正相关，（-）表示负相关。

 （4）根据图c中相关信息，概括出植物利用光的方式：。

【答案】（1）① 光照强度    ② 蓝光能促进光合作用相关酶的活性（或蓝光被光合色素吸收的效率更高等）     （2）突变体中 PILI5 基因功能缺失，阻断了光信号对气孔开放程度的调控，使得气孔开放程度在远红光和红光条件下无明显差异     （3）① 有机物中的化学能    ② 光敏色素    ③ 光敏色素→（-）PILI5 基因→（+）脱落酸信号通路→（ - ）气孔开放程度     （4）通过叶绿体中的光合色素吸收光能用于光合作用合成有机物；通过光敏色素吸收光信号调控基因表达，影响植物生理过程     

【解析】植物叶绿体中色素的光吸收特点为：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；光敏色素主要吸收红光和远红光，在受到光照射时，光敏色素的结构会发生变化，这一变化的信息会经过信息传递系统传导到细胞核内，影响特定基因的表达，从而表现出生物学效应。(1) 限制光合作用最重要的两个外界因素是光照强度和二氧化碳浓度，图a曲线中，二氧化碳浓度为900-1200范围内，光合速率不再增加，说明此时限制因子不是二氧化碳，红光下应为光照强度。对于蓝光下净光合速率更高的原因，可能是蓝光能够促进光合作用中某些关键酶的活性，或者蓝光被光合色素吸收后转化为化学能的效率更高等。(2) 已知红光下植物的相关反应与白天相似，远红光下植物的相关反应与夜间相似，突变体发生了 PILI5 基因的功能缺失，且该基因参与脱落酸信号通路的调控。在远红光与红光条件下蒸腾速率接近，推测原因可能是突变体中 PILI5 基因功能缺失，使得脱落酸信号通路对气孔的调控作用减弱，导致在不同光质（远红光和红光）下气孔开放程度变化不大，从而蒸腾速率接近。(3) 通路1中，① 为光合色素，吸收的光在叶绿体中最终被转化为化学能（储存在 ATP 和 NADPH 中，最终储存在有机物中）。 通路 2 中吸收光的物质② 为光敏色素。 由于突变体发生 PILI5 基因功能缺失后，在远红光与红光条件下蒸腾速率接近，可推测光敏色素吸收光信号后，通过影响 PILI5 基因的表达，进而影响脱落酸信号通路，对气孔开放程度进行调控。且从图 b 中突变体在远红光和红光下蒸腾速率变化不大，野生型在红光条件下蒸腾速率较大，可推断白天红光情况下，PILI5基因表达是被抑制的，PILI5 基因对脱落酸信号通路是正相关，脱落酸信号通路对气孔开放程度是负相关，即光敏色素→（-）PILI5 基因→（+）脱落酸信号通路→（ - ）气孔开放程度。(4) 根据图 c 中相关信息，植物利用光的方式有：一方面，通过叶绿体中的光合色素吸收光能，将其转化为化学能用于光合作用合成有机物；另一方面，通过光敏色素吸收光信号，调控基因（如PILI5基因）表达，进而影响植物的生理过程（如通过脱落酸信号通路调控气孔开放程度）。

2.（2025·江苏·高考真题）科研人员从植物叶绿体中分离类囊体，构建含类囊体的人工细胞，并探究光照等因素对人工细胞功能的影响。请回答下列问题：

（1）细胞破碎后，在适宜温度下用低渗溶液处理，胀破膜，获得类囊体悬液。经离心分离获得类囊体，为保持其活性，需加入溶液重新悬浮，并保存备用。

（2）类囊体浓度用单位体积类囊体悬液中叶绿素的含量表示。吸取5μL类囊体悬液溶于995μL的溶液中，混匀后，测定出叶绿素浓度为3μg/mL，则类囊体的浓度为μg/mL。

（3）为检测类囊体活性，实验前需对类囊体进行多次洗涤，目的是消除类囊体悬液中原有光反应产物对后续实验结果的影响，这些产物主要有。

（4）已知荧光素PY的强弱与pH大小正相关。图示具有光反应活性的人工细胞，在适宜光照下，荧光强度（填“变强”“不变”或“变弱”），说明类囊体膜具有的功能有。

 （5）在光反应研究的基础上，利用人工细胞开展类似碳反应生成糖类的实验研究，理论上还需要的物质有。

【答案】（1）① 叶绿体  ② 等渗  （2）① 有机溶剂  ② 600  （3）ATP、NADPH  （4）① 变弱   ② 使水分子分解产生H⁺；转运H⁺ （5）各种酶和原料CO₂、C₅

【解析】光合作用包括光反应阶段和暗反应阶段，光反应的场所是在叶绿体的类囊体薄膜上，暗反应的场所是叶绿体基质中。(1) 类囊体位于叶绿体内，故细胞破碎后，在适宜温度下用低渗溶液处理，胀破叶绿体内外膜，获得类囊体悬液。经离心分离获得类囊体，为保持其活性，保持类囊体的渗透压，需加入等渗溶液重新悬浮，并保存备用。(2) 类囊体浓度用单位体积类囊体悬液中叶绿素的含量表示。由于叶绿素溶解在有机溶剂，故吸取5μL类囊体悬液溶于995μL的有机溶剂溶液中，稀释200倍，混匀后，测定出叶绿素浓度为3μg/mL，1ml=1000μL，则类囊体的浓度为600μg/mL。(3) 光反应产物有O₂、NADPH和ATP。(4) 已知荧光素PY的强弱与pH大小正相关。图示具有光反应活性的人工细胞，类囊体膜进行类囊体膜上分布着光合色素（如叶绿素），在适宜光照下，这些色素能够捕捉光能并将其转化为化学能。在类囊体膜上裂解水分子，产生氧气、质子（H⁺）和电子，其中氧气释放到胞外，质子被运出类囊体腔，pH降低，荧光强度变弱。(5) 要进行暗反应，需要各种酶和原料CO₂、C_5。

3.（2025·陕西&山西·高考真题）叶绿体中R酶既能催化CO₂固定，也能催化C₅与O₂反应，CO₂和O₂两种底物竞争R酶同一活性位点；线粒体中G酶参与催化甘氨酸转化为丝氨酸，如图（a）。为探究保卫细胞中G酶对植物光合作用的影响，研究者以野生型植株W为参照，构建了G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S，实验结果如图（b）。回答下列问题。

 （1）R酶催化CO₂固定的场所是叶绿体的，产物C₃在光反应生成的参与下合成糖类等有机物。

（2）植物保卫细胞吸水，气孔开度增大。由图（a）（b）可知，相同光照条件下植株S保卫细胞中G酶表达量提高，叶片的净光合速率高于植株W，原因是。

（3）保持环境中CO₂浓度不变，当O₂浓度从21%升高到40%时，植株S的净光合速率（填“增大”或“减小”）；相较于植株W，植株S的净光合速率变化幅度（填“大”“小”或“无法判断”）。

（4）若需确认保卫细胞中G酶对叶片净光合速率的影响，还需补充一个实验组。写出实验思路及预期结果：。

【答案】（1）① 基质    ② ATP、NADPH     （2）植株S保卫细胞中G酶表达量提高，促进甘氨酸转化为丝氨酸，释放二氧化碳用于光合作用，从而生成更多的可溶性糖，提高了保卫细胞的细胞液浓度，植物保卫细胞吸水，气孔开度增大，二氧化碳吸收加快，碳反应速率加快     （3）① 减小    ② 小     （4）实验思路：以野生型植株W为参照，构建了G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S和构建了G酶表达量仅在保卫细胞中减少的植株T为实验组，在相同且适宜条件下培养，测定三组植物在不同光照强度下的净光合速率。预期结果：植株T净光合速率小于植株W，植株S净光合速率大于植株W     

【解析】光合作用的过程（1）光反应阶段：在类囊体的薄膜上进行。光合色素吸收光能的用途，一是将水分解为O₂和H⁺，H⁺与氧化性辅酶NADP⁺结合，形成还原型辅酶NADPH。二是在有关酶的催化作用下，提供能量促使ADP和Pi反应形成ATP。（2）暗反应阶段：在叶绿体基质中进行。绿叶吸收的CO₂，在特定酶的作用下与C₅结合生成C₃。C₃接受ATP和NADPH提供的能量，并且被NADPH还原，一部分C₃转化为糖类，另一部分C₃被还原为C₅。(1) 叶绿体中R酶催化CO₂固定，二氧化碳固定属于暗反应过程，暗反应发生在叶绿体基质中。产物C₃在光反应生成的ATP和NADPH的作用下合成糖类等有机物，其中ATP可以提供能量，NADPH作为还原剂并提供能量。(2) 结合图示和题干信息分析，相同光照条件下植株S保卫细胞中G酶表达量提高，促进甘氨酸转化为丝氨酸，释放二氧化碳用于光合作用，从而生成更多的可溶性糖，提高了保卫细胞的细胞液浓度，植物保卫细胞吸水，气孔开度增大，二氧化碳吸收加快，碳反应速率加快，从而使得植株S叶片的净光合速率高于植株W。(3) 叶绿体中R酶既能催化CO₂固定，也能催化C₅与O₂反应，CO₂和O₂两种底物竞争R酶同一活性位点，保持环境中CO₂浓度不变，当O₂浓度从21%升高到40%时，二氧化碳竞争R酶的能力减弱，碳反应速率减小，因此植株S的净光合速率减小。相较于植株W，植株S在相同条件下气孔开度相对较大，有利于二氧化碳的吸收，因此植株S的净光合速率变化幅度较小。(4) 为探究保卫细胞中G酶对植物光合作用的影响，以野生型植株W为参照，构建了G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S，还需要补充的一个实验组是构建了G酶表达量仅在保卫细胞中减少的植株（假设为T），实验思路是以野生型植株W为参照，构建了G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S和构建了G酶表达量仅在保卫细胞中减少的植株T为实验组，在相同且适宜条件下培养，测定三组植物在不同光照强度下的净光合速率。根据上述分析，G酶有利于光合作用的进行，因此预期结果是植株T净光合速率小于植株W，植株S净光合速率大于植株W。

4.（2025·黑龙江&吉林·高考真题）Rubisco是光合作用暗反应中的关键酶。科研人员将Rubisco基因转入某作物的野生型（WT）获得该酶含量增加的转基因品系（S），并做了相关研究。实验结果表明，这一改良提高了该作物的光合速率（如下图）和产量潜力。回答下列问题。

 （1）Rubisco在叶绿体的中催化与CO₂结合。部分产物经过一系列反应形成（CH₂O），这一过程中能量转换是。

（2）据图分析，当胞间CO₂浓度高于B点时，曲线②与③重合是由于不足。A点之前曲线①和②重合的最主要限制因素是。胞间CO₂浓度为300μmol·mol^-1时，曲线①比②的光合速率高的具体原因是。

（3）研究发现，在饱和光照和适宜CO₂浓度条件下，S植株固定CO₂生成C₃的速率比WT更快。使用同位素标记的方法设计实验直接加以验证，简要写出实验思路。

【答案】（1）① 基质    ② C₅    ③ ATP和NADPH中活跃的化学能转化为有机物（CH₂O）中稳定的化学能     （2）① 光照强度    ② CO₂浓度    ③ 曲线① 光照强度高，光反应速率快，产生更多的ATP和NADPH，使暗反应速率加快，光合速率高。     （3）用¹⁴C标记CO₂，分别将S植株与WT植株置于相同的饱和光照和适宜¹⁴CO₂浓度条件下，定时检测C₃放射性强度，比较S植株与WT的C₃生成速率。

【解析】光合作用包括光反应和暗反应两个阶段。光反应发生场所在叶绿体的类囊体薄膜上，色素吸收、传递和转换光能，并将一部分光能用于水的光解生成NADPH和氧气，另一部分光能用于合成ATP，暗反应发生场所是叶绿体基质中，首先发生二氧化碳的固定，即二氧化碳和五碳化合物结合形成两分子的三碳化合物，三碳化合物利用光反应产生的NADPH和ATP被还原。(1) Rubisco是光合作用暗反应中的关键酶，暗反应的场所是叶绿体基质，因此Rubisco在叶绿体基质中催化C₅与CO₂结合生成C₃。在C₃的还原过程中需要ATP和NADPH提供能量，部分产物经过一系列反应形成（CH₂O），这一过程中能量转换是ATP和NADPH中活跃的化学能转化为有机物（CH₂O）中稳定的化学能。(2) ① ② 曲线的自变量是有无补光（光照强度），② ③ 曲线的自变量是有无转入Rubisco基因（Rubisco的含量）。据图分析，当胞间CO₂浓度低于B点时，曲线② 高于③ ，是因为② 中Rubisco的含量多，固定CO₂的能力强，当胞间CO₂浓度高于B点时，曲线② 与③ 重合，说明Rubisco的量已经不是限制光合速率的因素，而曲线① 的光合速率高于曲线② ③ ，曲线① 有较高的光照强度，因此曲线② 与③ 重合是由于光照强度不足。曲线① 的光照强度高于② ，但是A点之前曲线① 和② 重合，光照强度不是限制因素，此时最主要限制因素是CO₂浓度。胞间CO₂浓度为300μmol·mol^-1时，曲线① 比② 的光合速率高的具体原因是曲线① 光照强度高，光反应速率快，产生更多的ATP和NADPH，使暗反应速率加快，光合速率高。(3) 研究发现，在饱和光照和适宜CO₂浓度条件下，S植株固定CO₂生成C₃的速率比WT更快。要验证此结论，实验思路为：用¹⁴C标记CO₂，分别将S植株与WT植株置于相同的饱和光照和适宜¹⁴CO₂浓度条件下，定时检测C₃放射性强度，比较S植株与WT的C₃生成速率。

5.（2024·上海·高考真题）水稻是重要的粮食作物，高温会引起水稻减产。科学家对抗高温能力弱的水稻W进行改良。获得了水稻S。如图显示了高温条件下水稻W和水稻S响应高温的部分机制。其中T1和T2为不同蛋白，T2在液泡中被降解。箭头的粗细代表物质的量。

 （1）要对比高温条件下水稻W和水稻S的产量，必须保持相同的实验条件______。

A. 地上部分生长量

B. 高温处理时间

C. 水稻幼苗数量

D. 水稻种植时间

（2）据图，水稻感受高温信号的是（T1/T2）；被T2破坏的细胞器是。

（3）据图可知，相同高温条件下，与水稻W相比，水稻S增产的原因是______。

A. 进入液泡内的T1更多

B. 细胞质基质内T1更少

C. 进入液泡内的T2更多

D. 细胞质基质内T2更少

（4）据图，相同高温条件下，与水稻W相比，推测水稻S的细胞______。

A. 净光合速率较高

B. 呼吸作用产生ATP的量较少

C. 糖类输出量较少

D. 转换光能效率较高

（5）据图，水稻W改良为水稻S时，所采取的措施是，若要进一步提高水稻S的抗高温能力，可采取的策略是。（编号选填）

①提高T1的量             

②提高T2的量                    

③降低T1的量

④降低T2的量             

⑤改变T1的结构                    

⑥改变T2的结构

【答案】（1）BCD  （2）① T1  ② 叶绿体  （3）CD  （4）AD  （5） ⑤    ① ④ ⑤ ⑥     

【解析】光合作用概括地分为光反应和暗（碳）反应两个阶段，光反应中会发生水的分解和ATP、NADPH的合成，发生在类囊体（薄）膜上，暗（碳）反应中会发生二氧化碳的固定和三碳化合物的还原，发生在叶绿体基质。(1) 在对比高温条件下水稻 W 和水稻 S 产量时，需遵循单一变量原则，除水稻品种不同外，其他可能影响产量的因素都要保持一致。高温处理时间、水稻幼苗数量、水稻种植时间均会对水稻最终产量产生影响，所以都应相同。地上部分生长量为本实验的因变量，不需保持相同。(2) 从图中能看到，高温信号首先作用于 T1，所以水稻感受高温信号的是 T1 ；同时，图中呈现 T2 作用的目标细胞器是叶绿体，即被 T2 破坏的细胞器是叶绿体。(3) 观察图可知，在相同高温条件下，水稻 S 与水稻 W 相比，进入液泡内的 T2 更多。T2 在液泡中被降解，使得细胞质基质内 T2 减少，减轻了 T2 对叶绿体的破坏，保障光合作用正常进行，进而实现增产，CD正确，AB错误。(4) A、水稻 S 中更多 T2 进入液泡被降解，对叶绿体破坏小，光合作用能较好进行，所以净光合速率较高，A正确；B、图中未体现呼吸作用产生 ATP 量的差异，B错误；C、水稻 S 光合作用受影响小，糖类输出量应较多，C错误；D、水稻 S 叶绿体受 T2 破坏小，能更好地进行光合作用，转换光能效率较高 ，D正确。故选AD。(5) 对比水稻 W 和水稻 S 的机制图，水稻 S 中 T1 和 T2 结合后进入液泡的量更多，且 T2 对叶绿体破坏小，推测可能是改变了 T1 的结构（⑤ ），让 T1 能更有效地结合 T2 并转运至液泡降解。要进一步提升水稻 S 抗高温能力，可降低 T2 的量（④ ），减少其对叶绿体的潜在破坏；改变 T2 的结构（⑥ ），使其失去破坏叶绿体的能力；还能提高 T1 的量（① ），促进更多 T2 转运到液泡降解；也可以继续改变优化T1 的结构（⑤ ），让 T1 能更有效地结合 T2 并转运至液泡降解。