原创试题设计 | 高中生物学 第2期

前言

本公众号分享的原创试题依据《中国高考评价体系》及《普通高中生物学课程标准（2017年版2025年修订）》命制，以生物学科等级性学业水平考试的学业质量水平为依据，指向核心素养的发展水平。试题参考近6年湖南省普通高中学业水平选择性考试生物学真题的命题风格，定位为高三学生生物学复习训练用题。

本期分享的原创试题命题范围为细胞呼吸与光合作用，包含单项选择题、不定项选择题、非选择题各1题。三题分别以人体健康（冷暴露激活棕色脂肪组织抑制肿瘤，Nature 2022）、科学生产（设施番茄CO₂加富与LED补光，Horticulturae 2025等）、科技前沿与科学生产（水稻“碳正性”光呼吸旁路，Plant Biotechnology Journal 2025）为素材，均为近期高水平科研成果，素材出处见各题【命题素材】栏。

先展示试题，随后附试题设计的答案解析、命题素材、创新点、考查素养以及考查知识点。

  第1题  单项选择题

（2分）细胞呼吸释放的能量一部分储存在ATP中，其余以热能形式散失。棕色脂肪组织（BAT）细胞线粒体内膜上存在解偶联蛋白1（UCP1）。冷暴露时，交感神经兴奋使BAT细胞中UCP1增多，氧化磷酸化解偶联，相关机制如图。研究发现，冷暴露的荷瘤小鼠体内肿瘤生长明显受抑。下列叙述错误的是（　　）

A．UCP1使有氧呼吸第三阶段释放的能量更多地以热能形式散失

B．冷暴露时，BAT细胞摄取葡萄糖增多，消耗O₂的速率加快

C．肿瘤细胞即使在O₂充足的条件下也主要通过糖酵解供能，对葡萄糖需求量大

D．BAT被激活后，其细胞中ATP的合成速率加快，有利于维持体温

（4分）湖南某现代农业产业园的连栋温室冬季低温弱光、通风不足，番茄常因CO₂亏缺而减产。科研人员设置4个处理：CK（自然光，CO₂约400 μmol·mol⁻¹）、T1（CO₂加富至800 μmol·mol⁻¹）、T₂（LED补光）、T3（CO₂加富＋LED补光），统计各处理相对产量（图a）；并在自然光和LED补光条件下测定净光合速率随CO₂浓度的变化（图b）。下列叙述正确的是（　　）

图a　各处理番茄的相对产量

图b　净光合速率随CO₂浓度的变化

A．与CK相比，T1、T2组产量均提高，说明该温室冬季的CO₂浓度和光照强度都是限制番茄光合作用的因素

B．图b中，CO₂浓度超过800 μmol·mol⁻¹后净光合速率不再明显升高，此时限制光合作用的主要因素可能是光照强度

C．阴雨天气进行CO₂加富的增产效果比晴天更明显，因为此时CO₂是唯一的限制因素

D．生产上宜在晴天上午光照较强时加富CO₂；连阴天则应先补光、再考虑加富，以提高CO₂的利用效率

（1）TaCo旁路中，三种酶催化反应的场所是________；光呼吸中，与CO₂竞争结合Rubisco的物质是________。

图b

（2）与野生型相比，TaCo水稻在强光下净光合速率更高。结合图a、图b分析，其原因是：__________________________________________________________。

（3）据图b判断，TaCo水稻的光饱和点比野生型________（填“高”或“低”），判断依据是：__________________________________________________________________。

（4）据图c，TaCo水稻籽粒产量的相对增幅大于生物量的相对增幅。从光合产物分配的角度分析，原因可能是：____________________________________________________________________________________________________________。

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第1题

• 命题意图：考查有氧呼吸三个阶段的过程与能量转化、ATP合成与放能反应的关系，以及细胞呼吸原理在分析人体健康（肿瘤代谢防治）问题中的应用；要求学生从新情境和流程图中获取关键信息（“解偶联”的含义），结合氧化磷酸化机制进行逻辑推理，考查理解能力、信息获取能力和综合运用能力，指向“物质与能量观”等核心素养。
• 全能解析：解答本题的关键是抓住图中注——“解偶联指H+不经过ATP合成酶回流”。正常情况下，有氧呼吸第一、二阶段产生的NADH（[H]）在第三阶段与O₂结合生成水，释放的大量能量通过H+跨膜梯度驱动ATP合成酶合成ATP，其余以热能散失。A项：解偶联后，H+不经过ATP合成酶回流，第三阶段释放的能量不能（充分）用于合成ATP，更多地以热能形式散失，这正是棕色脂肪产热的机制，A正确。B项：解偶联使氧化磷酸化效率降低，BAT细胞为维持快速产热，需氧化分解更多的葡萄糖和脂肪，故摄取葡萄糖增多、有氧呼吸加快，消耗O₂的速率加快，B正确。C项：肿瘤细胞具有快速增殖的特点，即使在O₂充足的条件下也主要通过糖酵解途径快速供能（Warburg效应），并产生大量乳酸，对葡萄糖的需求量大；题干中“肿瘤细胞供能不足→增殖受抑”也印证了这一点，C正确。D项：解偶联使H+绕过ATP合成酶回流，线粒体内膜两侧H+浓度差减小，ATP合成速率减慢而非加快；BAT维持体温依靠的是产热增多而非ATP增多，D错误。故选D。【亮点解析】本题“题眼”为图中注释，考查学生从图表获取信息并与教材知识对接的能力；D项针对学生“呼吸加强＝ATP增多”的典型误区设置，具有较强的诊断与训练价值。

Seki T, Yang Y, Sun X, et al. Brown-fat-mediated tumour suppression by cold-altered global metabolism. Nature, 2022, 608: 421-428. DOI: 10.1038/s41586-022-05030-3（通讯作者：瑞典卡罗林斯卡学院曹义海教授）。

• 题干材料设置创新：以2022年Nature“冷暴露激活棕色脂肪、与肿瘤‘抢糖’而抑癌”的前沿成果为素材，将细胞呼吸主干知识与肿瘤防治、科学减脂等社会热点和人体健康情境结合，素材新、立意高。

• 设问考查角度创新：以“解偶联”这一非常规角度切入，考查氧化磷酸化中能量转化与ATP合成的关系，突破了常规“呼吸速率测定与计算”的命题。
• 题型与呈现方式创新：以“流程图＋注释”呈现个体水平的机制，信息给出量精炼，考查图文转换能力。

• 考查维度创新：四个选项分别指向能量转化、物质消耗、肿瘤代谢特点和ATP合成，覆盖“结构与功能—物质与能量—健康生活”多个维度，干扰项针对典型认知误区设计。

• 生命观念：能用物质与能量观阐释有氧呼吸中能量“ATP＋热能”的分配及解偶联对能量去路的影响。
• 科学思维：能基于“解偶联＝H⁺不经过ATP合成酶回流”的新信息，运用演绎推理判断各选项正误。
• 社会责任：关注冷暴露、肿瘤代谢等健康热点，认同细胞呼吸原理在疾病防治中的应用价值。

• 命题意图：以设施番茄“CO₂加富＋LED补光”的现代设施农业生产为情境，考查影响光合速率的环境因素、限制因素的动态判断，以及光合作用原理在农业生产中的应用；要求学生依据柱状图和曲线图进行证据推理（由“单独处理均增产”推断限制因素、由曲线平台推断限制因素转换），考查信息获取能力、科学推理能力和知识迁移应用能力，落实科学思维、科学探究与社会责任素养。

• 全能解析：A项：T1、T2分别是单独补充CO₂和单独补光的处理，二者产量均高于CK，说明单独补充任一因素都能促进光合产物积累，即冬季该温室中CO₂浓度和光照强度都是限制光合作用的因素（若某因素不构成限制，单独补充该因素不会使产量提高），A正确。B项：由图b，两组净光合速率均随CO2浓度升高而增大，超过800 μmol·mol⁻¹后趋于平缓，说明CO2已接近饱和、不再是主要限制因素；此时LED补光组的平台明显高于自然光组，提示限制因素转为光照强度（此外温度、Rubisco活性等也可能成为限制因素），B正确。C项：阴雨天光照弱，光反应产生的ATP和NADPH少，光照强度是主要限制因素，此时即使加富CO₂，暗反应也因能量供应不足而难以增强，增产效果反而比晴天差，“此时CO₂是唯一的限制因素”表述错误，C错误。D项：晴天上午光照较强，光反应充足，CO₂成为主要限制因素，此时加富CO₂的利用效率高；连阴天光强不足，应先补光促进光反应、再考虑加富CO₂，这与图a中T3（加富＋补光）产量最高的结果相一致，D正确。故选ABD。【亮点解析/拓展】图b中CO₂浓度达1500 μmol·mol⁻¹时净光合速率反而下降，可能与高浓度CO₂诱导气孔部分关闭、胞间CO₂供应减少有关，说明生产上并非加富浓度越高越好；拓展：长期高CO₂还可能引起“光合适应”（叶绿素含量、Rubisco活性下调）并稀释果实中矿质养分，故加富应配合合理的水肥管理。

Pan T, Zhang W, Du W, et al. Synergistic Effects of Elevated CO2 and Enhanced Light Intensity on Growth Dynamics, Stomatal Phenomics, Leaf Anatomy, and Photosynthetic Performance in Tomato Seedlings. Horticulturae, 2025, 11(7): 760. 

DOI: 10.3390/horticulturae11070760

【加富CO₂（800 μmol·mol⁻¹）与增强光照协同促进番茄幼苗生长与光合，且高CO₂下气孔开度与密度减小】

Kim D, Goo H, Yoon S, et al. Effects of Supplemental LED Lighting based on Solar Irradiation and Carbon Dioxide Enrichment on Photosynthesis, Growth, and Yield of Greenhouse-Grown Tomato Plants. Journal of People, Plants and Environment, 2025, 28(1): 1-12. DOI: 10.11628/ksppe.2025.28.1.1

【温室番茄试验：CO₂加富、LED补光及二者配合使产量分别较对照提高约15%、17%、29%，配合处理Vcmax最高。】

• 题干材料设置创新：以湖南某现代农业产业园连栋温室番茄“CO₂加富＋LED补光”生产试验为素材，紧扣设施农业、乡村振兴等社会热点与科学生产情境，素材未被命过题。
• 设问考查角度创新：以“限制因素的动态转换”为考查主线（单一补充→双因素配合→高CO₂下光照限制→阴雨天光照限制），考查因素分析能力而非知识记忆。
• 题型与呈现方式创新：不定项选择＋柱状图＋双曲线图（图表均为自主绘制），考查多图表信息整合；四个选项形成“证据推断—曲线分析—误区辨析—生产决策”的思维梯度。
• 考查维度创新：将光合影响因素分析与真实生产决策结合，体现“应用性”；C项针对“阴雨天加富更有效”的典型误解，D项指向真实生产管理方案，训练科学决策能力。

• 科学思维：能依据柱状图、曲线图的证据推断限制因素并说明判断依据，能辨析“唯一限制因素”等绝对化表述。
• 科学探究：能理解并评价“CK、T1、T2、T3”相互对照实验设计的逻辑（单一变量与相互对照）。
• 社会责任：能运用光合作用原理为设施农业生产提出CO₂加富与补光的管理建议，关注现代农业科技发展。

（2）TaCo旁路在叶绿体内直接将乙醇酸转化为甘油酸，避免了乙醇酸运出叶绿体代谢过程中CO₂的释放，减少了已固定碳的损失；同时该旁路还额外固定1分子CO₂，提高了叶绿体中CO₂浓度（羧化效率），暗反应（CO₂的固定）增强；强光下光反应产生的ATP和NADPH充足，故净光合速率更高（3分，答出“减少碳损失/CO₂释放减少”给2分，答出“额外固定CO₂、暗反应增强”给1分；意思对即可）

（3）高（1分）　随光照强度增大，野生型水稻的净光合速率在约1200 μmol·m⁻²·s⁻¹后趋于稳定（达到最大值），而TaCo水稻在约1600 μmol·m⁻²·s⁻¹后才趋于稳定，即TaCo水稻达到最大净光合速率所需的光照强度更高（2分，意思对即可）

（4）TaCo旁路增强了碳水化合物的合成与代谢，并促进细胞分裂素的合成、促进籽粒发育（灌浆），使光合产物向籽粒分配的比例增大，故籽粒产量的相对增幅大于生物量的相对增幅（2分，答出“光合产物（有机物）向籽粒分配增多”即可给分）

（5）给野生型水稻和TaCo水稻提供等量的¹⁴CO₂，在相同且适宜的光照强度等条件下培养一段时间后，分别提取并检测两组水稻叶绿体中甘油酸（及3-磷酸甘油酸等光合产物）中的放射性强度（2分，提供等量¹⁴CO₂并控制无关变量相同给1分，检测并比较两组产物的放射性给1分）

• 命题意图：以2025年我国科学家在水稻中首次构建“碳正性”光呼吸旁路（额外固定CO₂并增产）的科技成果为情境，综合考查光合作用暗反应过程、光呼吸的实质、光反应与暗反应的联系、影响光合速率的因素、光合产物“源—库”分配，以及运用同位素标记法进行实验设计的探究能力；通过“流程图＋曲线图＋柱状图”三图联动考查信息获取与综合分析能力；通过“原因分析、判断依据、实验思路”等长句设问考查科学表达能力；引导学生关注粮食安全与我国农业科技前沿，落实社会责任素养。
  全能解析：（1）由题干“使其在叶绿体中表达，构建了TaCo光呼吸旁路”和图a可知，三种酶催化的反应发生在叶绿体（基质）中。由题干“Rubisco……也能催化C₅与O₂结合”可知，光呼吸中与CO₂竞争结合Rubisco的物质是O₂。（2）解答本问需抓住两条线索：其一，野生型光呼吸中，乙醇酸运出叶绿体、经线粒体代谢会释放CO₂，造成碳损失，而TaCo旁路在叶绿体内将乙醇酸直接转化为甘油酸并返回卡尔文循环，避免了这部分CO₂的释放（图a中虚线与实线的差异）；其二，TaCo旁路在转化过程中还额外固定1分子CO₂，使叶绿体内CO2浓度（羧化效率）提高，暗反应增强。强光下光反应充足、不是限制因素，因此TaCo水稻净光合速率更高。（3）光饱和点是植物达到最大净光合速率所需的最小光照强度。由图b，野生型水稻的净光合速率在约1200 μmol·m⁻²·s⁻¹后增幅明显减小、趋于稳定，而TaCo水稻在约1600 μmol·m⁻²·s⁻¹后才趋于稳定，故TaCo水稻的光饱和点更高。这与其更强的暗反应（羧化）能力——能利用更强光照下产生的更多ATP和NADPH——相一致。（4）图c中生物量增幅约14.2%、籽粒产量增幅约17.2%，产量增幅更大。生物量反映光合产物总量，籽粒产量反映光合产物向“库”（籽粒）的分配。TaCo旁路促进碳水化合物代谢和细胞分裂素的合成，促进籽粒发育，使更多光合产物运向籽粒，即“源”增强且“库”的调运加强，故籽粒产量增幅大于生物量增幅。（5）本问为开放性实验设计。核心思路是“标记额外固定的CO₂的去向”：用¹⁴CO₂饲喂两组水稻，若TaCo旁路额外固定了CO₂，则经旁路生成的甘油酸（及由其转化的3-磷酸甘油酸）中放射性应显著高于野生型，故检测并比较两组叶绿体中相应产物的放射性强度即可。本实验的自变量为水稻类型（是否含TaCo旁路），无关变量（光照强度、温度、¹⁴CO₂的量、处理时间等）应相同且适宜。【亮点解析/拓展】本题图a中“实线旁路不释放CO2且固定CO₂”与“虚线途径释放CO₂”的对比，是理解“碳正性”的关键；拓展：光呼吸的进化意义在于Rubisco加氧反应是O₂浓度升高下的必然，光呼吸可在干旱、高光强下消耗过剩ATP和NADPH、保护光系统，因此并非“只有害处”，引导学生辩证看待代谢途径。

中国农业科学院生物技术研究所作物高光效功能基因组创新团队在水稻叶绿体中导入细菌GCS、GCCM5、TCR三种酶基因，构建“碳正性”TaCo光呼吸旁路，首次在植物中实现光呼吸旁路额外固定CO₂；田间试验中TaCo水稻生物量提升11.1%—17.2%，籽粒产量增加14.2%—20.2%，高光、高CO₂下净光合速率和羧化效率提高、CO₂补偿点显著降低。

• 题干材料设置创新：

  以2025年我国科学家在《Plant Biotechnology Journal》发表的水稻“碳正性”光呼吸旁路成果为素材，契合粮食安全与种业科技自立的社会热点，突出湖南水稻产业地域特色，素材未被命过题。

• 图表设置创新：流程图（新代谢途径）＋曲线图（光响应曲线）＋柱状图（田间产量）三图联动，考查多源图表信息的整合与转换，图形均为自主绘制。
• 设问考查角度创新：从“额外固定CO₂”这一新概念切入，将光呼吸、暗反应、光饱和点、源库关系串成问题链，设问由易到难、层层递进，体现层次性。
• 设问形式创新：第（3）问要求“据图判断＋写出判断依据”，第（5）问要求设计同位素标记实验并给全多种合理答案，兼顾常规填空与开放性长句表达。
• 考查维度创新：综合理解能力、获取信息能力、实验探究能力和语言表达能力，指向高考“基础性、综合性、应用性、创新性”的考查要求。

• 生命观念：能用物质与能量观阐释光呼吸的碳损失及TaCo旁路“减少释放＋额外固定CO₂”提高光合效率的机制。
• 科学思维：能基于曲线图、柱状图的数据，归纳光饱和点变化并说明判断依据；能基于“源—库”关系解释产量增幅差异。
• 科学探究：能围绕“验证旁路固定额外CO₂”自主设计同位素标记实验（或CO₂补偿点测定方案），明确自变量、无关变量与检测指标。
• 社会责任：关注我国高光效育种成果与粮食安全问题，认同光合作用原理在解决生产实际问题中的价值。