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专题01 光合作用和细胞呼吸
从近几年高考的考查情况来看，细胞代谢相关知识仍是命题的重点，如光合作用的过程及其影响因素、光
合作用和细胞呼吸的关系等。预计2023 年高考会借助图解和实例考查细胞呼吸和光合作用，一般借助图表、
坐标曲线等形式，将其与实验设计和分析相结合，考查物质变化、影响因素等内容。
1、（2021·北京·高考真题）学习以下材料，回答（1）~（4）题。
光合产物如何进入叶脉中的筛管
高等植物体内的维管束负责物质的长距离运输，其中的韧皮部包括韧皮薄壁细胞、筛管及其伴胞等。筛管
是光合产物的运输通道。光合产物以蔗糖的形式从叶肉细胞的细胞质移动到邻近的小叶脉，进入其中的筛
管-伴胞复合体（SE-CC），再逐步汇入主叶脉运输到植物体其他部位。
蔗糖进入SE-CC 有甲、乙两种方式。在甲方式中，叶肉细胞中的蔗糖通过不同细胞间的胞间连丝即可进入
SE-CC。胞间连丝是相邻细胞间穿过细胞壁的细胞质通道。在乙方式中，蔗糖自叶肉细胞至SE-CC 的运输
（图1）可以分为3 个阶段：①叶肉细胞中的蔗糖通过胞间连丝运输到韧皮薄壁细胞；②韧皮薄壁细胞中
的蔗糖由膜上的单向载体W 顺浓度梯度转运到SE-CC 附近的细胞外空间（包括细胞壁）中；③蔗糖从细
胞外空间进入SE-CC 中，如图2 所示。SE-CC 的质膜上有“蔗糖-H+共运输载体”（SU 载体），SU 载体
与H+泵相伴存在。胞内H+通过H+泵运输到细胞外空间，在此形成较高的H+浓度，SU 载体将H+和蔗糖同
向转运进SE-CC 中。采用乙方式的植物，筛管中的蔗糖浓度远高于叶肉细胞。
1
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研究发现，叶片中SU 载体含量受昼夜节律、蔗糖浓度等因素的影响，呈动态变化。随着蔗糖浓度的提高，
叶片中SU 载体减少，反之则增加。研究SU 载体含量的动态变化及调控机制，对于了解光合产物在植物体
内的分配规律，进一步提高作物产量具有重要意义。
(1)在乙方式中，蔗糖经W 载体由韧皮薄壁细胞运输到细胞外空间的方式属于 。由H+泵形成的
有助于将蔗糖从细胞外空间转运进SE-CC 中。
(2)与乙方式比，甲方式中蔗糖运输到SE-CC 的过程都是通过 这一结构完成的。
(3)下列实验结果支持某种植物存在乙运输方式的有 。
A．叶片吸收
14CO2后，放射性蔗糖很快出现在SE-CC 附近的细胞外空间中
B．用蔗糖跨膜运输抑制剂处理叶片，蔗糖进入SE-CC 的速率降低
C．将不能通过细胞膜的荧光物质注射到叶肉细胞，SE-CC 中出现荧光
D．与野生型相比，SU 功能缺陷突变体的叶肉细胞中积累更多的蔗糖和淀粉
(4)除了具有为生物合成提供原料、为生命活动供能等作用之外，本文还介绍了蔗糖能调节SU 载体的含量，
体现了蔗糖的 功能。
2、（2021·北京·高考真题）近年来发现海藻糖-6-磷酸（T6P）是一种信号分子，在植物生长发育过程中起
重要调节作用。研究者以豌豆为材料研究了T6P 在种子发育过程中的作用。
(1)豌豆叶肉细胞通过光合作用在 中合成三碳糖，在细胞质基质中转化为蔗糖后运输到发育的种
子中转化为淀粉贮存。
(2)细胞内T6P 的合成与转化途径如下：
底物
T6P
海藻糖
将P 酶基因与启动子U（启动与之连接的基因仅在种子中表达）连接，获得U-P 基因，导入野生型豌豆中
获得U-P 纯合转基因植株，预期U-P 植株种子中T6P 含量比野生型植株 ，检测结果证实了预期，
同时发现U-P 植株种子中淀粉含量降低，表现为皱粒。用同样方法获得U-S 纯合转基因植株，检测发现植
株种子中淀粉含量增加。
(3)本实验使用的启动子U 可以排除由于目的基因 对种子发育产生的间接影响。
(4)在进一步探讨T6P 对种子发育的调控机制时，发现U-P 植株种子中一种生长素合成酶基因R 的转录降低，
U-S 植株种子中R 基因转录升高。已知R 基因功能缺失突变体r 的种子皱缩，淀粉含量下降。据此提出假
说：T6P 通过促进R 基因的表达促进种子中淀粉的积累。请从①~⑤选择合适的基因与豌豆植株，进行转
基因实验，为上述假说提供两个新的证据。写出相应组合并预期实验结果 。
①U-R 基因 ②U-S 基因 ③野生型植株④U-P 植株 ⑤突变体r 植株
2
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光合作用与细胞呼吸试题一般出现在实验或者科技文阅读，对于概念的理解、影响因素的分析以及实验技
能的考查属于高频考点。今后高考的命题趋势：
1. 科学探究能力的考查：试题可能会通过实验设计、数据分析等形式，考查学生对光合作用和呼吸作用影
响因素的探究能力。例如，考查不同光照强度或温度对植物光合速率的影响，或者实验验证植物在特定条
件下的呼吸作用变化。
2. 核心概念理解的考查：围绕光合作用和呼吸作用的基本过程、生化途径以及其相互关系进行命题，如通
过图表或描述性问题考查学生对这两个过程能量转换和物质循环的理解。
3. 实验现象的解释：根据已提供的实验结果或现象，如种子活力检测、叶绿素吸收光谱等，要求考生解释
相关生物学原理和实验现象。
4. 应用情境题目：试题可能会结合农业生产实际，如作物栽培管理、温室效应对植物生长的影响等，考查
学生将光合作用和呼吸作用知识应用于解决实际问题的能力。
5. 热点问题探讨：结合当前社会关注的热点问题，如全球气候变化对植物光合作用效率的影响，进行分析
和讨论。
1．光照强度是影响水稻产量的主要因素之一，研究者对水稻适应弱光的调控机制进行了系列研究。
(1)弱光条件下，光反应产生的 减少导致水稻减产。
(2)研究者推测RGA1 基因与水稻对光的耐受性有关，用野生型（WT）、RGA1 功能缺失突变体（d1）和
RGA1 过表达（OE）株系进行实验，每天光照和黑暗各12h，第3d 测量结果如图1 和图2。
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①图1 实验结果表明，在正常光照下RGA1 基因 ，在弱光条件下RGA1 基因 。
②WT 和d1 对弱光耐受性的差异可能与能源物质消耗引起“碳饥饿”有关，据图2 分析，请判断WT 和
dl“碳饥饿”程度的高低并说明理由： 。
(3)图3 表示线粒体内膜上的电子传递链，电子经一系列蛋白-色素复合体传递，同时H+从线粒体基质运输
到内外膜间隙，最后H+通过复合体Ⅴ向内运输驱动ATP 合成。在弱光条件下检测 线粒体内膜上的AOX
蛋白含量，发现d1 高于WT。请分析RGA1 基因对呼吸作用的影响机制： （用关键词和箭头表示）。
2．镁（Mg）是影响光合作用的重要元素，科研人员进行了相关研究。
(1)镁是构成 的重要成分，水稻细胞内的光合色素还包括 。
(2)为探究镁对水稻光合作用的影响。将正常培养38 天的水稻分别转移到无镁培养液（-Mg2+）和正常培养
液（+Mg2+）中培养15 天，对光合作用指标进行连续跟踪检测，测定光合色素含量相对值、Vc max（最大
羧化速率，碳固定指标）和An（净光合速率），结果如图1。推测前10 天An 变化不明显的原因是 ；
10 天后，An 显著下降的原因是 。
(3)为进一步探究镁对水稻光合作用的影响，研究者将正常培养38 天的水稻在缺镁和正常培养液中培养12
天后，每3h 检测一次Vcmax 的变化，持续跟踪48h，结果如图2。实验结果表明 ，从而影响光
合作用。为了验证缺镁前期对光反应的影响，还需要检测的指标有 （至少答出两个）。
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(4)已知叶绿体中镁含量存在与Vc max 相似的变化，且与叶绿体镁转运蛋白MGT3 相关。为验证缺镁处理
能够动态抑制MGT3 基因的表达，设计实验如下表。请补全表中的检测指标 和图3 中的实验结果。
组别
实验材料
实验处理
检测指标
对照
组
缺镁培养的水稻植株
缺镁培养液
持续48h 检测水稻叶片中的
实验
组
正常培养液
(5)研究发现，RUBP 羧化酶的活性依赖于Mg2+，根据上述研究内容解释短期缺镁影响水稻光合作用的机制
。
3．有些植物在强光下产生电子过多导致活性氧积累，细胞内活性氧积累会加快细胞凋亡引发萎黄病。为
研究植物对强光的适应性，科研人员以拟南芥为材料进行研究。
(1)光合作用的光反应发生在 上，膜上蛋白与 形成的复合体可吸收、传递、转化光能。强光下，
该反应中的电子积累导致活性氧增加。
(2)用不同浓度的MV（一种可产生活性氧的物质）对野生型和C37缺失突变体叶片进行处理，检测叶绿素
含量，结果如图1。
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MV 模拟 环境，实验结果显示，C37突变体的叶绿素含量 野生型。
(3)研究表明光系统Ⅰ和Ⅱ是完成光反应必需的，如图2。
①在光照条件下，光系统Ⅱ（PSⅡ）吸收光能产生高势能电子，PSⅡ中部分叶绿素a 失去电子转化为强氧
化剂从 中夺取电子引起O2释放。
②光系统Ⅰ（PSⅠ）吸收光能产生的高势能电子部分用于合成 ；PSⅡ产生的电子和PSⅠ产生的部分电
子经过Cb6/f 复合体传递进入PSⅠ，该过程释放的能量用于 的合成，同时维持电子传递相对平衡。
③C37蛋白能够在强光下影响Cb6/f 复合体的活性，作用机理如图2 所示。
注：
线性电子传递
环式电子传递 箭头粗细代表电子传递强弱
电子
从稳态与平衡的角度解释C37突变体在强光下易引发萎黄病的原因 。
(4)综合上述研究，从进化与适应的角度分析C37基因碱基序列相对保守的意义 。
4．为研究外来植物互花米草对长江河口九段沙湿地生态系统碳循环的影响，科研人员展开了相关实验。
(1)海三棱藨草是分布于我国沙湿地的一种本土植物，与互花米草具有相似的 ，二者之间的关
系是竞争。
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(2)图1 为两类常见的碳固定模式，海三棱藨草通过模式一进行碳固定，互花米草通过模式二进行碳固定。
模式一、二都在多种酶的催化作用下，将 转变成糖类。据图分析，互花米草的碳固定效率高
于海三棱藨草的原因是 。
(3)请在图中补充文字、箭头及相应的生理过程，完善湿地生态系统的碳循环过程 。
(4)研究人员在九段沙湿地进行调查，在每块湿地随机选取3～5 个取样点，采集植物样本，测定相关数据，
并且检测枯落物C 剩余量，结果如下图。
结果表明互花米草入侵促进了生态系统的“碳储存”，依据是：与海三棱藨草群落相比， 。
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(5)近期我国的政府工作报告中提出了“碳中和”的目标，即通过某种方式抵消生态系统产生的CO2，实现
CO2“零排放”。根据实验结果及所学知识，辩证分析引入互花米草对碳中和的影响 。
5．海带是我国北方大规模养殖的食用海藻，具有重要的经济价值。养殖区重金属离子超标会造成海带大
幅减产。
(1)研究发现，在一定浓度的Cu2＋溶液中，短时间内海带细胞中叶绿素含量显著下降，这一变化会对海带
光能产生影响，直接抑制光合作用的 阶段。同时Cu2＋还可通过抑制光合电子传递过程，使ATP 的
合成受阻，直接抑制暗反应中 过程。
(2)科研人员定量研究了水体中Cu2＋对海带光合作用、呼吸作用的影响。
①将海带分别放入含不同浓度Cu2＋溶液的透明瓶中，测定初始时瓶内溶氧量为M。将瓶口密封置于光下一
段时间后，测定瓶内溶氧量为N。本实验用单位质量海带在单位时间内引起的溶氧量变化来表示海带的净
光合作用速率。计算公式为： /tw100%（w：海带湿重；t：反应时间）。在利用同样装置研究呼
吸作用时，需要对装置进行 处理。
②由图可知，在Cu2＋浓度为1.00mg/L 时，光合放氧率 呼吸耗氧率，此浓度下的真光合速率
Cu2＋浓度为0.50mg/L 下的真光合速率。综合分析，不同浓度的Cu2＋对海带光合作用和呼吸作用的影响是
。
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(3)若想进一步从细胞水平上探究Cu2＋对海带光合作用及呼吸作用的影响，可在电子显微镜下观察相关细胞
器的 。根据上述实验信息，推测Cu2＋对 （填细胞器名称）破坏较小。
(4)探究CO2中的碳如何转化为有机物中的碳用 法。
6．植物的光呼吸是在光下消耗氧气并释放CO2的过程，会导致光合作用减弱、作物减产研究人员为获得
光诱导型高产水稻，在其叶绿体内构建一条光呼吸支路（GMA 途径）。
(1)图1 所示光呼吸过程中，O2与CO2竞争结合 ，抑制了光合作用中的 阶段。同时乙醇酸从叶
绿体进入过氧化物酶体在G 酶的参与下进行代谢，造成碳流失进而导致水稻减产。
(2)研究人员将外源G 酶、A 酶和M 酶的基因导入水稻细胞，使其在光诱导下表达，并在叶绿体中发挥作
用。检测发现，转基因水稻的净光合速率、植株干重等方面均高于对照组。可利用图2 所示模型解释其原
因，但图中存在两处错误，请圈出并改正 。
(3)研究人员测定了转基因水稻叶片中外源G 酶基因的表达量，以及G 酶总表达量随时间的变化情况（图
3）。
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①外源G 酶基因表达量与PFD（代表光合有效光辐射强度）大致呈正相关，仅在14 时明显下降，由此推
测外源G 酶基因表达除光强外，还可能受 等因素的影响。
②据图3 可知，12~14 时 ，推测此时段转基因水稻光呼吸增强。
(4)茎中光合产物的堆积会降低水稻结实率而减产，而本研究中GMA 途径的改造并未降低水稻的结实率。
结合上述研究将以下说法排序成合理解释：尽管GMA 途径促进叶片产生较多光合产物→_____水稻茎中有
机物不至于过度堆积而保证结实率。
A．光呼吸增强使得光合产物未爆发式增加
B．光合产物可以及时运输到籽粒
C．G 酶表达量的动态变化，使中午进入GMA 途径的乙醇酸未显著增加
7．化学防晒霜中的有效成分氧苯酮（OBZ）是一种紫外线的吸收剂。科研人员探究了OBZ 对黄瓜光合作
用的影响。
(1)一般情况下，植物光合作用不能利用紫外线，因为叶绿体中的色素主要吸收可见光中的 .
(2)科研人员测定了一定浓度的OBZ 对黄瓜叶片光合和呼吸速率的影响，结果如图1。请分析OBZ 对呼吸
速率的影响是 （促进/抑制），对光合速率的影响是 （促进/抑制）。OBZ 对 作用
的影响更明显， 判断依据是 。
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(3)测定在植株正常生长的饱和光强下，不同浓度OBZ 处理的黄瓜叶片的气孔导度（Gs）和细胞间隙CO₂
浓度（Ci）, 结果如图2。
实验结果表明 。请推测Ci 出现以上变化的原因是 。
(4)进一步研究发现OBZ 严重干扰了光反应系统中的电子传递过程，请结合所学知识对以下过程排序
。
①OBZ 抑制光合作用中的电子传递
②五碳化合物再生速率下降
③ATP 和 NADPH 合成受阻
④OBZ 通过根系进入植物体内
⑤光合作用受到抑制，植株生长受限
8．日光温室内光质成分较露地有很大的差异，成为影响日光温室蔬菜生产的重要因子。因此，生产上采
取人工补光的方法改变日光温室内光质的成分。为了研究红光与蓝光对日光温室结瓜期黄瓜光合速率及光
合产物运输与分配的影响，科研人员展开了以下实验。
(1)植物通过位于 上的光合色素吸收光能，并在叶绿体基质中将能量转化为 。
影响光合作用速率的环境因素除光质外，还有 （列举三个）。
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(2)日光温室进行黄瓜的播种育苗，选取长势相同的黄瓜幼苗分为三组，分别补充不同质量的光。具体方法
是红光灯与蓝光灯安置于植株冠层上方约0.5m 处（随植株高度变化调整），以不补光为对照组（CK 组）。
①培养37 天后，在盛瓜期选取长势一致的植株测量各组植物光合速率，结果如表1。
表1 补充不同质量的光对黄瓜叶片光合速率的影响
处理
光合速率/μ.mol·（m²·s）
-1
8:00
9:00
10:00
12:00
13:00
14:00
16:00
CK
补红
光
补蓝
光
12.8c
16.3c
14.2b
15.7b
17.3a
12.0c
12.1a
13.8a
12..8a
8.5a
9.2a
8.9a
8.9a
9.6a
9.1a
9.2b
10.8a
9.4b
4.5a
5.2a
5.4a
由表1 可知，补充红光和蓝光可以 。
②培养至30 天时选择上数第6 片功能叶（饲喂叶）套人薄膜叶室，注入等量
14C 混合气体，半小时后撤去
叶室。7 天后按照饲喂叶、上位果（饲喂叶上数第一个瓜）、上位叶（饲喂叶以上所有叶片）、上位茎
（饲喂叶以上所有茎）、下位果（饲喂叶以下所有果实）、下位茎（饲喂叶以下所有茎）、下位叶（饲喂
叶以下所有叶片）以及根系等8 个部分分解植株，记录各部分的有机物干重，计算出
14C 同化物在各部分
的分配量与分配率。实验结果如下表2。
表2 补充红光与蓝光对饲喂7d 后黄瓜植株光合产物分配的影响
处
理
饲喂叶
上位叶
下位叶
上位茎
下位茎
上位果
下位果
根
总量
CPM
x103
(CAP/%)
CPM
x103
(CAP/%)
CPM
x103
(CAP/%)
CPM
x103
(CAP/%)
CPM
x103
(CAP/%)
CPM
x103
(CAP/%)
CPM
x103
(CAP/%)
CPM
x103
(CAP/%)
CPM
x103
(CAP/%)
CK
279.9c
(31.4)
12.4c
(1.4)
3.4c (0.4)
82.9c
(9.3)
29.6c
(3.3)
33.0b
(3.7)
447.2c
(50.2)
2.1c (0.2)
890.5
(100)
补
红
光
478.2a
(27.9)
426a
(2.5)
14.1a
(0.8)
198.4a
(11.6)
92.4a
(5.4)
35.7b
(2.1)
838.4a
(48.9)
13.9a
(0.8)
1713.7
(100)
补
蓝
光
450.4b
(35.3)
23.1b
(1.8)
6.0b
(12.5)
159.7b
(12.5)
62.6b
(4.9)
89.4a
(7.0)
474.7b
(37.2)
8.9b
(0.7)
1274.8
(100)
注：CPM 和CAP/%分别为
14C 同化物在各部分的分配量与分配率
与对照组相比，补充红光时，
14C 同化物在植株中的总量增加，但在饲喂叶本身分配比例减少，说明
。
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补充蓝光增加了饲喂叶自身对光合产物的截留量，使得更多的光合产物保留在饲喂叶片中，判断依据为
。
(3)进一步将叶片切片置于电子显微镜观测了叶片单位细胞内的叶绿体个数及其超微结构，结果如下图。
注：1.CK 2.补红光 3.补蓝光 A．淀粉粒 G.基粒
由图可知，补充红光和蓝光都促进 增加。同时发现，与对照组相比较，补充红光时黄瓜叶片细
胞内的叶绿体数及基粒片层厚度也明显增加。
(4)结合上述实验，为提高日光温室黄瓜产量提供合适的建议，并阐明理由 。
9．实现碳中和、碳达峰目标，需全面发掘固碳资源。研究者利用弃耕农田探究植物物种丰富度对土壤固
碳能力的影响。
(1)叶肉细胞吸收的CO2在 中与C5结合，最终还原产生C3，此类植物为C3植物（包括豆科）。
与C3植物相比，C4植物含有对CO2亲和力较高的PEP 羧化酶，在干旱、高温、强光等条件下大部分气孔关
闭时C4植物仍能利用 ，影响该反应的内部因素包括 （写出两个）。
(2)研究者选取若干大小相同的弃耕农田样地，去除原有植物根系、大颗粒等，分别种植1、2、4、8、16
种植物，每块样地中的植物从16 种草原物种中随机选择。所有样地均不施肥，若干年后测定样地固碳速率，
结果如图。
种植过程中及时去除杂草的目的是 。结果显示， 土壤固碳速率越高，14-22 年间土
壤固碳速率增加可能与 （选填下列字母）增加有关。
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A．地上植物凋落物 B．土壤根系生物量
C．土壤微生物及其残体 D．根系分泌物如糖、氨基酸等
(3)研究者发现豆科、C4植物联合种植对土壤固碳作用贡献较大。豆科植物根部共生根瘤菌能够固氮，其根
系生物量较低且易被分解，C4植物根系生物量高不易被分解。依据上述研究结果，分析二者联合种植固碳
速率高的原因 。
(4)草原生态系统存储了约三分之一陆地碳储量，过度放牧导致草地退化严重，碳储量明显下降。从稳态与
平衡角度，提出恢复草地碳储量的措施 。
10．Rubisco 酶（R 酶）是植物光合作用时固定CO2的一种酶，科研人员试图改善其自然状态下催化效率较
低的问题。
(1)R 酶催化 反应中CO2的固定，生成的
在光反应产生的 作用下，最终将CO2转化为糖类等有
机物。
(2)科研人员发现某种自养型细菌的R 酶有很强的催化活性，欲用其替代烟草自身的R 酶，以增强CO2的固
定效率，研究情况如下。
①敲除烟草自身的R 酶基因，将含有 的DNA 片段与载体连接，构建表达载体，导入烟草细胞后，通
过 技术获得转基因烟草植株，并检测CO2吸收速率如图1 所示。
②地球表面平均大气CO2浓度在400μmolmol-1左右，据图1 可知，与野生型相比，胞间CO2浓度低于
1500μmolmol-1时， 。科研人员证实，CO2浓度低于1500μmolmol-1，转基因植物中R 酶的活性不是光
合作用的限制因素。
请在表横线上填写为此说法提供证据的检测参数及结果。
检测参数
野生型
转基因烟草
R 酶含量
高
低
叶绿素含
量
相近
相近
14
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气孔导度
相近
相近
(3)实验室检测发现，转基因烟草在CO2浓度大约为10000μmolmol-1时催化活性明显提高。请对上述科研结
果进行评价并阐述理由。
15
