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专题01 光合作用和细胞呼吸
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。
1、（2023·江苏·高考真题）气孔对植物的气体交换和水分代谢至关重要，气孔运动具有复杂的调控机制。
图1 所示为叶片气孔保卫细胞和相邻叶肉细胞中部分的结构和物质代谢途径。①~④表示场所。请回答下列
问题：
(1)光照下，光驱动产生的NADPH 主要出现在 （从①~④中选填）；NADPH 可用于CO2固定产物的
1
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还原，其场所有 （从①~④中选填）。液泡中与气孔开闭相关的主要成分有H2O、 （填写2
种）等。
(2)研究证实气孔运动需要ATP，产生ATP 的场所有 （从①~④中选填）。保卫细胞中的糖分解为
PEP，PEP 再转化为 进入线粒体，经过TCA 循环产生的 最终通过电子传递链氧化产生ATP。
(3)蓝光可刺激气孔张开，其机理是蓝光激活质膜上的AHA，消耗ATP 将H+泵出膜外，形成跨膜的
，驱动细胞吸收K+等离子。
(4)细胞中的PEP 可以在酶作用下合成四碳酸OAA，并进一步转化成Mal，使细胞内水势下降（溶质浓度
提高），导致保卫细胞 ，促进气孔张开。
(5)保卫细胞叶绿体中的淀粉合成和分解与气孔开闭有关，为了研究淀粉合成与细胞质中ATP 的关系，对拟
南芥野生型WT 和NTT 突变体ntt1（叶绿体失去运入ATP 的能力）保卫细胞的淀粉粒进行了研究，其大小
的变化如图2．下列相关叙述合理的有______。
A．淀粉大量合成需要依赖呼吸作用提供ATP
B．光照诱导WT 气孔张开与叶绿体淀粉的水解有关
C．光照条件下突变体ntt1 几乎不能进行光合作用
D．长时间光照可使WT 叶绿体积累较多的淀粉
2、（2022·江苏·高考真题）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）。
Rubisco 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：
2
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(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源于呼吸作用；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。
3
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3、（2021·江苏·高考真题）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µmolO2•mg-1chl•h-1，chl 为叶绿素）。请完成下表。
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
4
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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∶
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1．科研人员为探究Mg2+对水稻光合作用的影响，开展了一系列实验。请回答：
(1)Mg2+参与光合作用过程中 （物质）的合成，该物质直接参与的反应阶段可为暗反应 中（物质变
化）提供能量物质 。
(2)为研究Mg2＋对光合作用的影响，科研人员分别模拟环境中Mg2+正常供给( + Mg2+)、缺乏(-Mg2+)条件，
测定水稻光合作用相关指标，如图1、2 所示。
①图1 结果表明，叶肉细胞叶绿体中的Mg2＋浓度和固定CO2能力都存在“ ”的节律性波动，且Mg2＋
可以显著 白天固定CO2的过程。
②进一步测定上述过程中酶R（催化C5与CO2的反应）的变化如图2，结果表明Mg2＋很可能通过 ，从
而促进CO2的固定。
(3)为探究叶绿体中Mg2＋节律性波动的原因，科研人员又对多种突变体水稻进行实验。
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①已有研究证明，叶绿体膜上的MT3 蛋白可以运输Mg2＋。通过检测野生型、突变体MT3（MT3 基因缺
失）的叶绿体中Mg2＋含量变化，如图3，结果表明，MT3 蛋白主要负责节律性运输Mg2＋至叶绿体内，但
并不是唯一的Mg2＋转运蛋白，其依据是 。
②在另一株突变体OS（OS 基因缺失）中，白天叶绿体中Mg2＋含量显著升高。据此，对MT3 蛋白、OS 蛋
白的作用关系，科研人员提出如下假设：
假设1：OS 蛋白抑制MT3 蛋白，并调节其节律性运输Mg2＋至叶绿体内。
假设2：MT3 蛋白节律性运输Mg2＋至叶绿体内，而OS 蛋白运出Mg2＋。
通过检测野生型和多个突变体的Mg2＋含量，如下表。
序
号
水稻植株
叶绿体中Mg2＋相对含量
1
野生型
2.5
2
突变体MT3
1.5
3
突变体OS
3.5
4
双突变体OM
①
（【注】：双突变体OM 指OS 基因和MT3 基因均缺失，且实验中不考虑Mg2＋的损耗）
若表中①为 （填字母），则说明假设一是正确的。
A．1.5 B．2.5 C．3 D．3.5
(4)已有研究表明，光合作用产生的蔗糖会影响OS 蛋白的相对含量，且对光合作用进行负反馈调节。结合
本实验研究，完善下列白天水稻叶绿体中Mg2＋调节光合作用及其节律性变化的模型［方框中填写物质名
称，（ ）中选填“＋”表示促进、“-”表示抑制］。
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2．下图1 表示绿色植物光合作用光反应过程中质子（
）和电子（
）的传递情况，实线代表
传递，
虚线代表
传递，PQ 既可传递
，又可传递
。请回答下列问题。
(1)绿色植物的光系统Ⅱ和光系统Ⅰ位于叶肉细胞的 上。图中
经光系统Ⅱ→PQ→细胞色素
b6f→PC→光系统Ⅰ等最终传递给 ；ATP 合成酶的作用是 。
(2)当植物处于
缺乏状态时将启动循环电子转运，该状态下叶绿体中 （填“能”或“不
能”）合成ATP。
(3)为研究亚高温高光（HH）对番茄光合作用的影响，研究者将番茄植株在不同培养环境下培养5 天后测
定相关指标如下表。
组别
温度
（℃）
光照强度（
）
净光合速率（
）
气孔导度（
）
胞间
浓
度
（ppm）
Rubisco 活
性（
）
（CK）
25
500
12.1
114.2
308
189
（HH）
35
1000
1.8
31.2
448
61
①从表中数据可知，（HH）条件下净光合速率的下降并不是气孔因素引起的，理由是 。
②（HH）条件下Rubisco 酶活性的下降导致 ，进而抑制光反应。
(4)植物通常会有一定的应对机制来适应逆境。D1 蛋白是PSⅡ复合物的组成部分，对维持PSⅡ的结构和功
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能起重要作用。已有研究表明，在亚高温高光下，过剩的光能可使D1 蛋白失活。研究者对D1 蛋白与植物
应对亚高温高光逆境的关系进行了研究，请完成下表。
实验步骤的
目的
简要操作过程
实验材料的
准备
选取① 的番茄植株18 株，均分为甲、乙、丙三组
②
甲组的处理如（3）中的CK 组
实验组处理
乙组的处理为③ ；丙组用适量的SM（SM 可抑制D1 蛋白的合成）处理番茄植株并在
亚高温高光（HH）下培养
结果测定和
处理
定期测定各组植株的净光合速率（Pn），绘制曲线如图
实验结果分
析
分析推测番茄植株缓解亚高温高光对光合作用抑制的机制：④ 。
3．小麦是我国重要的粮食作物之一。旗叶是小麦最后长出、位于最上部的叶片，旗叶麦穗籽粒产量有重
要意义。图1 为小麦旗叶叶肉细胞中某细胞器的局部放大模式图。回答下列问题。
(1)与其他叶片相比，旗叶的位置使其能够获得更多的 。旗叶叶肉细胞叶绿体中， （填结构）
的数量较其他位置的叶片明显增多，所以在进行叶绿体中色素的提取和分离实验时，适合选择旗叶作为实
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验材料。
(2)图1 所示电子传递链中，电子供体是 ；电子可经光系统Ⅱ→PQ→ →光系统Ⅰ等最终传递给
，合成NADPH；伴随着电子的传递，
通过 的方式从叶绿体基质转运至类囊体腔并积累，
形成一定的
浓度梯度以驱动ATP 合成。当植物处于缺乏
的状态时会启动循环电子转运，该过程
（填“会”或“不会”）产生氧气。
(3)实验小组探究了野生一粒小麦旗叶老化期间，RuBPCase（催化
和
反应的酶）含量的变化情况，
结果如图2 所示。
①RuBPCase 分布在 （填具体场所）中，小麦体内的该酶活性主要受 的影响。
②据图2 推测，野生一粒小麦的净光合速率在28～35d 内会迅速下降，分析其原因是 。
(4)实验小组将绿色小麦置于密闭、透明的容器中，在
时刻前后，分别给予
和
的不同光照强度，容
器内
浓度的变化情况如图3 所示。在
时刻后，该绿色植物的光合作用强度的变化趋势 。
4．莱因衣藻可进行光合作用将太阳能转化为氢能，其光合电子传递和产氢过程如下图1 所示，PSI、
PSII、Cytb6f 表示结构。请回答下列问题：
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(1)菜因衣藻光合作用产生氢气的场所是 。在光合作用的光反应阶段，类囊体薄膜上的 吸收光能，
并将光能转化为 中活跃的化学能参与到暗反应阶段。
(2)氢酶对氧气极其敏感，当氧分压达到2%时即可迅速失活。在光合作用过程中衣藻通常产氢量较低，原
因是 。
(3)在早晚弱光环境及夜晚条件下，无氧呼吸方式对于莱因衣藻的生存很重要，无氧呼吸过程中丙酮酸能够
进一步代谢产生甲酸、乙酸等各种弱酸（HA），导致了类囊体腔的酸化。研究人员根据多项研究提出了
“离子陷阱”模型（如图2）。
①在光照较弱的时候，莱茵衣藻进行无氧呼吸产生HA 的场所是 ，HA 可进入类囊体腔，并解离出氢
离子，由于 ，导致腔内氢离子不断积累，出现酸化。
②下列可作为证据支持无氧呼吸产生弱酸导致类囊体腔酸化的有 。
A．类囊体腔内的酸化程度与无氧呼吸产生弱酸的总积累量呈正相关
B．外源添加甲酸、乙酸等弱酸后衣藻均出现类囊体腔酸化的现象
C．无氧呼吸过程中不产生弱酸的突变体在强光条件下未发现类囊体腔酸化
(4)研究人员用TAP 培养液和TAP-S 培养液（缺硫）并优化培养条件，研究莱因衣藻的光合产氢量，结果
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如图3 所示。光照72h，产氢量更多的是 培养液培养的莱因衣藻。推测硫可能 （填“促进”或
“抑制”）了PSII 或Cytb6f 的功能，使类囊体腔中的H+浓度 。
5．科研团队通过在水稻中过量表达OSA1 蛋白，显著提高了水稻的产量，其作用机制如下图所示。请回答
下列问题。
(1)水稻叶肉细胞通过分布于 上的光合色素，将光能转化为活跃的化学能，该过程产生的ATP 和
NADPH 为光合作用的 阶段提供物质和能量。
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(2)水稻叶片保卫细胞质膜表面的OSA1 蛋白受光照诱导后活性提高，其 功能增强，将H+大量运输到细
胞外建立质子梯度，促进K+通过 方式进入保卫细胞，导致细胞 ，而促进气孔打开。
(3)气孔导度增大，有利于提高植物的 作用，促进根细胞对水和NH4
+等无机盐的吸收；土壤高浓度的
NH4
+可促进 对其的转运，进入根细胞的NH4
+经过一系列生化反应，利用TCA 循环产生的2-0G，在相
关酶的作用下为蛋白质的合成提供 。
(4)通过过量表达OSA1，一方面可促进气孔打开为光合作用提供足量的 ；另一方面可促进根系吸收
NH4
+，为光合作用过程中 等物质的合成提供N 元素，最终显著提高了水稻的产量。
6．下图为某真核细胞内发生的生理过程，3-磷酸甘油酸、甘油酸-1，3 二磷酸、甘油醛-3-磷酸、核酮糖-5-
磷酸、核酮糖-1，5 二磷酸是该过程中依次生成的重要化合物，请据图分析回答下列问题：
(1)该生理过程被称为 循环，进行的场所为 。
(2)①过程称作 ，结合CO2的RuBP 是图中物质 的简称。上述过程中，消耗前一阶段提供的能量
的过程有 （填图中序号），脱磷酸化的过程有 （填图中序号）。
(3)通过对该过程分析发现，固定一分子CO2平均会消耗ATP 和NADPH 的分子数目分别是 。甘油
酸-1，3 二磷酸和核酮糖-5-磷酸分别含有的碳原子数目是 。
(4)据图分析，能提高葡萄糖合成量的措施有 （答两条）。若想验证图中各种有机物依次出现的先后
顺序，实验设计思路是 。
7．贵州地宝兰具有极高的观赏和药用价值，对环境要求极高，属于中国特有的珍稀极危植物。野外调查
发现，贵州地宝兰一般分布在60%~90%荫蔽度的林下。为贵州地宝兰就地保护、异地栽培提供依据，科研
人员以贵州地宝兰成年盆栽植株为材料，通过黑色尼龙网遮阴设置不同透光率（8%、20%、45%和100%
自然光照），处理四个月后测定贵州地宝兰的相关指标，结果如下图。请回答下列问题。
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(1)选择林下基层土壤作为栽培基质是因为林下基层土壤 。通过黑色尼龙网遮阴设置8%、20%、45%透
光率，依据是贵州地宝兰 。
(2)9：30~11：00 各组叶片净光合速率均上升的主要原因是光照增强，光反应为暗反应中 （过程）提供
了更多的 。
(3)在20%、45%和100%透光率下，各组贵州地宝兰均存在光合“午休”现象，某同学认为该现象是由气
孔导度下降引起的。你是否同意他的观点，说明理由： 。
(4)科学家继续测定了上述各组贵州地宝兰的光补偿点和光饱和点以及各项生理指标，结果如下表：
相关参
数
透光率
光饱和点/
μmol·m-2·s-1
光补偿点/
μmol·m-2·s-1
株高/
cm
最大叶
长/cm
最大叶
宽/cm
叶绿素总量/
mg·g-1
8%
537
2.58
15
2.58
2.67
1.72
20%
542
3.31
15.25
3.31
3.30
1.5
45%
447
3.87
13.67
3.87
2.37
0.98
100%
407
5.77
12
5.77
2.35
0.48
①测定光饱和点和光补偿点时，应控制 等外界因素相同且适宜，并设置不同的 测定净光合速率，绘
制叶片的光合-光响应曲线。
②由表可知，光补偿点随着透光率的增加而逐渐升高，依据表格中的数据尝试解释原因：随着透光率的增
加 。
(5)在就地保护中，对处于不同荫蔽度下的贵州地宝兰应该采取怎样的措施？ 。
8．紫茎泽兰是我国危害最严重的外来人侵物种之一， 不仅危害农、林牧业生产，还严重威胁生物多样性
安全。请回答下列问题：
(1)从生态系统的成分分析，紫茎泽兰与当地的白三叶草及多年生黑麦草属于 。紫茎泽兰
通过 排挤本地物种 ，使人侵地生态系统的抵抗力稳定性 。
(2)紫茎泽兰可通过释放某种化感物质，影响周围植物的正常生长，该物质向其他物种传递的信息属于
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信息。为明确化感物质在紫茎泽兰入侵扩张中的作用，科研人员用紫茎泽兰叶片水提液分别培养白三叶和
黑麦草进行实验，实验结果如图所示。据图分析，化感物质对白三叶和多年生生黑麦草幼苗生长的影响分
别为 。
(3)科研人员采用室内盆栽接种的方法，探索丛枝菌根真菌（ AMF）对紫茎泽兰生长的影响。实验过程如
下：
①无菌苗的制备：挑选颗粒饱满、大小一致的种子，用10%H2O2浸泡10min，再用 冲洗、
沥干后播种于无菌土。一段时间后，选用 的无菌苗进行移栽。
②设置对照：将移栽后的无菌苗分为两组，每组5 盆。
实验组：分别向每个花盆的无菌土中加入10gAMF 菌剂和经微孔无菌滤膜滤除真菌后的土壤细菌群落滤液
10mL。
对照组：分别向每个花盆的无菌土中加入 。
③实验结果测定：生长12 周后，测定紫茎泽兰相关数据并记录，结果如下表。
处理
净光合速率（umol．m
－2．s－1）
蒸腾速率（mmol．m
－2．s－1）
气孔导度（mmol．m
－2．s－1）
胞间CO2浓度（umol．
m－2．s－1）
实验
组
3.87
0.47
59.59
286.08
对照
组
2.92
0.35
39.46
273.48
实验结果表明，接种的AMF 通过显著提高 ，从而对紫茎泽兰生物量的积
累产生影响，进一步促进紫茎泽兰的生长。
9．强光会对植物细胞内光系统造成损伤。科研人员对绿色植物光暗转换中的适应机制开展系列研究。请
回答下列问题：
(1)科研人员测定绿色植物在由暗到亮环境中，CO2吸收速率的变化。结果显示，未开始光照时，CO2吸收
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速率低于O2，这是由于植物细胞进行 释放CO2的结果。0．5min 后，CO2吸收速率才迅速升高，说
明此时光合作用 过程的反应才被激活。光照2min 后密闭容器中CO2浓度保持稳定，此时绿色植物
叶肉细胞光合作用制造有机物的量 （填大于、小于或等于）细胞呼吸消耗有机物的量，如果此时
改用含CO2的空气（CO2浓度不变）培养，预期植物细胞中放射性三碳化合物浓度的变化趋势是 。
(2)科研人员进一步检测了上述时间段中光反应相对速率和热能散失比例（叶绿体中以热能形式散失的能量
占光反应捕获光能的比例），结果如下图。
结合CO2吸收速率变化过程推测，0~0．5min 之间，光反应速率变化的原因是 。请从物质与能量、
结构与功能的角度分析，0~0．5min 之间，图中热能散失比例变化的生物学意义： 。
(3)科研人员发现植物细胞内的呼吸链中存在由交替氧化酶（AOX）主导的交替呼吸途径对植物抵抗强光等
逆境具有重要的生理学意义。下图表示eATP 与呼吸链对光合作用相关反应的影响，其中iATP 为细胞内
ATP，eATP 为细胞外ATP。
强光环境下，植物细胞通过“苹果酸草酰乙酸穿梭”途径，将过多的 转移出叶绿体，并最终在线粒
体中将其中的能量转化为 ，从而有效缓解强光对植物细胞内光系统的损伤。据图分析，推测在此过
程中，eATP 的作用可能是 。
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10．为探究植物抵御高温的生理生态机制和培育抗高温新品种，科学家进行了一系列相关研究，下图1 为
高温胁迫下植物光合电子传递链的示意图，图2 为高温胁迫诱导植物PSⅡ发生光抑制的作用机理(ROS：活
性氧，OEC：放氧复合体)。请回答下列问题：
(1)图1 中双层磷脂分子层及其中蛋白质等组成的结构为 ，是光合作用过程中 阶段发生
的场所。水光解需要的能量由 两类色素捕获而来。
(2)碳固定过程的反应物是 ，还原碳固定产物需要图1 结构上合成的 提供还原力。
(3)高温胁迫下，由于膜的流动性 ，PSⅡ捕光复合体很容易从膜上脱落，影响光合电子传递，导致
植物对光能的利用效率降低。据图1 判断，高温胁迫时植物会通过增强图中依赖 途径的环式
电子传递方式来起到光保护作用。
(4)据图2 可知，ROS 过量合成除可直接导致PSⅡ失活外，还能通过 途径引起PSⅡ失活，发
生光抑制现象。
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(5)植物净光合速率在很大程度上取决于Rubisco (C5的羧化酶/加氧酶)的活性，该酶在叶绿体中的存在部位
是 。Rubisco 活性受到Rubisco 活化酶(RCA)的调节，RCA 活性易受高温胁迫抑制。据此，结
合生物技术与工程知识，提出一个缓解高温胁迫对光合能力和作物产量影响的方案：
。
18
