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专题01 光合作用的应用
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
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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
【答案】(1) ④ ①④ K+等无机离子、苹果酸（Mal）等有机酸
(2) ①②④ 丙酮酸
NADH
(3)氢离子电化学势能
(4)吸水膨胀（或吸水或膨胀）
(5)ABD
【分析】题图分析，图中①表示细胞质基质，②表示线粒体，③表示液泡，④为叶绿体。
【详解】（1）光照下，光驱动产生的NADPH 主要出现在④叶绿体中；NADPH 可用于CO2 固定产物的还
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原，据图可知，OAA 的还原也需要NADPH 的参与，NADPH 用于CO2 固定产物还原的场所有①④。液泡
中与气孔开闭相关的主要成分有H2O、钾离子等无机盐离子和Mal 等有机酸，其中钾离子和Mal 影响细胞
液的渗透压，进而影响保卫细胞的吸水力，影响气孔的开闭。
（2）研究证实气孔运动需要ATP，叶绿体可通过光反应产生ATP，细胞呼吸的场所是细胞质基质和线粒
体，因此产生ATP 的场所有细胞质基质、线粒体，即图中的①②④。保卫细胞中的糖分解为PEP，PEP 再
转化为丙酮酸进入线粒体参与有氧呼吸的第二、三阶段，经过TCA 循环产生的NADH 最终通过电子传递
链氧化产生ATP，即有氧呼吸的第三阶段。
（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，形成跨膜的氢
离子浓度梯度，并提供电化学势能驱动细胞吸收K+等离子，进而提高细胞液浓度，促进细胞吸水，进而
表现为气孔张开。
（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，进入到细胞液中，使细胞内
水势下降（溶质浓度提高），导致保卫细胞吸水膨胀，促进气孔张开。
（5）A、结合图示可知，黑暗时突变体ntt1 淀粉粒面积远小于WT，突变体ntt1 叶绿体失去运入ATP 的能
力，据此推测保卫细胞淀粉大量合成需要依赖呼吸作用提供ATP ，A 正确；
B、保卫细胞叶绿体中的淀粉合成和分解与气孔开闭有关，结合图1 可以看出，光照条件会促进保卫细胞
淀粉粒的水解，光照诱导WT 气孔张开与叶绿体淀粉的水解有关，B 正确；
C、NTT 突变体ntt1 叶绿体失去运入ATP 的能力，光照条件下突变体ntt1 保卫细胞的的淀粉粒几乎无变化，
不能说明该突变体不能进行光合作用，C 错误；
D、结合图示可以看出，较长时间光照可使WT 叶绿体面积增大，因而推测，积累较多的淀粉，D 正确。
故选ABD.。
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：
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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。
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【答案】(1) ①⑥ 叶绿素a 和叶绿素b
(2)过氧化氢
(3) 光呼吸和呼吸作用 光合作用消耗的CO2 等于呼吸作用和光呼吸产生的CO2 之和
(4)直接价值
【分析】光合作用的光反应阶段（场所是叶绿体的类囊体膜上）：水的光解产生[H]与氧气，以及ATP 的
形成。光合作用的暗反应阶段（场所是叶绿体的基质中）：CO2 被C5 固定形成C3，C3 在光反应提供的
ATP 和[H]的作用下还原生成有机物。
【详解】（1）类囊体薄膜发生的反应有水的光解产生[H]与氧气，以及ATP 的形成，即①⑥。叶绿素主要
吸收红光和蓝紫光，叶绿素主要有叶绿素a 和叶绿素b 两种，叶绿素a 呈蓝绿色，叶绿素b 呈黄绿色；类
胡萝卜素主要吸收蓝紫光，用红光照射参与反映的主要是叶绿素啊和叶绿素b。
（2）过氧化氢酶能将过氧化氢分解为O2 和H2O，所以在C2 循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继
续氧化，同时生成的过氧化氢在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2 和H2O。
（3）a 曲线t1～t2 时段，有光照，所以CO2 是由细胞呼吸和光呼吸共同产生。b 曲线有光照后t1～t2 时段
CO2 下降最后达到平衡，说明光呼吸、细胞呼吸和光合作用达到了平衡。
（4）图Ⅲ代谢途径，通过降低了光呼吸，提高了植株生物量，直接提升了流入生态系统的能量，是直接
价值。
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。
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(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
【答案】(1) 类囊体薄膜 叶绿素、类胡萝卜素
(2) C5 12
(3) [H]
ATP
(4) 在水中加入相同体积不含寡霉素的丙酮 减少叶片差异造成的误差
叶绿素定量测定（或测定叶绿素含量）
【分析】图示表示植物叶肉细胞光合作用的碳反应、蔗糖的合成以及呼吸作用过程的代谢途径，设计实验
研究线粒体对光合作用的影响。
【详解】（1）光合作用光反应场所为类囊体薄膜，将光能转变成化学能，参与该反应的光和色素是叶绿
素、类胡萝卜素。
（2）据题意在暗反应进行中为维持光合作用持续进行，部分新合成的C3 可以转化为C5 继续被利用；一
分子蔗糖含12 个C 原子，C5 含有5 个碳原子，据图固定1 个CO2 合成1 个C3，应为还要再生出C5，故
需要12 个CO2 合成一分子蔗糖。
（3）NADPH 起还原剂的作用，含有还原能，呼吸作用过程中能量释放用于合成ATP 中的化学能和热能。
（4）设计实验遵循单一变量原则，对照原则，等量原则，对照组为在水中加入相同体积不含寡霉素丙酮
溶液。对照组和各实验组均测定多个大麦叶片的原因是减少叶片差异造成的误差。称重叶片，加乙醇研磨，
定容，离心，取上清液测定其中叶绿素的含量。
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【点睛】本题主要考查光合作用与呼吸作用的过程，线粒体与叶绿体功能的理解和应用，意在增强学生设
计实验的能力，题目难度中等。
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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【答案】(1) 叶绿素 C3 还原 ATP 和NADPH
(2) 光照下（升）高、黑暗下（降）低 增强 提高酶R 的活性
(3) 与野生型相比，突变体（MT3）叶绿体中Mg2＋相对含量明显低于野生型，且维持在一定值
A
(4)
【分析】光合作用，通常是指绿色植物（包括藻类）吸收光能，把二氧化碳和水合成有机物，同时释放氧
气的过程。光合作用分为光反应阶段和暗反应阶段。光反应阶段的特征是在光驱动下生成氧气、ATP 和
NADPH 的过程。暗反应阶段是利用光反应生成NADPH 和ATP 使气体二氧化碳还原为糖。由于这阶段基
本上不直接依赖于光，而只是依赖于NADPH 和ATP 的提供，故称为暗反应阶段。
【详解】（1）叶绿素含C、H、O、N、Mg，故Mg2+参与光合作用过程中叶绿素的合成，叶绿素产于光
反应为暗反应C3 的还原提供ATP 和NADPH。
（2）①结合题1 可知，叶肉细胞叶绿体中的Mg2＋浓度和固定CO2 能力都存在“光照下高、黑暗下低”
的节律性波动，有Mg2+组的叶绿体中的Mg2+相对含量、最大CO2 固定速率、酶的相对活性都比无
Mg2+组高，因此Mg2+显著增强白天固定CO2 的过程。
②由图②结果可知，Mg2+正常供给组酶R 的相对活性较高，说明Mg2+通过提高酶R 的活性，从而促进
CO2 的固定。
（3）①对比野生型，突变体的叶绿体中Mg2+相对含量明显低于野生型，且全天浓度均维持在一定数值，
因此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。
②突变体MT3 叶绿体中Mg2+相对含量为1.5，突变体OS 叶绿体中Mg2+相对含量为3.5，若假设1 正确，
即OS 蛋白抑制MT3 蛋白，并调节其节律性运输Mg2+至叶绿体内，则双突变体OM（OS 基因和MT3 基因
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均缺失）中叶绿素中Mg2+相对含量在1~（3.5-1.5）之间，即处于1~2 之间。
（4）MT3 蛋白主要负责节律性运输Mg2+至叶绿体内，而Mg2+可以提高酶R 的活性，酶R 能催化C5 与
CO2 的反应，进一步生成C3、三碳糖、蔗糖等，已知蔗糖会影响OS 蛋白的相对含量，且对光合作用进行
负反馈调节，因此蔗糖促进OS 蛋白的合成，OS 蛋白抑制MT3 蛋白的作用。如下图所示：
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
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（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
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 。
【答案】(1) 类囊体膜
催化和运输
(2)能
(3) 气孔开度降低，但胞间
浓度却升高 暗反应速率下降，光反应产物NADPH 和ATP 在细胞
中积累
(4) 生长状况（或生理状态）相似 对照组的处理 在亚高温高光（HH）下培养 番茄可
能通过合成新的D1 蛋白以缓解亚高温高光对光合作用的抑制
【分析】1、光合作用的过程分为光反应和暗反应两个阶段，光反应的场所为类囊体薄膜，包括水的光解
生成H+和氧气，以及ATP、NADPH 的合成；暗反应的场所为叶绿体基质，包括二氧化碳的固定和三碳化
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合物的还原两个过程。
2、据图分析可知：①PSⅠ和PSⅡ在光反应中发挥作用，位于叶绿体的类嚢体薄膜上。②PSⅡ吸收光能后，
一方面将H2O 分解为O2 和H+，同时将产生的电子传递给PS Ⅰ用于将NADP+和H+结合形成NADPH。③
另一方面，在ATP 合成酶的作用下，H+顺浓度梯度转运，为ADP 和Pi 合成ATP 提供能量。④光反应过程
实现了能量由光能转换为活跃化学能的过程。
【详解】（1）由图可知，光系统Ⅱ参与光能的转化与水的光解，光系统Ⅰ参与电子的传递与NADPH 的合
成，这些都属于光合作用光反应过程，位于叶肉细胞叶绿体类囊体薄膜；由图可知，电子经光系统Ⅱ产生，
最终传递至光系统Ⅰ，与NADP+结合形成了NADPH；由图可知，ATP 合成酶具有催化ATP 合成的作用，
同时也能顺浓度转运H+。
（2）由图可知，ATP 合成酶催化ATP 合成的能量来源于顺浓度转喻H+产生的势能，当植物处于缺乏
NADH+状态时，NADPH 合成受影响，将启动循环电子转运，H+通过与PQ 结合生成PQH2 途径进入类囊
体腔，然后通过ATP 合成酶顺浓度转运到叶绿体基质，同时催化ATP 的合成。
（3）①根据表格数据可知，HH 组的胞间CO2 的浓度高于CK 组，而Rubisco 活性低于CK 组，所以HH
条件下番茄净光合速率的下降并不是由于气孔关闭导致光合作用缺乏原料CO2 造成的，而是由于Rubisco
活性下降影响了二氧化碳的固定速率，进而引起光能的转化效率降低。
②由于HH 组的Rubisco 活性降低，二氧化碳固定形成C3 的速率降低，C3 还原消耗的NADPH（[H]）和
ATP 减少，所以此条件下的光反应产物NADPH（[H]）和ATP 在叶绿体中积累，导致光反应程度下降。
（4）①为了减少实验误差，实验的无关变量应该保持一致，所以实验材料应该选取生长状况（或生理状
态）相似的番茄植株18 株，均分为甲、乙、丙三组。
②甲组处理如（3）中的CK 组，各条件均适宜，属于对照组。
③本实验是为了探究D1 蛋白植物对亚高温高光（HH）逆境的关系，所以实验的自变量为是否提供亚高温
高光（HH）条件，则实验组乙组是在亚高温高光（HH）下培养，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。
④根据实验结果可知，对照组甲组Pn 变化不大，乙组Pn 下降，丙组抑制了D1 蛋白的合成，Pn 显著下降，
说明番茄通过合成新的D1 蛋白以缓解亚高温高光对光合作用的抑制。
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。
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(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
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 。
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(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 。
【答案】(1) 光照（光能） 类囊体（基粒）
(2)
细胞色素
→PC 主动运输 不会
(3) 叶绿体基质 温度 RuBPCase 含量迅速下降，暗反应速率迅速降低；暗反应速率降低利用
的ATP 和NADPH 减少，光反应速率也降低，野生一粒小麦的净光合速率迅速降低
(4)先增加后下降最后保持稳定
【分析】光能转换成电能的转化过程：
（1）光合色素：
叶绿体内类囊体薄膜上的色素，可以分为两类：
吸收和传递光能的作用：包括全部的叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素，以及绝大多数的叶绿素a；
吸收光能并将光能转换成电能：少数处于特殊状态的叶绿素a。
（2）转化过程：
处于特殊状态的叶绿素a 在光的照射下，可以得失电子，从而将光能转换成电能。 叶绿素a 被激发而失去
电子（e），最终传递给NADP+（中文简称是氧化型辅酶Ⅱ）。 失去电子的叶绿素a 变成一种强氧化剂，
能够从水分子中夺取电子，使水分子氧化生成氧分子和氢离子（H+），叶绿素a 由于获得电子而恢复稳态。
【详解】（1）依题意，旗叶是小麦最后长出、位于最上部的叶片，故与其他叶片相比，旗叶的位置使其
能够获得更多的光照。旗叶叶肉细胞的叶绿体中，类囊体（基粒）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验材料。
（2）据图1 可知，图示电子传递链中，电子供体是H2O；电子可经光系统Ⅱ→PQ→细胞色素 b6f→PC→
光系统I 等最终传递给NADP+，合成NADPH；伴随着电子的传递，H+通过主动运输（逆浓度梯度、消耗
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能量）的方式从叶绿体基质转运至类囊体腔并积累，形成一定的H+浓度梯度以驱动ATP 合成。结合图示
可知，当植物处于缺乏NADP+的状态时会启动循环电子转运，该过程不会产生氧气。
（3）①依题意，RuBPCase 催化CO2 和C5 反应，CO2 和C5 反应在叶绿体基质中进行，故RuBPCase 分布
在叶绿体基质中，且该酶活性主要受温度的影响。
②据图2 推测，野生一粒小麦在28～35d 内旗叶会老化，老化的旗叶合成RuBPCase 的能力下降，
RuBPCase 含量迅速下降，暗反应速率迅速降低；暗反应速率降低利用的ATP 和NADPH 减少，光反应速
率也降低，因此，野生一粒小麦的净光合速率迅速降低。
（4）依题意，绿色小麦置于密闭、透明的容器中，则容器中二氧化碳浓度变化由光合作用强度和呼吸作
用强度共同决定。当光照强度由X1 变为X2 时，容器中二氧化碳浓度由增大变为减小，说明光照强度由
X1 变为X2 时，光合作用强度由小于呼吸作用强度变为大于呼吸作用强度。因此，在T1 时刻后，开始随
着光照强度变大，光合作用强度增大，随后由于二氧化碳浓度减小，光合作用强度减小，直到减小至光合
作用强度等于呼吸作用强度后保持稳定。
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：
(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）。
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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
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 。
【答案】(1) 叶绿体基质 光合色素（或PSⅠ、PSⅡ） ATP 和NADPH
(2)光合作用的光反应阶段会产生氧气，氧气浓度升高使氢酶失活而不能生成氢气
(3) 细胞质基质 氢离子无法直接穿过类囊体膜 AB
(4) TAP-S 抑制 降低
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【分析】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。
【详解】（1）由题图可知，类囊体腔内建立了高浓度的H+，H+除了来源于水的光解，还来源于Cytb6f
的传递，图上方表示叶绿体基质，因此衣藻光合作用产生氢气的场所是叶绿体基质；光反应阶段，类囊体
薄膜上的光合色素（或PSⅠ、PSⅡ）吸收光能，并将光能转化为ATP 和NADPH 中活跃的化学能参与到暗反
应阶段。
（2）分析题意，氢酶对氧气极其敏感，当氧分压达到2%时即可迅速失活，光合作用的光反应阶段会产生
氧气，氧气浓度升高使氢酶失活而不能生成氢气，故在光合作用过程中衣藻通常产氢量较低。
（3）①下标无氧呼吸的场所是细胞质基质；由图可知，弱酸分子可进入类囊体腔，并解离出氢离子，由
于氢离子无法直接穿过类囊体膜，且类囊体腔内的缓冲能力有限，导致腔内氢离子不断积累，出现酸化。
②A、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，即无氧呼吸产生弱酸的总积累量
多，进而类囊体腔内的酸化程度高，可说明无氧呼吸产生弱酸导致类囊体腔酸化，A 正确；
B、甲酸、乙酸都是弱酸，外源添加弱酸后衣藻均出现类囊体腔酸化的现象，可说明无氧呼吸产生弱酸导
致类囊体腔酸化，B 正确；
C、无氧呼吸过程中不产生弱酸的突变体在黑暗条件下未发现类囊体腔酸化，可能与突变等现象有关，不
能直接证明无氧呼吸产生弱酸导致类囊体腔酸化，C 错误。
故选AB。
（4）据图可知，实验的自变量是关照时间和培养液类型，因变量是光合产氢量，据图可知，光照72h，产
氢量更多的是TAP-S 培养液培养的莱因衣藻；结合（1）可知，Cytb6f 能促进H+的传递，而TAP-S 培养液
（缺硫）条件下光合产氢量更大，说明硫可能抑制了PSII 或Cytb6f 的功能，使类囊体腔中的H+浓度降低。
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。
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(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。
(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。
【答案】(1) 类囊体薄膜 暗
(2) 催化和运输 主动运输 渗透压上升，吸水膨胀
(3) 蒸腾作用 AMT 谷氨酸（氨基酸）
(4) CO2 ATP、NADPH、（光合作用相关的）酶
【分析】光合作用包括光反应和暗反应阶段：
1、光反应阶段是在类囊体的薄膜上进行的。叶绿体中光合色素吸收的光能将水分解为氧和H+，氧直接以
氧分子的形式释放出去，H+与氧化型辅酶Ⅱ（NADP+）结合，形成还原型辅酶Ⅱ（NADPH）。还原型辅
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酶Ⅱ作为活泼的还原剂，参与暗反应阶段的化学反应，同时也储存部分能量供暗反应阶段利用；在有关酶
的催化作用下，提供能量促使ADP 与Pi 反应形成ATP。
2、暗反应在叶绿体基质中进行，在特定酶的作用下，二氧化碳与五碳化合物结合，形成两个三碳化合物。
在有关酶的催化作用下，三碳化合物接受ATP 和NADPH 释放的能量，并且被NADPH 还原。一些接受能
量并被还原的三碳化合物，在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类；另一些接受能量并被还原的三碳
化合物，经过一系列变化，又形成五碳化合物。
【详解】（1）光合色素存在于叶绿体的类囊体薄膜上。光反应阶段产生的ATP 和NADPH，可为暗反应提
供物质和能量。
（2）由图可知，OSA1 蛋白能将H＋从细胞质基质运输至细胞外，水稻叶片保卫细胞细胞膜上OSAI 蛋白
受光诱导后活性提高，其运输功能增强，将H+大量运输到细胞外建立质子梯度，然后激活K+内流。据此
推测，K+进入保卫细胞的方式是主动运输，其动力是H+浓度差（电化学势能）。K+内流导致使保卫细胞
的渗透压升高，保卫细胞会吸水，进而导致气孔打开。
（3）气孔导度增大，有利于提高植物的蒸腾作用，从而促进根细胞对水和NH4+等无机盐的吸收。由图可
知，土壤高浓度的NH4+可通过AMT 进入细胞。由图可知，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，生成谷氨酸（氨基酸），在相关酶的作用下为蛋白质的合成提供谷氨酸（氨基
酸）。
（4）由（2）可知，水稻叶片保卫细胞细胞膜上OSAI 蛋白受光诱导后活性提高，泵出H＋，然后激活
K+内流，K+内流导致使保卫细胞的渗透压升高，保卫细胞会吸水，进而导致气孔打开，使更多的CO2 进
入叶肉细胞，即为光合作用提供足量的CO2。光合作用过程中，ATP、NADPH、（光合作用相关的）酶等
物质中均含有N 元素，OSAI 蛋白可促进根系吸收NH4+，为光合作用过程中ATP、NADPH、（光合作用
相关的）酶等物质的合成提供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：
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(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 。
【答案】(1) 卡尔文（光合碳循环） 叶绿体基质
(2) CO2 的固定 核酮糖-1，5-二磷酸 ②③⑤ ③④⑥
(3) 3 和2 3 和5
(4) 提高CO2 的浓度、适当提高温度提高酶的活性、补充矿质元素促进酶的合成、提高光照强度，提
高ATP、NADPH 的含量 给该过程提供14C 标记的CO2，追踪14C 的去向，从而弄清14C 在有机物中
出现的先后顺序
【分析】光合作用：①光反应场所在叶绿体类囊体薄膜，发生水的光解、ATP 和NADPH 的生成；②暗反
应场所在叶绿体的基质，发生CO2 的固定和C3 的还原，消耗ATP 和NADPH。
【详解】（1）据图可知，该过程是将CO2 转化形成葡萄糖，发生在叶绿体基质中，该过程被称为卡尔文
（光合碳循环）循环。卡尔文循环属于光合作用的一部分过程。
（2） 光合作用的暗反应过程中CO2 能与RUBP 结合，图中CO2 能与核酮糖-1，5-二磷酸结合，推测
RUBP 是图中物质核酮糖-1，5-二磷酸的简称。①过程（CO2 与核酮糖-1，5-二磷酸结合形成3-磷酸甘油
酸）称作CO2 的固定。据图可知，②⑤消耗ATP 水解产生的能量，③过程消耗NADPH 提供的能量，因此
上述过程中，消耗前一阶段提供的能量的过程有②③⑤。据图可知，④过程脱去Pi，③过程甘油酸-1，3
二磷酸也能脱去Pi 形成甘油醛-3-磷酸，葡萄糖中不含P 元素，⑥过程中甘油醛-3-磷酸转变形成葡萄糖需
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要脱去Pi，因此脱磷酸化的过程有③④⑥。
（3）据图可知，固定6 分子的CO2 需要消耗12+6=18 分子的ATP，需要消耗12 分子的NADPH，因此固
定一分子CO2 平均会消耗ATP 和NADPH 的分子数目分别是3 和2。根据化合物命名原则可知，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3 和5。
（4）据图可知，CO2 经过一系列过程形成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，最终形成葡萄糖，需要ATP 和NADPH 参与，因此提高CO2 的浓度、适
当提高温度提高酶的活性、补充矿质元素促进酶的合成、提高光照强度，提高ATP、NADPH 的含量都能
提高葡萄糖含量。同位素标记可用于示踪物质的运行和变化规律，通过追踪同位素标记的化合物，可以弄
清楚化学反应的详细过程，因此若想验证图中各种有机物依次出现的先后顺序，实验设计思路是给该过程
提供14C 标记的CO2，追踪14C 的去向，从而弄清14C 在有机物中出现的先后顺序。
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。
(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
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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？ 。
【答案】(1) 富含无机盐，有利于贵州地宝兰存活 一般分布在60%~90%荫蔽度的林下
(2) C3 的还原 ATP 和NADPH
(3)不同意，中午气孔导度下降，但胞间二氧化碳浓度却上升
(4) 温度、CO2 浓度 光照强度 叶绿素的总量下降，需要更强的光照才能补偿呼吸消耗
(5)对生长在荫蔽度较高环境中的地宝兰，要对周围植物进行适当砍伐；对生长在荫蔽度较低环境中的地宝
兰适当遮阴。
【分析】影响光合作用的因素有光照、二氧化碳浓度、温度等因素。夏季晴朗的中午，植物光合作用效率
降低是因为光照强烈，植物为减少水分散失，气孔部分关闭，二氧化碳供应不足导致光合作用的暗反应减
弱，有机物积累速率明显下降，从而出现光合“午休”现象。
【详解】（1）选择林下基层土壤作为栽培基质是因为林下基层土壤富含无机盐，有利于贵州地宝兰存活，
通过黑色尼龙网遮阴设置8%、20%、45%透光率，依据是贵州地宝兰一般分布在60%~90%荫蔽度的林下。
（2）分析图1 可知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
C3 的还原提供更多的ATP 和NADPH。
（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，分析图2 和图3 可知
20%、45%和100%透光率下，中午气孔导度下降，但胞间二氧化碳浓度却上升，由此推断光合“午休”现
象不是由气孔导度下降引起的。
（4）①测定光饱和点和光补偿点时，光照强度属于自变量，其他影响光合作用的外界因素属于无关变量，
故应控制温度、CO2 浓度等外界因素相同且适宜，并设置不同的光照强度测定净光合速率，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
加叶绿素的总量下降，需要更强的光照才能补偿呼吸消耗。
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（5）在就地保护中，对生长在荫蔽度较高环境中的地宝兰，要对周围植物进行适当砍伐；对生长在荫蔽
度较低环境中的地宝兰适当遮阴。
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
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
3.87
0.47
59.59
286.08
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组
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。
【答案】(1) 生产者 （种间）竞争 下降
(2) 化学 对白三叶幼苗的生长，低浓度促进生长，高浓度抑制生长；多年生黑麦草幼苗生长均为
抑制生长
(3) 无菌水 长势良好且一致 10g 灭活的AMF 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 净光合速率、 蒸腾速率和气孔导度
【分析】生态系统的组成成分包括：生产者、消费者、分解者和非生物的物质和能量。
生态系统具有一定的自我调节能力，自我调节能力的基础是负反馈调节。
【详解】（1）紫茎泽兰与本地植物都属于生产者，紫茎泽兰通过种间竞争排挤本地物种 ，导致本地的植
物种类减少，使入侵地生态系统的抵抗力稳定性降低。
（2）紫茎泽兰可通过释放某种化感物质，该物质向其他物种传递的信息属于化学信息。依据实验结果可
知：紫茎泽兰释放的某种化感物质对白三叶幼苗的生长，低浓度促进生长，高浓度抑制生长；多年生黑麦
草幼苗生长均为抑制生长。
（3）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，再用无菌水冲洗、沥
干后播种于无菌土。一段时间后，选用长势良好且一致的无菌苗进行移栽。
②实验的自变量是有无AMF，在设置对照时，除了自变量之外，要保证无关变量大体一致或相等，所以，
对照组要分别每个花盆的无菌土中加入10g（等量原则）灭活的AMF 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（等量原则）。
③依据表格数据可知，接种的AMF 通过显著提高紫茎泽兰的净光合速率、 蒸腾速率和气孔导度，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
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
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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 。
【答案】(1) 细胞呼吸 暗反应 大于 先升高后保持稳定
(2) 碳反应未被激活 光反应产生的NADPH 和ATP 积累导致光反应被抑制吸收的光能未被利用，
以热能形式散失，可避免光系统损伤
(3) NADPH ATP 中化学能和热能 与受体结合，作为一种信号分子调节植物的光合作用
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【分析】光合作用过程分为光反应阶段和暗反应阶段，光反应阶段是水光解形成氧气和NADPH 的过程，
该过程中光能转变成活跃的化学能储存在ATP 中；暗反应阶段包括二氧化碳的固定和三碳化合物的还原，
二氧化碳固定是二氧化碳与1 分子五碳化合物结合形成2 分子三碳化合物的过程，三碳化合物还原是三碳
化合物在光反应产生的NADPH 和ATP 的作用下形成有机物和五碳化合物的过程。
【详解】（1）未开始光照时，CO2 吸收速率低于0，这是由于植物细胞进行呼吸作用释放CO2 的结果，
即此时呼吸作用产生的CO2 释放出来。光照0．5min 后，CO2 吸收速率才显著升高，说明此时光合作用暗
反应过程才被激活，光反应此时产生的NADPH 和ATP 才能用于暗反应过程三碳化合物的还原。光照2min
后密闭容器中CO2 浓度保持稳定，此时绿色植物光合作用强度大于呼吸作用强度，叶肉细胞光合作用制造
有机物的量大于细胞呼吸消耗有机物的量。改用含14CO2 的空气（CO2 浓度不变）培养，暗反应吸收
14CO2，开始时细胞中放射性三碳化合物浓度升高，之后由于吸收速率保持稳定，所以细胞中放射性三碳
化合物浓度保持稳定。
（2）光合作用的暗反应在0．5min 后才开始加快，故0~0．5min 之间，应该是暗反应的速率限制了光反
应的速率，所以暗反应未被激活，光反应产生的NADPH 和ATP 积累导致光反应被抑制。吸收的光能未被
利用，以热能形式散失，进而可保护光合色素、相关蛋白和叶绿体结构等免受（光）损伤
（3）由题图可知植物细胞通过“苹果酸草酰乙酸穿梭”途径，将过多的NADPH 转移出叶绿体，并最终在
线粒体中，参与由交替氧化酶（AOX）主导的交替呼吸，将其中的能量转化为ATP 中的化学能和热能。
eATP 需要与细胞膜上的DORNⅠ受体结合才能激发细胞内的信号传导，据此推测eATP 最可能是作为一种
信号分子调节植物的光合作用。
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：
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(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。
(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：
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。
【答案】(1) 类囊体薄膜 光反应 叶绿素和类胡萝卜素
(2) C5 和CO2 NADPH
(3) 增强 NDH 和PGR
(4)抑制D1 蛋白的从头合成，导致PSⅡ中D1 蛋白减少(缺失)
(5) 基质 运用蛋白质工程技术提高RCA 的热稳定性
【分析】1、观察电子显微镜下的叶绿体结构，可以看到，叶绿体由双层膜包被，内部有许多基粒。每个
基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为类囊体。吸收光能的4 种色素就分布在类
囊体的薄膜上。
2、光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释
放出氧气的过程。
【详解】（1）据图可知，双层磷脂分子层及其中蛋白质等组成的结构能吸收光能进行光合作用，因此该
膜结构应是叶绿体的类囊体薄膜，因为为光合作用吸收光能的4 种色素分布在类囊体的薄膜上，故光合作
用的光反应阶段也发生在该膜上。叶绿体中的叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，
光合色素（叶绿素和类胡萝卜素）吸收的一部分光能水分解为氧和H+，氧直接以氧分子的形式释放出 去，
H+与氧化型辅酶Ⅱ（NADP+）结合，形成还原型辅酶Ⅱ（NADPH）。
（2）绿叶通过气孔从外界吸收的CO2，在特定酶的作用下， 与C5（一种五碳化合物）结合，从而固定
了CO2。因此，碳固定过程的反应物是C5 和CO2。 NADPH 作为活泼的还原剂，参与暗反应阶段的化学
反应，同时也储存部分能量供暗反应阶段利用。因此，还原碳固定产物需要图1 结构上合成的 NADPH 提
供还原力。
（3）构成膜结构的磷脂分子是运动的，蛋白质分子大多数也是运动的，温度升高时，这些分子的流动性
增强。因此，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。
据图可知，依赖NDH 和PGR 途径的环式电子传递方式也可以传递电子，因此，高温胁迫时植物会通过增
强图中依赖NDH 和PGR 途径的环式电子传递方式来起到光保护作用。
（4）据图可知，有活性的PSⅡ由D1、D2 及OEC 三部分组成，ROS 过量合成除可直接导致PSⅡ失活外，
还能通过抑制D1 蛋白的从头合成，导致PSⅡ中D1 蛋白减少(缺失)途径引起PSⅡ失活，发生光抑制现象。
（5）依题意，Rubisco 是一种C5 的羧化酶/加氧酶，因此其作用于C5 参与的化学反应，而C5 在叶绿体基
质中参与光合作用暗反应，因此该酶在叶绿体中的存在部位是叶绿体基质。依题意，Rubisco 活性受到
Rubisco 活化酶(RCA)的调节，RCA 活性易受高温胁迫抑制。根据结构和功能相适应的观点，可运用蛋白
质工程技术改变RCA 的结构，从而提高其热稳定性，使其结构在高温环境中更具稳定性，从而缓解高温
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胁迫对光合能力和作物产量影响。
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