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专题01 分子与细胞模块
近三年山东高考题侧重考查光合作用过程中光反应和暗反应之间的区别与联系，以及影响光合作用速率的
因素，需要考生识记并理解所学知识的要点，把握知识间的内在联系，形成一定知识网络的能力，并且具
有一定的分析能力和理解能力。
1、（2023·山东·高考真题）当植物吸收的光能过多时，过剩的光能会对光反应阶段的PSⅡ复合体（PSⅡ）
造成损伤，使PSⅡ活性降低，进而导致光合作用强度减弱。细胞可通过非光化学淬灭（NPQ）将过剩的光
能耗散，减少多余光能对PSⅡ的损伤。已知拟南芥的H 蛋白有2 个功能：①修复损伤的PSⅡ；②参与NPQ
的调节。科研人员以拟南芥的野生型和H 基因缺失突变体为材料进行了相关实验，结果如图所示。实验中
强光照射时对野生型和突变体光照的强度相同，且强光对二者的PSⅡ均造成了损伤。
(1)该实验的自变量为 。该实验的无关变量中，影响光合作用强度的主要环境因素有 （答
出2 个因素即可）。
(2)根据本实验， （填“能”或“不能”）比较出强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱，理由是
。
(3)据图分析，与野生型相比，强光照射下突变体中流向光合作用的能量 （填“多”或“少”）。
若测得突变体的暗反应强度高于野生型，根据本实验推测，原因是 。
【答案】(1) 光、H 蛋白 CO2 浓度、温度
(2) 不能 突变体PSⅡ系统光损伤小但不能修复，野生型光PSⅡ系统损伤大但能修复
(3) 少
突变体PNQ 高，PSⅡ系统损伤小，虽然损伤不能修复，但是PSⅡ活性高，光反应产物多
【分析】光合作用过程：
1
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（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）据题意拟南芥的野生型和H 基因缺失突变体为材料进行了相关实验，实验中强光照射时对
野生型和突变体光照的强度相同，结合题图分析实验的自变量有光照、H 蛋白；影响光合作用强度的主要
环境因素有CO2 浓度、温度、水分等。
（2）据图分析，强光照射下突变体的NPQ/相对值比野生型的NPQ/相对值高，能减少强光对PSⅡ复合体
造成损伤。但是野生型含有H 蛋白，能对损伤后的PSⅡ进行修复，故不能确定强光照射下突变体与野生型
的PSⅡ活性强弱。
（3）据图分析，强光照射下突变体中NPQ/相对值，而NPQ 能将过剩的光能耗散，从而使流向光合作用的
能量减少；突变体的NPQ 强度大，能够减少强光对PSII 的损伤且减少作用大于野生型H 蛋白的修复作用，
这样导致突变体的PSⅡ活性高，能为暗反应提供较多的NADPH 和ATP 促进暗反应进行，因此突变体的暗
反应强度高于野生型。
2、（2022·山东·高考真题）强光条件下，植物吸收的光能若超过光合作用的利用量，过剩的光能可导致植
物光合作用强度下降，出现光抑制现象。为探索油菜素内酯（BR）对光抑制的影响机制，将长势相同的苹
果幼苗进行分组和处理，如表所示，其中试剂L 可抑制光反应关键蛋白的合成。各组幼苗均在温度适宜、
水分充足的条件下用强光照射，实验结果如图所示。
分
组
处理
甲
清水
乙
BR
丙
BR+L
(1)光可以被苹果幼苗叶片中的色素吸收，分离苹果幼苗叶肉细胞中的色素时，随层析，液在滤纸上扩散速
度最快的色素主要吸收的光的颜色是 。
2
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(2)强光照射后短时间内，苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增加，但氧气的产生速率继续增加。
苹果幼苗光合作用暗反应速率不再增加，可能的原因有 、 （答出2 种原因即可）；氧气的产
生速率继续增加的原因是 。
(3)据图分析，与甲组相比，乙组加入BR 后光抑制 （填“增强”或“减弱”）；乙组与丙组相比，
说明BR 可能通过 发挥作用。
【答案】(1)蓝紫
(2) 五碳化合物供应不足
CO2 供应不足 强光照射后短时间内，光反应速率增强，水光解产生氧气的速率增强
(3) 减弱 促进光反应关键蛋白的合成
【分析】该实验探索油菜素内酯（BR）对光抑制的影响机制，自变量是对幼苗不同的处理，因变量为光合
作用强度，由曲线可知，BR 可能通过促进光反应关键蛋白的合成来减弱光抑制现象。
【详解】（1）苹果幼苗叶肉细胞中的色素有叶绿素a、叶绿素b、叶黄素、胡萝卜素，其中胡萝卜素在层
析液中溶解度最大，故色素分离时，随层析液在滤纸上扩散速度最快的色素是胡萝卜素，主要吸收蓝紫光。
（2）影响光合作用的外界因素有光照强度、CO2 的含量，温度等；其内部因素有酶的活性、色素的数量
五碳化合物的含量等。强光照射后短时间内，苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增加，可能的
原因有五碳化合物供应不足、CO2 供应不足；氧气的产生速率继续增加的原因是强光照射后短时间内，光
反应速率增强，水光解产生氧气的速率增强。
（3）据图分析，与甲组相比，乙组加入BR 后光合作用强度较高，说明加入BR 后光抑制减弱；乙组用
BR 处理，丙组用BR 和试剂L 处理，与乙组相比，丙组光合作用强度较低，由于试剂L 可抑制光反应关键
蛋白的合成，说明BR 可能通过促进光反应关键蛋白的合成发挥作用的。
3、（2021·山东·高考真题）光照条件下，叶肉细胞中 O2与 CO2 竞争性结合 C5，O2与 C5结合后经一系列
反应释放 CO2的过程称为光呼吸。向水稻叶面喷施不同浓度的光呼吸抑制剂 S oBS 溶液，相应的光合作
用强度和光呼吸强度见下表。光合作用强度用固定的 CO2量表示，SoBS 溶液处理对叶片呼吸作用的影响
忽略不计。
3
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（1）光呼吸中 C5与 O2结合的反应发生在叶绿体的 中。正常进行光合作用的水稻，突然停
止光照，叶片 CO2释放量先增加后降低，CO2释放量增加的原因是 。
（2）与未喷施 SoBS 溶液相比，喷施 100mg/L SoBS 溶液的水稻叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光
照强度 (填：“高”或“低”)，据表分析，原因是 。
（3）光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物，农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探
究 SoBS 溶液利于增产的最适喷施浓度，据表分析，应在 mg/L 之间再设置多个浓度梯度进一步进行
实验。
【答案】 基质 光照停止，光合作用吸收二氧化碳减少，但呼吸作用和光呼吸短时间内正常进行，
导致二氧化碳释放量增加，随后光呼吸停止，使二氧化碳释放量降低 低 喷施 SoBS 溶液后，光
合作用固定的CO2 增加，光呼吸释放的CO2 减少，即叶片光照下CO2 吸收量增加，此时，在更低的光照
强度下，两者即可相等 100～300
【分析】题意分析，光呼吸会抑制暗反应，光呼吸会产生CO2。向水稻叶面喷施不同浓度的光呼吸抑制剂
SoBS 溶液后由表格数据可知，光合作用的强度随着SoBS 浓度的增加出现先增加后下降的现象。
【详解】（1）C5 位于叶绿体基质中，则O2 与C5 结合发生的场所在叶绿体基质中。突然停止光照，光合
作用吸收二氧化碳减少，但呼吸作用和光呼吸短时间内正常进行，导致二氧化碳释放量增加，随后光呼吸
停止，使二氧化碳释放量降低。
（2）叶片光下吸收和黑暗中释放CO2 量相等时所需的光照强度即为光补偿点，与对照相比，喷施
100mg/L SoBS 溶液后，光合作用固定的CO2 增加，光呼吸释放的CO2 减少，即叶片光照下CO2 吸收量增
加，此时，在更低的光照强度下，两者即可相等。
（3）光呼吸会消耗有机物，但光呼吸会释放CO2，补充光合作用的原料，适当抑制光呼吸可以增加作物
产量，由表可知，在 SoBS 溶液浓度为200mg/L SoBS 时光合作用强度与光呼吸强度差值最大，即光合产
量最大，为了进一步探究最适喷施浓度，应在100～300mg/L 之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。
【点睛】本题着重考查了光合作用的影响因素等方面的知识，意在考查考生能识记并理解所学知识的要点，
把握知识间的内在联系，形成一定知识网络的能力，并且具有一定的分析能力和理解能力。
近几年，山东高考题中考查原因类的题目较多，针对原因类题目的答题技巧：
解释已知条件与结果之间逻辑关系一一原因
原因是指造成某种结果或引起另一件事情发生的条件。在解释已知条件与结果之间的逻辑关系（原因）时，
首先要明确问题的条件是什么，在该条件下指向结果是什么，相关的逻辑推理关系和过程是什么等。其答
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题模板可归纳整理为“因为……导致……，于是……，所以……”其中“因 为……”照抄题干中的已知
条件，“所以……”照抄题干中的结果，“导致……，于是……”是用教材知识回答已知条件与结果之间
的逻辑推理关系。该答题模板的优点是能够使答案既准确又规范，难点是要运用教材知识把已知条件与结
果之间的逻辑关系一层一层地分析清楚。当然，不能机械地照搬这一答题模板,而要教会学生根据不同的试
题情境适当修改，使语句通顺，既简洁又规范。
1．研究小组利用图1 装置，在光合作用的最适温度条件下，测定了不同光照强度下番茄幼苗的光合作用速
率。该小组又以某种盆栽番茄为材料，设置“常温＋常态CO2浓度”（对照）“常温＋高CO2浓度”“高
温＋常态CO2浓度”“高温＋高CO2浓度”共4 组进行实验，检测植株中的可溶性糖和淀粉含量变化。图
2 为实验25 天时测得相关的物质含量情况。回答下列问题：
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注：CO2缓冲液有吸收和释放CO2的作用，可维持瓶内一定的CO2浓度。
(1)在不同光照强度下，图1 装置测定的是番茄幼苗的 （填“总光合作用速率”或“净光合作用速
率”），此时液滴可能发生的移动情况是 。
(2)若黑暗条件下，每小时液滴左移了3 个刻度单位，某一光照强度下，每小时液滴右移了8 个刻度单位。
假设液滴每移动1 个刻度单位，植物幼苗体内的葡萄糖量增加或减少1g，则该番茄幼苗的呼吸速率为
g/h，该光照强度条件下，白天光照12 小时，一昼夜葡萄糖的积累量为 g。
(3)一定的光照强度下，观察到图示装置的液滴右移，若再适当升高温度，则图示装置液滴右移的速率将变
慢，原因是 。
(4)图2 实验中的无关变量有 （答2 点）。一般果实中可溶性糖含量越高，果实的甜度就越高。依
据图2 实验结果，提高番茄果实甜度的措施是 。根据图2 实验结果分析，在高CO2浓度条件下，
高温对番茄光合作用的影响及判断依据是 。
【答案】(1) 净光合作用速率 右移、不移动或左移
(2) 3 60
(3)上述实验是在光合作用的最适温度下进行，适当升高温度，植物幼苗的总光合作用速率下降，呼吸作用
速率可能增大，导致净光合作用速率下降，最终液滴右移速率变慢（合理即可）
(4) 湿度、光照强度、番茄生长状况等 提高温度和CO2 浓度（高温和高CO2 浓度） 在高
CO2 浓度条件下，高温不利于番茄光合作用的进行，因为在高CO2 浓度条件下，高温时番茄光合作用合成
的可溶性糖含量略有增加，而淀粉含量却明显减少（合理即可）
【分析】光合作用过程包括光反应和暗反应两个阶段。①光反应阶段的场所是叶绿体的类囊体膜，发生的
物质变化主要是水的光解以及ATP 的形成；②暗反应阶段的场所是叶绿体的基质，发生的物质变化是CO2
被C5 固定形成C3、C3 在光反应提供的ATP 和NADPH 的作用下还原生成糖类等。
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【详解】（1）植物所需CO2 由CO2 缓冲液提供，可以维持容器内CO2 的含量相对稳定，液滴的移动情况
反应了瓶内O2 的变化情况（释放或吸收），故在不同光照强度下，图1 装置测定的是番茄幼苗的净光合
作用速率。由于是不同光照处理，可能出现：光合作用速率小于呼吸作用速率，此时表现为从瓶内吸收氧
气，液滴左移；光合作用速率等于呼吸作用速率，此时幼苗既不会从瓶中吸收氧气也不会向瓶内释放氧气，
液滴不移动；光合作用速率大于呼吸作用速率，幼苗向瓶内释放氧气，液滴右移。
（2）若黑暗条件下，每小时液滴左移了3 个刻度单位，表示的是呼吸作用速率；某一光照强度下，每小时
液滴右移了8 个刻度单位，表示的是净光合作用速率。净光合作用速率＝总光合作用速率－呼吸作用速率。
假设液滴每移动1 个刻度单位，植物幼苗体内的葡萄糖量增加或减少1g，则该番茄幼苗的呼吸作用速率为
3g/h，该光照强度条件下，白天光照12 小时，一昼夜葡萄糖的积累量为8×12－3×12＝60g。
（3）由题干可知，上述实验是在光合作用的最适温度下进行的，适当升高温度，植物幼苗的总光合作用
速率下降，呼吸作用速率可能增大，导致净光合作用速率下降，最终图示装置液滴右移的速率变慢。
（4）由题干信息可知，本实验的自变量为温度和CO2 浓度，因此需要控制相同的无关变量，无关变量有
湿度、光照强度、番茄生长状况等。一般果实中可溶性糖含量越高，果实的甜度就越高。根据“常温＋高
CO2 浓度”和“高温＋高CO2 浓度”组对比可知，在高CO2 浓度条件下，高温时番茄光合作用合成的可
溶性糖含量略有增加，而淀粉含量却明显减少，因此在高CO2 浓度条件下，高温不利于番茄光合作用的进
行。
2．番茄体内存在如图所示的两条电子传递途径，其中，PSI、PSⅡ是由光合色素和蛋白质构成的复合体。
RCA 是Rubisco 的激活酶，Rubisco 催化CO2 的固定。在高温胁迫下，RCA 的活性被抑制，进而降低
Rubisco 活性，导致光反应吸收的过剩能量激发活性氧（ROS）过量合成，ROS 能使PSⅡ失活。回答下列
问题。
(1)番茄叶绿体中的色素在层析液中溶解度最低的是 。适宜环境温度下，PSⅡ受光激发将水分解为 ，
同时产生电子（e-）；环式电子传递的发生会导致NADPH/ATP 的值 。（填“变大”或“变小”或
“基本不变”）
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(2)科研人员利用野生型番茄植株进行了以下实验，在实验第3 天时测得相关实验数据如下表所示：
组
别
温度
气孔导
度
净光合速率（umol·m-2·s-1）
胞间CO2浓度（ppm）
Rubisco 酶活性（U·ml-1）
甲
25℃
99.2
11.8
282
172
乙
40℃
30.8
1.1
403
51
从光合作用的过程分析，40℃时光合速率较低的原因是 。（答出两点即可）
(3)提出一个利用生物技术工程缓解高温胁迫对Rubisco 活性影响的方案： 。
【答案】(1) 叶绿素b 氧（O2）和H+ 变小
(2)使Rubisco 酶活性下降，暗反应速率降低；使PSⅡ失活，光反应速率降低
(3)运用蛋白质工程技术提高RCA 的热稳定性
【分析】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
还原氢和氧气，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
合物的还原两个过程。
【详解】（1）番茄叶绿体中的色素在层析液中溶解度最低的是叶绿素b，适宜环境温度下，PSⅡ受光激发
将水分解为O2 和H+，同时产生电子（e-）；由图可知，环式电子传递不发生H2O 的氧化，不形成
NADPH，导致NADPH/ATP 的值变小；
（2）分析表中数据可知，造成其光合速率较低的内部因素可能是酶的活性降低、类囊体结构破坏；表中
数据显示，高温胁迫下番茄植株R 酶活性下降，暗反应速率下降，光反应产生的ATP 和NADPH 的剩余量
增加，抑制光反应；同时光能过剩导致活性氧的大量积累，进而破坏光系统Ⅱ且抑制其修复，故高温胁迫
下番茄植株光反应速率减慢；
（3）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，从而缓解高温胁迫对光合能力和作物产量影响。
3．强光照条件下，植物细胞可以通过“苹果酸/草酰乙酸穿梭”和“苹果酸/天冬氨酸穿梭”（如图）实现
叶绿体和线粒体中物质和能量的转移，并可以通过信号传递调节植物的生理活动以适应环境变化。回答下
列问题：
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(1)叶绿体利用分布在 上的色素将光能转化为化学能。叶绿体中光合产物暂时以淀粉形式储存的意义是
。
(2)当光照过强时，“苹果酸/草酰乙酸穿梭”可有效地将光反应产生的 中含有的还原能输出叶绿体，再
经过“苹果酸/天冬氨酸穿梭”转换成线粒体中的 中含有的还原能，最终在 （场所）转化为ATP 中
的化学能。
(3)当光照过强时，植物细胞释放到胞外的ATP（eATP）可通过受体介导的方式，调节植物生理活动。为
探究eATP 对光合速率的影响，科研人员用一定最适宜浓度的eATP 溶液处理豌豆叶片，结果如图所示。
该实验自变量为 ，推测eATP 调节植物光合速率的机制： 。
【答案】(1) 类囊体薄膜 减少丙糖磷酸等在叶绿体内的积累，避免对光合作用的抑制；维持叶绿
体内的渗透压等
(2) NADPH NADH 线粒体内膜
(3) eATP 的有无、豌豆幼苗的种类 eATP 通过调节NADPH 氧化酶基因的表达，促进活性氧
（ROS）的合成来促进气孔的开放，从而提高光合速率
【分析】光合作用的过程及场所：光反应发生在类囊体薄膜中，主要包括水的光解和ATP 的合成两个过程；
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暗反应发生在叶绿体基质中，主要包括CO2 的固定和C3 的还原两个过程。
【详解】（1）叶绿体利用类囊体薄膜上的叶绿素和类胡萝卜素将光能转化为化学能。叶绿体中光合产物
暂时以淀粉形式储存以减少丙糖磷酸等积累，避免对光合作用的抑制，维持叶绿体内的渗透压。
（2）由图可知，强光条件下，草酸乙酸/苹果酸穿梭能将NADPH 中的H+运出叶绿体，与NAD+结合生成
NADH，该过程将光反应产生的NADPH 中含有的还原能输出叶绿体，再经过“苹果酸/天冬氨酸穿梭”转
换成线粒体中的NADH 中含有的还原能，最终在线粒体内膜用于ATP 的合成。
（3）由题意可知，该实验的自变量为eATP 的有无、豌豆幼苗的种类。活性氧（ROS）能促进植物叶肉细
胞气孔的开放，NADPH 氧化酶是ROS 产生的关键酶，据图可知，cATP 可通过调节气孔导度来调节植物
光合速率，而活性氧（ROS）也能促进植物叶肉细胞气孔的开放，活性氧（ROS）的合成需要NADPH 氧
化酶的催化，当NADPH 氧化酶缺失，则活性氧（ROS）无法合成，植物叶肉细胞气孔的开放无法增加，
科研人员用eATP 处理NADPH 氧化酶基因缺失突变体，发现净光合速率与对照组基本一致。综合分析可
知： eATP 通过调节NADPH 氧化酶基因的表达，促进活性氧（ROS）的合成，进而促进植物叶肉细胞气
孔的开放，提升了叶肉细胞的气孔导度，进而实现了对光合速率的提高。
4．在叶肉细胞中，固定 CO₂ 形成C3的植物称为C3植物；而玉米等植物的叶肉细胞中，PEP 在PEP 羧化
酶的作用下固定 CO2进行C4循环，这样的植物称为C4植物。C4植物的维管束鞘细胞含无基粒的叶绿体，
光反应发生在叶肉细胞，暗反应发生在维管束鞘细胞。在C4循环中PEP 羧化酶对CO2的高亲和力，可将周
围梭低浓度的 CO2高效运往维管束箱细胞形成高浓度CO2，如下图所示. 暗反应中 RuBP 羧化酶(对CO2
的亲和力约为PEP 羧化酶的1/60)在CO2浓度高时催化 RuBP 固定CO2合成有机物；在CO2浓度低时催化
RuBP 与O2进行光呼吸，分解有机物，回答下列问题：
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(1)C₄ 植物中固定CO2的酶是 ，最初固定CO2的物质是 .
(2)C3植物与C4植物相比较，CO₂ 补偿点较高的是 ；干旱时，对光合速率影响较小的是 。
(3)C4循环中，苹果酸和丙酮酸能穿过在叶肉细胞和维管束鞘细胞之间形成的特殊结构，该结构使两细胞原
生质相通，还能进行信息交流，该结构是 。据题意分析，C4植物叶肉细胞不发生暗反应的原因
是 。
(4)环境条件相同的情况下，分别测量单位时间内 C3植物和 C4植物干物质的积累量，发现C4植物干物质
积累量近乎是C3植物的两倍，据题意推测原因是 。(至少答出两点，不考虑呼吸作用的影响)
【答案】(1) PEP 羧化酶和 RUBP 羧化酶 PEP
(2) C3 植物（C3） C4 植物（C4）
(3) 胞间连丝 PEP 羧化酶对 CO2 的亲和力远大于 RUBP 羧化酶，使暗反应因缺少CO2 而无法
进行（PEP 羧化酶对CO2 亲合力高 / CO2 用于合成 C4）
(4)因 C4 循环使维管束鞘细胞内有高浓度 CO2，促进了光合作用，增加了有机物的合成；高浓度 CO2 抑
制了光呼吸，减少了有机物的消耗
【分析】C4 植物，叶肉细胞中对CO2 高亲和力的PEPC 酶催化CO2 固定产生四碳化合物，然后运输到维
管束鞘细胞中分解，释放出CO2 用于卡尔文循环，这使得C4 植物能利用环境中较低CO2 进行光合作用，
大大提高了光合作用效率。
【详解】（1）由题意可知，PEP 在PEP 羧化酶的作用下固定CO2 进行C4 循环，在C4 循环中PEP 羧化酶
对CO2 的高亲和力，可将周围较低浓度的CO2 高效运往维管束鞘细胞形成高浓度CO2，即C4 植物中固定
CO2 的酶是PEP 羧化酶和RuBP 羧化酶，最初固定CO2 的物质是PEP。
（2）与C3 植物相比，C4 植物叶肉细胞中固定CO2 的酶与CO2 的亲和力更强，因而能利用更低浓度的
CO2，因此C4 植物的CO2 补偿点比C3 植物低，故C4 植物的有机物积累量往往较高，因此当干旱时气孔
关闭，对光合速率影响较小的是C4 植物。
（3）高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接也有信息交流的作用，C4 植物叶肉细胞不发生暗反应的原
因是：PEP 羧化酶对二氧化碳的亲和力远大于RuBP 羧化酶，使暗反应因缺少二氧化碳而无法进行。
（4）C4 植物干物质积累量近乎是C3 植物的两倍，据题意推测原因是：因C4 循环使维管束鞘细胞内有高
浓度二氧化碳，促进了光合作用，增加了有机物的合成；高浓度二氧化碳抑制了光呼吸，减少了有机物的
消耗。
5．小麦、水稻等大多数植物，在暗反应阶段，CO2被C5固定以后形成C3，进而被还原成（CH2O），这类
植物称为C3植物且玉米、甘蔗等原产在热带的植物，CO2中的碳首先转移到草酰乙酸（C4）中，然后转移
到C3中，这类植物称为C4植物，其固定CO2的途径如图1 所示。芦荟、仙人掌等植物白天气孔关闭，夜间
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气孔开放，这类植物在进化中形成了特殊的固碳途径，如图2 所示，这类植物称为CAM 植物。（注：PEP
羧化酶比RUBP 羧化酶对CO2的亲合力更强）
(1)C4植物的光反应发生在 细胞。在炎热于旱夏季的中午，C4植物比C3植物的优越性表现为 。
(2)CAM 植物参与卡尔文循环的CO2直接来源于 过程，夜晚其叶肉细胞能产生ATP 的场所是 。
(3)蝴蝶兰因花色艳丽、花姿优美、开花期长，一直以来深受爱花者的青睐。有人想在室内大量培养蝴蝶兰，
又担心植物多，在夜晚会释放大量的CO2不利于健康。请你根据图1、图2 的固碳途径，利用CO2传感器，
设计实验探究蝴蝶兰是否是CAM 植物。
实验思路： 。
实验结果和结论 。
【答案】(1) 叶肉 炎热干旱夏季的中午，植物气孔大量关闭，使得空气中的CO2 不易进入细胞，
细胞内CO2 浓度较低，而C4 植物的PEP 羧化酶比RUBP 羧化酶对CO2 的亲合力更强，可以利用低浓度的
CO2
(2) 苹果酸分解和细胞呼吸（有氧呼吸） 细胞质基质和线粒体
(3) 可检测密闭容器内白天和晚上CO2 的浓度变化 实验思路：在密闭装置内种植蝴蝶兰，利用
CO2 传感器测定其白天和夜晚CO2 含量变化的差异
实验结论：若密闭容器内白天CO2 不变，晚上CO2 下降，则为CAM 植物，若白天CO2 下降，晚上CO2
增多，则不是CAM 植物
【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）结合图1 可知，叶肉细胞的叶绿体中有类囊体没有RuBP 羧化酶，因此可以进行光反应，不
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能进行暗反应；C4 植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性较强，对CO2 的亲和力很大，这种酶就起一个
“二氧化碳泵”的作用，把外界CO2“压”进维管束鞘薄壁细胞中去，增加维管束鞘薄壁细胞的CO2。所
以，在炎热干旱环境中，叶片关闭气孔以减少水分的丧失，导致叶片中CO2 浓度大大下降，因此在这样的
环境中，C4 植物在较低CO2 浓度时光合速率高于C3 植物。
（2）结合图2 可知，CAM 植物参与卡尔文循环的CO2 直接来源于呼吸过程释放和苹果酸分解；夜晚其叶
肉细胞能产生ATP 的过程是呼吸作用，场所是细胞质基质和线粒体。
（3）CAM 植物白天气孔关闭，夜间气孔开放，因此要设计实验探究蝴蝶兰是否是CAM 植物，可从密闭
容器内白天和晚上CO2 的变化可知，将蝴蝶兰培养在透明的密闭容器内，置于自然环境中，若白天CO2
不变，晚上CO2 下降，则为CAM 植物，若白天CO2 下降，晚上CO2 增多，则不是CAM 植物。
6．马铃薯植株下侧叶片合成的有机物通过筛管主要运向块茎贮藏。图1 是马铃薯光合作用产物的形成及运
输示意图，图2 是蔗糖进入筛分子-伴胞复合体的一种模型。请回答下列问题：
(1)图1 所示的代谢过程中，需要光反应产物参与的过程是 （填标号）。为马铃薯叶片提供C18O2，
块茎中会出现18O 的淀粉，请写出18O 转移的路径：C18O2→ →淀粉。
(2)研究发现，叶绿体中淀粉的大量积累会导致 膜结构被破坏，进而直接影响光反应。保卫细胞中
淀粉含量增加会降低气孔导度，使 ，进而抑制暗反应。
(3)图2 中甲具有 酶活性。乙（SUT1）是一种蔗糖转运蛋白，在成功导入蔗糖转运蛋白反义基因
的马铃薯植株中SUT1 的表达水平降低，叶片中可溶性糖和淀粉总量 ，最终导致块茎产量
。
(4)科研人员以Q9、NB1、G2 三个品种的马铃薯为材料，研究不同光周期处理对马铃薯块茎产量的影响，
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在24h 昼夜周期中对马铃薯幼苗分别进行16h（长日照）、12h（中日照）、8h（短日照）三种光照时间处
理，保持其他条件相同且适宜，培养一段时间后，发现长日照组叶绿素含量最高，但只有中日照和短日照
组有块茎生成，结果如图。
①分析上述信息可知，光影响马铃薯幼苗的生理过程可能有 （至少写出两点）。
②分析上图，单位时间内光周期影响平均单株块茎产量增量最高的实验组是 。
③若将马铃薯叶片分为对照组和实验组，对照组叶片遮光处理，10h 后检测到叶片的干物质减少量为
Amg；某实验组10h 后检测到叶片的干物质增加量为Bmg，实验叶片的面积为Ccm2，则该组的光合速率可
以表示为 。若要进一步研究不同CO2浓度对马铃薯叶片光合速率的影响，并尽量避免有机物的输出
对实验结果的影响，应该选择 （填“长日照”“中日照”或“短日照”）组的植株为实验材料。
【答案】(1) ② C3→磷酸丙糖→蔗糖
(2) 类囊体 CO2 吸收减少
(3) ATP 水解 升高 降低
(4) 叶绿素的合成、光合作用、有机物的运输和储存等 NB1 中日照组 0.1
（A+B）/C mg·cm-2·h-1
长日照
【分析】分析图1：①是光合作用的暗反应阶段的CO2 的固定阶段，②是暗反应中的C3 的还原阶段。从
图中可以看出，暗反应在叶绿体基质中进行，其产物磷酸丙糖可以在叶绿体基质中合成淀粉，也可以被运
出叶绿体，在叶肉细胞中的细胞质基质中合成蔗糖，蔗糖可以进入液泡暂 时储存起来；蔗糖也可以通过
韧皮部被运至茎块细胞，在茎块细胞内合成淀粉；分析图2：结构甲具有ATP 水解酶的功能，同时利用
ATP 水解释放的能量把H+运出细胞，导致细胞外H+浓度较高，属于主动运输；结构乙能够依靠细胞膜两
侧的H+浓度差把H+运入细胞，属于协助扩散，同时把蔗糖分子也运入细胞。
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【详解】（1）在叶绿体中C3 的还原反应即②过程需要光反应提供ATP 和NADPH，需要ATP 和NADPH
供能以及需要NADPH 提供还原剂；为马铃薯叶片提供C18O2，会进行光合作用，最后块茎中的淀粉会含
18O，由图可知，元素18O 转移的路径：C18O2→C3 →磷酸丙糖→蔗糖→淀粉。
（2）光反应的场所是类囊体薄膜，因此叶绿体中淀粉的积累会导致类囊体膜结构被破坏，进而直接影响
光反应。保卫细胞中淀粉含量增加会降低气孔导度，即气孔的开放程度下降，影响二氧化碳的吸收，即二
氧化碳的吸收量下降，进而暗反应速率下降，光合速率下降。
（3）由图可知，在结构甲的作用下，ATP 水解，H+逆浓度运输至胞外，说明结构甲具有ATP 水解酶的功
能与物质运输的功能；成功导入蔗糖转运蛋白反义基因的马铃薯植株中SUTl 的表达水平降低，筛分子-伴
胞复合体的蔗糖转运蛋白乙含量减少，叶肉细胞中蔗糖分子通过结构乙转运出叶肉细胞的量减少，叶肉细
胞中蔗糖积累，可溶性糖和淀粉总量升高，抑制光合作用，最终导致块茎产量降低。
（4）①本实验研究不同光周期处理对马铃薯产量的影响，最终发现长日照组叶绿素含量最高，但只有中
日照和短日照组有块茎生成，由此推断光影响的马铃薯幼苗的代谢过程可能有叶绿素的合成、光合作用、
有机物的运输和储存、细胞呼吸、酶的合成等；
②由图可知，对NB1 品种进行12h 的中日照，在处理45～60d 期间差值最大，即单株产量增量最高；
③对照组叶片遮光处理，10h 后检测到叶片的干物质减少量为Amg，此时检测的是10 小时的呼吸消耗；实
验组10h 后检测到叶片的干物质增加量为Bmg，该值代表的是10 小时有机物的增加量（净光合量），实
验叶片的面积为Ccm2，则该组的光合速率可以表示为（A+B）÷10÷C =0.1（A+B）/C mg·cm-2·h-1。若要
进一步研究不同CO2 浓度对马铃薯叶片光合速率的影响，为了尽量避免有机物的输出对实验结果的影响，
应该选择上述3 组实验中长日照组的植株为实验材料，因为该实验组没有块茎生成，避免了有机物的输出。
7．科研小组利用长势相同的辣椒幼苗探究低温环境下喷洒脱落酸(ABA)对植株光合作用的影响。实验包括
3 种处理，甲组:低温(15℃/8℃)10d+叶面喷洒 ABA;乙组:低温(15℃/8℃)10d;丙组：常温(30℃/22℃)10 d。
处理结束后将植株分别移栽到适宜条件下培养，测得如下数据，净光合速率以 CO₂ 吸收量为指标。
组
别
叶绿素
相对含
量
净
光
合
速
率
/
(μmol·m⁻²·s⁻¹)
磷元素的含量//
(g·kg⁻¹)
胞间 CO₂ 浓度/
(μmol·L⁻¹)
气
孔
导
度
/
(μmol·m⁻²·s⁻¹)
叶
根
茎
甲
26.79
8.47
3.06
2.39
2.51
245
0.40
乙
21.51
5.25
2.52
1.54
1.74
230
0.32
丙
30.33
12.81
3.59
2.78
2.87
310
0.59
注:①表中数据均已达到显著差异。②(15℃/8℃)10d 是指昼温15℃下处理12h，夜温8℃下处理 12h，共处
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理10 天;(30℃/22℃)10d 是指昼温30℃下处理12h，夜温22℃下处理12h，共处理10 天。
(1)乙组叶肉细胞平均五碳糖含量 (填“高于”“低于”或“等于”)丙组。据实验数据分析，低温处
理导致辣椒植株净光合速率降低的原因有：①低温导致叶绿素含量下降(该实验因变量)，限制了光反应速
率(机理)；② ；③低温导致植株对磷的吸收变弱，
限制了光反应和暗反应速率(②参考①③从因变量和机理两个角度回答)。
(2)据实验数据 (填“能”或“不能”)初步判断 ABA 可提高低温下辣椒植株气孔导度，原因是
。
(3)若要进一步研究常温处理辣椒幼苗的真正光合速率，应该选择表中 组幼苗的净光合速率数据。
另需选该组幼苗在相同条件下遮光处理，测得 10 min 内CO₂ 释放量为Aμmol⋅m⁻²，则该组幼苗的真正光
合速率可以表示为 μmol⋅m⁻²(s⁻¹。
【答案】(1) 低于 低温导致胞间CO2 或气孔导度下降限制了碳反应速率
(2) 能 甲组气孔导度比乙组高
(3) 丙 A/600＋12.81
【分析】植物在光照条件下进行光合作用，光合作用分为光反应阶段和暗反应阶段，光反应阶段在叶绿体
的类囊体薄膜上进行水的光解，产生ATP 和NADPH，同时释放氧气，ATP 和NADPH 用于暗反应阶段三
碳化合物的还原，细胞的呼吸作用不受光照的限制，有光无光都可以进行，为细胞的各项生命活动提供能
量。
【详解】（1）乙组叶肉细胞平均五碳糖含量低于丙组，因为丙组的净光合速率强，胞间二氧化碳浓度和
气孔导度都大。低温处理导致辣椒植株净光合速率降低的原因有：①低温导致叶绿素含量下降（该实验因
变量），限制了光反应速率（机理）；②低温导致胞间CO2 或气孔导度下降限制了碳反应速率；③低温导
致植株对磷的吸收变弱从而限制了光反应/碳反应速率。
（2）据实验数据能初步判断ABA 可提高低温下辣椒植株气孔导度，原因是甲组气孔导度比乙组高，而甲
组叶面喷洒了ABA。
（3）若要进一步研究常温处理辣椒幼苗的真正光合速率，应该选择表中丙组幼苗的净光合速率数据。另
需选该组幼苗在相同条件下遮光处理，测得10min 内CO2 释放量为Aμmol m-2，则该组幼苗的真正光合速
率为净光合速率与呼吸速率之和即12.81（净光合速率）＋A/（10×60）（呼吸速率）＝A/600＋12.81。
8．下图甲表示某同学利用轮叶黑藻（一种沉水植物）探究“光照强度对光合速率的影响”的实验装置；
图乙是轮叶黑藻细胞光合作用相关过程示意图（有研究表明，水中CO2浓度降低能诱导轮叶黑藻光合途径
由C3途径向光合效率更高的C4途径转变，而且两条途径在同一细胞中进行）。
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(1)光照强度适宜时，图甲中有色液滴的移动方向是 （填：“向左”或“向右”）。若要测轮叶黑藻有
氧呼吸速率的大小，则应将图甲装置进行 处理，此时有色液滴向左移动，其原因是 。
(2)图乙CO2转变为HCO3
-过程中，生成的H＋以 的方式运出细胞；催化过程①和过程④中CO2固定的两
种酶（PEPC、Rubisco）中，与CO2亲和力较高的是 ，原因是 。过程②消耗的NADPH 主要来源
于 上进行的光反应过程；丙酮酸产生的场所除了图示③以外，还可能有 （填：“细胞质基质”或
“线粒体基质”）。
(3)研究人员通过测定并比较不同CO2浓度下PEPC 酶的活性。证明低浓度CO2能诱导轮叶黑藻光合途径转
变。请写出实验思路并预期实验结果 。
【答案】(1) 向右 黑暗/遮光 黑暗条件下只进行呼吸作用，广口瓶内氧气减少
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(2) 主动运输/主动转运 PEPC 酶 PEPC 酶能固定更低浓度的CO2 类囊体薄膜 细胞
质基质
(3)将若干生理状态一致的轮叶黑藻随机分为甲乙两组，甲组为对照组，用大气中的CO2 处理，乙组用低
浓度的CO2 处理，相同光照条件和光照时间处理一段时间后，测定甲乙两组PEPC 酶的活性。预期结果，
乙组PEPC 酶活性高于甲组
【分析】1、图甲装置中，灯泡作为光源，一般可通过改变广口瓶与光源之间的距离改变光照强度，装置
甲有色小液滴移动，可代表其中的气体压强变化。2、光反应过程需要光照、叶绿素等光合色素、酶等条
件，光反应产生 ATP、NADPH、O2。
【详解】（1）图甲中CO2 缓冲液的作用是维持瓶内二氧化碳浓度相对稳定，光照强度适宜时，光合作用
速率大于呼吸作用速率，广口瓶有氧气的释放，则有色液滴右移。只要有光照，黑藻就会进行光合作用，
对呼吸速率的测定产生影响，若要测轮叶黑藻有氧呼吸速率的大小，则应将图甲装置的广口瓶进行黑暗
（遮光）处理，呼吸作用消耗氧气，则有色液滴左移。
（2）根据图示，H+转运需要相应转运蛋白参与并消耗ATP，属于主动运输；根据题干信息“水中CO2 浓
度降低，能诱导其光合途径由C3 型向C4 型转变”，说明C4 循环中PEPC 与CO2 的亲和力高于C3 循环中
的Rubisco；图示结构A 为叶绿体类囊体薄膜，是光反应场所，光反应过程需要光照、叶绿素等光合色素、
酶等条件，光反应产生ATP、NADPH、O2；除了图示③以外，细胞中的丙酮酸还可以由葡萄糖在细胞质
基质中分解产生。
（3）欲证明低浓度CO2 能诱导轮叶黑藻光合途径转变，则实验的自变量是CO2 的浓度，因变量可测量
PEPC 酶的活性，具体实验思路为，将生理状态一致的轮叶黑藻随机分为两组，甲组为对照组，即大气中
的CO2 浓度，乙组为低浓度CO2 浓度处理，相同光照条件和光照时间下，检测甲乙两组的PEPC 酶的活性，
预期结果，乙组PEPC 酶活性高于甲组。
9．为研究纳豆芽孢杆菌菌剂对芒萁耐热能力的影响，科研人员测定了正常温度(25℃),高温胁迫(35℃、
45℃)条件下，不同肥料处理当年生芒萁的相关生理指标。结果如下图所示。
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(1)实验结果表明芒萁具有一定的耐高温能力，判断依据是 。
(2)根据上述实验， (填“能”或“不能”)说明高温条件下纳豆芽孢杆菌是通过分解有机肥增加
CO₂ 浓度来提高芒萁净光合速率的，理由是 。
(3)高温胁迫可导致芒萁细胞内自由基增多，自由基可攻击和破坏 ,进而破坏类囊体结构，造成电子
传递最终产物 减少，进一步影响暗反应。自由基可被抗氧化酶清除，结合上述实验结果推测，施用
纳豆芽孢杆菌菌剂可增强芒萁耐高温能力的原因可能是 。
【答案】(1)与25℃相比，35℃下芒其的净光合速率几乎未变
(2) 不能 高温胁迫下，未施用纳豆芽孢杆菌的组别胞间CO₂ 浓度也很高，CO₂ 不是限制光合作
用的因素
(3) 磷脂分子 NADPH 高温胁迫下，纳豆芽孢杆菌可提高抗氧化酶的活性，清除自由基，
保护类囊体薄膜结构，提高叶绿素含量，从而提高净光合速率
【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，与25℃相比，35℃下芒萁的净光合速率几乎未变，但45℃下，净光合速率有所
下降，推测芒萁具有一定的耐高温能力。
（2）高温胁迫下，未施用纳豆芽孢杆菌的组别胞间CO2 浓度也很高，说明CO2 不是限制光合作用的因素，
因此不能说明高温条件下纳豆芽孢杆菌是通过分解有机肥增加CO2 浓度来提高芒萁净光合速率的。
（3）类囊体是膜结构，基本骨架是磷脂双分子层，高温胁迫可导致芒萁细胞内自由基增多，自由基可攻
击和破坏磷脂分子，进而破坏类囊体结构。光合作用中电子传递的最终受体是NADPH。高温胁迫下，纳
豆芽孢杆菌可提高抗氧化酶的活性，清除自由基，保护类囊体薄膜结构，提高叶绿素含量，从而提高净光
合速率，因此施用纳豆芽孢杆菌菌剂可增强芒萁耐高温能力。
10．当光照过强、超过棉花叶片需要吸收的光能时，会导致光合速率下降，这种现象称为光抑制。有关光
抑制的机制，一般认为：在强光下，一方面因NADP+不足使电子传递给O2形成O2
-1；另一方面会导致还原
态电子积累，形成3chl，3chl 与O2反应生成1O2。O2
-1和1O2都非常活泼，如不及时清除，会攻击叶绿素和
PSII 反应中心的D1蛋白，从而损伤光合结构。类胡萝卜素可快速淬灭3chl，也可以直接清除1O2。下图1 是
棉花的叶肉细胞中进行光合作用的示意图，①、②、③为相关过程，PSI 和PSII 都是由蛋白质和光合色素
组成的光系统复合物；图2、图3 分别表示正常棉花和突变棉花绿叶中色素纸层析结果示意图（I、Ⅱ、Ⅲ、
Ⅳ表示不同色素带）；图4 是正常棉花的色素总吸收光谱、光合作用的作用光谱（指不同波长光照下植物
的光合作用效率）和色素带Ⅱ的吸收光谱。回答下列问题：
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(1)图1 中，类囊体膜上传递的电子的最初供体是 。过程②和③中消耗能量的过程是 ，物质A 的功能
是 。
(2)图2、3 中，色素带Ⅱ代表的色素名称是 。通过测量不同波长光照下的O2释放量绘制的曲线是图4 所
示的 光谱。总吸收光谱与色素带Ⅱ的吸收光谱曲线不吻合的原因是 。
(3)强光导致光抑制时，突变棉花植株比正常棉花植株光合速率下降更快的原因是 。
(4)已知Deg 蛋白酶可降解受损的D1蛋白，提高其更新速度。强光下，若抑制Deg 蛋白酶的活性，则光合
速率会受到抑制，其原因可能是 ，进而影响电子的传递，使光合速率下降。
【答案】(1) H2O/水 ③ 作为还原剂，参与暗反应阶段的化学反应，储存部分能量供暗反应
阶段利用
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(2) 叶绿素a 作用 绿叶中除了叶绿素a，还含有其他色素，也能吸收光能
(3)该突变体棉花植株缺乏类胡萝卜素，无法淬灭3chl 并清除1O2 而使叶绿体受损、缺乏类胡萝卜素导致吸
收的蓝紫光减少，影响光合作用
(4)Deg 蛋白酶的活性被抑制后，受损的D1 蛋白降解速率下降使受损的D1 蛋白积累，新合成的D1 蛋白无
法替换受损的蛋白
【分析】根据题图分析可知：图1 中①为光反应过程，②为CO2 的固定过程，③为C3 的还原过程，A 为
NADPH，B 为ATP，PSII 中的光合色素吸收光能后，将水光解为氧气和H+，同时产生的电子传递给
PSⅠ，可用于NADP+和H+结合形成NADPH，同时在ATP 酶的作用下，氢离子顺浓度梯度转运提供分子势
能，促使ADP 与Pi 反应形成ATP；图2 中Ⅰ为叶绿素b，Ⅱ为叶绿素a，Ⅲ为叶黄素，Ⅳ胡萝卜素。
【详解】（1）由图可知，类囊体膜上传递的电子的最初供体是H2O。②为CO2 的固定过程，不需要消耗
能量，③为C3 的还原过程，光合作用的暗反应阶段为CO2 被C5 固定形成C3，C3 在光反应提供的ATP 和
NADPH 的作用下还原生成糖类等有机物，所以③过程需要消耗能量。物质A 为NADPH，其作用是作为还
原剂，参与暗反应阶段的化学反应，储存部分能量供暗反应阶段利用。
（2）色素带Ⅱ为叶绿素a，作用光谱代表各种波长下植物的光合作用效率，可以通过测量不同波长相应的
O2 释放量来绘制；色素带Ⅱ为叶绿素a，总吸收光谱与叶绿素a 吸收光谱曲线不吻合，说明绿叶中除了叶
绿素a，还含有其他色素，也能吸收光能。
（3）由于类胡萝卜素可快速淬灭3chl，也可以直接清除1O2，故缺乏类胡萝卜素的突变体因无法淬灭3chl
并清除1O2 而使叶绿体受损，同时缺乏类胡萝卜素会导致光反应吸收的蓝紫光减少，所以光合速率下降。
（4）已知Deg 蛋白酶可降解受损的D1 蛋白，提高其更新速度，有利于PSⅡ正常发挥作用，强光下，若抑
制Deg 蛋白酶的活性，受损D1 蛋白降解速率下降，会使受损的D1 蛋白积累，新合成的D1 蛋白无法替换
受损的D1 蛋白，进而影响电子的传递，使光合速率下降。
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