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热点02 C3 植物、C4 植物和CAM 植物的光合作用
(情境预测+重难诠释+限时检测)
水稻、小麦等植物是C3植物，这类植物在干旱、炎热的环境下，气孔会关闭，故长期处于高温、干
燥环境中，C3植物会减产；玉米、甘蔗等植物是C4植物，体内有特殊的结构，能够适应高温、干燥环境。
右图为某C4植物的暗反应过程（包括C3途径和C4 途径）。
命题点：考查C3与C4植物的光合作用的题型往往以图形题的形式出现，图形展示了C3与C4途径，要求
考生依据图形，结合题干信息和教材内容，综合分析后进行解答。
考查光呼吸的题型会给出光呼吸的简图或较复杂的图示，考查的内容往往涉及光呼吸的过程分析、光
呼吸与细胞呼吸的区别、光呼吸与光合作用的联系等。
自然界中的绿色植物根据光合作用暗反应过程中CO2的固定途径不同可以分为C3、C4和CAM 三种类
型。
1．C3途径：也称卡尔文循环，整个循环由RuBP(C5)与CO2的羧化开始到RuBP(C5)再生结束，在叶绿体基
质中进行，可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见C3植物有大麦、小麦、大豆、菜豆、水稻、马铃薯等。
2．C4途径：研究玉米的叶片结构发现，玉米的维管束鞘细胞和叶肉细胞紧密排列(如图1)。叶肉细胞中的
叶绿体有类囊体能进行光反应，同时，CO2被整合到C4化合物中，随后C4化合物进入维管束鞘细胞，维管
束鞘细胞中没有完整的叶绿体，在维管束鞘细胞中，C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有
机物(如图2)。PEP 羧化酶被形象地称为“CO2泵”，它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植
物具有较强光合作用(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)能力，并且无光合午休现象。常见C4植物有
玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。
3．CAM 途径：CAM 植物夜间吸进CO2，淀粉经糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，在磷酸烯醇式丙酮
酸羧化酶催化下，CO2与PEP 结合，生成草酰乙酸，进一步还原为苹果酸储存在液泡中。从而表现出夜间
淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH 下降。而白天气孔关闭，苹果酸转移到细胞质中脱羧，放出CO2，进
入C3途径合成淀粉；形成的丙酮酸可以形成PEP 再还原成三碳糖，最后合成淀粉或者转移到线粒体，进一
步氧化释放CO2，又可进入C3途径。从而表现出白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液pH 上升。常见的
情境预测
重难诠释
1
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CAM 植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。
4．C3植物、C4植物和CAM 植物的比较
特征
C3植物
C4植物
CAM 植物
与CO2结合的物质
RuBP(C5)
PEP
PEP
CO2固定的最初产物
C3
C4
草酰乙酸
CO2固定的时间
白天
白天
夜晚和白天
光反应的场所
叶肉细胞类囊
体薄膜
叶肉细胞类囊体薄膜
叶肉细胞类囊体薄膜
卡尔文循环的场所
叶肉细胞的叶
绿体基质
维管束鞘细胞的叶绿
体基质
叶肉细胞的叶绿体基质
有无光合午休
有
无
无
C3途径是碳同化的基本途径，C4途径和CAM 途径都只起固定CO2的作用，最终还是通过C3途径合成有机
物。
1．（2024·全国·高三专题练习）自然界的植物丰富多样，对环境的适应各有差异，自卡尔文发现光合作用
中碳元素的行踪后，又有科学家发现碳元素行踪的其他路径。请据图回答下列问题。
限时检测 （限时30 分钟）
2
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(1)图1 是C3植物碳元素代谢途径的示意图。①、②、③、④代表的是物质，A、B、C、D 代表的是生理过
程，则①、④依次是 、 ；D 过程是 ，ATP 的合成除发生在A 过
程外，还发生在 过程。
(2)C3植物在干旱、炎热的环境中，由于气孔关闭造成 ，从而不利于光合作用。
(3)图2 是C4植物和CAM 植物利用CO2途径的示意图。据图分析，这两类植物固定CO2的酶比C3植物多一种
酶，该酶比Rubisco 对CO2的亲和力大且不与O2亲和，具有该酶的植物更能适应 的环境。
(4)由图2 可知，C4植物是在不同 进行CO2的固定，而CAM 植物是在不同 进行
CO2固定。典型的CAM 植物如仙人掌在夜晚吸收的CO2能否立即用于C3途径? （填“能”或
“不能”），可能的原因是 。
2．（2024·江西·校联考模拟预测）夏日正午的阳光强烈，沉水植物海菜花光合作用旺盛，产生大量的 O2
使水体的溶解氧处于饱和状态。此时水体中的CO2被大量消耗，会诱导海菜花启动 C4 代谢途径，过程如图
所示。在低CO2和高O2情况下，Rubisco 酶催化加氧反应，即吸收 O2产生CO2，该反应过程称为光呼吸。
回答下列问题：
(1)海菜花光反应发生的场所是 ，图中为光合作用提供原料的无机物有水分和
（答两种）等。海菜花叶肉细胞中丙酮酸产生的场所有 。
(2)在高 O2低CO2条件下，C3发生氧化并产生光呼吸的底物 ；在强光下，光反应转换的能量超过暗
3
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反应的需要时，会对细胞造成伤害，此时光呼吸可对细胞起到保护作用，原因是 。光呼吸是一
种 （填“吸能”或“放能”）反应。
(3)图中催化CO2固定的两种酶（PEPC、Rubisco）中，与 CO2 (
)亲和力较高的是 PEPC，原因是
。
(4)科研人员根据对光呼吸机理的研究，利用基因编辑技术设计了以下实验：A 组实验，即在海菜花叶绿体
中完成光呼吸全过程的替代途径，该途径乙醇酸也能降解并产生CO2; B 组实验，即在基因编辑基础上同时
利用RNA 干扰技术，降低叶绿体膜上乙醇酸转运蛋白的表达量；C 组实验为不作基因编辑。检测三种不同
类型植株的光合速率发现B 组光合速率最高，分析其原因可能是 ，进而促进光合作用过程。
3．（2024·江西·校联考模拟预测）菠菜属于C3植物，其叶肉细胞能进行光合作用。玉米属于C4植物，叶肉
细胞和维管束鞘细胞共同完成光合作用，过程如图所示，其叶肉细胞的叶绿体固定CO2的酶（PEP 羧化
酶）与CO2的亲和力强于C3植物。请回答下列问题：
(1)玉米维管束鞘细胞 （填“能”或“不能”）进行光反应，理由是 ，C3还原需要的ATP 和NADPH
来自 的叶绿体。维管束鞘细胞中丙酮酸除了来自C4的分解，还可来自 （填生理过程）。
(2) （填“菠菜”或“玉米”）更适宜种植在低浓度CO2的环境中，理由是 。
(3)若CO2供应突然减少，菠菜叶肉细胞中C3/C5的比值短时间内将 ，原因是 。
(4)玉米叶肉细胞结构完整，但不能独立进行光合作用，原因可能是 。
4．（2024 上·湖南衡阳·高三衡阳市八中校考阶段练习）图1 是在温度和CO2等其他因素均适宜的条件下测
定的玉米叶和小麦叶的总光合速率与呼吸速率的比值（P/R）与光照强度的关系，同时测定了小麦和玉米叶
肉细胞的D1 蛋白、F 蛋白及氧气释放速率的相对量，结果如下表所示（+多表示量多）。已知叶绿素a 通
常与D1 蛋白等物质结合，构成光合复合体PSⅡ（可使水发生光解）。
4
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光照强度
a
b
c
d
e
f
小麦
D1 蛋白含量
++++
++++
++++++
++++
++
+
F 蛋白含量
++++
++++
++++++
++++
++
+
氧气释放速率
++
++++
++++++
++++
++
+
玉米
D1 蛋白含量
++++
++++
+++++
+++++
++++
+++
F 蛋白含量
++++
++++
+++++
+++++
++++
+++
氧气释放速率
+
++
+++++
+++++
++++
++++
(1)用纸层析法分离光合色素，可以根据滤纸条上色素带的位置判断4 种色素在层析液中 的大小。
PSⅡ中的叶绿素a 在转化光能中起到关键作用，叶绿素a 在光能激发下失去电子，并最终从水中获取电子
使水分解产生氧气。电子在类囊体膜上形成电子流，并由电子流驱动生成NADPH 和ATP，据此分析，在光
反应过程中，能量类型的转换过程是 。
(2)结合表中信息分析，在图1 中的d 光强下，玉米叶的总光合速率 （填“大于”、“等于”或
“小于”）小麦叶的总光合速率。
(3)D1 蛋白极易受到强光破坏，被破坏的D1 蛋白降解后，空出相应的位置，新合成的DI 蛋白才能占据相应
位置，使PSⅡ得以修复。叶绿素酶（CLH）可催化叶绿素a 降解，结合态的叶绿素a 不易被降解。CLH 与F
蛋白结合后可催化被破坏的D1 蛋白的降解。结合表中信息分析，在强光下玉米叶的氧气释放速率比小麦
叶降低更慢的原因是 。
(4)玉米称为C4植物，其光合作用的暗反应过程如图2 所示，酶1 为PEP 羧化酶，可以固定低浓度的CO2形
成C4，酶2 为RuBP 羧化酶，可以固定高浓度的CO2形成C3，对低浓度的CO2没有固定能力。则酶1 固定
CO2的能力比酶2 （填“强”或“弱”）。小麦叶肉细胞没有酶1 催化生成C4的过程，称为C3
植物，其光合作用均在叶肉细胞完成。据上述信息分析，与小麦相比，玉米更适应高温、干旱环境的原因
是 。
5．（2024·山东滨州·校考模拟预测）根据光合作用中固定CO2方式，可将植物分为C3植物和C4植物等类型。
5
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一些C4植物的叶肉细胞和维管束鞘细胞都含有叶绿体，但后者叶绿体缺乏基粒，两类细胞之间有大量的胞
间连丝；叶肉细胞含磷酸烯醇式丙酮酸化酶（PEPC）。该酶具有高CO2亲和力，可在低浓度CO2条件下高
效固定CO2。
如图表示C4植物光合作用的基本反应过程，回答下列问题：
(1)C4植物的 细胞吸收转化光能，为反应②提供 。
(2)结构P 为 ，叶肉组胞和维管束鞘细胞间具有大量该结构的意义是 。
(3)综合以上信息，更适宜在高温、高光强环境中生存的是 （填“C3植物”或“C4植物”），依据
是 。
(4)植物体光合作用产物常以蔗糖形式运输，为验证光合作用产物以蔗糖的形式运输，研究人员将酵母菌蔗
糖酶基因转入植物，并将该基因表达的蔗糖酶定位在维管束鞘细胞的细胞壁上，结果发现转基因植物出现
严重的小根、小茎现象，原因是 。
6．（2024·山东潍坊·寿光现代中学校考模拟预测）玉米的叶肉细胞含有正常的叶绿体，维管束鞘细胞含有
没有基粒的叶绿体。在其进行光合作用时，CO2中的碳首先转移到有机物C4中，该过程称为C4途径。C4在
维管束鞘细胞中再释放出CO2，参与卡尔文循环。具体过程如图所示，其中PEP 酶对CO2的亲和力远大于酶
Rubisco。像玉米这样具有C4途径的植物称为C4植物，不具有C4途径的植物称为C3 植物。
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(1)C4植物中可固定CO2的物质是 ，光反应主要发生在 （填“叶肉细胞”“维管束鞘细胞”或
“叶肉细胞和维管束鞘细胞”）的叶绿体中。
(2)干旱条件下，很多植物的光合作用速率降低，主要原因是 。一般来说，C4植物与C3植物相比，
的CO2补偿点较低，原因是 。
(3)科学家以
14CO2为原料，通过放射性同位素示踪法探明了玉米光合作用过程中CO2中碳的转移途径。请推
测该科学探究的实验思路： 。
7．（2024·河南信阳·统考一模）植物的蒸腾作用对植物有重要的意义，气孔是植物蒸腾作用的主要通道。
双子叶植物表皮上的气孔由两个肾形保卫细胞构成，如图1 所示，请回答：
(1)当保卫细胞渗透压 （填“变大”或“变小”）时细胞吸水，由于较薄的细胞外壁（靠近表皮细
胞一侧）易于伸长而向外扩展，但微纤丝长度相对稳定，于是保卫细胞内壁外移，导致气孔导度
（填“变大”或“变小”）。
(2)黑藻固定CO2有两条途径（图2．1）：①CO2在核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（Rubisco）催化下直接与C5
反应生成C3；②CO2先在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）催化下与磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）反应生成C4
（四碳化合物），当C4储存到一定量时，分解释放出CO2参与暗反应。已知PEPC 对CO2亲和力是Rubisco
的几十倍。由图2．1 可知，丙酮酸转化为PEP 的过程属于 （填“吸能”或“放能”）反应。黑藻细
胞固定CO2的具体场所是 。C3的还原需要 提供能量。为了探究在低浓度CO2处理下黑藻固定
CO2途径改变的分子机制，研究人员检测了低浓度CO2处理前后黑藻体内两种PEPC 基因的表达情况，结果
如图2．2 所示。由图可知，在低浓度CO2处理下黑藻固定CO2途径改变的分子机制是 。
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8．（2024 上·福建厦门·高三厦门一中校考阶段练习）植物的叶肉细胞在光下合成糖，以淀粉的形式储存。
通常认为若持续光照，淀粉的积累量会增加。回答下列问题：
(1)叶肉细胞吸收的CO2，在 （结构）被固定形成 C3，C3接受 释放的能量，经过一系列的反
应转化为糖类，并进一步合成淀粉。
(2)科研人员给予植物48 小时持续光照，测定叶肉细胞中的淀粉量，结果如图1 所示。实验结果反映出淀
粉积累量的变化规律是
。
(3)为了解释题（2）的实验现象，研究人员提出了两种假设。
假设一：当叶肉细胞内淀粉含量达到一定值后，淀粉的合成停止。
假设二：当叶肉细胞内淀粉含量达到一定值后，淀粉的合成与降解同时存在。
为验证假设，科研人员测定了叶肉细胞的CO2 吸收量和麦芽糖（麦芽糖为淀粉降解产物）的含量，结果
如图2 所示。实验结果支持假设 ，判断依据是
。
(4)为进一步确定该假设成立，研究人员在第12h 测得叶肉细胞中的淀粉含量为a，为叶片光合作用通入仅
含
13C 标记的
13CO24h，在第16h 测得叶肉细胞中淀粉总量为b，
13C 标记的淀粉含量为c．若淀粉量a、b、c
关系满足 （用关系式表示），则该假设成立。
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