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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 。
【答案】(1) 氧气 C5 有氧呼吸二、三阶段 CD/DC
(2)CO2不能进入叶片，同时引起O2在细胞内积累
(3) PEP 羧化 低CO2浓度
(4) 细胞 时间 不能 没有光照光反应不能正常进行，无法为暗反应提供足够ATP 和[H]
（NADPH）
【分析】光合作用过程极为复杂，包括许多化学反应，根据是否需要光能参与，光合作用过程分为两个阶
段。
1、光反应阶段：必须有光能才能进行，在叶绿体内的类囊体结构上进行的。完成两个转变：（1）水分子
分解成氧和氢，氧直接以分子形式释放，氢则被传递到叶绿体内的基质中。实现了光能向活跃化学能转变，
即生成还原氢。（2）在有关酶的催化下，促成ADP 与Pi 发生反应形成ATP。实现了光能的转换，能量储
存在ATP 中可被各种代谢过程利用。能量：光能一部分储存在ATP 和还原氢中，一部分以热能散失物质：
水分解为氧气、还原态氢。
2、暗反应阶段：没有光能也可以进行，在叶绿体基质中进行。（1）场所：类囊体膜上（2）过程：第一
步：二氧化碳的固定： 从外界吸收的二氧化碳，与一种含有五个碳的化合物结合。第二步：三碳化合物
3
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的还原CO2被固定后，形成两个含有三个碳原子的化合物，在酶的催化作用下，一些接受ATP 释放出的能
量并且被氢［H］还原。
【详解】（1）图1 是C3植物碳元素代谢途径的示意图。A 表示光反应阶段、B 表示暗反应阶段、C 表示呼
吸作用第一阶段、D 代表的是有氧呼吸的第二阶段和第三阶段，该过程发生的场所是线粒体。①是O2、②
是NADPH、③ADP、Pi、④代表的是C5，ATP 的合成除发生在A 过程外，还发生在有氧呼吸的三个阶段，
即CD 过程。
（2）在干旱、炎热的环境中，C3植物由于气孔关闭，造成CO2不能进入叶片，同时引起O2在细胞内积累，
抑制光反应和暗反应的进行，从而不利于光合作用。
（3）据图2 分析，C4植物植物固定CO2的酶比C3植物多一种PEP 羧化酶，CAM 植物固定CO2的酶比C3植物
也多一种PEP 羧化酶。该酶比Rubisco 对CO2的亲和力大，所以具有该酶的植物更能适应CO2浓度较低的环
境。
（4）由图2 可知，C4植物是在叶肉细胞的细胞质基质和维管束鞘细胞的叶绿体中进行CO2的固定的，故C4
植物是在不同细胞中进行CO2的固定；而CAM 植物是晚上在叶肉细胞的细胞质基质进行CO2固定，白天在
叶肉细胞叶绿体中进行CO2固定的，所以CAM 植物是在不同时间进行CO2固定。典型的CAM 植物如仙人掌
在夜晚吸收的CO2不能立即用于C3途径，可能的原因是没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提
供足够ATP 和[H] （NADPH）进行C3化合物的还原过程。
【点睛】本题重点考查植物的光合作用的过程。难点是通过图示信息对比不同植物的光合作用固定CO2的
区别。
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
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。
4
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(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。
【答案】(1) （叶绿体）类囊体薄膜 CO2、
叶绿体基质和细胞质基质
(2) 乙醇酸 光呼吸可消耗过剩的能量ATP 和NADPH 吸能
(3)与Rubisco 相比，PEPC 能固定和利用较低浓度的CO2
(4)乙醇酸转运蛋白减少，使叶绿体内乙醇酸浓度升高，乙醇酸降解产生大量CO2，用于暗反应；基因编辑
后降解乙醇酸产生CO2的速率更快，效率更高等
【分析】根据暗反应过程分析可知，二氧化碳与五碳化合物生成三碳化合物的过程不需要消耗光反应产生
的ATP，而三碳化合物的还原需要。
【详解】（1）光反应发生的场所是（叶绿体）类囊体薄膜，图示中光合作用提供原料的无机物有水分和
CO2、HCO3
−。海菜花叶肉细胞中丙酮酸产生的场所有叶绿体基质和细胞质基质。
（2）在高 O2低CO2条件下，C3发生氧化并产生光呼吸的底物乙醇酸，光呼吸可消耗过剩的能量ATP 和
NADPH，因此光呼吸可对细胞起到保护作用，说明光呼吸是一种吸能反应。
（3）与Rubisco 相比，PEPC 能固定和利用较低浓度的CO2，因此与PEPC 对CO2 (HCO3
- )亲和力较高。
（4）由于乙醇酸转运蛋白减少，使叶绿体内乙醇酸浓度升高，乙醇酸降解产生大量CO2，用于暗反应；基
因编辑后降解乙醇酸产生CO2的速率更快，效率更高等原因进而促进光合作用过程，导致B 组光合速率最
高，
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 。
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(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 。
【答案】(1) 不能 玉米维管束鞘细胞无基粒（或无类囊体） 叶肉细胞 细胞呼吸
(2) 玉米 玉米叶肉细胞中PEP 羧化酶与CO2的亲和力强，能利用较低浓度的CO2
(3) 减小 CO2供应突然减少，CO2的固定减弱，C5的消耗和C3的生成减少
(4)缺少暗反应相关的酶
【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NADPH 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NADPH 的作用下还原生成有机物。
【详解】（1）由题图可知，玉米维管束鞘细胞的叶绿体没有基粒（类囊体），而光反应所需的光合色素
和酶位于类囊体，故玉米维管束鞘细胞不能进行光反应。C3还原需要的ATP 和NADPH 来自光反应，据图分
析可知叶肉细胞的叶绿体含有类囊体，能进行光反应，故C3还原需要的ATP 和NADPH 来自叶肉细胞的叶绿
体。图中C4可分解成丙酮酸，细胞呼吸第一阶段葡萄糖在酶的催化下也能产生丙酮酸。
（2）菠菜属于C3植物，与C3植物相比，C4植物如玉米的叶肉细胞中的PEP 羧化酶对CO2具有更强的亲和
力，可以把大气中浓度很低的CO2固定下来，并集中到维管束鞘细胞内的叶绿体中被利用，提高光合作用
效率，可见与菠菜相比，玉米适宜种植在CO2浓度低的环境中。
（3）CO2是暗反应的原料，若CO2供应突然减少，则CO2的固定减弱，C5的消耗减少、C3的生成减少，菠菜叶
肉细胞中短时间内C5的含量增加、C3的含量减少，C3/C5的比值将减小。
（4）玉米叶肉细胞结构完整，虽然含有类囊体，但不含Rubisco，缺少暗反应相关的酶，故不能独立进行
光合作用。
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）。
光照强度
a
b
c
d
e
f
小麦
D1 蛋白含量
++++
++++
++++++
++++
++
+
F 蛋白含量
++++
++++
++++++
++++
++
+
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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 。
【答案】(1) 溶解度 光能→电能→化学能
(2)大于
(3)强光下，玉米叶比小麦叶含有更多的CLH 和F，二者结合后能及时将被破坏的D1 蛋白降解，使PSⅡ更
快恢复；玉米结合态的叶绿素a 分子比小麦减少慢，水光解速率降低慢
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(4) 强 高温、干旱条件下，气孔部分关闭，叶片内CO2浓度低；玉米和小麦相比含有酶1，可以
固定低浓度的CO2，正常进行暗反应（光合作用）。
【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）用纸层析法分离色素的原理是各色素随层析液在滤纸上扩散速度不同，从而分离色素。溶
解度大，扩散速度快；溶解度小，扩散速度慢。故可以根据滤纸条上色素带的位置判断4 种色素在层析液
中溶解度的大小。
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，该过程中将光能转化为电能，通过光合电子传递链，电能最终转化为 ATP 和NADPH 中的化学能，因
此，在光反应过程中，能量类型的转换过程是光能→电能→化学能。
（2）结合表中信息分析，在图1 中的d 光强下，玉米的氧气释放速率大于小麦的氧气释放速率，说明玉米
的净光合速率大于小麦叶的净光合速率，在d 光照强度下，玉米的总光合速率与呼吸速率的比值=小麦的
总光合速率与呼吸速率的比值，已知总光合速率=净光合速率+呼吸速率，可得方程式（玉米的净光合速率
+玉米的呼吸速率）/玉米的呼吸速率=（小麦的净光合速率+小麦的呼吸速率）/小麦的呼吸速率，可转化为
玉米的净光合速率/玉米的呼吸速率=小麦的净光合速率/小麦的呼吸速率，已知玉米的净光合速率大于小麦
叶的净光合速率，说明玉米的呼吸速率也大于小麦的呼吸速率，故玉米叶的总光合速率大于小麦叶的总光
合速率。
（3）在强光下，玉米中的D1 蛋白含量高于小麦，叶绿素a 通常与D1 蛋白等物质结合，构成光合复合体
PSⅡ，光合复合体PSⅡ可使水发生光解产生氧气。且玉米叶比小麦叶含有更多的CLH 和F 蛋白，二者结合
后能及时将被破坏的D1 蛋白降解，使PSⅡ更快恢复；玉米结合态的叶绿素a 分子比小麦减少慢，水光解
速率降低慢。
（4）酶1 可以固定低浓度的CO2形成C4，酶2 对低浓度的CO2没有固定能力，因此酶1 固定CO2的能力比
酶2 强。
小麦叶肉细胞没有酶1 催化生成C4的过程，高温、干旱条件下，气孔部分关闭，叶片内CO2浓度低，玉米
和小麦相比含有酶1，可以固定低浓度的CO2，正常进行暗反应（光合作用），因此与小麦相比，玉米更适
应高温、干旱环境。
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。
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
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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 。
【答案】(1) 叶肉细胞 NADPH 和ATP
(2) 胞间连丝 提高物质运输效率
(3) C4植物 温度过高、蒸腾作用过强导致气孔导度减小，C4植物细胞中的PEPC 具有高CO2亲和力，
能固定叶肉细胞中低浓度CO2，维持维管束鞘细胞叶绿体中的高浓度CO2，因此C4植物更适宜在高温、高
光强环境中生存
(4)维管束细胞壁上的蔗糖酶水解蔗糖，导致进入韧皮部的蔗糖减少，根和茎得到的糖不足，生长缓慢
【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
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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）C4植物的维管束鞘细胞缺乏基粒，而叶肉细胞中含有基粒，基粒上（类囊体薄膜）的光合
色素能够吸收转化光能；反应①是二氧化碳的固定，反应②是C3的还原，光反应能为C3的还原提供
NADPH 和ATP。
（2）由题意可知“叶肉细胞和维管束鞘细胞之间有大量的胞间连丝”，叶肉细胞产生的苹果酸通过P（胞
间连丝）进入维管束鞘细胞，胞间连丝能提高物质运输效率。
（3）在高温、高光强环境中，温度过高、蒸腾作用过强导致气孔导度减小，C4植物细胞中的PEPC 具有高
CO2亲和力，能固定叶肉细胞中低浓度CO2，维持维管束鞘细胞叶绿体中的高浓度CO2，因此C4植物更适宜
在高温、高光强环境中生存。
（4）将酵母菌蔗糖酶基因转入植物，并降低定位在维管束鞘细胞的细胞壁上，维管束细胞壁上的蔗糖酶
水解蔗糖，导致进入韧皮部的蔗糖减少，根和茎得到的糖不足，生长缓慢，从而导致转基因植物出现严重
的小根、小茎现象。
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。
(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： 。
【答案】(1) PEP 和C5化合物 叶肉细胞
(2) 叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少 C4
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C4植物的CO2先被PEP 羧化酶催化固定成C4，C4释放出CO2用于卡尔文循环，因此C4植物在较低浓度
的CO2条件下，也可以吸收并利用CO2进行光合作用，而C3植物在低浓度的CO2条件下不能生长
(3)利用
14CO2为原料培养玉米，培养一段时间后，检测含
14C 的物质，若含
14C 的物质不止一种，则需要缩
短反应时间，直至反应中只出现一种
14C 的物质，即为CO2中碳转移形成的第一种化合物，然后在依次延长
反应时间，检测出形成的第二种化合物，第三种化合物等，从而探明玉米光合作用过程中CO2中碳的转移
途径
【分析】C4植物进行光含作用的过程，在叶肉细胞中PEP 将CO2固定生成C4，C4在维管束鞘细胞中再释放
出CO2，参与卡尔文循环并生成有机物。
【详解】（1）据图可知，C4植物在叶肉细胞内PEP 在PEP 酶的催化下可固定CO2形成C4，在维管束鞘细胞
的叶绿体内可被C5固定形成C3。因此C4植物中可固定CO2的物质是PEP 和C5。由于维管束鞘细胞含有没有
基粒的叶绿体，故不能吸收光能进行光反应，因此光反应主要发生在含有正常叶绿体的叶肉细胞内。
（2）在干旱条件下，植物为了减少水分的散失，会将叶片气孔开放程度降低，导致CO2的吸收量减少，因
此光合作用速率降低。由于C4途径固定CO2的酶比C3途径固定CO2的酶对CO2的亲和力高很多，说明其固
定CO2能力较强，因此在较低浓度的CO2条件下可以达到补偿点，所以CO2补偿点较低的是C4植物。
（3）放射性同位素标记法是利用放射性元素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，即把放射
性同位素的原子参到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放
射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的，以研究生物相应的生理过程。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。该实验的思路应与卡尔文
研究暗反应的思路基本一致：即用放射性
14CO2为原料培养玉米，反应一段时间，检测含有
14C 的化合物，
若含有
14C 的化合物不止一种，则需要缩短反应时间，直至检测到的
14C 的化合物只有一种，说明这是CO2
转化过程中形成的第一种化合物，然后在依次延长反应时间，检测出形成的第二种化合物，第三种化合物
等，通过该方法，可检测出CO2中的碳的转移路径。
【点睛】本题考查C3植物和C4植物光合作用的过程，意在考查考生获取信息的能力。
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
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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 。
【答案】(1) 变大 变大
(2) 吸能 细胞质基质、叶绿体基质 ATP、NADPH
低浓度CO2处理后，促进PEPC2 基因大量表达，合成丙酮酸羧化酶(PEPC)，催化CO2与磷酸烯醇式丙
酮酸(PEP)反应生成C4(四碳化合物)，从而改变固定CO2的途径。
【分析】1、蒸腾作用是水分从活的植物体表面（主要是叶子）以水蒸气状态散失到大气中的过程，是与
物理学的蒸发过程不同，蒸腾作用不仅受外界环境条件的影响，而且还受植物本身的调节和控制，因此它
是一种复杂的生理过程。其主要过程为：土壤中的水分→根毛→根内导管→茎内导管→叶内导管→气孔→
大气，植物幼小时，暴露在空气中的全部表面都能蒸腾。
2、题图保卫细胞是指植物茎、叶等的表皮上具有叶绿体而通常作半月形的两个相邻的细胞。保卫细胞间
的空隙就是气孔。保卫细胞的膨压随着进行光合作用的强度和所形成的碳水化合物的多少而有增减，也就
影响气孔开闭的大小。当细胞膨压增高时，壁薄处向外伸展，壁厚处却很少伸张，整个细胞成相对弯曲状，
两个细胞之间就出现椭圆形的裂口，这时气孔张开；膨压下降时，细胞收缩，厚壁靠紧，气孔就闭合；保
卫细胞的构造、形状、数量、排列和位置，随植物种类和生活环境而异。
3、分析图2.1 ：丙酮酸转化为PEP 的过程需要ATP 水解提供能量；黑藻细胞固定CO2的途径包括：CO2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的途径，以及CO2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。
【详解】（1）溶液的渗透压是指溶液中溶质微粒对水的吸引力，渗透压的大小取决于单位体积中溶质微
粒的数目。即溶液渗透压越大，吸水能力越强，故当保卫细胞渗透压变大时细胞吸水。气孔导度是指气孔
张开的程度；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，气孔张开，导致气孔导度变大。
（2）图2.1 中丙酮酸转化为PEP 的过程需要ATP 水解提供能量，即丙酮酸转化为PEP 的过程属于吸能反应；
在图2.1 中看出：黑藻细胞固定CO2的具体场所包括细胞质基质（CO2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的途径)，以及叶绿体基质（CO2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）；C3的还原需要需要光反应产生的ATP 和NADPH 提供能量。
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分析图2.2：低浓度CO2处理后，PEPC2 基因表达的相对含量大幅度提升，而PEPC1 基因的表达相对含量甚
至略有减少，故低浓度CO2处理后，促进PEPC2 基因大量表达，合成丙酮酸羧化酶(PEPC)，催化CO2与磷酸
烯醇式丙酮酸(PEP)反应生成C4(四碳化合物)，从而改变固定CO2的途径。
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。
【答案】(1) 叶绿体基质 NADPH、ATP
(2)最初一段时间内，淀粉的累积量随持续光照时间增加而逐渐增加，之后几乎不增加
(3) 二 实验结果显示，叶肉细胞持续（或并未停止）吸收CO2，淀粉降解量快速增加（麦芽糖的
含量快速增加），说明淀粉的合成和降解同时存在
(4) b-a<c 或b<a+c
【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；
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）CO2的固定是发生在叶绿体基质的暗反应过程，暗反应中C3接受NADPH 和ATP 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）根据图1 可知，最初一段时间内，淀粉积累量随着持续光照时间的推移而逐渐增加，之后几乎不增加。
（3）根据图2，在12h 后叶肉细胞的CO2吸收量保持在为50μmol·g﹣1左右，说明植物还在继续留用二氧化
碳进行光合作用合成淀粉，而麦芽糖含量持续上升，说明淀粉有降解，则符合假设二“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”的说法。
（4）a 为初始的淀粉量，则b－a 为这4 小时淀粉的积累量，若积累量小于这四小时内淀粉合成总量c，即
b-a<c，则说明一部分淀粉被分解，假设二成立。
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