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尖子生突破03 C3、C4、景天科植物在光合作用上的区别
应用一：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、菜豆、水稻、马铃薯等。
应用二：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。
应用三：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CAM 植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。
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一、单选题
1．光合作用的碳反应（暗反应）是卡尔文应用14C 示踪的方法发现的，也叫卡尔文循环，主要包
括三个阶段：羧化（CO2 固定），还原和RuBP（五碳化合物）再生。下列相关叙述错误的是（
）
A．羧化阶段参与固定CO2 的是RuBP，产物是1 分子3-磷酸甘油酸
B．还原阶段需要消耗光反应阶段产生的ATP 和NADPH，并储存能量
C．再生阶段产生RuBP，能够保证卡尔文循环的持续进行
D．在还原阶段产生的一部分储能物质经过一系列反应生成（CH2O）
2．叶绿体是卡尔文循环的场所，CO2 经过固定可产生三碳糖，三碳糖一部分在叶绿体基质经过一
系列变化转变成淀粉，另一部分通过转运器转运到细胞质基质，在细胞质基质中转变成蔗糖，同
时释放出Pi，转运器每运出一个三碳糖需运进一个Pi 作为交换。下列相关叙述错误的是（
）
A．卡尔文循环需光反应提供ATP 和NADPH
B．若光照突然停止，则短时间内三碳糖含量增加
C．叶绿体中淀粉的积累会导致卡尔文循环速率变慢
D．若合成三碳糖的速率超过Pi 运进叶绿体的速率，则淀粉合成量减少
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3．淀粉和蔗糖均为小麦光合作用的产物，两者合成过程中均需利用磷酸丙糖作为原料，磷酸转运
器（TPT）能将卡尔文循环中产生的磷酸丙糖不断运出叶绿体，同时将等分子数的磷酸（Pi）反向
运回叶绿体基质，具体过程如下图所示。下列说法正确的是（ ）
A．CO2 的供应量不变，突然降低光照强度，磷酸丙糖含量减少，C3 含量增加
B．NADPH 和ATP 分别为C3 还原提供还原剂和能量
C．若使用TPT 专一抑制剂处理小麦叶片，则叶绿体中淀粉合成量持续增加
D．若将离体叶绿体悬浮于Pi 浓度较低的培养液中，则细胞质基质中蔗糖合成量增加
4．如图为某种植物相关细胞代谢途径示意图，下列叙述正确的是（ ）
A．CO2 与叶绿体基质中的C5 结合形成C3，属于卡尔文循环的C3 还原过程
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B．图示中三羧酸循环过程可能与有氧呼吸第二阶段的物质和能量转变有关
C．图示中所有C3 接受ATP 释放的能量，在酶作用下结合NADPH 转变成为糖类
D．光合色素捕获光能后，将水分解为氧气和氢气，并转变为ATP 和NADPH
5．光合作用的卡尔文循环可分为羧化、还原和再生3 个阶段，如下图所示。下列有关说法错误的
是（ ）
A．RuBP 是一种五碳化合物
B．图中羧化表示CO2 的固定过程
C．CO2 浓度突然降低，PGA/RuBP 的值减小
D．卡尔文循环的3 个阶段均直接受光反应影响
6．根据光合作用中CO2 的固定方式不同，可将植物分为C3 植物和C4 植物等类型。在适宜温度、
水分和一定的光照强度下，测得两类植物CO2 的吸收速率随大气CO2 浓度变化的情况，绘制成如
图所示的曲线（CO2 补偿点时的光合速率与呼吸速率相等）。下列有关叙述正确的是（
）
A．在大气CO2 浓度达到补偿点后，C3 植物和C4 植物开始进行光合作用
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B．在大气CO2 浓度达到饱和点后，限制C4 植物光合速率的主要环境因素是光照强度
C．图中两条曲线的交叉点代表此时C3 植物和C4 植物光合作用制造的有机物一样多
D．干旱会导致气孔开度减小，在同等程度干旱条件下，C3 植物比C4 植物生长得会更好
7．玉米叶肉细胞中的叶绿体较小数目也少但叶绿体内有基粒；相邻的维管束鞘细胞中叶绿体较大
数目较多但叶绿体内没有基粒。玉米细胞除C3 途径外还有另一条固定CO2 的途径，简称C4 途径
如下图。研究发现，C4 植物中PEP 羧化酶对CO2 的亲和力约是Rubisco 酶的60 倍。下列有关叙述
错误的是（ ）
A．维管束鞘细胞中光合作用所利用的CO2 都是C4 分解释放的
B．若叶肉细胞中光合作用速率大于细胞呼吸速率，植物的干重不一定增加
C．玉米的有机物是在维管束鞘细胞通过C3 途径合成的
D．干旱条件下C3 途径植物光合速率比C4 途径植物小
8．落地生根、仙人掌等景天酸代谢植物的叶片，晚上气孔开放，在细胞质基质中的PEP 羧化酶作
用下，CO2 与PEP 结合形成OAA（草酰乙酸），进一步还原为苹果酸积累在液泡中；白天气孔关闭，
苹果酸转运出液泡后在NADP-苹果酸酶作用下氧化脱羧放出CO2 进行光合作用。下列相关分析正
确的是（ ）
A．景天酸代谢植物主要在夜间进行光合作用的暗反应阶段
B．景天酸代谢植物固定CO2 的场所有细胞质基质和叶绿体基质
C．景天酸代谢植物细胞液的pH 在夜间逐渐升高、白天逐渐降低
D．景天酸代谢途径是植物定向变异的结果，是植物适应干旱的特征之一
9．研究表明石斛多糖是石斛的主要药效成分之一，具有抗炎、抗氧化和增强免疫功能的作用，而
多糖的合成离不开光合作用。石斛夜晚打开气孔吸收CO2，并将其转化为苹果酸储存于液泡，白
天气孔关闭无法与外界进行气体交换，但可利用苹果酸分解产生的CO2 进行光合作用合成多糖，
这种光合作用途径被称为景天酸代谢。以下说法错误的是（ ）
A．夜晚石斛液泡中的pH 将下降
B．从CO2 的固定到糖类的生成还需经历C3 的还原
C．白天石斛进行光合作用时，参与卡尔文循环的CO2 均来自苹果酸分解
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D．景天酸代谢途径有利于提高植物对干旱环境的适应性
10．光照条件下，给C3 植物和C4 植物叶片提供14CO2，然后检测叶片中的14C。下列有关检测结
果的叙述，错误的是
A．从C3 植物的淀粉和C4 植物的葡萄糖中可检测到14C
B．在C3 植物和C4 植物呼吸过程产生的中间产物中可检测到14C
C．随光照强度增加，从C4 植物叶片中可检测到含14C 的C4 大量积累
D．在C3 植物叶肉组织和C4 植物维管束鞘的C3 中可检测到14C
二、多选题
11．关于C4 植物和CAM 植物光合特征的描述，下列错误的是：（ ）
A．都能进行卡尔文循环
B．叶肉细胞中Rubisco 活性高
C．羧化酶相同D．都在叶肉细胞中还原CO2
12．景天酸代谢（CAM）途径属于某些植物特有
的CO2 固定方式：夜晚气孔开放，通过一系列反
应将CO2 固定于苹果酸，并储存在液泡中（甲）；
白天气孔关闭，苹果酸运出液泡后放出CO2，供
叶绿体的暗反应（乙）。下列关于这类植物的叙
述正确的是（ ）
A．在夜晚，叶肉细胞能产生ATP 的细胞器只有
线粒体
B．景天酸代谢途径的出现，可能与植物适应干旱条件有关
C．给植物提供14C 标记的14CO2，14C 可以出现在OAA、苹果酸、C3 和有机物中
D．在上午某一时刻，突然降低外界的CO2 浓度，叶肉细胞中C3 的含量短时间内不变
三、综合题
13．光合作用的暗反应过程被称为碳同化。植物在长期进化过程中逐渐形成了多种碳同化途径。
如图1 所示，玉米、甘蔗等C4 植物，长期生活在热带地区，其PEP 羧化酶与CO2 有强亲和力，可
以将环境中低浓度的CO2 固定下来，集中到维管束鞘细胞。而景天科等CAM（景天酸代谢）植物，
长期生活在干旱或半干旱环境中，它们在夜晚捕获CO2，然后转变成苹果酸储存在液泡中，白天
气孔关闭，苹果酸脱羧释放CO2 用于卡尔文循环。
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(1)在显微镜下观察玉米叶片结构发现，叶肉细胞包围在维管束鞘细胞四周，形成花环状结构。维
管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，推测其可能缺少______（填“基粒”或“基质”）结构。CAM
植物叶肉细胞液泡的pH 夜晚比白天要______（填“高”或“低”）。
(2)蝴蝶兰因其花姿优美、花色艳丽成为国际花卉市场最受欢迎的兰花之一，被誉为“兰花皇后”。
图2 为蝴蝶兰叶片净CO2 吸收速率和有机酸含量的昼夜变化。据图2 推测，蝴蝶兰______（填
“存在”或“不存在”）CAM 途径，判断依据是______。
(3)Rubisco 酶是卡尔文循环中催化CO2 固定的酶。Rubisco 酶对CO2 和O2 都有亲和力，在光照条
件下，当CO2/O2 比值高时，Rubisco 酶可催化C5 固定CO2 合成有机物，当CO2/O2 比值低时，
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Rubisco 酶可催化C5 结合O2 发生氧化分解，消耗有机物，此过程称为光呼吸，它会导致光合效率
下降。有人认为，景天酸代谢（CAM）途径是景天科植物长期进化得到的一种可以抑制光呼吸的碳
浓缩机制。你认为这种说法______（填“合理”或“不合理”），理由是______。
(4)科学研究发现：Rubisco 酶是一种双功能酶，在较强光照下，它既催化C5 与CO2 的羧化反应进
行光合作用，同时又催化C5 的加氧反应进行光呼吸，羧化和加氧反应的相对速率完全取决于CO2
与O2 的相对浓度。
为探究光呼吸的产物与场所，某研究团队利用同位素标记法设计了如下实验，验证上述图示过程
光呼吸的终产物和场所，请简要补全实验思路和预期实验结果。
①甲组：将小麦叶肉细胞置于光照较强和C18O2 浓度较高的环境中培养一段时间后，检测18O 出
现的场所及物质；
乙组：______。
②预期实验结果：
甲组中的______；
乙组中的______。
14．植物在进化过程中形成了下列几种常见的光合作用模式。请回答下列相关问题：
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（1） 据图分析，C3 途径、C4 途径和景天酸代谢途径反应过程既有共同点，也有差异。三者都能
在暗反应过程中将CO2 固定为________化合物，并利用____________（场所）产生____________
中的化学能，合成糖类等有机物。
（2） 比较模式二和模式三途径，CO2 的固定次数分别为________次，其中模式三途径CO2 固定
的场所是____________________。
（3） RUBP 羧化酶和PEP 羧化酶分别是C3 途径和C4 途径固定CO2 的两种关键酶。RUBP 羧化酶是
一种双功能酶，既能固定CO2，又能催化C5 与O2 结合发生氧化分解。催化方向取决于CO2 和O2
的浓度，推测当O2 与CO2 的比值________（填“高”或“低”）时有利于光合作用而降低光呼吸。
玉米作为C4 植物，中午不会出现光合作用“午休”现象，其原因是________。
（4） 仙人掌以其特有的光合作用模式适应沙漠环境，是长期________的结果，根据仙人掌生活
的环境特点推断其光合作用的模式为模式________（填“一”“二”或“三”）。判断理由是
______________________________。
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