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重难题型02 C3植物、C4植物和CAM 植物的光合作用
目录
1.命题趋势：明考情知方向
2.重难诠释：知重难、攻薄弱
3.创新情境练：知情境、练突破（10min 限时练)
4.限时提升练：综合能力提升（30min 限时练）
考点
三年考情分析
2025 考向预测
C3植物、C4植物
和CAM 植物的光
合作用
2024·湖南卷，17；
2024·浙江6 月选考，13、23；
2024·河北卷，19；
2024·广东卷，20；
2024·湖北卷，21；
2024·浙江1 月选考，20；
2023·湖南卷，14；
2022·浙江1 月选考，27
1.考点预测：考查C3植物、径C4植物、 CAM
植物等的光合作用。
2.考法预测：题目情境的呈现或是文字描述，或
是图表展示。该命题点的试题情境多样，以下两
种居多：一是当代科学家所做的一种或多种环境
因素影响光合作用速率的实验数据表或坐标曲线
图，二是大学教材中光合作用过程的文字或图
解、光呼吸、C3途径、C4途径和CAM 途径等。
重难点核心背记
光合作用固定CO2的途径除了卡尔文循环以外，还有C4途径和景天酸代谢(CAM)途径等；植物除了细
胞呼吸(暗呼吸)外，还有光呼吸。近几年的高考试题更多的围绕C4植物、光呼吸等特殊过程进行考查。
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植物
1
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【名师解读】
C
①
4植物叶肉细胞的叶绿体有类囊体能进行光反应，而维管束鞘细胞没有完整的叶绿体。所以C4植物光反
应发生在叶肉细胞的叶绿体类囊体薄膜上，而CO2固定发生在叶肉细胞的细胞质基质和维管束鞘细胞的叶
绿体基质中。
②用14C 标记CO2追踪C4植物碳原子的转移途径为：CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)。
C
③
4植物PEP 羧化酶对CO2具有高亲和力，当外界环境干旱导致植物气孔导度减小时，C4植物就能利用细
胞间隙低浓度的CO2继续生长，而C3植物则不能。故在干旱环境中，C4植物比C3植物生长得好。
3.景天科植物
【名师解读】
①仙人掌、菠萝和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用。这类植物特别适合于炎热干旱地区，其特点
是气孔夜间开放，吸收并固定CO2，形成以苹果酸为主的有机酸，储存于液泡中；白天时气孔关闭，不吸
收CO2，但同时却通过卡尔文循环将从苹果酸中释放的CO2还原为糖，该机制也称CAM 途径。
②从进化角度看，这种气孔开闭特点的形成是自然选择的结果。但夜晚该类植物不能合成葡萄糖，原因是
没有光反应为暗反应提供ATP 和NADPH。
③如果白天适当提高CO2浓度，景天科植物的光合作用速率基本不变。
④分析图中信息推测，CAM 途径是对干旱环境的适应；该途径除维持光合作用外，对植物的生理意义还
表现在有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成水分过多散失。
2
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（建议用时：10 分钟）
创新情境 联系生活
1．玉米是一种C4 植物，下图表示玉米的叶肉细胞和维管束鞘细胞（叶绿体无基粒）中部分物质代谢过程，
其中Rubisco 和PEPC 代表参与代谢的酶。请回答下列问题：
(1)据图可知，玉米叶片光反应发生在 的叶绿体中，固定CO2的场所有 和 。
(2)图中参与卡尔文循环的CO2来自 等过程，丙糖磷酸的去处有：在叶绿体中合成淀粉， 。
玉米叶肉细胞包围在维管束鞘细胞四周，形成花环状结构，有助于维管束鞘细胞散失的CO2再次被
捕获。
(3)Rubisco 是暗反应中的关键酶，其活性受到Rubisco 活化酶（RCA）的调节。但玉米的RCA 基因的表达水
平低于C3 植物水稻。研究人员在玉米植株中过表达水稻的RCA（OsRCA）基因，以期提高玉米的Rubisco
活性，请完成下表。
实验目的
实验步骤
克隆OsRCA 基因
提取水稻叶片总RNA，逆转录获得cDNA 作为模板进行PCR
转基因玉米植株的获得
利用① 法将目的基因导入玉米细胞中，获得转基因玉
米植株。
目的基因导入的检测
对WT 和转基因植株叶片的DNA 进行② 检测
③ 的检测
采用实时荧光定量PCR（RNA 检测技术）和Western-Blot（蛋
白质检测技术）对转基因植株叶片作进一步检测
3
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Rubisco 活力的检测
称取0.1g 鲜叶置于研钵中，加入1mL 提取液进行研磨，离心
后取④ （填“上清液”或“沉淀物”）进行Rubisco
酶活力检测
光合特性的检测
进行WT 和转基因植株的⑤ （填“真”或“净”）光合速
率、气孔导度、胞间CO2浓度的测定
2．研究表明，金钗石斛有较强的抗干旱能力，在水分充足、环境条件适宜的情况下，主要通过卡尔文循
环固定CO2.当金钗石斛面对干旱等逆境胁迫时会逐渐转变为CAM 途径（景天酸代谢途径）植物。请回答下
列问题：
(1)适宜条件下，金钗石斛叶肉细胞中进行卡尔文循环的场所是 。该过程所固定的CO2来自于 。
(2)图1 是金钗石斛响应干旱胁迫的机制，暗期气孔打开，CO2通过气孔进入细胞，此时金钗石斛
（填“能”或“不能”）将CO2转化为糖类，原因是： 。
(3)科研人员研究了金钗石斛在不同供水条件下的光合特性，结果如表1 所示。在干旱胁迫时，推测
（植物激素）的含量上升，气孔导度逐渐下降，直到基本关闭。结合图1 和表1 分析，随干旱时间延长，
胞间CO2浓度下降不明显的原因是 。
表1 上午10 时测定不同供水条件下金钗石斛的光合作用指标
净光合速率
（μmol·m2·s-1）
气孔导度
（mmol·m2·s-1）
蒸腾作用
（mmol·m2·s-1）
胞间CO2
（mmol·mol-1）
充分供水
1.4
0.023
0.6
300.2
干旱20 天
0.88
0.01
0.22
289.3
干旱40 天
0.19
0.002
0.08
277.5
(4)干旱40 天时，金钗石斛气孔随光暗条件发生周期性关闭和开放，对于植物适应干旱环境的意义是
。
4
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（建议用时：30 分钟）
1．（24-25 高三上·山东·期末）植物为适应不同的环境，进化出不同的光合作用模式。回答下列问题。
(1)生活在干旱地区的有些兰科植物（如T．jap）有叶片，可通过CAM 途径进行光合作用。CAM 途径如图1
所示。
夜间气孔开放，CO2进入叶肉细胞后，最终以苹果酸的形式储存在 （细胞结构）中。白天苹果酸分解
释放出CO2，CO2在 中与C5结合形成C3，其中一部分C3接受 释放的能量，经一系列反应转化为
糖类。
(2)另一些兰科植物（如T．aph）无叶片，依赖气生根进行光合作用。欲探究T．aph 的气生根是否通过
CAM 途径进行光合作用，研究人员用¹⁴ C 标记CO2，分别检测了两种兰白天和夜晚的放射性强度，结果如
图2 所示。
结果显示，T．jap 白天和夜晚固定CO2的特点是 ，T．aph 固定CO2的特点是依赖根进行CO2的固定，
夜间的固定量大于白天。
(3)研究人员进一步检测了两种兰黎明和黄昏时叶肉细胞中苹果酸的含量，结果如图3。研究人员推测T．
aph 的气生根中可能也有CAM 途径，判断依据是 。
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(4)除通过检测苹果酸外，还可从其他角度验证T．aph 的气生根中有CAM 途径。写出验证的思路
（答出1 条即可）。
2．（24-25 高三上·天津西青·期末）龙舌草是水鳖科沉水植物，其生长发育受到水体中无机碳浓度、光照
强度等因素的影响。科研人员根据研究成果建构了假设模型，如下图。请回答下列问题。
(1)龙舌草优先利用水体中溶解的CO2，当水体中CO2充足的情况下，CO2会扩散到叶绿体B 被固定为 ，
该物质被还原时需要光反应提供 （物质）。
(2)低CO2条件下，龙舌草主要通过PEPC 进行无机碳固定（C4途径），此过程固定无机碳的最初产物是
。产生的Mal 在夜间存储，白天分解（CAM 途径），其意义是 。
(3)线粒体能够产生CO2的过程有 。
3．（24-25 高三下·广西·开学考试）广西隆安县是全国最大的火龙果连片种植基地，晚上基地亮起的灯海
美如画。火龙果是典型的景天酸代谢（CAM）植物，其有一套独特的生存策略：气孔夜晚打开，白天关闭，
特别适应干旱地区。图1 表示火龙果叶肉细胞内部分代谢途径示意图。火龙果在种植中对光照有严格的要
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求，科研人员为了探究不同光质补光对火龙果不同时期果肉中可溶性糖含量的影响，进行了相关实验，结
果如图2 所示。回答下列问题：
注：图中苹果酸是一种酸性较强的有机酸。
(1)光既可为火龙果的光合作用提供能量，又能作为一种 影响和调控火龙果的生长发育。
(2)由图1 可知，参与火龙果植株固定CO2的酶分布在 。推测图1 中的过程a 发生在 （填“白
天”或“夜晚”），将苹果酸运进液泡中储存，有利于细胞维持正常代谢的原因是 。
(3)由图2 可知，选用蓝红光比为 最有利于提高火龙果果实可溶性糖的含量，判断依据是 。
4．（24-25 高三上·天津·期末）仙人掌、菠萝和许多肉质植物等景天科植物（CAM 植物）在夜间时，大气
中的CO2从气孔进入，被磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化酶催化，与PEP 结合形成草酰乙酸（OAA），再经
苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸，储存于液泡中。在白天，苹果酸从液泡中释放出来，经脱羧酶作用形成
CO2和丙酮酸，CO2产生后用于卡尔文循环。回答下列问题：
(1)该类植物叶肉细胞白天淀粉含量和细胞液pH 的变化分别是 、 ，原因是 。
(2)夜晚吸收的CO2没有马上用于卡尔文循环，而是先转变为苹果酸储存起来，试分析原因： 。
(3)这类植物特别适合在干旱地区种植，其适应性机制为：夜晚气孔开放，有利于 ，白天气孔关闭，
有利于 。
(4)CAM 植物可以通过 获得光合作用暗反应所需的CO2。
5．（2025·广东珠海·一模）Rubisco 酶既可以催化C₅ 的羧化，也可以催化C₅ 的氧化。如果C₅ 被氧化，则会
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形成乙醇酸，乙醇酸能抑制暗反应多种酶的活性。为减少该类毒性代谢产物及碳素损失，植物进化出了光
呼吸途径，相关路径如图所示。
回答下列问题：
(1)据图可知，C₅ 的羧化是指暗反应中 过程。
(2)据图分析，光呼吸会消耗 ，从而影响暗反应导致植物光合速率下降。
(3)优化光呼吸代谢被认为是提高光合速率的关键突破口，目前科学家常用的优化方案有：
①加速光呼吸代谢：GDC 是促进光呼吸中间产物代谢的关键酶，科学家利用基因工程构建了GDC 基因过表
达的拟南芥植株，发现相较于野生型，其光合速率明显上升，可能是因为图中 积累量下降从而提高
了暗反应速率。
②构建新的光呼吸通路：将苹果酸合成酶基因和乙醇酸脱氢酶基因导入烟草的叶绿体中，从而设计出一条
新的光呼吸通路AP3．与原光呼吸通路相比，AP3 通路促进光合作用的优势是 ，构建AP3 通路同时，
科学家还下调了转运蛋白PLGGI 基因的表达量，目的是 。将同时具备以上改变的转基因烟草（AP3）
与野生型（WT）进行田间试验，WT 光合速率变化如图所示，请在图中绘制出AP3 的预期结果。
6．（2025·河南信阳·二模）钾是植物生长发育的必需元素，主要生理功能包括参与酶活性调节、渗透调节
以及促进光合产物的运输和转化等。研究表明，缺钾导致某种植物的气孔导度下降，使CO2通过气孔的阻
力增大；Rubisco 的羧化酶（催化CO2的固定反应）活性下降，最终导致净光合速率下降。如图是水稻（C3
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植物）和玉米（C4植物）的光合作用碳（暗）反应示意图。Rubisco 酶可催化RuBP 与CO2反应，进行卡尔
文循环，又可催化RuBP 与O2反应，进行光呼吸（绿色植物在光照下消耗O2并释放CO2的反应）。该酶的
酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影响。与水稻相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘，其中叶肉细胞
叶绿体的基粒非常发达，维管束鞘细胞的叶绿体较大，没有或仅有少量基粒。玉米的碳（暗）反应先在叶
肉细胞中利用PEPC 酶催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）与CO2反应生成C4，固定产物C4转运到维管束鞘细胞
后释放CO2，再进行卡尔文循环。回答下列问题：
(1)叶片中光合色素的功能有 ，叶绿素含量的测定：先用有机溶剂提取叶绿体中的光合色素，
再根据各种色素的吸收光谱特点，选择在 （A．红光B．蓝紫光C．红光或蓝紫光D．红光和
蓝紫光）条件下测得光的吸收率，最后再计算。
(2)长期缺钾导致该植物的叶绿素含量下降，从叶绿素的合成角度分析，原因是 （答出两点即
可）。
(3)在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度 （填“高于”或“低于”）水稻，原因
是 （答出2 点即可）。
(4)光合作用的产物主要以淀粉的形式储存在叶绿体中，一般不以葡萄糖或蔗糖的形式储存，一方面淀粉不
易溶于水，有利于维持叶绿体中 的稳定，另一方面减少 等物质的积累，避免对
光合作用的抑制。从能量代谢的角度看，光呼吸与有氧呼吸最大的区别是 。
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7．（2025·陕西榆林·二模）小麦属于
植物，通过卡尔文循环完成碳的固定和还原，其中
的固定需要
RuBP 羧化酶催化；玉米属于
植物，如下图1 所示，玉米通过气孔吸收的
，在叶肉细胞叶绿体中PEP
羧化酶的作用下生成
，
进入维管束鞘细胞后释放
，然后
进行卡尔文循环。回答以下问题：
(1)小麦叶肉细胞进行光合作用暗反应的场所是 ，玉米的维管束鞘细胞只进行暗反应，推测其
叶绿体中可能缺少的结构是 。与RuBP 羧化酶相比，PEP 羧化酶固定
的能力更
(填“强”或“弱”)。
(2)图2 表示玉米与小麦在温度和
浓度等其他因素均适宜的条件下，总光合速率和呼吸速率的比值(P/R)
与光照强度的关系曲线。玉米的光补偿点 (填“大于”“等于”或“小于”)小麦，你做出判断
的依据是 。在干旱、高光照强度地区，应选择种植玉米，综合图1 和图2 分析，原因是
(请从两个角度进行分析)。
(3)仙人掌属于景天科植物。如图3 所示，其
固定途径不同于
植物和
植物，这类植物夜间气孔开
放，吸收的
转化成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中的苹果酸会释放出
，进而在叶绿
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体中完成卡尔文循环。据图判断，仙人掌光合作用利用的
来自 和 (填生理过
程)；白天影响仙人掌光合作用强度的外界环境因素有 (填序号)。
①
浓度 ②光照强度 ③光合色素含量 ④温度
11
