一、關于總光合速率、凈光合速率、呼吸速率的辨析1.理清凈光合速率和真正光合速率的內(nèi)涵在有光條件下,植物同時進行光合作用和細胞呼吸,實驗容器中O2的增加量、CO2的減少量或有機物的增加量,用于表示凈光合速率,而真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率。
注 若試題以坐標曲線形式出現(xiàn),光照強度為0時,CO2的釋放量或O2的吸收量為呼吸速率;如果光合速率數(shù)值有負值,則為凈光合速率。
典例1(2018福建漳州八校期末聯(lián)考)如圖表示在適宜的光照、CO2濃度等條件下,某植物在不同溫度下的凈光合速率和呼吸速率曲線。下列有關說法錯誤的是( 　)A.與光合作用相比,與細胞呼吸有關酶的適宜溫度更高B.在40 ℃之前,總光合速率大于呼吸速率C.溫度在30 ℃時總光合速率最大D.40 ℃時,該植物不再進行光合作用
典例2(2018全國高考Ⅰ)甲、乙兩種植物凈光合速率隨光照強度的變化趨勢如圖所示?；卮鹣铝袉栴}。(1)當光照強度大于a時,甲、乙兩種植物中,對光能的利用率較高的植物是　　　　　。?(2)甲、乙兩種植物單獨種植時,如果種植密度過大,那么凈光合速率下降幅度較大的植物是　　　。判斷的依據(jù)是　???　。?(3)甲、乙兩種植物中,更適合在林下種植的是　　　　　　。?(4)某植物夏日晴天中午12:00時葉片的光合速率明顯下降,其原因是進入葉肉細胞的　　　　　(填“O2”或“CO2”)不足。?
答案 (1)甲(2)甲　光照強度降低導致甲植物凈光合速率降低的幅度比乙大,種植密度過大,植株接受的光照強度減弱,導致甲植物凈光合速率下降幅度比乙大(3)乙(4)CO2
解析 (1)根據(jù)曲線的走勢以及曲線的起點可知,甲的細胞呼吸速率大于乙。光照強度大于a時,甲的凈光合速率大于乙,所以甲的實際光合速率也遠大于乙,所以甲對光能的利用率要高于乙。(2)當種植密度過高時,單株獲取的光能減少,光照強度降低同等程度的情況下,對甲植株單株的影響要大于乙植株,所以,如果種植密度過大,凈光合速率下降幅度較大的是甲植物。(3)無論是光補償點還是光飽和點,甲的都高于乙的,所以乙更適合在光照強度較低的林下種植。(4)夏日晴天中午12:00氣溫太高,葉片的大多數(shù)氣孔關閉,導致外界的CO2不能通過氣孔進入葉片,從而導致光合速率明顯下降。
2.總光合速率、凈光合速率與呼吸速率的關系(1)黑暗條件下的綠色組織或非綠色組織,只進行細胞呼吸,測得數(shù)據(jù)為呼吸速率(如下圖中的A點)。(2)綠色組織在有光條件下(光合作用與細胞呼吸同時進行)測得的數(shù)據(jù)為凈光合速率。
(3)對各點(段)光合作用和細胞呼吸的分析
①黑暗條件下,細胞不進行光合作用,只進行細胞呼吸。O2吸收的物質(zhì)的量等于CO2釋放的物質(zhì)的量。②在較弱光照強度下,細胞呼吸速率大于光合作用速率,細胞表現(xiàn)為吸收O2,釋放CO2。③在光補償點時,細胞呼吸速率等于光合作用速率,細胞表現(xiàn)為既不吸收氣體,也不放出氣體。光合作用產(chǎn)生的O2全部被線粒體吸收,細胞呼吸產(chǎn)生的CO2全部被葉綠體吸收。④在較強光照強度下,光合作用速率大于細胞呼吸速率,細胞表現(xiàn)為吸收CO2,釋放O2。
注意:總光合作用速率曲線與細胞呼吸速率曲線的交點表示光合作用速率=細胞呼吸速率,但不要認為凈光合作用速率曲線與細胞呼吸速率曲線的交點也表示光合作用速率=呼吸作用速率,此時總光合作用速率恰恰是細胞呼吸速率的2倍。
典例3將某綠色盆栽植物置于密閉容器內(nèi)暗處理后,測得容器內(nèi)CO2和O2濃度相等(氣體含量相對值為1),在天氣晴朗時的早6時移至陽光下,日落后移動到暗室中繼續(xù)測量兩種氣體的相對含量,變化情況如圖所示,下列分析正確的是( 　)
注 兩條曲線在20時前沿水平虛線上下對稱。A.只有在8時光合作用強度與細胞呼吸強度相等B.在9~16時之間,光合速率大于呼吸速率,O2濃度不斷上升C.該植物體內(nèi)17時有機物積累量小于19時的有機物積累量D.該植物從20時開始只進行無氧呼吸
典例4(2018全國高考Ⅱ)為了研究某種樹木樹冠上下層葉片光合作用的特性,某同學選取來自樹冠不同層的A、B兩種葉片,分別測定其凈光合速率,結(jié)果如圖所示,據(jù)圖回答問題。
(1)從圖可知,A葉片是樹冠　　　　(填“上層”或“下層”)的葉片,判斷依據(jù)是　?　。?(2)光照強度達到一定數(shù)值時,A葉片的凈光合速率開始下降,但測得放氧速率不變,則凈光合速率降低的主要原因是光合作用的____反應受到抑制。?(3)若要比較A、B兩種新鮮葉片中葉綠素的含量,在提取葉綠素的過程中,常用的有機溶劑是　　　　　　　。?
答案 (1)下層　A葉片的凈光合速率達到最大時所需光照強度低于B葉片　(2)暗(3)無水乙醇
解析 (1)據(jù)圖可知,相同光照強度下,兩種葉片凈光合速率有所不同,且A葉片達到凈光合速率最大值時的光照強度小于B葉片達到凈光合速率最大值時的光照強度,所以A葉片是樹冠下層的葉片。(2)光照強度達到一定數(shù)值時,A葉片的凈光合速率開始下降,但測得放氧速率不變,說明光合作用的光反應不變,光反應產(chǎn)生的ATP和NADPH不變,A葉片凈光合作用速率下降的原因是暗反應受到抑制。(3)綠葉中的色素能夠溶解在有機溶劑無水乙醇中,所以常用無水乙醇提取綠葉中的葉綠素。
3.凈(表觀)光合速率與總(真正)光合速率的微觀水平分析注 m1,m2表示CO2的消耗量;n1,n2表示O2的產(chǎn)生量。(1)呼吸速率①用CO2表示:m1,即線粒體釋放CO2的量或黑暗條件下細胞或植物體釋放CO2的量。②用O2表示:n1,即線粒體吸收O2的量或黑暗條件下細胞或植物體從外界吸收的O2的量。
典例5(2018四川成都期中)圖甲表示某種植物光合作用強度與光照強度的關系,圖乙表示該植物葉肉細胞的部分結(jié)構(gòu)(圖中M和N代表兩種氣體)。據(jù)圖判斷,下列說法錯誤的是(注:不考慮無氧呼吸)( 　)A.圖甲中A點對應的縱坐標的數(shù)值可用圖乙中的m2或n2表示B.在圖甲中A點時,圖乙中不存在的過程是m3、m4、n3、n4C.在圖甲中C點時,圖乙中不存在的過程是m2、m3、n2、n3D.圖甲中E點以后,圖乙中n4不再增加,其主要原因是m1值太低
二、總光合速率、凈光合速率、呼吸速率的測定1.氣體體積變化法——測光合作用產(chǎn)生O2(或消耗CO2)的體積(1)裝置中溶液的作用:在測細胞呼吸速率時NaOH溶液可吸收容器中的CO2;在測凈光合速率時NaHCO3溶液可提供CO2,以保證容器內(nèi)CO2濃度的恒定。
(2)測定原理①在黑暗條件下,甲裝置中的植物只進行細胞呼吸,由于NaOH溶液吸收了細胞呼吸產(chǎn)生的CO2,所以單位時間內(nèi)紅色液滴左移的距離表示植物的O2吸收速率,可代表呼吸速率。②在光照條件下,乙裝置中的植物進行光合作用和細胞呼吸,由于NaHCO3溶液保證了容器內(nèi)CO2濃度的恒定,所以單位時間內(nèi)紅色液滴右移的距離表示植物的O2釋放速率,可代表凈光合速率。③總(真正)光合速率=凈光合速率+呼吸速率。
(3)測定方法①將植物(甲裝置)置于黑暗中一定的時間,記錄紅色液滴移動的距離,計算呼吸速率。②將同一植物(乙裝置)置于光下相同時間,記錄紅色液滴移動的距離,計算凈光合速率。③根據(jù)呼吸速率和凈光合速率計算得到總(真正)光合速率。(4)物理誤差的校正:為減小氣壓、溫度等物理因素所引起的誤差,應設置對照實驗,即用死亡的綠色植物分別進行上述實驗,根據(jù)紅色液滴的移動距離對原實驗結(jié)果進行校正。
典例6(2018安徽太和一中預測押題)某興趣小組設計了如下圖所示的實驗裝置若干組,室溫25 ℃下進行了一系列的實驗,下列有關敘述錯誤的是( 　)注 裝置內(nèi)氧氣充足,不考慮無氧呼吸。
A.若X溶液為CO2緩沖液并給予光照,液滴移動距離可表示凈光合作用強度大小B.若要測真正光合強度,需另加設一裝置遮光處理,X溶液為NaOH溶液C.若X溶液為清水并給予光照,光合作用強度大于細胞呼吸強度時,液滴右移D.若X溶液為清水并遮光處理,消耗的底物為脂肪時,液滴左移
2.“黑白瓶”——測透光、不透光兩瓶中氧氣的剩余量“黑瓶”不透光,測定的是有氧呼吸量,“白瓶”給予光照,測定的是凈光合作用量。“黑白瓶”試題是一類通過凈光合作用強度和有氧呼吸強度推算總光合作用強度的試題。一般規(guī)律如下:①總光合作用量(強度)=凈光合作用量(強度)+有氧呼吸消耗量(強度);②在有初始值的情況下,黑瓶中氧氣的減少量(或二氧化碳的增加量)為有氧呼吸量,白瓶中氧氣的增加量(或二氧化碳的減少量)為凈光合作用量,兩者之和為總(真正)光合作用量;③沒有初始值的情況下,白瓶中測得的現(xiàn)有量-黑瓶中測得的現(xiàn)有量=總(真正)光合作用量。
典例7(2018河北景縣調(diào)研)下表所示是采用黑白瓶(不透光瓶—可透光瓶)法測定夏季某池塘不同深度水體中,初始平均O2濃度與24 h后平均O2濃度比較后的數(shù)據(jù)。下列有關分析正確的是( 　)A.水深1 m處白瓶中水生植物24 h產(chǎn)生的O2為3 g/m3　B.水深2 m處白瓶中水生植物光合速率等于所有生物的呼吸速率C.水深3 m處白瓶中水生植物不進行光合作用D.水深4 m處白瓶中藻類植物產(chǎn)生ATP的場所是葉綠體、細胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體
3.“半葉法”——測光合作用有機物的產(chǎn)生量半葉法的原理:植物進行光合作用形成有機物,而有機物的積累可使葉片單位面積的干重增加,但是,葉片在光下積累光合產(chǎn)物的同時,還會通過輸導組織將同化物運出,從而使測得的干重積累值偏低。為了消除這一偏差,必須將待測葉片的一半遮黑,測量相同時間內(nèi)葉片被遮黑的一側(cè)單位面積干重的減少值,作為同化物輸出量(和呼吸消耗量)的估測值?！案牧及肴~法”采用燙傷、環(huán)割或化學試劑處理等方法來損傷葉柄韌皮部活細胞,以防止光合產(chǎn)物從葉中輸出(這些處理幾乎不影響木質(zhì)部中水和無機鹽向葉片的輸送),僅用一組葉片,且無須將一半葉片遮黑,就能達到實驗目的,既簡化了實驗過程,又提高了測定的準確性。
典例8某同學欲測定植物葉片葉綠體的光合作用速率,做了如下圖所示實驗。在葉柄基部做環(huán)剝處理(僅限制葉片有機物的輸入和輸出),在不同時間分別在同一葉片上陸續(xù)取下面積為1 cm2的葉圓片,烘干后稱其重量,測得葉片的光合作用速率=(3y-2z-x)/6 [g/(cm2·h)](不考慮取葉圓片后對葉生理活動的影響和溫度微小變化對葉生理活動的影響)。則M處的實驗條件是( 　)
A.下午4時后將整個實驗裝置遮光3 hB.下午4時后將整個實驗裝置遮光6 hC.下午4時后在陽光下照射1 hD.晚上8時后在無光下放置3 h
典例9某研究小組采用“半葉法”對番茄葉片的光合速率進行測定。將對稱葉片的一部分(A)遮光,另一部分(B)不做處理,并采用適當?shù)姆椒ㄗ柚箖刹糠值奈镔|(zhì)和能量轉(zhuǎn)移。在適宜光照下照射6 h后,在A、B的對應部位截取同等面積的葉片,烘干稱重,分別記為MA、MB,獲得相應數(shù)據(jù),則可計算出該葉片的光合速率,其單位是mg/(dm2·h)。請分析回答下列問題。
(1)MA表示6 h后葉片初始質(zhì)量-細胞呼吸有機物的消耗量;MB表示6 h后　　　　　　　　　　+　　　　　　　　　　　　　　　　-細胞呼吸有機物的消耗量。?(2)若M=MB-MA,則M表示　　　　　　　　　　　　　。?(3)總光合速率的計算方法是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。?(4)本方法也可用于測定葉片的呼吸速率,寫出實驗設計思路。?

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