一、光合作用的強度1.光合作用強度(1)含義:植物在　　　　　　　　　　通過光合作用制造糖類的數(shù)量。?(2)衡量指標(biāo)①凈光合速率:單位時間、單位　　　　　　吸收CO2的量或放出O2的量或有機物的凈增量。?②光合生產(chǎn)率(又稱凈同化率):植物在較長時間(一晝夜或一周)內(nèi),單位葉面積生產(chǎn)的干物質(zhì)量。光合生產(chǎn)率比光合速率低,因為要去掉呼吸等消耗。
(3)影響因素①影響光合作用的內(nèi)部因素:　　　　的含量、　　的含量和活性、葉齡等。?②影響光合作用強度的環(huán)境因素:　　　　　　　　　　　　　　　　　。a.只要影響到光合作用的原料(CO2、水)、能量的供應(yīng)(光能),都可能是影響光合作用強度的因素。例如:環(huán)境中CO2濃度、葉片氣孔開閉情況。b.影響　　　　　　(填光合作用場所)的形成和結(jié)構(gòu)的因素,也會影響光合作用強度。例如:無機營養(yǎng)、　　　　　　。?c.光合作用需要酶參與,因此影響酶活性的因素也會影響光合作用強度。例如:　　　　、pH。?
光照強度、CO2濃度、溫度、水分等
2.探究光照強度對光合作用強度的影響(1)實驗原理①在光照下,綠色植物通過　　　　　　　　產(chǎn)生O2。?②若葉片中的氣體逸出,細胞間隙充滿了水,浮力減小,葉片就會沉到水底;若光合作用產(chǎn)生的　　　充斥在葉片的細胞間隙中,浮力增大,葉片會從水底浮起。?③光照強度不同,則光反應(yīng)產(chǎn)生　　　的速率不同,葉片上浮的時間也不同。
(2)實驗裝置分析①設(shè)置自變量:自變量是光照強度,通過調(diào)整　　　　　　　　　　　　來調(diào)節(jié)光照強度的大小。?②中間盛水玻璃柱的作用:吸收燈光的熱量,避免光照對燒杯內(nèi)水溫產(chǎn)生影響。③CO2的供應(yīng):事先向小燒杯中的清水中吹氣或者是用質(zhì)量分數(shù)為1%~2%的　　　　　　　　　　溶液。?
(3)實驗步驟制備圓形小葉片→排氣→沉水備用→分組→控制自變量(光照強度)→觀察并記錄(4)實驗結(jié)論:在一定光照強度范圍內(nèi),光合作用強度隨光照強度的增強而　　　　。?
旁欄邊角(必修1,第105頁,“探究·實踐”改編)閱讀實驗流程、分析實驗裝置,請回答下列問題。(1)臺燈燈泡會產(chǎn)生熱量,距離越近(功率越大)熱量越多,從而影響裝置溶液的溫度,請你提出改進措施。?　 。?
(2)因變量是光合作用強度,實驗中是通過? ?來觀測因變量的。
提示 在臺燈和盛有圓形小葉片的燒杯之間放一盛水的玻璃柱,該玻璃柱可以吸收燈光的熱量,避免光照對燒杯內(nèi)水溫產(chǎn)生影響
提示 單位時間內(nèi)被抽去空氣的圓形小葉片浮起的數(shù)量或者浮起相同數(shù)量的葉片所用的時間
易錯辨析基于對影響光合作用的因素的理解,判斷下列表述是否正確。(1)延長光照時間能夠提高光合作用強度。(　　)(2)探究光照強度對光合作用強度影響的實驗中使用的圓形小葉片應(yīng)先排出里面的氣體。(　　)(3)為確保溶液中CO2含量充足,圓形小葉片可以放入NaHCO3溶液中。(　　)(4)實驗中測得的O2產(chǎn)生量是植物光合作用實際產(chǎn)生的總O2量。(　　)
二、光合作用與細胞呼吸的關(guān)系1.關(guān)系圖解
(1)物質(zhì)名稱。b:O2,c:　　　　,d:ADP,e:NADPH,f:　　　,g:CO2,h:　　　。?
(2)生理過程及場所
2.聯(lián)系(1)物質(zhì)聯(lián)系
旁欄邊角(必修1,第106頁,“拓展應(yīng)用2”改編)給密閉玻璃瓶中的植物幼苗提供適宜的水、無機鹽、光照強度、溫度等條件,幼苗的生存時間一般不會太長,原因可能是　　　　　　　　　　　　　　　　。?
提示 隨著植物生長,土壤的水分會減少,土壤中的無機鹽含量會下降,空氣中CO2含量減少等
易錯辨析基于光合作用與細胞呼吸的關(guān)系的理解,判斷下列表述是否正確。(1)光合作用過程中產(chǎn)生的NADPH可用于有氧呼吸的第三階段。(　　)(2)葉綠體產(chǎn)生的O2可進入線粒體被直接利用,線粒體產(chǎn)生的H2O可進入葉綠體被直接利用。(　　)(3)進入葉綠體的CO2不能被NADPH直接還原,植物體的凈光合速率長期為零時會導(dǎo)致幼苗停止生長。(　　)
角度一、影響光合作用強度的有關(guān)實驗考向探究考向1實驗過程分析1.圖1為某校生物興趣小組探究光照強度對茉莉花光合作用強度影響的實驗裝置示意圖,圖2為所測得的結(jié)果。請據(jù)圖回答下列問題。
(1)圖1中NaHCO3溶液的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　。?(2)請寫出控制本實驗自變量的一種方法:　　　　　　　　　　　　。?(3)為了防止無關(guān)變量對實驗結(jié)果的干擾,本實驗還應(yīng)設(shè)置對照實驗,請問對照裝置如何設(shè)置?　 。?(4)實驗測得,當(dāng)用40 W燈泡照射時,紅色液滴沒有發(fā)生移動,這是因為此時　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。?
答案 (1)維持廣口瓶內(nèi)CO2的穩(wěn)定　(2)用不同瓦數(shù)的燈泡或改變燈與廣口瓶的距離　(3)將裝置中的茉莉花換成等量死茉莉花,其他設(shè)置與圖1中裝置一樣　(4)光合作用強度等于細胞呼吸強度解析 (1)在該實驗裝置中,NaHCO3溶液的作用是保持實驗裝置中的CO2濃度穩(wěn)定。(2)該實驗的自變量是光照強度,控制光照強度可以通過改變燈泡的功率或者燈與廣口瓶的距離來實現(xiàn)。(3)影響該實驗結(jié)果的變量除了光照強度之外,還會有環(huán)境溫度等,所以對照組應(yīng)該在裝置中放置死亡了的茉莉花,其他與實驗組相同。(4)燈泡功率為40 W時,紅色液滴沒有移動,說明裝置中的O2濃度保持不變,此時光合速率等于呼吸速率。
考向2實驗結(jié)果分析2.(2022山東濰坊模擬)圖1為研究光合作用的實驗裝置,用打孔器在某植物的葉片上打出多個圓片,再用氣泵抽出氣體直至葉片沉底,然后將等量的葉圓片轉(zhuǎn)至不同溫度的NaHCO3(等濃度)溶液中,給予一定的光照,測量每個培養(yǎng)皿葉片上浮至液面所用的平均時間(圖乙)。下列相關(guān)分析不正確的是(　　)A.在AB段,隨著水溫的增加,凈光合速率逐漸增大B.上浮至液面的時間可反映凈光合速率的相對大小C.通過圖2分析可以找到真正光合作用的最適溫度D.抽氣后不含氧氣,但實驗過程中葉片仍能進行有氧呼吸
答案 C　解析 AB段,隨著水溫的增加,葉圓片上浮至液面所需要的時間縮短,說明氧氣產(chǎn)生速率加快,凈光合速率逐漸增大,A項正確;根據(jù)題意可知,上浮至液面的時間可反映凈光合速率的相對大小,B項正確;通過圖2分析只能找到凈光合作用的最適溫度,C項錯誤;雖然抽氣后葉片不含氧氣,但實驗過程中的光照可以使葉片進行光合作用產(chǎn)生氧氣,故實驗過程中葉片能進行有氧呼吸,D項正確。
3.(2020北京海淀期中)某同學(xué)將新鮮金魚藻置于盛有NaHCO3溶液的燒杯中,改變燈泡與燒杯的距離,測定得到如右上圖所示結(jié)果。下列敘述正確的是(　　)A.本實驗?zāi)康氖翘骄緾O2濃度對光合速率的影響B(tài).15~45 cm,氣泡產(chǎn)生速率代表凈光合速率C.小于60 cm時,限制光合速率的主要因素是CO2濃度D.60 cm時,光線太弱導(dǎo)致光合作用完全停止
答案 B　解析 分析題圖可知,本實驗改變燈泡與燒杯的距離,改變的是光照強度,所以本實驗?zāi)康氖翘骄抗庹諒姸葘夂纤俾实挠绊?當(dāng)距離小于60 cm時,限制光合速率的主要因素是光照強度;在60 cm時,光線太弱,導(dǎo)致光合作用減弱,但光合作用沒有完全停止。
考向3實驗思路設(shè)計4.(2022山東聊城模擬)為研究臭氧脅迫對油菜光合特性的影響,研究人員將生理狀況相同的油菜幼苗均分為甲、乙兩組。甲組培養(yǎng)在經(jīng)活性炭過濾的空氣中,乙組培養(yǎng)在含有一定濃度臭氧且經(jīng)活性炭過濾的空氣中,其他培養(yǎng)條件相同且適宜。一段時間后測定,發(fā)現(xiàn)甲組的光合產(chǎn)物合成量、光合放氧速率和光合色素含量均高于乙組?；卮鹣铝袉栴}。(1)油菜葉肉細胞內(nèi),產(chǎn)生氧氣的具體部位是　　　　　　　　　　　,光合色素的功能是　　　　　　　　　　　　　　　。本實驗設(shè)置甲組作為對照組的目的是　　　　　　　　　　　　　　　。?(2)根據(jù)實驗結(jié)果,從光合作用過程的角度分析臭氧使油菜光合產(chǎn)物合成量減少的原因是?? 　。?
(3)進一步研究發(fā)現(xiàn),乙組油菜幼苗光合放氧速率下降是可恢復(fù)的。請以題述實驗結(jié)束后的甲、乙兩組油菜幼苗為實驗材料設(shè)計實驗驗證這一結(jié)論。要求:簡要寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果。實驗思路:?? 　。預(yù)期結(jié)果:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。?
答案 (1)類囊體薄膜　吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能　排除臭氧以外的因素對實驗結(jié)果的干擾,以保證本實驗的結(jié)果是由臭氧引起的　(2)臭氧脅迫使光合色素含量降低,葉綠體吸收光能減少,使得ATP和NADPH生成減少,進而影響暗反應(yīng)中C3的還原,使光合產(chǎn)物合成量減少　(3)將題述實驗結(jié)束后的甲、乙兩組油菜幼苗分別培養(yǎng)在經(jīng)活性炭過濾的空氣中,在相同且適宜的條件下培養(yǎng)一段時間,然后測定甲、乙組油菜幼苗的光合放氧速率　甲、乙兩組油菜幼苗的光合放氧速率相等解析 分析題干可知,本實驗的自變量為是否有臭氧的脅迫,因變量為光合產(chǎn)物合成量、光合放氧速率和光合色素含量。實驗中甲組為對照組,設(shè)置對照組的目的是排除自變量以外的因素對實驗結(jié)果的干擾,確保實驗結(jié)果是由自變量引起的;乙組為實驗組。
(1)在葉綠體類囊體薄膜上水光解為H+和氧氣。光合色素的功能是吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能。本實驗設(shè)置甲組作為對照組的目的是排除臭氧以外的因素對實驗結(jié)果的干擾,以保證本實驗的結(jié)果是由臭氧引起的。(2)由題干可知,乙組光合色素含量低于甲組,可推知臭氧脅迫使光合色素含量降低,葉綠體吸收光能減少,使得光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH的量減少,進而使暗反應(yīng)中C3的還原減弱,使光合產(chǎn)物合成量減少。(3)將題干所述實驗結(jié)束后的甲、乙兩組油菜幼苗,分別培養(yǎng)在經(jīng)活性炭過濾的空氣中,在相同且適宜的條件下培養(yǎng)一段時間,然后測定甲、乙兩組油菜幼苗的光合放氧速率,如果甲、乙兩組油菜幼苗的光合放氧速率相等,則說明乙組油菜幼苗光合放氧速率下降是可恢復(fù)的。
方法突破1.探究影響光合作用強度的實驗分析(1)影響光合作用的實驗步驟模型舉例
(2)影響光合作用強度實驗設(shè)計的注意事項
2.探究影響光合作用強度的實驗設(shè)計
角度二、分析影響光合作用強度的因子考向探究考向1單因子對光合作用的影響5.(2022山東淄博模擬)水稻黃化(失綠)是高等植物基因突變導(dǎo)致葉綠素含量下降的現(xiàn)象?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)某突變型水稻葉片的葉綠素含量約為野生型的一半,但固定CO2的酶活性顯著高于野生型。右圖所示兩條曲線分別為兩種類型水稻在不同光照強度下的CO2吸收速率。下列敘述不正確的是(　　)A.曲線a和b與縱軸的交點相同代表呼吸速率相同B.曲線b表示突變型水稻,其光飽和點對應(yīng)的光照強度較低C.在P點處突變型和野生型水稻的真正光合速率一定相同D.低于P點時,限制突變型水稻光合速率的主要環(huán)境因素是光照強度
答案 B　解析 O點時沒有光照,植物只進行細胞呼吸,曲線a和b與縱軸的交點相同代表呼吸速率相同,A項正確;突變型水稻固定CO2的酶活性顯著高于野生型,光飽和點較高,曲線a表示突變型水稻,B項錯誤;在P點處突變型和野生型水稻凈光合速率相同,呼吸速率也相同,二者真正光合速率也一定相同,C項正確;低于P點時,突變型水稻凈光合速率隨光照強度增加而增加,即限制突變型水稻光合速率的主要環(huán)境因素是光照強度,D項正確。
考向2多因子對光合作用的影響6.(2022山東濟南模擬)右圖是以390 μml/ml的大氣CO2濃度和自然降水條件為對照組(即C390+W0組),分別研究CO2濃度升高至550 μml/ml(即C550+W0組)和降水增加15%(即C390+W15組)對大豆凈光合速率的影響得到的結(jié)果,其中P為C390+W0組曲線上的點,此時的光照強度為600 lx。
相關(guān)敘述正確的是(　　)A.可以用大豆的CO2固定量、O2釋放量等來表示圖中大豆的凈光合速率B.光照強度為1 400 lx時,C390+W15組大豆的光合作用和細胞呼吸的強度均強于C390+W0組C.分析C390+W15組和C550+W0組數(shù)據(jù)表明適當(dāng)增加降水可提高氣孔的開放度,增加大豆CO2的攝入量,可促進大豆光合作用D.P點時,僅增加15%的降水量對大豆凈光合速率的提升作用比僅升高CO2濃度到550 μml/ml的作用明顯
答案 D　解析 可以用大豆的CO2吸收量、O2釋放量等來表示圖中大豆的凈光合速率,A項錯誤;據(jù)圖分析,3條曲線與縱軸的交點相同,說明3組大豆的細胞呼吸強度相等,光照強度為1 400 lx時,C390+W15組大豆的凈光合作用大于C390+W0組,說明C390+W15組光合作用強度強于C390+W0組,B項錯誤;分析C390+W15組和C390+W0組數(shù)據(jù),表明適當(dāng)增加降水可促進大豆光合作用,C項錯誤;P點時,僅增加15%的降水量對大豆凈光合速率的提升作用比僅升高CO2濃度到550 μml/ml的作用明顯,D項正確。
7.(2022山東青島模擬)興趣小組研究溫度及氮肥(硝酸鹽)使用量對植物總光合速率的影響。他們將生理狀態(tài)相同的實驗植物隨機分成9組,分別設(shè)置不同的溫度和施氮量,給予適宜的光照,一段時間后分別測量實驗容器內(nèi)CO2的減少量。結(jié)果如下圖所示,請回答下列問題。
(1) 被植物根細胞吸收的方式是　　　　　　　　。氮元素吸收后被運送到葉肉細胞內(nèi)可用于合成多種化合物,其中NADPH的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。?(2)與其他組比較,3、6、9組結(jié)果出現(xiàn)的最可能原因是　 。?(3)上述實驗數(shù)據(jù)不足以得出實驗結(jié)論,原因是　　　　　　　　　　　　,完善的方法是　　　　　　　　 　　　　　。?
答案 (1)主動運輸　為光合作用暗反應(yīng)階段提供還原劑(和部分能量)　(2)所施氮肥濃度過高,根細胞滲透失水,影響植株的生命活動　(3)僅測量獲得實驗條件下的凈光合速率　在黑暗條件下重復(fù)上述實驗,測量獲得各組實驗條件下的呼吸速率,進而計算獲得總光合速率
解析 (1)植物細胞吸收無機鹽離子的方式是主動運輸。光合作用光反應(yīng)產(chǎn)生NADPH用于C3的還原,同時NADPH屬于高能化合物,因此NADPH的作用是為光合作用暗反應(yīng)階段提供還原劑和部分能量。(2)圖中的3、6、9組是不同溫度下的高施氮量處理,據(jù)圖發(fā)現(xiàn),3、6、9組的凈光合速率還要低于對照組,可能原因是所施氮肥濃度過高,根細胞滲透失水,影響植株的生命活動。(3)本實驗研究的是溫度及氮肥(硝酸鹽)使用量對植物總光合速率的影響,圖中僅僅測量了實驗條件下的凈光合速率,還缺少呼吸速率的相關(guān)數(shù)據(jù),因此還需要在黑暗條件下重復(fù)上述實驗,測量獲得各組實驗條件下的呼吸速率,進而計算獲得總光合速率。
方法突破1.影響光合作用強度的內(nèi)部因素及應(yīng)用(1)植物自身的遺傳特性(如植物品種不同),以陰生植物、陽生植物為例,如下圖所示。
(2)植物葉片的葉齡、葉綠素含量及酶
(3)葉面積指數(shù)(光合面積)
2.光照強度對光合作用的影響及應(yīng)用(1)原理:光照強度影響光反應(yīng)階段,影響ATP及NADPH的產(chǎn)生,進而影響暗反應(yīng)。(2)曲線分析(實線表示陽生植物,虛線表示陰生植物)
(3)應(yīng)用:陰生植物的光補償點和光飽和點都較陽生植物低,間作套種農(nóng)作物、林間帶樹種的配置和冬季溫室栽培等都可合理利用光能。
3.CO2濃度對光合作用的影響及應(yīng)用(1)原理:CO2濃度通過影響暗反應(yīng)階段,影響C3的生成。(2)曲線分析
圖1中A點表示光合作用速率等于細胞呼吸速率時的CO2濃度,即CO2補償點,而圖2中的A'點表示進行光合作用所需CO2的最低濃度;兩圖中的B點和B'點都表示CO2飽和點,兩圖都表示在一定范圍內(nèi),光合作用速率隨CO2濃度增加而增大。
4.溫度對光合作用的影響及應(yīng)用(1)原理:溫度通過影響光合酶的活性影響光合作用強度。(2)曲線分析光合作用強度和細胞呼吸強度都受溫度的影響,但光合作用相關(guān)酶的最適溫度較低。(3)應(yīng)用:溫室栽培植物時,白天調(diào)到光合作用最適溫度,以提高光合作用強度;晚上適當(dāng)降低溫室內(nèi)溫度,以降低細胞呼吸強度,保證植物有機物的積累。
5.水對光合作用的影響及應(yīng)用(1)原理:水既是光合作用的原料,又是體內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì),如植物缺水將導(dǎo)致萎蔫,使光合速率下降。另外,水分還能影響氣孔的開閉,間接影響CO2進入植物體內(nèi)。(2)曲線分析圖1表明在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,可根據(jù)作物的需水規(guī)律,合理灌溉。圖2曲線上E點處光合作用強度暫時降低,是因為溫度較高,植物部分氣孔關(guān)閉,影響了CO2的供應(yīng)。(3)應(yīng)用:預(yù)防干旱,合理灌溉。
6.礦質(zhì)元素對光合作用的影響及應(yīng)用(1)原理:礦質(zhì)元素是參與光合作用的許多重要化合物的組成成分,缺乏會影響光合作用的進行。例如,N是酶的組成元素,N、P是ATP、磷脂的組成元素,Mg是葉綠素的組成元素等。(2)曲線分析在一定濃度范圍內(nèi),增大必需礦質(zhì)元素的供應(yīng),可提高光合作用強度;但當(dāng)?shù)V質(zhì)元素超過一定含量后,土壤溶液的濃度過高,植物會因滲透失水而使光合作用強度下降。(3)應(yīng)用:合理施肥、補充土壤中的礦質(zhì)元素。
7.多因子變量對光合速率的影響
考向探究考向1環(huán)境因素對光合作用與細胞呼吸的影響1.(2022山東煙臺模擬)圖1為黑藻在適宜溫度下O2釋放速率隨光照強度的變化。圖2是將黑藻放在適宜溫度的密閉環(huán)境中,(不同時間內(nèi)光照強度不同)測得的密閉環(huán)境中CO2濃度隨時間的變化情況。下列敘述錯誤的是(　)A.圖1中,當(dāng)光照強度相對值為2時,黑藻的氧氣產(chǎn)生速率相對值為0B.圖1中,當(dāng)光照強度相對值為7時,若要提高黑藻光合速率,可適當(dāng)增加CO2濃度C.圖2中黑藻的光合速率等于呼吸速率的時間段是4~6 h、8~10 hD.由圖2分析,黑藻在該密閉環(huán)境中經(jīng)過12 h后有機物的含量上升
答案 A　解析 由圖1可知,光照強度相對值為2時,黑藻的O2釋放速率為0,其細胞呼吸消耗氧氣的速率為2,所以其產(chǎn)生氧氣的速率為2,A項錯誤;圖1中,當(dāng)光照強度相對值為7時,繼續(xù)增加光照強度黑藻光合速率不能提高,已知黑藻處于適宜溫度下,故可通過增加環(huán)境中CO2濃度來提高光合速率,B項正確;圖2中,在4~6 h、8~10 h內(nèi),黑藻光合作用固定CO2的量與細胞呼吸釋放CO2的量相等(即光合速率等于呼吸速率),導(dǎo)致密閉環(huán)境中CO2濃度沒有發(fā)生變化,C項正確;據(jù)圖2可知,黑藻在該密閉環(huán)境中經(jīng)過12 h后,密閉環(huán)境中的CO2濃度比起始時的濃度低,所以黑藻光合速率大于呼吸速率,有機物含量上升,D項正確。
2.(2022山東濰坊模擬)仙人掌生長在高溫、干旱的環(huán)境中,形成了一定的適應(yīng)性特征。如圖表示仙人掌在24 h內(nèi),光合作用和氣孔導(dǎo)度(氣孔導(dǎo)度表示氣孔張開程度)的變化。據(jù)下圖分析,下列描述正確的是(　　)A.白天進行光合作用,夜間進行細胞呼吸B.白天蒸騰作用強,散失的水分多于夜間C.白天可以進行光反應(yīng),但幾乎不能從外界吸收CO2D.夜間同化CO2,所以暗反應(yīng)只在夜間進行
答案 C　解析 白天和夜晚都可以進行細胞呼吸,A項錯誤;據(jù)圖分析可知,白天氣孔導(dǎo)度小,說明其蒸騰作用不強,B項錯誤;白天光照強,可以進行光反應(yīng),但是氣孔導(dǎo)度小,幾乎不能從外界吸收CO2,C項正確;暗反應(yīng)包括CO2的固定和三碳化合物的還原,其中三碳化合物的還原需要光反應(yīng)提供的ATP和NADPH,因此暗反應(yīng)也在白天進行,D項錯誤。
考向2光合作用中補償點、飽和點的移動問題3.(2022廣東)與野生型擬南芥WT相比,突變體t1和t2在正常光照條件下,葉綠體在葉肉細胞中的分布及位置不同(圖1,示意圖),造成葉綠體相對受光面積的不同(圖2),進而引起光合速率差異,但葉綠素含量及其他性狀基本一致。
在不考慮葉綠體運動的前提下,下列敘述錯誤的是(　　)A.t2比t1具有更高的光飽和點(光合速率不再隨光強增加而增加時的光照強度)B.t1比t2具有更低的光補償點(光合吸收CO2與呼吸釋放CO2等量時的光照強度)C.三者光合速率的高低與葉綠素的含量無關(guān)D.三者光合速率的差異隨光照強度的增加而變大
答案 D　解析 由題圖可知,t1的葉綠體相對受光面積大于t2,因此,t1在較小的光照強度下就能達到光補償點和光飽和點,A、B兩項正確;由題干“葉綠素含量及其他性狀基本一致”可知,葉綠素的含量與三者光合速率的高低無關(guān),C項正確;由題圖可知,三者光合速率的差異是由葉綠體在細胞中的分布及位置不同引起的,與光照強度無關(guān),D項錯誤。
考向3密閉和開放環(huán)境中一晝夜CO2、O2等含量變化的分析4.(2022浙江卷6月選考)不同光強度下,無機磷濃度對大豆葉片凈光合速率的影響如圖甲;16 h光照,8 h黑暗條件下,無機磷濃度對大豆葉片淀粉和蔗糖積累的影響如圖乙?；卮鹣铝袉栴}。
(1)葉片細胞中,無機磷主要貯存于　　　　,還存在于(細胞質(zhì)基質(zhì))、線粒體和葉綠體等結(jié)構(gòu),光合作用過程中,磷酸基團是光反應(yīng)產(chǎn)物　　　　　的組分。?(2)圖1的O~A段表明無機磷不是光合作用中　　　　　　過程的主要限制因素。由圖2可知,光照下,與高磷相比,低磷條件的蔗糖和淀粉含量分別是　　　　　　　　;不論高磷、低磷,24 h內(nèi)淀粉含量的變化是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。?(3)實驗可用光電比色法測定淀粉含量,其依據(jù)是　 　。為確定葉片光合產(chǎn)物的去向,可采用　　　　　　　　　　　　　法。?
答案 (1)液泡　ATP和NADPH　(2)光反應(yīng)　較低、較高　光照下淀粉含量增加,黑暗下淀粉含量減少　(3)淀粉遇碘顯藍色,其顏色深淺與淀粉含量在一定范圍內(nèi)成正比　14CO2的同位素示蹤解析 (1)成熟植物細胞具有中央大液泡,是植物細胞貯存無機鹽類、糖類、氨基酸、色素等的“大倉庫”,所以無機磷主要貯存于大液泡中。光合作用過程中,光反應(yīng)產(chǎn)物有O2、ATP和NADPH,而磷酸基團是ATP和NADPH的組分。
(2)圖1中O~A段,隨光照強度增大,凈光合速率增大,表明這時限制因素為光照強度,即光反應(yīng)限制了光合作用;且高磷和低磷條件下大豆葉片凈光合速率的曲線完全重合,說明無機磷不是光合作用中光反應(yīng)過程的主要限制因素。由圖2可知,光照下,與高磷相比,低磷條件的蔗糖含量低,而淀粉含量高;不論高磷、低磷,24 h內(nèi)淀粉含量的變化趨勢均為光照下淀粉含量增加,黑暗下淀粉含量減少。(3)光電比色法是借助光電比色計來測量一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,然后根據(jù)被測試液的吸光度,從標(biāo)準(zhǔn)曲線上求出被測物質(zhì)的含量的方法。淀粉遇碘顯藍色,其顏色深淺與淀粉含量在一定范圍內(nèi)成正比,可用于糖的定量,故用光電比色法測定淀粉含量;為確定葉片光合產(chǎn)物的去向,可采用(放射性)同位素示蹤法標(biāo)記14CO2,通過觀察放射性出現(xiàn)的位置進而推測葉片光合產(chǎn)物的去向。
方法突破1.構(gòu)建光合作用與細胞呼吸關(guān)系的數(shù)學(xué)模型建構(gòu)模型:
(1)3種速率的表示方法
(3)數(shù)學(xué)公式真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率
2.分析一晝夜中植物代謝強度變化的兩個曲線(1)自然環(huán)境中,綠色植物一晝夜內(nèi)CO2的吸收與釋放速率的曲線分析
(2)相對密閉的環(huán)境中,一晝夜CO2含量的變化曲線分析
光合作用與氣孔知識必備光合作用的氣孔限制和非氣孔限制氣孔是植物體與外界環(huán)境進行H2O和CO2等氣體交換的重要門戶,也是氣體交換的調(diào)節(jié)機構(gòu):既能讓光合作用需要的CO2通過,又能防止過多的水分損失。高效的擴散速率解決了CO2吸收的問題,卻引起另一個問題,就是水分的散失也太快:植物通常有90%以上的水分是通過氣孔散失的。如何解決水分與CO2矛盾,成為氣孔調(diào)節(jié)的核心問題。
植物解決水分與CO2矛盾的方法之一是根據(jù)不同的氣候環(huán)境調(diào)節(jié)氣孔的密度、位置、大小以及結(jié)構(gòu)。此外,植物對氣孔開閉行為的調(diào)節(jié)也起著重要作用。氣孔開閉主要的調(diào)節(jié)因子有晝夜節(jié)律、紅藍光、脫落酸(ABA)、CO2濃度、大氣濕度、溫度等。這些因素又直接或間接地與水分和CO2有關(guān)。若光合作用的減弱是氣孔開度變小影響了CO2向固定部位的擴散造成的,則這種限制稱為光合作用的氣孔限制,如光照、水分、溫度。若外界環(huán)境影響到葉肉細胞的同化能力,則即使細胞間隙中CO2濃度很高,光合作用仍然很弱,這種限制稱為光合作用的非氣孔限制,如氧氣、CO2濃度、酶。
專項突破典例.(2022河北)為探究水和氮對光合作用的影響,研究者將一批長勢相同的玉米植株隨機均分成3組,在限制水肥的條件下做如下處理:(1)對照組;(2)施氮組,補充尿素(12 g/m2);(3)水+氮組,補充尿素(12 g/m2)同時補水。檢測相關(guān)生理指標(biāo),結(jié)果見下表。
注:氣孔導(dǎo)度反映氣孔開放的程度
回答下列問題。(1)植物細胞中自由水的生理作用包括　　　　　　　　　　　　　等(寫出兩點即可)。補充水分可以促進玉米根系對氮的　　　　　　　　　　,提高植株氮供應(yīng)水平。?(2)參與光合作用的很多分子都含有氮。氮與　　離子參與組成的環(huán)式結(jié)構(gòu)使葉綠素能夠吸收光能,用于驅(qū)動　　　　　　　　兩種物質(zhì)的合成以及　　　的分解;RuBP羧化酶將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)轸然拥健　　》肿由?反應(yīng)形成的產(chǎn)物被還原為糖類。?(3)施氮同時補充水分增加了光合速率,這需要足量的CO2供應(yīng)。據(jù)實驗結(jié)果分析,葉肉細胞CO2供應(yīng)量增加的原因是　　　　　　　　　　　　。?
答案 (1)參與化學(xué)反應(yīng)、細胞內(nèi)的良好溶劑、運輸養(yǎng)料和廢物等　吸收和運輸　(2)鎂　ATP和NADPH　H2O　C5　(3)氣孔開放程度升高,CO2吸收量增加解析 (1)細胞中自由水的生理作用包括參與化學(xué)反應(yīng)、是細胞內(nèi)的良好溶劑、運輸養(yǎng)料和廢物等。補充水分可以促進玉米根系對氮的吸收和運輸。(2)氮與Mg2+參與組成的環(huán)式結(jié)構(gòu)使葉綠素能吸收光能,用于ATP、NADPH的合成及水的光解。暗反應(yīng)中CO2首先與五碳化合物(C5)結(jié)合生成C3。(3)從實驗結(jié)果可以看出,施氮同時補充水分時氣孔導(dǎo)度增大,說明氣孔開放程度升高,吸收CO2增多。
專項訓(xùn)練1.(2022山東臨沂一模)科研人員以野生型擬南芥植株為材料進行了相關(guān)實驗,其葉肉細胞滲透壓、葉片ABA(脫落酸)含量和氣孔阻力(與氣孔開閉程度有關(guān),氣孔全開時氣孔阻力最小)之間的變化關(guān)系如圖1所示,ABA調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉與保衛(wèi)細胞內(nèi)K+濃度有關(guān),其作用機制如圖2所示。
(1)擬南芥葉肉細胞中光合色素分布在　　　　　,作用是　　　　　　　　　　　　　　　。?(2)據(jù)圖分析可知,恢復(fù)澆水能提高擬南芥光合作用強度,理由是　　　　　　　　　。(3)由圖2可知,當(dāng)ABA與受體結(jié)合后,通過關(guān)閉氣孔和抑制氣孔打開兩條途徑協(xié)同作用,即　　　　　　　　　　　　,調(diào)節(jié)保衛(wèi)細胞內(nèi)K+濃度,使氣孔維持關(guān)閉狀態(tài)。為進一步研究ABA受體與氣孔關(guān)閉的關(guān)系,研究者以野生型擬南芥植株和超表達ABA受體基因的擬南芥植株為材料設(shè)置對照實驗,進行培養(yǎng)并定期測量葉片的　　　　　　　　。若　　　　　　　　　　　　,則說明ABA受體增多能夠加速氣孔關(guān)閉。
(4)研究發(fā)現(xiàn),在干旱條件下,ABA濃度與光合色素降解程度呈正相關(guān)。請以擬南芥ABA缺失突變體為材料,設(shè)計實驗驗證該結(jié)論。寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果(光合色素含量的測定方法不作要求)。
答案 (1)葉綠體類囊體薄膜上　吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能　(2)ABA含量降低,氣孔阻力減小,CO2供應(yīng)增加,光合作用增強　(3)促使保衛(wèi)細胞內(nèi)Ca2+增加,促進K+外流,同時抑制K+內(nèi)流　氣孔阻力(或氣孔直徑)　實驗組葉片的氣孔阻力大于(或氣孔直徑小于)對照組　(4)實驗思路:取經(jīng)過干旱處理的擬南芥ABA缺失突變體若干并分組編號,用不同濃度的ABA溶液處理,再置于相同且適宜條件下培養(yǎng)。一段時間后測定各組葉片的光合色素含量。預(yù)期結(jié)果:隨著ABA濃度的增大,擬南芥ABA缺失突變體中光合色素含量逐漸下降。
解析 (1)葉綠體中的光合色素分布在類囊體膜上,這些色素能夠吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能。(2)據(jù)圖可知,干旱處理后能增大葉片細胞的滲透壓,進而促進ABA的合成和分泌,導(dǎo)致氣孔關(guān)閉,CO2供應(yīng)減少;恢復(fù)澆水后,ABA含量下降,氣孔打開,CO2供應(yīng)增加,因此可推知干旱處理會降低植物的光合作用,恢復(fù)澆水則有利于光合作用。(3)實驗結(jié)果顯示氣孔阻力與ABA含量變化趨勢一致,因此推測對氣孔調(diào)節(jié)功能喪失的突變體施加一定濃度的ABA后,與對照組相比,如果表現(xiàn)為氣孔阻力增加,則說明該突變體的氣孔開閉異常是ABA合成缺陷導(dǎo)致的。
(4)本實驗的目的是要驗證在干旱條件下,ABA濃度與光合色素降解程度呈正相關(guān),而且題干已經(jīng)給了實驗材料,根據(jù)實驗?zāi)康目芍緦嶒灥淖宰兞渴怯貌煌瑵舛忍荻鹊腁BA處理擬南芥ABA缺失突變體,因變量是擬南芥色素含量的變化,無關(guān)變量保持相同且適宜。實驗設(shè)計如下:取經(jīng)過干旱處理的擬南芥ABA缺失突變體若干并分組編號,用不同濃度的ABA溶液處理,再置于相同且適宜條件下培養(yǎng)。一段時間后測定各組葉片的光合色素含量。預(yù)期結(jié)果:隨著ABA濃度的增大,擬南芥ABA缺失突變體中光合色素含量逐漸下降。
2.(2022山東日照二模)為研究高溫條件下不同干旱水平對大豆光合作用的影響。研究人員選取發(fā)育進程與長勢基本一致的轉(zhuǎn)基因大豆幼苗,在38 ℃高溫條件下設(shè)置正常(CK)、中度干旱(L)和重度干旱(M)3組來進行一系列實驗,結(jié)果如下圖所示?；卮鹣铝袉栴}。
(1)研究人員發(fā)現(xiàn),隨著高溫干旱時間的延長,大豆葉片逐漸變黃,這主要是由大豆葉肉細胞葉綠體中　　　　　　　　　　上的葉綠素含量降低引起的。?(2)經(jīng)測定,高溫干旱條件下大豆細胞中脯氨酸等可溶性小分子物質(zhì)的含量增加,其意義是　　　　　　　　　　。?(3)分析圖中數(shù)據(jù)可知,第2~4天大豆凈光合速率下降的主要原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。由結(jié)果可以推斷,第4~6天大豆凈光合速率下降主要是由非氣孔因素導(dǎo)致的,依據(jù)是　　　　　　　。?(4)請設(shè)計實驗,探究導(dǎo)致大豆凈光合速率下降的主要因素是高溫還是干旱(寫出實驗設(shè)計思路)。
答案 (1)類囊體薄膜(基粒)　(2)提高細胞的滲透壓,增強細胞的吸水能力　(3)氣孔導(dǎo)度下降,胞間CO2含量降低　氣孔導(dǎo)度下降,胞間CO2含量反而升高　(4)將生長狀況良好的大豆幼苗隨機均分為甲、乙、丙三組,甲組在溫度和濕度均適宜的條件下培養(yǎng),乙組在高溫、濕度適宜的條件下培養(yǎng),丙組在溫度適宜、干旱條件下培養(yǎng),將乙、丙兩組的凈光合速率分別與甲組進行比較。
解析 (1)隨著高溫干旱時間的延長,大豆葉片逐漸變黃,是葉綠素含量降低導(dǎo)致,葉綠素分布在葉綠體的類囊體薄膜上。(2)水的滲透方向是從低濃度到高濃度,干旱時,外界濃度升高,吸水困難,植物需要提高自身的濃度,也就是通過提高滲透壓來提高細胞的吸水能力,所以大豆細胞中脯氨酸等可溶性小分子物質(zhì)的含量增加。(3)植物葉片通過氣孔從外界吸收CO2,CO2含量下降將會導(dǎo)致光合速率下降,進而導(dǎo)致凈光合速率下降,分析題圖可知,第2~4天大豆凈光合速率下降的主要原因是氣孔導(dǎo)度下降,吸收的CO2減少,導(dǎo)致胞間CO2含量降低;由結(jié)果可以推斷,第4~6天大豆凈光合速率下降,此時氣孔導(dǎo)度繼續(xù)在下降,胞間CO2含量反而升高,由此推測主要是由非氣孔因素導(dǎo)致的。

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