考點一　葉綠體的結(jié)構(gòu)及色素
特別提醒(1)色素不只分布于葉綠體中,也可分布于液泡中,但是液泡中的色素不能用于光合作用。(2)葉綠體不是細胞進行光合作用的唯一場所,如藍細菌沒有葉綠體,它進行光合作用的場所是光合膜。
2.色素及其吸收光譜
特別提醒影響葉綠素合成的三大因素
[練一練]1.判斷下列說法正誤。(1)葉肉細胞中的色素分布在葉綠體中,其中葉黃素和胡蘿卜素主要吸收藍紫光,葉綠素主要吸收藍紫光和紅光。(　　)提示 葉肉細胞中的色素分布在液泡和葉綠體中,光合色素分布在葉綠體中。(2)秋天氣溫降低,類胡蘿卜素在低溫下穩(wěn)定性高于葉綠素,故樹葉變黃。(　　)
(3)大棚蔬菜生產(chǎn)中,用無色透明的塑料薄膜做頂棚比有色塑料薄膜產(chǎn)量高,如果陰天或夜間應該給大棚內(nèi)的農(nóng)作物補紅光和藍紫光。(　　)(4)缺鎂會引起葉片發(fā)黃,其原因是缺鎂會導致類胡蘿卜素的合成因原料不足而變慢或停止,葉綠素的含量相對升高而顏色逐漸顯露出來。(　　)提示 類胡蘿卜素不含鎂元素。
2.結(jié)合必修1第99頁“小資料”思考:(1)研究光合作用釋放氧氣的來源實驗方法是什么?
(2)光合作用CO2和H2O中O的去路是什么?
提示 同位素示蹤法。
提示 6C18O2→C6H1218O6+6H218OH218O→18O2
3.長句訓練。土壤中缺鎂時會引起植物葉片發(fā)黃,其原因是? 　。?
提示 缺鎂會導致葉綠素的合成因原料不足而變慢或停止,類胡蘿卜素的含量相對升高而顏色逐漸顯露出來
考向一　光合色素與葉綠體[典例1](2022湖北卷)某植物的2種黃葉突變體表型相似,測定各類植株葉片的光合色素含量(單位:μg·g-1),結(jié)果如表。下列有關(guān)敘述正確的是(　　)A.兩種突變體的出現(xiàn)增加了物種多樣性B.突變體2比突變體1吸收紅光的能力更強C.兩種突變體的光合色素含量差異,是由不同基因的突變所致D.葉綠素與類胡蘿卜素的比值大幅下降可導致突變體的葉片呈黃色
解析 兩種突變體之間并無生殖隔離,仍屬同一物種,只能體現(xiàn)遺傳多樣性, A項錯誤;葉綠素主要吸收紅光和藍紫光,突變體2的葉綠素a和葉綠素b的含量比突變體1少,故突變體2比突變體1吸收紅光的能力弱,B項錯誤;兩種突變體的光合色素含量差異,可能是同一個基因突變方向不同導致的,C項錯誤;野生型的葉綠素與胡蘿卜素的比值為4.19,葉綠素含量較高,葉片呈綠色,突變體葉綠素與類胡蘿卜素的比值大幅下降,葉綠素含量少,不能掩蓋類胡蘿卜素的顏色,此時葉片呈黃色,D項正確。
易錯提示(1)物種多樣性是指生物種類的豐富程度,兩個突變體沒有形成生殖隔離,還是同一物種,由于基因突變導致遺傳物質(zhì)不同,這屬于遺傳多樣性。(2)葉綠體中的葉綠素a和葉綠素b分別呈現(xiàn)藍綠色、黃綠色。葉綠體中還有許多種黃色、橙色和紅色的色素,合稱為類胡蘿卜素,其中胡蘿卜素為橙色,葉黃素為黃色。葉綠素分子易被破壞,類胡蘿卜素較穩(wěn)定,葉片顯示出類胡蘿卜素的顏色時葉片變黃。
[對點練] 1.(2023全國乙卷)植物葉片中的色素對植物的生長發(fā)育有重要作用。下列有關(guān)葉綠體中色素的敘述,錯誤的是(　　)A.氮元素和鎂元素是構(gòu)成葉綠素分子的重要元素B.葉綠素和類胡蘿卜素存在于葉綠體中類囊體的膜上C.用不同波長的光照射類胡蘿卜素溶液,其吸收光譜在藍紫光區(qū)有吸收峰D.葉綠體中的色素在層析液中的溶解度越高,隨層析液在濾紙上擴散得越慢
解析 葉綠素中含有氮元素和鎂元素,所以氮元素和鎂元素是構(gòu)成葉綠素分子的重要元素,A項正確。葉綠體中的色素分布在其類囊體膜上,B項正確。類胡蘿卜素主要吸收藍紫光,所以其吸收光譜在藍紫光區(qū)有吸收峰,C項正確。葉綠體中的色素在層析液中的溶解度越高,隨層析液在濾紙條上擴散得越快,D項錯誤。
2.(2021浙江6月選考)滲透壓降低對菠菜葉綠體光合作用的影響如圖所示,圖甲是不同山梨醇濃度對葉綠體完整率和放氧率的影響,圖乙是兩種濃度的山梨醇對完整葉綠體ATP含量和放氧量的影響。CO2以 形式提供,山梨醇為滲透壓調(diào)節(jié)劑,0.33 ml·L-1時葉綠體處于等滲狀態(tài)。
據(jù)圖分析,下列敘述錯誤的是(　　)A.與等滲相比,低滲對完整葉綠體ATP合成影響不大,光合速率大小相似B.滲透壓不同、葉綠體完整率相似的條件下,放氧率差異較大C.低滲條件下,即使葉綠體不破裂,卡爾文循環(huán)效率也下降D.破碎葉綠體占全部葉綠體比例越大,放氧率越低
解析 由圖乙可知,與等滲相比,低滲對完整葉綠體ATP合成影響不大,但在低滲山梨醇濃度下,放氧速率減慢,光合速率降低,A項錯誤;由圖甲可知,滲透壓不同、葉綠體完整率相似的條件下,放氧率差異較大,B項正確;低滲條件下,即使葉綠體不破裂,光合速率降低,光反應產(chǎn)生的ATP和NADPH含量降低,卡爾文循環(huán)效率也下降,C項正確;光合作用的場所是葉綠體,破碎葉綠體占全部葉綠體比例越大,放氧率越低,D項正確。
考向二　色素及其吸收光譜[典例2]如圖表示葉綠體中色素的吸收光譜。據(jù)圖判斷,以下說法錯誤的是(　　)A.據(jù)圖分析,在研究葉綠素的過程中,為減少類胡蘿卜素的干擾,最好選用紅光區(qū)B.進入秋季,植物對420~470 nm波長的光的利用量減少C.用450 nm左右波長的光比600 nm左右波長的光更有利于提高光合作用強度D.由550 nm波長的光轉(zhuǎn)為670 nm波長的光后,短時間內(nèi)葉綠體中三碳酸的量增加
解析 由圖可知,類胡蘿卜素主要吸收400~500 nm波長的光,即藍紫光區(qū),在研究葉綠素的過程中,為減少類胡蘿卜素的干擾,最好選用紅光區(qū),A項正確;進入秋季,葉子變黃,葉綠素含量減少,植物對420~470 nm波長的光的利用量減少,B項正確;由圖可知,葉綠體中色素吸收450 nm左右波長的光比吸收600 nm左右波長的光要多,因此用450 nm左右波長的光比600 nm左右波長的光更有利于提高光合作用強度,C項正確;由圖可知,由550 nm波長的光轉(zhuǎn)為670 nm波長的光后,葉綠體中色素吸收的光變多,光反應產(chǎn)生的ATP和NADPH變多,而二氧化碳的濃度不變,五碳糖和二氧化碳形成三碳酸的速度不變,則短時間內(nèi)葉綠體中三碳酸的量減少,D項錯誤。
易錯提示(1)一般情況下,葉綠體中的色素只吸收可見光,而對紅外光和紫外光等不吸收。(2)葉綠素對紅光和藍紫光的吸收量大,類胡蘿卜素對藍紫光的吸收量大,它們對其他波段的光并非不吸收,只是吸收量較少。(3)葉綠素a與葉綠素b的吸收光譜很相似,但也略有不同:首先,葉綠素a在紅光部分的吸收帶寬些,在藍紫光部分的吸收帶窄些,而葉綠素b在紅光部分的吸收帶窄些,在藍紫光部分的吸收帶寬些;其次,與葉綠素b相比較,葉綠素a在紅光部分的吸收帶偏向長光波,而在藍紫光部分則偏向短光波。
[對點練] 3.如圖為葉綠素a的吸收光譜。下列敘述錯誤的是(　　)A.葉綠素a主要吸收紅光和藍紫光B.葉綠素a對不同波長光的吸收率可能相同C.圖中縱軸表示色素對相應波長光的吸收率D.若色素中混有鹽酸等雜質(zhì),所測得的結(jié)果與該圖一致
解析 葉綠素a主要吸收紅光和藍紫光,A項正確;據(jù)圖分析可知,如吸收率為40,有四種波長光,B項正確;圖中縱軸表示色素對相應波長光的吸收率,C項正確;色素中混有鹽酸等雜質(zhì),會破壞葉綠素的結(jié)構(gòu),則測得的結(jié)果與該圖不同,D項錯誤。
4.下圖表示某正常綠色植物的葉綠體中各類色素的吸收光譜,下列敘述錯誤的是(　　)A.葉綠體中含有多種黃色、橙色和紅色的色素,合稱類胡蘿卜素B.由550 nm波長的光轉(zhuǎn)為670 nm波長的光后,短時間內(nèi)葉綠體中ATP含量增加C.以葉綠體中提取的色素混合液進行吸收光譜分析,在670 nm處的吸收峰有2個D.對圖示吸收光譜進行分析,在紅光區(qū)存在吸收峰的有2種色素
解析 除了葉綠素外,葉綠體中還存在多種黃色、橙色和紅色的色素,合稱類胡蘿卜素,A項正確;由550 nm波長的光轉(zhuǎn)為670 nm波長的光后,色素吸收的光增加,光合作用光反應增強,所以短時間內(nèi)葉綠體中ATP含量增加,B項正確;從圖中看出,在670 nm處,色素混合液只有1個吸收峰,C項錯誤;葉綠素a和葉綠素b主要吸收紅光和藍紫光,類胡蘿卜素主要吸收藍紫光,在紅光區(qū)域(670 nm左右)存在吸收峰的有葉綠素a和葉綠素b,D項正確。
考點二　光合色素的提取和分離
特別提醒異常實驗結(jié)果(色素帶)分析(1)色素帶太淡的原因:葉片不夠濃綠導致色素含量不夠;提取時加過多乙醇使提取液色素濃度太低;提取時研磨不充分、迅速,導致研磨過程中色素提取少;畫濾液細線時未重復使分離色素不足。(2)色素帶不全的原因:葉片不夠濃綠或不新鮮,導致色素種類不全;CaCO3未加或不足,導致葉綠素遭到破壞;濾液暴露在陽光或空氣中時間過長,導致葉綠素遭到破壞。(3)色素帶不齊或重疊的原因:制濾紙條時染上了手上的油脂或其他臟物而影響色素擴散;濾紙條剪角不對稱;畫濾液細線太慢或未干就重復畫,導致濾液細線太粗,使色素帶彼此重疊等。
[練一練]1.判斷下列說法正誤。(1)色素都是有機物,易溶于有機溶劑而不溶于水,可用95%的乙醇等有機溶劑溶解、提取色素。(　　)提示 液泡中的色素是水溶性的。(2)濾液細線浸入層析液,可導致濾紙條上的色素帶重疊。(　　)提示 濾液細線浸入層析液,色素幾乎會全部溶解在層析液中,導致濾紙條上無色素帶。
(3)在濾紙條上4條平行分布的色素帶,自上而下依次為橙色的葉黃素、黃色的胡蘿卜素、黃綠色的葉綠素b、藍綠色的葉綠素a。(　　)提示 在濾紙條上4條平行分布的色素帶,自上而下依次為橙色的胡蘿卜素、黃色的葉黃素、藍綠色的葉綠素a、黃綠色的葉綠素b。(4)若收集的濾液呈淡綠色,原因可能是未加碳酸鈣、使用放置數(shù)天的菠菜葉。(　　)
2.結(jié)合必修1第100頁“活動”思考:提取葉綠體中的光合色素,也可用如圖1所示的方法,即在圓心a處滴加適量濾液,待干燥后向培養(yǎng)皿中倒入層析液進行層析,結(jié)果會出現(xiàn)不同顏色的4個同心圓(如圖2),則①~④依次對應的色素及顏色: 圖1 圖2①　　　 　(　　　　色),②　　　 　　(　　　色),③　　　　 (　　　　色),④　　 　　(　　　色)。?
3.長句訓練。某同學在做光合色素的提取和分離的實驗時,觀察到的色素帶顏色較淺,其原因可能是? 　。?
提示 95%的乙醇加入量太多、未加CaCO3、未加SiO2、使用放置了數(shù)天的菠菜葉、只畫了一次濾液細線等
考向一　光合色素的提取和分離[典例1](2022浙江Z20名校聯(lián)盟第三次聯(lián)考)下列關(guān)于“光合色素的提取與分離”活動的敘述,正確的是(　　)A.提取色素時,研磨應充分、細致而緩慢,力求提取更多色素B.將研磨液倒入小玻璃漏斗時,應在漏斗基部放一塊單層紗布C.若收集的濾液呈淡綠色,原因可能是未加碳酸鈣、使用放置數(shù)天的菠菜葉D.色素分離后,濾紙條最上方是胡蘿卜素,說明其在層析液中的溶解度最小
解析 提取色素時,研磨應迅速且充分,減少有機溶劑的揮發(fā),A項錯誤;提取光合色素時需要用尼龍布來過濾研磨液,B項錯誤;若收集的濾液呈淡綠色,說明葉綠素含量較少,原因可能是未加碳酸鈣、使用放置數(shù)天的菠菜葉,C項正確;四種色素在層析液中的溶解度不同,溶解度越大,隨著層析液擴散的速度越快,濾紙條最上方是胡蘿卜素,說明其在層析液中的溶解度最大,D項錯誤。
總結(jié)歸納提高實驗效果的方法或措施及目的
[對點練] 1.如圖為光合作用色素紙層析的實驗結(jié)果,樣品分別為新鮮菠菜葉(A)和一種藍細菌(B)經(jīng)液氮冷凍研磨后的乙醇提取液。下列敘述錯誤的是(　　)A.以A為材料,若研磨時未加入CaCO3,層析結(jié)果與B相同B.95%酒精可用于提取色素,層析液可用于分離色素C.層析過程需用軟木塞塞住層析試管管口D.實驗驗證了該種藍細菌沒有葉綠素b
解析 研磨時加入CaCO3是為了保護葉綠素,以A為材料,若研磨時未加入CaCO3,層析結(jié)果中下端的兩條色素帶都會消失,與B不相同,A項錯誤;光合色素能夠溶解在酒精中,可用95%酒精提取色素,層析液可用于分離色素,B項正確;層析液易揮發(fā),有毒,所以層析過程需用軟木塞塞住層析試管管口, C項正確;由圖可知,藍細菌不含有葉綠素b,D項正確。
考向二　光合色素的提取和分離與光合作用[典例2](2023浙里卷天下高三百校聯(lián)考)重金屬鎘(Cd)對土壤的污染是目前世界上需要解決的一個大問題,其很容易被植物吸收富集,影響動植物生長和發(fā)育,最終會危害人的健康。為探究鎘對植物生長發(fā)育的影響,科研人員利用某品種水稻進行實驗,結(jié)果如圖。請回答下列問題。(RuBP羧化酶是催化五碳糖與二氧化碳反應生成三碳酸的酶,細胞色素c是一種蛋白質(zhì),存在于線粒體內(nèi)膜上,起電子傳遞作用)
(1)從實驗結(jié)果可知,隨著鎘濃度的增加,葉綠素a含量下降,層析結(jié)果是葉綠素a在濾紙條上自上而下第　　　　條色素帶寬度變窄和　　　　　 ,導致吸收的　　　　 　光明顯減少,光合作用強度下降。?(2)從實驗結(jié)果可知,碳反應產(chǎn)生的三碳糖減少,原因一可能是光反應弱,產(chǎn)生的　　 　　少,導致三碳酸的還原受阻,另一原因可能是　? 　。RuBP羧化酶被破壞,活性下降,導致生成的三碳酸減少(3)請結(jié)合圖中數(shù)據(jù)分析,鎘由中等濃度到高濃度細胞色素c明顯下降的機理可能是:隨鎘濃度的增加,直接導致　　　　　　　 　　　;隨鎘濃度的增加,導致線粒體內(nèi)的　　　　　結(jié)構(gòu)受損加劇而減少,從而也進一步導致　　　 　下降,產(chǎn)生的能量減少,根系對Mg2+的吸收能力下降,葉綠素a含量下降。?
細胞色素c的空間結(jié)構(gòu)被破壞
(4)被重金屬鎘(Cd)污染的土壤具有隱蔽性和　　　　　性,治理污染,要控制劣質(zhì)農(nóng)藥、化肥的使用,對垃圾進行分類處理等是控制土壤污染的主要措施。?
解析 (1)層析結(jié)果自上而下依次是胡蘿卜素、葉黃素、葉綠素a、葉綠素b,葉綠素a在濾紙條上自上而下為第3條色素帶。葉綠素a含量下降,層析色素帶的寬度變窄和顏色變淡,導致吸收的紅光和藍紫光明顯減少,光合作用強度下降。(2)碳反應產(chǎn)生的三碳糖減少,原因一可能是光反應弱,產(chǎn)生的ATP和NADPH少,導致三碳酸的還原受阻,另一原因可能是RuBP羧化酶被破壞,活性下降,導致生成的三碳酸減少。
(3)細胞色素c是一種蛋白質(zhì),存在于線粒體內(nèi)膜上,起電子傳遞作用,鎘由中等濃度到高濃度,細胞色素c含量明顯下降,可能是隨鎘濃度的增加,直接導致細胞色素c的空間結(jié)構(gòu)被破壞;隨鎘濃度的增加,導致線粒體內(nèi)的內(nèi)膜結(jié)構(gòu)受損加劇而減少,線粒體內(nèi)膜是進行需氧呼吸的場所,從而也進一步導致細胞呼吸強度下降,產(chǎn)生的能量減少,根系對Mg2+的吸收能力下降,葉綠素a含量下降。(4)被重金屬鎘(Cd)污染的土壤不能及時表現(xiàn)出來,具有隱蔽性和滯后性。
[對點練] 2.(2023浙江溫州適應性考試)鹽脅迫是限制作物生長和產(chǎn)量的環(huán)境因素之一。為探究脫落酸(ABA)對鹽脅迫下香椿幼苗離子吸收和光合作用的影響,得到實驗數(shù)據(jù)如下:
注:NaCl濃度為150 mml·L-1,模擬鹽脅迫的環(huán)境;1ABA表示施加1 μml·L-1的脫落酸,以此類推。
回答下列問題。(1)本實驗的可變因素是　　　　　　　　　　　,測量凈光合速率的指標是　　　　　　　　 　　　。?(2)Mg2+是植物葉片中　　　　　的必需成分,可用紙層析法將該物質(zhì)與其他葉綠體色素分離的依據(jù)是　 。?兩者(葉綠素和類胡蘿卜素)在層析液中的溶解度不同,在濾紙上的擴散速度不同(3)據(jù)表推知,鹽脅迫會　　　　　(填“促進”或“抑制”)幼苗的氣孔關(guān)閉,導致　　　　　循環(huán)中還原形成　　　　的量改變,從而影響光合作用速率。(4)根據(jù)實驗結(jié)果,能得出的實驗結(jié)論是?? 　(答出2點即可)。適宜濃度的ABA能有效提高鹽脅迫下香椿對Mg2+的吸收及其凈光合速率,而且10ABA緩解效果最好
NaCl和不同濃度的ABA
單位時間單位葉面積CO2吸收量
解析 (1)本實驗的目的是探究脫落酸(ABA)對鹽脅迫下香椿幼苗離子吸收和光合作用的影響,自變量為NaCl和不同濃度的ABA,因變量為葉中Mg2+含量、氣孔導度、胞間CO2濃度、凈光合速率。凈光合速率可用單位時間單位葉面積CO2吸收量表示。(2)Mg2+是植物葉片中葉綠素的必需成分。各色素(葉綠素和類胡蘿卜素)隨層析液在濾紙上的擴散速度不同,溶解度大,擴散速度快,溶解度小,擴散速度慢,因此,可用紙層析法將葉綠素和類胡蘿卜素分離。
(3)據(jù)表可知,單獨采用NaCl的實驗組,其所有指標均低于對照組,這是因為過高濃度的NaCl抑制根對水分的吸收,使氣孔導度減小,使葉肉細胞對二氧化碳的吸收量降低,二氧化碳和五碳糖結(jié)合形成的三碳酸的量降低,因此卡爾文循環(huán)中還原形成三碳糖的量減少,從而影響光合作用速率。(4)三組添加ABA的處理組中,濃度為10 μml/L ABA的鹽脅迫緩解作用最好,100 μml/L ABA的處理效果甚至低于NaCl處理組,由此說明,適宜濃度的ABA能有效提高鹽脅迫下香椿對Mg2+的吸收及其凈光合速率,而且10ABA緩解效果最好。
3.(2023浙江杭州二模)研究遮陰對某一年生植物光合作用的影響。研究人員從開花至果實成熟,每天定時對該植物采用黑色遮陽網(wǎng)進行遮陰處理。測定不遮陰(甲組)和適當遮陰下(乙組和丙組)的實驗結(jié)果見下表,其中光補償點指當光合速率等于呼吸速率時的光強度。
回答下列問題。(1)從實驗結(jié)果可知,該植物通過增加　　　 　　,提高吸收光的能力,進而適應弱光環(huán)境。欲提取該植物葉片的光合色素,在葉片量一定的情況下,為了提高提取液色素濃度,除了選取新鮮綠葉、適當減少95%乙醇的用量、添加二氧化硅充分研磨外,還可以采取的措施有　　　　 　、　　　　 　。若采用分光光度計通過對光的吸收率來測定葉綠素的含量,應選用　　　　　(填“藍紫光”“紅光”或“綠光”)照射。?
(2)與乙組相比,相同條件下丙組的總光合速率降低了　 　μml·m-2 ·s-1。若向培養(yǎng)該植物的溫室內(nèi)通入14CO2,在酶的催化下,位于　　 　　的五碳糖與14CO2結(jié)合,生成的第一個放射性物質(zhì)是　　　　　,該物質(zhì)隨即分解成三碳酸分子,并進一步被NADPH　　　　　(填“氧化”或“還原”)形成三碳糖。?
(3)當光照強度為植物的光補償點時,植物葉肉細胞呼吸作用消耗的有機物量　　　　　(填“大于”“等于”或“小于”)該細胞中光合作用制造的有機物量。根據(jù)相關(guān)指標的分析,在該植物與其他高稈作物進行間種時,高稈作物一天內(nèi)對該植物的遮陰時間不超過2 h才能獲得較高的產(chǎn)量,做出此判斷的依據(jù)是　?? 　。?遮陰不超過2 h的條件下(對照不遮陰和遮陰2 h),單株光合產(chǎn)量與不遮陰時相差不大;隨著遮陰時間延長,單株光合產(chǎn)量明顯下降
解析 (1)從表中數(shù)據(jù)可以看出,遮陰一段時間后,該植株的葉綠素含量升高,提高了對光的吸收能力。即該植株通過增加葉綠素含量,提高吸收光的能力,進而適應弱光環(huán)境。在葉片量一定的情況下,為了提高提取液色素濃度,可以將葉片放入烘箱中烘干并粉碎,更利于原料與有機溶劑的接觸,提高提取效率,也可以加入碳酸鈣,防止葉綠素被破壞,利于色素的提取。葉綠體中的色素主要是葉綠素和類胡蘿卜素,其中葉綠素主要吸收紅光和藍紫光,類胡蘿卜素主要吸收藍紫光,若采用分光光度計通過對光的吸收率來測定葉綠素的含量,應選用紅光照射。
(2)總光合速率=呼吸速率+凈光合速率,其中乙組的總光合速率為15.3+0.9=16.2(μml·m-2·s-1),丙組的總光合速率為11.4+0.4=11.8(μml·m-2·s-1)。與乙組相比,相同條件下丙組的總光合速率降低了4.4 μml·m-2·s-1。若向培養(yǎng)該植物的溫室內(nèi)通入14CO2,在酶的催化下,位于葉綠體基質(zhì)中的五碳糖與14CO2結(jié)合,生成的第一個放射性物質(zhì)是六碳分子,該物質(zhì)隨即分解成三碳酸分子,并進一步被NADPH(光反應產(chǎn)物)還原形成三碳糖。
(3)當光照強度為植物的光補償點時,植物的光合作用強度等于細胞呼吸強度,但植物體內(nèi)存在無法進行光合作用的細胞,則植物葉肉細胞中光合作用大于細胞呼吸,說明細胞呼吸消耗的有機物量小于該細胞中光合作用制造的有機物量。根據(jù)表格數(shù)據(jù)可知,遮陰不超過2 h的條件下(對照不遮陰和遮陰2 h),單株光合產(chǎn)量與不遮陰時相差不大;隨著遮陰時間延長,單株光合產(chǎn)量明顯下降,則在該植物與其他高稈作物進行間種時,高稈作物一天內(nèi)對該植物的遮陰時間不超過2 h才能獲得較高的產(chǎn)量。
考點三　光反應與碳反應
特別提醒(1)葉綠體并非光合作用的必要條件,如藍細菌,雖沒有葉綠體,但也能進行光合作用。(2)每個三碳酸分子接受來自NADPH和ATP的能量,被NADPH還原形成三碳糖,這是CO2分子進入卡爾文循環(huán)后形成的第一個糖。(3)卡爾文循環(huán)雖然不直接需要光,但只有在有光的條件下才能一輪一輪地循環(huán)。(4)三碳糖的形成標志著光合作用合成糖的過程已經(jīng)完成。(5)光反應停止,碳反應不會立刻停止,因為光反應產(chǎn)生的NADPH和ATP還可以維持極短時間的碳反應。
[練一練]1.判斷下列說法正誤。(1)NADPH是氫的載體,在光反應中由NADP+接受H+和e-而生成,作為碳反應的還原劑。(　　)(2)葉綠體內(nèi)ATP的轉(zhuǎn)移途徑是從類囊體膜到葉綠體基質(zhì)。(　　)(3)光反應為碳反應提供NADP+、ADP和Pi,碳反應為光反應提供NADPH、ATP。(　　)提示 光反應為碳反應提供NADPH、ATP,碳反應為光反應提供NADP+、ADP和Pi。
(4)光合作用中碳反應的產(chǎn)物三碳糖,在葉綠體內(nèi)能作為合成淀粉、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的原料而被利用,但大部分是運至細胞外,并且轉(zhuǎn)變成蔗糖,供植物體所有細胞利用。(　　)提示 大部分三碳糖運至葉綠體外,并且轉(zhuǎn)變成蔗糖,供植物體所有細胞利用。(5)某正常進行光合作用的綠色植物,突然間停止光照,短時間內(nèi)細胞內(nèi)五碳糖的含量增多。(　　)提示 某正常進行光合作用的綠色植物突然停止光照,NADPH和ATP合成停止,三碳酸還原生成的五碳糖減少,而CO2固定消耗的五碳糖暫時不變,因此短時間內(nèi)五碳糖含量減少。
2.結(jié)合必修1第108頁“課外讀”思考:用14C標記參加光合作用的二氧化碳,可以了解碳反應的什么過程?
提示 卡爾文循環(huán)(或二氧化碳被還原為糖的過程)。
3.長句訓練。離體的葉綠體在光照下進行穩(wěn)定的光合作用時,如果突然中斷CO2的供應,短時間內(nèi)葉綠體中三碳酸、五碳糖及ATP相對含量的變化分別是　　　　 　　　,其原因是　????? 　。提示 CO2含量的改變直接影響的是碳反應中CO2的固定過程,當CO2含量由高到低時,CO2的固定過程變?nèi)?該反應的反應物五碳糖消耗減少,剩余的五碳糖相對增多;生成物三碳酸減少,使得三碳酸的還原減弱,則消耗的NADPH和ATP量減少,所以NADPH和ATP剩余的量增多?
考向一　光合作用基本過程[典例1](2023浙江金華一模改編)馬鈴薯的地下塊莖中富含淀粉,是葉片光合產(chǎn)物輸出后形成的產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn),連續(xù)陰雨或缺乏磷肥常常導致塊莖發(fā)育不良。研究人員分離出葉肉細胞的葉綠體,將其置于幾種含有不同濃度蔗糖的反應介質(zhì)溶液(滲透壓適宜)中,對光合速率進行了測定。圖1為馬鈴薯葉肉細胞內(nèi)重要含碳化合物的轉(zhuǎn)化和運輸過程,其中M為磷酸轉(zhuǎn)運器,需同時反向轉(zhuǎn)運三碳糖和磷酸分子,甲、乙為發(fā)生代謝的具體部位。圖2為適宜溫度下隨反應介質(zhì)中的蔗糖濃度升高測得的光合速率變化曲線。
回答下列問題。(1)圖1中部位甲為　　 　　　,部位乙為　　　　　　　。?(2)從能量變化的角度分析,CO2合成三碳糖的反應類型屬于　　　　　反應,所需的能源物質(zhì)是　　　　 　,因此在長時間連續(xù)陰雨光照較弱條件下,由于能源不足導致葉綠體內(nèi)五碳糖的含量　　　　　,三碳糖的含量　　　　　,進而影響塊莖中淀粉的積累。?
(3)若以CO2為檢測指標,圖2測得的光合速率可以表示為　　　　　　　　　　 　　　　　。圖中光合速率曲線下降是由于葉綠體外蔗糖濃度增大直接導致　　　 　受阻,從而抑制了光合作用碳反應的進行。?(4)已知五碳糖、三碳糖均含有磷,結(jié)合本題信息,試分析缺乏磷肥導致塊莖發(fā)育不良的可能原因?? 　。?多種需磷的相關(guān)物質(zhì)合成受阻,進而使光合速率下降。M的轉(zhuǎn)運功能受阻,三碳糖輸出速率下降,導致蔗糖、塊莖淀粉合成減少
單位時間單位體積的葉綠體固定的CO2的量
解析 (1)圖1甲中進行的是光合作用碳反應階段,所以部位甲為葉綠體基質(zhì)。乙處合成蔗糖,部位乙為細胞溶膠。(2)CO2合成三碳糖,相當于CO2固定和三碳酸的還原兩步,由無機碳合成了有機碳,需要ATP、NADPH提供能量,屬于吸能反應。當長時間連續(xù)陰雨光照較弱時,光反應為碳反應提供的ATP、NADPH減少,在新的條件下處于平衡狀態(tài),五碳糖、三碳糖含量均下降。
(3)圖2為分離出葉綠體后測定的光合速率,不存在細胞呼吸,即為總光合作用,可以表示為單位時間單位體積的葉綠體固定的CO2的量。由圖2可知,當反應介質(zhì)中蔗糖濃度升高時,光合速率下降。結(jié)合圖1可知,葉綠體基質(zhì)中合成的三碳糖轉(zhuǎn)運出葉綠體后,經(jīng)過脫磷酸反應合成蔗糖。若外界蔗糖含量高,可能會抑制三碳糖轉(zhuǎn)運,從而抑制光合速率。(4)莖塊中的有機物是葉片光合作用合成的三碳糖輸出后形成的,而三碳糖的轉(zhuǎn)運需要M磷酸轉(zhuǎn)運器的幫助;同時,三碳糖的合成也需要Pi,Pi的轉(zhuǎn)運也需要M磷酸轉(zhuǎn)運器。當缺乏磷肥時,相關(guān)的物質(zhì)合成均受到阻礙,光合速率下降。M的轉(zhuǎn)運功能也受阻,三碳糖轉(zhuǎn)運速率下降,蔗糖合成不足,進而導致塊莖中淀粉合成不足。
總結(jié)歸納(1)環(huán)境改變時光合作用各物質(zhì)含量的瞬間變化分析下圖中Ⅰ表示光反應,Ⅱ表示CO2的固定,Ⅲ表示三碳酸的還原,當外界條件(如光照、CO2)突然發(fā)生變化時,分析相關(guān)物質(zhì)含量在短時間內(nèi)的變化:
(2)環(huán)境改變時光合作用各物質(zhì)含量的長時變化分析當改變的條件促進光合作用時,長時間后光合作用在新條件下重新達到平衡,各物質(zhì)含量均增加;當改變的條件使光合作用減弱時,長時間后光合作用在新條件下重新達到平衡,各物質(zhì)含量均減少。
[對點練] 1.(2023浙江臺州第二次教學質(zhì)量評估)科學家成功研制了“人造葉綠體”,該研究從菠菜中分離出類囊體,與多種酶一起包裹在磷脂構(gòu)成的油包水小液滴中,該系統(tǒng)在光照條件實現(xiàn)了CO2的固定?！叭嗽烊~綠體”的結(jié)構(gòu)及相關(guān)反應過程如下圖所示,CETCH循環(huán)是一種新的二氧化碳-有機物化學循環(huán)?；卮鹣铝袉栴}。
(1)由圖可推測“人造葉綠體”外膜由　　　　　層磷脂分子組成,且磷脂分子的“頭部”在“人造葉綠體”的　　　　　(填“內(nèi)”或“外”)側(cè)。光照條件下,水在“人造葉綠體”的類囊體中被分解成　　　 　　。?(2)A物質(zhì)與葉綠體中的　　　　　(化合物)相似,不斷地被消耗和合成,若突然停止CO2供應,短時間內(nèi)A物質(zhì)的量將　　　　　。?(3)研究發(fā)現(xiàn),在乙醛酸還原成乙醇酸的反應過程中,“人造葉綠體”內(nèi)NADPH含量降低,ATP的含量提高,由此推測乙醛酸還原和三碳酸還原的不同之處可能是　 。?
乙醛酸的還原只需消耗NADPH,不消耗ATP
(4)有機物乙醇酸產(chǎn)生的場所相當于　　　　　　。下列各項中能用于檢測該“人造葉綠體”有效性的是　　　　　。?A.乙醇酸　　D.蔗糖(5)若要研究CO2參與CETCH循環(huán)時碳的去向,實驗思路是　　　　　　　　　　　　 　　　　　。
對CO2中的碳元素進行14C標記,研究含有放射性的物質(zhì)及其出現(xiàn)的位置
解析 (1)據(jù)圖觀察可知,“人造葉綠體”膜外側(cè)是油,內(nèi)側(cè)是水,因此“人造葉綠體”外膜由一層磷脂分子組成。磷脂分子的“頭部”具有親水性,“尾部”具有疏水性,由于“人造葉綠體”內(nèi)部是水,所以磷脂分子的“頭部”在“人造葉綠體”的內(nèi)側(cè)。光照條件下,光合色素吸收的光能可將水分解產(chǎn)生H+、電子和O2。(2)由圖可知,A物質(zhì)可與CO2反應,進行CO2的固定,在葉綠體光合作用的碳反應階段CO2被五碳糖固定形成三碳酸,因此A物質(zhì)與五碳糖相似。若突然停止CO2供應,CO2與A物質(zhì)反應速率減慢,A物質(zhì)消耗速率降低,此時A物質(zhì)合成速率不變,因此短時間內(nèi)A物質(zhì)的量將增多。
(3)三碳酸還原同時需要ATP和NADPH的供應,而“人造葉綠體”內(nèi)NADPH含量降低,但ATP的含量提高,推測乙醛酸還原只需消耗NADPH,不消耗ATP。(4)有機物乙醇酸的產(chǎn)生不需要光照,與光合作用碳反應相似,因此產(chǎn)生的場所相當于葉綠體基質(zhì)。若想檢測“人造葉綠體”的有效性,可以檢測反應物的減少量和產(chǎn)物的生成量,即乙醇酸、ATP和O2。(5)若要研究CO2參與CETCH循環(huán)時碳的去向,可用放射性同位素標記法,對CO2中的碳元素進行14C標記,研究含有放射性的物質(zhì)及其出現(xiàn)的位置。
2.(2023全國甲卷)某同學將從菠菜葉中分離到的葉綠體懸浮于緩沖液中,給該葉綠體懸浮液照光后有糖產(chǎn)生?；卮鹣铝袉栴}。(1)葉片是分離制備葉綠體的常用材料,若要將葉肉細胞中的葉綠體與線粒體等其他細胞器分離,可以采用的方法是　　　　　　　(答出1種即可)。葉綠體中光合色素分布在　　　　　　　　上,其中類胡蘿卜素主要吸收　　　　　　(填“藍紫光”“紅光”或“綠光”)。?(2)將葉綠體的內(nèi)膜和外膜破壞后,加入緩沖液形成懸浮液,發(fā)現(xiàn)黑暗條件下在懸浮液中不能產(chǎn)生糖,原因是??? 　。
黑暗條件下不能進行光反應,不能產(chǎn)生碳反應所需要的NADPH和ATP
(3)葉片進行光合作用時,葉綠體中會產(chǎn)生淀粉。請設計實驗證明葉綠體中有淀粉存在,簡要寫出實驗思路和預期結(jié)果。
思路:分離葉綠體,用碘液進行顯色反應。結(jié)果:反應結(jié)果顯藍色。
解析 (1)分離植物細胞器可用差速離心法。葉綠體中的光合色素分布在類囊體膜上,葉綠素主要吸收紅光和藍紫光,類胡蘿卜素主要吸收藍紫光。(2)光合作用的光反應和碳反應緊密聯(lián)系。黑暗條件下,光反應不能進行,不能為碳反應提供三碳酸還原所需的ATP和NADPH,碳反應無法進行,不能產(chǎn)生糖。(3)本實驗的目的是驗證通過光合作用可以在葉綠體中產(chǎn)生淀粉,實驗的自變量是有無光照,可將生長狀況良好且相同的植物葉片均分為甲、乙兩組,甲組置于光下,乙組置于暗處,其他條件相同且適宜。一段時間后分別提取兩組的葉綠體,制作成勻漿,分別加入碘液觀察顏色變化。
考向二　新情境下光合作用物質(zhì)和能量變化[典例2](2023浙江嘉興一模)高粱等植物在演化過程中形成如圖所示的生理機制。由于存在C4途徑,這類植物被稱為C4植物。水稻等植物不存在C4途徑,僅通過葉肉細胞中的C3途徑固定CO2,這類植物被稱為C3植物。C4植物能利用葉肉細胞間隙中濃度極低的CO2,維管束鞘細胞中CO2濃度比葉肉細胞高10倍。R酶既可以催化碳反應中CO2與五碳糖(C5糖)結(jié)合,也可以催化五碳糖與O2結(jié)合。五碳糖與O2結(jié)合后形成一個三碳酸(C3酸)和一個C2,這個C2隨后進入線粒體被氧化為CO2,這個過程稱為光呼吸。
回答下列問題。(1)C4植物細胞中固定CO2的物質(zhì)有　　　　　　　　　　　。葉綠體中的C3糖除了可以轉(zhuǎn)化為淀粉、蛋白質(zhì)和脂質(zhì),還可能存在的兩個去向是　　　　　　　 　　　　。?(2)在相同的高溫、高光強度環(huán)境下,C4植物的光能轉(zhuǎn)化為糖中化學能的效率比C3植物幾乎高2倍,原因是P酶與CO2的親和力　　　　　(填“大于” “基本等于”或“小于”)R酶,再通過C4酸定向運輸和轉(zhuǎn)化,提高了維管束鞘細胞中CO2濃度,提高了光能轉(zhuǎn)化效率。高濃度CO2在與O2競爭R酶的過程中占優(yōu)勢,抑制了　　　　　過程;另一方面,高濃度CO2促進了碳反應的進行。
再生為C5糖,轉(zhuǎn)運到葉綠體外
(3)在高熱干旱的環(huán)境中,葉片中的脫落酸會升高,從而引起　　　　　關(guān)閉,而C4植物還能保持一定的光合強度。C4植物在高熱干旱的環(huán)境中仍能保持較高光合強度,原因是　?? 　。C4植物葉肉細胞內(nèi)的P酶與CO2的親和力特別強,C4植物可以利用葉片內(nèi)細胞間隙中含量很低的CO2進行光合作用?
解析 (1)據(jù)圖可知,PEP與CO2結(jié)合形成C4酸,C5糖與CO2結(jié)合形成C3酸,所以C4植物細胞中固定CO2的物質(zhì)有PEP和C5糖。C3糖經(jīng)過一系列的變化再生C5糖,還有些C3糖運輸?shù)饺~綠體外供線粒體利用。(2)在相同的高溫、高光強度環(huán)境下,C4植物的光能轉(zhuǎn)化為糖中化學能的效率比C3植物幾乎高2倍,則說明P酶與CO2的親和力大于R酶,能夠?qū)⒏嗟腃O2固定下來,再通過C4酸定向運輸和轉(zhuǎn)化,提高了維管束鞘細胞中CO2濃度,提高了光能轉(zhuǎn)化效率。據(jù)圖可知,R酶同時也能催化C5與O2的反應過程,即光呼吸,若CO2的濃度上升,則可以在與O2競爭R酶的過程中占優(yōu)勢,抑制了光呼吸過程;另一方面,高濃度CO2促進了碳反應的進行,所以在高溫、高光強度環(huán)境下,C4植物的光能轉(zhuǎn)化為糖中化學能的效率比C3植物的高。
(3)高溫、光照強烈和干旱的條件下,葉片中的脫落酸會升高,綠色植物氣孔會關(guān)閉,但C4植物葉肉細胞內(nèi)的P酶與CO2的親和力特別強,C4植物可以利用葉片內(nèi)細胞間隙中含量很低的CO2進行光合作用,所以C4植物在高熱干旱的環(huán)境中仍能保持較高光合強度。
[對點練] (2023浙江寧波十校聯(lián)考)閱讀下列材料,回答第3、4題。高粱等植物在演化過程中形成如圖所示的生理機制,這類植物被稱為C4植物。水稻等植物不存在C4途徑,僅通過葉肉細胞中的C3途徑固定CO2,這類稱為C3植物。C4植物能利用葉肉細胞間隙中濃度極低的CO2,維管束鞘細胞中CO2濃度比葉肉細胞高10倍。R酶既可催化碳反應中CO2與C5糖結(jié)合,也可催化C5糖與O2結(jié)合。C5糖與O2結(jié)合后形成一個C3酸和一個C2,這個C2隨后進入線粒體被氧化為CO2,這個過程稱為光呼吸。
3.下列關(guān)于C4途徑的敘述,正確的是(　　)A.不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反應階段的產(chǎn)物是不同的B.C4植物細胞可以在夜間吸收CO2用于卡爾文循環(huán)C.由這種CO2濃縮機制可以推測,P酶與無機碳的親和力高于R酶D.葉綠體中的C3糖大多數(shù)離開葉綠體后轉(zhuǎn)化為蔗糖
解析 不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反應階段的產(chǎn)物是相同的,均有O2、ATP和NADPH,A項錯誤;C4植物能利用葉肉細胞間隙中濃度極低的CO2,說明C4植物細胞可以在中午吸收CO2,在P酶的作用下與PEP結(jié)合形成C4酸,B項錯誤;由“C4植物能利用葉肉細胞間隙中濃度極低的CO2,維管束鞘細胞中CO2濃度比葉肉細胞高10倍”可知,結(jié)合題圖,P酶位于葉肉細胞中,R酶位于高濃度CO2的維管束鞘細胞中,所以由這種CO2濃縮機制可以推測,P酶與無機碳的親和力高于R酶,C項正確;由圖和題干信息并不能推測葉綠體中的C3糖大多數(shù)離開葉綠體后轉(zhuǎn)化為蔗糖,D項錯誤。
4.下列關(guān)于光呼吸過程的敘述,正確的是(　　)A.光呼吸過程中消耗O2的場所和細胞呼吸相同B.正常進行光合作用的水稻,突然停止光照,葉片CO2釋放量先增加后降低C.R酶既可催化CO2與C5糖結(jié)合,也可催化C5糖與O2結(jié)合,說明R酶不具有專一性D.光呼吸會消耗有機物導致減產(chǎn),我們可以敲除控制R酶合成的基因從而提高產(chǎn)量
解析 光呼吸過程中消耗O2的場所為葉綠體,細胞呼吸消耗O2的場所是線粒體,A項錯誤;正常進行光合作用的水稻,突然停止光照,光反應產(chǎn)生的ATP和NADPH的量減少,碳反應消耗的C5糖減少,C5糖與O2的結(jié)合增加,通過光呼吸產(chǎn)生的CO2增多,隨著時間的延長,光呼吸停止,最終葉片中釋放的CO2均來自細胞呼吸釋放的CO2,B項正確;R酶既可催化CO2與C5糖結(jié)合,也可催化C5糖與O2結(jié)合,這是在不同條件下R酶催化不同的反應,R酶具有專一性,C項錯誤;R酶既可催化CO2與C5糖結(jié)合,也可催化C5糖與O2結(jié)合,若敲除控制R酶合成的基因,光合作用的碳反應不能進行,無法合成有機物,D項錯誤。
5.(2023浙江杭州二模)大棚草莓主要在秋冬季生長,但棚內(nèi)光照不足,需要進行人工補光。市面上的補光燈種類繁多,有紅光熒光燈(T1)、LED燈A(T2)、LED燈B(T3)、高壓鈉燈(T4)等,其中T1的光譜主要成分為紅橙光和藍紫光。為幫助草莓種植園選擇合適的補光燈,某科研組于12月1日起展開相關(guān)實驗,測定了在補光條件下草莓的生理和產(chǎn)量指標,其中氣孔導度表示氣孔的開放程度,結(jié)果如下表所示。注:Pn代表凈光合速率;Gs代表氣孔導度。
(1)該科研小組選擇紅光熒光燈進行實驗的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。光合色素主要吸收藍紫光和紅光,而紅光熒光燈(T1)的光譜主要成分為紅橙光和藍紫光,有利于光合作用的進行補光74 d后,他們將草莓葉片置于浸提液(無水乙醇、丙酮體積比為1∶1的混合液)中,36 h后取3 mL浸提液直接在紫外分光光度儀中測定光合色素的含量。選擇上述混合液作為浸提液的依據(jù)是　? 　 。(2)T1處理　　　　　(填“促進”或“抑制”)草莓的凈光合速率。據(jù)表分析,其原因是　? 　。?草莓的葉綠素和類胡蘿卜素含量增加使得植物吸收的光能增多,氣孔導度增加使植物吸收CO2增多,光合作用增強
色素能夠溶解在有機溶劑無水乙醇和丙酮中,該混合液可以用來提取色素
(3)補光期間,草莓吸收的CO2在葉綠體中與　　　　　發(fā)生反應而被固定,并在光反應提供的　　 　　作用下形成3-磷酸甘油醛(三碳糖)。白天,離開循環(huán)的三碳糖部分進入　　　 　　轉(zhuǎn)變成蔗糖,運至果實等非光合器官,同時產(chǎn)生的Pi則運回葉綠體。?(4)由表可知,草莓種植園應該選擇　　　　　燈進行補光,主要依據(jù)是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答出2點即可)。T2處理具有凈光合速率提高、葉綠素和類胡蘿卜素含量升高、氣孔導度較大、單果質(zhì)量大、結(jié)果數(shù)多、成熟日期提前等優(yōu)點?
解析 (1)由題干信息可知,紅光熒光燈(T1)的光譜主要成分為紅橙光和藍紫光,而葉綠素a和葉綠素b主要吸收藍紫光和紅光,胡蘿卜素和葉黃素主要吸收藍紫光,有利于光合作用的進行。綠葉中的色素能夠溶解在有機溶劑無水乙醇和丙酮中,因此可用浸提液(無水乙醇、丙酮體積比為1∶1的混合液)來提取色素。(2)Pn代表凈光合速率,T1處理后草莓的凈光合速率大于對照組,說明T1處理能促進草莓的凈光合速率。據(jù)表分析,其原因是T1處理后,草莓的葉綠素和類胡蘿卜素含量增加使得植物吸收的光能增多,氣孔導度增加使植物吸收CO2增多,光合作用增強。

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