2020年高考生物一轮复习专题3.3光与光合作用(精讲)(含解析)

第3节光与光合作用
1.光合作用的基本过程(Ⅱ)。

2.影响光合作用速率的环境因素(Ⅱ)。

3.实验：叶绿体色素的提取和分离。

4.光合作用与细胞呼吸在植物代谢中的综合性考查(Ⅱ)
知识点一绿叶中色素的提取和分离
1．实验原理
2．实验步骤
3．实验结果
4.实验注意事项和目的
知识点二捕获光能的色素和结构及光合作用的探究历程
1．捕获光能的色素及色素的吸收光谱
由图可以看出：
(1)叶绿体中的色素只吸收可见光，而对红外光和紫外光等不吸收。

(2)叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。

2．叶绿体的结构与功能
(1)结构模式图
(2)结构⎩⎨⎧
外表：①双层膜
内部⎩
⎪⎨
⎪⎧
②基质：含有与暗反应有关的酶③基粒：由类囊体堆叠而成，分布有色素和与光反应有关的酶
↓决定
(3)功能：进行光合作用的场所。

3．光合作用的探究历程
知识点三 光合作用的基本过程
1．概念：指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。

2．过程
3．反应式
(1)产物为(CH 2O)：CO 2＋H 2O ――→光能
叶绿体(CH 2O)＋O 2。

(2)产物为C 6H 12O 6：6CO 2＋12H 2O ――→光能叶绿体C 6H 12O 6＋6O 2＋6H 2O 。

4．光反应和暗反应的比较
5.光合作用和化能合成作用的比较
6.分析光合作用的过程图解
(1)图中的甲表示光反应阶段，发生在叶绿体的类囊体薄膜上。

(2)乙表示暗反应阶段，又称作卡尔文循环。

(3)图中的物质a 是[H]，物质c 是CO 2。

(4)图中的ATP 不能(填“能”或“不能”)运出所在的细胞器，用于其他生命活动。

7．光合作用中元素的转移途径
(1)H ：3
H 2O ――→光反应[3H]――→暗反应(C 3H 2O)。

(2)C ：14
CO 2――――→CO 2的固定14C 3―――→C 3的还原(14CH 2O)。

(3)O ：H 218O ――→光反应18O 2; C 18O 2――――→CO 2的固定C 3――→C 3的还原(CH 218
O)。

8．环境条件改变时光合作用中相关物质的含量变化 (1)分析方法：需从物质的生成和消耗两个方面综合分析。

示例：CO 2供应正常，光照停止时C 3的含量变化
(2)物质含量变化
9.连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析
(1)光反应为暗反应提供的[H]和ATP在叶绿体中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。

(2)一直光照条件下，会造成[H]、ATP的过度积累，利用不充分；光照和黑暗间隔条件下， [H]、ATP 基本不积累，能够被充分利用；因此在光照时间相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物积累量要多。

例如：若同一植物处于两种不同情况下进行光合作用，甲一直光照10分钟，黑暗处理10分钟；乙光照5秒，黑暗处理5秒，持续20分钟，则光合作用制造的有机物：甲＜乙。

知识点四影响光合作用的因素及应用
1．光照强度
(1)原理：光照强度通过影响植物的光反应进而影响光合速率。

光照强度增加，光反应速度加快，产生的[H]和ATP增多，使暗反应中还原过程加快，从而使光合作用产物增加。

(2)曲线分析
①A点：光照强度为0，此时只进行细胞呼吸。

②AB段：随光照强度增强，光合作用强度也逐渐增强，CO2释放量逐渐减少。

③B点：为光补偿点，细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用，即光合作用强度等于细胞呼吸强度。

④BC段：表明随着光照强度不断增强，光合作用强度不断增强，到C点后不再增强了。

⑤D点：为光饱和点，限制D点以后光合作用强度不再增加的内部因素是光合色素含量、酶的数量和活性，外部因素是CO2浓度等除光照强度之外的环境因素。

(3)应用：①温室生产中，适当增强光照强度，以提高光合速率，使作物增产；②阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物低，间作套种农作物，可合理利用光能。

2．CO2浓度
(1)原理：CO2影响暗反应阶段，制约C3的形成。

(2)曲线分析
图1中A点表示CO2补偿点，即光合速率等于呼吸速率时的CO2浓度，图2中A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。

B点和B′点对应的CO2浓度都表示CO2饱和点。

(3)应用：在农业生产上可以通过“正其行，通其风”，增施农家肥等增大CO2浓度，提高光合速率。

3．温度
(1)原理：温度通过影响酶的活性影响光合作用，主要制约暗反应。

(2)曲线
(3)应用：温室栽培植物时，白天调到光合作用最适温度，以提高光合速率；晚上适当降低温室内温度，以降低细胞呼吸速率，保证植物有机物的积累。

4．水分和矿质元素
(1)原理
①水既是光合作用的原料，又是体内各种化学反应的介质，如植物缺水导致萎蔫，使光合速率下降。

另外，水分还能影响气孔的开闭，间接影响CO2进入植物体内。

②矿质元素通过影响与光合作用有关的化合物的合成，对光合作用产生直接或间接的影响。

如镁可以影响叶绿素的合成从而影响光反应。

(2)曲线(如图)
(3)应用：农业生产中，可根据作物的生长规律，合理灌溉和施肥。

5．光照强度、CO2浓度和温度对光合作用的综合作用
(1)常见曲线
(2)曲线分析
P点：限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随着因子的不断加强，光合速率不断提高。

Q点：横坐标所表示的因子不再是影响光合速率的因素，影响因素主要为各曲线所表示的因子。

(3)应用：温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合酶的活性，提高光合速率，也可同时适当增加CO2浓度，进一步提高光合速率；当温度适宜时，可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合速率。

知识点五光合作用与细胞呼吸的关系及综合应用
1．光合作用与有氧呼吸的区别
2.光合作用与有氧呼吸的联系
(1)物质方面
C ：CO 2――→暗反应C 6H 12O 6――→有氧呼吸第一阶段C 3H 4O 3――→有氧呼吸第二阶段CO 2
O ：H 2O ――→光反应O 2――→有氧呼吸
第三阶段H 2O
H ：H 2O ――→光反应[H]――→暗反应
C 6H 12O 6 ――→有氧呼吸第一、二阶段[H]――→有氧呼吸第三阶段H 2O (2)能量方面
光能――→光反应ATP 中活跃的化学能――→暗反应C 6H 12O 6中稳定的化学能――→
有氧呼吸
⎩⎪⎨⎪⎧
热能ATP 中活跃的化学能―→各项生命活动
3．在不同的光照条件下，光合速率与呼吸速率的计算
(1)绿色植物组织在黑暗条件下测得的数值表示呼吸速率。

(2)绿色植物组织在有光的条件下，光合作用与细胞呼吸同时进行，测得的数值表示净光合速率。

(3)真光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。

用O2、CO2或葡萄糖的量表示如下：
①光合作用产生的O2量＝实测的O2释放量＋细胞呼吸消耗的O2量。

②光合作用固定的CO2量＝实测的CO2吸收量＋细胞呼吸释放的CO2量。

③光合作用产生的葡萄糖量＝葡萄糖的积累量(增重部分)＋细胞呼吸消耗的葡萄糖量。

考点一光合色素及其吸收光谱
【典例1】(2019·河北衡水中学调研)如图表示叶绿体中色素吸收光能的情况。

据图判断，下列说法不正确的是 ( )
A．由图可知，类胡萝卜素主要吸收400～500 nm波长的光
B．用450 nm波长的光比600 nm波长的光更有利于提高光合作用强度
C．由550 nm波长的光转为670 nm波长的光后，叶绿体中C3的量增加
D．土壤中缺乏镁时，植物对420～470 nm波长的光的利用量显著减少
【答案】C
【解析】由图可知，类胡萝卜素吸收峰在400～500 nm，A项正确；叶绿体中的色素吸收450 nm波长的光比吸收600 nm波长的光要多，B项正确；由550 nm波长的光转为670 nm波长的光后，叶绿体中色素吸收的光变多，光反应产生的ATP和[H]增多，暗反应中C3的还原量增多，则叶绿体中C3的量减少，C项错误；叶绿素吸收420～470 nm波长的光较多，当缺镁时，叶绿素的合成受到影响，叶绿素吸收420～470 nm 波长的光变少，D项正确。

【变式1】（2019·山东济南实验中学模拟）植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应(如O2的释放)来绘制的。

下列叙述错误的是( )
A．类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成
B．叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制
C．光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示
D．叶片在640～660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的
【答案】A
【解析】类胡萝卜素不吸收红光，A项错误；叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制，B项正确；作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应来绘制的，因此可用CO2吸收速率随光波长的变化来表示，C项正确；叶绿素吸收640～660 nm的红光，导致水光解释放氧气，D项正确。

考点二光合作用
【典例2】(2018·北京高考)光反应在叶绿体类囊体上进行。

在适宜条件下，向类囊体悬液中加入氧化还原指示剂DCIP，照光后DCIP由蓝色逐渐变为无色。

该反应过程中( )
A．需要ATP提供能量B．DCIP被氧化
C．不需要光合色素参与 D．会产生氧气
【答案】D
【解析】光合作用中的光反应发生在类囊体薄膜上，光合色素吸收光能，一方面使水光解，释放出氧气和形成[H]，另一方面在有关酶的催化作用下，促使ADP与Pi发生化学反应形成ATP，D项符合题意，A、C两项不符合题意；结合题干信息，加入氧化还原指示剂DCIP后，DCIP会被存留在基质中的[H]还原，B项不符合题意。

【变式2】（2019·北京西城区模拟）用14CO2“饲喂”叶肉细胞，让叶肉细胞在光照条件下进行光合作用。

一段时间后，关闭光源，将叶肉细胞置于黑暗环境中，含放射性的三碳化合物浓度的变化情况如图所
示，下列相关叙述错误的是( )
A．叶肉细胞利用14CO2的场所是叶绿体基质
B．Oa段叶肉细胞中五碳化合物浓度有所下降
C．ab段含放射性的三碳化合物浓度不变的原因是14CO2消耗殆尽
D．b点后曲线上升是因为黑暗条件下，叶肉细胞不能进行光反应，不能为暗反应提供[H]和ATP等物质【答案】C
【解析】叶肉细胞中利用14CO2的场所是叶绿体基质，A项正确；从题图分析，Oa段含放射性的三碳化合物浓度持续上升，说明消耗的五碳化合物越来越多，因此五碳化合物的浓度有所下降，B项正确；ab段含放射性的三碳化合物浓度不变的原因是三碳化合物生成的量与被还原的量基本相等，C项错误；黑暗条件下叶肉细胞不能进行光反应，不能为暗反应提供[H]和ATP等物质，导致含放射性的三碳化合物还原受阻，浓度上升，D项正确。

考点三影响光合作用强度的环境因素
【典例3】(2018·全国卷Ⅰ)甲、乙两种植物净光合速率随光照强度的变化趋势如图所示。

回答下列问题：
(1)当光照强度大于a时，甲、乙两种植物中，对光能的利用率较高的植物是________。

(2)甲、乙两种植物单独种植时，如果种植密度过大，那么净光合速率下降幅度较大的植物是________，判断的依据是______________________________________________________________。

(3)甲、乙两种植物中，更适合在林下种植的是________。

(4)某植物夏日晴天中午12：00时叶片的光合速率明显下降，其原因是进入叶肉细胞的________(填“O2”或“CO2”)不足。

【解析】当光照强度大于a时，相同光照强度下，甲植物的净光合速率大于乙，即有机物的积累较多，对光能的利用率较高。

从甲、乙的净光合曲线走势看，甲植物的光饱合点高于乙，补偿点高于乙，可推测甲更适合在高光强条件下生长。

在甲、乙单独种植且密度过大时，植物接受的光照强度由于枝叶之间互相遮光而变低，从而导致甲植物净光合速率下降幅度比乙大。

同理，在林下栽培条件下，光照条件相对较弱，要求此种植物的光补偿点较低，光饱合点较低，所以乙植物更合适。

夏日晴天中午，由于光照强，温度高，导致植物叶片蒸腾作用过于强烈，叶片气孔关闭较多，进入叶肉细胞的CO2不足，从而使净光合速率下降。

【答案】(1)甲
(2)甲光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大，种植密度过大，植株接受的光照强度减弱，导致甲植物净光合速率下降幅度比乙大
(3)乙(4)CO2
【变式3】(2018·江苏高考)如图为某一植物在不同实验条件下测得的净光合速率，下列假设条件中能使图中结果成立的是( )
A．横坐标是CO2浓度，甲表示较高温度，乙表示较低温度
B．横坐标是温度，甲表示较高CO2浓度，乙表示较低CO2浓度
C．横坐标是光波长，甲表示较高温度，乙表示较低温度
D．横坐标是光照强度，甲表示较高CO2浓度，乙表示较低CO2浓度
【答案】D
【解析】由题图可知，甲、乙两曲线刚开始重叠，之后又分开，A项所述条件不会出现图示结果，A项不符合题意。

横坐标为温度，则相应曲线应存在最适温度下的最高净光合速率，呈现先上升后下降趋势，B 项不符合题意。

叶绿体中的叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。

若横坐标表示光波长，随着波长增大植物的净光合速率不应是先增大后趋于稳定，C项不符合题意。

随着光照强度的增加，净光合速率先增加后趋于稳定，在某一光照强度下，较高浓度的CO2条件下植物净光合速率大，D项符合题意。

考点四绿叶中色素的提取和分离
【典例4】（2019江苏卷·17）如图为某次光合作用色素纸层析的实验结果，样品分别为新鲜菠菜叶和一种蓝藻经液氮冷冻研磨后的乙醇提取液。

下列叙述正确的是
A．研磨时加入CaCO3过量会破坏叶绿素
B．层析液可采用生理盐水或磷酸盐缓冲液
C．在敞开的烧杯中进行层析时，需通风操作
D．实验验证了该种蓝藻没有叶绿素b
【答案】D
【解析】绿色植物的叶绿体中含有四种色素，纸层析后，形成的色素带从上到下依次是：胡萝卜素（橙黄色）、叶黄素（黄色）、叶绿素a（蓝绿色）、叶绿素b黄绿色。

由图可知，菠菜含有四种色素，蓝藻（原核生物）只含有叶绿素a和胡萝卜素。

研磨时加入碳酸钙是为了保护叶绿素，A错误；层析液可以由石油醚、丙酮和苯混合而成，也可以用92号汽油代替，B错误；层析时，为了防止层析液挥发，需要用培养皿盖住小烧杯，C错误；由图可知，蓝藻只有两条色素带，不含有叶绿色b，D正确，故选D。

【变式4】（2019浙江4月选考·30）回答与光合作用有关的问题：
（1）在“探究环境因素对光合作用的影响”活动中，正常光照下，用含有0．1%CO2的溶液培养小球藻一段时间。

当用绿光照射该溶液，短期内小球藻细胞中3-磷酸甘油酸的含量会______。

为3-磷酸甘油酸还原成三碳糖提供能量的物质是______。

若停止CO2供应，短期内小球藻细胞中RuBP的含量会______。

研究发现 Rubisco酶是光合作用过程中的关键酶，它催化CO2被固定的反应，可知该酶存在于叶绿体______中。

（2）在“光合色素的提取与分离”活动中，提取新鲜菠菜叶片的色素并进行分离后，滤纸条自上而下两条带中的色素合称为______。

分析叶绿素a的吸收光谱可知，其主要吸收可见光中的______光。

环境条件会影响叶绿素的生物合成，如秋天叶片变黄的现象主要与_____抑制叶绿素的合成有关。

【答案】（1）增加 ATP和 NADPH 增加基质
（2）类胡萝卜素蓝紫光和红低温
【解析】（1）环境中的CO2含量增加，则会促进碳反应中CO2的固定这一环节，使3-磷酸甘油酸的含量增加；3-磷酸甘油酸还原成三碳糖是还原反应且消耗能量，所以提供能量的物质是ATP和NADPH；若停止CO2供应，则会使CO2固定的速率降低，反应消耗的RuBP会减少，故使得短期内小球藻细胞中RuBP的含量会增加；CO2被固定的反应发生在叶绿体基质，故Rubisco酶也是存在于叶绿体基质中。

（2）光合色素的分离和提取实验中，滤纸条自上而下两条带中的色素分别为胡萝卜素和叶黄素，合称类胡萝卜素；叶绿素a
主要吸收蓝紫光和红光；秋天叶片变黄主要是由于温度降低导致叶绿素的合成受到抑制。

考点五光合作用与细胞呼吸的关系及综合应用
【典例5】（2019北京卷·31）光合作用是地球上最重要的化学反应，发生在高等植物、藻类和光合细菌中。

（1）地球上生命活动所需的能量主要来源于光反应吸收的____________，在碳（暗）反应中，RuBP羧化酶（R酶）催化CO2与RuBP（C5）结合，生成2分子C3，影响该反应的外部因素，除光照条件外还包括
_________________________（写出两个）；内部因素包括_____________（写出两个）。

（2）R酶由8个大亚基蛋白（L）和8个小亚基蛋白（S）组成。

高等植物细胞中L由叶绿体基因编码并在叶绿体中合成，S由细胞核基因编码并在___________中由核糖体合成后进入叶绿体，在叶绿体的
___________中与L组装成有功能的酶。

（3）研究发现，原核生物蓝藻（蓝细菌）R酶的活性高于高等植物，有人设想通过基因工程技术将蓝藻R酶的S、L基因转入高等植物，以提高后者的光合作用效率。

研究人员将蓝藻S、L基因转入某高等植物（甲）的叶绿体DNA中，同时去除甲的L基因。

转基因植株能够存活并生长。

检测结果表明，转基因植株中的R酶活性高于未转基因的正常植株。

①由上述实验能否得出“转基因植株中有活性的R酶是由蓝藻的S、L组装而成”的推测？请说明理由。

②基于上述实验，下列叙述中能够体现生物统一性的选项包括____________。

a．蓝藻与甲都以DNA作为遗传物质
b．蓝藻与甲都以R酶催化CO2的固定
c．蓝藻R酶大亚基蛋白可在甲的叶绿体中合成
d．在蓝藻与甲的叶肉细胞中R酶组装的位置不同
【答案】（1）光能
温度、CO2浓度
R酶活性、R酶含量、C5含量、pH（其中两个）
（2）细胞质基质
（3）①不能，转入蓝藻S、L基因的同时没有去除甲的S基因，无法排除转基因植株R酶中的S是甲的S基因的表达产物的可能性。

②a、b、c
【解析】（1）地球上生物生命活动所需的能量来自有机物，有机物主要来自植物的光合作用，光合作用合成有机物需要光反应吸收光能，转化为ATP的化学能，然后ATP为暗反应中C3的还原提供能量，合成糖类。

在暗反应中，RuBP 羧化酶(R酶)催化CO2与RuBP(C5)结合，生成2分子C3，这是光合作用的暗反应的二氧化碳的固定。

暗反应的进行需要相关酶的催化，二氧化碳做原料，需要光反应提供[H]和ATP，光反应需要色素、酶、水、光照等，故影响该反应的外部因素有光照、温度、CO2浓度、水、无机盐等；内部因素包括色素含量及种类、酶的含量及活性等。

（2）高等植物细胞中L由叶绿体基因编码并在叶绿体中合成，S 由细胞核基因通过转录成mRNA ，mRNA 进入细胞质基质，与核糖体结合，合成为S蛋白；因R酶是催化CO2与C5结合的，在叶绿体基质中进行，故S蛋白要进入叶绿体，在叶绿体的基质中与L组装成有功能的酶。

（3）①据题设条件可知，将蓝藻S、L基因转入某高等植物(甲)的叶绿体DNA中，只去除甲的L基因，没有去除甲的S基因。

因此，转基因植株仍包含甲植株的S基因，不能排除转基因植株中R酶是由蓝藻的L蛋白和甲的S蛋白共同组成。

故由上述实验不能得出“转基因植株中有活性的R酶是由蓝藻的S、L组装而成”的推测。

②根据上述实验，可以看出蓝藻的基因能导入到甲的DNA中，说明蓝藻和甲植株都以DNA为遗传物质；蓝藻中 R酶的活性高于高等植物，说明两者都以R酶催化CO2的固定；由于蓝藻S、L基因均转入甲的叶绿体DNA中，且去除了甲的L基因，结果转基因植株合成了R酶，说明蓝藻R酶大亚基蛋白L在甲的叶绿体中合成，以上体现了生物界的统一性。

在蓝藻中R酶组装是在细胞质基质，甲的叶肉细胞组装R酶是在叶绿体基质，则说明了不同生物之间具有差异性。

因此，选abc。

【变式5】(2018·全国卷Ⅲ)回答下列问题：
(1)高等植物光合作用中捕获光能的物质分布在叶绿体的______________上，该物质主要捕获可见光中的________。

(2)植物的叶面积与产量关系密切。

叶面积系数(单位土地面积上的叶面积总和)与植物群体光合速率、呼吸速率及干物质积累速率之间的关系如图所示。

由图可知：当叶面积系数小于a时，随叶面积系数增加，群体光合速率和干物质积累速率均________。

当叶面积系数超过b时，群体干物质积累速率降低，其原因是________________________________________________________________________________。

(3)通常，与阳生植物相比，阴生植物光合作用吸收与呼吸作用放出的CO2量相等时所需要的光照强度________(填“高”或“低”)。

【解析】由图中植物群体光合速率、呼吸速率及干物质积累速率三者之间的关系可知，图中植物群体光合速率其实代表总光合速率，阴生植物光合作用“吸收”的CO2量应该是指“固定”的CO2量。

(1)高等植物光合作用中捕获光能的物质为叶绿体中的色素，分布于类囊体膜，主要吸收蓝紫光和红光。

(2)由图可知，叶面积系数小于a时，群体干物质积累速率和群体光合速率都增加；叶面积系数超过b时，群体光合速率不变，但群体呼吸速率仍在增加，因此群体净光合速率降低，干物质积累速率降低。

(3)植物光合作用吸收与呼吸作用释放的CO2量相等时所需要的光照强度即光补偿点。

通常，与阳生植物相比，阴生植物的光饱和点及光补偿点都比较低，即达到此点需要的光照强度低。

【答案】(1)类囊体薄膜蓝紫光和红光
(2)增加群体光合速率不变，但群体呼吸速率仍在增加，故群体干物质积累速率降低
(3)低。