备课素材知识点：景天酸代谢- 高中生物人教版必修1

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图甲为菠萝叶肉细胞内的部分代谢示意图，其以气孔白天关闭，晚上开放的特殊方式适应干旱环境。

（1）图甲所示，PEP、OAA、RuBP、PGA、C为菠萝叶肉细胞内的部分相关代谢物质，能参与CO2固定的有 ，推测C是 。
（2)干旱条件下,菠萝细胞白天产生CO2的具体部位是 ；菠萝细胞夜间pH下降,原因是 （写出2点)。
(3）以测定CO2吸收速率与释放速率为指标，探究温度对某绿色植物光合作用与细胞呼吸的影响,结果如下表所示：
①温度在25～30℃间光合作用制造的有机物总量逐渐 （增加/减少)。假设细胞呼吸昼夜不变，植物在30℃时,一昼夜中给植物光照14h，则一昼夜净吸收CO2的量为 mg。
②将该植物置于较弱光照下一段时间后取其叶片进行色素分离，与适宜光照下分离的色素带进行比较，发现弱光下滤纸条下端两条色素带明显加宽，推测该植物可通过 以增强对弱光的适应能力。同一植株的底部叶片呼吸作用强度比顶部叶片弱，其内部原因最可是 。
答案： (1)PEP、RuBP（缺一不得分) 丙酮酸
（2）细胞质基质、线粒体基质夜间菠萝细胞合成苹果酸；夜间细胞呼吸产生CO2形成H2CO3
（3）①增加19②增加叶绿素含量底部叶片衰老，酶活性降低(2分）
【解析】：本题考查光合作用和呼吸作用的有关知识,意在考查考生识图能力和理解所学知识的要点，把握知识间的内在联系的能力；能运用所学知识与观点,通过比较、分析与综合等方法对某些生物学问题进行解释、推理，做出合理的判断或得出正确的结论；理论联系实际，综合运用所学知识解决自然界和社会生活中的一些生物学问题。
（1）分析题图可知，图中有两处属于二氧化碳的固定，夜间二氧化碳与PEP结合,生成OAA，白天二氧化碳可以与RuBP结合生成PGA,因此参与固定二氧化碳的物质有PEP、RuBP；由于图中的苹果酸可以转变成C后，C进入线粒体参与有氧呼吸生成二氧化碳，因此可以推测C物质为丙酮酸。
(2）从图中可以看出白天产生二氧化碳的部位有两个:细胞质基质中苹果酸可以分解成二氧化碳，线粒体基质中丙酮酸可以分解成二氧化碳；pH下降的原因是细胞中酸性物质增多，从图中可以看出，夜间菠萝细胞合成苹果酸，另一方面，夜间细胞呼吸产生CO2形成H2CO3。
(3）①分析表格中数据,当温度为25℃时,光合作用利用的二氧化碳量=净光合速率+呼吸速率=3。7+2。3=6，30℃时,光合作用利用的二氧化碳量=3。5+3=6.5,因此光合作用制造的有机物量增加;光照14小时,光合作用利用二氧化碳的量为6。5×14=91（mg），一昼夜呼吸作用释放的二氧化碳量为3×24=72(mg），因此一昼夜净吸收的二氧化碳量为：91-72=19（mg）.
②由于植物在弱光条件下，分离出的色素带中，下面两条色素带为叶绿素a和叶绿素b，色素带较宽说明叶绿素含量增多，因此可以推测，在弱光条件下,植物会增加叶绿素含量以适应环境；同一个植株底部的叶片中衰老细胞比较多,细胞中各种酶的活性降低,因此呼吸速率减慢.
此题提到了苹果酸参与的代谢，即景天酸代谢。高中生物学教材没有涉及。
那么，苹果酸参与的代谢途径是怎样的？
某些景天科植物,在晚上有机酸的含量显著增加,在白天则减少。因为这些植物在冷而湿的夜晚吸收二氧化碳,经β-羧化作用合成苹果酸而被固定,贮于液泡里;在热而干的白天,苹果酸经脱羧作用放出被固定的二氧化碳,在气孔紧闭的条件下,进行光合作用,合成碳水化合物。这种光合作用的代谢类型称为景天酸代谢。
仙人掌类和多肉植物等往往生长于热带干旱地区，而这种环境的特点是白天炎热夜晚寒冷，昼夜温差非常巨大，为了在这种环境下生存下来，这类植物经过长期适应和进化发展出一套独特的生存策略：
晚上，开放气孔吸收二氧化碳，并通过羧化反应形成苹果酸存于植物细胞内的大液泡中，而且在一定范围内，气温越低，二氧化碳吸收越多。到了白天，关闭气孔减少水分蒸腾，再把夜间储于细胞大液泡里的酸性物质作脱羧反应，释放的二氧化碳进入卡尔文循环进行光合作用，并且在一定的范围内，温度越高，脱羧越快。
由于夜间温度比较低所以通过气孔丢失的水分要比白天少得多，对于植物来说，这样的好处就是可以避免水分过快的流失，因为气孔只在夜间开放以摄取二氧化碳。
有一些植物对CO2的固定反应是在叶肉细胞的胞质溶胶中进行的，这种途径称为C4途径。在酶的催化下，CO2连接到磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)上形成四碳酸：草酰乙酸(xalacetate)。这种固定CO2的方式称为C4途径。C4植物每同化1分子CO2,需要消耗5分子ATP和2分子NADPH。
许多C4植物在解剖上有一种特殊结构，即在维管束周围有两种不同类型的细胞：靠近维管束的内层细胞称为鞘细胞，围绕着鞘细胞的外层细胞是叶肉细胞。由叶肉细胞和维管束鞘细胞整齐排列的双环结构，形象地称为“花环形”结构。两种不同类型的细胞各具不同的叶绿体。围绕着维管束鞘细胞周围的排列整齐致密的叶肉细胞中的叶绿体，具有发达的基粒构造，而维管束鞘细胞的叶绿体中却只有很少的基粒，而有很多大的卵形淀粉粒。
CAM途径与C4途径的区别在于，CAM途径进一步地实现了两次CO2固定时间的错开，从而避免了干旱条件下过度蒸腾作用对植物体的不利影响。
三、光呼吸
光呼吸是所有进行光合作用的细胞在光照和高氧低二氧化碳情况下发生的一个生化过程。它是光合作用一个损耗能量的副反应。绿色植物在照光条件下的呼吸作用。特点是有机物在被分解转化过程中虽也放出CO2，但不能转换成能量ATP，而使光合产物被白白地耗费掉。在黑暗条件下，呼吸过程能不断转换形成ATP，并把自由能释放出来，以供根系的吸收功能、有机物质的合成与运转功能以及各种物质代谢反应等等功能的需要，从而促进生命活动的顺利进行。所以光呼吸越强，光合生产率相对就低。
光呼吸作用可以明显地减弱光合作用，降低作物产量，曾被认为是无效的耗能过程，因此抑制光呼吸。筛选低光呼吸的高光效育种曾一度成为提高作物产量的研究热点。但是随着研究的深入，人们发长时间抑制光呼吸条件下，植物不能正常生长，因此单独通过抑制光呼吸提高作物产量是不现实的。近年来的研究结果表明，光呼吸是在长期进化过程中，为了适应环境变化，提高抗逆性而形成的一条代谢途径，具有重要的生理意义。
例．下图甲是某植物的光合速率与光照强度、CO2浓度和温度之间的关系，图乙是仙人掌固定CO2的过程图。请回答下列问题：
（1）甲图中与其他两条曲线均互为对照的是曲线 ，曲线Ⅱ中，当光照强度达到B点后，影响光合速率的主要外界因素为 。
(2）若保持C点的光照强度，突然将植株由曲线Ⅲ的培养环境转移到曲线Ⅱ的环境中培养.此时受到影响的主要是 阶段，短时间内叶绿体基质中 （物质）的含量会增加。
（3）仙人掌的气孔在夜间张开，CO2进入叶中被固定在一种碳四化合物中，白天气孔关闭,有光时由碳四化合物释放CO2进行卡尔文循环,并合成C糖（卡尔文循环中所直接制造出来的碳水化合物是C糖而不是葡萄糖）。仙人掌细胞进行卡尔文循环的场所是 ，仙人掌这种固定CO2的特殊途径对适应干旱条件有何重要意义？ 。
（4）实验证明，离体的叶绿体在适宜的条件下也能进行光合作用，原因是 。
答案：Ⅰ。（1）Ⅱ温度（2)暗反应［H]和ATP
（3）叶绿体基质白天干旱条件下,仙人掌气孔关闭，CO2的来源不足，这种特殊的CO2固定途径使仙人掌在有光时光合作用仍能正常进行
（4）叶绿体是光合作用的场所，细胞器内含有进行光合作用所需的色素和酶
【解析】Ⅰ.（1）对照实验中,对照组与实验组之间只能有一个变量不同，只有曲线Ⅱ符合要求。比较曲线Ⅲ和Ⅱ可知，当光照强度达到饱和点后，因CO2过量,升高温度可提高光合速率，说明B点后影响光合作用速率的主要外界因素应为温度。
（2）光反应需要的酶较少，主要受光照强度的影响，暗反应是一系列的酶促反应,受温度的影响较大。若保持C点的光照强度，突然将植株由曲线Ⅲ的培养环境转移到曲线Ⅱ的环境中培养，此时暗反应减弱，消耗的［H］和ATP减少，短时间内叶绿体基质中[H］和ATP的含量会增加。
（3)卡尔文循环是暗反应的一部分，其反应场所是叶绿体基质。干旱条件下，植物因防止水份过度蒸发而关闭气孔，导致光合作用的原料——CO2供应不足；仙人掌在夜间固定CO2白天释放CO2用于光合作用，保证了光合作用的正常进行。
（4)叶绿体是光合作用的场所,含有进行光合作用所需的色素和酶，因此离体的叶绿体在适宜的条件下也能进行光合作用。