閱讀下列材料，回答相關(guān)問(wèn)題。
據(jù)聯(lián)合國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)事務(wù)部預(yù)測(cè)，2050年全球人口將增至97億。如果農(nóng)作物產(chǎn)量依然維持在現(xiàn)有水平，屆時(shí)人類(lèi)必將面臨嚴(yán)重的糧食短缺局面。世界范圍內(nèi)便掀起了一場(chǎng)以通過(guò)生物工程技術(shù)提高植物光合效率為中心的“第二次綠色革命”。而“光呼吸代謝工程”被認(rèn)為是此次革命的一個(gè)關(guān)鍵突破口。
如圖1，綠色植物中RuBP羧化酶（Rubisco）具有雙重活性，光呼吸是在光的驅(qū)動(dòng)下將碳水化合物氧化生成CO2和水的一個(gè)生化過(guò)程，是一個(gè)高耗能的反應(yīng)，正常生長(zhǎng)條件下光呼吸就可損耗掉光合產(chǎn)物的25～30%，如果一旦遭遇高溫、干旱等逆境條件，其損耗比例就會(huì)更高，可高達(dá)50%以上。
水稻、小麥等C3植物的光呼吸顯著，而高粱、玉米等C4植物的光呼吸消耗有機(jī)物很少，C4途經(jīng)如圖2所示。與C3植物相比，C4植物葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)具有一種特殊的PEP羧化酶，它催化如下反應(yīng)：C3+CO2PH強(qiáng)化劑C4（蘋(píng)果酸）。C4進(jìn)入維管束鞘細(xì)胞，生成CO2用于暗反應(yīng)，再生出的C3（丙酮酸）回到葉肉細(xì)胞中，進(jìn)行循環(huán)利用。葉肉細(xì)胞包圍在維管束鞘細(xì)胞四周，形成花環(huán)狀結(jié)構(gòu)。PEP羧化酶與CO2的親和力是Rubisco酶的60倍，能固定低濃度的CO2。
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)彭新湘課題組歷時(shí)10余載，幾經(jīng)挫折，最終利用水稻自身的三個(gè)基因，即GLO（乙醇酸氧化酶）、OXO（草酸氧化酶）和CAT（過(guò)氧化氫酶），成功構(gòu)建了一條新的光呼吸支路，簡(jiǎn)稱(chēng)GOC支路。通過(guò)多基因轉(zhuǎn)化技術(shù)成功將GOC支路導(dǎo)入水稻并定位至葉綠體中，由此使光呼吸產(chǎn)生的部分乙醇酸直接在葉綠體內(nèi)被催化為草酸并最終完全分解為CO2，從而形成一種類(lèi)似C4植物的光合CO2濃縮機(jī)制（如圖3）。
GOC工程水稻株系的光合效率、生物量、籽粒產(chǎn)量分別提高了15～22%、14～35%、7～27%。同時(shí)，GOC植株還表現(xiàn)出了許多類(lèi)似于長(zhǎng)期生長(zhǎng)在高CO2環(huán)境條件下的表型性狀，如葉片含糖量增加、葉綠素含量增加，葉綠體體積增大，淀粉粒數(shù)量增加、體積增大，糖類(lèi)代謝相關(guān)基因上調(diào)表達(dá)等。
（1）據(jù)圖1，在Rubisco催化下O2O2與C5反應(yīng)，形成的C2（乙醇酸）C2（乙醇酸）中的C原子最終進(jìn)入線(xiàn)粒體放出CO2稱(chēng)之為光呼吸，參與光呼吸的細(xì)胞器有葉綠體、線(xiàn)粒體、過(guò)氧物酶體葉綠體、線(xiàn)粒體、過(guò)氧物酶體。研究發(fā)現(xiàn)，光合產(chǎn)物13以上要消耗在光呼吸底物上。據(jù)此推測(cè)，細(xì)胞中CO2濃度倍增可以使光合產(chǎn)物的積累增加，原因是高濃度CO2可減少Rubisco與O2結(jié)合，減少光呼吸高濃度CO2可減少Rubisco與O2結(jié)合，減少光呼吸。
（2）請(qǐng)解釋C4植物光呼吸比C3植物小很多的原因C4植物葉肉細(xì)胞中高效的PEP羧化酶能夠利用極低濃度的CO2且花環(huán)狀的結(jié)構(gòu)使得多個(gè)葉肉細(xì)胞中的CO2富集到一個(gè)維管束鞘細(xì)胞中，使得維管束鞘細(xì)胞CO2濃度高，在與O2競(jìng)爭(zhēng)Rubisco中有優(yōu)勢(shì)，抑制光呼吸C4植物葉肉細(xì)胞中高效的PEP羧化酶能夠利用極低濃度的CO2且花環(huán)狀的結(jié)構(gòu)使得多個(gè)葉肉細(xì)胞中的CO2富集到一個(gè)維管束鞘細(xì)胞中，使得維管束鞘細(xì)胞CO2濃度高，在與O2競(jìng)爭(zhēng)Rubisco中有優(yōu)勢(shì)，抑制光呼吸。
（3）請(qǐng)闡明GOC工程水稻株系的光合效率、生物量、籽粒產(chǎn)量提高的機(jī)制C3植物葉綠體中引入光呼吸代謝支路，使光呼吸產(chǎn)生的部分乙醇酸直接在葉綠體內(nèi)被分解為CO2，將原本釋放于線(xiàn)粒體中的CO2轉(zhuǎn)移到葉綠體中釋放，類(lèi)似于C4植物的CO2濃縮機(jī)制，提高葉綠體中CO2濃度，在與O2競(jìng)爭(zhēng)Rubisco酶中有優(yōu)勢(shì)，抑制光呼吸，由此可提高植物的光合效率等C3植物葉綠體中引入光呼吸代謝支路，使光呼吸產(chǎn)生的部分乙醇酸直接在葉綠體內(nèi)被分解為CO2，將原本釋放于線(xiàn)粒體中的CO2轉(zhuǎn)移到葉綠體中釋放，類(lèi)似于C4植物的CO2濃縮機(jī)制，提高葉綠體中CO2濃度，在與O2競(jìng)爭(zhēng)Rubisco酶中有優(yōu)勢(shì)，抑制光呼吸，由此可提高植物的光合效率等。
PH
強(qiáng)化劑
1
3
【考點(diǎn)】光合作用原理——光反應(yīng)、暗反應(yīng)及其區(qū)別與聯(lián)系．
【答案】O2；C2（乙醇酸）；葉綠體、線(xiàn)粒體、過(guò)氧物酶體；高濃度CO2可減少Rubisco與O2結(jié)合，減少光呼吸；C4植物葉肉細(xì)胞中高效的PEP羧化酶能夠利用極低濃度的CO2且花環(huán)狀的結(jié)構(gòu)使得多個(gè)葉肉細(xì)胞中的CO2富集到一個(gè)維管束鞘細(xì)胞中，使得維管束鞘細(xì)胞CO2濃度高，在與O2競(jìng)爭(zhēng)Rubisco中有優(yōu)勢(shì)，抑制光呼吸；C3植物葉綠體中引入光呼吸代謝支路，使光呼吸產(chǎn)生的部分乙醇酸直接在葉綠體內(nèi)被分解為CO2，將原本釋放于線(xiàn)粒體中的CO2轉(zhuǎn)移到葉綠體中釋放，類(lèi)似于C4植物的CO2濃縮機(jī)制，提高葉綠體中CO2濃度，在與O2競(jìng)爭(zhēng)Rubisco酶中有優(yōu)勢(shì)，抑制光呼吸，由此可提高植物的光合效率等
【解答】
【點(diǎn)評(píng)】
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發(fā)布：2024/4/20 14:35:0組卷：41引用：1難度：0.6
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1．研究發(fā)現(xiàn)，Rubisco酶是綠色植物細(xì)胞中含量最豐富的蛋白質(zhì)，由核基因控制合成的小亞基和葉綠體基因控制合成的大亞基組成，功能上屬于雙功能酶。當(dāng)CO2濃度較高時(shí)，該酶催化C5與CO2反應(yīng)，完成光合作用；當(dāng)O2濃度較高時(shí)，該酶卻錯(cuò)誤的催化C5與O2反應(yīng)，產(chǎn)物經(jīng)一系列變化后到線(xiàn)粒體中生成CO2，這種植物在光下吸收O2產(chǎn)生CO2的現(xiàn)象稱(chēng)為光呼吸。回答下列問(wèn)題：
（1）Rubisco酶在細(xì)胞的中的核糖體上合成。在較高CO2濃度環(huán)境中，Rubisco酶所催化的反應(yīng)產(chǎn)物是，其發(fā)揮作用的場(chǎng)所是。
（2）當(dāng)胞間CO2與O2濃度的比值減小時(shí)，有利于植物進(jìn)行光呼吸而不利于光合作用有機(jī)物的積累。請(qǐng)從C5的角度分析，原因是。
（3）為糾正Rubisco酶的錯(cuò)誤反應(yīng)，光合植物創(chuàng)造了多種高代價(jià)的補(bǔ)救機(jī)制，如有的細(xì)胞中產(chǎn)生一種特殊蛋白質(zhì)微室，將CO2濃縮在Rubisco酶周?chē)?。該機(jī)制形成的意義是。發(fā)布：2025/1/16 8:0:1組卷：50引用：5難度：0.6 -
2．光呼吸可使水稻和小麥等作物的光合效率降低20%至50%，造成減產(chǎn)。
光呼吸現(xiàn)象存在的根本原因在于Rubisco,酶是一個(gè)雙功能的酶，具有催化羧化反應(yīng)和加氧反應(yīng)兩種功能，其催化方向取決于CO2和O2的濃度。當(dāng)CO2濃度高而O2濃度低時(shí)，RuBP（1，5-二磷酸核酮糖，C5）與進(jìn)入葉綠體的CO2結(jié)合，經(jīng)Rubisco酶催化生成2分子的PGA（3-磷酸甘油酸，C3），進(jìn)行光合作用；當(dāng)CO2濃度低而O2濃度高時(shí)，RuBP與O2在Rubisco酶催化下生成1分子PGA和1分子PG（2-磷酸乙醇酸，C2），后者在相關(guān)酶的作用下生成乙醇酸（光呼吸的底物），乙醇酸通過(guò)光呼吸代謝循環(huán)合成PGA，重新加入卡爾文循環(huán)，而1/4的PG則以CO2的形式釋放，具體過(guò)程如圖1所示。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）在紅光照射條件下，參與光反應(yīng)的主要色素是；據(jù)圖1可推知，Rubisco酶主要分布在葉綠體基質(zhì)中，催化CO2與C5結(jié)合，生成2分子C3，影響該反應(yīng)的內(nèi)部因素有（寫(xiě)出2點(diǎn)即可）。在光照條件下，Rubisco酶可以催化RuBP與CO2生成PGA，再利用光反應(yīng)產(chǎn)生的NADPH將其還原，也可以催化RuBP與O2反應(yīng)；推測(cè)O2與CO2比值時(shí)，有利于光呼吸而不利于光合作用。
（2）從圖1看出，正常光合作用的葉片，突然停止光照后葉片會(huì)出現(xiàn)快速釋放CO2的現(xiàn)象（CO2猝發(fā)），試解釋這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：。從能量代謝分析，光呼吸與有氧呼吸最大的區(qū)別是。
（3）水稻、小麥屬于C3植物，而高粱、玉米屬于C4植物，其特有的C4途徑如圖2所示。根據(jù)圖2中信息推測(cè)，PEP羧化酶比Rubisco酶對(duì)CO2的親和力。葉肉細(xì)胞包圍在維管束鞘細(xì)胞四周，形成花環(huán)狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)一步推測(cè)C4植物光呼吸比C3植物的。發(fā)布：2025/1/16 8:0:1組卷：21引用：3難度：0.5 -
3．如圖是某植物葉肉細(xì)胞的部分生理過(guò)程示意圖。已知該植物葉肉細(xì)胞在適宜光照、較高的氧氣濃度條件下由于Rubisco酶既能催化過(guò)程①，也能催化過(guò)程②，可同時(shí)進(jìn)行光合作用和光呼吸。光呼吸是指在O2濃度高，CO2濃度低時(shí)，Rubisco酶可催化C5（RuBp）加O2形成1個(gè)C3、1個(gè)C2，2個(gè)C2在線(xiàn)粒體等結(jié)構(gòu)中再經(jīng)一系列轉(zhuǎn)化形成1個(gè)C3、1個(gè)CO2，C3再進(jìn)入卡爾文循環(huán)?；卮鹣铝袉?wèn)題：
（1）圖中，過(guò)程②發(fā)生的場(chǎng)所是。
（2）該植物葉肉細(xì)胞光合作用產(chǎn)生的糖類(lèi)物質(zhì)，在氧氣充足的條件下，可被氧化為（填物質(zhì)名稱(chēng)）后進(jìn)入線(xiàn)粒體，繼而在（填場(chǎng)所）徹底氧化分解成CO2。
（3）據(jù)圖推測(cè)，當(dāng)CO2濃度與O2濃度的比值（填“高”或“低”）時(shí)，有利于水稻進(jìn)行光呼吸而不利于光合作用中有機(jī)物的積累，從C5的角度分析，其原因是。
（4）科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在一些藍(lán)藻中存在CO2濃縮機(jī)制：藍(lán)藻中產(chǎn)生一種特殊的蛋白質(zhì)微室，能將CO2濃縮在Rubisco酶周?chē)?。該機(jī)制的意義是。發(fā)布：2025/1/16 8:0:1組卷：21引用：1難度：0.7
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