Question

【題目】番茄植株不耐高溫，其生長發(fā)育適宜溫度及光照分別為15～32℃，500～800μmol·m-2s-1。我國北方日光溫室夏季栽培生產(chǎn)過程中常遭遇35℃亞高溫并伴有強光輻射的環(huán)境，會造成作物減產(chǎn)。

（1）PSⅡ和PSⅠ是由蛋白質(zhì)和光合色素組成的復(fù)合物，具有吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能的作用。

圖1

如圖1所示PSII中的色素吸收光能后，一方面將H2O分解為_________和H+，同時產(chǎn)生的電子傳遞給PSⅠ用于將NADP+和H+結(jié)合形成NADPH。另一方面，在ATP合成酶的作用下，H+_________（填寫順或逆）濃度梯度轉(zhuǎn)運提供能量，促進ADP和Pi合成ATP。光反應(yīng)過程實現(xiàn)了能量由光能轉(zhuǎn)換為活躍化學(xué)能的過程。

（2）為研究亞高溫高光對番茄光合作用的影響，研究者將番茄植株在不同培養(yǎng)環(huán)境下培養(yǎng)5天后測定相關(guān)指標(biāo)如下表。

組別	溫度(℃)	光照強度(μmol·m-2s-1)	凈光合速率(μmol·m-2s-1)	氣孔導(dǎo)度(mmol·m-2s-1)	胞間CO2濃度（ppm）	Rubisco活性(U·ml-1)
對照組（CK）	25	500	12．1	114．2	308	189
亞高溫高光組（HH）	35	1000	1．8	31．2	448	61

從表中數(shù)據(jù)可見亞高溫高光條件下凈光合速率的下降并不是氣孔因素引起的，請說出理由_________。Rubisco是催化圖1中過程②_________的關(guān)鍵酶，該酶活性的下降導(dǎo)致②速率下降，光反應(yīng)產(chǎn)物NADPH([H])和ATP在細(xì)胞中的含量__________（填寫增加、降低或不變），進而引起光能的轉(zhuǎn)化效率降低，而此時強光下植物吸收的光能已經(jīng)是過剩光能了，從而對植物產(chǎn)生危害。

（3）植物通常會有一定的應(yīng)對機制來適應(yīng)逆境。D1蛋白是PSII復(fù)合物的組成部分，對維持PSII的結(jié)構(gòu)和功能起重要作用，已有研究表明，在高溫高光下，過剩的光能可使D1蛋白失活。研究者對D1蛋白與植物應(yīng)對亞高溫高光逆境的關(guān)系進行了研究。

①利用番茄植株進行了三組實驗，①組的處理同（2）中的CK，③組用適量的SM（SM可抑制D1蛋白的合成）處理番茄植株并在亞高溫高光（HH）下培養(yǎng)。定期測定各組植株的凈光合速率（Pn）。實驗結(jié)果如下圖： 　

圖2

請寫出②組的處理：_________。根據(jù)實驗結(jié)果分析植物如何緩解亞高溫高光對光合作用的抑制的。_________

②Deg蛋白酶位于類囊體腔側(cè)，主要負(fù)責(zé)受損D1蛋白的降解，如果抑制Deg蛋白酶的活性，請你預(yù)測在亞高溫高光下番茄光合作用受抑制程度并說明理由：____________。

Answer 1

【答案】氧氣 順 氣孔導(dǎo)度下降，但胞間CO2濃度卻上升 CO2固定 增加 ②組在亞高溫高光（HH）下培養(yǎng) 圖中結(jié)果表明，當(dāng)用SM處理抑制D1蛋白合成后，在亞高溫高光下，③組比②組凈光合速率下降的更明顯，因此番茄植株通過合成新的D1蛋白以緩解亞高溫高光對光合作用的抑制 抑制程度會加劇，因為Deg蛋白酶的活性被抑制后不能把失活的D1蛋白降解，新合成的D1蛋白無法修復(fù)PS的結(jié)構(gòu)和功能

【解析】

1.光合作用的過程分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個階段，光反應(yīng)的場所為類囊體薄膜，包括水的光解生成還原氫和氧氣，以及ATP、NADPH的合成；暗反應(yīng)的場所為葉綠體基質(zhì)，包括二氧化碳的固定和三碳化合物的還原兩個過程。

2.分析表格：實驗的自變量是溫度和光照強度，表中數(shù)據(jù)顯示亞高溫高光組與對照組相比，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、Rubisco活性都下降，但胞間CO2濃度卻上升。

3.分析坐標(biāo)圖形：實驗的自變量是番茄是否用SM處理、培養(yǎng)條件是否為亞高溫高光，因變量是凈光合速率，坐標(biāo)曲線顯示凈光合速率①組＞②組＞③組。

（1）光系統(tǒng)是由蛋白質(zhì)和葉綠素等光合色素組成的復(fù)合物，具有吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能的作用。光合作用的光反應(yīng)階段，發(fā)生在類囊體薄膜上，PSII中的光合色素吸收光能后，將水光解為氧氣和H+，同時產(chǎn)生的電子傳遞給PSⅠ，可用于NADP+和H+結(jié)合形成NADPH。同時在ATP酶的作用下，氫離子順濃度梯度轉(zhuǎn)運提供分子勢能，促使ADP與Pi反應(yīng)形成ATP。

（2）為研究亞高溫高光對番茄光合作用的影響，實驗的自變量是溫度和光照強度，表中數(shù)據(jù)顯示亞高溫高光組與對照組相比，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、Rubisco活性都下降，但胞間CO2濃度卻上升，說明亞高溫高光條件下凈光合速率的下降并不是氣孔因素引起的。圖1中Rubisco催化的過程②是CO2固定，發(fā)生的反應(yīng)是CO2+C5→C3。該酶活性下降導(dǎo)致C3的合成減少，C3還原需要的光反應(yīng)產(chǎn)物NADPH([H])和ATP減少，而光反應(yīng)產(chǎn)物NADPH([H])和ATP生成不變，所以細(xì)胞中兩者含量會增加，進而引起光能轉(zhuǎn)化率降低。

（3）①利用番茄植株進行的三組實驗種，實驗的自變量是番茄是否用SM處理、培養(yǎng)條件是否為亞高溫高光，因變量是凈光合速率。①組、②組都是未用SM處理、D1蛋白的合成正常的番茄，不同是①在常溫、適宜光照下培養(yǎng)，②組是在亞高溫高光下培養(yǎng)，圖中結(jié)果顯示②組凈光合速率下降，說明亞高溫高光對光合作用有抑制效應(yīng)。③組用適量的SM（SM可抑制SM處理）處理番茄植株，在亞高溫高光（HH）下培養(yǎng)，與②組相比，凈光合速率下降更明顯，說明亞高溫高光對番茄植株凈光合速率的抑制是因為抑制了D1蛋白的合成，所以通過合成新的D1蛋白可以緩解亞高溫高光對光合作用的抑制。

②由題干信息可知，D1蛋白是PSII復(fù)合物的組成部分，對維持PSII的結(jié)構(gòu)和功能起重要作用，失活的D1蛋白被降解隨后由新合成的D1蛋白質(zhì)來替換。如果抑制Deg蛋白酶的活性，失活的D1蛋白不能降解，新合成的D1蛋白無法替換，從而不能修復(fù)PS的結(jié)構(gòu)和功能，在亞高溫高光下番茄光合作用受抑制程度會加劇。