Question

【題目】為提高糧食產(chǎn)量，科研工作者以作物甲為材料，探索采用生物工程技術(shù)提高光合作用效率的途徑。

（1）圖 1 是葉肉細(xì)胞中部分碳代謝過程 ______________的模式圖。其中環(huán)形代謝途徑表示的是光合作用中的反應(yīng)。

（2）如圖 1 所示，在光合作用中 R 酶催化 C5 與 CO2 形成 2 分子 3-磷酸甘油酸。在某些條件下，R 酶還可以催化 C5 和 O2 反應(yīng)生成 1 分子 C3 和 1 分子 2-磷酸乙醇酸，后者在酶的催化作用下轉(zhuǎn)換為______后通過膜上的載體（T）離開葉綠體。再經(jīng)過代謝途徑Ⅰ最終將 2 分子乙醇酸轉(zhuǎn)換為 1 分子甘油酸，并釋放 1 分子 CO2。

（3）為了減少葉綠體內(nèi)碳的丟失，研究人員利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將編碼某種藻類 C 酶（乙醇酸脫氫酶）的基因和某種植物的 M 酶（蘋果酸合成酶）基因轉(zhuǎn)入作物甲，與原有的代謝途徑Ⅲ相連，人為地在葉綠體中建立一個新的乙醇酸代謝途徑（圖 2 中的途徑Ⅱ）。

①將 C 酶和 M 酶的編碼基因轉(zhuǎn)入作物甲，能夠?qū)崿F(xiàn)的目的是：利用途徑Ⅱ，通過 _______ ，降低葉綠體基質(zhì)中該物質(zhì)的含量，減少其對葉綠體的毒害作用。

②轉(zhuǎn)基因操作后，途徑Ⅲ能夠提高光合作用效率的原因是_______。

（4）在圖 2 所述研究成果的基礎(chǔ)上，有人提出“通過敲除 T 蛋白基因來進(jìn)一步提高光合作用效率”的設(shè)想。你認(rèn)為該設(shè)想是否可行并闡述理由___________。

Answer 1

【答案】碳（暗） 乙醇酸 將乙醇酸轉(zhuǎn)換為蘋果酸 由于途徑Ⅱ提高了蘋果酸的含量，使葉綠體基質(zhì)內(nèi)CO2的濃度增加，直接增加了碳（暗）反應(yīng)的反應(yīng)（底）物 該設(shè)想可行。理由是：葉綠體膜上的載體 T 仍有可能輸出部分乙醇酸，造成葉綠體中碳的丟失。找到并敲除載體 T 的基因，即可減少這一部分碳的丟失，進(jìn)一步提高光合作用效率。

【解析】

1.葉綠體是進(jìn)行光合作用的場所，光合作用分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)，聯(lián)系見下表：

項目	光反應(yīng)	碳反應(yīng)（暗反應(yīng)）
實質(zhì)	光能→化學(xué)能，釋放O2	同化CO2形成（CH2O）（酶促反應(yīng)）
時間	短促，以微秒計	較緩慢
條件	需色素、光、ADP、和酶	不需色素和光，需多種酶
場所	在葉綠體內(nèi)囊狀結(jié)構(gòu)薄膜上進(jìn)行	在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行
物質(zhì)轉(zhuǎn)化	2H2O→4[H]+O2↑（在光和葉綠體中的色素的催化下） ADP+Pi+能量→ATP（在酶的催化下）	CO2+C5→2C3（在酶的催化下）C3+【H】→（CH2O）+C5（在ATP供能和酶的催化下）
能量轉(zhuǎn)化	葉綠素把光能先轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能并儲存在ATP中	ATP中活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)化變?yōu)樘穷惖扔袡C物中穩(wěn)定的化學(xué)能

2.根據(jù)題意和圖示可知，如圖1葉綠體中所示的環(huán)形反應(yīng)的生理過程為卡爾文循環(huán)，該循環(huán)過程中發(fā)生的反應(yīng)為：在光合作用中R酶催化C5與CO2 形成2分子3-磷酸甘油酸，3-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)化成C3，然后C3接受來自光反應(yīng)產(chǎn)生的NADPH的還原劑氫以及酶的催化作用下形成有機物和C5。除外在某些條件下，R酶還可以催化C5和O2反應(yīng)生成1分子C3和1分子 2-磷酸乙醇酸，后者在酶的催化作用下轉(zhuǎn)換為乙醇酸后通過膜上的載體（T）離開葉綠體。再經(jīng)過代謝途徑Ⅰ最終將2分子乙醇酸轉(zhuǎn)換為1分子甘油酸，并釋放1分子 CO2。

結(jié)合題意分析圖2可知，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)人為地在葉綠體中建立一個新的乙醇酸代謝途徑，即將乙醇酸通過C酶和M酶的催化作用轉(zhuǎn)化為蘋果酸的途徑Ⅱ，由于途徑Ⅱ提高了蘋果酸的含量，蘋果酸通過代謝途徑Ⅲ，使葉綠體基質(zhì)內(nèi)CO2的濃度增加，有利于提高光合速率。

（1）根據(jù)以上分析可知，圖1是葉肉細(xì)胞中部分碳代謝過程表示暗反應(yīng)的過程圖。

（2）根據(jù)以上分析可知，圖1中在某些條件下，R酶還可以催化C5和O2反應(yīng)生成1分子 C3和1分子2-磷酸乙醇酸，后者在酶的催化作用下轉(zhuǎn)換為乙醇酸后通過膜上的載體（T）離開葉綠體。

（3）①根據(jù)以上對圖2的分析可知，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將C酶和M酶的編碼基因轉(zhuǎn)入作物甲，增加了途徑Ⅱ，通過該途徑將乙醇酸轉(zhuǎn)換為蘋果酸，降低葉綠體基質(zhì)中乙醇酸的含量，減少其對葉綠體的毒害作用。

②轉(zhuǎn)基因操作后，通過途徑Ⅱ提高了葉綠體中蘋果酸的含量，然后蘋果酸經(jīng)過途徑Ⅲ代謝產(chǎn)生了CO2，從而使葉綠體基質(zhì)內(nèi)CO2的濃度增加，提高暗反應(yīng)所需的底物濃度，有利于提高光合速率。

（4）根據(jù)題意和識圖分析可知，T蛋白是膜上的將乙醇酸運出葉綠體的載體，乙醇酸運出葉綠體造成葉綠體中碳的丟失。因此找到并敲除載體 T 的基因，即可減少這一部分碳的丟失，進(jìn)一步提高光合作用效率。所以“通過敲除 T 蛋白基因來進(jìn)一步提高光合作用效率”的設(shè)想是可行的。