Question

【題目】科研人員利用紅外線CO2分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)煙草、大豆等作物的葉照光后移至黑暗環(huán)境，短時間內(nèi)(約1分鐘)出現(xiàn)CO2釋放量急劇增高的現(xiàn)象，隨后釋放量減少至與黑暗環(huán)境一致，由此提出，植物的葉肉細(xì)胞在光下必有一個與呼吸作用不同的生理過程。這種植物在光下吸收O2產(chǎn)生CO2的現(xiàn)象稱為光呼吸，是一種借助葉綠體、線粒體等多種細(xì)胞器共同完成的消耗能量的反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，植物的Rubisco酶具有“兩面性”，其催化方向取決于CO2和O2的濃度。有數(shù)據(jù)表明，植物體在低濃度CO2情況下，葉綠體內(nèi)NADPH／NADP+比值較高，會導(dǎo)致更多自由基生成，使葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能受到損傷。請回答下列問題：

(1)Rubisco是一種存在于______的酶，在光照條件下，可以催化C5與CO2生成C3，再利用光反應(yīng)產(chǎn)生的________將其還原；也可以催化C5與O2反應(yīng)，推測O2與CO2比值_____時，有利于光呼吸而不利于光合作用。

(2)比較細(xì)胞呼吸和光呼吸的區(qū)別，寫出你進(jìn)行比較的角度(至少寫出兩個方面)__________________。結(jié)合本文內(nèi)容提出光呼吸對植物體的意義________________________________。

(3)請寫出驗證某植物存在光呼吸現(xiàn)象的實驗設(shè)計思路，并預(yù)期實驗結(jié)果。___________

Answer 1

【答案】葉綠體基質(zhì) [H]（[H]、ATP） 高 反應(yīng)場所，反應(yīng)條件，能量狀況 光呼吸可減少自由基的形成，對植物有保護作用；光呼吸過程產(chǎn)生的CO2可保持CO2濃度低時暗反應(yīng)的運轉(zhuǎn)等 設(shè)計思路：在適宜條件下先測定光照時該植物CO2吸收速率，一段時間后對該植物進(jìn)行遮光（完全黑暗）處理，遮光后每10秒測定一次CO2釋放速率（或短時間內(nèi)多次測定CO2釋放速率），直到CO2釋放速率不變

預(yù)期結(jié)果：光照時植物表現(xiàn)為吸收CO2，遮光后CO2釋放速率急劇增加，隨后CO2釋放速率逐漸減少，最后CO2釋放速率不變

【解析】

由題干信息可知，植物在光下會進(jìn)行一種區(qū)別于光合作用和呼吸作用的生理作用，即光呼吸作用，該作用在光下吸收O2產(chǎn)生CO2，分析圖示可知該現(xiàn)象與植物的Rubisco酶有關(guān)，它催化五碳化合物反應(yīng)取決于CO2和O2的濃度，當(dāng)CO2的濃度較高時，會進(jìn)行光合作用的暗反應(yīng)階段，當(dāng)O2的濃度較高時，會產(chǎn)生三碳化合物進(jìn)入線粒體中進(jìn)行光呼吸。

（1）由于Rubisco酶催化植物的光合作用暗反應(yīng)階段，所以它位于葉綠體基質(zhì)；光反應(yīng)產(chǎn)生的[H]具有很強的還原性，會將暗反應(yīng)產(chǎn)生的C3還原；圖示中表示當(dāng)O2的濃度較高時，會產(chǎn)生三碳化合物進(jìn)入線粒體中進(jìn)行光呼吸，因此O2與CO2比值較高時，植物更傾向于進(jìn)行光呼吸；

（2）根據(jù)圖示可以發(fā)現(xiàn)光呼吸需要植物在光下，當(dāng)O2的濃度較高時由Rubisco酶完成的一種反應(yīng)，而Rubisco酶存在于葉綠體中，所以反應(yīng)條件和反應(yīng)場所都與細(xì)胞呼吸不同，由于細(xì)胞呼吸存在的意義是為細(xì)胞提供能量，所以還可以對比兩者之間在能量狀態(tài)上的不同；題干中描述“植物體在低濃度CO2情況下，葉綠體內(nèi)NADPH／NADP+比值較高，會導(dǎo)致更多自由基生成，使葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能受到損傷”，可以發(fā)現(xiàn)植物此時進(jìn)行光呼吸可以消耗氧氣釋放二氧化碳，相當(dāng)于增加了二氧化碳的濃度，減少植物自由基的產(chǎn)生，對植物有保護作用，同時圖示中表示光呼吸后形成的二氧化碳也可以參與卡爾文循環(huán)，作為光合作用的原料；

（3）由于光呼吸是指植物在光下吸收氧氣釋放二氧化碳的過程，所以可以從植物釋放氣體的種類和含量的角度設(shè)計實驗，將實驗的自變量定義為是否進(jìn)行光照處理，因變量為二氧化碳在不同條件下的釋放量。