Question

【题目】阅读下面的材料，完成（1）～（4）题。

20世纪60年代，科研人员利用红外线CO2分析技术研究烟草、大豆等作物的光合动态，发现这些作物的叶照光后移至黑暗环境，短时间内（约1分钟）出现CO2释放量急剧增高的现象，随后释放量减少至与黑暗环境一致。由此科研人员提出，植物的叶肉细胞在光下必有一个与呼吸作用不同的生理过程，即在光照下叶肉细胞吸收O2，释放CO2。由于这种反应需叶绿体参与，并与光合作用同时发生，故称光呼吸。

光呼吸过程简图

光呼吸现象存在的根本原因在于Rubisco是一个双功能的酶，具有催化羧化反应和加氧反应两种功能，其催化方向取决于CO2和O2的浓度。当CO2浓度高而O2浓度低时，RuBP（1,5-二磷酸核酮糖，C5）与进入叶绿体的CO2结合，经此酶催化生成2分子的PGA（3-磷酸甘油酸，C3），进行光合作用；反之，RuBP与O2在此酶催化下生成1分子PGA和1分子PG（2-磷酸乙醇酸，C2），后者在相关酶的作用下生成乙醇酸（光呼吸的底物），通过光呼吸代谢循环合成PGA，重新加入卡尔文循环，而1/ 4的PG则以CO2的形式释放。

有人认为光呼吸将植物体已固定的CO2又释放出来，而CO2重新利用又需要消耗ATP和[H]，因此认为光呼吸是地球上最浪费能源的一个过程，限制了作物产量。

近年来，科研人员发现若较长时间或较大程度的抑制光呼吸，植物均不能正常生长甚至死亡。有数据表明PG是叶片中的一种有害产物，其合成与Rubisco具有羧化和加氧反应的特性有关，而光呼吸可清除PG。同时植物体在低浓度CO2情况下，叶绿体内NADPH/NADP+比值较高，会导致更多自由基生成，使叶绿体的结构和功能受到损伤。光呼吸可使CO2 不断释放，并在叶绿体中重新被固定，有助于降低自由基的形成，从而起保护作用。

（1）Rubisco是一种存在于_____的酶，在光照条件下，可以催化RuBP与CO2生成PGA，再利用光反应产生的____将其还原；也可以催化RuBP与O2反应，推测O2与CO2比值______时，有利于光呼吸而不利于光合作用。通过光呼吸可以将Rubisco催化产生PG中______（用比值表示）的碳重新利用，从而将光呼吸所造成的负面效应最小化。

（2）比较细胞呼吸和光呼吸的区别，写出你进行比较的角度（至少写出三个方面）__________。

（3）请写出验证植物存在光呼吸现象的实验设计思路，并将预期实验结果绘制在给定的坐标系中。_______。

（4）请结合本文内容，提出光呼吸对植物体的重要意义。__________。

Answer 1

【答案】叶绿体基质 [H] 高 3/4 对光的要求、进行部位、底物、产物、能量状况、反应条件 在适宜条件下先测定光照时吸收CO2速率，一段时间后对植物进行遮光（完全黑暗）处理，遮光后每10秒测定一次CO2释放速率，直到CO2释放速率不变。 光呼吸对植物有保护作用（如减少自由基产生、减少乙醇酸对细胞有毒害作用等）；光呼吸过程产生的甘氨酸和丝氨酸也可为蛋白质合成提供部分原料；光呼吸过程产生的CO2保持CO2缺少时卡尔文循环的运转等。

【解析】

题图分析：图示表示光合作用的暗反应和光呼吸的过程，光呼吸需要C5为原料，光合作用在暗反应阶段又生成了C5化合物，实现了该物质的再生，而且光呼吸最终将该物质彻底氧化分解成二氧化碳，光呼吸消耗了氧气，生成了二氧化碳，消耗了NADPH和ATP。

（1）Rubisco是一种存在于叶绿体基质的酶，在光照条件下，可以催化RuBP与CO2生成PGA，再利用光反应产生的[H]将其还原；也可以催化RuBP与O2反应，推测O2与CO2比值高时，有利于光呼吸而不利于光合作用。通过光呼吸可以将Rubisco催化产生PG中3/4用比值表示）的碳重新利用，从而将光呼吸所造成的负面效应最小化。

（2）比较细胞呼吸和光呼吸的区别有：

对光的要求：光呼吸需要光，而细胞呼吸对光没有要求。

进行部位：光呼吸在叶绿体中进行，细胞呼吸在细胞质基质和线粒体中进行。

底物：光呼吸的底物是C5化合物，细胞呼吸的底物是葡萄糖等有机物。

产物：光呼吸的产物为二氧化碳，细胞呼吸的产物是二氧化碳和水。

消耗能量状况：光呼吸消耗能量ATP，细胞呼吸产生能量ATP。

（3）验证植物存在光呼吸现象的实验，可根据题干信息；科学工作者对光呼吸的发现和思考过程来设计实验，根据光呼吸的条件和表现来设计实验。

在适宜条件下先测定光照时吸收CO2速率，一段时间后对植物进行遮光（完全黑暗）处理，遮光后每10秒测定一次CO2释放速率，直到CO2释放速率不变。如图所示：

（4）题干信息显示：光呼吸对植物体的重要意义表现在：光呼吸对植物有保护作用（如减少自由基产生、减少乙醇酸对细胞有毒害作用等）：光呼吸过程产生的甘氨酸和丝氨酸也可为蛋白质合成提供部分原料；光呼吸过程产生的CO2保持CO2缺少时卡尔文循环的运转等。