Question

【題目】科研人員利用紅外線CO2分析技術發現煙草、大豆等作物的葉照光后移至黑暗環境，短時間內(約1分鐘)出現CO2釋放量急劇增高的現象，隨后釋放量減少至與黑暗環境一致，由此提出，植物的葉肉細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產生CO2的現象稱為光呼吸，是一種借助葉綠體、線粒體等多種細胞器共同完成的消耗能量的反應。研究發現，植物的Rubisco酶具有“兩面性”，其催化方向取決于CO2和O2的濃度。有數據表明，植物體在低濃度CO2情況下，葉綠體內NADPH／NADP+比值較高，會導致更多自由基生成，使葉綠體的結構和功能受到損傷。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，再利用光反應產生的________將其還原；也可以催化C5與O2反應，推測O2與CO2比值_____時，有利于光呼吸而不利于光合作用。

(2)比較細胞呼吸和光呼吸的區別，寫出你進行比較的角度(至少寫出兩個方面)__________________。結合本文內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象的實驗設計思路，并預期實驗結果。___________

Answer 1

【答案】葉綠體基質 [H]（[H]、ATP） 高 反應場所，反應條件，能量狀況 光呼吸可減少自由基的形成，對植物有保護作用；光呼吸過程產生的CO2可保持CO2濃度低時暗反應的運轉等 設計思路：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（或短時間內多次測定CO2釋放速率），直到CO2釋放速率不變

預期結果：光照時植物表現為吸收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，植物在光下會進行一種區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產生CO2，分析圖示可知該現象與植物的Rubisco酶有關，它催化五碳化合物反應取決于CO2和O2的濃度，當CO2的濃度較高時，會進行光合作用的暗反應階段，當O2的濃度較高時，會產生三碳化合物進入線粒體中進行光呼吸。

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

（2）根據圖示可以發現光呼吸需要植物在光下，當O2的濃度較高時由Rubisco酶完成的一種反應，而Rubisco酶存在于葉綠體中，所以反應條件和反應場所都與細胞呼吸不同，由于細胞呼吸存在的意義是為細胞提供能量，所以還可以對比兩者之間在能量狀態上的不同；題干中描述“植物體在低濃度CO2情況下，葉綠體內NADPH／NADP+比值較高，會導致更多自由基生成，使葉綠體的結構和功能受到損傷”，可以發現植物此時進行光呼吸可以消耗氧氣釋放二氧化碳，相當于增加了二氧化碳的濃度，減少植物自由基的產生，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，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計實驗，將實驗的自變量定義為是否進行光照處理，因變量為二氧化碳在不同條件下的釋放量。