光合作用的暗反應(yīng)過(guò)程被稱為碳同化。植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中逐漸形成了多種碳同化途徑。如圖1所示，玉米、甘蔗等C4植物，長(zhǎng)期生活在熱帶地區(qū)，其PEP羧化酶與CO2有強(qiáng)親和力，可以將環(huán)境中低濃度的CO2固定下來(lái)，集中到維管束鞘細(xì)胞。而景天科等CAM（景天酸代謝）植物，長(zhǎng)期生活在干旱或半干旱環(huán)境中，它們?cè)谝雇聿东@CO2，然后轉(zhuǎn)變成蘋(píng)果酸儲(chǔ)存在液泡中，白天氣孔關(guān)閉，蘋(píng)果酸脫羧釋放CO2用于卡爾文循環(huán)。
（1）在顯微鏡下觀察玉米葉片結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，葉肉細(xì)胞包圍在維管束鞘細(xì)胞四周，形成花環(huán)狀結(jié)構(gòu)。維管束鞘細(xì)胞中沒(méi)有完整的葉綠體，推測(cè)其可能缺少 基粒基粒（填“基?！被颉盎|(zhì)”）結(jié)構(gòu)。CAM植物葉肉細(xì)胞液泡的pH夜晚比白天要 低低（填“高”或“低”）。
（2）蝴蝶蘭因其花姿優(yōu)美、花色艷麗成為國(guó)際花卉市場(chǎng)最受歡迎的蘭花之一，被譽(yù)為“蘭花皇后”。圖2為蝴蝶蘭葉片凈CO2吸收速率和有機(jī)酸含量的晝夜變化。據(jù)圖2推測(cè)，蝴蝶蘭 存在存在（填“存在”或“不存在”）CAM途徑，判斷依據(jù)是 由圖可知蝴蝶蘭葉片吸收CO2主要發(fā)生在夜間，白天吸收 CO2較少（或白天的凈CO2吸收速率較低，夜晚的凈CO2吸收速率較高）；蝴蝶蘭葉片中白天有機(jī)酸的含量下降，夜晚有機(jī)酸 的含量升高，符合CAM植物的光合特性由圖可知蝴蝶蘭葉片吸收CO2主要發(fā)生在夜間，白天吸收 CO2較少（或白天的凈CO2吸收速率較低，夜晚的凈CO2吸收速率較高）；蝴蝶蘭葉片中白天有機(jī)酸的含量下降，夜晚有機(jī)酸 的含量升高，符合CAM植物的光合特性。
（3）Rubisco酶是卡爾文循環(huán)中催化CO2固定的酶。Rubisco酶對(duì)CO2和O2都有親和力，在光照條件下，當(dāng)CO2O2比值高時(shí)，Rubisco酶可催化C5固定CO2合成有機(jī)物，當(dāng)CO2O2比值低時(shí)，Rubisco酶可催化C5結(jié)合O2發(fā)生氧化分解，消耗有機(jī)物，此過(guò)程稱為光呼吸，它會(huì)導(dǎo)致光合效率下降。有人認(rèn)為，景天酸代謝（CAM）途徑是景天科植物長(zhǎng)期進(jìn)化得到的一種可以抑制光呼吸的碳濃縮機(jī)制。你認(rèn)為這種說(shuō)法 合理合理（填“合理”或“不合理”），理由是 CAM 植物的葉肉細(xì)胞可以在夜晚吸收大量的 CO2，轉(zhuǎn)變?yōu)樘O(píng)果酸儲(chǔ)存在液泡中，在白天蘋(píng)果酸脫羧釋放CO2，使得葉綠體中Rubisco酶周圍的CO2濃度升高，在與O2競(jìng)爭(zhēng)Rubisco酶時(shí)有優(yōu)勢(shì)，抑制了光呼吸CAM 植物的葉肉細(xì)胞可以在夜晚吸收大量的 CO2，轉(zhuǎn)變?yōu)樘O(píng)果酸儲(chǔ)存在液泡中，在白天蘋(píng)果酸脫羧釋放CO2，使得葉綠體中Rubisco酶周圍的CO2濃度升高，在與O2競(jìng)爭(zhēng)Rubisco酶時(shí)有優(yōu)勢(shì)，抑制了光呼吸。
（4）科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：Rubisco酶是一種雙功能酶，在較強(qiáng)光照下，它既催化C5與CO2的羧化反應(yīng)進(jìn)行光合作用，同時(shí)又催化C5的加氧反應(yīng)進(jìn)行光呼吸，羧化和加氧反應(yīng)的相對(duì)速率完全取決于CO2與O2的相對(duì)濃度。如圖3所示為光合作用暗反應(yīng)和光呼吸的部分過(guò)程。
為探究光呼吸的產(chǎn)物與場(chǎng)所，某研究團(tuán)隊(duì)利用同位素標(biāo)記法設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證上述圖示過(guò)程光呼吸的終產(chǎn)物和場(chǎng)所，請(qǐng)簡(jiǎn)要補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
①甲組：將小麥葉肉細(xì)胞置于光照較強(qiáng)和C18O濃度較高的環(huán)境中培養(yǎng)一段時(shí)間后，檢測(cè)18O出現(xiàn)的場(chǎng)所及物質(zhì)；
乙組：將小麥葉肉細(xì)胞置于光照較強(qiáng)和18O2濃度較高的環(huán)境中培養(yǎng)一段時(shí)間后檢測(cè)18O出現(xiàn)的場(chǎng)所及物質(zhì)將小麥葉肉細(xì)胞置于光照較強(qiáng)和18O2濃度較高的環(huán)境中培養(yǎng)一段時(shí)間后檢測(cè)18O出現(xiàn)的場(chǎng)所及物質(zhì)。
②預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
甲組中的 18O出現(xiàn)在葉綠體基質(zhì)中，在糖類中可以檢測(cè)到18O18O出現(xiàn)在葉綠體基質(zhì)中，在糖類中可以檢測(cè)到18O；
乙組中的 18O出現(xiàn)在線粒體和葉綠體基質(zhì)中，在二氧化碳和糖類中可以檢測(cè)到18O18O出現(xiàn)在線粒體和葉綠體基質(zhì)中，在二氧化碳和糖類中可以檢測(cè)到18O。
C
O
2
O
2
C
O
2
O
2
【答案】基粒；低；存在；由圖可知蝴蝶蘭葉片吸收CO2主要發(fā)生在夜間，白天吸收 CO2較少（或白天的凈CO2吸收速率較低，夜晚的凈CO2吸收速率較高）；蝴蝶蘭葉片中白天有機(jī)酸的含量下降，夜晚有機(jī)酸 的含量升高，符合CAM植物的光合特性；合理；CAM 植物的葉肉細(xì)胞可以在夜晚吸收大量的 CO2，轉(zhuǎn)變?yōu)樘O(píng)果酸儲(chǔ)存在液泡中，在白天蘋(píng)果酸脫羧釋放CO2，使得葉綠體中Rubisco酶周圍的CO2濃度升高，在與O2競(jìng)爭(zhēng)Rubisco酶時(shí)有優(yōu)勢(shì)，抑制了光呼吸；將小麥葉肉細(xì)胞置于光照較強(qiáng)和18O2濃度較高的環(huán)境中培養(yǎng)一段時(shí)間后檢測(cè)18O出現(xiàn)的場(chǎng)所及物質(zhì)；18O出現(xiàn)在葉綠體基質(zhì)中，在糖類中可以檢測(cè)到18O；18O出現(xiàn)在線粒體和葉綠體基質(zhì)中，在二氧化碳和糖類中可以檢測(cè)到18O
【解答】
【點(diǎn)評(píng)】
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發(fā)布：2025/1/16 8:0:1組卷：36引用：1難度：0.5
相似題
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1．研究發(fā)現(xiàn)，Rubisco酶是綠色植物細(xì)胞中含量最豐富的蛋白質(zhì)，由核基因控制合成的小亞基和葉綠體基因控制合成的大亞基組成，功能上屬于雙功能酶。當(dāng)CO2濃度較高時(shí)，該酶催化C5與CO2反應(yīng)，完成光合作用；當(dāng)O2濃度較高時(shí)，該酶卻錯(cuò)誤的催化C5與O2反應(yīng)，產(chǎn)物經(jīng)一系列變化后到線粒體中生成CO2，這種植物在光下吸收O2產(chǎn)生CO2的現(xiàn)象稱為光呼吸?；卮鹣铝袉?wèn)題：
（1）Rubisco酶在細(xì)胞的中的核糖體上合成。在較高CO2濃度環(huán)境中，Rubisco酶所催化的反應(yīng)產(chǎn)物是，其發(fā)揮作用的場(chǎng)所是。
（2）當(dāng)胞間CO2與O2濃度的比值減小時(shí)，有利于植物進(jìn)行光呼吸而不利于光合作用有機(jī)物的積累。請(qǐng)從C5的角度分析，原因是。
（3）為糾正Rubisco酶的錯(cuò)誤反應(yīng)，光合植物創(chuàng)造了多種高代價(jià)的補(bǔ)救機(jī)制，如有的細(xì)胞中產(chǎn)生一種特殊蛋白質(zhì)微室，將CO2濃縮在Rubisco酶周圍。該機(jī)制形成的意義是。發(fā)布：2025/1/16 8:0:1組卷：50引用：5難度：0.6 -
2．光呼吸可使水稻和小麥等作物的光合效率降低20%至50%，造成減產(chǎn)。
光呼吸現(xiàn)象存在的根本原因在于Rubisco,酶是一個(gè)雙功能的酶，具有催化羧化反應(yīng)和加氧反應(yīng)兩種功能，其催化方向取決于CO2和O2的濃度。當(dāng)CO2濃度高而O2濃度低時(shí)，RuBP（1，5-二磷酸核酮糖，C5）與進(jìn)入葉綠體的CO2結(jié)合，經(jīng)Rubisco酶催化生成2分子的PGA（3-磷酸甘油酸，C3），進(jìn)行光合作用；當(dāng)CO2濃度低而O2濃度高時(shí)，RuBP與O2在Rubisco酶催化下生成1分子PGA和1分子PG（2-磷酸乙醇酸，C2），后者在相關(guān)酶的作用下生成乙醇酸（光呼吸的底物），乙醇酸通過(guò)光呼吸代謝循環(huán)合成PGA，重新加入卡爾文循環(huán)，而1/4的PG則以CO2的形式釋放，具體過(guò)程如圖1所示。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）在紅光照射條件下，參與光反應(yīng)的主要色素是；據(jù)圖1可推知，Rubisco酶主要分布在葉綠體基質(zhì)中，催化CO2與C5結(jié)合，生成2分子C3，影響該反應(yīng)的內(nèi)部因素有（寫(xiě)出2點(diǎn)即可）。在光照條件下，Rubisco酶可以催化RuBP與CO2生成PGA，再利用光反應(yīng)產(chǎn)生的NADPH將其還原，也可以催化RuBP與O2反應(yīng)；推測(cè)O2與CO2比值時(shí)，有利于光呼吸而不利于光合作用。
（2）從圖1看出，正常光合作用的葉片，突然停止光照后葉片會(huì)出現(xiàn)快速釋放CO2的現(xiàn)象（CO2猝發(fā)），試解釋這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：。從能量代謝分析，光呼吸與有氧呼吸最大的區(qū)別是。
（3）水稻、小麥屬于C3植物，而高粱、玉米屬于C4植物，其特有的C4途徑如圖2所示。根據(jù)圖2中信息推測(cè)，PEP羧化酶比Rubisco酶對(duì)CO2的親和力。葉肉細(xì)胞包圍在維管束鞘細(xì)胞四周，形成花環(huán)狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)一步推測(cè)C4植物光呼吸比C3植物的。發(fā)布：2025/1/16 8:0:1組卷：21引用：3難度：0.5 -
3．如圖是某植物葉肉細(xì)胞的部分生理過(guò)程示意圖。已知該植物葉肉細(xì)胞在適宜光照、較高的氧氣濃度條件下由于Rubisco酶既能催化過(guò)程①，也能催化過(guò)程②，可同時(shí)進(jìn)行光合作用和光呼吸。光呼吸是指在O2濃度高，CO2濃度低時(shí)，Rubisco酶可催化C5（RuBp）加O2形成1個(gè)C3、1個(gè)C2，2個(gè)C2在線粒體等結(jié)構(gòu)中再經(jīng)一系列轉(zhuǎn)化形成1個(gè)C3、1個(gè)CO2，C3再進(jìn)入卡爾文循環(huán)?；卮鹣铝袉?wèn)題：
（1）圖中，過(guò)程②發(fā)生的場(chǎng)所是。
（2）該植物葉肉細(xì)胞光合作用產(chǎn)生的糖類物質(zhì)，在氧氣充足的條件下，可被氧化為（填物質(zhì)名稱）后進(jìn)入線粒體，繼而在（填場(chǎng)所）徹底氧化分解成CO2。
（3）據(jù)圖推測(cè)，當(dāng)CO2濃度與O2濃度的比值（填“高”或“低”）時(shí)，有利于水稻進(jìn)行光呼吸而不利于光合作用中有機(jī)物的積累，從C5的角度分析，其原因是。
（4）科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在一些藍(lán)藻中存在CO2濃縮機(jī)制：藍(lán)藻中產(chǎn)生一種特殊的蛋白質(zhì)微室，能將CO2濃縮在Rubisco酶周圍。該機(jī)制的意義是。發(fā)布：2025/1/16 8:0:1組卷：21引用：1難度：0.7
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