Question

科研人员利用红外线CO₂分析技术发现烟草、大豆等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。这种植物在光下吸收O₂产生CO₂的现象称为光呼吸，是一种借助叶绿体、线粒体等多种细胞器共同完成的消耗能量的反应。研究发现，植物的Rubisco酶具有“两面性”，其催化方向取决于CO₂和O₂的浓度。有数据表明，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。请回答下列问题：

(1)Rubisco是一种存在于______的酶，在光照条件下，可以催化C₅与CO₂生成C₃，再利用光反应产生的________将其还原；也可以催化C₅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。

(2)比较细胞呼吸和光呼吸的区别，写出你进行比较的角度(至少写出两个方面)__________________。结合本文内容提出光呼吸对植物体的意义________________________________。

(3)请写出验证某植物存在光呼吸现象的实验设计思路，并预期实验结果。___________

Answer

叶绿体基质 [H]（[H]、ATP） 高 反应场所，反应条件，能量状况 光呼吸可减少自由基的形成，对植物有保护作用；光呼吸过程产生的CO2可保持CO2浓度低时暗反应的运转等 设计思路：在适宜条件下先测定光照时该植物CO2吸收速率，一段时间后对该植物进行遮光（完全黑暗）处理，遮光后每10秒测定一次CO2释放速率（或短时间内多次测定CO2释放速率），直到CO2释放速率不变

预期结果：光照时植物表现为吸收CO2，遮光后CO2释放速率急剧增加，随后CO2释放速率逐渐减少，最后CO2释放速率不变

【解析】

由题干信息可知，植物在光下会进行一种区别于光合作用和呼吸作用的生理作用，即光呼吸作用，该作用在光下吸收O2产生CO2，分析图示可知该现象与植物的Rubisco酶有关，它催化五碳化合物反应取决于CO2和O2的浓度，当CO2的浓度较高时，会进行光合作用的暗反应阶段，当O2的浓度较高时，会产生三碳化合物进入线粒体中进行光呼吸。

（1）由于Rubisco酶催化植物的光合作用暗反应阶段，所以它位于叶绿体基质；光反应产生的[H]具有很强的还原性，会将暗反应产生的C3还原；图示中表示当O2的浓度较高时，会产生三碳化合物进入线粒体中进行光呼吸，因此O2与CO2比值较高时，植物更倾向于进行光呼吸；

（2）根据图示可以发现光呼吸需要植物在光下，当O2的浓度较高时由Rubisco酶完成的一种反应，而Rubisco酶存在于叶绿体中，所以反应条件和反应场所都与细胞呼吸不同，由于细胞呼吸存在的意义是为细胞提供能量，所以还可以对比两者之间在能量状态上的不同；题干中描述“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”，可以发现植物此时进行光呼吸可以消耗氧气释放二氧化碳，相当于增加了二氧化碳的浓度，减少植物自由基的产生，对植物有保护作用，同时图示中表示光呼吸后形成的二氧化碳也可以参与卡尔文循环，作为光合作用的原料；

（3）由于光呼吸是指植物在光下吸收氧气释放二氧化碳的过程，所以可以从植物释放气体的种类和含量的角度设计实验，将实验的自变量定义为是否进行光照处理，因变量为二氧化碳在不同条件下的释放量。