Question

为提高粮食产量，科研工作者以作物甲为材料，探索采用生物工程技术提高光合作用效率的途径。

（1）图1是叶肉细胞中部分碳代谢过程的模式图。其中环形代谢途径表示的是光合作用中的________  反应。

（2）如图1所示，在光合作用中R酶催化C₅与CO₂形成2分子3-磷酸甘油酸。在某些条件下，R酶还可以催化C₅和O₂反应生成1分子C₃和1分子2-磷酸乙醇酸，后者在酶的催化作用下转换为___________后通过膜上的载体（T）离开叶绿体。再经过代谢途径Ⅰ最终将2分子乙醇酸转换为1分子甘油酸，并释放1分子CO₂。

（3）为了减少叶绿体内碳的丢失，研究人员利用转基因技术将编码某种藻类C酶（乙醇酸脱氢酶）的基因和某种植物的M酶（苹果酸合成酶）基因转入作物甲，与原有的代谢途径Ⅲ相连，人为地在叶绿体中建立一个新的乙醇酸代谢途径（图2中的途径Ⅱ）。

①将C酶和M酶的编码基因转入作物甲，能够实现的目的是：利用途径Ⅱ，通过__________，降低叶绿体基质中该物质的含量，减少其对叶绿体的毒害作用。

②转基因操作后，途径Ⅲ能够提高光合作用效率的原因是______________。

（4）在图2所述研究成果的基础上，有人提出“通过敲除T蛋白基因来进一步提高光合作用效率”的设想。你认为该设想是否可行并阐述理由。_____________

Answer

碳（暗） 乙醇酸 将乙醇酸转换为苹果酸 由于途径Ⅱ提高了苹果酸的含量，使叶绿体基质内 CO2 的浓度增加，直接增加了碳（暗）反应的反应（底）物 该设想可行。理由是：叶绿体膜上的载体 T 仍有可能输出部分乙醇酸，造成叶绿体中碳的丢失。找到并敲除载体 T 的基因，即可减少这一部分碳的丢失，进一步提高光合作用效率。

【解析】

分析图1可知：叶绿体中所示的环形反应的生理过程为卡尔文循环，该循环过程中发生的反应为：在光合作用中R酶催化C5与CO2形成2分子3-磷酸甘油酸，3-磷酸甘油酸转化成C3，然后C3在来自光反应的ATP和还原剂NADPH以及酶的催化作用下形成有机物和C5。R 酶还可以催化 C5 和 O2 反应生成 1 分子C3 和 1 分子 2-磷酸乙醇酸，后者在酶的催化作用下转换为乙醇酸后通过膜上的载体（T）离开叶绿体。再经过代谢途径最终将2分子乙醇酸转换为1分子甘油酸，并释放1分子CO2。

分析图2可知：通过转基因技术人为地在叶绿体中建立一个新的乙醇酸代谢途径Ⅱ，即将乙醇酸通过C酶和M酶的催化作用转化为苹果酸，由于途径Ⅱ提高了苹果酸的含量，苹果酸通过代谢途径Ⅲ，使叶绿体基质内CO2的浓度增加，有利于提高光合速率。

（1）分析图1可知，图1是叶肉细胞中部分碳代谢过程，表示碳（暗）反应的过程图。

（2）分析图1可知，在某些条件下，R酶还可以催化C5 和 O2 反应生成 1 分子C3 和 1 分子 2-磷酸乙醇酸，后者在酶的催化作用下转换为乙醇酸后通过膜上的载体（T）离开叶绿体。

（3）①分析图2可知，通过转基因技术将C酶和M酶编码基因转入作物甲，增加了途径Ⅱ，通过该途径将乙醇酸转为苹果酸，降低叶绿体基质中乙醇酸的含量，减少其对叶绿体的毒害作用。

②转基因操作后，通过途径Ⅱ提高了叶绿体中苹果酸的含量，然后苹果酸经过途径Ⅲ代谢产生了CO2，从而使叶绿体基质内CO2的度增加，提高了碳（暗）反应所需的反应（底）物浓度，有利于提高光合速率。

（4）分析题图可知，T蛋白是叶绿体内外膜上将乙醇酸运出叶绿体的载体，乙醇酸出叶绿体造成叶绿体中碳的丢失。因此找到并敲除该载体的基因，即可减少这一部分碳的丢失，进一步提高光合作用效率。所以通过敲除T蛋白基因来进一步提高光合作用效率的设想是可行的。