Question

科学研究发现：Rubisco酶是一种双功能酶，在较强光照下，它既催化C₃与CO₂的羧化反应进行光合作用，同时又催化C₅的加氧反应进行光呼吸，羧化和加氧反应的相对速率完全取决于CO₂与O₂的相对浓度。下图所示为光合作用暗反应和光呼吸的部分过程。现以小麦叶肉细胞为研究材料，请结合所学知识回答下列问题：

（1）光呼吸与光合作用暗反应相比，两者均利用了C₅作为原料；除图中所示物质及酶外，光合作用暗反应生成最终产物还需要_________（填物质名称）的参与。

（2）由图可知，光呼吸的加氧反应发生在__________（细胞器）中。当植物发生光呼吸时，会明显减弱光合作用，请从C₅角度分析原因：__________。

（3）为探究光呼吸的产物与场所，请利用同位素标记法设计实验，验证上述图示过程光呼吸的终产物和场所，简要写出实验思路和预期实验结果__________。（要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组）

Answer

ATP和NADPH（或[H]） 叶绿体 部分C5用于光呼吸，使得参与暗反应的C5含量减少，从而减弱了光合作用 实验思路：甲组：将小麦叶肉细胞置于光照较强和C18O2浓度较高的环境中培养一段时间后检测18O出现的场所及物质；乙组：将小麦叶肉细胞置于光照较强和18O2浓度较高的环境中培养一段时间后检测18O出现的场所及物质。

预期实验结果：甲组中的18O出现在叶绿体基质中，在糖类中可以检测到18O；乙组中的18O出现在线粒体和叶绿体基质中，在二氧化碳和糖类中可以检测到18O。

【解析】

据图分析，光呼吸是所有进行光合作用的细胞在光照和高氧低二氧化碳情况下发生的一个生化过程，它是光合作用一个损耗能量的副反应，过程中氧气被消耗，并且会生成三碳化合物和二碳化合物，进而生成二氧化碳，因此降低光呼吸被认为是提高光合作用效能的途径之一。

（1）光合作用暗反应过程C3还原形成最终产物需要光反应产生的ATP和NADPH的参与，而光呼吸不需要。

（2）五碳化合物存在于叶绿体基质中，图中光呼吸中氧气与五碳化合物反应，因此加氧反应发生在叶绿体中。据图分析，光呼吸过程中，部分C5用于光呼吸，使得参与暗反应的C5含量减少，从而减弱了光合作用。

（3）该实验的设计思路是：光呼吸与光合作用发生的条件不同，所以自变量为高氧环境和高二氧化碳环境，较强的光照、温度等为无关变量，分别用18O标记二氧化碳和氧气，一段时间后检测放射性的氧出现的场所即可。具体过程如下：

甲组：将小麦叶肉细胞置于光照较强和C18O2浓度较高的环境中培养一段时间后检测18O出现的场所及物质；乙组：将小麦叶肉细胞置于光照较强和18O2浓度较高的环境中培养一段时间后检测18O出现的场所及物质。

预期实验结果：甲组中的18O出现在叶绿体基质中，在糖类中可以检测到18O；乙组中的18O出现在线粒体和叶绿体基质中，在二氧化碳和糖类中可以检测到18O。