1. 在较强光照下,水稻叶肉细胞中的O2与CO2竞争性结合C5。O2和CO2与RuBP羧化酶/加氧酶的亲和力与各自的相对浓度有关,相对浓度高则与酶的亲和力高。O2与C5结合后经一系列的反应,最终释放CO2的过程称为光呼吸,如图所示。科研人员获得了水稻叶绿体中酶X缺陷型的突变植株,给予不同CO2浓度后检测植株的生长情况与部分代谢产物的含量,结果如表所示。回答下列问题:

  

条件

0.5%CO2

0.03%CO2

0.03%CO2

0.03%CO2

指标

平均株高/cm

平均株高/cm

乙醇酸含量/(μg·g-1叶重)

乙醛酸含量/(μg·g-1叶重)

突变植株

42.45

24.47

825.54

1.26

野生植株

43.26

42.21

1.54

1.78

(1) 叶肉细胞中进行光呼吸的结构包括,产生乙醇酸的具体场所是。甘油酸转化为C3会消耗ATP产生ADP和Pi,产生的ADP和Pi在叶绿体中被再利用的途径是
(2) 结合实验结果分析,在光呼吸的过程中酶X的功能是。在较低的大气CO2浓度(0.03%)条件下,突变植株的长势不如野生植株的,机制可是
(3) 研究人员通过转基因技术使水稻叶绿体表达酶Y,酶Y能催化乙醇酸生成CO2 , 并抑制叶绿体膜上乙醇酸转运蛋白基因的表达。该途径提高了水稻的净光合速率,原因是___________(填写选项) 。 A. 改变了乙醇酸的利用途径 B. 减少了叶绿体中碳的损失 C. 抑制了光呼吸 D. 提高了RuBP羧化酶/加氧酶的活性
【考点】
影响光合作用的环境因素; 光合作用原理的应用;
【答案】

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实验探究题 普通
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1. 2023年8月 18日,东北农业大学研究团队发表研究论文,揭示了GmPLP1在大豆对高光胁迫的响应中以蓝光依赖的方式发挥负调控作用。研究中,他们作出GmPLP1参与强光胁迫响应的假设。为验证该假设,他们选用WT(野生型)、GmPLP1-ox(GmPLP1过表达)和GmPLP1-i(GmPLPl低表达)转基因大豆幼苗为材料进行相关实验,结果如图1所示。请回答下列问题。

(1) 强光胁迫时,过剩的光能会对光反应关键蛋白复合体(PSII)造成损伤,并产生活性氧(影响PSII的修复),进而影响的供应,导致碳反应(填生理过程)减弱,光补偿点(增大/减小),生成的有机物减少,致使植物减产。
(2) 图1中,光照强度大于1500μmol/m2/s时,随着光照强度的增加,三组实验大豆幼苗的净光合速率均增加缓慢,分析其原因可能是(试从碳反应角度答出2点)。该实验结果表明GmPLP1参与强光胁迫响应,判断依据是光照较强时,与WT相比,GmPLP1的表达量(填“增加”、“减少”),(填“促进”、“抑制”)大豆幼苗的光合作用。
(3) 研究小组在进一步的研究中发现,强光会诱导蛋白GmVTC2b的表达。为探究GmVTC2b是否参与大豆对强光胁迫的响应,他们测量了弱光和强光下WT(野生型)和GmVTC2b- ox(GmVTC2b过表达)转基因大豆幼苗中抗坏血酸(可清除活性氧)的含量,结果如图2所示。依据结果可推出在强光胁迫下GmVTC2b增强了大豆幼苗对强光胁迫的耐受性(生物对强光胁迫的忍耐程度),其原理是过表达GmVTC2b能够,从而提高了高光胁迫的耐受性。

(4) 经进一步的研究,研究人员发现GmPLP1通过抑制GmVTC2b的功能,减弱大豆幼苗对强光胁迫的耐受性。请在第(3)小题实验的基础上增设一个实验组,验证该研究。实验组可以为(请将所有满足条件的选项都选上)

A.GmVTC2b过表达和GmPLPl过表达的转基因大豆幼苗

B.GmVTC2b低表达和GmPLPl过表达的转基因大豆幼苗

C.GmVTC2b过表达和GmPLPl低表达的转基因大豆幼苗

D.GmVTC2b低表达和GmPLPl低表达的转基因大豆幼苗

根据以上信息,试提出一个可提高大豆对强光胁迫的耐受性,从而达到增产目的的思路:大豆细胞中GmPLP1的表达;大豆细胞中GmVTC2b的表达;增加大豆细胞中抗坏血酸含量,清除活性氧。

实验探究题 普通
2. 大气中CO2浓度的升高,理论上有利于农作物产量的提高,但研究发现,小麦长期生长在高CO2浓度环境下会存在“光合适应”现象,即小麦在高CO2浓度环境下生长,初始期出现的光合作用增强效果会逐渐减弱,甚至消失。科研工作者提出假说:在CO2浓度升高条件下,小麦叶片和茎秆(“源端”)会积累更多的淀粉等光合产物,光合产物运输到籽粒(“库端”)中的速率下降,从而抑制了光合作用相关基因的表达,导致光合速率下降。回答下列问题:
(1) 从物质和能量转化角度分析,叶绿体的光合作用即在光能驱动下,水分解产生;光能转化为电能,再转化为中储存的化学能,用于暗反应的过程。
(2) 小麦在进行光合作用时,CO2与叶绿体内的结合而被固定,该过程发生的场所是。光合作用的产物有一部分是淀粉,还有一部分是蔗糖,蔗糖可以进入,通过运输到植株各处。
(3) 现以某植物为材料,研究高CO2浓度环境下不同库源比(用果实数量与叶片数量的比值表示)对叶片光合速率(单位时间、单位叶面积从外界环境吸收的CO2量)和光合产物分配(果实重量)的影响,实验处理如表所示。

项目

甲组

乙组

丙组

处理

库源比

1/2

1/4

1/6

注:甲、乙、丙组均保留枝条顶部的1个果实并分别保留大小基本一致的2、4、6片成熟叶。

根据题中假说内容推测实验结果可能为

(4) 豆科植物的根部附有根瘤,其中的根瘤菌进行固氮会消耗大量的能量。科研工作者进一步研究发现,高CO2浓度环境下附有根瘤的豆科植物的“光合适应”现象要远弱于小麦的,请运用以上假说分析,其原因可能是
实验探究题 普通
3. 学习下列材料,回答(1)~(5)题。

叶绿体与细胞核双定位Y蛋白对于番茄抗低温的机制分析

番茄易受低温伤害,导致严重减产。我国科研人员从番茄低温诱导表达数据库中发现了Y基因,低温处理使其转录量升高。Y基因编码的Y蛋白是植物特有的DNA结合蛋白,定位于叶绿体和细胞核。4℃低温处理后,Y基因过表达株系比野生型明显耐低温,而敲除Y基因的株系的低温耐受能力低于野生型。

低温会导致活性氧(ROS)产生,而大量的ROS会破坏植物细胞光合膜系统。电镜观察叶绿体超微结构发现,与野生型相比,低温处理后Y基因过表达株系的类囊体结构相对完整、叶绿体中淀粉粒数量少,而敲除Y基因的株系类囊体受损更严重且淀粉粒数量更多。科研人员对Y蛋白的作用机制进行了研究。

类囊体膜上的光合复合体PSII是光反应中吸收、传递并转化光能的重要场所,叶绿体基因编码的D1蛋白是PSII的核心蛋白,低温会被破坏D1蛋白。常温下Y基因过表达株系中的D1蛋白含量与野生型相同,而低温处理下,野生型中D1蛋白含量下降,Y基因过表达植株的D1蛋白含量基本保持稳定,从而保护了PSII。

I酶和A酶分别参与叶绿体中淀粉的合成与降解。在细胞核中,Y蛋白可通过与两者启动子结合,调控I酶和A酶基因的转录,降低低温下叶绿体中淀粉的积累。

R酶由8个大亚基蛋白和8个小亚基蛋白组成,是CO2固定过程中的限速酶,对低温胁迫尤为敏感。小亚基蛋白由S基因编码,S基因过表达植株与野生型相比,低温下R酶含量更高且耐低温能力更强。研究还发现,Y蛋白能够与S基因的启动子结合并增强其转录,从而在低温胁迫下维持R酶的含量。

农业生产中,Y基因的发现及其调控机制的研究,为增强冷敏感作物的低温抗性提供了有效途径。

(1) 低温破坏叶绿体类囊体膜,影响光反应的进行,为碳反应提供的减少,降低了植物光合速率。据文中信息,低温下Y基因过表达植株有利于光反应进行的直接原因有
(2) 研究过程中为确定Y蛋白在低温胁迫下维持D1蛋白含量稳定的作用机制,科研人员进行了如下实验:

实验材料

实验处理

检测指标

实验结果

Y基因过表达植株及野生型

施加硫酸链霉素(可抑制叶绿体编码基因翻译)后,低温处理

D1蛋白含量

Y基因过表达植株__Ⅰ___野生型

低温处理

与D1蛋白降解相关基因的转录量

Y基因过表达植株__Ⅱ___野生型

结果说明在番茄中过量表达Y基因增加了D1蛋白的合成,而未减少D1蛋白降解。请在上述表格Ⅰ、Ⅱ处将实验结果补充完整Ⅰ;ⅠⅠ

(3) 叶绿体中的淀粉粒积累抑制光合作用。根据Y蛋白功能特点,结合文中信息,推测细胞核中的Y蛋白低温下减少叶绿体中淀粉积累的具体机制是
(4) R酶在(场所)中催化CO2与RuBP(C5)结合,生成2分子。如图为野生型、Y基因过表达及敲除植株,在4℃处理12小时后在一定光照强度下测定的净光合速率。下列相关分析不合理的是

A.Y基因过表达植株的CO2饱和点大于野生型

B.CO2浓度等于250 μmol·mol-1时,若突然增大光强,叶绿体内C5将减少

C.低温下Y基因过表达植株R酶的小亚基蛋白含量高,固定CO2能力强于野生型

D.CO2浓度大于250 μmol·mol-1时,限制野生型和Y基因敲除植株净光合速率增加的环境因素可能是光强

实验探究题 困难