關(guān)于一道“光呼吸”選擇題深度解讀

一、題目情境

光照充足時，葉肉細胞中Rubisco催化O2與CO2競爭性結(jié)合C5. O2和CO2的相對濃度影響Rubisco與其的親和力，相對濃度高則與酶的親和力高．O2與C5結(jié)合后經(jīng)一系列的反應(yīng)，最終釋放CO2過程稱為光呼吸，圖1中實線部分表示植物葉肉細胞的光合作用和光呼吸等正常的生命活動過程，虛線部分表示為科學(xué)家通過基因工程所構(gòu)建的新的光呼吸代謝支路，下列敘述錯誤是（D）.

A．酶Rubisco既能催化CO2的固定，又能催化C5與O2反應(yīng)

B．光呼吸會消耗一部分的C5，從而降低光合作用產(chǎn)量

C．新的光呼吸代謝支路，有利于植物積累有機物

D．在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可通過給大棚通風(fēng)的方式，提高農(nóng)作物的光呼吸過程

二、光呼吸背景知識

光呼吸作用：在某些植物中，尤其是在C3植物中，當(dāng)O2濃度較高而CO2濃度較低時，Rubisco（核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶／加氧酶）會催化一個反應(yīng)，導(dǎo)致氧氣與1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）反應(yīng)，生成一分子3-磷酸甘油酸（3- PCA，C3）和一分子乙醇酸（C2）．乙醇酸是一種有毒的化合物，必須被植物體進一步代謝才能減少毒性．

Rubisco酶：Rubisco是植物體內(nèi)催化CO2固定反應(yīng)的酶，它是光合作用暗反應(yīng)階段的關(guān)鍵酶. Rubisco也可以催化O2與RuBP反應(yīng)，導(dǎo)致光呼吸發(fā)生．

CO2和O2的濃度：Rubisco的活性取決于細胞內(nèi)CO2和O2的相對濃度．在高CO2濃度下，Rubisco更傾向于催化CO2固定，進入光合作用的正常途徑．而在高O2濃度下，Rubisco則可能催化O2與RuBP反應(yīng)，導(dǎo)致光呼吸．

光呼吸的影響：光呼吸是一個能量消耗過程，它會減少光合作用的效率，因為光呼吸過程中產(chǎn)生的乙醇酸最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，釋放的能量少于光合作用中固定同樣數(shù)量的CO2所儲存的能量．

光呼吸的調(diào)控：植物通過多種機制調(diào)控光呼吸，以優(yōu)化光合作用和減少不必要的能量損失．例如，某些植物在高光照和高溫條件下會增強光呼吸，而在適宜的光照和溫度條件下則減少光呼吸．

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的CO2濃度和通風(fēng)條件，可以影響植物的光呼吸強度，從而提高作物的光合作用效率和產(chǎn)量．

三、新的光呼吸代謝支路

CLO（乙醇酸氧化酶）：在光呼吸途徑中，它是一個關(guān)鍵酶，它催化乙醇酸氧化生成乙醛酸和過氧化氫．在某些基因工程研究中，通過增強或改變GLO的表達，可以改變光呼吸的速率，影響植物的光合效率．

CXO（草酸氧化酶）：它是另一個重要的酶，在某些研究中被用來將草酸氧化成CO2和H2O.在構(gòu)建的GOC（乙醇酸氧化酶一草酸氧化酶一過氧化氫酶）支路中，CXO的作用是在葉綠體內(nèi)將草酸氧化，釋放出CO2，以減少光呼吸過程中的碳損失，提高光能利用效率．

CAT（過氧化氫酶）：它在光呼吸途徑中清除過氧化氫，防止其對細胞造成傷害．在改良的光呼吸途徑中，合理設(shè)計CAT的功能可以減少活性氧的積累，從而保護植物免受氧化脅迫．

科學(xué)家們嘗試將這些酶整合進新的代謝途徑中，以減少光呼吸過程中的碳損失并提高CO2的利用效率，例如，通過在葉綠體中構(gòu)建COC途徑，可以使乙醇酸直接在葉綠體內(nèi)被催化為草酸并最終分解為CO2，形成一種類似于C4植物的CO2濃縮機制，從而提高光合效率和作物產(chǎn)量．

這些基因工程策略的實施，旨在通過精確調(diào)控光呼吸過程中的關(guān)鍵酶和代謝步驟，減少能量損耗，提高作物的生產(chǎn)力和適應(yīng)性，對于應(yīng)對全球糧食安全和氣候變化具有重要意義，然而，這些策略的實際應(yīng)用需要綜合考慮生態(tài)、經(jīng)濟和可持續(xù)性等多方面因素．

四、解析

提示：Rubisco（核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶／加氧酶）是一種在葉肉細胞中催化CO2固定反應(yīng)的酶，可與O2或CO2反應(yīng)，進行光合作用和光呼吸作用，A正確．在光呼吸過程中，O2與五碳糖（C5）結(jié)合生成三碳糖（C3）和乙醇酸（C2），乙醇酸最終被轉(zhuǎn)化為CO2，導(dǎo)致用于CO2固定的五碳糖（C5）減少，從而降低光合作用效率，B正確．新的光呼吸代謝支路可以將乙醇酸（C2）轉(zhuǎn)化為葉綠體內(nèi)的CO2，增加葉綠體中CO2濃度，有利于CO2的固定，從而有助于植物積累有機物，C正確；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，給大棚通風(fēng)確實可以增大大棚內(nèi)的氣體交換速率，這有助于維持或提高CO2濃度，可降低農(nóng)作物的光呼吸，D錯誤．

【選項深挖】通風(fēng)的主要目的是什么？

①調(diào)節(jié)溫度：通風(fēng)可以降低植物生長環(huán)境中的溫度，防止過熱，特別是在晴朗的白天或炎熱的季節(jié)．

②控制濕度：通過通風(fēng)降低大棚或溫室內(nèi)的濕度，減少病害的發(fā)生，因為許多病原體在高濕環(huán)境中更容易繁殖．

③補充CO2：通風(fēng)可以增加大棚或溫室內(nèi)的CO2濃度，從而提高植物的光合作用效率，尤其是在密閉環(huán)境中，CO2可能會被植物消耗而降低．

④減少有害氣體積聚：植物在進行呼吸作用時會釋放CO2和水蒸氣，同時可能會產(chǎn)生少量的有害氣體，通風(fēng)有助于這些氣體的排出．

⑤促進氣體交換：通風(fēng)增加空氣流動，幫助植物有效吸收CO2并釋放O2.

⑥減少光呼吸：在C3植物中，通風(fēng)可以降低光呼吸的速率，因為通風(fēng)可增加CO2濃度，減少O2的相對濃度，從而抑制Rubisco催化的O2與RuBP反應(yīng)．

⑦增強蒸騰作用：通風(fēng)可增強植物蒸騰作用，促進水分和礦物質(zhì)的吸收．

⑧改善光照條件：雖然通風(fēng)本身不直接影響光照，但適當(dāng)?shù)耐L(fēng)可以減少植物葉片上的水滴或塵土，間接改善光照條件．

⑨減少熱應(yīng)激：在高溫下，通風(fēng)可以減少植物的熱應(yīng)激，保護植物免受熱傷害．

在進行通風(fēng)管理時，需要考慮多種因素，包括植物的種類、生長階段、外部氣候條件、作物密度以及病蟲害控制等．

（收稿日期：2024 -06 -09）