一、題目情境

光照充足時(shí)，葉肉細(xì)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(shí)線部分表示植物葉肉細(xì)胞的光合作用和光呼吸等正常的生命活動(dòng)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(cuò)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(huì)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(jī)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(shí)

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(shí)，Rubisco（核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶／加氧酶）會(huì)催化一個(gè)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(jìn)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(xì)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(jìn)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(gè)能量消耗過程，它會(huì)減少光合作用的效率，因?yàn)楣夂粑^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(chǔ)存的能量．

光呼吸的調(diào)控：植物通過多種機(jī)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(huì)增強(qiáng)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(qiáng)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(gè)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(qiáng)或改變GLO的表達(dá)，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(gè)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(xì)胞造成傷害．在改良的光呼吸途徑中，合理設(shè)計(jì)CAT的功能可以減少活性氧的積累，從而保護(hù)植物免受氧化脅迫．

科學(xué)家們嘗試將這些酶整合進(jìn)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(jī)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(shí)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(shí)際應(yīng)用需要綜合考慮生態(tài)、經(jīng)濟(jì)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(xì)胞中催化CO2固定反應(yīng)的酶，可與O2或CO2反應(yīng)，進(jìn)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(jī)物，C正確；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，給大棚通風(fēng)確實(shí)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(cuò)誤．

【選項(xiàng)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?yàn)樵S多病原體在高濕環(huán)境中更容易繁殖．

③補(bǔ)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(huì)被植物消耗而降低．

④減少有害氣體積聚：植物在進(jìn)行呼吸作用時(shí)會(huì)釋放CO2和水蒸氣，同時(shí)可能會(huì)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(jìn)氣體交換：通風(fēng)增加空氣流動(dòng)，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?yàn)橥L(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(qiáng)蒸騰作用：通風(fēng)可增強(qiáng)植物蒸騰作用，促進(jìn)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(hù)植物免受熱傷害．

在進(jìn)行通風(fēng)管理時(shí)，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）