20. 学习以下材料,回答(1)~(3)题。
提高光合作用速率的新构想
光合作用是地球上唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。提高光合作用速率对促进农业增产增收、实现碳中和等具有重要意义。
光合作用分为光反应和暗反应两个密切相关的阶段。人们一直致力于通过优化光能捕获系统,或增加碳固定效率等途径来提高光合速率。研究发现,光反应产生ATP与NADPH比例相对固定,但理论上要保证暗反应的充分进行,需要的ATP与 NADPH 比例要比实际中光反应产生的高,这可能是限制光合作用速率的因素之一、也有研究发现,通过增加光能吸收促进ATP合成,实际对提高光合速率的影响有限。因此,有研究人员提出新的构想——从细胞代谢全局出发,将光反应和暗反应视为有机整体,在细胞中导入NADPH消耗模块,以提高细胞原有的ATP与NADPH比例。
人们发现,在一些异养型微生物中存在着生成异丙醇的代谢途径。研究人员以蓝细菌为研究模型,通过导入三种外源酶(A、B、C 酶)基因,在细胞原有的光合作用途径中创建了消耗NADPH的异丙醇合成途径,如图1所示,在C酶的催化反应中会消耗NADPH,相关指标的检测结果见表和图2,证明增加 NADPH消耗途径可以有效提高蓝细菌的光合速率。
光合微生物通常利用低于600μmol⋅m⁻²s⁻¹的中、低强度光,然而自然界的光照强度往往是波动的,白天最大光强度通常可达到990μmol⋅m⁻²s⁻¹以上,本研究表明将额外的NADPH消耗能力引入光合生物可能是利用波动和高强度光的有用策略。
人们对光合作用等细胞代谢活动的认识在不断发展,正吸引着科学家们进一步研究。
组别 | 导入基因 | NADPH 含量 (pmol) | ATP含量(μmol) | CO₂固定速率(mgg⁻¹细胞干重h⁻¹) |
一 | 无 | 193.5 | 39.28 | 86 |
二 | A、B | 190.83 | 35.23 | 85 |
三 | A、B、C | 112.83 | 62.53 | 119 |
注: NADPH 与 ATP 含量在最适光照下测定。
(1)图1中①②表示的物质分别是
_____; NADPH在③的进一步反应中的作用是
_____。
(2)表中组别二的结果说明
_____。为验证蓝细菌有效提高光合速率是由于额外的NADPH消耗直接导致的,研究人员在组别一的蓝细菌中只导入C基因,在培养基中添加
_____进行培养,实验结果应与组别
_____结果相同。
(3)综合文中信息,阐述在蓝细菌中创建异丙醇合成途径能够提高光合速率的原因
_____。