材料一 美国科学家鲁宾和卡门把小球藻分成2组,研究光合作用释放的气体,实验结果见下表:组号物质气体
组号 | 物质 | 气体 |
Ⅰ | H2O和C18O2 | O2 |
Ⅱ | H218O和CO2 | 18O2 |
材料二 景天科植物有特殊的CO2同化方式:夜间气孔开放,吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中;白天气孔关闭,液泡中的苹果酸经脱羧作用释放出CO2用于光合作用。
材料三 在甘蔗、玉米等植物的叶肉细胞中,叶绿体固定CO2的最初产物是含4个碳的草酰乙酸,然后转化为苹果酸进入维管束鞘细胞的叶绿体中释放CO2简称C4途径),再进行卡尔文循环(C3途径)。C4途径提高了C4植物利用CO2的能力。
(1)材料一的实验结果表明
(2)材料二,景天科植物夜晚能吸收CO2,却不能合成葡萄糖的原因是没有光照,不能进行光反应,无法为暗反应提供
(3)材料三,C4植物首先将CO2固定形成
(4)材料一~三,研究元素去向都用到的技术方法是
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l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-2·s-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-2·s-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(mg·g-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 |
(1)图1中①②表示的物质分别是
(2)表中组别二的结果说明
(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
(4)基于本文的研究结果,写出一个可进一步研究的问题
水层 | 表水层 | 斜温层 | 静水层 | 底泥层 | |
温度(℃) | 夏 | 25 | 14 | 8 | 4 |
冬 | 2 | 3.8 | 4 | 4 | |
O2(μL•L﹣1) | 夏 | 9.5 | 6.2 | 3.4 | 0.2 |
冬 | 12 | 11.8 | 10.6 | 10.2 |
(2)夏季底泥层和表水层相比,O2含量非常低的原因是
(3)该兴趣小组为了研究该池塘斜温层中生物光合作用和有氧呼吸,设计了如下操作.
步骤一:将三个相同的透明玻璃瓶标号a、b、c,并将a用不透光的黑布包裹起来;
步骤二:用a、b、c三个瓶子均从池塘斜温层取满水,并 测定c瓶中水的溶氧量;
步骤三:将a、b两瓶密封后
步骤四:测定a、b两瓶中水的溶氧量,三个瓶子的测量结果如图所示.
①要使实验更精准,需对步骤一做何改进?
②根据表中所给数据,可算出24小时内瓶中生物光合作用产生的氧气量为
③若测得的结果,a、b、c三个瓶氧气含量基本一致(测量仪器正常),则最可能的原因是
材料一:某班学生进行新鲜番茄植株叶片色素的提取和分离实验,研磨时未加入CaCO3,实验结果如图甲所示。图乙是番茄植株进行光合作用的示意图,其中PSⅡ和PSⅠ是吸收、传递、转化光能的光系统。请回答下列问题:
(1)分析图甲所示实验结果可知,距离点样处距离最远的色素为
(2)PSⅡ中的色素吸收光能后,将H2O分解为H+和
材料二:为研究亚高温高光对番茄光合作用的影响,研究者将番茄植株放在CK条件(适宜温度和适宜光照)和HH条件(亚高温高光)下,培养5天后的相关指标数据如下表。
组别 | 温度/℃ | 光照强度/(μmol·m-2·s-1) | 净光合速率/(μmol·m-2·s-1) | 气孔导度/(mmol·m-2·s-1) | 胞间CO2浓度/ppm | Rubisco活性/(U·mL-1) |
CK | 25 | 500 | 12.1 | 114.2 | 308 | 189 |
HH | 35 | 1000 | 1.8 | 31.2 | 448 | 61 |
注:两组实验,除温度和光照有差异外,其余条件相同且适宜。
(3)由表中数据可以推知,HH条件下番茄净光合速率的下降是由于
(4)D1蛋白是PSⅡ复合物的组成部分,对维持PSⅡ的结构和功能起重要作用,且过剩的光能可使D1蛋白失活。某研究者利用番茄植株进行了三组实验,①组的处理为适宜温度和适宜光照处理番茄植株,②组的处理为
实验一:有人做了下面的实验以研究pH对酶活性的影响:准备5支盛有等量胃蛋白酶溶液,但pH各不相同的试管,每支试管加1块1cm3的正方体凝固蛋白质,试管均置于25℃室温条件下,各试管蛋白块消失的时间记录于下表:
酶溶液的pH | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
蛋白块消失的时间(min) | 13 | 9 | 11 | 45 | 60 |
(1)请根据表中数据,在右上方的坐标图中画出pH与酶活性的关系曲线
(2)提供2种使实验能在更短时间内完成的方法:
(3)如果要确认上述实验中蛋白块的消失是由于酶的作用而不是其他因素的作用,还应补充怎样的对照实验?
实验二:将小球藻放在一个玻璃容器内,使之处于气密封状态。实验在保持适宜温度的暗室中进行,并从第5分钟起给予光照。实验中仪器记录了该容器内氧气量的变化,结果如右图。请据图分析回答:
(1)在0~5分钟之间氧气量减少的原因是
(2)给予光照后氧气量马上增加的原因是
(3)在5~20分钟之间,氧气量增加的速率逐渐减小,这是因为
(4)加入少量的NaHCO3溶液后,氧气产生量呈直线上升,这是因为
(5)加入NaHCO3溶液后,平均每分钟产生
实验三:将一株植物放置于密闭的容器中,用红外测量仪进行测量,测量时间均为1小时,测定的条件和结果如下表(数据均在标准状况下测得,单位mL,22.4L/mol)
条件变化 | 在充分光照下 | 在黑暗处 | ||
15℃ | 25℃ | 15℃ | 25℃ | |
CO2减少量 | 22.4 | 44.8 | ||
CO2增加量 | 11.2 | 22.4 |
(1)在25℃条件下,若该株植物在充分光照下1小时积累的有机物都是葡萄糖,则1小时积累的葡萄糖是
(2)如果一天有10小时充分光照,其余时间在黑暗下度过,且昼夜温度均为25℃,假定积累的有机物都是葡萄糖,则一昼夜积累葡萄糖
(3)如果一天有10小时充分光照,其余时间在黑暗下度过,如果光照时的温度为25℃,黑暗时的温度为15℃,假定积累的有机物都是葡萄糖,则一昼夜积累葡萄糖
(4)依据以上计算,你认为在新疆地区的同种西瓜比种在江浙一带甜的原因之一是
(1)分析图甲所示实验结果可知,含量最多的色素为
(2)图乙中PSII中的色素吸收光能后,将H2O分解为H+和
材料二:某研究者测得番茄植株在CK条件(适宜温度和适宜光照)和HH条件(亚高温高光)下,培养5天后的相关指标数据如下表。
组别 | 温度/℃ | 光照强度 (μmol·m-2·s-1) | 净光合速率/ (μmol·m-2·s-1) | 气孔导度/ (mmol·m-2·s-1) | 胞间CO2浓度/ppm | Rubisco活性/(U·mL-1) |
CK | 25 | 500 | 12.1 | 114.2 | 308 | 189 |
HH | 35 | 1000 | 1.8 | 31.2 | 448 | 61 |
(3)由表中数据可以推知,HH条件下番茄净光合速率的下降的原因
(1)反应Ⅱ参与的多种酶位于____。
A.叶绿体外膜 | B.叶绿体内膜 |
C.类囊体膜 | D.叶绿体基质 |
(2)物质E是
①三碳糖 ②三碳化合物 ③五碳糖 ④H+ ⑤ATP ⑥e-
(3)图中实现了活跃化学能转变为稳定化学能的过程是____。
A.过程① | B.过程② |
C.过程①② | D.过程①②③ |
(4)下列关于物质G的说法中错误的是____。
A.可再生为物质E |
B.可以转变为蔗糖运输到植物体的各个部分 |
C.可直接用于各项生命活动供能 |
D.可以转变为脂肪、氨基酸等有机物 |
利用植物工厂进行农业生产时,优质光源的筛选特别重要。为探究不同光质配比对生菜光合特性和品质的影响,研究人员进行了相关实验,部分结果如下表。
处理 | 总叶绿素(mg·g-1) | 净光合速率(μmol·m-2·g-1) | Rubisco活性(U·g-1) | 电子传递速率(ETR) | 硝酸盐含量(mg·kg-1) |
白光 | 1.13 | 17.47 | 23.67 | 218.33 | 3324.04 |
红;蓝=1:4 | 1.49 | 18.41 | 23.13 | 217.98 | 3229.55 |
红:蓝=1:1 | 1.34 | 20.66 | 24.09 | 230.61 | 2794.10 |
红:蓝=4:1 | 1.56 | 23.19 | 27.60 | 248.86 | 2255.17 |
(5)实验中利用聚酰胺薄膜为吸附载体,以95%乙醇为层析液,对叶绿体色素进行层析分离。结果位于薄膜最上端的色素带是____。
A.叶绿素a | B.叶绿素b |
C.胡萝卜素 | D.叶黄素 |
(6)下列各项中,可作为光合速率测量指标的是____。
A.O2释放量 | B.CO2吸收量 |
C.ATP生成量 | D.NADPH消耗量 |
(7)据表中数据,光质配比为红:蓝=4:1时,生菜的产量和品质最高。以下分析合理的是____。
A.总叶绿素含量最高,有利于光能的吸收和转换 |
B.碳反应的多种酶活性均最高,净光合速率最大,产量最高 |
C.电子传递速率最快,产生的ATP和NADPH更多 |
D.红光比例高,硝酸盐含量低,生菜品质高 |
(8)请设计实验探究能使生菜的硝酸盐含量进一步降低的红蓝光质配比,简要写出实验设计思路:
不同程度干旱胁迫对叶绿素含量的影响 | |
总叶绿素(mg/g) | |
对照组 | 1.47 |
轻度干旱 | 1.64 |
中度干旱 | 1.83 |
重度干旱 | 2.53 |
(1)如图所示,叶绿体中光合色素吸收的光能,一是将水分解为①
(2)研究发现,干旱会使部分气孔关闭,限制了④
(3)由表可知,在干旱条件下总叶绿素含量会
(4)观察叶绿体的亚显微结构发现,干旱条件下基粒发生一定程度的变形,导致光合能力下降,原因是
组别 | 材料设置 | 条件 | 实验前 BTB 溶液颜色 | 实验后 BTB 溶液颜色 |
A | 无叶圆片 | 有光 | 黄绿色 | 黄绿色 |
B | 有叶圆片 | 遮光 | 黄绿色 | 黄色 |
C | 有叶圆片 | 有光 | 黄绿色 | 淡蓝色 |
(1)本实验的对照组是表中的
(2)测量从某植物叶片分离得到叶绿体的光合速率,该速率
(3)某兴趣小组探究光照对叶绿体中G酶活性的影响,将正常生长的盆栽花生在暗处放置24h后,再给予光照和黑暗处理,并定时剪取叶片测定叶绿体中G酶活性。(说明:G酶是 GAP 脱氢酶的简称,是光合作用碳反应中唯一能利用NADPH还原三碳酸分子的酶)。
①下列能反映G酶活性的是
A.单位时间内 ATP 的生成速率 B.单位时间内NADPH的氧化速率
C.单位时间内氧气的产生速率 D.单位时间内CO2的固定速率
②构建体外测定叶绿体中G酶活性的反应体系,除了相关酶、缓冲物质与酶保护剂外,还需要下列的物质和条件中的
A.适宜的温度 B.NADPH C.三碳酸分子 D.RuBP
③学习小组发现叶绿体中G酶在光照条件下活性较高,在黑暗条件下G 酶活性较低。据此提出一项提高大棚栽培作物产量的合理措施是
(4)请根据所学知识分析本题中使用的BTB溶液的中文名称是
(5)叶绿体中色素提取和分离实验中纸层析后得到的四条色素带中,最宽的色素带的颜色及色素名称是:
(1)光合促进剂是一种植物生长调节剂,具有与生长素类似的作用,适宜浓度范围可增加产量并且存在最适浓度。某科研人员利用番茄为实验材料来探究其生理作用,其实验过程如下:实验材料:生长状况相同且长势良好的番茄若干株、适宜浓度的光合促进剂、蒸馏水、尺、天平等。
实验步骤:
步骤一:选取生长状况相同且长势良好的番茄若干株,平均分为甲、乙、丙、丁四组。
步骤二:给予甲、丙两组喷洒
步骤三:将四组番茄放置于
实验结果:如下表所示。
植株生长状况、产量记录表
组别 | 平均株高(cm) | 坐果数(个) | 叶片颜色 | 平均单果重(g) |
甲组 | 220.2 | 28.2 | 深绿 | 172.5 |
乙组 | 206.6 | 26.4 | 绿 | 156 |
丙组 | 222.8 | 27.6 | 深绿 | 170 |
丁组 | 218.8 | 25.8 | 绿 | 152.5 |
若实验过程中使用的光合促进剂浓度为a,则当光合促进剂的浓度小于a时,番茄产量
(2)低温寒潮会造成农作物受灾,光合作用受低温影响较显著。科研人员用黄瓜研究低温弱光和低温黑暗两种预处理对叶片光合作用的影响。
①选取黄瓜叶片,沿叶脉将叶片一分为二,在相同且适宜的条件下,分别测定叶片的光合作用强度。然后进行两种预处理:一半置于低温弱光下,一半置于
②为进一步探究上述两种预处理对光合作用强度影响的原因,用ADP作为受体来测定NADPH生成速率的变化,结果如下表:
预处理 | 低温黑暗 | 低温弱光 | ||
实验前 | 实验后 | 实验前 | 实验后 | |
NADPH生成速率 | 100% | 85.1% | 100% | 55.8% |
实验结果表明,