Question

【題目】農民為了達到高產目的通常在水稻種植時使用氮肥，然而在生產上常常會出現隨施氮量的增加而增產效果不顯著的現象。科研人員為了研究不同施氮量對Rubisco酶（參與碳（暗）反應的關鍵酶）及作物光合作用的影響，進行了相關實驗研究。請回答問題：

（1）NO3-和NH4+是土壤中主要的氮素，可以逆濃度梯度通過_________的方式吸收進入植物根系運送到植物體各個部位，用以合成含氮物質，如光合作用過程中所需的____________等。

（2）科研人員研究高施氮量條件下Rubisco酶及碳反應速率變化，實驗結果如圖1所示，據圖1分析，在高施氮量條件下，隨著施氮量的增加，Rubisco酶含量____________，而碳反應速率無明顯增長，推測Rubisco酶催化碳反應的效率______________。

（3）科研人員研究發現，Rubisco酶是一種雙功能酶，其作用過程如圖2所示。

圖中①代表的細胞結構是 ______________。據圖2分析，Rubisco酶作為雙功能酶，一方面可以催化碳反應中________________的過程；另一方面可以催化C5與CO2結合成_____________________，進而完成過氧化氫體內反應，最終在線粒體產生CO2并釋放，此過程在生物學上稱為光呼吸。有人提出，光呼吸速率增強也是導致光合速率下降的原因之一，請結合以上材料闡明其理由_____________。

Answer 1

【答案】主動運輸 光合色素、酶、ATP、ADP 升高 降低（酶活性降低） 葉綠體基質 CO2 與C5結合形成C3（CO2的固定） 磷酸乙醇酸和C3 光呼吸消耗了碳反應的底物，將其氧化后最終形成CO2釋放出細胞，從而降低了光合速率

【解析】

根據題干信息分析，Rubisco酶是一種參與光合作用碳反應的酶，該酶的含量或活性升高，可能會增加碳反應的速率，進而提高水稻的光合速率；該實驗的目的是研究不同施氮量對Rubisco酶（參與碳（暗）反應的關鍵酶）及作物光合作用的影響，因此該實驗的自變量是不同施氮量，因變量是Rubisco酶的活性、光合速率。

（1）根據題意分析，NO3-和NH4+進入植物根系是逆濃梯度進行的，說明其跨膜運輸方式為主動運輸；植物細胞中參與光合作用的含氮物質有光合色素、酶、ATP、ADP。

（2）圖中a為Rubisco酶，b是碳反應速率，圖中曲線顯示，在高施氮量條件下，隨著施氮量的增加，Rubisco酶含量，但是碳反應速率變化不明顯，說明Rubisco酶催化碳反應的效率降低。

（3）據圖分析，圖2中①為葉綠體基質，是碳反應的場所；圖中顯示Rubisco酶一方面可以催化碳反應中的CO2的固定（CO2 與C5結合形成C3）過程，另一方面可以催化C5與CO2結合成磷酸乙醇酸和C3，進而完成過氧化氫體內反應，最終在線粒體產生CO2并釋放，該過程在生物學上稱為光呼吸；根據以上分析可知，光呼吸消耗了碳反應的底物，將其氧化后最終形成CO2釋放出細胞，從而降低了光合速率，所以光呼吸速率增強也是導致光合速率下降的原因之一。