2025年大學(xué)《化學(xué)生物學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——植物光合作用與碳循環(huán)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種色素主要吸收藍(lán)紫光和紅光，是光系統(tǒng)II的反應(yīng)中心色素？A.葉綠素aB.葉綠素bC.葉黃素D.胡蘿卜素2.水在光系統(tǒng)II中光解產(chǎn)生氧氣和[H]的過程中，電子最終傳遞給了誰？A.NADP+B.ATP合成酶C.細(xì)胞色素fD.原初電子受體（P680+）3.卡爾文循環(huán)中，CO2的固定產(chǎn)物是？A.3-磷酸甘油酸（3-PGA）B.磷酸甘油醛（G3P）C.谷氨酰胺D.琥珀酸4.C4植物葉片中，能夠固定CO2并形成四碳有機(jī)酸的地方是？A.葉肉細(xì)胞B.維管束鞘細(xì)胞C.保衛(wèi)細(xì)胞D.柵欄組織細(xì)胞5.光呼吸的主要場(chǎng)所是？A.葉綠體B.線粒體C.過氧化物酶體D.細(xì)胞核6.Rubisco催化一個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)，其最適的CO2/氧氣比值在哪類植物中最高？A.C3植物B.C4植物C.CAM植物D.光呼吸強(qiáng)的植物7.在強(qiáng)光、高溫、低CO2濃度條件下，哪種光合作用途徑具有顯著優(yōu)勢(shì)？A.C3B.C4C.CAMD.光呼吸8.影響光合作用光反應(yīng)階段速率的主要限制因素通常是？A.CO2濃度B.水分供應(yīng)C.光照強(qiáng)度或色素含量D.氣孔導(dǎo)度9.植物吸收光能后，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在哪種分子中？A.ADPB.NADP+C.ATP和NADPHD.磷酸肌酸10.利用同位素示蹤技術(shù)研究碳循環(huán)時(shí)，通常標(biāo)記的放射性同位素是？A.12CB.13CC.1?ND.3H二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將正確答案填在橫線上）1.光合作用的光反應(yīng)階段發(fā)生在葉綠體的__________中，主要完成光能的吸收和轉(zhuǎn)化，并產(chǎn)生ATP和NADPH。2.暗反應(yīng)（卡爾文循環(huán)）主要發(fā)生在葉綠體的__________中，利用光反應(yīng)的產(chǎn)物將CO2固定并轉(zhuǎn)化為糖類。3.C4植物葉片中，位于維管束鞘細(xì)胞周圍的是__________細(xì)胞，它們是光合作用的主要場(chǎng)所。4.CAM植物能在夜間開放氣孔吸收CO2，并將其儲(chǔ)存在__________中，日間再用于光合作用。5.光合作用釋放到大氣中的氣體是__________。6.催化卡爾文循環(huán)中CO2固定第一步反應(yīng)的關(guān)鍵酶是__________。7.在光合作用中，將質(zhì)子從類囊體腔泵入基質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是__________。8.光呼吸途徑中，乙醇酸氧化酶催化的反應(yīng)發(fā)生在__________中，該反應(yīng)會(huì)消耗氧氣并釋放二氧化碳。9.植物光合作用的總反應(yīng)式可以概括為：CO2+H2O+光能→(CH2O)+________+O2。10.研究表明，通過基因工程提高植物中__________的含量或活性，可能有助于提高光合效率和碳固定能力。三、名詞解釋（每題3分，共12分。請(qǐng)給出簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確的定義）1.光合色素2.碳固定3.光呼吸4.C4途徑四、簡(jiǎn)答題（每題5分，共10分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題）1.簡(jiǎn)述光系統(tǒng)II中光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。2.比較C3植物和C4植物在CO2固定機(jī)制上的主要區(qū)別。五、論述題（每題8分，共16分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入闡述下列問題）1.論述影響植物光合速率的主要環(huán)境因素及其作用機(jī)制。2.闡述化學(xué)生物學(xué)的研究方法（至少列舉兩種）在研究植物光合作用或碳循環(huán)中的具體應(yīng)用。六、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題（10分）設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案，用于探究不同光照強(qiáng)度對(duì)某植物葉片光合速率的影響。請(qǐng)說明實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、所需主要材料與儀器、實(shí)驗(yàn)步驟、觀察指標(biāo)以及預(yù)期結(jié)果。試卷答案一、選擇題1.A2.A3.A4.B5.C6.B7.B8.C9.C10.B二、填空題1.類囊體膜2.基質(zhì)3.葉肉4.磷酸烯醇式丙酮酸（或PEP）5.氧氣6.碳酸酐酶（或Rubisco）7.質(zhì)子跨膜運(yùn)輸（或類囊體膜）8.過氧化物酶體9.H2O（或水）10.Rubisco（或碳酸酐酶）三、名詞解釋1.光合色素：植物能夠吸收和利用光能的色素分子，主要包括葉綠素a、b、類胡蘿卜素等，它們位于葉綠體的類囊體膜上，是光能轉(zhuǎn)換的起點(diǎn)。2.碳固定：指在光合作用暗反應(yīng)階段，將大氣中無機(jī)碳（主要是CO2）轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳化合物（如糖類）的過程，主要指卡爾文循環(huán)。3.光呼吸：指植物在光下，由乙醇酸代謝途徑引發(fā)的一系列活動(dòng)，該過程消耗O2，釋放CO2，并伴隨能量和有機(jī)物的損失。4.C4途徑：指某些植物（如玉米、高粱）葉片中，CO2首先在葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中被磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化形成C4酸，然后C4酸被運(yùn)到維管束鞘細(xì)胞，再釋放CO2進(jìn)入卡爾文循環(huán)進(jìn)行固定的光合作用途徑。四、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述光系統(tǒng)II中光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程：葉綠素a分子（位于PSII反應(yīng)中心）吸收光能后，其電子被激發(fā)并傳遞給原初電子受體（P680+），形成P680+。這個(gè)高能量的正離子狀態(tài)不穩(wěn)定，迅速?gòu)闹車馁|(zhì)子化的葉綠素分子獲得電子，使后者失去一個(gè)質(zhì)子。失去電子的葉綠素分子從水中奪取電子來補(bǔ)充，水在此過程中被光解，釋放氧氣和質(zhì)子（H+）。獲得的電子經(jīng)過一系列電子傳遞體（如質(zhì)體醌、細(xì)胞色素復(fù)合體、質(zhì)體藍(lán)素）的傳遞，最終傳遞給NADP+還原酶。同時(shí)，在電子傳遞過程中，質(zhì)子通過質(zhì)子跨膜運(yùn)輸（如質(zhì)體醌循環(huán)和ATP合酶）被泵入類囊體腔，形成質(zhì)子濃度梯度。這個(gè)質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)ATP合酶合成ATP。最終，NADP+還原酶利用電子、質(zhì)子和ATP，將NADP+還原為NADPH。光能thus被轉(zhuǎn)化為ATP和NADPH中儲(chǔ)存的化學(xué)能。2.比較C3植物和C4植物在CO2固定機(jī)制上的主要區(qū)別：*場(chǎng)所不同：C3植物的CO2固定和卡爾文循環(huán)均在葉肉細(xì)胞中完成；C4植物的CO2固定首先發(fā)生在葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中（PEP羧化），形成的C4酸被運(yùn)到維管束鞘細(xì)胞，然后在維管束鞘細(xì)胞中釋放CO2并進(jìn)入卡爾文循環(huán)。*關(guān)鍵酶不同：C3植物主要依賴Rubisco進(jìn)行CO2固定；C4植物在葉肉細(xì)胞中主要依賴PEP羧化酶（磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶）固定CO2，該酶對(duì)CO2的親和力高，對(duì)O2的親和力低。*CO2濃度環(huán)境不同：C3植物直接利用大氣中的CO2；C4植物通過PEP羧化作用初步固定CO2，在維管束鞘細(xì)胞內(nèi)創(chuàng)造了一個(gè)高CO2濃度的微環(huán)境，從而降低了Rubisco的氧氣競(jìng)爭(zhēng)（光呼吸）。*特點(diǎn)不同：C3植物結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，光呼吸較強(qiáng)；C4植物通常能在高溫、強(qiáng)光、干旱條件下更有效地固定CO2，光呼吸較弱，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。五、論述題1.論述影響植物光合速率的主要環(huán)境因素及其作用機(jī)制：植物光合速率受多種環(huán)境因素影響，主要包括光照強(qiáng)度、CO2濃度、溫度和水分。*光照強(qiáng)度：在光補(bǔ)償點(diǎn)以下，光合速率隨光照強(qiáng)度增加而線性增加，因?yàn)楣夥磻?yīng)是限制因素，ATP和NADPH的產(chǎn)生量增加。當(dāng)光照強(qiáng)度超過光飽和點(diǎn)后，光合速率達(dá)到最大并不再增加，此時(shí)光反應(yīng)速率達(dá)到最大，暗反應(yīng)成為限制因素。極高光照強(qiáng)度下，光系統(tǒng)可能遭受損傷，導(dǎo)致光合速率下降（光抑制）。*CO2濃度：CO2是暗反應(yīng)的底物。在一定范圍內(nèi)，提高CO2濃度可以增加碳固定速率，從而提高光合速率。當(dāng)CO2濃度過高時(shí)，雖然碳固定增加，但可能導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，反而限制水分蒸騰和CO2進(jìn)入，對(duì)光合速率產(chǎn)生抑制。不同植物對(duì)CO2濃度的響應(yīng)不同（如C4植物比C3植物更不依賴高CO2）。*溫度：光合作用是一系列酶促反應(yīng)。溫度影響酶的活性：在一定范圍內(nèi)，溫度升高，酶活性增強(qiáng)，光合速率增加。超過最適溫度時(shí)，酶蛋白變性失活，光合速率急劇下降。低于最適溫度時(shí)，酶活性降低，光合速率也下降。此外，溫度也影響光呼吸速率，高溫通常會(huì)增加光呼吸。*水分：水分脅迫會(huì)通過多種途徑影響光合作用：一是氣孔關(guān)閉以減少水分散失，導(dǎo)致CO2進(jìn)入葉片受阻；二是限制葉肉細(xì)胞膨壓，影響光合器官的結(jié)構(gòu)和功能；三是干旱導(dǎo)致葉綠素降解、光合酶失活等。水分脅迫綜合抑制光合作用。2.闡述化學(xué)生物學(xué)的研究方法（至少列舉兩種）在研究植物光合作用或碳循環(huán)中的具體應(yīng)用：*基因工程與分子生物學(xué)技術(shù)：通過基因工程，可以將外源基因（如來自C4植物的PEP羧化酶基因或Rubisco基因改造體）導(dǎo)入C3植物中，以嘗試提高其CO2固定效率或降低光呼吸。利用PCR、基因芯片、RNA測(cè)序等技術(shù)，可以鑒定與光合作用或碳循環(huán)相關(guān)的關(guān)鍵基因和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。例如，通過RNA測(cè)序分析不同光照或CO2條件下植物葉綠體轉(zhuǎn)錄組的變化，可以揭示光合作用響應(yīng)環(huán)境脅迫的分子機(jī)制。利用CRISPR/Cas9等基因編輯技術(shù)，可以精確修飾植物基因，研究特定基因功能對(duì)其光合性能和碳代謝的影響。*同位素示蹤技術(shù)：利用放射性同位素（如1?C、13C）標(biāo)記的CO2或H2O，可以追蹤碳在植物體內(nèi)的流動(dòng)路徑和轉(zhuǎn)化過程。例如，通過測(cè)定不同時(shí)間點(diǎn)植物不同部位（如葉片、莖、根）中放射性同位素的含量變化，可以研究卡爾文循環(huán)的運(yùn)行效率、光合產(chǎn)物的分配途徑以及不同器官間的碳交換。13C自然豐度分析技術(shù)還可以用于研究植物對(duì)大氣CO2濃度的響應(yīng)、不同光合途徑的相對(duì)貢獻(xiàn)以及植物與土壤微生物的碳交換。*代謝組學(xué)分析：利用質(zhì)譜（MS）和核磁共振（NMR）等技術(shù)，可以系統(tǒng)分析植物體內(nèi)所有或大部分代謝物的變化。通過比較不同處理（如不同光照、CO2濃度、水分條件或基因型）下的代謝譜，可以深入了解光合作用和碳循環(huán)相關(guān)代謝途徑的響應(yīng)和調(diào)控機(jī)制。例如，可以檢測(cè)光合速率變化時(shí)ATP、NADPH、糖類、有機(jī)酸等關(guān)鍵代謝物的動(dòng)態(tài)變化，揭示代謝瓶頸和限速步驟。六、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄坎煌庹諒?qiáng)度對(duì)某植物葉片光合速率的影響。所需主要材料與儀器：選定生長(zhǎng)狀況一致的某植物（如豆科植物）健康葉片、光照培養(yǎng)箱或遮光設(shè)備（不同透光率罩子或LED光源）、光源（可調(diào)節(jié)亮度或不同強(qiáng)度LED燈）、氣體分析儀（如紅外氣體分析儀，用于測(cè)量CO2和O2濃度變化）、溫濕度計(jì)、計(jì)時(shí)器、注射器（用于葉片注射CO2或水）、緩沖液（如KOH溶液，用于吸收CO2）、蒸餾水。實(shí)驗(yàn)步驟：1.選擇生長(zhǎng)健壯、無病蟲害的植物，選取相似大小和生長(zhǎng)階段的葉片。2.將葉片置于密閉的測(cè)量室（如氣體分析儀的葉室）中。3.設(shè)置不同的光照強(qiáng)度梯度（例如，0μmolphotonsm?2s?1-黑暗對(duì)照組；100,300,600,900,1200μmolphotonsm?2s?1等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮椭参锾匦哉{(diào)整）?？梢酝ㄟ^改變光源與葉片的距離或使用不同透光率的遮光罩來實(shí)現(xiàn)。4.在每個(gè)光照強(qiáng)度下，保持葉室溫度、濕度和CO2濃度（可使用緩沖液或注射器維持穩(wěn)定初始濃度）等環(huán)境條件一致。5.在光照條件下，記錄一定時(shí)間內(nèi)（如30分鐘）測(cè)量室中CO2濃度的下降量（或O2濃度的增加量），或利用氣體交換系統(tǒng)直接測(cè)量?jī)艄夂纤俾剩∟etCO2assimila