真實科研情境下的光合作用專題復習沖刺高考微專題復習——玉米為什么在強光、干旱和高溫條件下仍具有較高的光合產(chǎn)量？【問題情景】某地玉米和水稻在夏季光合速率的日變化規(guī)律(圖1)，對比觀察、發(fā)現(xiàn)問題并進行合理推測。為什么玉米在夏季中午沒有“光合午休”現(xiàn)象呢?是玉米的氣孔導度較水稻的大，還是有別的機制保證了在多數(shù)氣孔關閉的情況下仍然能利用較低濃度的二氧化碳呢?情景引入基于證據(jù)，構建模型究竟是什么特殊機制使得玉米能夠在高溫、強光照和干旱的條件下還能保持較高的光合速率呢?【資料一】科學家用14C標記CO2，研究玉米的光合作用，出乎意料的是放射性首先出現(xiàn)在C4化合物中，然后C4會從葉肉細胞葉綠體進入維管束鞘細胞葉綠體中，隨后放射性出現(xiàn)在了C3(丙酮酸)中，后來又出現(xiàn)在C3(3磷酸甘油酸)中，直至出現(xiàn)在淀粉中。結合已知的卡爾文循環(huán)等知識，推測出CO2能夠在葉肉細胞葉綠體中先轉變成C4，然后C4進入維管束鞘細胞的葉綠體中，分解成C3(丙酮酸)和CO2；CO2進入卡爾文循環(huán)，而C3再回到葉肉細胞參與CO2的再次固定。葉肉細胞與維管束鞘細胞之間的空間位置關系？CO2首先在葉肉細胞被固定成C4化合物有何意義?玉米葉片結構特點基于證據(jù)，構建模型葉肉細胞葉綠體中的PEPC酶催化CO2的固定形成C4，維管束鞘細胞葉綠體中Ｒubisco酶催化CO2的固定形成C3?；谧C據(jù)，構建模型為什么高粱、甘蔗等起源于熱帶地區(qū)的植物均沒有“光合午休”現(xiàn)象?基于證據(jù)，構建模型C4植物葉片所特有的“花環(huán)型”結構與C4途徑是怎么出現(xiàn)的?有何生物學意義?“花環(huán)型”結構是生活在熱帶地區(qū)的植物長期與環(huán)境相互作用的結果，使得不同空間的細胞完成了各自的代謝過程，既分工又協(xié)作，從而在高溫、高光強等條件下維持較高的光合速率。設計實驗，檢驗推測為什么C4植物具有C4途徑就能夠在高溫、強光照和干旱的條件下維持較高的光合速率呢?將C4途徑與C3途徑作比較，你有什么想法?已知L-Asp是PEPC酶的專一抑制劑，請設計實驗方案檢驗你的想法(推測：PEPC可能在增強玉米光合速率中發(fā)揮了關鍵作用)并預期實驗結果。真實的實驗方案和數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)，揭示機理既然PEPC酶發(fā)揮了關鍵作用，其作用機制又是什么呢?【資料二】研究者測得玉米細胞中含有活性和數(shù)量都強于水稻的高活性PEPC，將PEPC基因?qū)胨倔w內(nèi)并高效表達，結果轉基因水稻的光合速率顯著增加(圖5)。為什么僅僅導入一個PEPC基因，水稻的單株產(chǎn)量就提高了14%～22%?在光強小于700μmol·m－2·s－1時，原種水稻和轉基因水稻隨著光強增加，氣孔導度和光合速率均有所增加，兩者表現(xiàn)為正相關，但這種正相關究竟是平行關系還是因果關系呢?如何確定?分析數(shù)據(jù)，揭示機理在光強小于700μmol·m-2·s-1時，轉基因水稻與原水稻相比，氣孔導度明顯增加，但兩者的光合速率卻非常接近；在光強700～1000μmol·m-2·s-1條件下，轉基因水稻的氣孔導度增加量約為0.4μmol·m-2·s-1，原種水稻的氣孔導度增加量約為0.2μmol·m-2·s-1，即轉基因水稻的氣孔導度比原種水稻的氣孔導度增加了一倍，但光合速率并無明顯增加；在光強大于1000μmol·m-2·s-1下，兩種水稻氣孔導度開始下降，原種水稻光合速率基本不變，而轉基因水稻的光合速率卻大幅增加。分析數(shù)據(jù)，揭示機理在一定光強范圍內(nèi)，轉基因水稻氣孔導度的增加和光合速率的增加并非因果關系，進而推測轉基因水稻光合速率增加的原因，不是通過增大氣孔導度促使CO2進入葉片細胞，而可能是通過加強C4途徑來充分利用CO2所致?！举Y料三】科學研究發(fā)現(xiàn)：C4途徑中PEPC與CO2的親和力比C3途徑中的Ｒubisco高60多倍。歸納總結，遷移應用總結玉米的結構和代謝特點，解釋玉米為什么能夠在高溫、強光照和干旱條件下仍具有較高的光合速率?提出利用玉米的優(yōu)點提高水稻產(chǎn)量的思路和方法。因為玉米具有能夠濃縮CO2的PEPC酶，與低濃度CO2的親和能力強，通過C4途徑先在葉肉細胞固定CO2，起到了“二氧化碳泵”的作用，后來又在維管束鞘細胞中分解C4，釋放的CO2濃度較高，進行暗反應，從而提高了產(chǎn)量。因此，可以向水稻體內(nèi)轉入玉米的PEPC基因使之成功表達從而提高水稻的光合產(chǎn)量?！举Y料四】江蘇省農(nóng)業(yè)科學院和安徽省農(nóng)業(yè)科學院已育成高光效的雜交稻的親本株系，說明轉基因技術將可能成為常規(guī)育種的配套技術，為我國超高產(chǎn)育種提供新的技術