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基于核心素养的"光呼吸"原创试题命制

中学生物教学 2022年第22期 67-70页

作者：张家军臧树理山东省淄博市基础教育研究院 255090 山东省淄博市淄川区教学研究室 255100

光合作用在高考中占有十分重要的地位,也是历年高考的核心考点.阐述基于核心素养的"光呼吸"原创试题命制,以光呼吸中核酮糖1,5-二磷酸羧化酶为情境,结合菠菜叶细胞进行光呼吸的素材,选取部分内容设置相应的题干与问题,考查学生对光合作... 详细信息

光合作用在高考中占有十分重要的地位,也是历年高考的核心考点.阐述基于核心素养的"光呼吸"原创试题命制,以光呼吸中核酮糖1,5-二磷酸羧化酶为情境,结合菠菜叶细胞进行光呼吸的素材,选取部分内容设置相应的题干与问题,考查学生对光合作用基础知识的掌握情况及分析问题和解决问题的能力.

关键词：高考光呼吸原创试题

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植物光呼吸分子机制研究进展

中国农学通报 2011年第3期27卷 232-236页

作者：金怡刘合芹汪得凯陶跃之浙江师范大学化学与生命科学学院浙江金华321004 浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所杭州310021

光呼吸是植物的绿色细胞在光照下吸收O2释放CO2的反应,光呼吸强弱是影响C3和C4植物光合效率高低的重要因素。对光呼吸的分子机理研究是光合作用研究的热点之一。本文就光呼吸的代谢途径、光呼吸基因表达调控及光呼吸突变体的筛选等方面... 详细信息

光呼吸是植物的绿色细胞在光照下吸收O2释放CO2的反应,光呼吸强弱是影响C3和C4植物光合效率高低的重要因素。对光呼吸的分子机理研究是光合作用研究的热点之一。本文就光呼吸的代谢途径、光呼吸基因表达调控及光呼吸突变体的筛选等方面的研究进展进行了阐述,对光呼吸的生物学功能进行了探讨,并对光呼吸领域的发展进行了展望。

关键词：光呼吸基因突变体生物学功能

不同基因型水稻光呼吸与氮素利用效率关系的研究

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不同基因型水稻光呼吸与氮素利用效率关系的研究

作者：李炜华中农业大学

学位级别：硕士

试验采用不同氮效率基因型水稻两优培九(LYP9)、培矮64s(PA64)、扬稻6号(YD6)、汕优63(SY63)、珍汕97(ZS97)、明恢63(MH63)、武育粳3号(WYJ3)、Lemont、Ceysvonic为供试材料，进行土培试验，分别设置施氮量为0kgN／ha(NO)、125kgN／ha(N125)和208 kgN／ha(N208)的三种氮水平，研究不同氮水平对不同基因型水稻光呼吸、氮素积累量、乙醇酸氧化酶(GO)活性、谷氨酰胺合成酶(GS)活性、叶绿素含量等生理特性的影响，探讨了水稻植株光呼吸与氮素利用效率的关系。结果表明：1．同一生育期不同基因型水稻光呼吸速率和净光合速率存在显著差异。光呼吸速率随生育期而变化，不同基因型变化的幅度不同。在生育前期不同基因型水稻光呼吸速率大致相当，均随生育进程的推移而逐渐上升，但在生育后期逐渐下降。在本试验条件下，施氮量为125kgN／ha和208kgN／ha的处理间光呼吸速率并无显著影响。不同基因型水稻的净光合速率均随生育期的推移而下降，但不同基因型间下降的幅度不同。N125处理与N208处理在移栽初期净光合速率没有显著差异，但施氮在一定程度上延长了净光合速率高值持续期;在生育后期净光合速率的下降幅度不同，N208水平净光合速率的下降幅度比N125水平小。光呼吸与光合速率的比值，即相对光呼吸随生育期推延而升高，但各基因型增加的幅度存在差异。在供试的9个基因型中，珍汕97有较高的光呼吸速率和净光合速率;Ceysvonic有较高的光呼吸速率和相对光呼吸，净光合速率较小;Lemont的光呼吸速率较低，相对光呼吸和净光合速率并不高;武育粳3号有较高的相对光呼吸，光呼吸速率和光合速率并不高;其余基因型在不同氮水平下光呼吸速率、净光合速率和相对光呼吸表现不同。2．在不同时期，不同基因型水稻地上部干物质积累量和成熟期产量及其构成因子存在显著差异。氮处理对不同基因型水稻地上部的生物量和籽粒产量有极显著影响。在本试验条件下，增加施氮量有利于地上部的生物量、籽粒产量和穗数的提高。在试验选用的基因型中，两优培九和汕优63生物量较高，武育粳3号生物量较低;而且，两优培九和汕优63籽粒产量也较高，Lemont和Ceysvonic籽粒产量较低。3．在不同基因型水稻各器官中，氮浓度均随着施氮量的增加而升高。在施氮量相同时，不同基因型间各器官的氮浓度存在显著差异。氮素在水稻各器官中的分配比例存在明显差异;不同氮水平下，不同基因型水稻各器官氮积累量在总氮中所占的比例并不一致。在3种氮水平下，Ceysvonic籽粒中氮积累量占植株总氮积累量的百分数(氮收获指数，NHI)最低;其余基因型在不同氮水平下的NHI表现不同。在施氮量为125kgN／ha和208kgN／ha时，汕优63的NHI最高;而不施氮时，扬稻6号的NHI最高。对氮素总积累量进行比较，结果表明，两优培九、汕优63、珍汕97氮素积累量较高，武育粳3号、Lemont氮素积累量较低;总体趋势表现为籼稻＞常规粳稻)广亲和品种。4．以氮素干物质生产效率、氮素籽粒生产效率、氮收获指数、农学利用率、氮素回收率、籽粒生理利用率、生物量生理利用率和氮肥偏生产力为指标，对9个基因型水稻进行聚类分析，可分为3种不同的类型。第1类：氮素利用率较高，包括两优培九、汕优63、扬稻6号、明恢63;第2类：氮素利用率较低，包括培矮64s、Ceysvonic、珍汕97;第3类：氮素利用率介于氮高效与氮低效之间，包括武育粳3号、Lemont。3种氮效率类型水稻全生育期的平均光呼吸速率和相对光呼吸存在极显著差异，但平均净光合速率在3种氮效率类型的水稻中差异不显著。从整个生育期看，氮利用效率高的水稻光呼吸速率较低，其相对光呼吸较小;氮利用效率低的水稻光呼吸速率较高，其相对光呼吸较大。5．不同基因型水稻的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素的含量均随生育进程的推移而逐步下降，以上各类光合色素含量在不同基因型间存在显著差异，并且这种趋势在全生育期中稳定一致。在施氮量为125kgN／ha和208kgN／ha处理间，叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总的叶绿素含量无显著差异;但是，增加施氮量在一定程度上延缓了叶绿素的降解。水稻上三片功能叶SPAD值均随生育期的推移而变化，不同基因型的变化幅度不同。顶1叶变幅最小，生育前期SPAD值有升有降，呈波动变化，抽穗后SPAD值逐渐下降。顶3叶SPAD值在全生育期中逐渐下降，生育后期下降幅度更大，不同基因型表现不同。顶2叶SPAD值的变化趋势介于顶1叶和顶3叶之间。在生育后期，施氮量为208kgN／

关键词：水稻光呼吸氮氮素利用效率

黄瓜净光合速率与光呼吸速率的环境响应模型研究

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黄瓜净光合速率与光呼吸速率的环境响应模型研究

作者：郑琨鹏南京农业大学

学位级别：硕士

在我国,现代设施园艺产业事业迅猛发展。智慧化逐渐成为了园艺栽培的重要发展趋势。作物模型作为智慧农业的核心受到广大研究者的关注。光合作用作为作物产量和品质的基础,有关光合作用的作物模型备受重视。光呼吸对光合作用效率有负面... 详细信息

在我国,现代设施园艺产业事业迅猛发展。智慧化逐渐成为了园艺栽培的重要发展趋势。作物模型作为智慧农业的核心受到广大研究者的关注。光合作用作为作物产量和品质的基础,有关光合作用的作物模型备受重视。光呼吸对光合作用效率有负面的影响。但有关于光呼吸对光合作用影响的作物模型研究较少。为此,本研究构建了黄瓜光合作用速率和光呼吸作用速率的环境响应模型,并据此建立环境调控目标值模型,为黄瓜光合作用的模拟提供理论基础,为温室环境调控模拟模型的构建提供重要理论依据。主要研究结果如下:1.通过分析空气环境和低氧环境下黄瓜光合作用速率随环境条件变化的差异,研究了在不同环境条件下光呼吸对光合作用的不同消耗。当环境条件分别为光照强度低于600μmol·ms、温度高于35°C、CO浓度低于250 ppm、相对湿度高于50%等时,黄瓜叶片光呼吸对光合作用的消耗较大。确定了温度、湿度、CO2浓度、光合有效辐射、生长周期、叶位、作物在温室中的位置作为黄瓜光合作用和光呼吸作用速率预测模型的特征变量。2.对空气环境和低氧环境下光合作用数据集进行了数据的预处理,并划分了数据集,使用5折交叉验证方法,构建多项式回归、K近邻回归、高斯过程回归、支持向量回归、随机森林回归、Adaboost回归、GBDT回归、XGBoost回归、神经网络回归等模型。使用了网格搜索技术和遗传算法,寻找多种模型的最优超参数。研究发现,XGBoost模型具有最优精确性和最小泛化误差。构建的空气环境下的光合作用模型,EV为0.970,MAPE为0.327,RMSE为1.607,R为0.970;低氧环境下的光合作用模型,EV为0.970,MAPE为0.181,RMSE为1.469,R为0.970,建模共耗时0.779 s。将低氧环境下的光合作用模型与空气环境下的模型相结合,形成了多因素响应的光呼吸速率预测模型,该模型具有较强的准确性和精密性。3.以在温室黄瓜生产中的全新数据对模型进行试验验证。结果发现光合作用速率模型的R为0.986,光呼吸速率模型的R为0.937,且两模型预测不存在异常值。即表明,光合作用速率和光呼吸速率的模型预测准确度较高,鲁棒性较强。随后以光合作用速率模型和光呼吸速率模型为基础,基于NSGA-II修改的遗传算法建立了以光呼吸为关键因素的温室环境调控目标值模型。并以一组温室环境参数进行测试,该模型运行良好,可用于温室环境调控。4.通过减少特征维度,重新构建光呼吸速率预测模型,研究发现特征降维不能改变模型的准确性,并分析了进一步提高模型性能的其他因素。讨论了模型的可解释性及影响光呼吸的主要因素。此外,该模型可以作为软传感器进行使用。文章还提出了使用该模型控制环境条件以提高作物光合作用效率的可能性。综上所述,本研究在黄瓜抽蔓期和结果期两个生长阶段内,研究了不同的温度、湿度、光照度、CO2浓度等条件下测量黄瓜叶片的净光合速率及光呼吸速率的变化规律,并基于此,构建了黄瓜净光合速率和光呼吸速率的预测模型及温室环境调控目标值模型。

关键词：光合作用光呼吸模型机器学习环境调控

拟南芥光呼吸突变体pr1的基因克隆及其生理特性研究

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拟南芥光呼吸突变体pr1的基因克隆及其生理特性研究

作者：陈丹华南农业大学

学位级别：硕士

光呼吸是C3植物中仅次于光合作用的第二大代谢流,正常条件下C3植物的光呼吸可损失光合产物的20-30%。毫无疑问,光呼吸限制了植物的光能利用效率,最终影响作物产量。然而,大量的研究表明,清除或调节光呼吸代谢途径,均未能有效提高植物的... 详细信息

光呼吸是C3植物中仅次于光合作用的第二大代谢流,正常条件下C3植物的光呼吸可损失光合产物的20-30%。毫无疑问,光呼吸限制了植物的光能利用效率,最终影响作物产量。然而,大量的研究表明,清除或调节光呼吸代谢途径,均未能有效提高植物的光合作用,反而造成光合速率下降或者致死,这表明光呼吸不仅仅只与光合相关,对植物的生存也有重要的生物学意义。目前已知光呼吸与氮的同化、呼吸作用、氨基酸代谢、一碳代谢和氧化还原信号等代谢过程密切相关。通过筛选光呼吸突变体,挖掘光呼吸代谢调控新基因,将有助于进一步解析光呼吸与其他代谢途径之间的相互调节关系。本研究以模式植物拟南芥的Columbia(Col-0)生态型为实验材料,通过EMS诱变构建突变体库,利用光呼吸突变体在正常大气条件下出现黄化、矮小或致死,而在高CO2条件下正常生长的表型进行光呼吸突变体筛选。筛选出突变体命名为pr1(Photorespiration related 1),对突变体进行了生理、分子和遗传学的分析,研究结果如下:1.表型生理分析:在正常大气条件下,突变体pr1同野生型(Col-0)相比植株矮小,叶片颜色发黄,而在高CO2条件下两者差别较小。正常大气条件下突变体pr1甘氨酸含量显著高于Col-0。2.基因定位:突变体pr1与Landsberg erecta(Ler)生态型拟南芥杂交,利用F2代植株进行图位克隆,确定其基因定位区间位于第4条染色体17.97 Mb附近。通过对pr1全基因组测序分析,确定其突变基因座位号为AT4G38380,编码多药和有毒化合物排出家族蛋白(Multidrug and toxic compound extrusion,MATE),本研究中暂命名为MATE1蛋白。3.互补实验:构建载体proMATE1::MATE1-Flag转化pr1,转化株系在大气生长条件下,叶片颜色、植株形态等均恢复正常。4.组织表达:构建载体proMATE1::GUS转化Col-0,对转化株系GUS染色分析表明MATE1主要在新叶、茎分生组织、根、花药、果荚中。Real-time PCR检测发现强光处理4h后MATE1表达含量急剧上升。5.亚细胞定位:构建35S::MATE1-GFP转化Col-0原生质体,对GFP荧光分析将MATE1定位于叶绿体膜上。6.筛选mate1的T-DNA插入突变体(CS300818),命名为mate1-1,mate1-1植株具有矮小、叶片卷曲,基本不结实的表型。7.构建35S::MATE1转化Col-0,转化株系与Col-0相比其生物量明显增加。综上所述,本研究工作筛选了光呼吸突变体pr1,图位克隆、全基因组测序分析和基因互补实验表明突变基因为MATE1,MATE1定位在叶绿体膜上,其T-DNA突变体mate1-1有明显的发育缺陷,过量表达MATE1增加了生物量。MATE1影响光呼吸的作用机理仍有待进一步研究。

关键词：拟南芥光呼吸 MATE1基因

水分亏缺对小麦光呼吸及乙醇酸氧化酶活性的影响

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水分亏缺对小麦光呼吸及乙醇酸氧化酶活性的影响

作者：张鑫西北农林科技大学

学位级别：硕士

近年来，随着光呼吸代谢研究的深入，降低植物绿色器官光呼吸速率成为开展“高光效育种”的重要途径。光呼吸速率的测定方法主要有气体交换差减法(P)、P-C响应曲线法(P)和Rubisco动力学结合气体交换法(P)。这些方法都存在一些理论和操... 详细信息

近年来，随着光呼吸代谢研究的深入，降低植物绿色器官光呼吸速率成为开展“高光效育种”的重要途径。光呼吸速率的测定方法主要有气体交换差减法(P)、P-C响应曲线法(P)和Rubisco动力学结合气体交换法(P)。这些方法都存在一些理论和操作上的不足。目前，三种方法共用并存，之间的比较尚未见报道。本试验研究不同水分处理下抗旱性不同小麦旗叶光呼吸，比较三种方法间结果的差异，筛选光呼吸速率测定的理想方法。探讨了水分亏缺对旗叶和穗光呼吸日变化、灌浆期光呼吸动态变化以及光呼吸关键酶活性的影响。获得如下主要结果： 1.小麦开花期，采用P、P和P三种方法测定抗旱性不同小麦在不同水分处理下旗叶光呼吸速率(P)和光呼吸速率占光合速率的比率(P/P)，P和P所测P和P/P差异不显著(P＞0.05);而P所测P和P/P较前两种方法差异显著(P＜0.05)。试验中P和P法所测P值实际为光呼吸与暗呼吸共同释放的CO总和，较真实值偏大，故两者所测P和P/P均大于P法测定结果。相对于P和P方法P法测定结果准确，操作简单、仪器常规，适用于旗叶或其他器官光呼吸速率测定。 2.小麦开花期，秦麦3号(抗旱型)和陕229(水分敏感型)在两种水分胁迫下旗叶和穗部光呼吸日变化均呈单峰曲线变化，但峰值出现时间存在差异。正常供水下两品种穗部光呼吸峰值均出现在14∶00，旗叶光呼吸峰值出现在12∶00;中度水分胁迫下两品种穗部光呼吸峰值均前移到12∶00，而旗叶光呼吸峰值陕229前移到10∶00，秦麦3号峰值时刻未变化(12∶00)。试验表明，逆境中小麦通过提高光呼吸来缓解过剩光能对光合器官造成伤害，支持“光呼吸是植物逆境下一种保护机制”的观点。 3.小麦花后0d、7d、14d、21d，秦麦3号(抗旱型)和陕229(水分敏感型)在两种水分胁迫下旗叶和穗部光呼吸均呈下降趋势。在花后相同天数两个品种旗叶和穗部在中度水分胁迫下光呼吸速率均高于对照，旗叶光呼吸速率大概增加了33.5%，穗部光呼吸速率增加了30.2%。说明小麦在水分胁迫下光呼吸增强，灌浆期小麦光呼吸逐渐降低主要由光合器官的衰老引起。 4.花后14d，秦麦3号(抗旱型)在中度水分胁迫下旗叶和穗部乙醇酸氧化酶(GLO)活性分别上升了42.3%和5.9%，陕229(水分敏感型)在中度水分胁迫下旗叶和穗部GLO活性分别上升了46.8%和10.7%;然而秦麦3号(抗旱型)在中度水分胁迫下旗叶和穗部谷氨酰胺合成酶(GS)活性分别下降16.1%和24.0%，陕229(水分敏感型)旗叶和穗部GS活性分别降低22.5%和27.6%。表明GLO与光呼吸对水分亏缺的响应一致，GS与光呼吸对水分亏缺的响应则相反。

关键词：小麦水分亏缺光呼吸 CO2响应曲线光呼吸关键酶

3种不同树种光呼吸变化特征及在光防御中的作用研究

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内蒙古农业大学学报（自然科学版） 2014年第1期35卷 49-53页

作者：张莹田有亮刘焱何炎红内蒙古农业大学林学院呼和浩特010019 包头市园林科技研究所包头014010

运用LI-6400光合-荧光测定仪测定沙冬青、辽东栎和栒子的光呼吸响应曲线、光呼吸/总光合响应曲线及光呼吸—NPQ曲线。结果表明,在低光胁迫时光呼吸速率和光呼吸速率/总光合速率迅速增加,高光胁迫时变化缓慢,变化的转折处定义为临界点,... 详细信息

运用LI-6400光合-荧光测定仪测定沙冬青、辽东栎和栒子的光呼吸响应曲线、光呼吸/总光合响应曲线及光呼吸—NPQ曲线。结果表明,在低光胁迫时光呼吸速率和光呼吸速率/总光合速率迅速增加,高光胁迫时变化缓慢,变化的转折处定义为临界点,由此判断树种光呼吸的耗能作用依次为沙冬青>辽东栎>栒子,树种对光照强度的敏感程度为辽东栎>栒子>沙冬青;在强光胁迫下光呼吸和热耗散机制同时在光破坏防御保护机制中起作用,两者之间存在协同关系。

关键词：光呼吸 NPQ 光胁迫光保护

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CO_2施肥对桃树暗呼吸和光呼吸的影响

果树学报 2005年第5期22卷 466-469页

作者：侯新村李宪利高东升郭子武天津农学院园艺系天津300384 山东农业大学园艺学院

以3年生油桃为试材在水暖玻璃温室中进行CO2施肥研究,结果表明:在温室普通空气条件下,CO2施肥对桃树暗呼吸与光呼吸的影响不大;在相应处理CO2浓度条件下暗呼吸速率变化不明显,而光呼吸速率明显下降。在温室普通空气条件与相应处理CO2浓... 详细信息

以3年生油桃为试材在水暖玻璃温室中进行CO2施肥研究,结果表明:在温室普通空气条件下,CO2施肥对桃树暗呼吸与光呼吸的影响不大;在相应处理CO2浓度条件下暗呼吸速率变化不明显,而光呼吸速率明显下降。在温室普通空气条件与相应处理CO2浓度条件下,桃树暗呼吸速率/光合速率(Re/Pn)值与光呼吸速率/光合速率(Phr/Pn)值均明显下降,这在一定程度上解释了表观光合速率的相对上升,CO2施肥对桃树的生长发育有着明显的正效应。

关键词：桃 CO2施肥暗呼吸光呼吸

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植物光呼吸的生理意义

生物学教学 2010年第10期35卷 6-7页

作者：刘萍丁义峰河南师范大学生命科学学院

光呼吸是植物不可缺少的重要生理过程之一，是植物在长期进化过程中适应环境、提高抗逆性等而形成的一条代谢途径。本文简要介绍了植物光呼吸的生理意义。

关键词：光呼吸生理意义抗逆性