111 年 國立成功大學熱帶植物科學研究所《植物生理學》
第 I.1 題4 分
I. Term explanation (40%, 4% for each; explain as much as you can)
- Antenna chlorophyll
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此題考查植物光合作用中的天線葉綠素(Antenna chlorophyll)概念。
核心觀念:
天線葉綠素是位於光合作用反應中心周圍的葉綠素分子,它們的作用是吸收光能,並將這些能量傳遞到反應中心,進一步進行光合作用。
詳解:
天線葉綠素(Antenna chlorophyll),又稱為集光葉綠素或輔助色素,是位於光合作用複合物(如光系統 I 和光系統 II)內,圍繞著反應中心(reaction center)的一群葉綠素分子(主要是葉綠素 a、b)和其他類胡蘿蔔素。它們的主要功能是:
第 I.2 題4 分
I. Term explanation (40%, 4% for each; explain as much as you can)
2. Plasmodesmata
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此題考查植物細胞間的連絡結構——胞間連絲(Plasmodesmata)。
核心觀念:
胞間連絲是植物細胞壁上存在的微細通道,允許相鄰細胞的細胞質直接相通,是植物細胞間物質運輸和訊號傳遞的重要途徑。
詳解:
胞間連絲(Plasmodesmata,單數為 Plasmodesma)是植物細胞之間特有的結構,位於細胞壁上。它們是微小的細胞質通道,穿過兩個相鄰植物細胞的細胞壁和細胞膜,從而連接了它們的細胞質。胞間連絲的主要功能包括:
- 細胞質連接: 允許細胞質中的小分子(如離子、代謝物、胺基酸、糖類)和一些較大的生物分子(如 RNA、蛋白質)在細胞間自由擴散或被主動運輸。
第 I.3 題4 分
I. Term explanation (40%, 4% for each; explain as much as you can)
3. Root nodules
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此題考查植物根部與微生物共生形成的結構——根瘤(Root nodules)。
核心觀念:
根瘤是某些植物(特別是豆科植物)的根部因與固氮菌(如根瘤菌)共生而形成的特殊結構,主要功能是提供固氮菌生存環境並進行固氮作用。
詳解:
根瘤(Root nodules)是豆科植物(Legumes)和一些其他植物,與固氮細菌(如根瘤菌 Rhizobia)或其他固氮微生物(如放線菌 Frankia)共生時,在根部發育形成的特殊結構。這些結構的形成是一個複雜的相互作用過程:
- 共生關係: 植物提供碳源(光合產物)和無氧環境給固氮菌,而固氮菌則將大氣中的氮氣()轉化為植物可以利用的氨(),從而大大提高了土壤中氮的可用性。
第 I.4 題4 分
I. Term explanation (40%, 4% for each; explain as much as you can)
4. Shoot apical meristem
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此題考查植物頂端生長點——頂芽(Shoot apical meristem)。
核心觀念:
頂芽是位於植物莖頂端或枝條頂端的一種分生組織,負責植物地上部分的生長,包括莖的伸長、葉的形成和側芽的發育。
詳解:
頂芽(Shoot apical meristem, SAM)是植物莖的頂端或枝條頂端存在的一團具有持續分裂能力的細胞群。它是植物地上部分(莖、葉、花)生長發育的來源,具有以下關鍵特徵和功能:
- 分生組織: 頂芽由未分化的、具有高分裂活性的細胞組成。這些細胞不斷分裂,產生新的細胞,為植物的生長提供「原材料」。
- 莖的伸長: 頂芽的細胞分裂和細胞的伸長是導致莖不斷向頂端生長的主要原因。
- 葉和側芽的形成: 在頂芽周圍,會形成稱為「葉原基」(leaf primordia)的結構,這些結構將進一步發育形成葉片。
第 I.5 題4 分
I. Term explanation (40%, 4% for each; explain as much as you can)
5. Photosynthetic active radiation
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此題考查植物光合作用中重要的光照條件——光合有效輻射(Photosynthetic active radiation, PAR)。
核心觀念:
光合有效輻射是指植物光合作用能夠利用的光的波長範圍,通常指 400-700 奈米(nm)的可见光。
詳解:
光合有效輻射(Photosynthetic active radiation, PAR)是指太陽光譜中,能夠被植物用於光合作用的那個特定波長範圍的光。一般定義為波長在 400 到 700 奈米(nm)之間的電磁輻射,這也大致對應於人類可見光的範圍。
PAR 的重要性體現在:
- 光合色素吸收: 植物體內的光合色素,如葉綠素 a、葉綠素 b、類胡蘿蔔素等,主要吸收這個範圍內的光能。雖然不同色素對不同波長光的吸收效率不同(例如葉綠素主要吸收藍光和紅光,類胡蘿蔔素吸收藍綠光),但總體而言,400-700 nm 的光是進行光合作用的主要能量來源。
第 I.6 題4 分
I. Term explanation (40%, 4% for each; explain as much as you can)
6. Phloem loading
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此題考查植物體內同化物運輸的起始階段——篩管載入(Phloem loading)。
核心觀念:
篩管載入是指將光合作用產生的有機物(主要是蔗糖)從來源組織(如葉肉細胞)運輸到篩管元素(sieve-element)的過程。
詳解:
篩管載入(Phloem loading)是植物蒸騰拉力(transpiration pull)和壓力流(pressure-flow)假說中,同化物運輸鏈的關鍵起始步驟。它發生在來源組織(source tissue),通常是進行光合作用的葉片,將光合產物(主要是蔗糖)運輸到韌皮部(phloem)的篩管分子(sieve-element)中。這個過程是將低濃度、低壓力的蔗糖,運輸到高濃度、高壓力的篩管中,因此需要能量。
篩管載入主要有兩種方式:
第 I.7 題4 分
I. Term explanation (40%, 4% for each; explain as much as you can)
7. Callus
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此題考查植物組織培養中的一個重要名詞——癒傷組織(Callus)。
核心觀念:
癒傷組織是植物組織培養中,由外植體(explant)在培養基上生長形成的無序、未分化的細胞團。
詳解:
癒傷組織(Callus)是植物組織培養中的一個關鍵術語,指的是由植物體的一小部分(外植體,如葉片、莖、根等)在適當的無菌培養基上培養時,所形成的未分化、無序生長的細胞團。
癒傷組織的特點與作用包括:
- 未分化細胞: 癒傷組織的細胞與外植體來源的細胞不同,它們失去了一定的分化程度,具有較強的分裂和生長能力。
- 無序生長: 癒傷組織的細胞排列雜亂,沒有形成特定的組織結構,如維管束。
第 I.8 題4 分
I. Term explanation (40%, 4% for each; explain as much as you can)
8. Anthocyanin
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此題考查植物體內重要的色素——花青素(Anthocyanin)。
核心觀念:
花青素是一類水溶性色素,屬於類黃酮的衍生物,存在於植物的液泡中,其顏色隨 pH 值變化而改變,在植物的授粉、傳粉、抗氧化和抗紫外線等方面扮演重要角色。
詳解:
花青素(Anthocyanin)是一大類存在於植物中的水溶性色素,屬於類黃酮(flavonoid)家族。它們主要存在於植物細胞的液泡中,是造成植物花朵、果實、葉片以及根部呈現紅色、紫色、藍色等顏色的主要原因。
花青素的關鍵特性和功能:
- 顏色多樣性: 花青素的顏色非常豐富,從紅色、紫色到藍色、甚至近黑色,這取決於其分子結構(如取代基的種類和位置)以及細胞液泡的 pH 值。在酸性條件下呈紅色,在中性條件下呈紫色,在鹼性條件下呈藍色或綠色。
第 I.9 題4 分
I. Term explanation (40%, 4% for each; explain as much as you can)
9. Lignin
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此題考查植物細胞壁中的重要成分——木質素(Lignin)。
核心觀念:
木質素是一種複雜的酚類聚合物,存在於植物細胞壁中,特別是次生細胞壁,它賦予細胞壁剛性、強度和防水性,是植物支持結構和運輸功能的重要組成部分。
詳解:
木質素(Lignin)是植物體內一種非常重要的有機大分子,屬於非結構性碳水化合物,是一種複雜的酚類聚合物。它主要沉積在植物細胞壁的次生層(secondary wall)中,尤其是木質部(xylem)的細胞壁,如導管(tracheids)和管胞(vessels)的壁。
木質素的主要功能和特點:
- 提供機械強度和支撐: 木質素的剛性結構為植物提供了必要的機械支撐,使其能夠直立生長,對抗風力、重力等外力。
第 I.10 題4 分
I. Term explanation (40%, 4% for each; explain as much as you can)
10. Photoperiodism
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此題考查植物對日照長度反應的現象——光週期性(Photoperiodism)。
核心觀念:
光週期性是指植物對一天中白天和黑夜長度(或比例)變化的生理反應,它調控著植物的開花、休眠、生長發育等重要生命過程。
詳解:
光週期性(Photoperiodism)是指植物(以及其他生物)對日照長度(白天時長)或光照/黑暗週期的感知並作出生理反應的現象。這種反應通常與植物的開花時間密切相關,但也影響其他發育過程,如休眠、塊莖形成、葉綠素合成等。
根據植物對日照長度的反應,可將其分為三類:
- 長日照植物(Long-day plants, LDPs): 這些植物需要經歷一個「臨界日長」(critical day length)以上的光照時長才會開花。也就是說,它們在白天較長(夜晚較短)的季節(如春末、夏季)開花。
第 II.1 題5 分
II. Questions (60%, 5% for each)
- Do the "dark reactions" of photosynthesis require light? Why?
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此題考查光合作用的暗反應(Dark reactions)是否需要光。
核心觀念:
光合作用分為光反應和暗反應。暗反應本身不直接消耗光能,但其進行需要光反應提供的 ATP 和 NADPH,因此間接依賴於光。
詳解:
「暗反應」(Dark reactions),現更常稱為「碳固定階段」(carbon fixation stage)或「卡爾文循環」(Calvin cycle),本身並不直接消耗光能,但它間接依賴於光。
原因如下:
- 間接依賴: 光反應(light-dependent reactions)在葉綠體的類囊體膜上進行,其主要產物是 ATP(能量貨幣)和 NADPH(還原力)。暗反應則發生在葉綠體的基質(stroma)中,它利用光反應產生的 ATP 和 NADPH 來固定二氧化碳(),並將其還原成醣類(如葡萄糖)。
第 II.2 題5 分
II. Questions (60%, 5% for each)
2. Can plants utilize "organic substances" directly? Why?
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此題考查植物是否能直接利用「有機物」。
核心觀念:
植物可以利用來自環境或體內的有機物,但其利用方式和程度取決於有機物的種類、植物的發育階段和生理狀態。自營植物主要通過光合作用合成有機物,但也能吸收和利用外部有機物;異營植物則完全依賴外部有機物。
詳解:
植物可以利用「有機物質」,但其方式和程度取決於植物的類型和有機物的來源:
- 自營植物(Autotrophs):
- 光合作用是主要途徑: 大多數植物是自營的,它們通過光合作用,利用光能將無機物( 和 )轉化為有機物(如葡萄糖)。這是植物合成自身所需能量和結構材料的主要方式。
- 吸收外部有機物: 然而,許多自營植物也能夠吸收和利用來自環境中的有機物質,特別是在營養不良的土壤中。例如:
- 種子萌發初期: 幼苗在種子萌發初期,在葉片發育出能進行光合作用之前,會消耗儲存在種子中的有機養分(如澱粉、脂肪、蛋白質)。
第 II.3 題5 分
II. Questions (60%, 5% for each)
3. Given an example of plant movements and explain its mechanism.
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此題考查植物運動的例子及其機制。
核心觀念:
植物運動是指植物體或其局部發生的位置變化,這類運動通常是緩慢的,且與生長或環境刺激有關。常見的植物運動包括向性運動(tropic movements)和 નિકૃષ્ટિ (nastic movements)。
詳解:
植物運動是指植物體或其一部分對外界刺激所產生的位置變化。這些運動通常是緩慢的,並且與植物的生長或應激反應有關。以下舉例並解釋其機制:
例子:向光性(Phototropism)
向光性是植物的莖或枝條朝向光源生長的一種運動,屬於向性運動(tropic movement),即生長方向受刺激方向影響。
機制解釋:
- 刺激感知: 植物的頂端(特別是頂芽)能夠感知光源的方向。
- 生長素的分佈: 在單側光源照射下,植物頂芽的尖端會感知光源。光線會導致頂端尖端細胞產生的一種生長素(auxin)在莖的背光側(遠離光源的一側)分佈濃度更高,而在向光側(靠近光源的一側)濃度較低。
- 細胞伸長不均勻: 生長素能夠促進植物細胞的伸長。由於背光側的生長素濃度較高,該側的細胞伸長得比向光側更快、更長。
第 II.4 題5 分
II. Questions (60%, 5% for each)
4. Why can CAM (short for crassulacean acid metabolism) plants adapt to dry climate?
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此題考查 CAM 植物(景天酸代謝植物)為何能適應乾旱氣候。
核心觀念:
CAM 植物通過獨特的碳固定途徑,將氣孔在夜間開放吸收 並固定為有機酸儲存,白天氣孔關閉以減少水分散失,從而適應乾旱環境。
詳解:
CAM 植物(Crassulacean Acid Metabolism,景天酸代謝植物)之所以能適應乾旱氣候,主要是因為它們採用了一種特殊的碳固定途徑,該途徑將 的吸收和 的固碳還原分開在一天中的不同時間進行,並與氣孔的開關緊密結合。
機制解釋:
-
獨特的氣孔運動:
- 夜間氣孔開放: 在涼爽、濕度較高的夜晚,CAM 植物的氣孔會開放。這時,它們從大氣中吸收 。
- 白天氣孔關閉: 在炎熱、乾燥的白天,CAM 植物的氣孔會關閉。這大大減少了水分通過蒸騰作用從葉片散失的機會。
-
兩階段的碳固定:
- 第一階段(夜間): 當氣孔開放時,吸收的 被「景天酸代謝酶」(PEP carboxylase, PEPCase)固定到磷酸烯醇丙酮酸(PEP)上,形成草醯乙酸(oxaloacetate),然後草醯乙酸被還原成蘋果酸(malate)。
第 II.5 題5 分
II. Questions (60%, 5% for each)
5. Explain "acid growth hypothesis" in regulation of cell elongation in response to auxin?
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此題考查生長素(Auxin)調控細胞伸長時的「酸生長假說」(Acid Growth Hypothesis)。
核心觀念:
酸生長假說認為,生長素能誘導質膜上的質子泵(-ATPase)將質子()泵入細胞壁,降低細胞壁的 pH 值,活化細胞壁上的膨壓酶(expansins),使細胞壁鬆弛,進而允許細胞在膨壓作用下伸長。
詳解:
「酸生長假說」(Acid Growth Hypothesis)是目前最廣泛接受的解釋生長素(auxin)如何促進植物細胞伸長的理論。該假說的核心在於生長素誘導細胞壁酸化的作用。
機制解釋:
- 生長素的誘導作用: 當生長素作用於植物細胞時,它會迅速在細胞質膜上誘導質子泵(-ATPase)的活性增強。
- 質子泵的作用: 這些質子泵將細胞質中的質子()主動運輸到細胞壁空間(apoplast)。
第 II.6 題5 分
II. Questions (60%, 5% for each)
6. Auxin and cytokinin are hormones often use to regulate organogenesis in plant tissue culture. Please explain the effects of high auxin:cytokinin ratio, low auxin:cytokinin ratio or equal auxin/cytokinin ratio used in the culture media on organogenesis.
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此題考查植物組織培養中,生長素(Auxin)與細胞分裂素(Cytokinin)比例對器官發育(Organogenesis)的調控作用。
核心觀念:
在植物組織培養中,生長素和細胞分裂素的相對比例是決定外植體(explant)發育方向的關鍵。不同的比例會誘導形成癒傷組織、芽或根。
詳解:
在植物組織培養中,生長素(Auxin, AX)和細胞分裂素(Cytokinin, CK)是兩種最常用來調控細胞分化和器官發育的植物激素。它們的相對比例對誘導形成癒傷組織(callus)、芽(shoot)或根(root)有決定性的影響。
- 高生長素:細胞分裂素比例(High AX:CK ratio):
- 誘導根的形成(Rhizogenesis): 當培養基中生長素的濃度遠高於細胞分裂素時,這種高比例的生長素會刺激外植體或癒傷組織分化出根。生長素在此情況下扮演著誘導根原基形成和生長的主要角色。
第 II.7 題5 分
II. Questions (60%, 5% for each)
7. ABSCISIC ACID (ABA) is an important hormone when plants response to drought stress. ABA helps plant to conserve water by closing stomata cells, promote root growth and induce genes to protect cells from desiccation damage. Can you explain how ABA regulates closing of guard cells in response to drought stress?
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此題考查離層素(Abscisic Acid, ABA)如何調控保衛細胞(Guard cells)關閉以應對乾旱逆境。
核心觀念:
ABA 在乾旱胁迫下會顯著升高,它作用於保衛細胞,觸發一系列離子和水分子的移動,最終導致保衛細胞膨壓下降,氣孔關閉,從而減少水分散失。
詳解:
離層素(Abscisic Acid, ABA)是植物應對乾旱胁迫最重要的一種激素。在乾旱條件下,植物體內的 ABA 含量會顯著升高,它通過作用於保衛細胞,啟動一系列生理生化反應,促使氣孔關閉,以減少水分的蒸騰損失。
ABA 調控保衛細胞關閉的機制如下:
- ABA 結合受體: ABA 首先與保衛細胞質膜上的特異性 ABA 受體(如 GCR2、PYR/PYL/RCAR 家族蛋白)結合。
- 信號傳導級聯: ABA 與受體結合後,會激活下游的信號傳導通路。這通常涉及:
- 鈣離子 () 內流: 受體激活後,會促進細胞質膜上的鈣離子通道開放,使細胞外的 進入細胞質。細胞質內的 濃度升高。
第 II.8 題5 分
II. Questions (60%, 5% for each)
8. The ratio of ABA:GA controls seed maturation/dormancy or seed germination. Please explain how GA plays a role in seed germination.
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此題考查赤黴素(Gibberellin, GA)在種子萌發中的作用,以及其與離層素(ABA)在種子成熟/休眠和萌發中的拮抗關係。
核心觀念:
赤黴素(GA)是促進種子萌發的重要植物激素,它能夠克服種子休眠,啟動萌發過程。ABA 則通常抑制萌發,促進休眠。GA 和 ABA 的比例決定了種子是處於休眠還是萌發狀態。
詳解:
種子萌發是一個複雜的過程,受到內源激素(如 GA 和 ABA)和外在環境條件(如溫度、水分、光照)的共同調控。GA 和 ABA 在種子萌發中扮演著相對拮抗的角色。
GA 在種子萌發中的作用:
- 克服種子休眠: 許多種子具有休眠性,這是一種防止在不利條件下萌發的機制。GA 能夠有效打破種子的休眠。
- 誘導 α-澱粉酶的合成: 在許多穀類種子(如大麥)中,休眠的種子內胚乳含有大量澱粉。GA 能夠誘導糊粉層(aleurone layer)細胞合成和分泌 α-澱粉酶(α-amylase)和其他水解酶(如蛋白酶、β-葡聚醣酶)。
- 分解儲藏物質: 這些酶將儲藏在胚乳中的澱粉、蛋白質和半纖維素分解為可溶性的單醣、胺基酸和寡醣。
第 II.9 題5 分
II. Questions (60%, 5% for each)
9. Understand the physiological effects of ethylene is important for post-harvest quality of flower (orchid), vegetable (tomato) and fruit (banana) crops, why?
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此題考查乙烯(Ethylene)的生理效應對花卉(蘭花)、蔬菜(番茄)和水果(香蕉)採後品質的重要性。
核心觀念:
乙烯是一種氣體植物激素,廣泛參與植物的衰老、成熟、脫落、傷口癒合和果實成熟等過程。理解其效應對於延長採後壽命、保持品質至關重要。
詳解:
乙烯(Ethylene)是一種簡單的氣體植物激素,它在植物的生長、發育以及對逆境的響應中扮演著核心角色,尤其是在植物採後品質管理方面。理解乙烯的生理效應對於蘭花、番茄和香蕉等作物的採後處理至關重要,原因如下:
- 果實成熟(Fruit ripening):
- 香蕉(Banana): 香蕉是典型的「氣候性水果」(climacteric fruit),其成熟過程強烈依賴乙烯。乙烯的產生在成熟期急劇增加,它誘導果實軟化(通過細胞壁降解酶的活性增加,如果膠酶、纖維素酶)、顏色改變(葉綠素降解,類胡蘿蔔素和花青素合成)、風味物質(如酯類、醇類)的產生以及呼吸作用速率的升高(氣候性高峰)。
- 番茄(Tomato): 番茄也是氣候性水果,乙烯是啟動和協調果實成熟的關鍵信號。它促進番茄果實從綠色轉為紅色(通過類胡蘿蔔素的合成和葉綠素的降解)、質地變軟、風味物質的積累以及香氣的產生。
第 II.10 題5 分
II. Questions (60%, 5% for each)
10. Please describe the principle of Agrobacterium mediated plant transformation.
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此題考查利用農桿菌(Agrobacterium tumefaciens)介導的植物轉化(Plant transformation)原理。
核心觀念:
農桿菌是一種能自然感染植物並將其質體(T-DNA)整合到植物基因組中的細菌。科學家利用這一特性,將目標基因插入農桿菌的 T-DNA 中,再利用農桿菌將該基因轉入植物細胞,從而實現植物的基因轉化。
詳解:
農桿菌介導的植物轉化是一種廣泛應用於植物基因工程的技術,其原理基於農桿菌的天然致病機制,即將一段稱為 T-DNA(Transfer DNA)的 DNA 片段從其質體(Ti plasmid)轉移並整合到植物的基因組中。
基本原理和步驟:
- 農桿菌的 T-DNA 轉移機制:
- Ti 質體: 根癌農桿菌(Agrobacterium tumefaciens)攜帶一個大型的 Ti 質體(Tumor-inducing plasmid)。Ti 質體包含兩部分關鍵區域:
- T-DNA 區: 這段 DNA 片段是真正被轉移到植物細胞中的部分。
- vir 基因區: vir(virulence)基因位於 Ti 質體上,但不屬於 T-DNA。它們在植物傷口產生的特定訊號(如乙酰丁香酮 Acetosyringone)誘導下表達,負責啟動 T-DNA 的切割、加工和轉移過程。
- 致瘤過程: 當農桿菌感染植物傷口時,vir 基因被激活,T-DNA 被切割下來,形成單鏈 DNA 複合物,然後通過一個稱為「 the Type IV secretion system」(T4SS)的蛋白質複合體,被轉運到植物細胞核內,並整合到植物的染色體 DNA 中。T-DNA 中的基因會誘導植物細胞異常增生,形成腫瘤(crown gall)。
- Ti 質體: 根癌農桿菌(Agrobacterium tumefaciens)攜帶一個大型的 Ti 質體(Tumor-inducing plasmid)。Ti 質體包含兩部分關鍵區域:
第 II.11 題5 分
II. Questions (60%, 5% for each)
11. Compare gametophytic and saprophytic self-incompatibity.
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此題考查兩種主要的自交不親和(Self-incompatibility, SI)類型:配子體自交不親和(Gametophytic SI, GSI)和孢子體自交不親和(Sporophytic SI, SSI)。
核心觀念:
自交不親和是植物體內的一種遺傳機制,阻止自身的花粉在同一植株或同基因型植株之間授粉成功,從而促進異花授粉,維持遺傳多樣性。GSI 和 SSI 是兩種不同的遺傳控制機制。
詳解:
自交不親和(Self-incompatibility, SI)是許多開花植物演化出來的一種防止自花授粉(或同基因型之間的授粉)的機制,以確保異花授粉和雜交。它主要有兩種遺傳模式:配子體自交不親和(GSI)和孢子體自交不親和(SSI)。
配子體自交不親和 (Gametophytic Self-Incompatibility, GSI):
- 遺傳控制: GSI 由一個基因座(locus)控制,稱為 S 基因座(S-locus)。這個 S 基因座具有高度的等位基因(alleles)。
- 表型: 花粉的自交不親和性狀是由其自身的基因型決定,即由花粉粒本身所攜帶的 S 等位基因決定。
- 識別機制: 當花粉落在柱頭上時,花粉粒中的 S 等位基因產物(通常是 S-RNase,一種核酸酶)會與雌蕊柱頭或花柱中的 S 等位基因產物(也是 S-RNase 或其他蛋白質)發生識別。
- 不親和反應: 如果花粉粒所攜帶的 S 等位基因與雌蕊花柱中某個 S 等位基因相同,則會引發不親和反應。這個反應通常發生在花粉萌發或花粉管生長過程中,可能包括:
- 抑制花粉萌發。
- 抑制花粉管在花柱中的生長。
- 破壞花粉管內的 RNA(S-RNase 催化 RNA 的降解)。
- 遺傳模式: 這種 SI 系統通常是單一基因座、多等位基因控制的,且遵循「同源等位基因排除」(homomorphic S-alleles exclude each other)的原則。
孢子體自交不親和 (Sporophytic Self-Incompatibility, SSI):
- 遺傳控制: SSI 通常由一個或多個 S 基因座控制,但關鍵在於,花粉的自交不親和性狀是由產生該花粉的「孢子體」(即產生花粉的母株)的基因型決定的,而不是花粉粒本身的基因型。
- 表型: 花粉粒的識別能力由其表面的信號分子決定,這些信號分子來源於產生花粉的母株的 S 基因座。
- 識別機制: 當花粉落在柱頭上時,花粉粒表面的信號分子(通常是細胞壁蛋白,如 SLG 和 SRK)會與柱頭表面的信號分子相互作用。
- 不親和反應: 如果產生花粉的母株的 S 等位基因(至少一個)與雌蕊柱頭的 S 等位基因相同,則會引發不親和反應。
第 II.12 題5 分
II. Questions (60%, 5% for each)
12. How phytochrome controls shade avoidance, why reduction of shade avoidance responses can improve crop yield?
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此題考查植物感應光質(特別是紅光與遠紅光比例)的感應器——光敏色素(Phytochrome),以及它如何調控「避蔭反應」(Shade avoidance response),並探討為何抑制此反應能提高作物產量。
核心觀念:
光敏色素是感知紅光(R)和遠紅光(FR)比例的藍色蛋白,它能偵測到陰影環境(FR/R 比例升高)。避蔭反應旨在爭取更多光線,但會犧牲根系生長和分枝,這對作物產量不利。
詳解:
一、光敏色素如何控制避蔭反應(Shade avoidance response):
-
光敏色素的狀態: 光敏色素存在兩種可相互轉化的形式:
- Pr: 吸收紅光(約 660 nm),轉化為 Pfr。
- Pfr: 吸收遠紅光(約 730 nm),轉化為 Pr。Pfr 是具有生理活性的形式,能觸發反應。
- R/FR 比例: 在陽光直射下,紅光(R)和遠紅光(FR)的比例較高 (R/FR > 1)。在陰影下,由於葉片會吸收大部分紅光,但允許遠紅光透過,導致遠紅光比例相對升高 (R/FR < 1)。
-
感知陰影: 當植物處於陰影環境中時,接收到的遠紅光比例相對升高,導致 Pfr 向 Pr 的轉化速率減慢,而 Pfr 向 Pr 的轉化速率相對較快。總體 Pfr 的水平下降,而 Pr 的水平相對升高。光敏色素感知到這種 R/FR 比例的下降。
-
觸發避蔭反應: 光敏色素感知到低 R/FR 比例(即陰影)後,會觸發一系列生理反應,稱為避蔭反應。其主要表現包括:
- 莖伸長加速: 植物會迅速伸長莖,試圖「爬升」到陽光更充足的地方。這涉及細胞壁的鬆弛和細胞伸長。
- 葉片擴展: 葉片可能會擴展得更大,以盡可能多地捕捉光線。
- 抑制根系生長: 為了將更多的資源(碳水化合物)用於莖的伸長,根系的生長會受到抑制。