114 年 國立嘉義大學植物醫學系碩士班《生物學》

本題主要在探討粒線體 DNA (mtDNA) 的遺傳特性，以及其在物種鑑定與品系區分上的應用與限制，並引導思考如何選擇合適的輔助基因。

核心觀念：

1. 粒線體 DNA (mtDNA) 的遺傳特性：母系遺傳、無重組、高突變率、多拷貝數。
2. DNA 條碼 (DNA barcoding) 的概念與應用。
3. 品系 (strain) 或亞種 (subspecies) 鑑定的挑戰。
4. 輔助基因選擇的標準。

解題步驟：

A. COI 基因的遺傳特殊之處：

COI 基因位於粒線體 DNA 中。粒線體 DNA 具有以下特殊遺傳方式：

1. 母系遺傳 (Maternal inheritance)： 在大多數真核生物中，粒線體是通過卵細胞傳遞給後代的，精子中的粒線體通常在受精過程中被排除或降解。因此，粒線體 DNA 的遺傳是單向的，僅來自母親。
2. 無基因重組 (Lack of recombination)： 與細胞核 DNA 不同，粒線體 DNA 在減數分裂過程中不會發生同源染色體間的重組。這意味著粒線體基因組在世代間的傳遞是相對穩定的（除了突變）。
3. 高突變率 (Higher mutation rate)： 相較於細胞核 DNA，粒線體 DNA 的突變率通常較高。這可能是因為粒線體 DNA 的複製和修復機制不如細胞核 DNA 精確，且粒線體內存在較高的活性氧 (ROS) 產生。
4. 多拷貝數 (Multiple copies)： 每個細胞含有數百到數千個粒線體，每個粒線體又有多個粒線體 DNA 分子。這使得粒線體 DNA 的總拷貝數遠高於細胞核 DNA。

B. 這些特點是否會給利用 COI 基因片段序列進行秋行軍蟲品系鑑定帶來困擾？若會，請詳述此困擾為何？

會。上述的遺傳特點，特別是「母系遺傳」和「品系間可雙向雜交」的特性，可能導致以下困擾：

• 母系遺傳的限制： 雖然母系遺傳提供了穩定的傳遞途徑，但如果秋行軍蟲的水稻品系和玉米品系之間存在母系遺傳上的差異（例如，母本來源的差異），那麼僅依賴 COI 基因進行鑑定可能會混淆。然而，更關鍵的問題是，如果兩個品系雖然在生態上（如寄主植物）有區別，但它們在分子層面上（特別是 mtDNA）的差異並不大，或者存在基因流動，那麼 COI 基因的鑑定效果就會打折扣。
• 品系間可雙向雜交導致的基因流動 (Gene flow)： 儘管 COI 基因本身不重組，但如果水稻品系和玉米品系之間可以雜交，並且雜交後代能夠繁殖，那麼就會發生基因流動。如果這種基因流動導致了 COI 基因序列的混合或相似性增加，那麼僅憑 COI 基因片段就難以清晰地區分這兩個品系。例如，如果某些個體是雜交後代，其 COI 序列可能介於兩品系之間，或者出現了不同品系間的 COI 序列交換（雖然 mtDNA 本身不重組，但雜交會引入來自另一親本的 mtDNA）。
• 高突變率可能造成的假陽性/假陰性： 雖然高突變率有利於檢測細微的種群差異，但如果突變發生在用於鑑定的特定區域，且不同個體或品系間存在隨機的、不一致的突變，就可能導致誤判。
• 多拷貝數的影響： 在某些情況下，如果一個細胞內存在混合的粒線體 DNA (heteroplasmy)，雖然這在高等真核生物中較少見，但理論上可能影響鑑定結果的準確性。

最主要的困擾點在於： 秋行軍蟲的兩個品系「品系間可雙向雜交」，這意味著存在潛在的基因流動。如果這種基因流動使得兩個品系的 COI 基因序列高度相似，或者出現了序列上的重疊，那麼僅僅依靠 COI 基因就難以精確地區分它們。也就是說，COI 基因的變異程度可能不足以區分這兩個高度相似但生態習性不同的品系。

C. 現在若我們要尋找第二個輔助此害蟲品系鑑定的基因,那這個標的基因所需具備的條件是甚麼?請詳述你的推演邏輯。

本題旨在釐清演化生物學中兩個重要概念：「同源」與「同塑」，並探討造成「同塑」的演化機制。

核心觀念：

1. 同源 (Homology)：指結構或特徵的相似性源於共同的祖先。
2. 同塑 (Homoplasy)：指結構或特徵的相似性並非源於共同的祖先，而是獨立演化出來的。
3. 趨同演化 (Convergent evolution)：同塑最常見的原因之一。
4. 平行演化 (Parallel evolution)：同塑的另一種情況。
5. 逆轉演化 (Evolutionary reversal)：同塑也可能由祖先特徵的逆轉所引起。

解題步驟：

A. 同源 (Homology) 的定義與實例

• 定義： 同源是指生物體之間，某些結構、器官、基因或分子序列的相似性，是由於它們共享一個共同的祖先，並且該結構、器官、基因或分子序列在祖先形態中就已存在。這種相似性是演化親緣關係的證據。
• 實例：
  • 哺乳動物的前肢： 人類的手、蝙蝠的翅膀、鯨魚的鰭狀肢、馬的前腿，雖然功能和形態各不相同，但它們都具有相同的基本骨骼結構（肱骨、橈骨、尺骨、腕骨、掌骨、指骨），這是因為它們共同的哺乳動物祖先就擁有這樣的結構。
  • 植物的葉片： 不同植物的葉片形態多樣，但其基本結構（表皮、葉肉、維管束）以及發育起源（通常是莖側的芽）是同源的。

B. 同塑 (Homoplasy) 的定義與實例

• 定義： 同塑是指生物體之間，某些結構、器官、基因或分子序列的相似性，並非源於共同的祖先，而是由於獨立演化出的相似功能或壓力，導致在不同演化支系中產生了相似的特徵。這種相似性不能用於推斷近親關係，反而可能誤導。
• 實例：
  • 鳥類、蝙蝠的翅膀與昆蟲的翅膀： 鳥類和蝙蝠的翅膀是由前肢演化而來的（同源），而昆蟲的翅膀則是由體壁外推形成的，其結構和起源完全不同。然而，它們都演化出了飛行這個相同的功能，因此這三者的翅膀在「用於飛行」這個功能上是同塑的。
  • 魚類的流線型體型： 鯊魚（軟骨魚）和海豚（哺乳動物）都演化出了流線型的身體，以便在水中高效游動。但它們的演化支系非常遙遠，這種體型的相似性是為了適應水生環境而獨立演化出來的。
  • 多肉植物的儲水組織： 仙人掌（被子植物）和某些景天科植物（如蘆薈，也被子植物）都演化出了肥厚的肉質葉或莖來儲存水分，以適應乾旱環境。這種儲水結構的相似性是趨同演化的結果。

C. 造成 Homoplasy 的原因有哪些？

造成同塑的主要原因有以下幾種：

本題要求說明植物激素在植物應對生物逆境時的功能，這需要對主要的植物激素及其在逆境生理學中的作用有深入了解。

核心觀念：

1. 植物激素的種類：生長素 (Auxin, IAA)、細胞分裂素 (Cytokinin, CK)、吉貝素 (Gibberellin, GA)、離層素 (Abscisic acid, ABA)、乙烯 (Ethylene)、油菜素內酯 (Brassinosteroid, BR)、水楊酸 (Salicylic acid, SA)、茉莉酸 (Jasmonic acid, JA) 等。
2. 生物逆境的種類：病原菌感染（細菌、真菌、病毒）、蟲害、草食動物取食等。
3. 植物的防禦機制：細胞壁加厚、產生次級代謝物（毒素、抗菌物質）、過氧化物酶體系、誘導性全身抗性 (ISR)、獲得性全身抗性 (SAR) 等。
4. 植物激素之間的相互作用（協同、拮抗）。

解題步驟：

本題需要針對「各類植物荷爾蒙」進行說明，因此應涵蓋主要的幾種植物激素。以下將列出幾種主要植物激素及其在對抗生物逆境時可能的功能：

1. 離層素 (Abscisic Acid, ABA)：

   • 主要功能： ABA 是植物逆境反應中最關鍵的激素之一，尤其在應對非生物逆境（如乾旱、鹽鹼）和生物逆境（如病原菌感染）時都扮演重要角色。
   • 對抗生物逆境的功能：
     • 誘導防禦反應： ABA 能夠誘導植物產生對抗病原菌的防禦性化合物，例如酚類化合物、類黃酮、植物毒素、抗菌肽等。
     • 細胞死亡反應 (Hypersensitive Response, HR)： 在某些情況下，ABA 可以參與調控局部細胞的程序性死亡，以限制病原菌的擴散。
     • 調節氣孔關閉： 雖然這主要與非生物逆境相關，但在病原菌感染初期，植物可能通過氣孔關閉來阻止病原菌進入。
     • 與其他激素協同作用： ABA 與 JA、SA 等激素協同作用，共同調控複雜的防禦信號通路。

2. 水楊酸 (Salicylic Acid, SA)：

   • 主要功能： SA 是植物啟動獲得性全身抗性 (Systemic Acquired Resistance, SAR) 的關鍵信號分子，SAR 是一種廣譜、持久的抗病性。
   • 對抗生物逆境的功能：
     • 啟動 SAR： SA 在感染部位積累，並通過韌皮部運輸到植物的其他部位，誘導全身性的抗病能力。
     • 誘導防禦基因表達： SA 誘導表達大量參與防禦反應的基因，包括產生 PR 蛋白（Pathogenesis-Related proteins），這些蛋白具有抗菌、抗真菌或水解病原菌細胞壁的作用。
     • 參與 HR： SA 也可能參與局部 HR 的啟動。
     • 與其他激素的互動： SA 的作用通常與 JA 和 ABA 產生拮抗作用，這種拮抗作用對於精確調控植物的防禦反應至關重要。

3. 茉莉酸 (Jasmonic Acid, JA) 及其衍生物 (如茉莉酸甲酯 MeJA)：

   • 主要功能： JA 主要參與植物對傷害（如蟲害、機械損傷）和一些病原菌（特別是真菌和細菌）的防禦反應，以及植物對草食動物的防禦。
   • 對抗生物逆境的功能：
     • 誘導防禦物質合成： JA 誘導合成次級代謝產物，如生物鹼、單寧、萜類化合物、揮發性有機物 (VOCs) 等，這些物質可能對害蟲有毒性、驅避性或抑制其生長。
     • 啟動誘導性全身抗性 (Induced Systemic Resistance, ISR)： 某些有益微生物（如根瘤菌、內生真菌）可以誘導植物產生 ISR，JA 在此過程中起重要作用，增強植物對病原菌的抗性。
     • 參與 HR： JA 也可以參與 HR 的調控。

本題要求評論植物種原保存的各種方式，這需要對不同的保存技術有全面的了解，並能評估其優缺點、適用性及在氣候變遷背景下的重要性。

核心觀念：

1. 植物種原 (Plant germplasm) 的定義：指植物的遺傳物質，包括種子、花粉、組織、器官、整株植物等。
2. 植物種原保存的目的：維持生物多樣性、農業育種、科學研究、生態恢復、應對氣候變遷。
3. 主要的植物種原保存方式：
   • 異地保存 (Ex situ conservation)： 種子庫、基因庫 (field gene banks)、組織培養、低溫保存 (cryopreservation)、DNA 庫。
   • 原地保存 (In situ conservation)： 保護區、自然棲地。
4. 氣候變遷對植物的影響：棲地改變、極端天氣事件、物候失調、物種分布改變。
5. 評論標準：效率、成本、長期性、安全性、保存的遺傳多樣性、對特定植物類型的適用性。

解題步驟：

植物種原保存是應對生物多樣性喪失和氣候變遷挑戰的關鍵策略。各種保存方式各有優劣，適用於不同類型的植物資源。以下將對主要的保存方式進行評論：

一、 異地保存 (Ex situ Conservation)

異地保存是將植物物種的遺傳物質移出其自然棲地，在人工控制的環境下進行保存。

1. 種子庫 (Seed Banks)：

   • 方式： 低溫、乾燥條件下長期儲存種子。例如，位於挪威斯瓦爾巴的「末日種子庫」(Svalbard Global Seed Vault)。
   • 評論：
     • 優點：
       • 高效率： 可以同時保存大量物種的豐富遺傳多樣性，佔用空間相對較小。
       • 長期性： 許多植物的種子可在良好條件下保存數十年甚至上百年。
       • 成本效益： 相較於其他方法，種子庫的營運成本相對較低。
       • 易於交換和檢索： 方便國際間的種原交換和研究。
     • 缺點：
       • 不適用於所有植物： 某些植物（如某些蘭花、禾本科植物）種子不耐乾燥或低溫，無法長期儲存；無性繁殖的植物則無法通過種子保存。
       • 喪失自然演化： 種子庫保存的是靜態的遺傳物質，無法在保存期間繼續演化。
       • 種子活力喪失： 即使在低溫乾燥條件下，種子活力也會隨時間緩慢下降，需要定期檢測和更新。
     • 對氣候變遷的意義： 種子庫是應對氣候變遷導致的滅絕風險的「最後一道防線」，為未來重建或育種提供基因來源。

2. 基因庫 (Field Gene Banks) / 植物園 (Botanical Gardens) / 繁殖場 (Arboreta)：

   • 方式： 在特定地點種植和維護活體植物，包括整株、插條、嫁接苗等。
   • 評論：
     • 優點：
       • 保存活體植物： 能夠保存無法通過種子保存的植物（如無性繁殖作物、多年生木本植物）。
       • 維持演化潛力： 在適當的管理下，植物可以在保存期間繼續生長、繁殖和演化，有助於維持其對環境變化的適應性。
       • 研究和教育價值： 提供活體樣本供科學研究、教育展示和觀賞。
     • 缺點：
       • 高成本： 維護活體植物需要大量土地、人力、水資源和病蟲害防治，成本高昂。
       • 易受環境災難影響： 易受極端天氣事件（如風災、旱災、病蟲害大流行）的影響，可能導致大規模損失。
       • 遺傳漂變和近親交配： 如果圃地的個體數量不足，可能發生遺傳漂變和近親交配，導致遺傳多樣性下降。
       • 對特定植物類型適用： 主要適用於木本植物、多年生草本植物或無性繁殖的作物。
     • 對氣候變遷的意義： 能夠保存植物對特定環境（如不同氣候條件）的適應性，並在必要時提供活體材料進行再引入。

3. 組織培養 (Tissue Culture) / 離體保存 (In vitro Conservation)：

   • 方式： 在無菌的實驗室環境下，利用植物組織或細胞進行培養，可以長期保存植物材料。
   • 評論：
     • 優點：
       • 保存無性繁殖材料： 對於難以種子繁殖或種子活力差的物種非常有用。
       • 快速繁殖： 可以快速產生大量植株。
       • 易於檢疫： 可以在無菌環境下，避免病蟲害的傳播。
       • 節省空間： 培養瓶佔用空間小。
     • 缺點：
       • 技術要求高： 需要專業技術和設備。
       • 成本相對較高： 維護培養條件和人員成本較高。
       • 遺傳不穩定性： 長期離體培養可能導致細胞發生變異 (somaclonal variation)，影響遺傳穩定性。
       • 需要定期繼代： 培養物需要定期更換培養基，否則會停止生長或死亡。
     • 對氣候變遷的意義： 可作為種子庫的補充，尤其適用於種子難保存的物種，為其提供應對危機的方案。

4. 低溫保存 (Cryopreservation)：

   • 方式： 將植物材料（如胚、頂芽、種子、花粉）在極低的溫度（通常是液態氮，-196°C）下保存，使其代謝活動完全停止。
   • 評論：
     • 優點：