108 年 國立臺灣大學農業化學系碩士班甲組《植物營養學》

本題主要在探討植物體內長距離運輸的主要物質、驅動力以及運輸方向。

(a) 運輸的主要物質

• 木質部 (Xylem)：主要運輸水和溶解在水中的礦物質鹽類（無機離子），以及一些激素（如細胞分裂素、離層酸）和有機小分子（如胺基酸、醯胺）。
• 韌皮部 (Phloem)：主要運輸有機養分，特別是蔗糖，這是光合作用的產物。也會運輸胺基酸、激素（如生長素、赤黴素）、無機離子、核苷酸等。

(b) 運輸的驅動力

• 木質部：
  • 蒸散拉力 (Transpirational pull)：這是最主要的驅動力。植物葉片蒸散作用造成葉肉細胞水勢降低，進而產生負水勢（拉力），將水分子沿著水勢梯度從根部向上拉升。
  • 根壓 (Root pressure)：在蒸散作用較弱的夜晚或高濕度環境下，根部細胞主動吸收礦物質離子，使根部水勢降低，水分滲透進入根部，造成根內壓力升高，將水分向上推升。根壓的大小有限，通常不足以驅動高大的樹木。
  • 樹液的內聚力與附著力 (Cohesion and adhesion of water)：水分子之間的氫鍵造成的內聚力，使得水柱不易斷裂；水分子與木質部導管壁之間的附著力，有助於抵抗重力。
• 韌皮部：
  • 壓力流假說 (Pressure-flow hypothesis)：這是目前最廣泛接受的機制。

本題要求解釋三個植物生理學上的名詞。

(a) 光呼吸 (Photorespiration)
光呼吸是植物在光照條件下，一種發生在葉綠體、過氧化物酶體和線粒體之間的代謝途徑。其特徵是消耗 $O_2$ 和 ATP，釋放 $CO_2$，並且不產生 ATP 或 NADPH。

• 啟動酶：核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶 (RuBisCO) 在高氧低 $CO_2$ 的條件下（如高溫、乾旱導致氣孔關閉時），會催化核酮糖-1,5-二磷酸 (RuBP) 與 $O_2$ 反應，而不是與 $CO_2$ 反應。
• 產物：RuBP 與 $O_2$ 反應產生一分子磷酸甘油酸 (PGA) 和一分子磷酸乙醇酸 (PGG)。PGA 可進入卡爾文循環，但 PGG 則進入光呼吸途徑。
• 途徑：PGG 在過氧化物酶體中脫磷酸變成乙醇酸，乙醇酸再氧化成乙醛酸，然後進入線粒體。在線粒體中，乙醛酸被氧化形成 $CO_2$ 和氨 ($NH_3$)，同時將 $NAD^+$ 還原成 $NADH$。乙醛酸轉化為甘氨酸，甘氨酸再回到過氧化物酶體，轉化為絲氨酸。絲氨酸最終回到葉綠體，轉化為 3-磷酸甘油酸 (3-PGA)，重新進入卡爾文循環。
• 意義：光呼吸被認為是 RuBisCO 演化上的缺陷，但它也能在一定程度上保護植物免受光氧化損傷，並回收部分碳。C4 植物和 CAM 植物通過結構或時間上的分離，能有效降低光呼吸的發生。

(b) 光抑制 (Photoinhibition)
光抑制是指植物在強光照射下，光合作用的效率反而下降的現象。這是由於過強的光能超過了光合作用系統處理和利用能量的能力，導致光合色素（特別是葉綠素）和光系統 II (PSII) 的反應中心受到損傷。

• 機制：強光會產生過多的活性氧 (ROS)，這些 ROS 會攻擊細胞膜、蛋白質（尤其是 PSII 的 D1 蛋白）和核酸，導致光合機構功能失調。PSII 的反應中心 P680 在吸收過多能量時，電子傳遞鏈會出現異常，可能導致 P680 氧化成 P680+，而 P680+ 的氧化性極強，容易損傷周圍的蛋白質。
• 保護機制：植物演化出一些保護機制來減緩光抑制，例如：
  • 非光化學猝滅 (Non-photochemical quenching, NPQ)：將多餘的光能以熱能的形式散失。

本題主要探討鉀離子在植物體內的功能以及缺乏時的症狀。

(a) 鉀離子在植物中的作用
鉀離子 ($K^+$) 是植物必需的巨量元素，在植物體內扮演多種重要角色：

1. 滲透調節 (Osmotic regulation)：鉀離子是細胞液中的主要陽離子，其濃度影響細胞的滲透勢。高濃度的鉀離子有助於維持細胞膨壓，這對細胞生長、擴張至關重要。
2. 氣孔開閉的調節 (Stomatal movement regulation)：鉀離子是驅動氣孔開閉的主要離子。當保衛細胞吸收鉀離子時，細胞液滲透勢降低，水分滲入，細胞膨脹，氣孔開放；反之，鉀離子外流，細胞滲透勢升高，水分滲出，細胞萎縮，氣孔關閉。
3. 酶的活化劑 (Enzyme activator)：鉀離子是許多酶的輔因子，例如參與光合作用的 RuBisCO 酶、參與蛋白質合成的核糖體酶，以及參與 ATP 合成的酶等。它能穩定酶的結構，促進底物與酶結合，或參與催化反應。
4. 離子平衡與電荷中和 (Ion balance and charge neutralization)：作為細胞內主要的陽離子，鉀離子有助於平衡細胞內陰離子的電荷，維持細胞電中性。它也參與離子的跨膜運輸。
5. 光合作用與呼吸作用 (Photosynthesis and respiration)：鉀離子參與 ATP 合成，並影響光合電子傳遞鏈的效率。

本題主要探討鈣離子在植物體內的功能。

鈣離子 ($Ca^{2+}$) 是植物必需的巨量元素，雖然不如鉀離子在滲透調節和氣孔開閉中扮演首要角色，但它在植物細胞結構和功能上具有不可替代的作用。

1. 細胞壁結構的穩定 (Stabilization of cell wall structure)：鈣離子是構成細胞壁中果膠質的重要成分。它能與果膠質中的羧基形成離子鍵，將果膠鏈連接起來，形成穩定的三維網絡結構，增強細胞壁的機械強度和穩定性，特別是維持細胞之間的黏合（如在中層）。
2. 細胞膜穩定性 (Cell membrane stability)：鈣離子能與細胞膜上的磷脂分子結合，穩定細胞膜的結構，調節膜的通透性，並影響膜上離子通道的功能。
3. 細胞訊號傳導 (Cell signaling)：鈣離子是一種重要的第二信使。當植物受到環境信號（如激素、光、溫度、機械刺激、病原體攻擊等）刺激時，細胞內游離鈣離子濃度會發生瞬時升高。這種鈣離子濃度的變化能觸發一系列下游的生理反應，如基因表達、酶活性調節、激素合成與分泌等。

本題分為兩部分，第一部分要求區分必需元素與有益元素，第二部分則詢問植物從大氣中獲取的養分。

(a) 必需元素 (Essential element) 與有益元素 (Beneficial element) 的區別
植物的必需元素是指那些對於植物完成其生命週期（從種子萌發到產生種子）是不可或缺的元素。如果這些元素缺乏，植物就無法正常生長、發育或繁殖，並且一旦補充，就能恢復正常的生理功能。必需元素的判定標準通常基於以下三個準則：

1. 缺乏症狀 (Deficiency symptom)：該元素缺乏時，植物會表現出特異性的生長不良或形態異常。
2. 直接參與植物代謝 (Directly involved in plant metabolism)：該元素是植物體內某些關鍵分子（如構成成分、催化劑）的組成部分，或直接參與生化反應。
3. 補充恢復 (Restoration upon supply)：將缺乏的元素補充到植物體內，能夠糾正其缺乏症狀，使植物恢復正常生長。

目前已知的植物必需元素共有 17 種，包括 C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, Mn, Zn, Cu, B, Mo, Cl, Ni。

有益元素是指那些對某些特定植物物種（而非所有植物）的生長、發育或對抗逆境有積極影響，但並非所有植物都必需的元素。如果缺乏這些元素，植物可能不會表現出明顯的缺乏症狀，或者其生長受到的影響較小。常見的有益元素包括矽 (Si)、鈉 (Na)、硒 (Se)、鈷 (Co) 等。

• 矽 (Si)：對大多數禾本科植物（如水稻、小麥）非常重要，能增強細胞壁結構，提高抗倒伏能力、抗病蟲害能力和抗旱能力。

本題主要探討根瘤菌固氮的條件和其在固氮過程中的作用。

(a) 根瘤菌固氮的必要條件
根瘤菌 (Rhizobium) 是能夠與豆科植物形成共生關係並進行固氮作用的細菌。其固氮作用的發生需要一系列特定的環境和生理條件：

1. 宿主植物的存在 (Presence of a host plant)：根瘤菌需要與其特定的豆科植物宿主形成共生關係。植物會分泌特定的黃酮類化合物（flavonoids）誘導根瘤菌產生 Nod 因子 (Nod factors)，這是建立共生關係的關鍵信號分子。
2. 缺氧環境 (Microaerobic or anaerobic conditions)：固氮酶 (nitrogenase) 是催化氮氣還原為氨的關鍵酶，它對氧氣極為敏感，在高濃度氧氣下會被不可逆地失活。因此，固氮作用必須在極低氧濃度的環境下進行。在根瘤中，植物會產生一種叫做「血紅蛋白」(leghemoglobin) 的蛋白質，它能像血紅蛋白一樣結合氧氣，但同時又能將氧氣輸送到細菌膜上，維持細菌的呼吸作用，又避免了過量的氧氣接觸到固氮酶。
3. 能量和還原力供應 (Supply of energy and reducing power)：固氮過程是一個耗能且需要強還原力的過程。植物通過光合作用產生的碳水化合物（如蔗糖）被運輸到根瘤，作為根瘤菌的能量來源和還原劑的前體。
4. 適當的 pH 和溫度 (Suitable pH and temperature)：根瘤菌和宿主植物的生長發育需要適宜的 pH 值（通常接近中性）和溫度範圍。
5. 必需礦質元素的供應 (Supply of essential mineral nutrients)：固氮酶的合成和功能需要多種礦質元素，特別是鐵 (Fe) 和鉬 (Mo)，它們是固氮酶的組成成分。此外，磷 (P)、鉀 (K)、鎂 (Mg)、鈣 (Ca) 等也是必需的。

本題探討植物細胞內銨離子 ($NH_4^+$) 的來源、毒性及其避免機制。

(a) 植物細胞內 $NH_4^+$ 的來源
植物細胞內 $NH_4^+$ 的來源主要有以下幾種：

1. 從土壤吸收 (Absorption from soil)：植物根系可以直接吸收土壤中的銨離子 ($NH_4^+$) 以及硝酸根離子 ($NO_3^-$)。吸收的 $NO_3^-$ 在植物體內會被還原成 $NH_4^+$。
2. 大氣氮的生物固氮 (Biological nitrogen fixation)：對於與根瘤菌共生的豆科植物，根瘤菌將大氣中的氮氣 ($N_2$) 轉化為 $NH_3$，然後 $NH_3$ 在細胞內質子化形成 $NH_4^+$，再傳遞給植物。
3. 蛋白質的分解代謝 (Protein catabolism)：植物體內的蛋白質在老化、受損或進行重塑時會被分解，釋放出氨基酸。氨基酸的代謝（脫氨基作用）會產生 $NH_4^+$。
4. 光呼吸 (Photorespiration)：光呼吸途徑在線粒體中會產生 $NH_3$，這個 $NH_3$ 會被質子化形成 $NH_4^+$，並需要被植物重新同化（通常在葉綠體中，通過谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶）。
5. 硝酸鹽的還原 (Nitrate reduction)：植物吸收的硝酸鹽 ($NO_3^-$) 在細胞質和葉綠體中被硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶轉化為銨離子 ($NH_4^+$)。
   $NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow NH_4^+$

(b) $NH_4^+$ 對細胞的毒性機制
雖然 $NH_4^+$ 是合成含氮化合物（如氨基酸、核酸）的必需前體，但過量的 $NH_4^+$ 會對植物細胞產生毒性。其毒性主要體現在以下幾個方面：

1. 干擾質子平衡 (Disruption of proton balance)：細胞質和細胞器內維持著特定的 pH 值。過量的 $NH_4^+$ 會進入細胞，並在細胞質中質子化形成 $NH_3$。由於 $NH_3$ 是一種小分子，可以自由穿過細胞膜，一旦進入細胞器（如線粒體或液泡），那裡的 pH 值較低，它會再次質子化成 $NH_4^+$。這個過程會消耗細胞內的質子，導致細胞質 pH 值升高，干擾細胞的正常生化反應和酶活性。
2. 消耗 $\alpha$-酮戊二酸 (Depletion of $\alpha$-ketoglutarate)：在植物體內，铵離子通常通過谷氨酸脫氫酶 (GDH) 或谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶 (GS/GOGAT) 途徑被同化。

本題要求探討可能導致土壤中錳 (Mn) 和鎂 (Mg) 離子缺乏的土壤條件。

導致錳 (Mn) 缺乏的土壤條件
錳離子在土壤中的有效性受 pH 值和氧化還原電位的影響很大。

1. 高 pH 值 (High pH)：這是導致 Mn 缺乏最主要的原因。在鹼性土壤（pH > 7.0）中，Mn 離子（主要是 $Mn^{2+}$，植物可吸收的形態）會被氧化成不溶性的 $Mn^{3+}$ 或 $Mn^{4+}$ 氧化物或氫氧化物，使其溶解度大大降低，植物難以吸收。
2. 高氧化還原電位 (High redox potential)：在排水良好、通氣性佳的土壤中，Mn 處於較高的氧化態，有效性較低。相反，在淹水、缺氧的還原性條件下，Mn 會被還原成更易溶的 $Mn^{2+}$，有效性增加。
3. 過量的鐵 (Excessive iron)：土壤中過量的鐵離子，尤其是在 pH 值較高時，會與 $Mn^{2+}$ 競爭吸附位點，或形成混合氧化物，降低 Mn 的有效性。
4. 有機質含量過低 (Low organic matter content)：雖然有機質有時能通過螯合作用提高 Mn 的有效性，但在某些情況下，如果土壤本身養分貧瘠，有機質分解提供的少量 Mn 也可能不足。
5. 過量的磷肥施用 (Excessive phosphorus application)：在某些情況下，過量施磷可能會與 Mn 產生拮抗作用，降低 Mn 的吸收。

導致鎂 (Mg) 缺乏的土壤條件
鎂離子是葉綠素的組成成分，對光合作用至關重要。Mg 的有效性主要受 pH 值、土壤交換性 Mg 含量以及其他陽離子競爭的影響。

本題要求解釋五個與植物生理和營養相關的術語。

(a) 谷氨酰胺合成酶 (Glutamine synthetase, GS)
谷氨酰胺合成酶是一種在植物、細菌和真菌中廣泛存在的酶，它催化氨基酸合成途徑中的關鍵步驟，即將氨（通常以 $NH_4^+$ 的形式）與谷氨酸 (glutamate) 結合，形成谷氨酰胺 (glutamine)。此反應需要 ATP 參與。

• 反應：谷氨酸 + $NH_4^+$ + ATP $\rightarrow$ 谷氨酰胺 + ADP + Pi + $H_2O$
• 在植物中的作用：GS 是植物氮代謝的核心酶，負責將植物體內（通過吸收或固氮）的無機氮源 $NH_4^+$ 同化為有機氮化合物。它在將 $NH_4^+$ 轉運到液泡或合成氨基酸的過程中起著至關重要的作用，尤其是在光呼吸和硝酸鹽還原後，GS 負責將產生的 $NH_4^+$ 快速同化，防止其累積產生毒性。植物體內通常存在多種 isoenzyme，存在於細胞質、葉綠體、線粒體、根組織等不同部位，執行不同的生理功能。

(b) 谷氨酸合成酶 (Glutamate synthase, GOGAT)
谷氨酸合成酶（也稱為谷氨酸合成酶）是另一個在植物氮代謝中至關重要的酶。它與谷氨酰胺合成酶 (GS) 協同作用，共同構成 GS/GOGAT 途徑，這是植物中主要的 $NH_4^+$ 同化途徑。GOGAT 催化谷氨酰胺 (glutamine) 與 $\alpha$-酮戊二酸 ( $\alpha$-ketoglutarate) 反應，生成兩分子的谷氨酸 (glutamate)。此反應需要還原力（如Fdred 或 $NADH$）作為電子供體。

• 反應：谷氨酰胺 + $\alpha$-酮戊二酸 + 還原力 $\rightarrow$ 2 谷氨酸
• 在植物中的作用：GOGAT 負責將由 GS 合成的谷氨酰胺中的氮轉移到 $\alpha$-酮戊二酸上，以再生谷氨酸。這使得 $\alpha$-酮戊二酸可以繼續參與 GS/GOGAT 循環，不斷將 $NH_4^+$ 同化為有機氮。GOGAT 也有不同的形式，例如葉綠體中的Fd-GOGAT（由Fdred 供能）和質體或線粒體中的 NADH-GOGAT。

(c) 亞硝酸鹽還原酶 (Nitrite reductase, NiR)
亞硝酸鹽還原酶是一種關鍵的酶，參與植物硝酸鹽的同化過程。它催化亞硝酸鹽 ($NO_2^-$) 被還原為銨離子 ($NH_4^+$)。這個反應需要還原力（通常來自葉綠體中的Fdred 或細胞質中的 $NADH$）。

• 反應：$NO_2^- + 6e^- + 8H^+ \rightarrow NH_4^+ + 2H_2O$
• 在植物中的作用：植物從土壤中吸收硝酸鹽 ($NO_3^-$)，首先在細胞質中或葉綠體中被硝酸鹽還原酶 (NR) 還原成亞硝酸鹽 ($NO_2^-$)。