108 年 國立臺灣大學農藝系暨研究所作物甲組《普通植物學》

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第 1 題

As you stroll through a moist forest, you are most likely to see a ______.
(A) zygote of a green alga
(B) gametophyte of a moss
(C) sporophyte of a liverwort
(D) gametophyte of a fern

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此題主要在測試學生對植物界不同類群在生命週期中,何種形態最容易在潮濕環境中觀察到的知識。

潮濕的森林環境最有利於需要水分來進行繁殖的生物生長。我們來分析各選項:
(A) 綠藻的合子(zygote):綠藻的合子通常是二倍體,是配子體進行有性生殖的結果,但綠藻的生命週期以單倍體的配子體為主,且合子通常是暫時性的結構,不大可能在森林中大量看到。
(B) 蘚苔的配子體(gametophyte):蘚苔(如苔蘚、地錢、角苔)是陸生植物中較為原始的類群,其生命週期中,占優勢的階段是配子體,而配子體需要潮濕的環境來進行配子結合(精子游動至卵)。

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第 2 題

As fuels, wood and coal ______.
(A) are the main fuel sources in industrialized countries today.
(B) are both formed from living or fossil plants.
(C) are both formed under pressure deep in the Earth.
(D) are sustainable as they are even now being made at high rates.

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此題考驗學生對木材與煤炭作為燃料的來源與性質的理解。

我們逐一分析選項:
(A) are the main fuel sources in industrialized countries today.
工業化國家今日主要的燃料來源是石油、天然氣和煤炭。雖然木材仍在使用,但已非主要燃料。因此,此選項不正確。

(B) are both formed from living or fossil plants.
木材是來自現生的植物(樹木),而煤炭是古代植物遺骸經過長時間地質作用形成的化石燃料。因此,兩者都與植物(活的或化石的)有關。此選項正確。

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第 3 題

The major function of medicinal compounds in plants is to ______.
(A) attract pollinators for seed dispersal
(B) attract insects and birds to spread seeds and fruits
(C) defend the plant against herbivores
(D) defend the plant against human

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此題在探討植物次級代謝產物(如藥用化合物)的主要演化功能。

植物所產生的各種化學物質,除了基本的生理功能外,許多都被歸類為次級代謝產物,這些物質在植物演化上扮演著重要的角色。我們分析各選項:

(A) 吸引傳粉者以協助種子散播:吸引傳粉者通常與花朵的顏色、氣味、花蜜有關,而種子散播則常與果實的顏色、氣味、風味有關。雖然某些次級代謝產物可能間接影響這些過程(例如,花蜜的成分),但這並非其「主要」功能。

(B) 吸引昆蟲和鳥類來散播種子和果實:這與選項(A)類似,主要是與繁殖策略相關,通常是透過花朵或果實的特徵來達成,而非藥用化合物的主要功能。

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第 4 題

Angiosperms are the most successful terrestrial plants. Which of the following features is unique to them and helps account for their success?
(A) wind pollination
(B) dominant gametophytes
(C) fruits enclosing seeds
(D) embryos enclosed within seed coats

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此題旨在探討被子植物(Angiosperms)之所以能在陸地上取得巨大成功,其獨特且關鍵的演化特徵是什麼。

被子植物之所以被認為是最成功的陸生植物,是因為它們在物種多樣性、分布範圍以及對陸地環境的適應性上都表現得非常優異。我們來分析各個選項:

(A) 風媒傳粉(wind pollination):風媒傳粉在許多植物類群中都存在,例如裸子植物(如松樹)和部分被子植物(如禾本科植物)。因此,風媒傳粉並非被子植物獨有,也非其成功的主要原因。

(B) 優勢配子體(dominant gametophytes):在植物的生命週期中,配子體(gametophyte)是產生配子的單倍體階段,而孢子體(sporophyte)是產生孢子的二倍體階段。在蘚苔植物中,配子體占優勢;在蕨類植物中,孢子體逐漸占優勢;而在裸子植物和被子植物中,孢子體是絕對占優勢,配子體則極度退化。

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第 5 題

Compared to most animals, the growth of most plant structure is best described as ______.
(A) perennial
(B) weedy
(C) indeterminate
(D) derivative

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此題比較植物與動物的生長模式,旨在考驗學生對植物獨特生長方式的理解。

植物與動物在生長上存在顯著差異。動物的生長通常是「決定性生長」(determinate growth),意即在發育的某個階段,身體的形狀和大小就大致確定,生長停止。例如,人類的骨骼生長停止,器官發育完成後,整體結構就固定了。

而植物的生長則多數是「非決定性生長」(indeterminate growth)。這意味著植物在整個生命週期中,或至少在大部分生命週期中,都能持續生長,不斷地產生新的組織和器官。這種生長主要發生在植物的「分生組織」(meristems),如頂端分生組織(apical meristems)和側生分生組織(lateral meristems)。

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第 6 題

A student examining leaf cross sections under a microscope finds many loosely packed cells with relatively thin cell walls. The cells have numerous chloroplasts. What type of cells are they?
(A) parenchyma
(B) endodermis
(C) collenchyma
(D) sclerenchyma

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此題考驗學生對植物組織細胞形態特徵的辨識能力,特別是在葉片橫切面中常見的細胞類型。

題目描述了葉片橫切面中觀察到的細胞特徵:「鬆散排列」(loosely packed)、「相對薄的細胞壁」(relatively thin cell walls)以及「含有大量葉綠體」(numerous chloroplasts)。

我們來分析各選項:
(A) 薄壁細胞(parenchyma):薄壁細胞是植物中最常見、最基本的一種細胞類型。它們的細胞壁通常較薄,細胞排列相對疏鬆,且在葉片中,進行光合作用的薄壁細胞(即葉肉細胞,mesophyll cells)含有大量的葉綠體。這與題目的描述完全吻合。

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第 7 題

A plant has the following characteristics: a taproot system, several growth rings evident in a cross section of the stem, and a layer of bark around the outside. Which of the following best describes the plant?
(A) herbaceous eudicot
(B) woody eudicot
(C) woody monocot
(D) herbaceous monocot

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此題考驗學生根據植物的外部形態和內部結構特徵,判斷其屬於哪一類植物。

題目提供了三個關鍵特徵:

  1. 直根系(taproot system):這是許多雙子葉植物(eudicots)的典型特徵,雖然單子葉植物(monocots)也有直根,但多數形成鬚根系。
  2. 莖橫切面可見明顯的生長輪(growth rings):生長輪是木質化植物(woody plants)的特徵,代表一年或一個生長季的木質部(xylem)增生。這表示該植物具有次級生長(secondary growth),即形成層(cambium)活動的結果。
  3. 莖外有樹皮(bark):樹皮是次級生長(形成層向外產生木栓形成層,進而產生木栓層和韌皮部)的結果,是木質化植物的典型結構。
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第 8 題

Endosperm is a major part of monocot seeds. In most eudicots, ______.
(A) the same thing is true; there is a substantial amount of endosperm
(B) endosperm never even starts to form after double fertilization
(C) endosperm nutrients are repackaged into the cotyledons
(D) endosperm replaces cotyledons in the seed

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此題考驗學生對單子葉植物(monocots)和雙子葉植物(eudicots)種子結構的差異,特別是胚乳(endosperm)的角色。

單子葉植物種子(如玉米、小麥)的胚乳通常很大,是儲存營養的主要組織,供發育中的胚利用。

雙子葉植物種子(如豆類、向日葵)在發育初期,雙受精後會形成胚乳,儲存養分。然而,在種子成熟過程中,這些養分通常會被轉運並儲存在另一結構中,這個結構是:

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第 9 題

Based on the figure shown on left, after fertilization, which cell(s) give(s) rise to the embryo plant?
(A) A
(B) B
(C) C
(D) D
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 2 頁

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此題考驗學生對開花植物胚胎發育過程的理解,特別是受精後各細胞的命運。題目中的圖示(雖然 OCR 掃描檔未能完整顯示,但根據上下文和常見的植物胚胎學圖示推斷)應描繪了受精後的花粉管及其進入胚珠的過程,以及胚珠內的結構。通常,圖中會標示受精卵、胚乳核等。

在開花植物的雙受精過程中,一個精核與卵細胞結合形成合子(zygote),合子將發育成胚(embryo)。另一個精核與中央細胞的極核結合,形成胚乳核(endosperm nucleus),胚乳核發育成胚乳(endosperm),提供胚營養。

題目問的是「胚胎植物」(embryo plant)是由哪個細胞發育而來。根據植物胚胎學的基本知識,胚胎植物(即胚)是由 合子(zygote) 發育而來。

我們假設圖中的標示 A, B, C, D 分別代表胚珠內的某些結構。在典型的胚珠結構中,卵細胞位於胚囊(embryo sac)的合點端(micropyle end)。

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第 10 題

Plant hormonal regulation differs from animal hormonal regulation in that ______.
(A) there are no dedicated hormone-producing organs in plants as there are in animals
(B) all production of hormones is local in plants with little long-distance transport
(C) plants do not exhibit feedback mechanisms like animals
(D) only animal hormone concentrations are developmentally regulated

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此題旨在比較植物與動物荷爾蒙調控的異同,重點在於其差異性。

植物和動物都使用荷爾蒙進行細胞間的訊息傳遞與調控,但兩者的機制存在一些關鍵差異。

(A) Plants lack dedicated hormone-producing organs, unlike animals.
動物通常有專門的內分泌腺體(如腦下垂體、甲狀腺、腎上腺等)來生產特定種類的荷爾蒙。植物則不同,植物荷爾蒙(如生長素、激勃素、細胞分裂素、離層酸、乙烯)可以在植物體內多個部位產生,例如生長中的頂端、幼葉、種子、根尖等,並沒有像動物那樣高度專一的「荷爾蒙器官」。這是一個顯著的差異。

(B) All hormone production in plants is local with little long-distance transport.
這是不正確的。

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第 11 題

Charles and Francis Darwin concluded from their experiments on phototropism by grass seedlings that the part of the seedling that detects the direction of light is the ______.
(A) tip of the coleoptile
(B) elongating cells in the coleoptile
(C) base of the coleoptile
(D) cotyledon

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此題考驗學生對達爾文父子關於向光性(phototropism)實驗的理解。

查爾斯·達爾文(Charles Darwin)及其兒子法蘭西斯·達爾文(Francis Darwin)進行了一系列經典實驗,研究幼苗(特別是草本科植物的胚芽鞘,coleoptile)對光線方向的反應。他們發現,當幼苗單側受光時,胚芽鞘會向光源彎曲。

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第 12 題

The transduction pathway that activates systemic acquired resistance to pathogens in plants is initially signaled by ______.
(A) herbivory
(B) phytochrome production
(C) methyl salicylate
(D) proteinase inhibitors

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此題考驗學生對植物抗病機制,特別是「系統性獲得抗性」(Systemic Acquired Resistance, SAR)起始信號的理解。

系統性獲得抗性(SAR)是一種廣譜、長效的抗病機制,當植物的某一部分遭受病原體感染時,會誘導植物產生對整個植株的抗性。SAR 的啟動是一個複雜的信號傳導過程。

我們來分析各選項:
(A) Herbivory(草食動物取食):草食動物取食雖然會觸發植物的防禦反應,但這與 SAR 的啟動機制不同。SAR 主要針對病原體(如細菌、病毒、真菌)的感染。

(B) Phytochrome production(植物色素的生產):植物色素(phytochrome)主要與光週期、種子萌發、形態建成等對光的反應有關,與 SAR 的啟動無直接關聯。

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第 13 題

Compared to plants from other environments, the cells of many desert plants contain high concentrations of solutes. This helps them survive in their arid surroundings because the high solute concentrations create relatively ______, which help reduce water loss.
(A) low solute potentials
(B) high pressure potentials
(C) low pressure potentials
(D) high solute potentials

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此題考驗學生對植物在高鹽或乾旱環境下適應機制,特別是滲透調節(osmotic adjustment)的理解。

沙漠環境的特點是極度乾旱,土壤水分含量低。植物為了在這樣的環境中生存,需要有效地吸收和保留水分。

高濃度的溶質(solutes)存在於植物細胞中,會顯著影響細胞的水勢(water potential)。水勢是水分移動的驅動力,水分總是從水勢高的地方流向水勢低的地方。水勢由壓力勢(pressure potential)和溶質勢(solute potential,也稱為滲透勢 osmotic potential)共同決定。

溶質勢(Ψs\Psi_s)與溶質濃度成反比,溶質濃度越高,溶質勢越低(越負)。
壓力勢(Ψp\Psi_p)通常是正值,代表細胞壁對細胞膨脹的壓力。

在高鹽或乾旱環境下,沙漠植物細胞內含有高濃度的溶質(如脯氨酸、甜菜鹼、糖類等),這會使得細胞的 溶質勢(solute potential)變得非常低(即非常負)。

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第 14 題

Which of the following statements about bulk flow are correct?
I. Bulk flow is driven primarily by pressure potential.
II. Bulk flow depends on a difference in pressure potential at the source and sink.
III. Bulk flow depends on the force of gravity on a column of water.
IV. Bulk flow may be the result of either positive or negative pressure potential.

(A) I and III
(B) II and III
(C) I, II, and IV
(D) I, II, III, and IV

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此題考驗學生對植物水分運輸中「體積流」(bulk flow)概念的理解。體積流是指水分(或溶質)作為一個整體,從一個區域移動到另一個區域的現象,例如在木質部和韌皮部中的運輸。

我們逐一分析這四個敘述:

I. Bulk flow is driven primarily by pressure potential.
體積流的發生,無論是在木質部還是韌皮部,其根本驅動力都是壓力勢的差異。在木質部蒸騰拉力中,蒸騰作用在葉片形成負壓力(張力),而根部則有正的壓力(根壓),這種壓力差驅動了水分向上流動。在韌皮部,來源端(source)的高滲透壓產生正壓力勢,而接收端(sink)的低滲透壓則壓力勢較低,這種壓力差驅動蔗糖溶液向接收端流動。因此,壓力勢是體積流的主要驅動力。此敘述正確。

II. Bulk flow depends on a difference in pressure potential at the source and sink.
這是體積流發生的基本條件。任何形式的體積流都需要一個壓力梯度,即在起始點(source)和終點(sink)之間存在壓力勢的差異。沒有這個壓力差,水分或溶液就不會定向移動。此敘述正確。

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第 15 題

Phloem transport of sucrose is often described as going from source to sink. Which of the following is most likely to function as a source?
(A) a growing leaf in early spring
(B) a growing root in late summer
(C) a tuber in early spring
(D) a shoot tip in late fall

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此題考驗學生對韌皮部運輸(phloem transport)中「來源」(source)與「接收端」(sink)概念的理解。來源是指光合作用產物(主要是蔗糖)的生產或儲存部位,而接收端則是這些產物的消耗或儲存部位。

韌皮部運輸的蔗糖通常由光合作用產生(來源)或由儲藏器官釋放(來源),然後運輸到需要能量或儲存物質的部位(接收端)。

我們來分析各選項:
(A) a growing leaf in early spring
在早春,葉片剛剛開始生長,光合作用能力尚未完全恢復或達到高峰。此時,葉片更可能是蔗糖的接收端,從越冬儲存的器官(如根、莖)獲取養分來支持其生長。因此,這不太可能是來源。

(B) a growing root in late summer
在夏末,大多數植物的葉片光合作用已達到高峰,能夠產生大量的蔗糖。這些蔗糖會被運輸到植物的各個部位,包括根部,用於生長、儲存或維持生命活動。因此,在夏末,發育中的根部可能是蔗糖的接收端。

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第 16 題

Active transport of sucrose in plants at the cellular level requires ______.
(A) NADP and channel proteins
(B) xylem membranes and channel proteins
(C) sodium/potassium pumps and xylem membranes
(D) ATP, transport proteins, and a proton gradient

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核心觀念

本題考查植物細胞中蔗糖(sucrose)的主動運輸,尤其是蔗糖進入韌皮部進行裝載(phloem loading)的機制。

蔗糖通常不是直接利用 ATP 被運送,而是先由細胞膜上的質子幫浦消耗 ATP,將氫離子(H+H^+)泵出細胞,建立膜兩側的質子濃度梯度與電化學梯度:

ATP→ADP+Pi\mathrm{ATP \rightarrow ADP + P_i}

質子沿著電化學梯度返回細胞時,透過蔗糖—氫離子同向運輸蛋白(sucrose-H+H^+ symporter)進入細胞,並同時帶動蔗糖逆濃度梯度運輸。因此,此過程屬於次級主動運輸(secondary active transport)。

其必要條件包括:

  1. ATP:提供建立質子梯度所需的能量。
  2. 運輸蛋白:負責辨識並運送蔗糖與氫離子。
  3. 質子梯度:提供蔗糖逆濃度梯度移動的直接驅動力。

解題方法

判斷植物細胞中的蔗糖主動運輸,可依序確認三件事:

  1. 是否需要能量來源?
  2. 是否需要專一性的膜運輸蛋白?
  3. 是否利用某種離子梯度作為直接驅動力?

植物細胞通常利用質子幫浦建立 H+H^+ 梯度,再由蔗糖—H+H^+ 同向運輸蛋白利用該梯度吸收蔗糖。因此正確組合應為「ATP、運輸蛋白與質子梯度」。


選項分析

(A) NADP and channel proteins

錯誤。NADP 是參與光合作用氧化還原反應的電子受體,並不是蔗糖主動運輸所需的直接能量來源。植物細胞運送蔗糖需要 ATP 所建立的質子梯度。

此外,channel proteins(通道蛋白)通常形成親水性孔道,讓特定離子沿電化學梯度被動通過;蔗糖主動運輸則主要依靠具有專一性結合位點的運輸蛋白,尤其是蔗糖—H+H^+ 同向運輸蛋白。

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第 17 題

You are conducting an experiment on plant growth. You take a plant fresh from the soil that weighs 5 kilograms (kg). Then you dry the plant overnight and determine the dry weight to be 1 kg. Of this dry weight, how much would you expect to be made up of oxygen, carbon, and hydrogen?
(A) 1 gram
(B) 4 grams
(C) 960 grams
(D) 1 kg

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此題考驗學生對植物乾重組成及其主要元素組成的基本認知。

植物的乾重主要由有機物組成,這些有機物是通過光合作用固定二氧化碳(CO2)並吸收水分(H2O)而合成的。植物體內絕大多數有機物的骨架是由碳(C)、氫(H)、氧(O)這三種元素構成的。

題目給出:

  • 濕重(fresh weight):5 kg
  • 乾重(dry weight):1 kg

植物的濕重包含水分,而乾重則排除了水分。植物的乾重主要包括碳水化合物、蛋白質、脂肪、核酸、木質素等有機物,以及少量礦物質元素。

在這些有機物中,碳、氫、氧是含量最高的三種元素。它們是構成有機分子(如葡萄糖 C6H12O6)的基本單元。

  • 碳水化合物(如澱粉、纖維素)的化學式通常是 (CH2O)n(CH_2O)_n,即碳、氫、氧的比例接近 1:2:1(按原子數)。
  • 蛋白質、脂肪等有機物雖然比例不同,但 C、H、O 仍然是其主要組成元素。
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第 18 題

Iron deficiency is often indicated by yellowing in newly formed leaves. This suggests that iron is ______.
(A) a relatively immobile nutrient in plants
(B) tied up in formed chlorophyll molecules
(C) concentrated in the xylem of older leaves
(D) concentrated in the phloem of older leaves

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此題考驗學生對礦質元素在植物體內移動性(mobility)的理解,以及鐵(Iron, Fe)在植物體內的角色。

植物缺素症狀的表現形式與該礦質元素在植物體內的移動性密切相關。

  • 移動性強的元素(mobile elements):當植物缺素時,這些元素會從老葉轉運到新葉,因此缺素症狀首先出現在老葉上(如黃化)。例子:氮(N)、磷(P)、鉀(K)、鎂(Mg)。
  • 移動性弱的元素(immobile elements):這些元素一旦被固定在某個組織中,就難以轉運到其他部位。因此,當植物缺素時,新形成的組織(如新葉)由於無法獲得補充,會優先出現症狀。例子:鐵(Fe)、鈣(Ca)、硫(S)、錳(Mn)。

題目指出,缺鐵症狀(黃化)「首先出現在新形成的葉片」(newly formed leaves)。這表明鐵是一種在植物體內移動性較弱的元素。

我們來分析選項:
(A) a relatively immobile nutrient in plants
這與上述的礦質元素移動性原則相符。由於鐵在植物體內移動性較弱,當新葉發育時,無法從老葉獲得足夠的鐵,因此新葉中的葉綠素合成受阻,導致黃化。這是一個正確的解釋。

(B) tied up in formed chlorophyll molecules

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第 19 題

Which of the following would be the most effective strategy to remove toxic heavy metals from a soil?
(A) heavy irrigation to leach out the heavy metals
(B) application of fertilizers to compete with heavy-metal uptake
(C) application of sulfur to lower the soil pH and precipitate the heavy metals
(D) adding plant species that have the ability to take up and accumulate heavy metals

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此題考驗學生對土壤污染處理,特別是移除有毒重金屬的策略的理解。

土壤中的重金屬污染會對生態系統和人類健康造成嚴重危害。尋找有效的方法來移除或減輕這些污染至關重要。

我們來分析各選項的有效性:

(A) Heavy irrigation to leach out the heavy metals.
大量灌溉(leaching)可以將土壤中的某些可溶性污染物沖走。然而,對於許多重金屬而言,它們在土壤中的形態可能是不溶性的,或者在沖洗過程中可能被重新吸附到土壤顆粒上,甚至可能通過滲濾水污染地下水。因此,單純大量灌溉可能不是最有效或最安全的處理方法,有時甚至可能擴大污染範圍。

(B) Application of fertilizers to compete with heavy-metal uptake.
施肥(特別是施用某些礦質元素,如鈣、鉀)有時可以通過競爭作用,降低植物對土壤中某些重金屬(如鎘 Cd、鉛 Pb)的吸收。這是「植物修復」(phytoremediation)的一種輔助策略,但它主要目標是「減少」重金屬被植物吸收,而不是「移除」土壤中的重金屬。它不能根本上解決土壤污染問題。

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第 11.1 題5 分

Why do we study plant biology? (5分)

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我們研究植物生物學的原因眾多,涵蓋了科學、經濟、生態、醫學、以及人類生存的根本需求。主要原因包括:

  1. 理解生命的基本原理:植物是地球上最基礎的生產者,它們通過光合作用將太陽能轉化為化學能,為幾乎所有生態系統提供能量和有機物。研究植物有助於我們理解光合作用、呼吸作用、生長、發育、遺傳、演化等生命活動的基本機制。
  2. 食物來源:植物是人類和絕大多數動物賴以生存的食物來源,包括穀物、蔬菜、水果、堅果等。研究植物生物學有助於改良作物品種,提高產量,改善品質,確保糧食安全。
  3. 資源提供:植物提供木材(建築、家具)、纖維(紡織)、藥材、染料、燃料(生物質能)等重要資源。研究植物有助於可持續地利用和開發這些資源。
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第 11.2 題7 分

Explain respectively and compare these two terms: monoecious and dioecious. (7分)

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單性同株 (Monoecious) 與 單性異株 (Dioecious) 是植物繁殖策略中描述雌雄蕊(或雌雄花)在同一植株或不同植株上分布的術語。

1. 單性同株 (Monoecious)

  • 定義:指同一植株上同時具有雌花(只有雌蕊)和雄花(只有雄蕊)的現象。
  • 特點:
    • 雌花和雄花可以位於同一枝條上,或分別位於植株的不同部位(例如,雄花在頂端,雌花在基部)。
    • 儘管有單性花,但由於雌花和雄花存在於同一植株上,因此該植株仍然被認為是「同株」。
    • 這種情況有利於自花授粉(如果花朵結構允許)或異花授粉(與同一植株的不同花之間)。
  • 例子:玉米(雄花在頂端,雌花在植株中部)、黃瓜、南瓜、橡樹、樺樹。

2. 單性異株 (Dioecious)

  • 定義:指雌花和雄花分別存在於不同的植株上,即一株植物只有雌花(為雌株),另一株植物只有雄花(為雄株)。
  • 特點:
    • 雌株只能產生雌花,雄株只能產生雄花。
    • 這種情況強制進行異花授粉(cross-pollination),因為需要從一株雄株傳播花粉到另一株雌株的雌花才能結果。
    • 這種繁殖策略通常被認為可以增加基因多樣性,避免近親繁殖的弊端。
  • 例子:銀杏(雄株和雌株)、柳樹、菠菜、木瓜、棗椰樹。

比較 (Comparison)

| 特徵 | 單性同株 (Monoecious) | 單性異株 (Dioecious) |

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第 11.3 題10 分

What is the process of alternation of generations? (10分)

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「世代交替」(Alternation of generations)是植物(包括藻類、苔蘚植物、蕨類植物、裸子植物和被子植物)生命週期中一個核心的演化特徵。它描述了生物體在生命週期中,會依序經歷兩個不同形態和染色體套數的階段:配子體(gametophyte) 和 孢子體(sporophyte)。

這個過程可以分為以下幾個主要步驟:

  1. 配子體階段 (Gametophyte Phase):

    • 這是單倍體(haploid, n)階段,細胞核內只有一套染色體。
    • 配子體是從孢子(spore)萌發而來。
    • 配子體的主要功能是通過 減數分裂(mitosis) 產生單倍體的配子(gametes),例如精子(sperm)和卵細胞(egg)。
    • 在苔蘚植物中,配子體是獨立且占優勢的階段。在蕨類植物、裸子植物和被子植物中,配子體相對退化,依賴於孢子體。
  2. 配子形成 (Gametogenesis):

    • 配子體細胞通過減數分裂產生單倍體的配子。
  3. 受精 (Fertilization):

    • 一個單倍體的精子與一個單倍體的卵細胞結合,形成一個二倍體(diploid, 2n)的合子(zygote)。
    • 受精是從單倍體階段過渡到二倍體階段的關鍵步驟。
  4. 孢子體階段 (Sporophyte Phase):

    • 這是二倍體(diploid, 2n)階段,細胞核內有兩套染色體。
    • 合子(zygote)通過 減數分裂(mitosis) 發育成二倍體的孢子體。
    • 孢子體是植物體的主要形態,特別是在較高等的植物類群(如蕨類、裸子植物、被子植物)中。
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第 11.4 題15 分

The transport of xylem and phloem has both common and different features. Compare xylem and phloem transport by listing common and different features between them. (15分)

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好的,這題是關於植物維管束運輸系統中,木質部 (xylem) 與韌皮部 (phloem) 的比較,要求列出它們的共同點與不同點。這題考的核心觀念是植物體內水分、礦物質及有機養分的運輸機制,以及這兩種運輸系統的結構與功能差異。

以下是針對此題的詳解:

詳解:

木質部 (xylem) 和韌皮部 (phloem) 是植物體內兩種主要的運輸組織,它們在運輸物質的種類、運輸方向、驅動機制以及細胞結構上,既有共通之處,也有顯著的差異。

共同點 (Common Features):

  1. 運輸功能 (Transport Function): 兩者都是植物體內進行長距離運輸的管道,將物質從吸收或製造的部位輸送到需要利用或儲存的部位。
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第 11.5 題15 分

Most plants close their stomata on hot and dry days to preserve water loss from leaves. This phenomenon reduces plants' access to CO₂ and causes photorespiration in C3 plants. However, some plant species have evolved different strategies to overcome the arid environment. The two most important plant species with photosynthetic adaptations are C4 plants and CAM plants. Please answer the following questions:

(1) Please describe how photorespiration lowers photosynthetic output for C3 plants.(3 分)

(2) Please compare the adaptations in C4 and CAM plants in terms of carbon fixation and reaction locations, and give two examples of plant species for each.(10 分)

(3) How would you expect the relative abundance of C3 versus C4 and CAM plants to change in response to global climate change, with the climate becoming much hotter and drier?(2 分)

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【核心觀念】

本題考查三個彼此相連的概念:C3 植物的光呼吸、C4 與 CAM 植物的碳固定策略,以及高溫乾旱對不同光合型植物分布的影響。

C3 植物以 Rubisco 將 CO₂ 固定到核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)上,產生 3-磷酸甘油酸,後續進入卡爾文循環。Rubisco 也能與 O₂ 反應;當葉片內 CO₂ 降低、溫度升高時,氧化反應相對增加,造成光呼吸。

C4 與 CAM 植物都先以磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEP 羧化酶)固定 CO₂,形成四碳有機酸,再釋放 CO₂ 供卡爾文循環使用。兩者最主要的差異在於碳固定與卡爾文循環的分隔方式:C4 植物以空間分隔,CAM 植物以時間分隔。

【解題方法】

先說明乾熱環境如何增加光呼吸,再比較 C4、CAM 的初始碳固定位置與卡爾文循環位置,最後將兩者的抗旱機制連結到氣候變遷下的相對分布趨勢。

(1)光呼吸如何降低 C3 植物的光合產量(3 分)

炎熱、乾燥時,植物關閉氣孔以減少蒸散失水,也因此降低葉片內 CO₂ 濃度。此時 Rubisco 與 O₂ 反應的機會增加,將 RuBP 氧化,產生一分子 3-磷酸甘油酸及一分子 2-磷酸乙醇酸。後者須經光呼吸途徑回收,過程涉及葉綠體、過氧化體與粒線體。

光呼吸會降低光合產量,原因有二:

  1. 它使部分 RuBP 進入氧化反應,未能直接用於 CO₂ 固定。
  2. 回收 2-磷酸乙醇酸需消耗能量,且過程會釋出 CO₂,造成已固定碳的損失。

因此,光呼吸不但與卡爾文循環競爭碳固定機會,也消耗能量並降低淨碳吸收。

(2)C4 與 CAM 植物的比較(10 分)

比較項目C4 植物CAM 植物
初始碳固定葉肉細胞中的 PEP 羧化酶先固定 CO₂,形成草醯乙酸,接著轉成蘋果酸或天門冬胺酸等四碳化合物夜間氣孔開啟,葉肉細胞中的 PEP 羧化酶先固定 CO₂,形成草醯乙酸,再轉成蘋果酸並儲存在液泡
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第 11.6 題10 分

Draw a three-year-old woody trunk in cross section, labeling secondary xylem, secondary phloem, vascular cambium, cork cambium, and cork. Add an arrow showing the direction of growth in each meristem.(10 分)

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第 11.6 題 詳解

核心觀念

本題考的是木本雙子葉植物莖的次生生長(secondary growth),需要理解以下關鍵概念:

  1. 維管形成層(vascular cambium):位於次生木質部與次生韌皮部之間的側生分裂組織(lateral meristem)。其細胞進行雙向分裂——向內(向髓心方向)產生次生木質部(secondary xylem),向外(向樹皮方向)產生次生韌皮部(secondary phloem)。
  2. 木栓形成層(cork cambium,又稱 phellogen):位於莖外圍的另一個側生分裂組織。其細胞亦進行雙向分裂——向外產生木栓(cork,即 phellem),向內產生栓內層(phelloderm)。木栓形成層+木栓+栓內層三者合稱周皮(periderm)。
  3. 年輪(annual ring):每一年的生長季,維管形成層向內增添一圈次生木質部。三年生的木本莖,橫切面中應可辨識出三圈年輪,代表三個生長季各自累積的次生木質部。
  4. 組織由外到內的排列順序(橫切面從樹皮表面向髓心):
木栓  →  木栓形成層  →  (栓內層)  →  次生韌皮部  →  維管形成層  →  次生木質部(含三圈年輪)  →  髓(pith)\text{木栓} \;\to\; \text{木栓形成層} \;\to\; \text{(栓內層)} \;\to\; \text{次生韌皮部} \;\to\; \text{維管形成層} \;\to\; \text{次生木質部(含三圈年輪)} \;\to\; \text{髓(pith)}

題目要求標示的五個結構為:secondary xylem、secondary phloem、vascular cambium、cork cambium、cork。栓內層與髓雖非必標,但畫出有助於展現完整理解。


解題方法——橫切面示意圖的畫法

步驟一:畫出同心圓架構

以圓心代表髓,由內向外依序畫出數個同心圓(或同心環帶),分別代表各組織層。建議畫法如下(由最內圈到最外圈):

圈次代表組織說明
最內圈(中央)髓(pith)基本組織,可畫小圓表示
第 1 年輪環次生木質部 第 1 年最靠近髓的一圈,較窄
第 2 年輪環次生木質部 第 2 年中間一圈
第 3 年輪環次生木質部 第 3 年最外圈,最新的木材
細線圈維管形成層僅一至數層細胞厚,畫成一條明顯的環線
外環帶次生韌皮部位於維管形成層外側的環帶
細線圈木栓形成層同樣僅數層細胞厚,畫成一條環線
最外環帶木栓最外層,死細胞構成的保護層

步驟二:標示(label)五個指定結構

用引線從各環帶拉出,清楚標注英文名稱:

  • Secondary xylem(引線指向含三圈年輪的整個木質部區域,並可在年輪間畫出分界線標示 1st / 2nd / 3rd year)
  • Vascular cambium(引線指向木質部與韌皮部之間的細環線)
  • Secondary phloem(引線指向維管形成層外側的環帶)
  • Cork cambium(引線指向次生韌皮部外側的細環線)
  • Cork(引線指向最外層環帶)

步驟三:標示兩個分裂組織的生長方向箭頭

題目要求 "Add an arrow showing the direction of growth in each meristem",莖的橫切面中有兩個 meristem(側生分裂組織),各自需要箭頭:

  1. 維管形成層的箭頭:畫兩個方向的箭頭——

    • 一支箭頭指向髓心(內側),旁註「→ secondary xylem」,表示向內分裂產生次生木質部。
    • 一支箭頭指向外側,旁註「→ secondary phloem」,表示向外分裂產生次生韌皮部。
  2. 木栓形成層的箭頭:畫一支箭頭指向外側(指向莖表面方向),旁註「→ cork」,表示向外分裂產生木栓。

    • 嚴格而言,木栓形成層也會向內產生少量栓內層,但其主要產物為木栓,因此以向外的箭頭為主即可充分回答本題。若圖中有畫栓內層,亦可加一支較小的向內箭頭標示。

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