112 年 國立臺灣大學園藝暨景觀學系碩士班園產品處理及利用組《園藝學原理與園藝植物生理學》

本題主要在探討植物體胚（somatic embryogenesis）的形成過程及其在園藝上的應用價值。

一、 植物體胚發生的途徑

植物體胚是指在非配子體細胞（如體細胞、組織培養中的細胞）上，透過無性繁殖途徑，發育成類似合子胚（zygotic embryo）的結構。其發生途徑主要有兩種：

1. 直接體胚發生 (Direct Somatic Embryogenesis)：

   • 過程：由體細胞或組織培養中的單一細胞、小細胞團，直接通過一系列形態學與細胞學的轉變，分化形成胚狀體（embryoid）或體胚。這個過程不經過癒合組織（callus）階段。
   • 形態學特徵：細胞先經歷一個活躍的生長與分裂階段，然後形成一個頂端有胚根、基部有胚芽的二極性結構，類似於種子胚的胚根與胚芽。
   • 細胞學特徵：細胞核遺傳物質保持二倍體（2n），染色體套數穩定。

2. 間接體胚發生 (Indirect Somatic Embryogenesis)：

   • 過程：由體細胞或組織培養的細胞，首先增生形成癒合組織（callus），然後在適當的培養基條件下，癒合組織中的細胞再誘導分化，形成胚狀體或體胚。
   • 形態學特徵：癒合組織是未分化的細胞團，在誘導分化階段，癒合組織的細胞會重新組織，形成胚狀體。
   • 細胞學特徵：癒合組織的細胞可能發生染色體數目的變異（非整倍體），但能形成體胚的細胞通常是二倍體或能恢復二倍體。

二、 植物體胚於園藝上的應用

植物體胚技術在園藝上有廣泛且重要的應用，主要體現在以下幾個方面：

1. 大量繁殖優良品種：
   • 體胚發生可以快速、大量地繁殖具有特定優良性狀（如抗病、抗逆、高產、特殊花色果色等）的品種。

本題主要探討細胞質遺傳（cytoplasmic inheritance）的定義、特性，以及它與植物中雄性不稔性（male sterility）現象的關聯。

一、 細胞質遺傳的特性

細胞質遺傳是指遺傳物質位於細胞質中，而非位於細胞核內，並透過母體細胞質傳遞給後代的遺傳方式。其主要特性如下：

1. 母系遺傳 (Maternal Inheritance)：

   • 絕大多數情況下，細胞質遺傳物質（如粒線體 DNA (mtDNA) 和葉綠體 DNA (cpDNA)）是透過卵細胞的細胞質傳承給後代，而精細胞在受精過程中，其細胞質通常會被排除在外，或其細胞質遺傳物質被稀釋，因此子代的細胞質特徵主要來自母本。
   • 這與核基因的雙親遺傳（來自父本和母本各一半）明顯不同。

2. 非孟德爾式遺傳：

   • 細胞質遺傳不遵循孟德爾分離律（Law of Segregation）和自由組合定律（Law of Independent Assortment）。
   • 由於細胞質遺傳物質通常是環狀 DNA，存在於多個粒線體或葉綠體中，且這些胞器又在細胞分裂中隨機分配，因此其遺傳行為較為複雜，可能出現不完全分離、異質性（heteroplasmy）等現象。

3. 異質性 (Heteroplasmy)：

   • 一個細胞中可能同時存在兩種或多種不同基因型（或不同序列）的細胞質遺傳物質（如 mtDNA 或 cpDNA）。
   • 這種異質性的比例會影響到細胞質性狀的表現。在細胞分裂過程中，細胞質遺傳物質的分配可能是不均勻的，導致子代細胞獲得的異質性比例不同，進而可能出現性狀表現的差異。

4. 隨機分配 (Random Distribution)：

   • 在細胞分裂和配子形成過程中，粒線體和葉綠體（及其內的 DNA）的分配是隨機的，這使得細胞質遺傳的模式難以預測。

5. 易受環境影響：

   • 細胞質遺傳的表現，有時會受到環境因子（如溫度、光照、化學物質等）的影響，其表現型可能不如核基因遺傳穩定。

二、 細胞質遺傳與雄性不稔性的相關性

雄性不稔性（Male Sterility, MS）是指植物無法產生有活力或功能性的花粉，導致無法自行授粉結實。在許多植物中，雄性不稔性是由細胞質基因（通常是粒線體基因）與核基因之間相互作用所致，這種現象稱為細胞質雄性不稔性（Cytoplasmic Male Sterility, CMS）。

1. 雄性不稔性的機制 (CMS)：
* 細胞質基因的突變：正常情況下，粒線體中的特定基因（如 ATP 基因家族的某些基因）與核基因協同作用，維持正常的雄蕊發育和花粉形成。

本題旨在探討如何透過育種方法，使目標基因的功能喪失，進而獲得具有特定新性狀的品種。這通常涉及基因功能的研究與基因沉默或基因敲除技術的應用。

一、 基因功能喪失的育種方法

獲得基因功能喪失（gene knockout 或 gene knockdown）的新品種，主要可以透過以下幾種方法：

1. 基因敲除 (Gene Knockout, KO)：

   • 原理：透過基因工程技術，將目標基因的序列進行修改、破壞或移除，使其無法轉錄或轉譯出有功能的蛋白質，從而導致該基因的功能完全喪失。
   • 方法：
     • 基因靶向（Gene Targeting）：這是最精確的方法。利用同源重組（homologous recombination）技術，將一個帶有破壞性突變（如插入一段無功能序列）的基因載體導入植物細胞。當載體與細胞內的目標基因發生同源重組時，會將目標基因替換成破壞性序列，從而實現基因敲除。此方法通常需要篩選，且在某些植物中效率較低。
     • CRISPR/Cas9 基因編輯技術：這是目前最主流、最高效的方法。CRISPR/Cas9 系統可以被設計成針對特定的 DNA 序列進行切割。當 Cas9 蛋白在目標基因位點切割 DNA 後，細胞自身的修復機制（如非同源末端連接, NHEJ）會嘗試修復斷裂。然而，NHEJ 修復過程容易產生小片段的插入或缺失（indel），這些突變常常會導致讀碼框的移位（frameshift mutation），進而產生無功能的蛋白質，達到基因敲除的效果。
     • RNA 干擾 (RNA Interference, RNAi)：雖然 RNAi 主要導致基因表達的沉默（knockdown），但如果干擾效率極高，可以使基因產物的水平降至極低，相當於功能喪失。其原理是誘導細胞產生與目標基因 mRNA 互補的雙鏈 RNA (dsRNA)，進而啟動細胞內的小 RNA（siRNA 或 miRNA）通路，降解目標 mRNA 或抑制其翻譯。

2. 化學誘變育種 (Chemical Mutagenesis)：

   • 原理：使用化學誘變劑（如 EMS, ethyl methanesulfonate）處理植物的種子、植株或組織培養材料。這些化學誘變劑能夠隨機地在植物的基因組中引入點突變（主要是 G:C 轉變為 A:T 的轉換）。
   • 方法：
     • 將誘變劑處理後的材料進行種植，並在後代（M1, M2 代）中篩選表現出目標性狀的個體。
     • 許多基因功能喪失的突變是隱性的，因此需要在 M2 或後續世代中進行篩選。
     • 這種方法是隨機的，會產生大量的突變，需要進行大規模的篩選。

本題要求解釋兩個園藝學上的專有名詞，一個是植物病害，另一個是嫁接技術。

1. Crown Gall Disease (冠癭病)

定義與病原：
冠癭病（Crown Gall Disease）是一種由土壤桿菌屬（Agrobacterium）細菌引起，對多種雙子葉植物（包括許多園藝作物、果樹、觀賞植物）造成嚴重危害的腫瘤性疾病。最常見的病原菌是農桿菌（Agrobacterium tumefaciens），現已改稱為創傷分枝桿菌（Agrobacterium tumefaciens）。

致病機制：

• 腫瘤誘導質體（Tumor-inducing plasmid, Ti plasmid）：農桿菌之所以能引起植物腫瘤，關鍵在於其攜帶的一個大型質體，稱為 Ti 質體。
• 基因轉移：當細菌感染植物傷口時，會將 Ti 質體上的一段特定 DNA（稱為轉移 DNA, Transfer DNA, T-DNA）整合到植物細胞的基因組中。
• 腫瘤形成：T-DNA 中含有誘導植物細胞無限增殖和生長的基因（腫瘤基因, oncogenes），這些基因的表達會導致植物細胞異常分裂，形成腫瘤或癭（gall）。
• 生物合成異常物質：T-DNA 還包含一些基因，能誘導植物細胞合成稱為腫瘤代謝物（opines）的異常氨基酸衍生物。這些腫瘤代謝物對細菌而言是重要的營養來源，並能促進細菌的生長和繁殖。

症狀：

• 腫瘤形成：最典型的症狀是在植物的根頸部（root crown）、莖基部、枝條或根部形成不規則的、粗糙的、木質化的腫瘤或癭。腫瘤的大小和數量因植物種類、菌株侵染力和環境條件而異。
• 生長抑制：嚴重的腫瘤會阻礙水分和養分的運輸，導致植株生長緩慢、葉片黃化、產量和品質下降。

防治：

• 預防：避免對植物造成不必要的傷口，尤其是在潮濕環境下。種植抗病品種。
• 生物防治：使用非致病性農桿菌菌株（如 Agrobacterium radiobacter K84）進行母株處理，這些菌株會競爭病原菌的生存空間，或產生抗生素抑制病原菌。
• 化學防治：在某些情況下，可使用含銅製劑等殺菌劑，但效果有限。
• 移除病株：對已感病的植株，可嘗試切除腫瘤，但細菌可能已擴散，復發率高。

園藝上的意義：
冠癭病對許多果樹（如葡萄、蘋果、桃、柑橘）、觀賞植物（如玫瑰、杜鵑）和蔬菜（如番茄、馬鈴薯）造成嚴重經濟損失，是重要的植物病害之一。

2. Whip-and-Tongue Graft (削皮插皮嫁接)

本題要求解釋 ABCE 模式（ABCE model）的作用原理及其在植物花發育中的應用。ABCE 模式是解釋大多數被子植物花器官發育的調控機制。

一、 ABCE 模式的作用原理

ABCE 模式是一個基於「同源異形基因」（homeotic genes）理論的模型，它描述了在植物花器官發育過程中，不同基因的組合如何決定不同輪生（whorl）花器官的身份。這個模型主要由四類同源異形基因（homeotic genes）來調控：A 類、B 類、C 類、E 類。

• 同源異形基因 (Homeotic Genes)：這類基因通常是轉錄因子，它們在發育過程中發揮關鍵的「身份決定」作用，即決定身體某一部分將發育成何種結構。在植物中，這些基因屬於 MADS-box 基因家族。
• 花器官的輪生結構：大多數被子植物的花是由四個同心輪生的花器官組成的，依序是：
  1. 最外輪：花萼 (Sepals)
  2. 第二輪：花瓣 (Petals)
  3. 第三輪：雄蕊 (Stamens)
  4. 最內輪：心皮 (Carpels)，構成雌蕊。
• 基因的組合決定花器官身份：ABCE 模式的核心在於，特定輪生花器官的身份是由特定同源異形基因的「組合」來決定的。
  • A 類基因：在第一輪（花萼）和第二輪（花瓣）表達。
  • B 類基因：在第二輪（花瓣）和第三輪（雄蕊）表達。
  • C 類基因：在第三輪（雄蕊）和第四輪（心皮）表達。
  • E 類基因：被認為是所有花器官（花萼、花瓣、雄蕊、心皮）發育所必需的，它與 A, B, C 類基因共同形成複合物，調控基因表達。E 類基因通常與 A、B、C 類基因形成四聚體（tetramer）來執行功能。

基因組合與花器官身份的對應關係：

• 圖示說明：
  • 圖中的 Whorl 1, 2, 3, 4 代表花朵的四個輪生。
  • Activity class A, B, C, D 在此圖中代表了 A, B, C 類基因的表達區域或作用。然而，更精確的理解是，A, B, C 類基因與 E 類基因共同作用，決定了對應輪生的花器官。題目中的圖示，將 Whorl 1 與 Activity class B 關聯，並影響 Sepal，這與標準的 ABCE 模型略有出入，標準模型中 Whorl 1 的形成是 A+E，而 Whorl 2 是 A+B+E。但可以推測，圖中的 B 可能指代 A 類基因，而 C, D 指代 B, C 類基因。若依據圖示的邏輯，我們可以這樣理解：
    • Whorl 1 (A) → Sepal (A+E)
    • Whorl 2 (B) → Petal (A+B+E)
    • Whorl 3 (C) → Stamen (B+C+E)

本題主要探討植物根部水分吸收的兩種主要途徑——質外體途徑（apoplastic pathway）和共質體途徑（symplastic pathway），以及卡氏帶（Casparian strip）對水分吸收的調控作用。

一、 質外體途徑 (Apoplastic Pathway) 與共質體途徑 (Symplastic Pathway)

植物根部吸收水分和礦物質主要有兩種途徑：

1. 質外體途徑 (Apoplastic Pathway)：

   • 定義：指水分和溶解在其中的物質，透過細胞壁、細胞間隙以及木質部的導管和管胞進行運輸。
   • 特點：
     • 水分只需透過細胞壁，無需穿過細胞膜，因此運輸速度較快。
     • 這個途徑是非活性的，不直接消耗細胞的代謝能。
     • 在根部表皮和皮層，水分可以自由通過細胞壁和細胞間隙。

2. 共質體途徑 (Symplastic Pathway)：

   • 定義：指水分和溶解在其中的物質，從一個活細胞通過細胞質，再經由質壁連接（plasmodesmata）進入相鄰細胞的細胞質，最終到達木質部。
   • 特點：
     • 水分必須穿過細胞膜（進入細胞時），並經由質壁連接在細胞間運輸，因此運輸速度較慢。
     • 這個途徑涉及活細胞，需要細胞主動參與運輸，因此被認為是「較耗能」的途徑，儘管水分的運輸本身是被動的（滲透作用），但維持細胞膜的離子梯度和質壁連接的暢通需要消耗能量。
     • 細胞膜上的離子通道和載體蛋白在運輸某些離子時起關鍵作用，這需要 ATP 供能。

二、 何者較耗能？

在水分吸收的過程中，雖然水分的移動主要是由水勢差驅動的被動過程，但共質體途徑（Symplastic Pathway）被認為是「較耗能」的途徑。

本題旨在探討礦物元素在植物體內的移動性（mobility）與其缺乏症狀出現部位之間的關係。

一、 礦物元素的移動性分類

礦物元素在植物體內的可移動性，主要取決於它們是否容易透過韌皮部（phloem）進行再分配。根據此特性，礦物元素可分為兩大類：

1. 移動性元素 (Mobile Elements)：

   • 定義：這類元素在植物體內具有較高的移動性，可以透過韌皮部從老組織運輸到新生的、生長活躍的組織。
   • 機制：當植物缺乏某種移動性元素時，體內儲存的該元素會被優先分配給對其需求最迫切的新生器官（如頂芽、幼葉、生殖器官），而老組織中的該元素則會被重新吸收並運輸走。
   • 常見例子：氮 (N)、磷 (P)、鉀 (K)、鎂 (Mg)、硫 (S)、鉬 (Mo) 等。

2. 移動性差的元素 (Immobile Elements)：

   • 定義：這類元素在植物體內移動性較差，一旦被固定在某個組織中，就難以透過韌皮部進行再分配。
   • 機制：當植物缺乏這類元素時，新生器官無法從老組織獲得補充，因此缺乏症狀會首先出現在對該元素需求量最大的新生組織中，因為老組織中的元素無法轉移過去。
   • 常見例子：鈣 (Ca)、鐵 (Fe)、錳 (Mn)、鋅 (Zn)、銅 (Cu)、硼 (B) 等。

二、 氮 (N) 與鈣 (Ca) 虧缺症狀的出現部位

根據上述移動性的差異，我們可以解釋氮和鈣虧缺症狀出現的部位：

1. 氮 (N) 虧缺：
   • 氮的移動性：氮是典型的移動性元素 (mobile element)。
   • 虧缺症狀出現部位：當植物遭遇氮虧缺時，植物體內的氮會被優先從老葉片轉運到生長點和幼葉。

本題要求解釋幾個與植物激素乙烯（ethylene）生物合成、作用及應用相關的關鍵分子和化合物之間的關係。

一、 乙烯 (Ethylene) 生物合成途徑

乙烯 (C$_2$H$_4$) 是一種重要的植物激素，在植物的生長、發育和響應環境壓力等方面發揮著關鍵作用。其生物合成途徑相對簡單，主要從胺基酸甲硫胺酸 (methionine) 開始，經過一系列反應生成。其中，兩個關鍵的酶和一個中間產物扮演著核心角色：

1. 甲硫胺酸 (Methionine)：是乙烯生物合成的起始原料。
2. SAM (S-adenosylmethionine)：甲硫胺酸經過一系列轉化後，生成 SAM，它是乙烯合成的前體。
3. ACC (1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid)：SAM 經過 ACC 合成酶 (ACC synthase, ACS) 的催化，轉化為 ACC。ACC 是乙烯生物合成的直接前體，也是一個關鍵的調節點。
4. 乙烯 (Ethylene)：ACC 經過 ACC 氧化酶 (ACC oxidase, ACO) 的催化，最終生成乙烯。

二、 各組分之間的關係

1. ACC synthase (ACC 合成酶)：

   • 作用：催化 SAM 轉化為 ACC 的反應。
   • 重要性：ACC 合成酶是乙烯生物合成途徑中的一個關鍵限速酶。其活性受到多種因素（如激素、環境壓力、發育階段）的調控，因此是調控乙烯產生水平的主要酶。
   • 與 ACC 的關係：ACC 合成酶的活性直接決定了 ACC 的生成量，從而影響乙烯的合成。

2. ACC (1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid)：

   • 作用：是乙烯生物合成的直接前體。
   • 重要性：ACC 的濃度是決定乙烯產生量的另一個關鍵因素。許多誘導乙烯產生的信號（如傷口、離層、成熟等）都會引起 ACC 合成酶活性的增加，進而提高 ACC 的含量。
   • 與 ACC oxidase 的關係：ACC 是 ACC 氧化酶的底物。

3. ACC oxidase (ACC 氧化酶)：

   • 作用：催化 ACC 轉化為乙烯的反應。
   • 重要性：雖然 ACC 合成酶是主要的調控點，但 ACC 氧化酶的活性也影響最終的乙烯產量。它需要氧氣、Fe$^{2+}$ 和維生素 C 作為輔因子。