112 年 國立臺灣大學農藝系暨研究所作物甲組《植物生理學（B）》

本題主要考查種子學中關於種子壽命的分類、種子休眠的成因及解除方法。

(a) 種子壽命分類與實驗判別

• 種子壽命分類：

  • 正儲型 (Orthodox seeds)： 這類種子在成熟時含水量較低（約 5-15%），且對乾燥和低溫有較高的耐受性，可以在低溫乾燥的條件下長期儲存。例如：大多數的禾本科作物（小麥、水稻、玉米）、豆科作物（大豆、花生）和十字花科作物（油菜）。
  • 異儲型 (Recalcitrant seeds)： 這類種子在成熟時含水量較高（通常 30-60%），且對乾燥和低溫極度敏感，一旦含水量降到一定程度或暴露於低溫，種子會迅速喪失活力。這類種子無法長期儲存，必須在新鮮狀態下播種。例如：許多熱帶樹種（橡膠樹、可可、芒果、龍眼）和部分水生植物。
  • 中間型 (Intermediate seeds)： 這類種子介於正儲型和異儲型之間，它們的耐旱性和耐低溫性不如正儲型，但又比異儲型強。儲存壽命相對較短，但可以進行短期儲存。例如：部分楊樹、柳樹品種。

• 實驗判別未知種子類型：
  設計實驗來判別未知種子的類型，主要依賴其對水分含量和儲存溫度的反應。

  • 實驗流程：
    1. 準備樣品： 取一定數量的未知種子，將其分成數組。
    2. 處理組設定：
       • 低水分處理組： 將部分種子在控制環境下乾燥至不同的低含水量（例如：20%、15%、10%、5%）。
       • 高水分處理組： 將另一部分種子維持在較高的含水量（例如：40%、30%）。
       • 儲存溫度處理組： 將不同含水量的種子，分別置於不同的儲存溫度下（例如：室溫 25°C、低溫 4°C、冷凍 -20°C）。
       • 對照組： 選擇一組種子，保持其採收時的含水量，並置於適宜的儲存條件下。
    3. 定期監測： 在不同的時間點（例如：1天、3天、7天、1個月、3個月等），從各處理組中取出樣品，進行發芽率測試。
    4. 記錄與分析： 記錄各處理組的發芽率變化。
  • 實驗條件說明：
    • 水分控制： 可使用乾燥皿配合不同濃度的硫酸（H₂SO₄）溶液來控制相對濕度，進而控制種子含水量。或使用恆溫恆濕箱。
    • 溫度控制： 使用培養箱或冰箱控制儲存溫度。
    • 發芽測試： 在適宜的發芽介質（如濕潤濾紙）、溫度和光照條件下進行發芽率測試。
  • 判別依據：
    • 若種子在低含水量（如 10-15%）和低溫（如 4°C）條件下仍能保持高發芽率，則為正儲型。

本題考查植物根部吸收營養元素的運輸途徑，特別是 Apparent Free Space (AFS) 的概念及其實驗驗證方法。

• Apparent Free Space (AFS) 的定義：
  Apparent Free Space (AFS) 指的是植物根部細胞壁、細胞間隙以及木栓層和內皮層的質外體（apoplast）中，那些與細胞質膜不直接接觸，且離子或水分可以自由通過的空間。它是一個「表觀上」自由的空間，因為其中的物質可以相對自由地移動，不直接受到細胞質膜的選擇性運輸控制。AFS 是營養元素從土壤進入植物體內，在到達維管束之前，進入根部皮層細胞的重要途徑之一。

• 實驗方法描述：
  了解 AFS 的存在及其大小，通常利用放射性同位素標記的離子或染料進行示蹤實驗。

  • 實驗原理：
    利用放射性同位素標記的離子（例如：³²P、⁸⁶Rb、⁴⁵Ca 等）或染料（如：天青 A, Aniline Blue），將其施加於植物根部的外液。這些物質會首先進入 AFS。由於 AFS 的體積有限，透過測量在一定時間內吸收的放射性同位素或染料的量，可以推算出 AFS 的大小。同時，可以觀察這些物質在根部組織中的分佈情況。
  • 實驗步驟：
    1. 準備材料： 選擇生長良好的植物（例如：玉米、向日葵），並準備含有放射性同位素標記的離子（如 ⁸⁶Rb）或染料的培養液。
    2. 處理： 將植物的根部浸泡在含有標記離子的培養液中，進行不同時間段的處理（例如：1 分鐘、5 分鐘、15 分鐘、30 分鐘）。
    3. 清洗： 處理結束後，立即用去離子水或不含標記物的培養液徹底清洗根部表面，以去除附著在根表或 AFS 中未被吸收的標記物。

好的，這題是關於大豆在有/無根瘤菌共生情況下，根部對氮素吸收與同化的差異。這題的核心觀念在於 固氮作用 (nitrogen fixation) 以及 植物與微生物的共生關係 如何影響植物的氮素營養。

詳解

核心觀念：
本題主要在探討大豆與根瘤菌共生時，如何透過根瘤菌將大氣中的氮氣轉化為植物可利用的形態，進而影響大豆根部對氮素的吸收與同化。這涉及到生物固氮的機制以及植物對外源氮素的依賴性變化。

解題過程：

在比較大豆在有/無根瘤菌共生情況下，根部對氮素的吸收與同化反應的差異時，我們需要從以下幾個面向來探討：

1. 氮源的來源與利用：

   • 無根瘤菌共生 (或無共生情況)： 在沒有根瘤菌共生時，大豆主要依賴土壤中已有的無機氮（如硝酸鹽 $NO_3^-$ 和銨離子 $NH_4^+$）來獲取氮素。植物根部會透過特定的轉運蛋白（nitrate transporters, ammonium transporters）主動吸收這些無機氮。吸收後的硝酸鹽需要先在植物體內被還原成銨離子，才能進一步同化。
   • 有根瘤菌共生： 當大豆與根瘤菌（如 Rhizobium 屬細菌）形成根瘤共生後，根瘤菌能夠將大氣中含量豐富但植物無法直接利用的氮氣 ($N_2$) 轉化為氨 ($NH_3$)，再進一步轉化為銨離子 ($NH_4^+$)。這個過程稱為 生物固氮 (biological nitrogen fixation)。因此，在有共生情況下，大豆可以獲得來自固氮作用的氮素，減少對土壤無機氮的依賴。

2. 根部對氮素的吸收反應：

   • 無根瘤菌共生： 大豆根部會積極吸收土壤中的硝酸鹽和銨離子。吸收速率會受到土壤中氮素濃度、植物生長階段及生理狀態的影響。
   • 有根瘤菌共生： 由於根瘤菌提供了穩定的氮源，大豆根部對土壤中無機氮的吸收能力會顯著下降，甚至可能停止。這是因為植物體內存在一種 氮素反饋抑制機制 (nitrogen feedback inhibition)。當植物體內氮素含量升高時，會抑制根部對外源無機氮的吸收。

3. 根部對氮素的同化反應：

   • 無根瘤菌共生：
     • 硝酸鹽的還原： 吸收的硝酸鹽首先在根部細胞質或質體中，透過硝酸還原酶 (nitrate reductase, NR) 被還原成亞硝酸鹽 ($NO_2^-$)，然後再由亞硝酸鹽還原酶 (nitrite reductase, NiR) 還原成銨離子 ($NH_4^+$)。
       $NO_3^- \xrightarrow{NR} NO_2^- \xrightarrow{NiR} NH_4^+$
     • 銨離子的同化： 產生的銨離子會進入谷氨酸合成酶 (glutamine synthetase, GS) 和谷氨酸脫氫酶 (glutamate dehydrogenase, GDH) 的途徑，與α-酮戊二酸 (α-ketoglutarate) 反應，形成谷氨酸 (glutamate)，進而合成其他氨基酸。
   • 有根瘤菌共生：