113 年 國立臺灣大學農業化學系碩士班乙組《微生物學（A）》

此題考查 DNA 突變的類型與頻率。

核心觀念：

1. 點突變 (Point mutation)：DNA 序列中單一鹼基對的改變，包含鹼基的置換 (substitution)、插入 (insertion) 或刪除 (deletion)。
2. 鹼基置換 (Base substitution)：
   • 轉換突變 (Transition mutation)：嘌呤鹼基 (A, G) 變為另一種嘌呤鹼基，或嘧啶鹼基 (C, T) 變為另一種嘧啶鹼基。例如 A $\leftrightarrow$ G, C $\leftrightarrow$ T。

此題考查常見 DNA 誘變劑的分類。

核心觀念：
誘變劑 (Mutagens) 是能增加 DNA 突變率的化學物質或物理因子。它們可以透過多種方式引起 DNA 損傷，進而導致突變。

誘變劑的常見分類：

• (A) 鹼基類似物 (Base analogues)：結構與天然 DNA 鹼基相似，可在 DNA 複製時被錯誤地併入 DNA 鏈中，導致鹼基配對錯誤。
• (B) DNA 誘導劑/修飾劑 (DNA modifying agents)：直接與 DNA 分子反應，改變鹼基的化學結構，影響其鹼基配對能力或導致 DNA 鏈斷裂。
• (C) 插入劑 (Intercalating agents)：分子結構扁平，可以插入到 DNA 雙螺旋的鹼基對之間，導致 DNA 結構扭曲，在複製時引起插入或刪除突變 (frameshift mutations)。

解題過程：
(1) 5-溴尿嘧啶 (5-bromouracil)：
* 5-溴尿嘧啶是尿嘧啶 (thymine) 的一種類似物，其結構與胸腺嘧啶相似。
* 在 DNA 複製時，它可以取代胸腺嘧啶，但其溴原子 (Br) 的存在改變了其酮-烯醇互變異構的機率，更容易形成互變異構體。

核心觀念

本題考查細菌對氧氣的耐受性，以及其清除活性氧（reactive oxygen species, ROS）的酵素系統。

氧氣代謝或接觸氧氣時，可能形成具毒性的活性氧：

• 超氧陰離子：$\mathrm{O_2^-}$
• 過氧化氫：$\mathrm{H_2O_2}$
• 羥自由基：$\mathrm{OH\cdot}$

主要防禦反應如下：

1. Superoxide dismutase（SOD）

SOD 將超氧陰離子轉換成過氧化氫與氧氣：

$$2\mathrm{O_2^-}+2\mathrm{H^+} \rightarrow \mathrm{H_2O_2}+\mathrm{O_2}$$

2. Catalase

Catalase 再將過氧化氫分解成水與氧氣：

$$2\mathrm{H_2O_2} \rightarrow 2\mathrm{H_2O}+\mathrm{O_2}$$

因此，能夠利用氧氣或耐受氧氣的細菌，通常需要 SOD；若具有 catalase，則能更有效地清除 SOD 產生的過氧化氫。

解題方法

判斷順序如下：

1. 先判斷細菌是否能接觸或利用氧氣。
2. 能接觸氧氣者，通常必須具備 SOD，以清除超氧陰離子。
3. 若細菌能進行有氧代謝，通常同時具備 catalase，以分解過氧化氫。
4. 嚴格厭氧菌無法耐受氧氣，通常缺乏 SOD 與 catalase。

各類細菌分析

（1）Facultative anaerobe

兼性厭氧菌在有氧環境下可進行呼吸作用，在無氧環境下則可改行發酵或厭氧呼吸。

由於能利用氧氣，代謝過程會產生超氧陰離子與過氧化氫，因此通常具備：

• SOD：有
• Catalase：有

所以判定為：

$$\boxed{\text{with SOD; with catalase}}$$

此題考查微生物依據生長溫度範圍的分類及其排序。

核心觀念：
微生物的生長溫度範圍可以分為以下幾類：

• 嗜冷菌 (Psychrophiles)：生長溫度範圍低，最適溫度在 $15^\circ\text{C}$ 以下，最低生長溫度在 $0^\circ\text{C}$ 左右，最高生長溫度約 $20^\circ\text{C}$。
• 耐冷菌 (Psychrotolerants)：生長範圍較廣，雖然最適溫度可能較高，但能在低溫（例如 $0^\circ\text{C}$）下生長。它們是嗜冷菌的擴展版本，更能適應較寬的溫度範圍，包括較高的溫度。
• 中溫菌 (Mesophiles)：最適生長溫度在 $20^\circ\text{C}$ 到 $45^\circ\text{C}$ 之間，這是大多數細菌（包括許多病原菌）的溫度範圍。
• 嗜熱菌 (Thermophiles)：最適生長溫度在 $45^\circ\text{C}$ 到 $80^\circ\text{C}$ 之間。

此題分為兩部分：第一部分考查抗生素的作用機制；第二部分考查細菌的抗藥性機制。

第一部分：抗生素的作用機制 (4 points)

核心觀念：
抗生素是能夠殺死或抑制細菌生長的化學物質。它們通常透過干擾細菌獨有的生理過程來達到此目的，例如細胞壁合成、蛋白質合成、核酸合成或代謝途徑。

解題過程：
需要選擇兩種抗生素並說明其作用機制。以下列出幾種常見抗生素及其機制，請選擇其中兩種作答：

1. 盤尼西林 (Penicillin) / 類盤尼西林抗生素 (如 ampicillin, amoxicillin)

   • 作用機制：抑制細菌細胞壁的合成。盤尼西林類藥物是 $\beta$-內醯胺類抗生素 ( $\beta$-lactam antibiotics)，它們透過抑制細菌細胞壁合成中的關鍵酶——轉肽酶 (transpeptidases)，也稱為青黴素結合蛋白 (Penicillin-Binding Proteins, PBPs)。PBPs 負責形成肽聚醣 (peptidoglycan) 的交聯結構，這是維持細胞壁強度的關鍵。當交聯被抑制時，細胞壁變得脆弱，在細菌細胞內滲透壓的作用下，細胞會破裂死亡 (lysis)。
   • 適用對象：主要對革蘭氏陽性菌有效，因為它們有厚層的肽聚醣細胞壁。

2. 四環黴素 (Tetracycline)

   • 作用機制：抑制細菌蛋白質的合成。四環黴素結合到細菌核糖體 (ribosome) 的 30S 亞單位，阻止帶有胺基酸的轉接體 (tRNA) 與核糖體結合，從而阻止胜肽鏈的延長。
   • 適用對象：廣效性，對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均有效。

3. 鏈黴素 (Streptomycin)

   • 作用機制：抑制細菌蛋白質的合成。鏈黴素是一種胺基糖苷類抗生素 (aminoglycoside)，它結合到細菌核糖體 (ribosome) 的 30S 亞單位，導致 mRNA 讀碼錯誤 (misreading) 和過早終止，產生無功能的蛋白質。
   • 適用對象：主要對革蘭氏陰性菌有效。

4. 氯黴素 (Chloramphenicol)

   • 作用機制：抑制細菌蛋白質的合成。氯黴素結合到細菌核糖體 (ribosome) 的 50S 亞單位，抑制胜肽轉移酶 (peptidyl transferase) 的活性，阻止胜肽鏈的延長。
   • 適用對象：廣效性，但因可能引起嚴重副作用，使用受限。

5. 環丙沙星 (Ciprofloxacin) / 氟喹諾酮類抗生素 (Fluoroquinolones)

   • 作用機制：抑制細菌 DNA 的複製與修復。這類抗生素抑制細菌體內兩種重要的酶：DNA 旋轉酶 (DNA gyrase) 和拓樸異構酶 IV (topoisomerase IV)。DNA 旋轉酶負責將 DNA 超螺旋化，這是 DNA 複製、轉錄和修復所必需的；拓樸異構酶 IV 則參與 DNA 的分離。抑制這些酶會導致 DNA 斷裂和細胞死亡。
   • 適用對象：廣效性，對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均有效。

範例作答（選擇盤尼西林和四環黴素）：

• 盤尼西林 (Penicillin)：抑制細菌細胞壁合成。它作用於參與肽聚醣交聯的轉肽酶 (PBPs)，導致細胞壁結構不完整，細胞在滲透壓下破裂。
• 四環黴素 (Tetracycline)：抑制細菌蛋白質合成。它結合於 30S 核糖體亞單位，阻止 tRNA 與核糖體結合，從而阻斷胜肽鏈的延長。

第二部分：細菌的抗藥性機制 (6 points; 2 points for each)

核心觀念：
細菌對抗生素產生抗藥性 (drug resistance) 是一個嚴重的公共衛生問題。抗藥性機制可以透過染色體突變或獲得質體 (plasmid) 上的抗藥基因來產生。

此題考查細菌的基因變異機制，特別是透過接合生殖 (conjugation) 來傳遞遺傳物質。

核心觀念：
細菌有多種方式產生遺傳變異，除了點突變外，還包括基因重組 (recombination) 和基因轉移 (gene transfer)。基因轉移是將遺傳物質從一個細菌傳遞到另一個細菌的過程，主要有三種方式：

1. 接合生殖 (Conjugation)：透過細胞間直接接觸，將 DNA 從供體細胞傳遞到受體細胞。
2. 轉化 (Transformation)：細胞吸收環境中游離的 DNA 片段。
3. 轉導 (Transduction)：透過噬菌體 (bacteriophage) 媒介傳遞 DNA。

細菌接合生殖 (Bacterial Conjugation)：
接合生殖是細菌間最常見的水平基因轉移 (horizontal gene transfer) 方式之一，通常涉及質體 (plasmid) 的轉移。質體是細菌染色體外的、能夠自我複製的雙股環狀 DNA 分子。

F+ x F$^-$ 交配 (F+ x F$^-$ mating)：
這是最基本、最常見的接合生殖模式，涉及 F 質體 (Fertility plasmid)。

• F 質體 (Fertility plasmid)：攜帶控制接合生殖相關基因 (如 tra 基因，tra = transfer)。
  • F$^+$ 細菌：含有獨立存在的 F 質體。這些細菌是接合生殖的供體 (donor)。F 質體上的 tra 基因編碼產生接合菌毛 (sex pilus) 的蛋白質，以及進行 DNA 複製和轉移所需的其他蛋白質。
  • F$^-$ 細菌：不含有 F 質體。這些細菌是接合生殖的受體 (recipient)。

解題過程：
F$^+$ 細菌與 F$^-$ 細菌的交配過程如下：

1. 接觸與菌毛形成：F$^+$ 細菌細胞表面會產生一根或多根接合菌毛 (sex pilus)，這些菌毛可以附著到鄰近的 F$^-$ 細菌細胞表面。

此題考查真核生物基因調控機制中的 RNA 干擾 (RNA interference, RNAi)，特別是 microRNA (miRNA) 與 small interfering RNA (siRNA) 的差異。

核心觀念：
RNA 干擾 (RNAi) 是一種重要的基因沉默機制，透過雙股 RNA (dsRNA) 分子來抑制基因表現。miRNA 和 siRNA 都是長度約 21-25 個核苷酸的非編碼小 RNA 分子，它們透過與目標 mRNA 結合，導致 mRNA 的降解或抑制其轉譯。然而，它們的來源、生成途徑和作用方式存在差異。

miRNA (microRNA)：

• 來源：miRNA 由細胞內本身的基因編碼，位於基因組的不同區域。
• 生成途徑：
  1. miRNA 基因在細胞核內轉錄成一條較長的初級轉錄本 (pri-miRNA)，具有髮夾結構 (hairpin structure)。
  2. 在細胞核內，Drosha 酶複合物 (包含 Drosha 和 DGCR8) 將 pri-miRNA 加工成一個較短的、帶有髮夾結構的前驅體 miRNA (pre-miRNA)。
  3. pre-miRNA 被輸出到細胞質。
  4. 在細胞質中，Dicer 酶 (一種 RNase III 型內切酶) 將 pre-miRNA 加工成雙股的成熟 miRNA 複合物 (miRNA/miRNA* 雙鏈)。
  5. 其中一條鏈（成熟 miRNA）被選擇性地與 RNA 誘導沉默複合物 (RISC, RNA-induced silencing complex) 結合，另一條鏈 (miRNA*) 被降解。
• 目標 mRNA 結合：成熟 miRNA 結合到 RISC 中，然後尋找細胞質中與其序列部分互補的目標 mRNA。miRNA 與目標 mRNA 的結合通常是不完全互補的，主要發生在 miRNA 的種子序列 (seed sequence, 通常是 2-8 位核苷酸) 與 mRNA 的 3' 非轉譯區 (3'-UTR) 結合。
• 作用：由於結合不完全互補，miRNA 主要導致目標 mRNA 的轉譯抑制，有時也會誘導 mRNA 的降解。一個 miRNA 可以調節多個基因的表現。
• 功能：在真核生物中，miRNA 在發育、分化、細胞凋亡、代謝等多種生理過程中發揮廣泛的調控作用。

siRNA (small interfering RNA)：

• 來源：siRNA 通常來自外源性雙股 RNA (dsRNA)，例如病毒感染產生的 dsRNA，或實驗室中人為合成的 dsRNA。在某些情況下，也可以來自內源性長鏈的 dsRNA 或反義 RNA (antisense RNA)。
• 生成途徑：
  1. 外源性或內源性的長鏈 dsRNA 在細胞質中被 Dicer 酶切割成約 21-25 個核苷酸對的 siRNA 雙鏈。
  2. siRNA 雙鏈隨後被整合到 RISC 中。
  3. 在 RISC 中，siRNA 的一條鏈（導鏈 guide strand）被保留，作為 RISC 的指導 RNA，另一條鏈（反導鏈 passenger strand）被降解。

此題考查控制微生物生長的方法，分為解釋名詞和列舉具體方法兩部分。

第一部分：名詞解釋 (4 points)

核心觀念：
這些名詞都與降低或消除微生物數量有關，但它們的應用範圍、目標對象和殺滅程度有所不同。

解題過程：
(A) 消毒 (Disinfection)：
* 定義：指使用物理方法（如煮沸、紫外線）或化學藥劑（如次氯酸鈉、酒精）來殺滅或抑制環境中非生命物體表面的致病性微生物（病原體），但不一定能殺滅所有微生物，特別是細菌的芽孢。
* 目的：降低傳播疾病的風險。
* 應用：常用於醫療器械、實驗室工作檯、地面、牆壁、排泄物等。

(B) 滅菌 (Sterilization)：
* 定義：指使用物理方法（如高壓蒸汽滅菌、乾熱滅菌、過濾）或化學方法（如環氧乙烷氣體）來殺滅或清除所有形式的微生物，包括細菌的芽孢、真菌孢子、病毒等。
* 目的：達到絕對無菌的狀態。
* 應用：必須用於手術器械、注射器、培養基、疫苗等，確保完全沒有微生物的存在。

(C) 防腐/殺菌 (Antisepsis)：
* 定義：指使用化學藥劑（如酒精、碘酊、氯己定）來殺滅或抑制活體組織（如皮膚、黏膜）表面的微生物，以防止感染。
* 目的：減少皮膚或黏膜上的微生物數量，降低手術或侵入性操作時發生感染的風險。
* 應用：用於手術前皮膚消毒、注射部位消毒、口腔漱口水等。

第二部分：控制微生物的方法 (6 points; 1 point for each answer)

核心觀念：
控制微生物的方法可以根據其作用原理分為物理方法、化學方法和生物方法。

解題過程：
(A) 物理控制方法 (Physical control methods) (列舉 2 種)：
* 高壓蒸汽滅菌 (Autoclaving)：利用高壓蒸汽在 $121^\circ\text{C}$ 下提供高溫高壓環境，殺滅所有微生物，包括芽孢。
* 過濾 (Filtration)：利用特定孔徑的濾膜將微生物從液體或氣體中物理移除。適用於不耐高溫的溶液，如培養基、藥物。
* 乾熱滅菌 (Dry heat sterilization)：例如烘箱滅菌，在較高溫度（如 $160-180^\circ\text{C}$）下長時間加熱，殺滅微生物。適用於玻璃器皿、金屬器械。
* 煮沸 (Boiling)：將物品在 $100^\circ\text{C}$ 的水中煮沸一段時間，可以殺滅大多數非芽孢細菌、病毒和真菌，但對芽孢效果有限，通常用於消毒而非滅菌。

此題考查三個微生物學相關的名詞解釋。

核心觀念：
這三個名詞分別代表細菌的一種生長模式、細菌的一種生存結構，以及一種特殊的傳染性蛋白質。

解題過程：

(A) 集群運動/菌落蔓延 (Swarming) (2 points)
* 定義：集群運動是一種特殊的細菌生長現象，發生在某些細菌（如變形桿菌 Proteus spp.）的固體培養基表面。這些細菌在達到一定的密度後，會從菌落邊緣分化出高度鞭毛化的「遊走細胞」(swarmer cells)，這些細胞會集體向外擴散，形成一層薄薄的、不斷延伸的細菌層，覆蓋培養基表面。當這層細菌達到一定密度後，它們又會分化回普通的、運動性較差的「靜止細胞」(swarmer cells)，形成新的、同心的菌落環。
* 特點：
* 通常發生在固體或半固體培養基上。
* 涉及細胞形態的轉變（遊走細胞 vs. 靜止細胞）。
* 細胞鞭毛數量顯著增加，促進集體運動。
* 形成同心圓狀的菌落形態。
* 是一種動態的、周期性的生長和運動過程。
* 目的：被認為是細菌擴散到新的營養區域或尋找更佳生長條件的一種策略。

(B) 內生孢子 (Endospore) (2 points)
* 定義：內生孢子是某些細菌（主要是革蘭氏陽性菌，如 Bacillus 和 Clostridium 屬）在不利的環境條件下（如營養缺乏、高溫、乾燥、化學物質等）形成的一種高度抵抗性的、休眠的結構。它不是繁殖結構，而是為了在惡劣環境中生存而產生的。
* 形成過程 (Sporulation)：當營養耗盡時，細菌會啟動內生孢子形成的程序。細胞內會形成一個小芽孢 (spore protoplast)，被多層保護結構包圍，包括皮層 (cortex)、孢子壁 (spore coat) 和外殼 (exosporium)。
* 特點：
* 極高的抵抗性：對高溫、乾燥、輻射、化學消毒劑、壓力等具有極強的抵抗力。
* 休眠狀態：代謝活性極低，處於靜止期。

此題考查微生物在生物地球化學循環中的作用，特別是其對溫室氣體排放的貢獻。

核心觀念：
生物地球化學循環 (Biogeochemical cycles) 是指地球上化學元素（如碳、氮、硫、磷等）在生物、地質和化學過程之間的循環。微生物在這些循環中扮演著至關重要的角色，它們的代謝活動可以將元素轉化為不同的化學形式，影響其在環境中的可用性、遷移和轉化。其中一些轉化過程會產生溫室氣體。

解題過程：
需要指定一個對生物地球化學循環重要的微生物群體，並解釋其如何導致溫室氣體排放。這裡可以選擇碳循環或氮循環中的微生物。

選項一：甲烷菌 (Methanogens) 在碳循環中的作用

• 微生物群體：甲烷菌 (Methanogens)，屬於古菌 (Archaea)。
• 生物地球化學循環：碳循環 (Carbon Cycle)。
• 作用與溫室氣體排放：
  1. 厭氧分解：甲烷菌是絕對厭氧的微生物，它們是厭氧分解過程的最終產物。在缺氧的環境中，如濕地、稻田、反芻動物的消化道、垃圾掩埋場和深海沉積物中，複雜的有機物會被厭氧菌群分解為簡單的有機酸、酒精、二氧化碳和氫氣。
  2. 甲烷生成：甲烷菌利用這些簡單的有機物或二氧化碳和氫氣作為能源和碳源，透過一種稱為產甲烷作用 (methanogenesis) 的代謝途徑，將它們轉化為甲烷 ($\text{CH}_4$)。
     • 例如，透過乙酸發酵：$\text{CH}_3\text{COOH} \rightarrow \text{CH}_4 + \text{CO}_2$
     • 例如，透過二氧化碳還原：$\text{CO}_2 + 4\text{H}_2 \rightarrow \text{CH}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$
  3. 溫室氣體排放：甲烷 ($\text{CH}_4$) 是一種強效的溫室氣體，其暖化潛力（Global Warming Potential, GWP）在 100 年的時間尺度上約為二氧化碳的 28-34 倍。因此，甲烷菌的產甲烷作用是自然界甲烷排放的主要來源之一，對全球暖化有顯著貢獻。

選項二：硝化與反硝化細菌 (Nitrifying and Denitrifying Bacteria) 在氮循環中的作用

• 微生物群體：硝化細菌 (Nitrifying bacteria) 和反硝化細菌 (Denitrifying bacteria)，屬於細菌。
• 生物地球化學循環：氮循環 (Nitrogen Cycle)。
• 作用與溫室氣體排放：

此題考查四種基於抗體-抗原反應的檢測技術，用於診斷微生物感染。每種技術都需要解釋其原理和結果判讀。

核心觀念：
這些技術都利用抗體與其特異性抗原（如微生物的蛋白質、多醣體等）之間的高度專一性結合反應來進行檢測。透過標記（如螢光、酶）或可見的沉澱物，可以偵測到抗原或抗體是否存在，進而判斷是否存在微生物感染。

1. 免疫沉澱法 (Immunoprecipitation, IP) (3 points)

• 原理：
  • 免疫沉澱法是利用抗體與可溶性抗原在溶液中結合，形成不溶性的抗原-抗體複合物（沉澱素），進而將抗原從溶液中分離或檢測出來。
  • 具體操作時，將含有未知抗原的樣品與對該抗原特異的抗體（或含有未知抗體的樣品與已知抗原）混合。
  • 當抗體與抗原結合時，由於抗體有多個結合位點，抗原也可能有多個抗原決定基 (epitopes)，會形成一個大的、不溶性的三維網絡結構，即沉澱素。
  • 這個沉澱素可以透過離心或過濾從溶液中分離出來。
• 結果判讀：
  • 陽性結果：在混合液中觀察到肉眼可見的沉澱物，表示抗原與抗體發生了特異性結合，證明樣品中存在目標抗原（或抗體）。
  • 陰性結果：未觀察到沉澱物，表示未發生顯著的特異性結合。
  • 優點：原理簡單，成本較低，可用於定性檢測。
  • 缺點：靈敏度相對較低，判讀有時較主觀，且需要抗原濃度達到一定水平才能形成可見沉澱。

2. 單向免疫擴散法 (Single Radial Immunodiffusion, SRD 或 Mancini method) (3 points)

• 原理：
  • 單向免疫擴散法是一種定量檢測抗原或抗體的方法。
  • 將對目標抗原特異的抗體預先均勻地分散在瓊脂膠水中，製成瓊脂平板。
  • 在平板上打孔，並將含有未知濃度抗原的樣品加入孔中。
  • 將平板置於培養箱中孵育，抗原會從孔中擴散到瓊脂膠水中，並與其中的抗體發生反應。
  • 當抗原擴散到足夠遠的距離時，它與抗體結合形成一個清晰的沉澱環。沉澱環的大小（直徑）與孔中抗原的濃度成正比。
• 結果判讀：
  • 定量：將沉澱環的直徑測量出來，並與已知濃度的標準品（使用已知濃度的抗原製備標準曲線）進行比較，從而計算出樣品中抗原的濃度。
  • 陽性結果：出現沉澱環，表示樣品中存在目標抗原。沉澱環直徑越大，抗原濃度越高。
  • 陰性結果：未出現沉澱環。
  • 優點：操作相對簡單，可以定量檢測抗原。
  • 缺點：耗時較長（通常需要 24-72 小時），靈敏度不如 ELISA。

3. 直接免疫螢光法 (Direct Immunofluorescence, DIF) (3 points)

此題考查真菌的分類及其特徵。需要將給定的六種真菌類群，與八個特徵描述進行配對。

核心觀念：
真菌的分類是基於其形態學、生殖方式（特別是孢子形成）和遺傳學特徵。不同的真菌門和綱具有獨特的特徵。

• Chytridiomycota (壺菌門)：最原始的真菌之一，特徵是產生具單一鞭毛（通常是後鞭毛）的游動孢子 (zoospores)。
• Zygomycota (接合菌門)：其特徵是產生接合孢子 (zygospore)，這是一種厚壁的休眠孢子，由兩個配子囊融合形成。它們的菌絲是無隔的 (coenocytic)。
• Ascomycota (子囊菌門)：最大的一個真菌門，特徵是通過產生子囊孢子 (ascospore) 進行無性繁殖，子囊孢子通常在一個稱為子囊 (ascus) 的袋狀結構內形成。許多常見的黴菌和酵母菌屬於此類。
• Basidiomycota (擔子菌門)：包括許多我們熟悉的蘑菇、段木耳等大型真菌。其特徵是產生擔子孢子 (basidiospore)，這些孢子通常形成在一個稱為擔子 (basidium) 的棍棒狀結構上。擔子菌是唯一被稱為「雙核真菌」(dikaryotic fungi) 的主要群體，因為它們的菌絲細胞核是雙核的（n+n）。
• Glomeromycota (球囊菌門)：主要特徵是與植物根系形成緊密的菌根 (mycorrhizae) 關係，特別是稱為「菌根」 (arbuscular mycorrhizae, AM)。它們產生大型的、無隔的、鞭狀的單孢子囊 (arbuscule) 或泡囊 (vesicle)。
• Microsporidia (微孢子蟲)：曾被認為是原生動物，現已歸類為真菌。它們是高度特化的、專性細胞內寄生蟲，僅在宿主細胞內繁殖，通常是昆蟲和魚類。它們的特徵是產生微小的、抵抗力強的孢子，並利用特殊的「極絲」(polar filament) 侵入宿主細胞。它們是嚴格的細胞內寄生者。

解題過程：
根據上述核心觀念，將真菌類群與特徵配對：

(1) Chytridiomycota (壺菌門)：
* 特徵 (E) A group of zoosporic fungi, which produces spores with a single, whiplash flagellum. (一種產生游動孢子的真菌，產生帶有單一鞭毛的孢子。)
* 【答案】E

(2) Zygomycetous fungi (接合菌門)：
* 特徵 (B) Form coenocytic hyphae. (形成無隔菌絲。) 接合菌門的菌絲通常是無隔的。
* 【答案】B

此題考查六種微生物在食品工業或食品安全方面的作用。需要針對每一種微生物，解釋其重要性。

核心觀念：
微生物在食品工業中可以扮演正面（生產、發酵、改善品質）或負面（腐敗、致病）的角色。食品安全則主要關注微生物的致病性或產毒性。

解題過程：
逐一分析每種微生物：

(1) Aspergillus spp. (麴黴屬) (1 point)
* 重要性：
* 正面：在亞洲食品發酵中扮演重要角色。例如，Aspergillus oryzae (黃麴黴) 是製作醬油、味噌、清酒、豆豉等發酵食品的關鍵菌種，能分泌大量澱粉酶、蛋白酶、脂肪酶，促進原料的分解和風味的形成。
* 負面：某些種類（如 Aspergillus flavus, Aspergillus parasiticus）能產生強致癌性的黃麴毒素 (aflatoxins)，污染穀物、堅果等，對食品安全構成嚴重威脅。
* 範例回答：Aspergillus oryzae 用於發酵醬油、味噌等，提供關鍵酶；但 Aspergillus flavus 可產生黃麴毒素，威脅食品安全。

(2) Saccharomyces spp. (酵母菌屬) (1 point)
* 重要性：
* 正面：最著名的是 Saccharomyces cerevisiae (釀酒酵母)。它是製作麵包（發酵產生 $\text{CO}_2$ 使麵團膨脹）、啤酒（發酵產生酒精和 $\text{CO}_2$）和葡萄酒（發酵產生酒精）的關鍵微生物。也用於發酵其他食品，如發酵茶。
* 負面：某些酵母菌可能導致食品腐敗，例如水果、果汁的表面發酵。
* 範例回答：Saccharomyces cerevisiae 是製作麵包、啤酒、葡萄酒的關鍵發酵菌，產生酒精和 $\text{CO}_2$。

(3) Lactic acid bacteria (乳酸菌) (1 point)
* 重要性：
* 正面：廣泛應用於乳製品（優格、起司）、蔬菜（泡菜、酸菜）、肉製品（香腸）和飲料（克菲爾）的發酵。它們將乳糖或糖類轉化為乳酸，降低 pH 值，不僅產生獨特的風味，還能抑制腐敗菌和病原菌的生長，延長食品保質期，對食品安全有益。
* 負面：某些情況下，乳酸菌也可能導致食品過度酸化或產生不良風味。
* 範例回答：乳酸菌用於發酵乳製品、蔬菜等，產生乳酸，賦予風味並抑制病原菌，有助於食品安全和保質。

此題考查三種不同類型病毒的複製週期，涉及基因組複製和蛋白質合成。這需要根據病毒的基因組類型和所屬的 Baltimore 分類系統來解釋。

核心觀念：
Baltimore 分類系統將病毒根據其基因組類型（DNA 或 RNA，單鏈或雙鏈，正鏈或負鏈）和複製策略分為七類。理解每一類的複製特點是解題的關鍵。

1. Influenza virus (流感病毒) (4 points)
* 分類：Orthomyxoviridae，負鏈單股 RNA 病毒 (ssRNA$^{-}$)，屬於 Baltimore Group V。
* 基因組：分節的單負鏈 RNA 基因組 (segmented negative-sense single-stranded RNA genome)，通常有 8 段 RNA。
* 複製過程：
1. 進入細胞：病毒透過與細胞表面的唾液酸受體結合，然後透過細胞膜內吞作用進入細胞。病毒包膜與細胞膜融合，釋放出病毒核衣殼 (nucleocapsid) 到細胞質。
2. RNA 複製與 mRNA 合成：
* 流感病毒的 RNA 複製和 mRNA 合成都在細胞核內進行。
* 病毒攜帶的 RNA 依賴性 RNA 聚合酶 (RNA-dependent RNA polymerase, RdRp)，也被稱為反轉錄酶複合物 (transcriptase complex)，是病毒基因組的一部分，在病毒顆粒中。
* RdRp 首先以病毒的負鏈 RNA 為模板，合成互補的正鏈 RNA (+ssRNA)。
* 這些正鏈 RNA 有兩種用途：
* 一部分作為 mRNA，被輸出到細胞質進行翻譯，合成病毒的結構蛋白（如 HA, NA, NP, M1, M2）和非結構蛋白（如 PB1, PB2, PA, NS1, NS2）。
* 另一部分作為複製中間體 (cRNA, complementary RNA)，作為合成新的負鏈 RNA 基因組的模板。
3. 蛋白質合成：合成的病毒 mRNA 在細胞質的核糖體上進行翻譯，合成病毒蛋白質。
4. 基因組 RNA 複製：在細胞核內，RdRp 以 cRNA (正鏈) 為模板，合成新的負鏈 RNA 基因組段。
5. 組裝與出芽：新的病毒 RNA 基因組段和病毒蛋白質被運送到細胞膜，病毒顆粒在細胞膜上組裝，透過出芽 (budding) 的方式釋放到細胞外。
* 關鍵點：RNA 複製和 mRNA 合成都在細胞核進行；病毒攜帶 RdRp；基因組是分節的負鏈 RNA。

2. Lambda phage ($\lambda$ 噬菌體) (4 points)
* 分類：屬於噬菌體 (Bacteriophage)，感染 Escherichia coli。基因組為雙鏈 DNA (dsDNA)，屬於 Baltimore Group I。
* 基因組：線性雙鏈 DNA，在感染細胞內形成環狀結構。
* 複製過程：
1. 吸附與注入：$\lambda$ 噬菌體透過其尾部纖維特異性吸附到大腸桿菌細胞壁的受體上。然後，噬菌體將其 dsDNA 基因組注入細菌細胞內。
2. 基因表達與複製：
* 早期基因表達：注入的 dsDNA 進入細菌細胞質。細菌自身的 DNA 聚合酶和 RNA 聚合酶開始轉錄和翻譯 $\lambda$ 噬菌體的早期基因。這些早期基因產物包括：
* SSI (Site-specific integration) 蛋白：負責將噬菌體 DNA 整合到細菌染色體上的特定位點 (attP)，進入潛伏週期 (lysogenic cycle)。
* CI 阻遏蛋白 (Repressor protein)：維持潛伏狀態，抑制裂解週期 (lytic cycle) 基因的表達。
* N 蛋白：一種反式作用因子，促進晚期基因的轉錄。

此題考查五種與微生物功能相關的結構或細胞器，需要解釋其功能並指出與之相關的微生物類別。

核心觀念：
這些結構和細胞器是特定微生物為適應環境、執行特定功能（如能量獲取、感染、運動、休眠、感光）而演化出來的。

解題過程：
逐一解釋：

(1) Chlorosome (葉綠體) (2 points)
* 功能：葉綠體是進行光合作用的場所，能夠捕捉光能，並將其轉化為化學能（ATP）和還原力（NADPH），用於固定二氧化碳合成有機物。
* 相關微生物：主要與綠色硫細菌 (green sulfur bacteria, 如 Chlorobium spp.) 和綠色非硫細菌 (green non-sulfur bacteria, 如 Chloroflexus spp.) 等厭氧光合細菌 (anoxygenic phototrophic bacteria) 相關。這些細菌的葉綠體是高度特化的結構，位於細胞質膜下方，含有光合色素（如葉綠素和類胡蘿蔔素），並透過助色素（如細菌葉綠素 bacteriochlorophyll）吸收光能。它們是進行光合作用的關鍵結構，但與真核生物的葉綠體在結構和功能上有所不同。

(2) Infection thread (感染線) (2 points)
* 功能：感染線是一種由宿主細胞（通常是植物細胞）質膜和細胞壁形成的通道結構。當某些具有感染能力的微生物（如根瘤菌 Rhizobium）侵入植物組織（如豆科植物的根毛）時，植物會形成感染線，引導微生物進入植物細胞。根瘤菌透過感染線進入植物根細胞，最終在細胞質中形成固氮的類菌體 (bacteroids)。
* 相關微生物：主要與根瘤菌 (Rhizobia) 相關，這些細菌是與豆科植物形成共生固氮關係的細菌。也可能與其他能形成共生或寄生關係的微生物侵入植物細胞有關。

(3) Pseudopodia (偽足) (2 points)
* 功能：偽足是某些單細胞生物（特別是變形蟲類變形蟲 Amoeba）用於運動和吞噬食物的細胞質延伸。透過細胞質流動，偽足可以伸展和縮回，使細胞能夠爬行或包圍並吞噬微小的顆粒或微生物。