114 年 國立臺灣大學植物科學系碩士班《微生物學（D）》

菌落（colony）是指由單一細菌或真菌細胞在固體培養基上進行無性繁殖，所形成的一群可見的、聚集的後代細胞。這些細胞在形態、大小、顏色、質地等方面通常表現出一致性，是微生物純粹培養的基礎。

轉型（transformation）是微生物學中一種重要的基因水平轉移（horizontal gene transfer）方式。它指的是微生物細胞直接從環境中攝取外源的 DNA 片段（通常是質體或線性 DNA），並將其整合到自身的基因組中，從而獲得新的遺傳性狀。

水平基因轉移（horizontal gene transfer, HGT），也稱為側向基因轉移，是指基因從一個生物體傳遞到另一個非親代生物體（通常是同種或近緣種）的過程。這與垂直基因轉移（親代傳給子代）相對。HGT 是微生物演化和適應環境的重要驅動力，它能快速地在種群間傳播有利基因，例如抗生素抗性基因、毒力因子等。

第三型分泌系統（Type III secretion system, T3SS）是一種複雜的蛋白質結構，存在於某些革蘭氏陰性菌中，用於將病原菌的效應蛋白（effector proteins）直接注射到宿主細胞的細胞質中。

無氧呼吸（anaerobic respiration）是指微生物在沒有氧氣存在的環境下，利用其他無機物（如硝酸鹽、硫酸鹽、鐵離子、二氧化碳等）作為最終電子接受者，通過氧化有機物或無機物產生能量（ATP）的過程。

生物膜（biofilm）是由微生物群落構成的一種高度組織化的結構，這些微生物被分泌的胞外聚合物基質（extracellular polymeric substances, EPS）包裹，並附著在固體表面（如活體組織、醫療器材、水管內壁等）。

胞外多醣體（exopolysaccharides, EPS）是由微生物（如細菌、真菌、藻類）分泌到細胞外的一類高分子碳水化合物。EPS 在生物膜的形成中扮演關鍵角色，它構成了生物膜的基質，提供結構支撐，幫助微生物附著於表面，並在微生物之間形成離散的微區室。

膠囊（capsule）是某些細菌細胞壁外圍的一層緊密附著的、由多醣或多肽構成的結構。與較鬆散的莢膜（slime layer）不同，膠囊通常更厚、更結構化，並且與細胞壁緊密連接。

反轉錄酶（reverse transcriptase, RT）是一種 RNA 依賴性 DNA 聚合酶，它能夠以 RNA 為模板合成 DNA。這種酶在逆轉錄病毒（retroviruses）的生命週期中至關重要，例如人類免疫缺乏病毒（HIV）。

群體感應（quorum sensing, QS）是一種微生物細胞通訊機制，讓細菌能夠感知其種群密度，並根據細胞數量調整基因表達。細菌通過分泌和檢測稱為信號分子（autoinducers）的小分子來實現這一點。

本題主要考查對細菌遺傳物質結構及其功能的理解，特別是染色體與質體這兩種 DNA 分子的區別與聯繫。

細菌的遺傳物質主要包含染色體（chromosome）和質體（plasmid）。

細菌染色體與質體的比較：

本題旨在比較不同類型的微生物和病原體，從結構、遺傳物質、繁殖方式、大小、致病性等方面進行區分。

Prions, 病毒, 細菌, 真菌, 及原生生物的比較：

本題考查細菌獲得新遺傳物質以促進演化的機制，即基因水平轉移（horizontal gene transfer, HGT）的三種主要途徑。

細菌演化出新菌種，通常是通過基因突變和基因水平轉移兩種方式。基因水平轉移是指基因從一個細菌個體轉移到另一個細菌個體，即使它們之間沒有親代關係。這使得細菌能夠快速獲得新的基因，例如抗生素抗性基因、毒力基因等，從而適應環境變化或增強致病性。

從外部獲得 DNA 片段的三種主要機制（均屬於基因水平轉移）是：

1. 轉化 (Transformation):

   • 機制： 細菌細胞直接從周圍環境中吸收游離的 DNA 片段。這些 DNA 片段可能來自死亡的細菌細胞裂解後釋放的 DNA。並非所有細菌都能進行轉化，只有「感受態」（competent）的細菌才能有效地吸收外源 DNA。一旦進入細胞，這些 DNA 片段可能被整合到細菌的染色體中，或在細胞內作為質體複製。
   • 重要性： 是實驗室中基因工程的常用方法，也自然發生於某些細菌群落中。

2. 接合 (Conjugation):

   • 機制： 通過直接細胞接觸，一個細菌（供體）將 DNA 傳遞給另一個細菌（受體）。這種轉移通常涉及質體（plasmid）的傳遞，特別是包含 F 因子（fertility factor）的質體。供體細胞會形成一個性菌毛（sex pilus），連接到受體細胞，然後質體會進行複製並轉移到受體細胞。

本題考查微生物的營養分類學，即根據微生物獲取能量和碳源的不同方式進行分類，並描述各類型的特點。

微生物的營養類型是基於兩個主要來源：能量來源和碳來源。

一、 能量來源分類：

1. 光能營者 (Phototrophs):

   • 定義： 利用光能作為能量來源。
   • 機制： 通過光合作用（photosynthesis）將光能轉化為化學能（ATP）。
   • 特性： 通常需要光照環境，如藍綠藻（cyanobacteria）、某些細菌（如光合細菌）、藻類和植物。
   • 例子： 藍綠藻、綠色硫細菌、紫色硫細菌。

2. 化學能營者 (Chemotrophs):

   • 定義： 利用化學物質（有機或無機）的氧化還原反應釋放的能量作為能量來源。
   • 機制： 通過氧化有機物（chemoorganotrophs）或無機物（chemolithotrophs）產生 ATP。
   • 特性： 不依賴光照，可以在各種環境中生存。
   • 例子：
     • 化學有機營者 (Chemoorganotrophs): 大部分細菌、真菌、原生生物、動物。
     • 化學無機營者 (Chemolithotrophs): 某些細菌，如硝化細菌、硫氧化細菌、鐵細菌。

二、 碳來源分類：

1. 自營營者 (Autotrophs):

   • 定義： 利用無機碳源（主要是二氧化碳, CO$_2$）作為碳來源，並通過光合作用或化學合成作用合成有機物。
   • 機制： 將 CO$_2$ 固定並轉化為細胞內有機分子。
   • 特性： 是生態系統的生產者。
   • 例子： 植物、藻類、藍綠藻、某些細菌（如化能自營細菌）。

2. 異營營者 (Heterotrophs):

   • 定義： 利用有機物作為碳來源。
   • 機制： 必須攝取預先形成的有機物來構建自身的細胞成分和獲取能量。
   • 特性： 是生態系統的消費者或分解者。
   • 例子： 大部分細菌、真菌、原生生物、動物。

三、 結合分類（微生物的四種主要營養類型）：

本題考查微生物在植物科學和農業領域的應用，需要舉出五個具體例子並簡述其細節。

微生物在植物基礎研究和農業科學中扮演著至關重要的角色，從植物生長促進、病害防治到生物肥料、生物農藥等，都有廣泛的應用。以下是五個例子：

1. 植物生長促進根際菌 (Plant Growth-Promoting Rhizobacteria, PGPR):

   • 細節： PGPR 是居住在植物根際（rhizosphere）的微生物，能夠促進植物生長。它們的作用機制多樣，包括：
     • 養分有效性提升： 如固氮（如根瘤菌）、解磷（分泌磷酸酶分解難溶性磷酸鹽）、解鉀等。
     • 產生植物激素： 合成植物生長激素（如 IAA - 吲哚乙酸），促進根系發育。
     • 產生抗生素或胞外酶： 抑制或殺死植物病原菌。
     • 誘導植物抗性： 激活植物自身的防禦機制（Systemic Acquired Resistance, SAR）。
   • 應用： 作為生物肥料，減少化學肥料的使用，提高作物產量和品質。

2. 共生固氮菌 (Symbiotic Nitrogen-Fixing Bacteria):

   • 細節： 最典型的例子是豆科植物與根瘤菌（Rhizobium spp.）的共生關係。根瘤菌進入豆科植物的根部，誘導形成根瘤。在根瘤內，根瘤菌將大氣中的氮氣（N$_2$）轉化為植物可吸收的氨（NH$_3$），稱為固氮作用。此過程需要根瘤菌和植物之間複雜的信號交流和代謝協調。
   • 應用： 豆科作物（如大豆、花生、苜蓿）能自行固氮，減少對氮肥的需求，是永續農業的重要組成部分。

3. 生物防治劑 (Biocontrol Agents):

   • 細節： 利用微生物及其代謝產物來防治植物病蟲害。常見的生物防治微生物包括：
     • 真菌： 如木黴菌（Trichoderma spp.）能抑制多種植物病原真菌；捕蟲黴菌（Paecilomyces spp.）可防治害蟲。

本題考查對「科霍氏準則」的理解及其在確定病原體與疾病關係中的應用，並以人類胃潰瘍為例進行說明。

科霍氏準則 (Koch's Postulates):
科霍氏準則是由德國微生物學家羅伯特·科霍（Robert Koch）在 19 世紀末提出的一套用於確定特定微生物是否為某種疾病的病原體的方法論。這四條準則旨在建立病原體與疾病之間明確的因果關係。

1. 準則一： 特定疾病的患者體內，總是能發現該病原體；而在健康個體中則不能發現（或極少發現）。
2. 準則二： 能從患者體內分離出該病原體，並在純粹培養（pure culture）中進行培養。
3. 準則三： 將純粹培養的病原體接種到健康的易感個體（如實驗動物）中，該個體會表現出與原疾病相同的症狀。
4. 準則四： 從接種了病原體而發病的個體中，再次分離出該病原體，並證明其與最初分離的病原體是同一種。

以人類胃潰瘍為例說明：

在過去，人們普遍認為胃潰瘍是由於胃酸過多或壓力引起的。然而，1980 年代，澳大利亞科學家 Barry Marshall 和 Robin Warren 發現了幽門螺旋桿菌（Helicobacter pylori）與胃潰瘍的關聯，並利用科霍氏準則進行了驗證。

1. 準則一的驗證：

   • Marshall 和 Warren 觀察到，絕大多數胃潰瘍、十二指腸潰瘍和胃炎患者的胃黏膜中都存在幽門螺旋桿菌，而在沒有這些疾病的健康人中，幽門螺旋桿菌的檢出率非常低。

2. 準則二的驗證：

   • 他們成功地從胃潰瘍患者的胃黏膜組織中分離出了幽門螺旋桿菌，並在實驗室的培養基（如血瓊脂培養基）上成功進行了純粹培養。

本題考查對兩種重要的植物共生微生物——根瘤菌和菌根菌——的理解，要求比較它們的異同點。

根瘤菌（Rhizobium spp. 和相關菌屬）和菌根菌（Mycorrhizal fungi）都是對植物生長至關重要的互利共生微生物，但它們在生物學特性、共生部位、作用機制和營養獲取方式等方面存在顯著差異。

相同點：

1. 互利共生： 兩者都與植物形成互利共生關係，即雙方都能從這種關係中獲得益處。
2. 促進植物生長： 都能顯著促進植物的生長發育，提高產量和健康度。
3. 改善植物營養： 都能幫助植物獲取環境中難以獲得的營養素。
4. 多樣性： 兩者都包含多個物種和菌屬，與不同種類的植物形成共生。
5. 環境重要性： 在維持生態系統健康和促進農業永續發展中都具有重要作用。

不同點：

本題考查植物和動物免疫系統的比較，需要闡述兩者在抗病反應和調控機制上的相似與差異。

植物和動物都演化出了複雜的防禦系統來抵禦病原體（包括細菌、真菌、病毒、寄生蟲等）。儘管它們的演化路徑不同，但兩者在抗病反應的基本原理和一些調控機制上存在顯著的相似之處，同時也存在獨特的機制。

相同點 (相似之處)：

1. 識別病原體：

   • 動物： 通過模式識別受體（Pattern Recognition Receptors, PRRs）識別病原體相關分子模式（Pathogen-Associated Molecular Patterns, PAMPs）和損傷相關分子模式（Damage-Associated Molecular Patterns, DAMPs）。
   • 植物： 也通過細胞膜上的 PAMP-Triggered Immunity (PTI) 受體（如類水解酶受體, Receptor-like kinases, RLKs）識別 PAMPs。
   • 共同點： 兩者都依賴於識別病原體保守的分子標記來啟動初級防禦。

2. 觸發防禦反應：

   • 信號傳導： 病原體識別後，會觸發細胞內的一系列信號傳導級聯反應，包括離子通量變化（如 Ca$^{2+}$ 內流）、活性氧（ROS）的產生（氧化爆發）、MAPK 信號級聯、轉錄因子激活等。
   • 共同點： 這些信號傳導通路在動物和植物中都有高度保守的組分。

3. 誘導抗性：

   • 系統性抗性：
     • 動物： 獲得性免疫（Adaptive immunity）能夠產生記憶細胞，在再次感染時提供更強、更快的保護。
     • 植物： 系統性獲得性抗性（Systemic Acquired Resistance, SAR）是一種在局部感染後誘導的、全身性的、持久的抗性，類似於動物的免疫記憶。
   • 細胞死亡介導的防禦：
     • 動物： 凋亡（Apoptosis）是清除受感染細胞的重要機制。
     • 植物： 基因型依賴性超敏反應（Hypersensitive Response, HR）是一種快速的、局部化的細胞死亡，用於隔離病原體，阻止其擴散。

4. 分子機制：

   • 基因表達調控： 兩者都涉及轉錄因子的激活，調控下游防禦基因的表達。
   • 效應蛋白的對抗： 病原體會產生效應蛋白來抑制宿主的防禦。宿主則演化出抗效應蛋白的機制，例如植物的抗性基因（R genes）可以識別病原體的效應蛋白，從而觸發更強的防禦反應（Effector-Triggered Immunity, ETI）。動物的免疫系統也有類似的機制來識別病原體特異性分子。

不同點 (差異之處)：

1. 細胞結構與運動性：
   • 動物： 具有移動能力，免疫細胞（如 T 細胞、B 細胞、巨噬細胞）可以在體內循環，主動尋找和清除病原體。動物免疫系統高度依賴這些循環細胞。
   • 植物： 是固著生物，無法移動。

本題考查植物維管束系統在病原體傳播和造成系統性感染中的作用機制。

植物的維管束系統（vascular system），主要由木質部（xylem）和韌皮部（phloem）組成，是植物體內運輸水分、礦物質和有機養分的管道。這個系統也是許多植物病原體（特別是細菌、真菌和病毒）進行系統性傳播和導致全株感染的重要途徑。

維管束系統在系統性感染中的關係與機制：

1. 木質部 (Xylem) 的作用：

   • 傳播途徑： 木質部主要負責將水分和溶解的礦物質從根部向上運輸到莖、葉等地上部分。許多通過土壤傳播的病原體（如某些細菌、真菌的孢子或菌絲）可以通過根部進入木質部導管。
   • 快速擴散： 一旦進入木質部，病原體可以隨著水分的流動快速地在植株體內向上擴散，到達莖、葉、花、果等各個部位。
   • 形成栓塞： 某些病原體（如細菌性萎凋病原菌）在木質部內大量繁殖，會產生黏液或菌絲，堵塞木質部導管，導致植物水分運輸受阻，出現萎凋和死亡。
   • 例子： 枯萎病（如番茄青枯病由 Ralstonia solanacearum 引起，這種細菌會在木質部大量繁殖並阻塞導管）、黃萎病（由輪蟲病原體傳播的病毒引起，病毒進入木質部後擴散）。

2. 韌皮部 (Phloem) 的作用：

   • 傳播途徑： 韌皮部主要負責將光合作用產生的糖類（有機養分）從葉片向下運輸到根部、果實、種子以及其他生長點。
   • 養分獲取： 許多病原體（如蚜蟲、粉蝨、飛蝨等刺吸式口器昆蟲傳播的病毒，以及某些細菌、真菌）可以通過吸取韌皮部的篩管汁液來獲取營養。
   • 系統性傳播： 病原體進入韌皮部後，可以隨著有機物的運輸方向（通常是從葉片向下，但也可能向上或向生長點）在植物體內進行系統性傳播。病毒尤其善於利用韌皮部進行傳播。
   • 例子： 蚜蟲傳播的黃瓜花葉病毒 (CMV)、馬鈴薯黃萎病毒 (PLRV) 等，它們在韌皮部內複製並隨汁液運輸，導致全株感染。