112 年 國立臺灣大學植物病理與微生物學系碩士班甲組《植物病理學》

本題主要在考驗學生對重要植物病原菌學名的熟悉度，以及其所引起之代表性病害名稱的認知。這類題目是植物病理學的基礎知識，需要記憶。

1. Synchytrium endobioticum: 此菌引起馬鈴薯瘡痂病 (Potato wart)。
2. Phytophthora infestans: 此菌引起馬鈴薯晚疫病 (Late blight of potato)。
3. Plasmodiophora brassicae: 此菌引起十字花科蔬菜的ㄡㄚ病 (Clubroot of crucifers)。
4. Plasmopara viticola: 此菌引起葡萄霜黴病 (Downy mildew of grape)。
5. Taphrina deformans: 此菌引起桃樹的瘡痂病或褐紋病 (Peach leaf curl)。
6. Ustilago maydis: 此菌引起玉米黑粉病 (Corn smut)。
7. Hemileia vastatrix: 此菌引起咖啡的葉鏽病 (Coffee leaf rust)。

植物葉片黃化 (chlorosis) 是植物受到逆境或病害影響時常見的症狀之一，其發生原因多樣，與葉綠素的合成、分解或功能受損有關。以下列出幾種可能導致植物葉片黃化的病因：

1. 營養缺乏: 葉片無法合成足夠的葉綠素，常見於缺乏氮 (N)、鎂 (Mg)、鐵 (Fe) 等元素。例如，缺氮通常導致老葉先黃化，缺鎂則在老葉葉脈間黃化；缺鐵則常在嫩葉葉脈間黃化。
2. 病原菌感染:
   • 病毒病: 許多病毒感染會干擾植物代謝，導致葉綠素合成受阻或加速分解，產生嵌紋、黃化、斑駁等症狀。
   • 細菌性病害: 部分細菌感染，如萎凋病、黃單胞病等，會影響植物水分運輸或產生毒素，間接導致葉片黃化。
   • 真菌性病害: 某些真菌，如引起白粉病、露菌病、鏽病等，雖然主要症狀不同，但嚴重感染時也可能導致葉片黃化。

本題主要探討真菌，特別是 Fusarium 屬的分類系統，以及近年來基因體學發展對病原菌分類和演化的新觀點。

題組共用題幹
鐮孢菌 (Fusarium) 屬的分類，特別是 Fusarium oxysporum，是一個複雜的例子，其中除了屬名和種名外，還引入了 species complex、formae specialis (f. sp.) 和 race 等不同層級的分類單位，以更精確地描述菌株之間的差異及其與宿主的關係。

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1. Species complex 的分類依據是什麼?(4分)除 Fusarium oxysporum species complex (FOSC)之外,請舉一例植物病原菌的 species complex。(1分)

• 分類依據: Species complex 的分類主要依據是形態學、生理學、生化學、分子生物學 (如 ITS 序列、rDNA 基因、蛋白質編碼基因等) 以及致病性等綜合證據。然而，在某些情況下，即使菌株之間在形態或生理上差異不大，但由於在分子水平上存在明顯的遺傳分歧，或者在致病譜上表現出顯著差異，它們可能被歸類為一個 species complex。這個分類單位代表了一群形態相似但可能在遺傳上尚未完全分化，或僅僅因為致病譜不同而需要區分的菌株群體。
• 範例: 除了 Fusarium oxysporum species complex (FOSC) 外，另一個常見的例子是 Colletotrichum gloeosporioides species complex，它包含了許多與植物病害相關的菌株，在形態上難以區分，但其遺傳背景和宿主範圍可能差異很大。

【答案】Species complex 的分類依據是形態學、生理學、生化學、分子生物學及致病性等綜合證據；Colletotrichum gloeosporioides species complex。

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2. 請問 formae specialis (f. sp.) 的分類依據是什麼?(4分)請舉一例 Fusarium oxysporum f. sp.。(1分)

• 分類依據: Forma specialis (f. sp.) 是用來區分同一種菌中，對特定植物類群或特定植物種類具有專一性感染能力的菌株群。其分類依據主要是宿主專一性。也就是說，即使這些菌株在形態學、生理學或分子生物學上差異不大，但它們能感染的植物種類不同，就會被劃分為不同的 forma specialis。
• 範例: Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici，這是引起番茄萎凋病 (Tomato wilt) 的專一性型。

【答案】Formae specialis (f. sp.) 的分類依據是宿主專一性；Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici。

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3. 請問 race 的分類依據是什麼?(4分)除 Fusarium外,請舉一列常用race分類的植物病原菌。(1分)

• 分類依據: Race 是比 forma specialis 更精細的分類層級，用於區分同一 forma specialis 中，對同一種植物的不同品種或品系具有不同致病性的菌株群。其分類依據是對特定植物品種的致病性差異。簡單來說，能克服不同抗病品種的菌株，就被劃分為不同的 race。
• 範例: 除了 Fusarium 外，許多重要的植物病原菌都會使用 race 的分類，例如：
  • Puccinia striiformis (小麥條銹病菌)
  • Phytophthora infestans (馬鈴薯晚疫病菌)

本大題包含兩部分，第一部分考驗學生對病原菌毒素在植物病害發生中作用的理解，第二部分則涵蓋了植物病理學中的重要名詞解釋，涉及植物免疫、病原菌效應機制、植物防禦反應以及病害症狀。

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1. 請描述毒素(toxins)如何幫助病原菌感染植物,請以三種以上由病原菌產生的毒素為例說明之。(10分)

毒素 (toxins) 是由病原菌產生的代謝產物，它們能夠影響植物細胞的生理功能，降低植物的抗病力，或直接造成組織損傷，從而幫助病原菌建立感染。毒素在植物病害發生中的作用機制多樣，主要包括：

• 破壞細胞膜的完整性: 導致細胞內容物外洩，細胞死亡，為病原菌提供營養。
• 抑制關鍵酶的活性: 干擾植物的代謝途徑，如光合作用、呼吸作用。
• 干擾植物激素平衡: 影響植物的生長發育，使植物更容易被感染。
• 誘導植物產生過敏反應 (Hypersensitive response, HR): 雖然 HR 是植物的防禦機制，但某些毒素可以誘導 HR，導致感染部位周圍組織壞死，從而限制病原菌的擴散。

三種以上的毒素範例說明：

1. Altemaria alternata Toxin (AAL toxin):

   • 病原菌: Alternaria alternata f. sp. lycopersici。
   • 作用機制: AAL 毒素是一種細胞毒素，它會干擾植物的細胞膜離子通道，特別是鉀離子 (K+) 的運輸，導致細胞膜滲透性改變，鉀離子大量外流。這會引發細胞離子失衡，進而導致細胞死亡。此外，AAL 毒素還能誘導植物產生活性氧 (ROS)，進一步加劇細胞損傷。它也會影響植物的生長素 (auxin) 代謝，造成植物生長異常。
   • 幫助感染: 通過破壞細胞膜和誘導細胞死亡，AAL 毒素為病原菌創造了有利的營養環境，並削弱了植物的組織結構，有利於病原菌的入侵和擴散。

2. Phaseolotoxin:

   • 病原菌: Pseudomonas savastanoi pv. phaseolicola (菜豆تاجها桿菌，菜豆白絹病菌)。
   • 作用機制: Phaseolotoxin 是一種鳥氨酸氨甲醯基轉移酶 (ornithine carbamoyltransferase, OCTase) 的抑制劑。OCTase 是尿素循環中的一個關鍵酶，對於植物合成某些胺基酸 (如精氨酸) 和維持氮平衡至關重要。Phaseolotoxin 抑制 OCTase 後，導致鳥氨酸積累，並抑制精氨酸的合成。這會干擾植物的代謝，影響蛋白質合成，並可能導致葉片出現綠脈黃化 (veinal chlorosis) 的症狀。
   • 幫助感染: 抑制植物的正常代謝，削弱植物的生長和抗性，為病原菌的定殖和擴散提供便利。

3. Tabtoxinine-β-lactam (ToxA):

   • 病原菌: Pseudomonas syringae pv. tabaci (煙草黃單胞桿菌，煙草黃斑病菌)。
   • 作用機制: ToxA 是一種毒素，它會不可逆地結合並抑制植物的穀氨醯胺合成酶 (glutamine synthetase, GS)。GS 酶是植物吸收和同化氨 (NH4+) 的關鍵酶，對於蛋白質合成和維持氮平衡至關重要。GS 被抑制後，氨在葉片中積累，導致細胞膜受損，葉片出現黃化，嚴重時形成壞疽。
   • 幫助感染: 通過破壞葉片組織和功能，ToxA 誘導的黃化和壞疽，為病原菌提供營養，並限制植物的進一步防禦反應。

【答案】毒素透過破壞細胞膜、抑制關鍵酶、干擾植物激素、誘導過敏反應等方式幫助病原菌感染；範例毒素及其作用機制包括 AAL toxin (破壞細胞膜、誘導 ROS)、Phaseolotoxin (抑制 OCTase、干擾胺基酸合成) 和 Tabtoxinine-β-lactam (抑制 GS、導致氨積累)。

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好的，這題主要考驗學生對植物保護化學藥劑作用機制的理解，以及現代分子育種技術在抗病育種上的應用。

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四、

1. 三種化學藥劑的作用機制與應用病害

本題要求說明三種化學藥劑的作用機制，並將其應用於指定的番茄病害（番茄細菌性斑點病、炭疽病、疫病）。

(1) 曼普胺 (Mancozeb)

• 作用機制： 曼普胺是一種多位點作用的保護性殺菌劑，屬於有機鋅類殺菌劑。其作用機制是透過釋放出二價鋅離子（Zn$^{2+}$）和二硫代氨基甲酸鹽（dithiocarbamate）離子。這些離子能夠與病原真菌細胞內的許多關鍵酶（特別是含硫的酶，如參與呼吸作用和能量代謝的酶）上的硫氫基（-SH）發生反應，形成穩定的硫化物鍵，從而抑制酶的活性，干擾真菌的呼吸作用、能量產生和細胞分裂，達到殺菌效果。由於其作用位點多，不易產生抗藥性。
• 適用病害： 曼普胺對多種真菌病害具有廣泛的防治效果，包括白粉病、露菌病、晚疫病、炭疽病等。在番茄病害中，它對疫病（由 Phytophthora infestans 引起）和炭疽病（由 Colletotrichum spp. 引起）均有良好的防治效果。

(2) 待克利 (Tebuconazole)

• 作用機制： 待克利屬於三唑類（Triazole）殺菌劑，是一種系統性殺菌劑。其作用機制是抑制病原真菌細胞膜合成中的一個關鍵步驟，即抑制羊毛甾醇 14α-去甲基化酶（lanosterol 14α-demethylase），這是一種細胞色素 P450 依賴性酶。該酶負責將羊毛甾醇轉化為麥角固醇（ergosterol）。麥角固醇是真菌細胞膜的重要組成成分，缺乏麥角固醇會導致細胞膜結構和功能異常，影響細胞膜的通透性，最終抑制真菌的生長和繁殖。
• 適用病害： 待克利對多種真菌病害有效，特別是白粉病、鏽病、葉斑病等。在番茄病害中，它對由真菌引起的葉斑病（如早疫病、瘡痂病）有較好的防治效果，但對疫病（卵菌）和細菌性斑點病無效。在提供的選項中，炭疽病（由真菌引起）是待克利可適用的病害。

(3) 嘉賜銅 (Kasugamycin)

• 作用機制： 嘉賜銅是一種氨基糖苷類抗生素，具有保護和治療作用。其作用機制是抑制病原細菌的蛋白質合成。它能與細菌核糖體 30S 和 50S 的亞單位結合，干擾 mRNA 的讀碼過程，導致合成錯誤的蛋白質，或阻止肽鏈的延長，從而抑制細菌的生長和繁殖。嘉賜銅對某些真菌病害也有一定的抑制作用，但其主要用途是防治細菌性病害。
• 適用病害： 嘉賜銅主要用於防治細菌性病害，如稻瘟病（細菌性）、軟腐病、青枯病等。在番茄病害中，它對番茄細菌性斑點病（由 Xanthomonas spp. 引起）具有顯著的防治效果。

總結：

• 曼普胺：抑制多種酶活性，適用於番茄疫病和炭疽病。
• 待克利：抑制麥角固醇合成，適用於番茄炭疽病。
• 嘉賜銅：抑制細菌蛋白質合成，適用於番茄細菌性斑點病。

【答案】
(1) 曼普胺：作用機制為釋放 Zn$^{2+}$ 和 dithiocarbamate 離子，與病原真菌細胞內含硫的酶結合，抑制呼吸作用及能量代謝。適用於番茄疫病或炭疽病。
(2) 待克利：作用機制為抑制羊毛甾醇 14α-去甲基化酶，阻礙真菌細胞膜上麥角固醇的合成，影響細胞膜功能。適用於番茄炭疽病。
(3) 嘉賜銅：作用機制為抑制細菌核糖體蛋白質合成，干擾 mRNA 讀碼。適用於番茄細菌性斑點病。

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2. CRISPR Cas9 與分子標誌輔助選拔技術

本題要求說明 CRISPR Cas9 和分子標誌輔助選拔這兩種現代作物抗病育種技術的原理、流程、優缺點。

(a) CRISPR Cas9 技術

• 原理： CRISPR Cas9 是一種基因編輯技術，其核心是一個 Cas9 核酸酶和一個引導 RNA (guide RNA, gRNA)。gRNA 包含兩個部分：一個是與目標 DNA 序列互補的識別序列，另一個是與 Cas9 蛋白結合的支架序列。gRNA 會引導 Cas9 蛋白識別並結合到基因組中與 gRNA 識別序列互補的特定 DNA 位置。一旦結合，Cas9 蛋白就會在目標 DNA 位點產生雙鏈斷裂 (double-strand break, DSB)。細胞在修復這個斷裂時，可以利用內源性的修復途徑（如非同源末端連接, NHEJ 或同源重組修復, HDR）。如果提供了外源的 DNA 修復模板，就可以在目標位點精確地插入、刪除或替換 DNA 序列，從而實現基因的精確編輯。在抗病育種中，可以利用此技術敲除（knock out）或修飾與抗病性相關的基因，或導入抗病基因。
• 進行流程：
  1. 目標基因選擇與設計 gRNA： 確定需要編輯的抗病相關基因（例如，一個易感性基因，或一個調控抗病反應的基因），並設計能夠特異性結合該基因目標位點的 gRNA 序列。