109 高普考高考三級 生物技術 生物學 考古題詳解
第 一 題20 分
請試述下列名詞之意涵:(每小題 4 分,共 20 分)
(一) plasmodesmata
(二) photolysis
(三) resolving power
(四) mycorrhizae
(五) r-selected species
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核心觀念
本題評量考生對基礎生物學跨領域核心專有名詞之精確掌握度,範疇涵蓋:
- 植物細胞生物學:植物細胞特有構造與細胞間物質通訊機制(共質體途徑)。
- 植物生理化學:光合作用光反應(PSII、水裂解複合體)與能量轉換機制。
- 生物技術儀器與顯微學:光學成像物理極限、數值孔徑(NA)與極限解析距離關係。
- 微生物生態與共生生理:真菌與植物根系之互利共生型態及營養交換。
- 族群生態學與生活史演化:MacArthur & Wilson 之生活史理論( 選擇理論)與人口統計特徵。
解題方法
國家考試名詞解釋每小題配分 4 分,作答切入點應採取「三段論結構」以確保閱卷給分無遺漏:
- 定義與本質(1.5 分):以一句話精確破題,點出該構造、反應或生態分類的生物學本質。
- 核心構造/機制/公式(1.5 分):
- 細胞構造題需寫出微細構造(如 desmotubule)與途徑;
- 生理生化題需列出反應式與催化酵素/複合體(如 OEC);
- 物理儀器題需寫出 Abbe 解析極限公式;
- 生態分類題需列出關鍵生活史特徵(如存活曲線類型)。
- 生理/生態功能與代表實例(1 分):說明該構造或現象對生物體或生態系的適應意義並舉例。
專有名詞意涵深入剖析
(一) 原生質絲(Plasmodesmata)
- 本質與定義:貫穿相鄰植物細胞壁的微細細胞質通道,形成相鄰細胞間質膜相連、細胞質連續的細胞間通訊孔道。
- 構造特徵:中心貫穿一條由相鄰細胞平滑內質網(sER)延伸變形而成的「連絲微管」(desmotubule),細胞壁孔隙內緣則覆蓋質膜,兩者間的細胞質套管(cytoplasmic sleeve)允許物質流通。
- 生理功能:
- 構成植物體內的「共質體路徑」(symplastic pathway),提供水分子、無機鹽、醣類等小分子代謝物的快速傳輸。
- 經由微細骨架調節孔徑大小,可允許大分子(特定蛋白質、轉錄因子、mRNA 乃至植物病毒)進行細胞間特定訊息傳遞。
(二) 光解作用(Photolysis)
- 本質與定義:發生於光合作用光反應中,由光能驅動並在葉綠體類囊體薄膜(thylakoid membrane)內側將水分子裂解為氧氣、質子與電子的反應(亦稱 Hill 反應之一環)。
- 催化機制與反應式:
- 由光系統 II(Photosystem II, PSII)反應中心內側的「放氧複合體」(Oxygen-Evolving Complex, OEC,含錳-鈣原子簇 )催化:
- 生理意義:
- 釋放的電子()用於補充反應中心色素 受光激發後失去的電子。
- 釋放的質子()滯留於類囊體腔(lumen),協助建立跨膜質子濃度梯度以驅動 ATP 合成酶生成 ATP。
- 釋放之氧氣()為地球大氣氧氣之主要來源。
(三) 解像力/解析力(Resolving Power)
- 本質與定義:顯微鏡等光學或成像系統能夠將空間上極為接近的兩個獨立點(或線條)清晰區分開來的極限能力。解像力的高低以「最小分辨距離」(minimum resolvable distance, )呈反比表示; 值越小,解像力越高。
- 物理公式(Abbe 解析極限): 其中:
- :入射光或照明射線的波長。
- :物鏡之數值孔徑(Numerical Aperture)。
- :物鏡與標本間介質之折射率。
- :物鏡所能接收的最大半孔徑角。
- 實務應用:提升解像力主要透過縮短波長(例如使用紫外線或電子顯微鏡之高能電子束)或提高數值孔徑(例如使用浸油鏡,使 )。
(四) 菌根(Mycorrhizae)
- 本質與定義:土棲真菌菌絲與高等植物幼根之間所形成的互利共生體(mutualism)。
- 主要分類形態:
- 外生菌根(Ectomycorrhizae):真菌多屬於擔子菌門或子囊菌門。菌絲不穿透皮層細胞壁,在根表面形成緻密「菌套」(mantle),並在皮層細胞間隙穿梭形成網絡構造「哈氏網」(Hartig net)。常見於溫帶木本植物(如松柏科、殼斗科)。
- 內生菌根/叢枝菌根(Endomycorrhizae / Arbuscular Mycorrhizae, AM):真菌多屬於球囊菌門(Glomeromycota)。菌絲穿透皮層細胞壁但不破壞質膜,於細胞內形成高度分支的「叢枝」(arbuscules,用於營養交換)與儲存脂質的「囊泡」(vesicles)。廣泛分布於 80% 以上的陸生維管束植物(含大多數草本及農作物)。
- 生理效益:真菌菌絲大幅增加植物吸收土壤中水分與不易移動之礦物質(特別是磷酸鹽 )的表面積;植物則回饋光合作用產生的碳水化合物(如醣類)給真菌。
(五) r-型選擇物種(r-selected Species)
- 本質與定義:源自生活史演化理論( 選擇),指演化於不穩定、易受擾動、資源短暫豐富但非生物性死亡率極高之環境
第 二 題20 分
典型的化學突觸是在兩個神經元之間形成的單向通信機制。根據突觸後神經元的膜發生去極化(depolarization)或過極化(hyperpolarization),可將突觸後電位分為興奮性突觸後電位(excitatory postsynaptic potential, EPSP)和抑制性突觸後電位(inhibitory postsynaptic potential, IPSP)兩種,請分別解釋之。
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核心觀念
本題考查神經生物學中「化學突觸傳導(Chemical synaptic transmission)」與「突觸後電位(Postsynaptic potentials, PSPs)」的生理機制。考生需掌握以下核心知識:
- 階梯電位(Graded potential):突觸後電位為局部、大小隨刺激強度改變且會隨距離衰減的電位變化,與「全有全無律(All-or-none law)」之動作電位不同。
- 電化學驅動力與離子流動:膜電位走向取決於離子通道開放後離子的流動方向。依據能士特方程式(Nernst equation)決定的平衡電位:
- 陽離子(如 )內流或阻斷 外流 去極化(Depolarization)。
- 陰離子(如 )內流或 外流 過極化(Hyperpolarization)。
- 閾值(Threshold)與突觸整合(Synaptic integration):軸丘(Axon hillock)為產生動作電位的觸發區,EPSP 使膜電位靠近閾值,IPSP 則使其遠離閾值。
解題方法
本題為標準的國家考試申論題,作答時切忌僅用白話文簡述「興奮」與「抑制」,應採取「結構化、層次分明」的論述架構。針對 EPSP 與 IPSP,分別從以下四個維度深入說明:
- 電位變化定義(去極化 vs. 過極化)
- 分子與離子機制(開啟何種離子通道、哪種離子進出)
- 代表性神經傳導物質與受體(神經生物學典型範例)
- 生理功能與突觸總和作用(對引發動作電位之影響)
最後輔以整合比較,展現完整的神經傳導生理脈絡。
選項分析
本題為申論問答題,無選擇題選項。依據閱卷評分標準,拆解兩大子題核心要素如下:
- 子題一:興奮性突觸後電位(EPSP)評分要點
- 正確指出為「去極化」膜電位變化。
- 明確指明離子機制:配體門控離子通道(Ligand-gated ion channels)開啟,引起 淨內流(Net inward current),使細胞內正電荷增加。
- 列舉代表性傳導物質(如麩胺酸 Glutamate、乙醯膽鹼 ACh)。
- 子題二:抑制性突觸後電位(IPSP)評分要點
- 正確指出為「過極化」膜電位變化(或使膜電位穩定在靜止電位以下)。
- 明確指明離子機制:配體門控通道開啟,促使 內流或 外流,使細胞內負電荷增加或正電荷流失。
- 列舉代表性傳導物質(如 -胺基丁酸 GABA、甘胺酸 Glycine)。
解題技巧
- 掌握得分關鍵字:閱卷老師評閱快速,務必標記粗體或英文名詞,如 軸丘(Axon hillock)、時間總和(Temporal summation)、空間總和(Spatial summation)、麩胺酸(Glutamate)、。
- 釐清常見陷阱:
- 陷阱一:誤以為 EPSP 本身就是動作電位。事實上單一 EPSP 幅度通常僅數個毫伏特(),必須累積至閾值(約 )才能在軸丘誘發動作電位。
- 陷阱二:誤以為只有 參與 EPSP。菸鹼型乙醯膽鹼受體(nAChR)同時通透 與 ,但因靜止時 的電化學驅動力遠大於 ,故以淨 內流為主。
- 陷阱三:忽略 IPSP 的兩種可能離子機制,多數考生只寫 內流,若能補上 外流(如受體偶聯 蛋白通路),分數更具競爭力。
【答案】
一、興奮性突觸後電位(Excitatory Postsynaptic Potential, EPSP)
- 定義與膜電位變化: 突觸前神經元釋放神經傳導物質,與突觸後膜受體結合後,引起突觸後膜發生去極化(Depolarization),即膜電位朝正向移動、更接近產生動作電位的閾值(Threshold),此局部電位變化稱為 EPSP。
- 離子流動與分子機制:
- 傳導物質與配體門控陽離子通道(Ligand-gated cation channel)結合,通道開啟。
- 雖然通道常同時通透 與 ,但在靜止膜電位(約 )下, 具有極大的向內電化學梯度驅動力,因此產生顯著的 **
核心觀念
本題考查神經生物學中「化學突觸傳導(Chemical synaptic transmission)」與「突觸後電位(Postsynaptic potentials, PSPs)」的生理機制。考生需掌握以下核心知識:
- 階梯電位(Graded potential):突觸後電位為局部、幅度隨刺激強度改變且會隨距離衰減的電位變化,與遵循「全有全無律(All-or-none law)」之動作電位本質不同。
- 電化學驅動力與離子流動:膜電位走向取決於離子通道開放後離子的流動方向。依據能士特方程式(Nernst equation)所決定的離子平衡電位:
- 陽離子(如 )淨內流 去極化(Depolarization)。
- 陰離子(如 )內流或陽離子(如 )外流 過極化(Hyperpolarization)。
- 閾值(Threshold)與突觸整合(Synaptic integration):神經元的軸丘(Axon hillock)為觸發動作電位的整合樞紐,EPSP 使膜電位靠近閾值,IPSP 則使其遠離閾值或將膜電位箝制於閾值之下。
解題方法
本題為標準的國家考試申論題,作答時切忌僅以日常口語簡述「興奮」與「抑制」,應採取「結構化、層次分明」的論述架構。針對 EPSP 與 IPSP,分別從以下四個面向深入剖析:
- 電位變化定義(去極化 vs. 過極化)
- 分子與離子機制(開啟何種離子通道、哪種離子進出)
- 代表性神經傳導物質與受體(神經生物學典型範例)
- 生理功能與突觸總和作用(對引發動作電位之影響)
文末彙整對照表格與突觸整合機制(空間總和與時間總和),展現嚴謹且完整的神經生理學解題脈絡。
選項分析
本題為申論問答題,無選擇題選項。依據閱卷評分標準,拆解兩大子題的核心給分要點如下:
- 子題一:興奮性突觸後電位(EPSP)評分要點
- 正確指出為突觸後膜的「去極化」變化。
- 明確指明離子機制:配體門控離子通道(Ligand-gated ion channels)開啟,引起 淨內流(Net inward current),使細胞內正電荷增加。
- 列舉代表性傳導物質(如中樞神經系統的麩胺酸 Glutamate、神經肌肉交界處的乙醯膽鹼 Acetylcholine)。
- 子題二:抑制性突觸後電位(IPSP)評分要點
- 正確指出為突觸後膜的「過極化」變化(或防止膜電位達到閾值)。
第 三 題20 分
內分泌系統是負責調控動物體內各種生理功能正常運作的兩大控制系統之一,其中有一些重要的回饋機制來維持人體內部的恆定。試說明腎素-血管收縮素-醛固酮系統(renin-angiotensin-aldosterone system, RAAS)在人體的功能與恆定。
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核心觀念 本題旨在測驗人體生理學中體液與血壓調節的核心機制——「腎素-血管收縮素-醛固酮系統」(Renin-Angiotensin-Aldosterone System, RAAS)。解題需掌握以下核心要點:
- 刺激與感測:血壓下降、細胞外液容積減少、腎絲球過濾率下降或交感神經興奮時,腎臟之入球小動脈近腎絲球細胞(juxtaglomerular cells, JG cells)感測並分泌腎素(renin)。
- 生化級聯轉換(Cascade):肝臟分泌之血管收縮素原(angiotensinogen)被腎素水解為血管收縮素 I(angiotensin I, Ang I),再經肺臟血管內皮細胞表面的血管收縮素轉化酶(angiotensin-converting enzyme, ACE)催化為具高生理活性的血管收縮素 II(angiotensin II, Ang II)。
- 標的器官與生理功能:Ang II 透過收縮全身小動脈、促進下視丘引發口渴與分泌抗利尿激素(ADH)、刺激腎上腺皮質球狀帶分泌醛固酮(aldosterone),促使腎臟遠曲小管及集尿管重吸收 與水分、排出 與 ,進而增加血容積、提升總周邊阻力(total peripheral resistance, TPR)與平均動脈壓(mean arterial pressure, MAP,關係式為 )。
- 負回饋與恆定(Homeostasis):血壓與血容積回升後,抑制腎素釋放;且 Ang II 直接對 JG 細胞產生短路徑負回饋抑制;此外,高血壓刺激心房分泌心房排鈉肽(ANP)拮抗 RAAS,達成體內恆定。
解題方法 本題為標準的生理學機制申論題。高分關鍵在於具備「階層架構化」的答題脈絡,切忌雜亂平鋪直敘。建議採用「啟動刺激 生化反應途徑 生理效應 負回饋終止機制」四段論架構:
- 明確界定刺激訊號:精確說明何種物理/化學變化觸發系統活化。
- 寫出完整的受質與酵素轉換鍊:依序列出器官來源、前驅物、轉化酵素及產物胜肽長度(十肽 八肽)。
- 分點列舉多重效應:將 Ang II 與 Aldosterone 的功能依「血管」、「腎上腺」、「腎小管」、「中樞神經」系統化分類。
- 交代恆定回饋閉環:說明此回饋機制如何停止,以呼應題目「維持人體內部的恆定」之題旨。
選項分析 本題為申論題,非選擇題。在閱卷評分標準上,若缺少以下任一關鍵要素即會被依項扣分:
- 若僅寫「升高血壓」,未提及生化轉化途徑:失去機轉分數,必須交代「肝(血管收縮素原) 腎(腎素) 肺(ACE) 腎上腺皮質(醛固酮)」之跨器官協同途徑。
- 若僅提及醛固酮,遺漏 Ang II 的直接生理作用:扣分。Ang II 本身即為極強之血管收縮劑,並能直接作用於腎近曲小管增加鈉重吸收,亦會刺激大腦口渴中樞及後葉釋放 ADH。
- 若未完整說明離子調控細節:醛固酮的作用機制為「保鈉、保水、排鉀、排氫」,遺漏排 與排 會扣減內分泌生理精確度。
- 若未闡述「負回饋終止機制」:將嚴重失分,因題幹明確要求說明「在人體的恆定」,必須點出「血壓/血鈉上升對腎素的負回饋抑制」以及「心房排鈉肽(ANP)的拮抗作用」。
解題技巧
- 口訣記憶反應鏈:
- 常見陷阱提醒:
- ACE 的主要來源:是肺臟微血管內皮細胞(pulmonary capillary endothelial cells),非腎臟自身製造。
第 四 題20 分
試解釋及比較「天擇說(Natural selection)」和「性擇說(Sexual selection)」。請問兩者間是否存在著衝突?
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核心觀念
本題旨在評量考生對演化生物學核心驅動機制——「天擇說(Natural Selection)」與「性擇說(Sexual Selection)」之定義、作用機制、比較面向及其交互作用(權衡與衝突)之整合理解:
- 天擇說(Natural selection):達爾文(Charles Darwin)於《物種起源》提出,族群內個體因遺傳變異而在適應環境與生存競爭上產生差異,具適應優勢的性狀擁有較高的生存率與繁殖率,進而使該有利等位基因在後代族群中頻率增加。
- 性擇說(Sexual selection):達爾文於《人類的由來及性選擇》進一步補充,指個體因爭奪配偶或受精機會而產生的差異繁殖成功率,主要分為性別內競爭(Intrasexual selection)與性別間選擇(Intersexual selection)。
- 演化適應度(Evolutionary fitness)與權衡(Trade-off):適應度包含「生存率(Survival)」與「交配成功率(Mating success)」。當某性狀有利於爭取配偶卻不利於個體生存時,即產生天擇與性擇之間的拉鋸與衝突。
解題方法
本題為標準的演化生物學申論題,採「定義剖析 系統對比 衝突與權衡機制申論」三段式切入:
- 名詞解釋:分別界定天擇與性擇的操作型定義,並指出性擇的兩大機制(雄性競爭與雌性擇偶)。
- 比較分析:建立系統化對比架構,涵蓋「選擇壓力來源」、「爭奪標的」、「性狀特徵(如性二型性)」及「適應導向」。
- 衝突性論證:從「表現型/生存代價」與「總適應度(Inclusive/Net fitness)」兩個層次回答是否存在衝突,並佐以經典生物學實例(如雄孔雀尾羽、巨大鹿角、鳴囊鳴叫)與假說(殘障原則、失控性擇)論證。
選項分析(申論評分要點解析)
本題為申論題,閱卷重點分為四大子題面向,各要點剖析如下:
- 子題一:解釋「天擇說」
- 核心要素:個體變異(Variation)、遺傳性(Heritability)、過度繁殖導致生存鬥爭(Struggle for existence)、差異適應與繁殖(Differential reproductive success)。性狀演化主要朝「增進外在環境適應(如禦敵、覓食、抗逆境)」方向發展。
- 子題二:解釋「性擇說」
- 核心要素:非以對外在物理環境的適應為直接目的,而是以「交配機會」為驅動力。包含「性別內選擇」(同性競爭,如雄角爭鬥)與「性別間選擇」(異性擇偶,通常為雌性依偏好挑選雄性)。此機制常導致顯著的「性二型性(Sexual dimorphism)」。
- 子題三:比較天擇與性擇
- 相同點:兩者皆基於遺傳變異,均導致族群基因頻率改變,本質上皆追求基因傳遞的最大化(個體適應度最大化)。
- 相異點:天擇注重「環境適應與個體存活」;性擇注重「配偶取得與交配優勢」。
- 子題四:天擇與性擇是否存在衝突
- 肯定存在衝突:性擇偏好的第二性徵(如豔麗羽毛、嘹亮叫聲)常大幅增加被掠食風險或代謝能量消耗,直接降低個體生存率(即抵抗天擇之生存壓力)。
- 本質上的權衡(Trade-off):性狀最終停留在「生存代價」與「交配利益」平衡的最佳化平衡點(Net fitness 最大化)。
解題技巧
- 答題結構化:使用明確標題與條列(或表格)呈現比較,使閱卷委員能迅速勾稽評分點。
- 務必帶入演化假說名詞:論證衝突時,主動寫出「性二型性(Sexual dimorphism)」、「費雪失控性擇(Fisherian runaway selection)」及「殘障原則(Handicap principle)」,能展現高分群的專業縱深。
- 避免非黑即白的二分法:論述衝突時,切忌只回答「衝突」或「不衝突」。必須釐清:就「個體存活」而言存在衝突;
第 五 題20 分
請以被子植物為例,比較自交及異交的差異。
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核心觀念
本題測驗被子植物(Angiosperms)的生殖生物學(Reproductive Biology)、族群遺傳學(Population Genetics)及演化生態學(Evolutionary Ecology)的核心知識,主要涵蓋以下觀念:
- 生殖機制定義:自花受粉(Self-pollination)包含同花受粉(Autogamy)與同株異花受粉(Geitonogamy);異花受粉(Cross-pollination,又稱異株異花受粉 Xenogamy/Allogamy)。遺傳學層面探討之「自交(Inbreeding/Selfing)」與「異交(Outcrossing/Outbreeding)」是以基因組來源為基準。
- 遺傳效應:哈溫平衡(Hardy-Weinberg equilibrium)偏離、同型合子率(Homozygosity)與異型合子率(Heterozygosity)之動態變化、自交衰退(Inbreeding depression)與雜種優勢(Heterosis / Hybrid vigor)。
- 適應與生殖策略權衡(Trade-offs):生殖保證假說(Reproductive assurance hypothesis)與演化潛力(Evolutionary potential)、花部能量配置(花粉量、蜜腺、花冠大小)及對傳粉媒介之依賴度。
- 防止或促進機制:植物為調控自交或異交所演化出之形態構造與生理生化機制(如閉花受粉、雌雄異株、雌雄異熟、雌雄異位、花柱異長及自我不親和性 Self-incompatibility)。
解題方法
本題為典型的高普考生物學比較型申論題,作答應採取「定義層次化 機制維度化 圖表彙整化」的專業切入策略:
- 嚴謹定義:先行釐清自交與異交在植物學及遺傳學上的嚴格定義,特別點出「同株異花受粉」在生態學與遺傳學上的屬性差異,展現專業嚴謹度。
- 多維度對比:自「基因組與遺傳結構」、「能量投資與生態適應」、「演化潛力與環境耐受力」三大面向深入剖析兩者本質差異。
- 機制延伸:列舉被子植物為促進異交(或適應自交)所演化出之解剖學與生理生化特徵,使論述兼具理論深度與實例支撐。
- 結構化表格統整:於論述後附上高鑑別度之對比表,利於閱卷委員在短時間內掌握得分要點。
選項分析
本題為申論問答題,無選擇題選項。國家考試閱卷標準針對本題的採分重點包含以下四項關鍵要件:
- 要件一(定義之精準度):須清楚界定自交(花粉與胚珠來自同一基因型個體)與異交(來自不同基因型個體)。若忽略同株異花受粉(Geitonogamy)在遺傳上屬自交本質,將酌予扣分。
- 要件二(遺傳結構變化):須正確寫出「自交提高同型合子率、異交維持或提高異型合子率」,並連結至「隱性有害突變同型合子化(自交衰退)」與「基因重組多樣性(雜種優勢)」。
- 要件三(生態成本與繁殖保證):須闡明自交具「繁殖保證(即使無媒介亦能結實)」且能量成本低;異交則高度依賴傳粉媒介(風、昆蟲、鳥等),花器能量投資龐大但能因應多變環境。
- 要件四(植物調控機制實例):須舉出植物調控自/異交之具體構造或生理機制,如閉花受粉(Cleistogamy)促進自交;雌雄異熟(Dichogamy)、雌雄異位(Herkogamy)、自我不親和性(-locus 媒介)促進異交。
解題技巧
- 釐清觀念陷阱:「同株異花受粉(Geitonogamy)」在生態傳粉媒介行為上看似異花受粉,但因源自同一受精卵分裂發育而來的植株,兩朵花的基因型完全相同,在遺傳學實質上絕對屬於自交,作答時主動提及此點為拉開分數之關鍵。
- 遺傳公式之代入輔助:提及自交世代交替時,可簡短說明連續自交 代後,雜合子頻率降為原來的 ,同型合子比例趨近於 ,使遺傳學立論更具說服力。
- 專有名詞中英並陳:閱卷時閱卷委員重視學術精確性,關鍵詞彙(如 Inbreeding depression、Self-incompatibility、Cleistogamy)加註英文,可建立紮實的專業形象。
【答案】
被子植物(Angiosperms)在演化歷程中發展出多樣的生殖系統,自交(Self-fertilization)與異交(Cross-fertilization)為其兩大核心生殖途徑。兩者在花粉來源、遺傳效應、生態資源配置及植物適應機制上均具顯著差異,分述如下:
一、 定義與花粉來源的差異
- 自交(Self-fertilization / Inbreeding):
- 指雄蕊花粉傳遞至同一基因型植株的雌蕊柱頭上並完成受精的過程。
- 包含同花受粉(Autogamy)(同一朵花內受粉)及同株異花受粉(Geitonogamy)。同株異花受粉雖然在生態機制上需要傳粉媒介,但因花粉與胚珠來自同一母株,遺傳組成完全一致,實質上屬於自交。
- 異交(Cross-fertilization / Outbreeding):