110 專技高考高等考試 農藝技師 作物生理學 考古題詳解

核心觀念

本題考查兩個層次：一是 CRISPR/Cas9 如何依照指定序列，在基因組特定位置切割 DNA；二是如何區分「基因編輯技術」與「基因改造生物（GMO）」。

CRISPR/Cas9 源自細菌與古菌的適應性免疫系統。細菌利用 CRISPR 相關 RNA 引導 Cas 蛋白辨識並切割外來核酸；研究者將這套機制改造成可設定標的序列的基因編輯工具。核心元件為 Cas9 核酸酶、引導 RNA（guide RNA, gRNA），以及標的 DNA 附近必須存在的 PAM 序列。

GMO 則是對生物本身或其基因遺傳物質的分類概念。CRISPR/Cas9 是一種操作基因組的工具；是否屬於 GMO，不能只看使用了什麼工具，還要看基因組最後產生的改變，以及適用的法規如何定義。

解題方法

作答可依「元件 → 辨識與切割 → 細胞修復與編輯結果 → 與 GMO 比較」的順序說明。先交代各元件功能，再描述 Cas9 如何找到標的並造成雙股 DNA 斷裂，最後說明細胞修復斷裂時如何形成突變或導入預定序列。比較 GMO 時，應把「基因編輯方法」和「編輯後生物的遺傳結果」分開討論。

一、CRISPR/Cas9 的主要元件

1. Cas9 蛋白 Cas9 是可由 RNA 引導的 DNA 核酸酶，負責辨識目標 DNA 並切割兩股 DNA。以常用的 Streptococcus pyogenes Cas9（SpCas9）為例，其核酸酶區包含 HNH 與 RuvC 兩個功能區，分別切割與引導 RNA 配對的目標股，以及非目標股。

2. 引導 RNA（gRNA） 天然系統中，crRNA 提供與標的 DNA 配對的序列，tracrRNA 協助與 Cas9 結合。基因編輯常把兩者融合成單一引導 RNA（single-guide RNA, sgRNA）。sgRNA 的引導序列通常約 20 個核苷酸，依鹼基互補原理與目標 DNA 配對，決定 Cas9 前往哪個基因座。

3. PAM 序列 PAM（protospacer adjacent motif，原間隔序列鄰接基序）是 Cas9 辨識標的 DNA 所需的短序列。SpCas9 常見的 PAM 為 $5'\text{-NGG-}3'$，其中 N 代表任一核苷酸。PAM 不是由 sgRNA 提供，而是位於基因組標的序列旁；標的區域須同時符合引導序列互補性及 Cas9 的 PAM 要求。

4. 細胞 DNA 修復系統 Cas9 切割後，DNA 斷裂由細胞本身的修復機制處理。修復結果決定編輯型態，因此 DNA 修復系統是形成最終基因組變化的重要環節。

二、作用原理與編輯結果

Cas9 與 sgRNA 先形成核糖核蛋白複合體，接著在 DNA 上尋找符合 Cas9 特性的 PAM。找到 PAM 後，Cas9 使附近 DNA 局部解開；若 sgRNA 的引導序列與目標 DNA 有足夠互補配對，Cas9 便會切割 DNA 兩股，造成雙股斷裂（double-strand break, DSB）。SpCas9 的切割位置通常在 PAM 上游數個鹼基附近。

斷裂後主要有兩種修復途徑：

核心觀念

本題考查作物面對乾旱、鹽害、低溫、高溫等非生物逆境時，如何藉由胺基酸、膜蛋白及保護性蛋白維持細胞水分平衡、膜與蛋白質穩定，以及細胞內物質運輸。作答時可依「滲透調節、訊號與代謝調節、蛋白質保護、水分運輸」整理各物質的功能。

解題方法

逐項說明各物質的主要作用，並將生理功能連結到逆境傷害：

• 乾旱與鹽害常造成細胞失水及滲透壓改變，重點在滲透調節與水分運輸。
• 高溫、低溫及脫水會使蛋白質變性或聚集，重點在維持蛋白質與膜的穩定。
• 部分胺基酸及其衍生物也參與逆境訊號、抗氧化與代謝調節。

各項功能

（一）Proline（脯胺酸）

脯胺酸是植物常見的相容性溶質。在乾旱、鹽害及低溫等逆境下，許多植物會提高脯胺酸的合成或累積。

其主要功能包括：

1. 滲透調節：增加細胞質溶質濃度，降低細胞滲透勢，幫助細胞在外界水勢降低時維持吸水與膨壓。
2. 保護細胞結構：穩定蛋白質及細胞膜，減少脫水造成的構形改變與膜損傷。
3. 抗氧化與清除活性氧：有助減輕逆境下活性氧累積所造成的氧化傷害。
4. 逆境恢復時的代謝資源：逆境解除後，脯胺酸可被分解，供應碳、氮與還原力，支持細胞恢復生長。

脯胺酸具有相容性溶質的特性，能在較高濃度下累積而不嚴重干擾細胞正常代謝。

（二）Methionine（甲硫胺酸）

甲硫胺酸是含硫胺基酸，也是多項代謝與訊號分子的前驅物，參與逆境反應的調節。

1. 參與乙烯生合成：甲硫胺酸可經由 S-腺苷甲硫胺酸（SAM）進入乙烯生合成途徑。乙烯會調節逆境下的生長、衰老及防禦反應；其作用效果依逆境類型與濃度而異。
2. 參與多胺合成：SAM 也可提供多胺合成所需的胺丙基。多胺與膜穩定、細胞生長及逆境適應有關。
3. 連結含硫代謝與抗氧化反應：甲硫胺酸及其代謝途徑可連結含硫化合物的合成與氧化還原調節，協助細胞維持代謝平衡。
4. 蛋白質合成與代謝調控：甲硫胺酸是蛋白質合成所需的胺基酸，也作為 SAM 的前驅物，參與轉甲基作用及多種代謝調節。

作答時應指出其角色主要是透過代謝與訊號途徑調節逆境反應，不宜將甲硫胺酸直接等同於脯胺酸那類主要以高濃度累積來進行滲透調節的溶質。

（三）Heat shock protein（HSP，熱休克蛋白）

HSP 是一群在高溫等逆境下表現量常增加的分子伴護蛋白（molecular chaperones）。其重要作用是維持蛋白質的正確構形與功能。

1. 協助新生蛋白質摺疊：幫助蛋白質形成正確構形。
2. 防止蛋白質變性聚集：在高溫及其他逆境下，與受損或未完全摺疊的蛋白質結合，減少蛋白質聚集。

核心觀念

本題考查三個相連的觀念：植物必需元素的判定標準、元素在植物體內的再移動能力，以及植物根系吸收鐵的兩種策略。

植物生長之必需元素，是指植物完成正常生長與生活史所不可或缺的元素。依 Arnon 與 Stout 的判準，必須符合下列條件：

1. 缺少該元素時，植物無法完成正常生活史或繁殖。
2. 缺乏所造成的症狀，不能由其他元素取代或矯正。
3. 該元素直接參與植物代謝，或構成植物體內必需的物質。

高等植物常列為必需的 17 種元素為：

• 非礦質元素：碳、氫、氧（C、H、O），主要由空氣與水取得。
• 大量元素：氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫（N、P、K、Ca、Mg、S）。
• 微量元素：鐵、錳、鋅、銅、硼、鉬、氯、鎳（Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl、Ni）。

「大量」與「微量」是依植物需求量區分，不代表重要性高低。

解題方法：依元素在韌皮部的移動性分類

題目所稱元素在植物體內移動的難易，通常是指元素能否經由韌皮部由成熟葉等來源器官，轉運至新葉、根、果實等需求器官。可分為三類：

這項分類是植物營養診斷的工具：若元素容易由老葉轉移至新生組織，缺乏時老葉中的元素會先被動員；若元素不易再移動，新生組織即使缺乏也不容易從老葉取得補充，因此症狀常先出現在幼葉或生長點。

需注意，移動性並非絕對不變，會受植物種類、器官、元素化學形態與生育階段影響。考試作答時，宜寫出典型分類，並以「韌皮部再移動能力」作為判斷依據。

鐵的吸收策略與機制

土壤中的鐵常以三價鐵（Fe³⁺）存在，在中性至鹼性條件下溶解度低，根不易直接吸收。一般將植物吸鐵方式分為 Strategy I 與 Strategy II；主要差異在於根如何使難溶的 Fe³⁺ 變得可吸收。

核心觀念

本題考查兩個層次：一是水稻作為 C₃ 作物，如何透過理想株型改善群體受光與冠層光合作用；二是若要把水稻改造成 C₄ 作物，除了導入碳固定酵素，還必須同步改變葉片解剖構造、細胞分工與代謝調控。

「理想株型」（ideotype）是為達成特定育種目標而設計的理想植株性狀組合。水稻的高產不只取決於單葉光合速率，也取決於群體能否有效截取並利用光能、累積足夠生物量，以及將同化物分配至穀粒。

C₄ 光合作用則以四碳化合物先固定無機碳，再將 CO₂ 集中供應給 Rubisco，降低 Rubisco 的加氧反應與光呼吸。這項碳濃縮機制需要葉肉細胞與維管束鞘細胞分工合作。

解題方法

可先由「冠層光能利用」推導理想株型，再由「C₄ 碳濃縮機制」反推水稻所需的生理、生化與解剖改造。

株型部分的核心，是讓冠層上層葉片不過度遮蔽下層葉片，使光線能較均勻分布於整個冠層；同時保有足夠的功能葉面積與結實能力。C₄ 改造部分則依序說明：碳先在哪裡固定、以何種形式移動、在哪裡釋放 CO₂，以及各細胞需具備哪些酵素與構造。

水稻理想株型

1. 植株高度適中、莖稈短而強健 矮化或適中株高可降低倒伏風險；粗壯莖稈則有利於支撐較大的穗與較高的生物量。株高也須配合穗部位置與冠層結構，避免植株過高造成倒伏或群體遮蔭。

2. 上位葉直立、狹長且功能持久 旗葉及其下方幾片上位葉宜直立、窄而較厚、呈深綠色。直立葉可減少上層葉片彼此遮蔽，使直射光深入冠層；在強光條件下，也能減少上位葉過度受光而下位葉缺光的情形。上位功能葉維持較久，有利於抽穗後的穀粒充實。

3. 分蘗適中，以有效分蘗為主 分蘗過多會造成葉面積過大、冠層鬱閉與互相遮蔭，也會增加無效分蘗；分蘗過少則穗數不足。理想狀態是有適當數量的有效分蘗，維持足夠穗數而不使群體過度擁擠。

4. 冠層疏密適當、光線分布均勻 理想株型的目的不是單純增加葉面積，而是使冠層不同位置的葉片都能有效受光。若上層葉片高度密集，群體總葉面積雖大，下層葉片仍可能因長期遮蔭而光合效率低，甚至成為消耗呼吸的組織。

5. 穗大、結實能力強，並與源能力配合 植株需有足夠的穗粒數與穀粒充實能力，形成高產所需的庫（sink）；同時維持足夠葉片與莖鞘的同化物供應，避免「穗部需求很大、來源供應不足」。抽穗後也要能將葉片及莖鞘儲存的同化物有效轉運至穀粒。

因此，水稻理想株型的重點不是單一性狀，而是冠層受光、有效分蘗、抗倒伏、穗部容量與同化物轉運能力彼此配合。

改造成 C₄ rice 所需的生理、生化與構造改變

1. 建立葉肉細胞與維管束鞘細胞的空間分工

典型 C₄ 植物具有 Kranz anatomy（花環狀構造）：維管束周圍有較發達的維管束鞘細胞，外側由葉肉細胞環繞。水稻若要形成有效的 C₄ 機制，需調整葉片維管束間距，使葉肉細胞與維管束鞘細胞的排列、比例及接觸關係適合代謝物交換。

維管束鞘細胞還需具有足夠的葉綠體與相關胞器，並能提高 CO₂ 固定能力；葉肉細胞與維管束鞘細胞間也須有足夠的胞間連絲，使四碳酸及其衍生物可以有效運輸。