IB生物課程植物生長知識點及例題分析

在上次的植物學推送中我們(men) 提到了phloem和xylem相關(guan) 的內(nei) 容，並知道了植物是如何吸收水分和養(yang) 分的。

有了input就要有output，這次讓我們(men) 一起來看看植物是如何使用吸收的養(yang) 分生長以及繁殖的吧～沒有水分，全都是幹貨滿滿的內(nei) 容哦！

本文目錄

√Meristems

√Plant Tropism & Auxin

2.1 Auxin efflux pump 

√Plant reproduction

3.1 Pollination, Fertilisation, Seed dispersal

3.2 Seed germination

3.3 Control of flowering

01Meristems

你有沒有想過植物是在哪個(ge) 區域開始延長自身體(ti) 積的呢？

其實植物生長的區域被稱作為(wei) meristems，由正在分裂中未分化的細胞組成。 與(yu) 動物的determined growth(比如人類隻有一個(ge) 頭)相比，植物被視為(wei) 有著intermediate growth ----可以不受限製無限生長。 Meristems根據自身所在的位置可以被分為(wei) 兩(liang) 大類： Apical meristems

• 位於根尖和(root tip)芽尖 (shoot tip)
• 負責primary growth, 也就是負責縱向發展讓植物長高，為的是讓植物能夠找到水源和光源
• Shoot meristems → 負責向上生長的同時發育成花和葉子
• Root meristem → 負責根部的生長延長

Lateral meristems

• 位與莖部的cambium layer
• 負責secondary growth, 也就是橫向發展讓植物變粗

 ⬆Apical & Lateral meristems的位置

02Plant tropism & Auxin

就像動物一樣，植物也會(hui) 對所處環境作出反應，而植物的生長離不開外界環境的刺激。 

植物對於(yu) 外部刺激的定向生長反應被稱之為(wei) tropism。其中有兩(liang) 種：phototropism 和 gravitropism。

• Phototropism → 向光性，向著光源的方向生長。
• Gravitropism → 向地性，順著地心引力也就是地底生長。

這兩(liang) 種tropism都是由一種被稱為(wei) auxin的plant hormone所控製。

Auxin首先會(hui) 在根尖和芽尖產(chan) 生，然後向著尖部的反方向擴散開來。在擴散後，auxin會(hui) 在芽不被陽光照到的那麵堆積，而在根部則是會(hui) 在下側(ce) 堆積。 

那麽(me) auxin是如何讓植物生長的呢？

用芽來舉(ju) 個(ge) 例子： 首先，我們(men) 知道芽是positively phototropic以及 negatively gravitropic，也就是會(hui) 向光生長並遠離地麵。如果陽光從(cong) 芽的右側(ce) 照過來，auxin就會(hui) 在芽的左側(ce) 堆積。這一堆積就會(hui) 導致左側(ce) 的細胞生長速度加快，使芽整體(ti) 向右側(ce) 也就是有陽光的方向彎曲。 

 大致是這種感覺⬆ 

要注意的是，auxin在根和芽的作用是完全相反的。在芽會(hui) 刺激生長，而在根部則會(hui) 抑製生長。 根是negatively phototropic以及positively gravitropic，也就是說會(hui) 遠離光線並向地麵生長。

Auxin會(hui) 在根部更低的一側(ce) 堆積並抑製這側(ce) 細胞的生長。與(yu) 此同時，因為(wei) 更高的那側(ce) 依舊在正常生長，根部會(hui) 越長越深。  

和芽的生長方向是相反的根部示意圖⬆

2.1 Auxin efflux pump

剛才我們(men) 了解到了auxin和tropism的關(guan) 係，接下來就要進入正題啦：auxin是如何讓芽長長的！ 

?注意：auxin是在meristem中被合成的，並且需要transport proteins將其送進細胞中才能發揮作用。 用phototropism舉(ju) 例：

1. 陽光會(hui) 先被名為(wei) phototropin的蛋白質所檢測到，並通過active transport將auxin分配到芽的陰麵，形成concentration gradient。

2. 通過在plasma membrane中的auxin pump將auxin傳(chuan) 送進cytoplasm並與(yu) nucleus中的auxin receptor結合。

3. 結合會(hui) 促進特定基因的轉錄(transcription)，激活更多的proton pumps也就導致更多H+ ions進入細胞壁。

4. H+ ions的堆積會(hui) 降低細胞壁內(nei) 的pH並打破組成細胞壁的cellulose之間的hydrogen bonds，最終導致細胞整體(ti) 的膨脹和伸長

細胞因為(wei) H+ ions而伸長的大致示意圖⬆ 

03Plant reproduction

和動物一樣，植物也有著繁殖的方法，隻不過不止一種。比如 vegetative propagation，也就是通過營養(yang) 器官來產(chan) 生新植株的無性生殖方式，以及sporogenesis，也就是通過孢子進行的無性生殖（通常發生在苔蘚之間）。 

IB要求我們(men) 掌握的是植物的有性生殖，也就是我們(men) 所知的花粉傳(chuan) 播。 

不過在那之前，先讓我們(men) 先來複習(xi) 一下花的結構！這裏給大家貼上總結表⬇

Structure		Function
Petal		吸引昆蟲
Sepal		保護花蕾的成長
Stamen(male)	Anther	產生花粉 包含male gametes
	Filament	支撐並固定anther
Pistil(female)	Stigma	接受花粉的部位
	Style	連接著stigma 和ovule
	Ovule	卵子也就是female gametes(位於Ovary中)

?注意：IB 有時候也會(hui) 用carpel指代pistil 

 
IB不僅(jin) 要求我們(men) 知道名稱還要會(hui) 畫並標注一朵花哦⬆

3.1 Pollination, fertilisation, and Seed Dispersal

開花植物的有性生殖的流程可以大致分為(wei) 三大段:

 1）Pollination:開花植物的有性生殖的關(guan) 鍵在於(yu) 花粉要從(cong) anther轉移到stigma上。花粉在植物之間的傳(chuan) 播方式不止一種，其中包括水和風。最常見的是由動物來傳(chuan) 播花粉（也被稱為(wei) pollinators）比如鳥類，蝙蝠和昆蟲。 

Pollinators和植物之間的關(guan) 係屬於(yu) mutualism，我們(men) 可以將其理解為(wei) 互利互助模式下的雙贏。在pollinator將花粉傳(chuan) 遞到stigma的同時也從(cong) 花朵那裏獲得了花蜜作為(wei) 食物，他倆(lia) 都在這種關(guan) 係中受益。

 2）Fertilisation:當花粉到達stigma後會(hui) 通過一個(ge) 個(ge) pollen tubule順著style 向下進入ovule，並與(yu) 卵子結合使其受精。 看到這裏你可能會(hui) 問了，如果一朵花的花粉飄到了自己的stigma上怎麽(me) 辦？ 那當然是會(hui) 形成一個(ge) 自己的克隆體(ti) 啦！ 在野外的話，cross-pollination可以給植物的生長帶來更多的變化以幫助植物在不同的環境條件下生存。但其實在植物界中自己給自己授粉的情況也時常發生，比如小麥和大米。 

3）Seed Dispersal:受精後的ovule會(hui) 逐漸發育成種子，而ovary整體(ti) 會(hui) 發育成果實。種子會(hui) 根據自身結構通過不同的方法將自己傳(chuan) 播出去。 比如說我們(men) 小時候都吹過的蒲公英就是靠風人類的嘴飛到不同的地方的。 

再比如有的有種子表麵覆蓋著勾子，可以勾著動物的毛到達其他地方（雖然很多時候會(hui) 勾到我們(men) 的褲子上然後被無情丟(diu) 掉x）。 

還有的是引誘動物吃下自己的果實再吐掉其中的種子以傳(chuan) 播。分散到不同的地方的好處是可以減少互相之間資源的競爭(zheng) ，並有助於(yu) 傳(chuan) 播物種壯大自己的家族。 來看一道曆年IB真題，看看IB是如何考察我們(men) 這些知識的！ 

【曆年真題】 2018 NOV P1 

【答案&解析】

這道題要求我們(men) 能夠分辨出pollination和fertilization的區別。 Pollination是movement of pollen沒錯，但是不是所有的movement of pollen都叫pollination（花粉被吹走飄到樹上也算是一種movement啊）。 除此之外，pollination和fertilization不一定要是從(cong) 一朵花到另外一朵，一朵花可以self-pollinate，所以我們(men) 可以排除A和D。B對於(yu) pollination的定義(yi) 是錯的，因為(wei) movement of seeds away from the parent plant指的是seed dispersal，所以我們(men) 還可以排除B。 因此最終得出答案為(wei) C選項。

3.2 Seed Germination

當種子被帶到其他地方後，就要開始考慮如何生根發芽了！IB要求我們(men) 知道starchy seed的發芽過程及畫並標注整體(ti) 結構： 下表為(wei) 大家總結了種子結構⬇

Structure	Function
Radicle	Embryonic root
Epicotyl	Embryotic shoot
Micropyle	讓水進入種子的小洞
Cotyledon	Embryonic leaves → 根據數量可以判斷出這棵植物是屬於monocotyledonous(單子葉植物)或者dicotyledonous (雙子葉植物)
Testa	外衣

?注意：IB 有時候也會(hui) 用plumule指代epicotyl 

⬆starchy seed的主要部位是這樣的畫的時候要注意micropyle的位置不要完全封死！（畢竟是個(ge) 洞，如果畫的時候連上了就不是洞了orz） 

大概了解了結構後，讓我們(men) 來看看一個(ge) starchy seed是如何發芽的吧！
首先是要需要具備的重要環境條件：

• 水 → 種子需要水分來開始整個過程
• 氧氣 → 要進行cell respiration 的話不能沒有氧氣
• 溫度 → 發芽需要酶來催化化學反應所以溫度不能太冷
• 土壤的pH → 強酸性或強堿性的土壤會破壞酶的作用

當周圍環境符合發芽條件後，以下步驟會(hui) 發生：

1. 水通過micropyle進入種子後激活體(ti) 內(nei) 的激素(hormone)gibberellin 

2. Gibberellin會(hui) 促進amylase的合成

3. 因為(wei) amylase是酶，所以會(hui) 將儲(chu) 存的starch分解為(wei) maltose

4. Maltose會(hui) 被epicotyl和plumule吸收

5. 緊接著被自身所帶的maltase給分解成glucose最終用於(yu) 發芽 整個(ge) 過程看起來複雜，但其實隻要理解為(wei) 是starch一點一點被削成monomer再被吸收的過程也許就會(hui) 覺得簡單多了⬇ 

快來看一道曆年真題來檢測一下你是否有真正理解～

 【曆年真題】 2017 NOV P1

重點：這個(ge) 問題問的是哪盤無法發芽。

 【答案&解析】

Agar plate中有glucose的種子肯定會(hui) 發芽所以我們(men) 可以首先排除A和B。剩下的C和D這兩(liang) 盤都是agar plate，一個(ge) 有cotyledon，一個(ge) 沒有cotyledon。因為(wei) 種子本身就有starch而且儲(chu) 存於(yu) cotyledon中，所以我們(men) 可以排除C。 最終答案：D

3.3 Control of flowering
說完發芽，就不得不提下一步與(yu) 開花相關(guan) 的內(nei) 容了！ 漂亮的花不僅(jin) 能夠吸引到欣賞它們(men) 的人類，還有對花蜜垂涎欲滴的pollinators。 就像剛才提到過的一樣，開花的目的是能夠使植物通過有性繁殖來繁衍後代，所以需要pollinators的幫助。

為(wei) 了保證有足夠的pollinators以及錯開競爭(zheng) 對手，在大自然中有的花隻會(hui) 在冬天開(short-day plants e.g. chrysanthemum菊花)，而有的花隻會(hui) 在夏天開(long-day plants e.g. iris鳶尾花)。 決(jue) 定開花時間的是一種位於(yu) 葉子中名為(wei) phytochrome的pigments。

它們(men) 可以測量夜長並控製開花，相當於(yu) 植物體(ti) 內(nei) 的時鍾。 Phytochrome有兩(liang) 種形態：phytochrome-red (P_r)和phytochrome far-red (P_fr)。這兩(liang) 種分別能夠吸收red light (660 nm)和far red light (730 nm)。 

關(guan) 於(yu) 這兩(liang) 種形態要注意的地方是P_r和P_fr之間會(hui) 互相轉換：白天當P_r吸收red light時會(hui) 轉換為(wei) P_fr，當P_fr吸收far red light時會(hui) 轉換為(wei) P_r。而夜間 沒有任何光的時候P_fr又會(hui) 慢慢變回P_r。

• 白天因為太陽光（也就是red light）充足所以有很多P_r被轉換為P_fr，導致P_fr的堆積。
• 因為夜間 P_fr會慢慢轉換回P_r，所以當夜晚很長的時候就會堆積P_r。

P_r和P_fr之間轉換的大致示意圖⬆

這兩(liang) 種形態中最重要的是P_fr，因為(wei) 隻有P_fr才能夠決(jue) 定開花的時間。 Long-day plants和short-day plants有著同一個(ge) critical P_fr point。Long-day plants中的P_fr需要超過臨(lin) 界點才能開花，而short-day plants中的P_fr必須少於(yu) 臨(lin) 界點才能開花。 

夏天因為(wei) 日照時間長，所以P_fr > P_r。相反，冬天因為(wei) 日照時間短黑夜時間長，所以P_fr < P_r。 

用long-day plants舉(ju) 例的話：夜晚短 = 白天長 = P_fr多到超過臨(lin) 界點 = long-day plants開花。 這兩(liang) 種植物也都有著一個(ge) critical night length，也就是開花所需的最低夜晚時間，因為(wei) 和P_fr的數量和夜晚的時間息息相關(guan) 。

 現在人們(men) 可以通過光照控製開花時間，這整個(ge) 過程被稱為(wei) photoperiodism ⬆就像這張圖一樣，如果夜間突然閃過一段時間的red light的話，花也不會(hui) 開。因為(wei) 夜間P_fr轉換回P_r的過程被打斷，又因為(wei) 有光照所以多出來了更多的P_fr。 

【曆年真題】 2020 NOV P1

【答案&解析】

題目重點：short-day plant 的開花條件 = long dark & short light ，所以首先可以排除A和B。因為(wei) P_fr轉換回P_r是一個(ge) 十分緩慢的過程，所以在滿足這個(ge) 前提下還需要有到達critical night length。在這裏我們(men) 可以排除D，因為(wei) 想要short-day plant開花的話P_fr就不能超過臨(lin) 界點，換句話說就是需要足夠的時間在夜晚讓它自己變回P_r。 最終答案：C  是不是做對了呢？讓我們(men) 再來看一道2018年的真題： 2018 NOV P1

 【答案&解析】

這道題與(yu) 上一題相反，問的是off-season flowering in long-day plants。 Long-day plants 的開花條件 = long light & short dark，也就是夏天。問題中給出的條件是off-season也就是東(dong) 天，白天短晚上長。晚上長的話會(hui) 有更多的P_fr轉換回P_r，導致需要足夠多的P_fr才能開花的long-day plant開不了，所以我們(men) 可以排除A和B，因為(wei) 真的不需要更多的darkness了 。D也可以被排除掉因為(wei) cycle of light和給出的條件沒有關(guan) 係，最重要的是要有足夠多的P_fr。在晚上給植物照光會(hui) 將已經轉換為(wei) P_r的P_fr的數量恢複。因此最終答案為(wei) C選項。 

最後的小總結

Plant physiology是屬於(yu) AHL的內(nei) 容，所以SL的同學們(men) 不用擔心啦（HL的同學們(men) 加油！）。這章的內(nei) 容中有許多流程和邏輯需要掌握，隻要把它們(men) 的關(guan) 係捋清楚了就會(hui) 簡單許多！

希望這次的內(nei) 容能夠幫助你複習(xi) 到了相關(guan) 內(nei) 容和IB的考點～祝大家都能777！