第29 屆國際生物學奧林匹克競賽試題

實驗4 植物系統(tǒng)學、解剖學和生理學

范六民1周 潔2楊 揚3張 立4張雁云4

（1 北京大學生命科學學院 北京 100871 2 華中師范大學第一附屬中學 湖北武漢 430223 3 清華大學生命科學學院 北京 100084 4 北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

中國圖書分類號：G634.915 文獻標識碼：E

總分：100 分

時間：90 min

●請將你的學生代碼寫入標題頁的方框中。

●使用單獨提供的答題紙回答所有問題。

●不會評估寫在試題紙中的答案。

●旗幟的使用（桌子上的標志），只需將其置于桌子左墻上的旗架上即可。

●請確保你可使用所有材料和設(shè)備。如果遺漏任何東西，請在考試開始后5 min 內(nèi)將旗幟放在旗架上。（15 min 后的任何投訴都不會被接受）

●如遇緊急情況或問題，請將您的黃旗置于旗架上。

●在實驗過程中，任何材料損失都不會額外提供。

●在使用此任務(wù)的材料時，請務(wù)必遵守安全說明。

●建議你在開始實驗之前閱讀整個實驗流程，以幫助你進行時間管理。

●在考試結(jié)束時立即停止答題并放下筆。將整個流程與答題紙放在信封中。監(jiān)考人員將收集信封。

祝你好運。

用自己的字跡，在下表右邊的單元格中寫出左邊提示的數(shù)字。

1 7

材料與設(shè)備（注意每項物品的數(shù)量）

1.顯微鏡；

2.實驗手套，吸水紙；

3.移液器（100～1 000 μL）和藍色吸頭；

4.薄層層析（TLC）板（5 個板）；

5.鉛筆（1 支）；

6.直尺（1 把）；

7.鑷子（1 支）；

8.薄層層析槽和蓋（1 個）；

9.毛細管（1 盒）；

10.透明膠帶（1 個）；

11.安全粘貼的解剖刀片（5 支），注意：勿切到手指，握貼有黃色膠帶的一邊；

12.創(chuàng)可貼（2 片）；

13.酒精片（2 片）；

14.表面皿（5 個）；

15.泡沫（切片用）；

16.載玻片和蓋玻片（5 套）；

17.洗瓶500 mL（1 個）；

18.燒杯1 000mL、50 mL 和25 mL（各1 個）；

19.滴管（1 支）；

20.移液管膠泵（1 個）；

21.吸管10 mL（1 支）；

22.1 mL 注射器（1 支）；

23.pH 試紙；

24.試管（5 支）；

25.用于NO3測量的溶液1（1 份）（小心）；

26.用于NO3測量的溶液2（1 份）；

27.用于NO3測量的顏色參考比色條（1 份）；

28.用于CaCO3測量的溶液1（1 份）；

29.用于CaCO3測量的溶液2（1 份）；

30.包括有如下物品的架子：

●裝有TLC 溶劑（TS∶酒精∶n-丙醇∶蒸餾水比例為2∶2∶1）的Falcon 管；

●裝在標記為PA～PE 的小管中的提取的花瓣色素；

●裝在標記為S1～S5 的falcon 管中的土壤提取物；

●裝在標記為L1～L5 的小管中的葉提取物；

●次氯酸鈉溶液（洗滌劑）；

●染液（甲苯胺藍O 溶液）；

●保存在小管中的葉樣品A～E；

●裝有氫氧化鉀顆粒的小管（1 支）（小心）；

31.答題紙（2 張，第1 張寫答案，第2 張答題紙標記為answer sheet 2 的用于粘貼TLC 板）；

32.綠旗和黃旗。

介紹

石竹（Caryophyllales）是雙子葉開花植物的石竹目。這是一個多樣化的目，包括樹木、灌木、藤本植物、紅樹林、多肉植物（莖或葉）、一年生植物，甚至食肉植物。該目植物的許多成員在生態(tài)學上發(fā)育特化以忍耐極端環(huán)境。在下面的實驗中，將研究5 種石竹目植物響應(yīng)不同生境的生理生態(tài)特征。

任務(wù)1：石竹中的甜菜素和花青素

幾乎所有的開花植物都有紅色、藍色或紫色的花瓣，這些顏色是花青素生物合成途徑的產(chǎn)物。花青素色素在植物的營養(yǎng)組織中起著額外的作用，使其免受紫外線（UV）、食草蟲類和病原菌的攻擊。此外，在石竹目植物中發(fā)現(xiàn)了第2 組彩色的色素，即甜菜素。這2 種類型色素中的其中一種存在于每個科中，它們從未在同一科中被同時發(fā)現(xiàn)。

將石竹目的5 種植物（植物PA～PE）的花瓣或苞片中提取的色素存于小管（植物A～E）。每種植物屬于1 個科。用實驗流程1 確定每種植物中存在的色素種類。

實驗流程1：花青素和甜菜素分析

1.標記TLC 板。用鉛筆在每個板的底部上面1 cm 處畫一條水平線（梯形形狀。在前者上方4 cm 處畫另一條線，并將其視為溶劑前沿）。

2.標記TLC 板。用鉛筆在層析板的頂部用字母A～E（英文字母順序）對5 個TLC 板進行標記。

3.取少量溶液。使用前搖動管子。用毛細管取出適量的色素提取物，在板上點樣。

4.在板子上點樣。如圖1 所示，在每個獨立的TLC 板上沿水平線輕輕點每個提取物（樣點半徑應(yīng)為約0.2 cm）。對每種提取物重復(fù)點樣，以將色素濃縮于TLC 板上（約3 次）。最好在每次點樣前讓TLC 板保持干燥。

圖1

5.準備TLC 槽。將溶劑（Falcon TS）倒入槽中（注意：將板放入槽中時，溶劑水平應(yīng)低于這些樣點位置）。用蓋子蓋住槽，等待越5 min，使溶劑相與氣相平衡。

6.運行色譜。當TLC 板上的樣點干燥時，輕輕地迅速（必須保持溶劑/氣體平衡）用鑷子將TLC 板放入溶劑槽中，剛好放在溝槽中，使每個板的點過樣的一端置于底部（注意：將所有板同時放入TLC 槽內(nèi)的溝槽中）。將板的底邊浸沒在溶劑中。再次蓋上層析槽的蓋子。等待直至溶劑到達溶劑前沿線。

7.取下板子。用鑷子小心地2 從槽中取出TLC 板。

8.等溶劑從板上揮發(fā)。

9.固定。在板上粘上透明膠，防止色素損失，將你的TLC 板貼到answer sheet 2（答題紙2）上，溶劑前沿應(yīng)該朝上。注意：一旦完成后，將綠旗放到旗架上。

10.計算阻滯系數(shù)（Rf）。Rf是條帶移動距離與溶劑移動距離的比值。用每條帶的中間測量移動的距離（圖2）。注意：Rf≤0.060 代表花青素，Rf≥0.070 代表甜菜素。

圖2

問題1.在答題紙上用“√”表示植物A～E 中存在花青素或甜菜素。同時寫入相關(guān)的Rf值（僅顯示小數(shù)點的2 位數(shù)，略去其他位數(shù)）。

請將綠旗放在旗架上，交答題紙2。

任務(wù)2：石竹目植物的生理生態(tài)特征

有5 種土壤沖刷液，標記為Falcons S1～S5。還有5 種葉提取物（小管L1～L5）。

注意：5 個土壤沖刷液（S1～S5）對應(yīng)于5 個葉提取物（L1～L5），但尚不知道哪個土壤沖刷液屬于哪個植物（植物A～E）。

通過執(zhí)行實驗流程2.1～2.3，測量土壤沖刷樣品的CaCO3和硝酸鹽濃度，以及土壤沖刷液和植物葉提取物的pH 值。

注意：葉提取物是在黎明時制備的。

實驗流程2.1：測量土壤中CaCO3的含量

為了研究土壤中所有鹽的總濃度，通過容量測定法測量土壤沖刷液中CaCO3的含量。“用于CaCO3測量的溶液1”含有當混合物中沒有游離Ca2+時變?yōu)樗{色的指示劑。“用于CaCO3測量的溶液2”含有化合物X（4 mM），其與Ca2+離子形成1∶1 復(fù)合物。

1.向燒杯中加入10 mL 土壤沖刷液（如果有必要，在此步驟前用蒸餾水清洗燒杯）。

2.加入2 滴“用于CaCO3測量的溶液1”并混合。如果溶液為藍色，則CaCO3濃度≤1 mg/L；如果溶液為紅色，則繼續(xù)進行下一步。

3.用注射器向混合物中加入“用于CaCO3測量的溶液2”，直至顏色變?yōu)樗{色為止。添加溶液的同時搖動燒杯。在答題紙的問題2：表1 處，寫下消耗的“用于CaCO3測量的溶液2”的體積和土壤沖刷液的Ca2+濃度（Ca 的摩爾質(zhì)量為40 g/mol）。

實驗流程2.2：測定硝酸鹽的含量

用一個試劑盒測定土壤沖刷液中硝酸鹽的含量。此試劑盒的使用說明如下：

1. 將1 mL 土壤沖刷液樣品倒入25 mL 或50 mL 的燒杯中。

2.小心加入20 滴“用于NO3測量的溶液1”，然后加入蒸餾水至總體積為10 mL。

3.請小心地用手套和鑷子，挑取2 個KOH 顆粒并將其溶解在上述混合物中。

4.添加幾滴“用于NO3測量的溶液2”，將出現(xiàn)黃色。

5.繼續(xù)逐滴添加“用于NO3測量的溶液2”，搖勻，直至黃色穩(wěn)定。

6.將約5 mL 混合物轉(zhuǎn)移至試管中，并將其顏色與參考條顏色進行比較，以測量NO3濃度。將結(jié)果記錄在答題紙的問題2：表1 中。

實驗流程2.3：測量pH 值

測量土壤沖刷液及葉提取物的pH 值：

將1 條pH 試紙放入樣品中，幾秒鐘后將其取出。并甩動試紙條去除多余的溶液。

確定顏色與參考條的哪個pH 值的顏色匹配，并在答題紙問題2：表1 中記錄相應(yīng)的pH 值。

根據(jù)獲得的結(jié)果，在答題紙上回答問題2：表2 中。

任務(wù)3：C3、C4 和CAM 光合作用途徑的鑒定

在不同科的石竹屬植物中，存在所有3 種類型的光合作用機制。在此項任務(wù)中，你應(yīng)該確定每種植物的光合作用途徑。

你可用流程3制備橫切片。請注意：制備橫切片本身不給分，但你還是需要制備橫切片回答任務(wù)4。

實驗流程3：橫切片的制備

1.使用刀片和泡沫片，小心地用預(yù)先固定的葉（小管A～E 中）徒手制備橫切片。將切片存放在表面皿或載玻片上的水中。

2.將“次氯酸鈉”（清洗劑）加到切片上。

3.至少3 min 后去除清洗劑。

4.用水清洗切片（3 次）以除去清洗劑。

5.用“甲苯胺藍O”溶液染色切片（注意：在用前，稀釋“甲苯胺藍O”溶液20 倍）。

6.1 min 后，用水清洗切片。

7.將切片置于載玻片上。滴一滴水，然后用蓋玻片蓋上，在光學顯微鏡下觀察。

8.根據(jù)任務(wù)2 和任務(wù)3 的結(jié)果，在答題紙的問題3：表1 中，用“√”表示每種植物的光合作用類型。

任務(wù)4：石竹目植物的晶體類型

草酸鈣晶體分布在石竹目的許多成員中。這些植物能大量地積累晶體。植物中形成草酸鈣晶體的主要功能包括高容量鈣調(diào)節(jié)和防止食草蟲類的侵襲。晶體以特定的形狀和尺寸形成。晶體形態(tài)是物種特異性的，并且傳統(tǒng)上用于鑒別石竹目中的種和屬。

用你在上一個任務(wù)中制備的葉的橫切片，鑒別植物A～E 中的晶體類型。下圖顯示了常見晶體類型的形狀。

圖3 不同類型的草酸鈣晶體

問題4：

A.在答題紙上，用“√”和“×”分別指出植物A～E 中每種晶體類型存在與否。

B. 假設(shè)在鹽生植物中有大量的棱柱狀的晶簇，土壤沖刷液3 屬于植物D，確定哪個土壤（S1～S5）屬于哪個植物（A～E）。填寫到答題紙上的問題4：表2 中。

任務(wù)5：繪制最大簡約發(fā)育樹

最大簡約法（maximum parsimony）是一種重建系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的系統(tǒng)發(fā)育方法。在這種方法中，將使用變化的次數(shù)及權(quán)重評估每個樹。最好的樹是具有最小進化變化的樹。基于下表畫出的推定的分類群W～Z 的2 個樹如圖4 所示。在此例子中，“樹2”由于分數(shù)較低而優(yōu)于“樹1”。

圖4

Ni是樹中性狀i的變化次數(shù)，Wi是性狀i的權(quán)重。

下表顯示了假定分類群P ～T 在系統(tǒng)發(fā)育上的重要性狀。

注意：表中的數(shù)據(jù)與你在前面部分中獲得的數(shù)據(jù)不匹配。

性狀I(lǐng) V植物（色素）II（晶簇）III（針晶體）IV（花粉粒）（花冠聯(lián)合）VI（花被輪）VII（葉序）P Q R S T 外群權(quán)重0 1 0 0 0 0 2 1 1 0 0 1 0 2 1 0 1 0 1 0 4 1 1 1 1 1 0 3 0 1 1 0 1 0 2 1 0 0 0 1 0 2 0 1 1 1 0 0 1

下表列出了這些性狀的狀態(tài)。

性狀I(lǐng)（色素）II（晶簇）III（針晶體）IV（花粉粒）V（花冠聯(lián)合）VI（花被輪）VII（葉序）狀態(tài)0花青素狀態(tài)1甜菜素無無有有光滑表面花瓣離生1輪互生或蓮座叢粒狀表面花瓣合生2輪或以上對生

問題5：根據(jù)上表中的性狀及其權(quán)重，在答題紙上繪制最大簡約發(fā)育進化樹并計算其得分。

注意：在樹中放置衍征（由祖先特征演化而來的、但表型不同的特征）不是必需的，不計分。