民國115年 高考三級 農業技術 作物學與作物生理學
第3題
豆科根瘤菌為兼性好氧菌，需要氧氣行呼吸作用產生大量ATP 提供固氮 作用所需的能量，但固氮酶卻只能在低氧或無氧條件下才有活性。請回 答下列問題： 說明豆科植物與…
題目
豆科根瘤菌為兼性好氧菌，需要氧氣行呼吸作用產生大量ATP 提供固氮 作用所需的能量，但固氮酶卻只能在低氧或無氧條件下才有活性。請回 答下列問題： 說明豆科植物與根瘤菌如何分工合作克服這些問題？（10 分） 當空氣中的N2 被根瘤菌固定為NH3 或NH4+，或其它作物根細胞吸收 氮肥後，請以GS/GOGAT（Glutamine Synthetase / Glutamate Synthase） 的代謝反應循環為基礎，說明作物根細胞如何將NH4+轉化為運輸型胺 基酸，由根部運輸到各組織部位後，如何再次轉換並合成各種標準胺 基酸的機制？（15 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、氧氣悖論的所在：根瘤菌為兼性好氧菌，需以氧化磷酸化產生大量ATP供應固氮酶（nitrogenase）之高度耗能反應，每固定一分子N2約需十六分子ATP；但固氮酶之鐵鉬蛋白（FeMo protein）對氧極為敏感，氧會使其不可逆失活。故共生體系必須同時滿足「高呼吸速率」與「低游離氧濃度」兩個看似矛盾的條件，此即氧氣悖論（oxygen paradox）。
- 二、植物端的分工：豆科植物在根瘤皮層形成擴散屏障，限制氧氣進入速率，並大量表現豆血紅蛋白（leghaemoglobin），以高親和力結合游離氧，使類菌體（bacteroid）周圍維持約十至二十奈米莫耳的低游離氧環境，同時將氧傳遞給呼吸鏈；植物並以蔗糖分解提供蘋果酸、琥珀酸等碳源與電子給類菌體，且迅速運走固定產物以免回饋抑制。
- 三、菌體端的分工：類菌體誘導高親和力末端氧化酶（如細胞色素cbb3型氧化酶），在低氧下仍維持高呼吸通量，將滲入的氧迅速消耗於ATP生成；固氮酶與電子傳遞蛋白（鐵蛋白、鐵鉬蛋白）受類菌體膜保護，由還原態鐵氧還蛋白（ferredoxin）供應電子，將N2還原為NH3，隨即質子化為NH4+並分泌至植物細胞質，由植物迅速同化。
- 四、根部GS/GOGAT途徑：根細胞吸收NH4+後，麩醯胺酸合成酶（Glutamine Synthetase, GS）以ATP將NH4+與麩胺酸（glutamate）結合為麩醯胺酸（glutamine）；再由麩胺酸合成酶（Glutamate Synthase, GOGAT）以還原態鐵氧還蛋白或NADH為還原力，將麩醯胺酸與α-酮戊二酸（α-ketoglutarate）轉為二分子麩胺酸。淨反應為α-酮戊二酸＋NH4+＋還原力＋ATP→麩胺酸，構成氮素同化的核心循環。
- 五、運輸與再轉換：根部將氮以麩醯胺酸、天門冬醯胺（asparagine）及天門冬胺酸等運輸型胺基酸，經木質部隨蒸散流上運；地上部再經GS/GOGAT與天門冬醯胺合成酶（AS）調整氮碳比，並由轉胺酶（aminotransferase）將胺基轉移至草醯乙酸、丙酮酸及α-酮戊二酸等α-酮酸，分別生成天門冬胺酸、丙胺酸與麩胺酸，進而合成各種標準胺基酸，其碳骨架來自光合作用與三羧酸循環。
AI 依官方試題文字產生的參考解答，非考選部公告答案，內容僅供備考參考。