民國115年 高考三級 農業技術 作物學與作物生理學考古題
民國115年 高考三級 農業技術 作物學與作物生理學收錄考選部官方試題，共 4 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
請以臺灣雲嘉南地區進行硬質玉米秋作為例，在不同的生育期間（分為：
播種、幼苗至拔節期、抽穗至灌漿期、成熟期），說明如何利用地面鋪設
滴灌系統進行水分管理、合理化施肥（含氮、磷、鉀肥）、植物促生菌的
施用（含叢枝菌根菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF）及液化芽孢
桿菌（Bacillusliquefaciens）），並解釋這些措施強化生長發育的原理。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、播種期（整地、滴灌帶配置與菌劑接種）：於畦面播種行側下方五至十公分埋設滴灌帶，播後立即滴灌出苗水約十五至二十毫米，使種子層含水量達田間容水量七成；基肥將磷肥全量、鉀肥五成與氮肥二成隨水施於滴灌帶下方根圈。叢枝菌根菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF）接種於種子下方或育苗穴盤，液化芽孢桿菌（Bacillus liquefaciens）以浸種或灌根施用。原理為磷在土壤中移動性低，局部滴灌可提高磷肥接觸效率，AMF菌絲擴大吸收面積並分泌球囊霉素（glomalin）改善團粒構造與保水性。
- 二、幼苗至拔節期：秋作前期氣溫高、颱風與午後雷雨頻繁，滴灌採每三至五日十至十五毫米少量多次，雨後立即排水避免根腐與窒息；氮肥分二至三次追施，占全量三至四成，拔節期（V6至V8）為氮素臨界期，鉀肥再施三成。液化芽孢桿菌可分泌吲哚乙酸（IAA）、溶解磷酸鹽並產生ACC脫胺酶降低逆境乙烯。原理為局部濕潤誘導根系向水生長形成深層根群，分次施氮減少淋洗與反硝化損失，使氮素供應與根系建成同步。
- 三、抽穗至灌漿期：吐絲期至乳熟期為需水高峰，日需水約六至八毫米，宜每日或隔日滴灌五至八毫米，少量多次維持土壤水分張力在三十至五十千帕；氮肥追施三成、鉀肥二成，可採水肥一體化（fertigation）。此時AMF持續供應磷與鋅，減少籽粒充實不良與禿尖。原理為源（source）與庫（sink）關係，灌漿期葉片光合產物大量運往籽粒，鉀離子調節氣孔開度與蔗糖運輸，水分充足可延長葉片功能期並提高千粒重。
- 四、成熟期：乳熟後期起逐次減量，糊熟期停止滴灌並保持排水通暢，避免田間積水造成倒伏、穗腐與籽粒霉變；不再施用氮肥，以免延遲成熟與降低品質。原理為適度水分逆境可促進乾物質由莖葉向籽粒運移與自然脫水，惟過度乾旱會降低粒重，故採「前期足水、後期控水」原則，兼顧產量與收穫作業。
- 五、綜合原理與限制：滴灌將水與肥料定位施於根圈，並可採部分根區交替濕潤（partial root-zone drying）提高水分生產力；AMF與液化芽孢桿菌分別由磷供應、根系擴展、荷爾蒙調節與逆境蛋白等途徑強化養分吸收與耐旱性。限制包括滴灌帶堵塞、鹽分累積於濕潤鋒邊緣、菌劑存活受土壤性質與農藥影響，須定期清洗、水質過濾，並避免與殺菌劑同時施用。
何謂韌性農業？請列舉適合在臺灣栽培具備韌性農業潛力的5 種農藝作
物，並分別詳細說明理由。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、韌性農業的定義：韌性農業（resilient agriculture）指農業系統在氣候變遷與市場衝擊下，具備吸收（absorb）、調適（adapt）與轉型（transform）能力，於乾旱、高溫、豪雨、鹽害及病蟲害發生時仍能維持一定產量、收益與生態服務。其內涵包括抗性品種、作物多樣化、水土資源保育、風險分散與災後恢復，為氣候智慧型農業（climate-smart agriculture）的核心概念。
- 二、水稻：臺灣一期作常遇梅雨與颱風，水稻具通氣組織可耐短期淹水，水田並可滯洪調節微氣候；臺農67號等品系耐逆境，並有耐鹽、耐旱與再生稻技術，可調整生育期避開災害。稻米為國內主要糧食，倉儲與流通體系完整，災後恢復力強，故為糧食安全之基礎作物。
- 三、甘藷：甘藷耐旱、耐瘠、耐鹽，生育期短約四至五個月，塊根耐儲藏並具救荒功能；臺灣育成臺農66號、臺農57號等品系，可於缺水或沿海鹽分地種植，並作為澱粉、機能性食品與飼料原料。其栽培管理粗放、生產成本低，對氣候與價格衝擊具高度緩衝能力。
- 四、高粱：高粱為C4作物，水分利用效率高、耐旱耐鹽，適合雲嘉南沿海與地下水受限地區，可與水稻輪作減少抽水；臺灣推動高粱契作供應釀酒，收購價格穩定。其根系深、耐風，秋作可避開颱風季，為水資源不足下的重要替代作物。
- 五、大豆與小米：大豆為豆科作物，可與根瘤菌共生固氮、生育期短約三至四個月，國內已育成耐熱、耐淹品系，適合與水稻輪作並減少氮肥施用；小米（粟）耐旱耐瘠、生育期短，為原住民族傳統作物，適應山區乾濕極端，兼具文化與生態價值。兩者可提高田間作物多樣性，分散氣候與市場風險。
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。
植物在遭遇逆境（如乾旱、高溫、病菌感染等）時，細胞內產生的活性
氧族（Reactive oxygen species, ROS）如H2O2，會經由過氧化氫酶（Catalase,
CAT）或過氧化酶（Peroxidase, POD），將H2O2 還原為H2O。請回答下
列問題：
解釋植物利用這2 種酵素解除H2O2 氧化逆境的生理意義差異性。
（10 分）
以穀胱苷肽過氧化酶（Glutathione peroxidase, GPx）催化的氧化還原反
應循環為例子，說明如何將H2O2 還原為H2O。並以循序漸進往前溯
源的方式，說明此氧化還原反應過程中的H（電子）的提供者，源頭
來自於植物行光合作用所吸收的太陽能（地球的生物能量源自於植物
吸收的太陽能）。（15 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、過氧化氫酶（Catalase, CAT）的特性：CAT為含血基質的四聚體酵素，主要位於過氧化體（peroxisome）與乙醛酸體，可將兩分子H2O2直接歧化為兩分子H2O與一分子O2，不需外加還原力。其米氏常數（Km）較高但轉換率高，適合清除光呼吸與脂肪酸β-氧化所產生的大量H2O2，屬於「粗放型、大量清除」的解毒機制。
- 二、過氧化酶（Peroxidase, POD）的特性：POD為含血基質酵素，以愈創木酚、抗壞血酸或NADH等為電子供體，將H2O2還原為H2O而基質被氧化。其Km較低、對H2O2親和力高，分布於細胞壁、細胞質與液胞，能在低濃度下精細調控H2O2；並參與細胞壁木質化、傷口癒合與病原防禦，兼具結構強化與訊息傳遞功能。
- 三、兩者生理意義的差異：CAT負責「大量、突發」H2O2的快速移除，避免氧化傷害擴散至胞器；POD則在「低濃度、持續」層次維持氧化還原恆定，並將H2O2用於木質化與防禦反應。二者分工使植物既能耐受逆境爆發，又能保留H2O2作為訊息分子（如氣孔關閉、抗病訊息、程式性細胞死亡），不致全面清除而喪失訊號功能。
- 四、GPx催化之循環：穀胱甘肽過氧化酶（Glutathione peroxidase, GPx）含硒半胱氨酸，可將H2O2還原為H2O，同時將兩分子還原態穀胱甘肽（GSH）氧化為氧化態穀胱甘肽（GSSG）；GSSG再由穀胱甘肽還原酶（Glutathione reductase, GR）以NADPH為還原力再生為GSH，形成GPx-GR循環。淨結果為NADPH＋H+＋H2O2→NADP+＋2H2O。
- 五、電子溯源的階梯：NADPH之還原力來自光反應中鐵氧還蛋白-NADP+還原酶（FNR）將電子交給NADP+，或來自五碳糖磷酸途徑；光反應電子則由光系統II之放氧複合體（OEC）光解水而來，水為最終電子供體。能量溯源為太陽能→光系統II／I→鐵氧還蛋白→NADPH→GSH→GPx→H2O2→H2O；夜間由光合產物經呼吸作用與五碳糖磷酸途徑供應NADPH，其碳源與能量同樣源自植物吸收之太陽能。