第26届国际生物学奥林匹克竞赛试题实验1·植物解剖 生物系统科学与进化

刘宝玉 王戎疆 张 立 佟向军 范六民

（1 天津市第一中学 天津 300051 2 北京大学生命科学学院 北京 100871 3 北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

总分：100 分 考试时间：90 min 共6 道题。

在地球上，陆生植物构成了一种单质系，它们非常成功地适应了陆地栖息地。 陆生植物是陆地生态系统的重要组成成分，并构成了所有其他陆生生物之间生态互动的框架。在这次考试中，将重点关注是哪些因素使得陆生植物能在地球上占据统治地位。

考试目的：植物鉴定、形态描述和系谱关系重建。

本次考试由5 个部分组成：

鉴定标本（5 分）；

形态描述（36 分）；

形态学变异和基本形态特征定义（29 分）；

在系统树上绘制形态特征演化图（21 分）；

陆生植物演化的关键因素（9 分）。

材料和设备

为了完成实验，你需要下面列出的材料。请确保可以获取这些材料。如果发现材料缺失，请在考试开始15min 之内举手示意考务人员。 每位考生只有一份实验材料，在考试过程中请谨慎操作。

1）5 张植物标签纸（H1～H5）。 请注意，标签中所包含的信息与标本物种之间并不相关。 重要提示：请不要在便签纸上写字或涂抹，否则一经发现将被立即停止考试。

2）5 张植物照片（P1～P5）。

3）2 组新鲜植物（F1～F2）。

4）4 组醇类保存的植物组织（A1～A4）。

5）4 个安装在显微镜载玻片上的植物组织解剖切片（M1～M4）。

6）1 个培养皿。

7）1 个解剖钳。

8）1 个挑针。

9）1 个平板电脑微距镜头。

10）1 支触摸笔。

其他：1 张包含有所有材料图片的单页。

1 物种鉴定（5 分）

下列材料(见前文)属于8 种陆地植物，以首字母顺序排列：

1）大蒜（野生大蒜）；

2）问荆草（马尾草属）；

3）石松（刚毛石松）；

4）樟子松（苏格兰松）；

5）豌豆（菜豌豆）；

6）欧亚多足蕨（蕨类植物）；

7）金发藓（常见发苔）；

8）卷柏（非洲丛生卷柏）。

这8 种物种代表了5 种主要的陆生植物进化谱系：苔藓（1 种），石松（2 种），蕨类植物及其类似植物（2 种），裸子植物（1 种），被子植物（2 种）。请注意：卷柏将在整个考试中作为范例物种，并且已经提供与其相关的一些答案。

问题1.标本鉴定。

在上面列出的8 个物种中，鉴定出5 种植物标本中的每一种。

在5 张照片（P1～P5）中找出每一个物种，鉴定为上面列出的8 个物种之一。

在上面列出的8 种物种中，鉴定出2 种活植物（F1～F2）的每一种。

在4 种醇类保存的标本（A1～A4）中鉴定出每一种：

将4 种植物组织（M1～M4）鉴定为8 个物种之一：

2 形态描述（36 分）

在你的材料中找到9 种形态结构（如下）的位置并以照片的方式进行记录（如下图所示）。

举例说明如何用箭头指示某一个结构

形态结构：花药；盖；孢子堆；孢子叶；小型叶；芽孢囊；花萼；种子；花粉粒。

操作步骤：

1）将镜头安装到平板电脑的摄像头上。

2）从材料中选择一个标本，找到这个材料中相关的结构。

3）拍照。 每种标本的每一个结构只拍摄一张照片。

4）在照片上用箭头表示该结构的位置（见上图）。

5）对剩下的形态结构重复上述过程（步骤2～5）。

每上传一张照片并加上一个指向正确结构的箭头，可以得到3 分。 照片清晰可以额外获得1分。 正确结构应该是：1）拍摄完全；2）填满图片框；3）聚焦清晰。 注意拖放箭头，箭头必须精确地指向正确结构。

问题2.找出9 种形态结构（27 分）；上传结构清晰的照片（9 分）。

3 形态学变异和基本形态特征定义（29 分）

作为特征分析的第1 步，请首先描述以下样品形态上的变化。 下面的8 个物种可以在系统进化树中找到某些特征的演化痕迹：

1）大蒜（野生大蒜）；2）问荆草（马尾草属）；3）石松（刚毛石松）；4）樟子松（苏格兰松）；5）豌豆（菜豌豆）；6）欧亚多足蕨（蕨类植物）；7）金发藓（常见发苔）；8）卷柏（非洲丛生卷柏）。

在下表中有9 个对于陆地植物进化非常重要的形态特征。每个特征被分解成了2 个状态。请注意：第1 列为特征描述，第2 列“0”代表演化方向，第3 列“1”代表最新的演化情况。

状态“0” 状态“1”特征1 受配子时相控制 受孢子时相控制特征2 茎上无须根 茎上有须根特征3 茎上无维管组织 茎上有维管组织特征4 雌配子体从孢子体释放 雌配子体保留在孢子体特征5 每个孢子囊有一个孢子体 每个孢子囊有多个孢子体特征6 孢子囊中有1 个或无孢子叶 孢子囊中有2 个及以上孢子叶特征7 同形孢子（只有1 种孢子） 异形孢子，即含有大孢子和小孢子特征8 雄性配子可运动 雄性配子不可运动特征9 不存在双受精作用 存在双受精作用

问题3.填充8 种特征状态表格（29 分）

特征分析的下一步是描述下表中的形态变化特征状态。 下面的表格可用于描述本次考试中上述9 种变化的关键特征。

考生通过填充空单元格进行特征描述。 每个物种的特征状态“0”或“状态1”都已经分配给单元格。 在下图中，卷柏已经作为示例填入表格。

通过点击单元格，你可以选择一个状态（1 或0），第1 次点击是“1”，第2 次是“0”，第3 次点击可删除单元格的内容。 请注意:请耐心解答，在切换不同状态时会有短暂的延迟。

填充正确的单元格在0～29 之间时不得分；全部填充错误或不填充时不得分； 填充正确的单元格在大于29 时得1 分；58 个单元格全部填充正确时得29 分。

1）大蒜（野生大蒜）；2）问荆草（马尾草属）；3）石松（刚毛石松）；4）樟子松（苏格兰松）；5）豌豆（菜豌豆）；6）欧亚多足蕨（蕨类植物）；7）金发藓（常见发苔）；8）卷柏（非洲丛生卷柏）。

4 在系统树上绘制形态特征演化图（21 分）

系统树是在研究一组生物体之间之间祖先关系时产生的假说（下图）。

系统树显示了5 种主要的陆地植物之间的关系。G=裸子植物；L=石松类植物；A=被子植物；M=苔藓、蕨类极其类似植物。

在接下来的步骤中，将在给定的系统树（下图）中填写进化特征。 该系统树代表了陆地植物进化不同的假说之间的共识。

你将使用一个名为删除转换（DELTRAN）的特征描述过程。 根据以下步骤进行描述：

1）特征只允许为“0”或“1”。

2）尽量减少同一特征在系统树上的变化次数（节省原则）。

3）如果将一个给定特征无法对一个进化分支进行描述，那么就更改该特征（并行进化）。

4）指示出存在给定特征变化的系统树分支。请注意：使用双竖线表示存在的平行进化特征，使用单竖线表示单一的进化特征。最后，指出将状态从0 更改为1 的进化特征的数量（如下图所示）。

问题4.确定8 个物种的发育关系。

将前述物种放置在正确的分支上：

问题5.在下面的表格中，你可以在首行找到种系发生的分支A～E，在首列找到演化特征1～9。通过点击单元格可以根据上面描述的DELTRAN原则选择分支特征。 第1 次点击可选择为只有一种演化特征，第2 次点击可选择为存在平行进化特征，第3 次点击将会删除选择。 请注意，在系统树中特征状态的变化可能是不均匀分布的，因此有些单元格必须是空的。

0～15 个单元格选择正确得0 分。

16～40 个单元格选择正确得8 分。

41～45 个单元格选择正确得16 分。

5 陆生植物演化的关键因素（9 分）

基于对进化特征的重构，植物学家讨论了早期陆生植物进化的动因。目前，有2 种假说被广泛接受：

1）陆生植物的早期进化反映了对水的依赖性性日益降低。

2）陆生植物的进化反映了它们产生了越来越多的生理能力应对干旱环境。

注意：2 种假说并非互相排斥的。

问题6.选择出可能的进化动因假说。 （9 分）

1）基于第4 部分，填写下列表格，并注明其是否支持假说1、2，或都不支持。

2）每空回答正确得1 分。