第29 届国际生物学奥林匹克竞赛试题

实验4 植物系统学、解剖学和生理学

范六民1周 洁2杨 扬3张 立4张雁云4

（1 北京大学生命科学学院 北京 100871 2 华中师范大学第一附属中学 湖北武汉 430223 3 清华大学生命科学学院 北京 100084 4 北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

中国图书分类号：G634.915 文献标识码：E

总分：100 分

时间：90 min

●请将你的学生代码写入标题页的方框中。

●使用单独提供的答题纸回答所有问题。

●不会评估写在试题纸中的答案。

●旗帜的使用（桌子上的标志），只需将其置于桌子左墙上的旗架上即可。

●请确保你可使用所有材料和设备。如果遗漏任何东西，请在考试开始后5 min 内将旗帜放在旗架上。（15 min 后的任何投诉都不会被接受）

●如遇紧急情况或问题，请将您的黄旗置于旗架上。

●在实验过程中，任何材料损失都不会额外提供。

●在使用此任务的材料时，请务必遵守安全说明。

●建议你在开始实验之前阅读整个实验流程，以帮助你进行时间管理。

●在考试结束时立即停止答题并放下笔。将整个流程与答题纸放在信封中。监考人员将收集信封。

祝你好运。

用自己的字迹，在下表右边的单元格中写出左边提示的数字。

1 7

材料与设备（注意每项物品的数量）

1.显微镜；

2.实验手套，吸水纸；

3.移液器（100～1 000 μL）和蓝色吸头；

4.薄层层析（TLC）板（5 个板）；

5.铅笔（1 支）；

6.直尺（1 把）；

7.镊子（1 支）；

8.薄层层析槽和盖（1 个）；

9.毛细管（1 盒）；

10.透明胶带（1 个）；

11.安全粘贴的解剖刀片（5 支），注意：勿切到手指，握贴有黄色胶带的一边；

12.创可贴（2 片）；

13.酒精片（2 片）；

14.表面皿（5 个）；

15.泡沫（切片用）；

16.载玻片和盖玻片（5 套）；

17.洗瓶500 mL（1 个）；

18.烧杯1 000mL、50 mL 和25 mL（各1 个）；

19.滴管（1 支）；

20.移液管胶泵（1 个）；

21.吸管10 mL（1 支）；

22.1 mL 注射器（1 支）；

23.pH 试纸；

24.试管（5 支）；

25.用于NO3测量的溶液1（1 份）（小心）；

26.用于NO3测量的溶液2（1 份）；

27.用于NO3测量的颜色参考比色条（1 份）；

28.用于CaCO3测量的溶液1（1 份）；

29.用于CaCO3测量的溶液2（1 份）；

30.包括有如下物品的架子：

●装有TLC 溶剂（TS∶酒精∶n-丙醇∶蒸馏水比例为2∶2∶1）的Falcon 管；

●装在标记为PA～PE 的小管中的提取的花瓣色素；

●装在标记为S1～S5 的falcon 管中的土壤提取物；

●装在标记为L1～L5 的小管中的叶提取物；

●次氯酸钠溶液（洗涤剂）；

●染液（甲苯胺蓝O 溶液）；

●保存在小管中的叶样品A～E；

●装有氢氧化钾颗粒的小管（1 支）（小心）；

31.答题纸（2 张，第1 张写答案，第2 张答题纸标记为answer sheet 2 的用于粘贴TLC 板）；

32.绿旗和黄旗。

介绍

石竹（Caryophyllales）是双子叶开花植物的石竹目。这是一个多样化的目，包括树木、灌木、藤本植物、红树林、多肉植物（茎或叶）、一年生植物，甚至食肉植物。该目植物的许多成员在生态学上发育特化以忍耐极端环境。在下面的实验中，将研究5 种石竹目植物响应不同生境的生理生态特征。

任务1：石竹中的甜菜素和花青素

几乎所有的开花植物都有红色、蓝色或紫色的花瓣，这些颜色是花青素生物合成途径的产物。花青素色素在植物的营养组织中起着额外的作用，使其免受紫外线（UV）、食草虫类和病原菌的攻击。此外，在石竹目植物中发现了第2 组彩色的色素，即甜菜素。这2 种类型色素中的其中一种存在于每个科中，它们从未在同一科中被同时发现。

将石竹目的5 种植物（植物PA～PE）的花瓣或苞片中提取的色素存于小管（植物A～E）。每种植物属于1 个科。用实验流程1 确定每种植物中存在的色素种类。

实验流程1：花青素和甜菜素分析

1.标记TLC 板。用铅笔在每个板的底部上面1 cm 处画一条水平线（梯形形状。在前者上方4 cm 处画另一条线，并将其视为溶剂前沿）。

2.标记TLC 板。用铅笔在层析板的顶部用字母A～E（英文字母顺序）对5 个TLC 板进行标记。

3.取少量溶液。使用前摇动管子。用毛细管取出适量的色素提取物，在板上点样。

4.在板子上点样。如图1 所示，在每个独立的TLC 板上沿水平线轻轻点每个提取物（样点半径应为约0.2 cm）。对每种提取物重复点样，以将色素浓缩于TLC 板上（约3 次）。最好在每次点样前让TLC 板保持干燥。

图1

5.准备TLC 槽。将溶剂（Falcon TS）倒入槽中（注意：将板放入槽中时，溶剂水平应低于这些样点位置）。用盖子盖住槽，等待越5 min，使溶剂相与气相平衡。

6.运行色谱。当TLC 板上的样点干燥时，轻轻地迅速（必须保持溶剂/气体平衡）用镊子将TLC 板放入溶剂槽中，刚好放在沟槽中，使每个板的点过样的一端置于底部（注意：将所有板同时放入TLC 槽内的沟槽中）。将板的底边浸没在溶剂中。再次盖上层析槽的盖子。等待直至溶剂到达溶剂前沿线。

7.取下板子。用镊子小心地2 从槽中取出TLC 板。

8.等溶剂从板上挥发。

9.固定。在板上粘上透明胶，防止色素损失，将你的TLC 板贴到answer sheet 2（答题纸2）上，溶剂前沿应该朝上。注意：一旦完成后，将绿旗放到旗架上。

10.计算阻滞系数（Rf）。Rf是条带移动距离与溶剂移动距离的比值。用每条带的中间测量移动的距离（图2）。注意：Rf≤0.060 代表花青素，Rf≥0.070 代表甜菜素。

图2

问题1.在答题纸上用“√”表示植物A～E 中存在花青素或甜菜素。同时写入相关的Rf值（仅显示小数点的2 位数，略去其他位数）。

请将绿旗放在旗架上，交答题纸2。

任务2：石竹目植物的生理生态特征

有5 种土壤冲刷液，标记为Falcons S1～S5。还有5 种叶提取物（小管L1～L5）。

注意：5 个土壤冲刷液（S1～S5）对应于5 个叶提取物（L1～L5），但尚不知道哪个土壤冲刷液属于哪个植物（植物A～E）。

通过执行实验流程2.1～2.3，测量土壤冲刷样品的CaCO3和硝酸盐浓度，以及土壤冲刷液和植物叶提取物的pH 值。

注意：叶提取物是在黎明时制备的。

实验流程2.1：测量土壤中CaCO3的含量

为了研究土壤中所有盐的总浓度，通过容量测定法测量土壤冲刷液中CaCO3的含量。“用于CaCO3测量的溶液1”含有当混合物中没有游离Ca2+时变为蓝色的指示剂。“用于CaCO3测量的溶液2”含有化合物X（4 mM），其与Ca2+离子形成1∶1 复合物。

1.向烧杯中加入10 mL 土壤冲刷液（如果有必要，在此步骤前用蒸馏水清洗烧杯）。

2.加入2 滴“用于CaCO3测量的溶液1”并混合。如果溶液为蓝色，则CaCO3浓度≤1 mg/L；如果溶液为红色，则继续进行下一步。

3.用注射器向混合物中加入“用于CaCO3测量的溶液2”，直至颜色变为蓝色为止。添加溶液的同时摇动烧杯。在答题纸的问题2：表1 处，写下消耗的“用于CaCO3测量的溶液2”的体积和土壤冲刷液的Ca2+浓度（Ca 的摩尔质量为40 g/mol）。

实验流程2.2：测定硝酸盐的含量

用一个试剂盒测定土壤冲刷液中硝酸盐的含量。此试剂盒的使用说明如下：

1. 将1 mL 土壤冲刷液样品倒入25 mL 或50 mL 的烧杯中。

2.小心加入20 滴“用于NO3测量的溶液1”，然后加入蒸馏水至总体积为10 mL。

3.请小心地用手套和镊子，挑取2 个KOH 颗粒并将其溶解在上述混合物中。

4.添加几滴“用于NO3测量的溶液2”，将出现黄色。

5.继续逐滴添加“用于NO3测量的溶液2”，摇匀，直至黄色稳定。

6.将约5 mL 混合物转移至试管中，并将其颜色与参考条颜色进行比较，以测量NO3浓度。将结果记录在答题纸的问题2：表1 中。

实验流程2.3：测量pH 值

测量土壤冲刷液及叶提取物的pH 值：

将1 条pH 试纸放入样品中，几秒钟后将其取出。并甩动试纸条去除多余的溶液。

确定颜色与参考条的哪个pH 值的颜色匹配，并在答题纸问题2：表1 中记录相应的pH 值。

根据获得的结果，在答题纸上回答问题2：表2 中。

任务3：C3、C4 和CAM 光合作用途径的鉴定

在不同科的石竹属植物中，存在所有3 种类型的光合作用机制。在此项任务中，你应该确定每种植物的光合作用途径。

你可用流程3制备横切片。请注意：制备横切片本身不给分，但你还是需要制备横切片回答任务4。

实验流程3：横切片的制备

1.使用刀片和泡沫片，小心地用预先固定的叶（小管A～E 中）徒手制备横切片。将切片存放在表面皿或载玻片上的水中。

2.将“次氯酸钠”（清洗剂）加到切片上。

3.至少3 min 后去除清洗剂。

4.用水清洗切片（3 次）以除去清洗剂。

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

6.1 min 后，用水清洗切片。

7.将切片置于载玻片上。滴一滴水，然后用盖玻片盖上，在光学显微镜下观察。

8.根据任务2 和任务3 的结果，在答题纸的问题3：表1 中，用“√”表示每种植物的光合作用类型。

任务4：石竹目植物的晶体类型

草酸钙晶体分布在石竹目的许多成员中。这些植物能大量地积累晶体。植物中形成草酸钙晶体的主要功能包括高容量钙调节和防止食草虫类的侵袭。晶体以特定的形状和尺寸形成。晶体形态是物种特异性的，并且传统上用于鉴别石竹目中的种和属。

用你在上一个任务中制备的叶的横切片，鉴别植物A～E 中的晶体类型。下图显示了常见晶体类型的形状。

图3 不同类型的草酸钙晶体

问题4：

A.在答题纸上，用“√”和“×”分别指出植物A～E 中每种晶体类型存在与否。

B. 假设在盐生植物中有大量的棱柱状的晶簇，土壤冲刷液3 属于植物D，确定哪个土壤（S1～S5）属于哪个植物（A～E）。填写到答题纸上的问题4：表2 中。

任务5：绘制最大简约发育树

最大简约法（maximum parsimony）是一种重建系统发育关系的系统发育方法。在这种方法中，将使用变化的次数及权重评估每个树。最好的树是具有最小进化变化的树。基于下表画出的推定的分类群W～Z 的2 个树如图4 所示。在此例子中，“树2”由于分数较低而优于“树1”。

图4

Ni是树中性状i的变化次数，Wi是性状i的权重。

下表显示了假定分类群P ～T 在系统发育上的重要性状。

注意：表中的数据与你在前面部分中获得的数据不匹配。

性状I V植物（色素）II（晶簇）III（针晶体）IV（花粉粒）（花冠联合）VI（花被轮）VII（叶序）P Q R S T 外群权重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

下表列出了这些性状的状态。

性状I（色素）II（晶簇）III（针晶体）IV（花粉粒）V（花冠联合）VI（花被轮）VII（叶序）状态0花青素状态1甜菜素无无有有光滑表面花瓣离生1轮互生或莲座丛粒状表面花瓣合生2轮或以上对生

问题5：根据上表中的性状及其权重，在答题纸上绘制最大简约发育进化树并计算其得分。

注意：在树中放置衍征（由祖先特征演化而来的、但表型不同的特征）不是必需的，不计分。