IB生物课程植物生长知识点及例题分析

在上次的植物学推送中我们提到了phloem和xylem相关的内容，并知道了植物是如何吸收水分和养分的。

有了input就要有output，这次让我们一起来看看植物是如何使用吸收的养分生长以及繁殖的吧～没有水分，全都是干货满满的内容哦！

本文目录

√Meristems

√Plant Tropism & Auxin

2.1 Auxin efflux pump 

√Plant reproduction

3.1 Pollination, Fertilisation, Seed dispersal

3.2 Seed germination

3.3 Control of flowering

01Meristems

你有没有想过植物是在哪个区域开始延长自身体积的呢？

其实植物生长的区域被称作为meristems，由正在分裂中未分化的细胞组成。 与动物的determined growth(比如人类只有一个头)相比，植物被视为有着intermediate growth ----可以不受限制无限生长。 Meristems根据自身所在的位置可以被分为两大类： Apical meristems

• 位于根尖和(root tip)芽尖 (shoot tip)
• 负责primary growth, 也就是负责纵向发展让植物长高，为的是让植物能够找到水源和光源
• Shoot meristems → 负责向上生长的同时发育成花和叶子
• Root meristem → 负责根部的生长延长

Lateral meristems

• 位与茎部的cambium layer
• 负责secondary growth, 也就是横向发展让植物变粗

 ⬆Apical & Lateral meristems的位置

02Plant tropism & Auxin

就像动物一样，植物也会对所处环境作出反应，而植物的生长离不开外界环境的刺激。 

植物对于外部刺激的定向生长反应被称之为tropism。其中有两种：phototropism 和 gravitropism。

• Phototropism → 向光性，向着光源的方向生长。
• Gravitropism → 向地性，顺着地心引力也就是地底生长。

这两种tropism都是由一种被称为auxin的plant hormone所控制。

Auxin首先会在根尖和芽尖产生，然后向着尖部的反方向扩散开来。在扩散后，auxin会在芽不被阳光照到的那面堆积，而在根部则是会在下侧堆积。 

那么auxin是如何让植物生长的呢？

用芽来举个例子： 首先，我们知道芽是positively phototropic以及 negatively gravitropic，也就是会向光生长并远离地面。如果阳光从芽的右侧照过来，auxin就会在芽的左侧堆积。这一堆积就会导致左侧的细胞生长速度加快，使芽整体向右侧也就是有阳光的方向弯曲。 

 大致是这种感觉⬆ 

要注意的是，auxin在根和芽的作用是完全相反的。在芽会刺激生长，而在根部则会抑制生长。 根是negatively phototropic以及positively gravitropic，也就是说会远离光线并向地面生长。

Auxin会在根部更低的一侧堆积并抑制这侧细胞的生长。与此同时，因为更高的那侧依旧在正常生长，根部会越长越深。  

和芽的生长方向是相反的根部示意图⬆

2.1 Auxin efflux pump

刚才我们了解到了auxin和tropism的关系，接下来就要进入正题啦：auxin是如何让芽长长的！ 

?注意：auxin是在meristem中被合成的，并且需要transport proteins将其送进细胞中才能发挥作用。 用phototropism举例：

1. 阳光会先被名为phototropin的蛋白质所检测到，并通过active transport将auxin分配到芽的阴面，形成concentration gradient。

2. 通过在plasma membrane中的auxin pump将auxin传送进cytoplasm并与nucleus中的auxin receptor结合。

3. 结合会促进特定基因的转录(transcription)，激活更多的proton pumps也就导致更多H+ ions进入细胞壁。

4. H+ ions的堆积会降低细胞壁内的pH并打破组成细胞壁的cellulose之间的hydrogen bonds，最终导致细胞整体的膨胀和伸长

细胞因为H+ ions而伸长的大致示意图⬆ 

03Plant reproduction

和动物一样，植物也有着繁殖的方法，只不过不止一种。比如 vegetative propagation，也就是通过营养器官来产生新植株的无性生殖方式，以及sporogenesis，也就是通过孢子进行的无性生殖（通常发生在苔藓之间）。 

IB要求我们掌握的是植物的有性生殖，也就是我们所知的花粉传播。 

不过在那之前，先让我们先来复习一下花的结构！这里给大家贴上总结表⬇

Structure		Function
Petal		吸引昆虫
Sepal		保护花蕾的成长
Stamen(male)	Anther	产生花粉 包含male gametes
	Filament	支撑并固定anther
Pistil(female)	Stigma	接受花粉的部位
	Style	连接着stigma 和ovule
	Ovule	卵子也就是female gametes(位于Ovary中)

?注意：IB 有时候也会用carpel指代pistil 

 
IB不仅要求我们知道名称还要会画并标注一朵花哦⬆

3.1 Pollination, fertilisation, and Seed Dispersal

开花植物的有性生殖的流程可以大致分为三大段:

 1）Pollination:开花植物的有性生殖的关键在于花粉要从anther转移到stigma上。花粉在植物之间的传播方式不止一种，其中包括水和风。最常见的是由动物来传播花粉（也被称为pollinators）比如鸟类，蝙蝠和昆虫。 

Pollinators和植物之间的关系属于mutualism，我们可以将其理解为互利互助模式下的双赢。在pollinator将花粉传递到stigma的同时也从花朵那里获得了花蜜作为食物，他俩都在这种关系中受益。

 2）Fertilisation:当花粉到达stigma后会通过一个个pollen tubule顺着style 向下进入ovule，并与卵子结合使其受精。 看到这里你可能会问了，如果一朵花的花粉飘到了自己的stigma上怎么办？ 那当然是会形成一个自己的克隆体啦！ 在野外的话，cross-pollination可以给植物的生长带来更多的变化以帮助植物在不同的环境条件下生存。但其实在植物界中自己给自己授粉的情况也时常发生，比如小麦和大米。 

3）Seed Dispersal:受精后的ovule会逐渐发育成种子，而ovary整体会发育成果实。种子会根据自身结构通过不同的方法将自己传播出去。 比如说我们小时候都吹过的蒲公英就是靠风人类的嘴飞到不同的地方的。 

再比如有的有种子表面覆盖着勾子，可以勾着动物的毛到达其他地方（虽然很多时候会勾到我们的裤子上然后被无情丢掉x）。 

还有的是引诱动物吃下自己的果实再吐掉其中的种子以传播。分散到不同的地方的好处是可以减少互相之间资源的竞争，并有助于传播物种壮大自己的家族。 来看一道历年IB真题，看看IB是如何考察我们这些知识的！ 

【历年真题】 2018 NOV P1 

【答案&解析】

这道题要求我们能够分辨出pollination和fertilization的区别。 Pollination是movement of pollen没错，但是不是所有的movement of pollen都叫pollination（花粉被吹走飘到树上也算是一种movement啊）。 除此之外，pollination和fertilization不一定要是从一朵花到另外一朵，一朵花可以self-pollinate，所以我们可以排除A和D。B对于pollination的定义是错的，因为movement of seeds away from the parent plant指的是seed dispersal，所以我们还可以排除B。 因此最终得出答案为C选项。

3.2 Seed Germination

当种子被带到其他地方后，就要开始考虑如何生根发芽了！IB要求我们知道starchy seed的发芽过程及画并标注整体结构： 下表为大家总结了种子结构⬇

Structure	Function
Radicle	Embryonic root
Epicotyl	Embryotic shoot
Micropyle	让水进入种子的小洞
Cotyledon	Embryonic leaves → 根据数量可以判断出这棵植物是属于monocotyledonous(单子叶植物)或者dicotyledonous (双子叶植物)
Testa	外衣

?注意：IB 有时候也会用plumule指代epicotyl 

⬆starchy seed的主要部位是这样的画的时候要注意micropyle的位置不要完全封死！（毕竟是个洞，如果画的时候连上了就不是洞了orz） 

大概了解了结构后，让我们来看看一个starchy seed是如何发芽的吧！
首先是要需要具备的重要环境条件：

• 水 → 种子需要水分来开始整个过程
• 氧气 → 要进行cell respiration 的话不能没有氧气
• 温度 → 发芽需要酶来催化化学反应所以温度不能太冷
• 土壤的pH → 强酸性或强碱性的土壤会破坏酶的作用

当周围环境符合发芽条件后，以下步骤会发生：

1. 水通过micropyle进入种子后激活体内的激素(hormone)gibberellin 

2. Gibberellin会促进amylase的合成

3. 因为amylase是酶，所以会将储存的starch分解为maltose

4. Maltose会被epicotyl和plumule吸收

5. 紧接着被自身所带的maltase给分解成glucose最终用于发芽 整个过程看起来复杂，但其实只要理解为是starch一点一点被削成monomer再被吸收的过程也许就会觉得简单多了⬇ 

快来看一道历年真题来检测一下你是否有真正理解～

 【历年真题】 2017 NOV P1

重点：这个问题问的是哪盘无法发芽。

 【答案&解析】

Agar plate中有glucose的种子肯定会发芽所以我们可以首先排除A和B。剩下的C和D这两盘都是agar plate，一个有cotyledon，一个没有cotyledon。因为种子本身就有starch而且储存于cotyledon中，所以我们可以排除C。 最终答案：D

3.3 Control of flowering
说完发芽，就不得不提下一步与开花相关的内容了！ 漂亮的花不仅能够吸引到欣赏它们的人类，还有对花蜜垂涎欲滴的pollinators。 就像刚才提到过的一样，开花的目的是能够使植物通过有性繁殖来繁衍后代，所以需要pollinators的帮助。

为了保证有足够的pollinators以及错开竞争对手，在大自然中有的花只会在冬天开(short-day plants e.g. chrysanthemum菊花)，而有的花只会在夏天开(long-day plants e.g. iris鸢尾花)。 决定开花时间的是一种位于叶子中名为phytochrome的pigments。

它们可以测量夜长并控制开花，相当于植物体内的时钟。 Phytochrome有两种形态：phytochrome-red (P_r)和phytochrome far-red (P_fr)。这两种分别能够吸收red light (660 nm)和far red light (730 nm)。 

关于这两种形态要注意的地方是P_r和P_fr之间会互相转换：白天当P_r吸收red light时会转换为P_fr，当P_fr吸收far red light时会转换为P_r。而夜间 没有任何光的时候P_fr又会慢慢变回P_r。

• 白天因为太阳光（也就是red light）充足所以有很多P_r被转换为P_fr，导致P_fr的堆积。
• 因为夜间 P_fr会慢慢转换回P_r，所以当夜晚很长的时候就会堆积P_r。

P_r和P_fr之间转换的大致示意图⬆

这两种形态中最重要的是P_fr，因为只有P_fr才能够决定开花的时间。 Long-day plants和short-day plants有着同一个critical P_fr point。Long-day plants中的P_fr需要超过临界点才能开花，而short-day plants中的P_fr必须少于临界点才能开花。 

夏天因为日照时间长，所以P_fr > P_r。相反，冬天因为日照时间短黑夜时间长，所以P_fr < P_r。 

用long-day plants举例的话：夜晚短 = 白天长 = P_fr多到超过临界点 = long-day plants开花。 这两种植物也都有着一个critical night length，也就是开花所需的最低夜晚时间，因为和P_fr的数量和夜晚的时间息息相关。

 现在人们可以通过光照控制开花时间，这整个过程被称为photoperiodism ⬆就像这张图一样，如果夜间突然闪过一段时间的red light的话，花也不会开。因为夜间P_fr转换回P_r的过程被打断，又因为有光照所以多出来了更多的P_fr。 

【历年真题】 2020 NOV P1

【答案&解析】

题目重点：short-day plant 的开花条件 = long dark & short light ，所以首先可以排除A和B。因为P_fr转换回P_r是一个十分缓慢的过程，所以在满足这个前提下还需要有到达critical night length。在这里我们可以排除D，因为想要short-day plant开花的话P_fr就不能超过临界点，换句话说就是需要足够的时间在夜晚让它自己变回P_r。 最终答案：C  是不是做对了呢？让我们再来看一道2018年的真题： 2018 NOV P1

 【答案&解析】

这道题与上一题相反，问的是off-season flowering in long-day plants。 Long-day plants 的开花条件 = long light & short dark，也就是夏天。问题中给出的条件是off-season也就是东天，白天短晚上长。晚上长的话会有更多的P_fr转换回P_r，导致需要足够多的P_fr才能开花的long-day plant开不了，所以我们可以排除A和B，因为真的不需要更多的darkness了 。D也可以被排除掉因为cycle of light和给出的条件没有关系，最重要的是要有足够多的P_fr。在晚上给植物照光会将已经转换为P_r的P_fr的数量恢复。因此最终答案为C选项。 

最后的小总结

Plant physiology是属于AHL的内容，所以SL的同学们不用担心啦（HL的同学们加油！）。这章的内容中有许多流程和逻辑需要掌握，只要把它们的关系捋清楚了就会简单许多！

希望这次的内容能够帮助你复习到了相关内容和IB的考点～祝大家都能777！