第26屆國際生物學奧林匹克競賽試題實驗1·植物解剖 生物系統科學與進化

劉寶玉 王戎疆 張 立 佟向軍 范六民

（1 天津市第一中學 天津 300051 2 北京大學生命科學學院 北京 100871 3 北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

總分：100 分 考試時間：90 min 共6 道題。

在地球上，陸生植物構成了一種單質系，它們非常成功地適應了陸地棲息地。 陸生植物是陸地生態系統的重要組成成分，并構成了所有其他陸生生物之間生態互動的框架。在這次考試中，將重點關注是哪些因素使得陸生植物能在地球上占據統治地位。

考試目的：植物鑒定、形態描述和系譜關系重建。

本次考試由5 個部分組成：

鑒定標本（5 分）；

形態描述（36 分）；

形態學變異和基本形態特征定義（29 分）；

在系統樹上繪制形態特征演化圖（21 分）；

陸生植物演化的關鍵因素（9 分）。

材料和設備

為了完成實驗，你需要下面列出的材料。請確保可以獲取這些材料。如果發現材料缺失，請在考試開始15min 之內舉手示意考務人員。 每位考生只有一份實驗材料，在考試過程中請謹慎操作。

1）5 張植物標簽紙（H1～H5）。 請注意，標簽中所包含的信息與標本物種之間并不相關。 重要提示：請不要在便簽紙上寫字或涂抹，否則一經發現將被立即停止考試。

2）5 張植物照片（P1～P5）。

3）2 組新鮮植物（F1～F2）。

4）4 組醇類保存的植物組織（A1～A4）。

5）4 個安裝在顯微鏡載玻片上的植物組織解剖切片（M1～M4）。

6）1 個培養皿。

7）1 個解剖鉗。

8）1 個挑針。

9）1 個平板電腦微距鏡頭。

10）1 支觸摸筆。

其他：1 張包含有所有材料圖片的單頁。

1 物種鑒定（5 分）

下列材料(見前文)屬于8 種陸地植物，以首字母順序排列：

1）大蒜（野生大蒜）；

2）問荊草（馬尾草屬）；

3）石松（剛毛石松）；

4）樟子松（蘇格蘭松）；

5）豌豆（菜豌豆）；

6）歐亞多足蕨（蕨類植物）；

7）金發蘚（常見發苔）；

8）卷柏（非洲叢生卷柏）。

這8 種物種代表了5 種主要的陸生植物進化譜系：苔蘚（1 種），石松（2 種），蕨類植物及其類似植物（2 種），裸子植物（1 種），被子植物（2 種）。請注意：卷柏將在整個考試中作為范例物種，并且已經提供與其相關的一些答案。

問題1.標本鑒定。

在上面列出的8 個物種中，鑒定出5 種植物標本中的每一種。

在5 張照片（P1～P5）中找出每一個物種，鑒定為上面列出的8 個物種之一。

在上面列出的8 種物種中，鑒定出2 種活植物（F1～F2）的每一種。

在4 種醇類保存的標本（A1～A4）中鑒定出每一種：

將4 種植物組織（M1～M4）鑒定為8 個物種之一：

2 形態描述（36 分）

在你的材料中找到9 種形態結構（如下）的位置并以照片的方式進行記錄（如下圖所示）。

舉例說明如何用箭頭指示某一個結構

形態結構：花藥；蓋；孢子堆；孢子葉；小型葉；芽孢囊；花萼；種子；花粉粒。

操作步驟：

1）將鏡頭安裝到平板電腦的攝像頭上。

2）從材料中選擇一個標本，找到這個材料中相關的結構。

3）拍照。 每種標本的每一個結構只拍攝一張照片。

4）在照片上用箭頭表示該結構的位置（見上圖）。

5）對剩下的形態結構重復上述過程（步驟2～5）。

每上傳一張照片并加上一個指向正確結構的箭頭，可以得到3 分。 照片清晰可以額外獲得1分。 正確結構應該是：1）拍攝完全；2）填滿圖片框；3）聚焦清晰。 注意拖放箭頭，箭頭必須精確地指向正確結構。

問題2.找出9 種形態結構（27 分）；上傳結構清晰的照片（9 分）。

3 形態學變異和基本形態特征定義（29 分）

作為特征分析的第1 步，請首先描述以下樣品形態上的變化。 下面的8 個物種可以在系統進化樹中找到某些特征的演化痕跡：

1）大蒜（野生大蒜）；2）問荊草（馬尾草屬）；3）石松（剛毛石松）；4）樟子松（蘇格蘭松）；5）豌豆（菜豌豆）；6）歐亞多足蕨（蕨類植物）；7）金發蘚（常見發苔）；8）卷柏（非洲叢生卷柏）。

在下表中有9 個對于陸地植物進化非常重要的形態特征。每個特征被分解成了2 個狀態。請注意：第1 列為特征描述，第2 列“0”代表演化方向，第3 列“1”代表最新的演化情況。

狀態“0” 狀態“1”特征1 受配子時相控制 受孢子時相控制特征2 莖上無須根 莖上有須根特征3 莖上無維管組織 莖上有維管組織特征4 雌配子體從孢子體釋放 雌配子體保留在孢子體特征5 每個孢子囊有一個孢子體 每個孢子囊有多個孢子體特征6 孢子囊中有1 個或無孢子葉 孢子囊中有2 個及以上孢子葉特征7 同形孢子（只有1 種孢子） 異形孢子，即含有大孢子和小孢子特征8 雄性配子可運動 雄性配子不可運動特征9 不存在雙受精作用 存在雙受精作用

問題3.填充8 種特征狀態表格（29 分）

特征分析的下一步是描述下表中的形態變化特征狀態。 下面的表格可用于描述本次考試中上述9 種變化的關鍵特征。

考生通過填充空單元格進行特征描述。 每個物種的特征狀態“0”或“狀態1”都已經分配給單元格。 在下圖中，卷柏已經作為示例填入表格。

通過點擊單元格，你可以選擇一個狀態（1 或0），第1 次點擊是“1”，第2 次是“0”，第3 次點擊可刪除單元格的內容。 請注意:請耐心解答，在切換不同狀態時會有短暫的延遲。

填充正確的單元格在0～29 之間時不得分；全部填充錯誤或不填充時不得分； 填充正確的單元格在大于29 時得1 分；58 個單元格全部填充正確時得29 分。

1）大蒜（野生大蒜）；2）問荊草（馬尾草屬）；3）石松（剛毛石松）；4）樟子松（蘇格蘭松）；5）豌豆（菜豌豆）；6）歐亞多足蕨（蕨類植物）；7）金發蘚（常見發苔）；8）卷柏（非洲叢生卷柏）。

4 在系統樹上繪制形態特征演化圖（21 分）

系統樹是在研究一組生物體之間之間祖先關系時產生的假說（下圖）。

系統樹顯示了5 種主要的陸地植物之間的關系。G=裸子植物；L=石松類植物；A=被子植物；M=苔蘚、蕨類極其類似植物。

在接下來的步驟中，將在給定的系統樹（下圖）中填寫進化特征。 該系統樹代表了陸地植物進化不同的假說之間的共識。

你將使用一個名為刪除轉換（DELTRAN）的特征描述過程。 根據以下步驟進行描述：

1）特征只允許為“0”或“1”。

2）盡量減少同一特征在系統樹上的變化次數（節省原則）。

3）如果將一個給定特征無法對一個進化分支進行描述，那么就更改該特征（并行進化）。

4）指示出存在給定特征變化的系統樹分支。請注意：使用雙豎線表示存在的平行進化特征，使用單豎線表示單一的進化特征。最后，指出將狀態從0 更改為1 的進化特征的數量（如下圖所示）。

問題4.確定8 個物種的發育關系。

將前述物種放置在正確的分支上：

問題5.在下面的表格中，你可以在首行找到種系發生的分支A～E，在首列找到演化特征1～9。通過點擊單元格可以根據上面描述的DELTRAN原則選擇分支特征。 第1 次點擊可選擇為只有一種演化特征，第2 次點擊可選擇為存在平行進化特征，第3 次點擊將會刪除選擇。 請注意，在系統樹中特征狀態的變化可能是不均勻分布的，因此有些單元格必須是空的。

0～15 個單元格選擇正確得0 分。

16～40 個單元格選擇正確得8 分。

41～45 個單元格選擇正確得16 分。

5 陸生植物演化的關鍵因素（9 分）

基于對進化特征的重構，植物學家討論了早期陸生植物進化的動因。目前，有2 種假說被廣泛接受：

1）陸生植物的早期進化反映了對水的依賴性性日益降低。

2）陸生植物的進化反映了它們產生了越來越多的生理能力應對干旱環境。

注意：2 種假說并非互相排斥的。

問題6.選擇出可能的進化動因假說。 （9 分）

1）基于第4 部分，填寫下列表格，并注明其是否支持假說1、2，或都不支持。

2）每空回答正確得1 分。