108 高普考高考二級 農業技術 作物育種學 考古題詳解

核心觀念

本題為高考二級作物育種學經典之「跨領域名詞解釋題」，配分每小題 4 分，共 20 分。命題範疇橫跨現代分子育種、族群與分子遺傳學、細胞遺傳學、生殖生理學，以及智慧財產法規：

1. SMRT：第三代定序技術（長讀取技術）之核心原理及其在作物基因體組裝與分子標記開發之應用。
2. INDELs：基因體多態性標記之類型、分子突變機制（移碼突變）與育種選拔之關聯。
3. semi sterility：染色體結構變異（特別是相互易位、倒位）雜合體在減數分裂後期之染色體分離機制與配子敗育現象。
4. metaxenia：花粉親基因透過植物荷爾蒙調控，對受精發育之母體組織（果皮、花托等）所產生之直接生理效應，須嚴格區分其與胚乳直感（xenia）之差異。
5. UPOV：國際植物新品種保護公約之體系、組織宗旨，以及品種審查的核心標準（DUS 與新穎性原則）。

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解題方法

申論式名詞解釋每題 4 分，作答結構須採「三段式破題法」，嚴禁單一行簡短定義：

1. 中文正名與學理定義：精確寫出標準中文譯名，並界定其所屬學科範疇與基本定義。
2. 生物學機制／技術運作原理：剖析其背後的細胞遺傳機制、分子生化反應或法理架構（如後期 I 分離方式、螢光脈衝、荷爾蒙路徑、審查準則等）。
3. 育種實務應用與價值：說明該概念在作物改良、選種策略或農業智慧財產保護上的具體應用實例。

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解題技巧與常見陷阱

1. SMRT 易混淆點：切勿與二代定序（如 Illumina 之邊合成邊定序 SBS）混為一談。SMRT 的核心關鍵字為「單分子」、「即時偵測」、「零模波導孔（ZMW）」及「長讀取（Long reads）」。
2. INDELs 的突變效應：務必指出其發生在編碼區時是否為 $3$ 的倍數，若非 $3$ 的倍數會造成移碼突變（frameshift mutation），破壞開放閱讀框（ORF）。
3. semi sterility 的分離盲點：半不稔性成因主要為「相互易位雜合體」減數分裂時，僅「交替分離（alternate segregation）」能產生具活力的平衡配子（約佔 $50\%$），而「相鄰分離（adjacent segregation）」會產生具重複與缺失的致死配子（約佔 $50\%$）。不可僅回答「植物結實率剩一半」。
4. metaxenia vs. xenia：此為歷年最常失分處。Xenia（花粉直感）影響的是受精產物本身（如胚乳的胚乳色或澱粉質，為三倍體 $3n$ 組織）；Metaxenia（果實花粉直感）影響的則是「母體組織」（如果肉、果皮、花托，為二倍體 $2n$ 組織）。
5. 法規基準提醒：本題涉及品種權法規，以命題當年（民國 108 年）法規為準。台灣雖非 UPOV 會員國，但我國《植物品種及種苗法》實質全盤採納 UPOV 1991 年公約架構；現行法規並未變更此核心精神。

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【答案】

(一) single-molecule real-time sequencing（SMRT）

1. 定義與技術定位： 中文稱為「單分子即時定序技術」，由 Pacific Biosciences（PacBio）公司所開發，屬於第三代定序技術（長讀取定序，Long-read sequencing）。
2. 運作原理： 利用奈米級光學結構「零模波導孔」（Zero-Mode Waveguide, ZMW），將單一分子之 DNA 聚合酶固定於孔底。當帶有不同螢光標記的四種 dNTP 被聚合酶催化結合進入新生鏈時，系統即時偵測其釋放之螢光脈衝信號與光譜，無須經過傳統 PCR 體外增幅。
3. 育種應用價值：

• 讀取長度長（平均達數十 kb），能直接跨越作物基因體中高度重複序列區（Repetitive elements）與富含高 GC 區域。
• 大幅提升複雜多倍體作物（如小麥、甘蔗）之全基因體從頭組裝（de novo assembly）精確度。
• 可進行全長轉錄組定序（Iso-Seq）與單倍型解析（Haplotype phasing），利於結構變異（Structural Variations, SVs）分析與分子標記開發。

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(二) INDELs

1. 定義： 全名為 Insertion-Deletion polymorphisms（插入與缺失變異），指基因體 DNA 序列中相較於參考基因體（reference genome），在特定基因座發生單個鹼基至數千個鹼基對（bp）之插入（Insertion）或缺失（Deletion）事件。
2. 遺傳效應：

• 編碼區變異：若插入或缺失之鹼基數非 $3$ 的倍數，將引發移碼突變（frameshift mutation），導致密碼子閱讀框錯位，常產生提前終止密碼子（Premature Termination Codon, PTC），使轉錄出的蛋白質喪失活性；若為 $3$ 的倍數，則造成胺基酸的增減。
• 非編碼區變異：若發生在啟動子、內含子剪接位點（splice sites）或增強子，會顯著改變基因的表現量或造成異常剪接。

3. 育種應用：

核心觀念 本題評量基因組學（Genomics）與細胞遺傳學之基礎核心概念，涵蓋以下要點：

1. 遺傳圖譜（Genetic map / Linkage map）：以減數分裂期間同源染色體之非姊妹染色分體發生互換（crossing over）所產生的「重組率（recombination frequency, RF）」為基礎，推算基因或分子標誌在染色體上的相對順序與相對距離。其計量單位為厘莫耳甘（centiMorgan, $\text{cM}$）或圖譜單位（map unit, $\text{m.u.}$），定義為 $1\%$ 的重組率即代表 $1\text{ cM}$。
2. 物理圖譜（Physical map）：直接量測 DNA 分子上核苷酸的真實物理長度，標示基因、DNA 片段或限制酶切位在染色體上的實際物理座標。其計量單位為鹼基對（base pair, $\text{bp}$、$\text{kb}$、$\text{Mb}$）。建構方法包括限制酶切割圖譜、重疊群圖譜（contig map，如利用 BAC/YAC 載體）以及全基因組定序（whole-genome sequencing）與細胞遺傳學之螢光原位雜交（FISH）。
3. 兩者之非等比例關係：遺傳距離與物理距離雖具基因排列之「共線性（colinearity）」，但兩者並非線性正比關係。染色體各區域之重組頻率受著絲粒、異染色質及重組熱點／冷點等因素影響而有極大差異。

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解題方法 申論題作答應採「定義陳述 $\to$ 屬性綜合比較 $\to$ 具體實例佐證」之三層次展開：

1. 精準下定義：分別針對遺傳圖譜與物理圖譜，清楚寫出其「理論依據」、「建構方法」與「度量單位」。
2. 結構化比較維度：利用對照分析，歸納兩者在決定因子、解析度、非線性特徵及生物學意義上的本質差異。
3. 具體舉例說明：以作物染色體結構特性（特別是「著絲粒抑制區」與「富含基因之端粒或真染色質區」之 $\text{bp/cM}$ 換算比率）作為對比範例，證明理論與育種實務之結合。

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重點分析 本題為申論題，答題時須針對兩者之關鍵對比指標進行逐項剖析：

比較項目	遺傳圖譜（Genetic Map）	物理圖譜（Physical Map）
建構基礎	減數分裂之減數互換與重組頻率（RF）	DNA 分子之實際化學結構與核苷酸序列長度
度量單位	厘莫耳甘（$\text{cM}$）、圖譜單位（$\text{m.u.}$）	鹼基對（$\text{bp}$、$\text{kb}$、$\text{Mb}$）
精確度與解析度	受族群大小與重組次數限制；解析度相對較低	直接對應至單一鹼基（$\text{bp}$ 級），解析度極高
全染色體均勻度	極不均勻：重組熱點與冷點使圖譜呈現局部伸長或壓縮	絕對均勻：純粹量測實體 DNA 鏈長，不因生理機能而失真
主要影響因素	著絲粒抑制效應、異染色質含量、性別、溫度及環境壓力	序列重複區域（repeat regions）之定序組裝難度
兩者對應關係	基因排序通常維持「共線性」，但「距離比例」不固定	作為分子選拔與圖位選殖（map-based cloning）的終極對照標準

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解題技巧

1. 牢記計量單位不可混淆：遺傳圖譜必寫 $\text{cM}$，物理圖譜必寫 $\text{bp}$。
2. 答題切忌只寫定義不給數值實例：考官最重視考生是否理解「$1\text{ cM}$ 等於多少 $\text{bp}$ 不是常數」。舉出著絲粒區（冷點）與端粒／富含基因區（熱點）之比值差距（如 $1\text{ cM}$ 在不同區域可對應數十 $\text{kb}$ 至數個 $\text{Mb}$），是拿取高分之關鍵。
3. 避免常見盲點：切勿誤認「兩圖譜中基因順序會顛倒」。除了少數倒位（inversion）或結構變異外，正常情況下兩圖譜的基因排列順序呈現共線性（colinearity），改變的只是標誌間的「相對間距長短」。

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【答案】

一、Genome 的 Physical Map（物理圖譜）與 Genetic Map（遺傳圖譜）之定義

核心觀念

本題評量自交作物在人為雜交後，分離世代族群的遺傳結構動態演變，以及「育種選拔策略」如何隨世代推進而調整。核心理論基礎包括：

1. 自交世代純化理論（Inbreeding and Homozygosity）： 對單一雜合基因座（$Aa$）而言，每經過一代連續自交，異質結合體（Heterozygote）頻率減半，同質結合體（Homozygote）頻率相應增加。若以 $F_1$ 為自交起始世代，則在自交 $F_n$ 世代中：

• 異質結合率： $H_n = \left(\frac{1}{2}\right)^{n-1}$
• 同質結合率： $1 - H_n = 1 - \left(\frac{1}{2}\right)^{n-1}$ 若考慮 $m$ 對獨立遺傳之對偶基因，全基因座均為同質結合之個體頻率為： $P_{\text{Homo}} = \left[1 - \left(\frac{1}{2}\right)^{n-1}\right]^m$

2. 數量遺傳變異之剖分（Partitioning of Genetic Variance）： 隨自交世代遞增，族群內的顯性變異（Dominance variance, $V_D$）迅速消失，加性變異（Additive variance, $V_A$）被固定；行系內遺傳變異（Within-family genetic variance, $V_{gw}$）逐代遞減，而行系間遺傳變異（Between-family genetic variance, $V_{gb}$）逐代放大至原始加性變異的兩倍（$2V_A$）。

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解題方法

本題為作物育種學經典申論題，採「先界定範疇（定義），後分維度比較（特性）」的方式作答，架構最為嚴謹、得分最完整：

1. 定義界定： 依據作物育種程序（如譜系育種法、混合育種法、單子傳代法等），明確切分世代分界點。一般將開始產生性狀分離的 $F_2$ 至 $F_3$（或延伸至 $F_4$）定義為「早世代」；基因型趨於純合穩定的 $F_5$ 或 $F_6$ 及其後續世代定義為「晚世代」。
2. 特性剖析維度： 自以下四大關鍵遺傳與育種面向展開論述：

• 基因型結構與純合度：同質結合與異質結合比例之消長。
• 族群變異與遺傳成分：行系內變異與行系間變異之結構消長。
• 表型穩定性與遺傳率：環境效應干擾程度及狹義遺傳率高低。
• 育種作業與選拔標的：適合選拔的性狀類別（質性 vs. 量性）與選拔單位（單株 vs. 行系/品系）。

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選項分析

本題為國家考試專業科目之「申論題」，並非選擇題。作答時應以對比維度系統化鋪陳兩者差異，其核心對比如下：

1. 基因型純合度維度：

• 早世代：異質結合率高（$F_2$ 為 $50\%$，$F_3$ 為 $25\%$），基因座多處於分離與重組狀態，雜種優勢或隱性有害基因仍可能表現或掩蓋。
• 晚世代：同質結合率極高（$F_6$ 達 $96.875\%$，$F_7$ 達 $98.438\%$），各基因座實質純化，遺傳背景趨於純系化。

2. 變異結構維度：

• 早世代：行系內遺傳變異（$V_{gw}$）大，同一個行系內的各單株基因型歧異度高；行系間遺傳變異（$V_{gb}$）相對尚未完全拉開。
• 晚世代：行系內遺傳變異趨近於零（$V_{gw} \to 0$），同系各株性狀高度齊一；行系間遺傳變異達到最大值（$V_{gb} \to 2V_A$）。

3. 性狀表現與遺傳率維度：

• 早世代：數量性狀易受環境變異（$V_E$）及顯性效應干擾，個體表型的狹義遺傳率低，無法由單株表現準確預測後代。
• 晚世代：顯性效應消退，加性效應完全固定，遺傳率大幅提升，表型表現真實反映基因型。

4. 選拔策略維度：

• 早世代：以「單株選拔（Individual plant selection）」為主，僅對高遺傳率之質性性狀（如抗病性、株高、芒性、成熟期等）進行淘汰與篩選。
• 晚世代：以「行系選拔（Family/Line selection）」及「重複試驗（Replicated yield trials）」為主，進行產量、適應性與品質等低遺傳率量性性狀的精準評估。

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解題技巧

1. 判斷竅門（十六字口訣）： 「早代雜合、晚代純化；早選質性、晚測量性」。只要牢扣遺傳純度（Heterozygosity $\to$ Homozygosity）與選拔目標（Qualitative $\to$ Quantitative）的轉變，即抓住全題得分主

核心觀念

本題考查植物細胞遺傳學與作物育種學中的**種間雜交（Interspecific hybridization）**障礙與遺傳行為。主要涉及兩大核心觀念：

1. 外表性狀連鎖（Apparent linkage / 假性連鎖 Pseudolinkage / 連鎖累贅 Linkage drag）：指在二倍體種間雜交後代中，源自不同親本的外表性狀在遺傳分離時表現出強烈的非獨立分配傾向（看似緊密連鎖在一起），其機制包含染色體結構差異造成的互換抑制、配子或合子發育選擇性致死，以及傳統的緊密物理連鎖與基因多效性。
2. 破除連鎖之育種策略：如何利用大族群篩選、染色體工程、誘變育種（誘導染色體斷裂與微片段嵌入）及現代分子育種工具，克服同源性不足或重組抑制，以獲得目標性狀並剔除不良的野生型性狀。

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解題方法

本題為典型的申論題，作答應採取「機制剖析 $\rightarrow$ 解決策略」的對應邏輯：

一、可能的原因分析（Why）

二倍體種間雜種出現外表性狀連鎖，主要成因可歸納為細胞遺傳、生理發育及基因結構三個層面：

1. 部分同源染色體聯會受阻與互換抑制（Reduced Homoeologous Pairing & Recombination Suppression）

• 兩個不同物種間的染色體為「部分同源染色體（Homoeologous chromosomes）」，序列分歧度（divergence）高。
• 在減數分裂前期 I，因同源性不足導致聯會（Synapsis）不完全，交叉互換（Crossing-over）的頻率大幅降低，使得整條或大片段親本染色體傾向於完整傳遞，外表性狀無法透過正常的重組而分離。

2. 染色體結構變異（Structural Chromosomal Aberrations）

• 異種間染色體常存在倒位（Inversion）或相互易位（Reciprocal translocation）。
• 倒位：若在倒位環（Inversion loop）內發生互換，減數分裂產生的重組染色單體常帶有缺失（Deletion）與重複（Duplication）（如臂內倒位產生雙著絲點橋與無著絲點斷片），導致重組配子敗育死亡。
• 易位：易位雜合體在相鄰分離（Adjacent segregation）時產生缺失與重複的不平衡配子而致死，僅非重組的交替分離（Alternate segregation）配子具活性。這兩種情況皆造成「可育後代中觀察不到重組型」，產生外表性狀緊密連鎖的假象。

3. 配子或合子選擇性致死（Gametic or Zygotic Selection / Segregation Distortion）

• 種間雜交常伴隨核質不相容、配子致死基因（Gametocidal genes）或胚乳發育失敗。
• 帶有特定重組型染色體的配子或受精卵因生理代謝不協調而敗育，只有帶有親本完整基因組合的配子才能存活（偏向分離），使得非連鎖的性狀在外表型分離比上看似連鎖。

4. 基因多效性（Pleiotropy）

• 引進之外源野生種基因可能具多效作用（單一基因調控或影響多個表型性狀），此時外表性狀的共伴表現並非兩個相鄰基因的物理連鎖，而是同一基因的生理生化多重效應所致。

5. 緊密的物理連鎖與連鎖累贅（Linkage Drag）

• 目標優良性狀基因與不利性狀基因在該外源染色體上的物理距離極近，重組率 $r$ 極低，在常規規模的雜交分離族群中極難分離出重組單株。

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二、打破性狀連鎖的方法（How）

針對上述成因，在育種實務上可採取以下策略打破連鎖：

1. 擴大分離族群規模配合分子標誌輔助選拔（Large Population Size & MAS）

• 若連鎖起因於重組率極低（如 $r < 0.01$），需顯著擴大分離世代（如 $F_2$、回交族群 $BC_1$、$BC_2$）的個體數。
• 理論上欲以 $99\%$ 的信心水準（$P = 0.99$）獲得至少 1 株重組個體，族群大小 $N$ 需滿足： $N \ge \frac{\ln(1 - P)}{\ln(1 - p)}$ 其中 $p$ 為重組配子出現率。
• 結合高密度側翼分子標誌（Flanking molecular markers）進行早期幼苗篩選，快速定位並挑出稀有重組單株，擺脫連鎖累贅。

2. 連續回交育種法（Continuous Backcrossing）

• 以栽培種親本為輪迴親本（Recurrent parent）進行多次連續回交（通常 $BC_4 \sim BC_6$）。
• 每一代施加針對目標性狀的嚴格選拔，透過多個世代累積的互換機會，逐步壓縮外源野生種染色體片段的長度。

核心觀念

本題評量**雜種優勢育種（Hybrid Breeding）中雄不稔性（Male Sterility, MS）之商用分類、選擇依據，以及利用回交育種法（Backcross Breeding）**進行核置換（Nuclear Substitution）轉育雄不稔系與建立三系（或兩系）配套體系的實務操作程序。

1. 雄不稔性主要遺傳類型：

• 核雄不稔（Genetic Male Sterility, GMS）：由細胞核基因（多為隱性單基因 $msms$）控制。
• 細胞質雄不稔（Cytoplasmic Male Sterility, CMS）：由粒線體等細胞質基因控制，全由母體遺傳。
• 質核互作雄不稔（Cytoplasmic-Genetic Male Sterility, CGMS）：由不稔胞質 $(S)$ 與核內隱性不稔基因（$rr$ 或 $msms$）共同作用引起；具顯性核恢復基因（$R$ 或 $Ms$）時可恢復育性。
• 環境敏感型核雄不稔（Environment-sensitive Genic Male Sterility, EGMS）：由核基因控制，但在特定光照（PGMS）或溫度（TGMS）條件下會轉換育性。

2. 商用雜交製種條件：

• 收穫目標物：收穫種子/果實者（如水稻、玉米、高粱），$F_1$ 必須具備可育性；收穫營養器官者（如洋蔥、胡蘿蔔），$F_1$ 不稔亦不影響經濟產量。
• 繁殖與去雄成本：母本必須能大面積低成本繁殖，且雜交採種時母本去雄率須達 100%。

3. 回交轉育與核質置換原理：

• 利用連續回交（Backcross），以雄不稔材料為初始母本（提供不稔胞質），目標親本為輪迴親本（提供優良細胞核基因組），經 5～6 次回交（$BC_5 \sim BC_6$）即可置換達 96.875%～98.4375% 之核基因，育出同核異質的雄不稔系（A 系）。

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解題方法

本題為高普考申論題，作答分為兩大主軸：

第一子題：最理想的商用雄不稔類型及其理由

依作物的主要經濟收穫器官與製種體系演進分類評述：

1. 以收穫種子／果實為主的作物（如水稻、高粱、玉米）：

• 傳統與最普及之商用類型：質核互作型雄不稔（CGMS，三系法）
• 理由一（母本純度與繁種容易）：雄不稔系（A 系：$(S)rr$）具 100% 雄不稔，不需人工去雄；利用對應之同核異質保持系（B 系：$(N)rr$）授粉即可大量繁殖 A 系種子。
• 理由二（$F_1$ 育性完全恢復）：配置具顯性核恢復基因之恢復系（C 系：$(N)RR$ 或 $(S)RR$）授粉，所產生的商用 $F_1$（$(S)Rr$）能完全恢復正常雄花育性，保證大田結實率。
• 新一代最理想之技術突破：環境敏感型核雄不稔（EGMS，兩系法，如溫敏 TGMS、光敏 PGMS）
• 理由一（免去保持系）：在不稔條件（如高溫／長日）下作為母本生產 $F_1$；在可育條件（如低溫／短日）下自交繁種，無需 B 系。
• 理由二（自由配組，恢復源廣）：無胞質與核恢復基因之特定配對限制，絕大部分正常品種皆可作為父本，選配優良組合自由度高，且克服單一胞質易感病（如玉米 T 胞質小斑病）之風險。

2. 以收穫營養器官為主的作物（如洋蔥、胡蘿蔔、甜菜）：

• 最理想類型：細胞質雄不稔（CMS）或 CGMS
• 理由：商品代僅需營養生長，不需結實，因此父本不需攜帶恢復基因，大幅降低選育父本之難度。

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第二子題：無雄不稔系時，如何自現有 $F_1$ 獲得並導入雄不稔特性

已知現有優良雜交種為 $F_1$（由親本 $P_1 \times P_2$ 雜交育成，原採人工去雄授粉），現擬建立商業化雄不稔製種體系，步驟如下：

步驟一：獲得雄不稔特性（雄不稔源之取得）

可透過以下五種途徑獲得原始雄不稔變異：

1. 自然突變篩選：在現有品種的大面積田間群體中，尋找花藥退化、萎縮、無花粉或自交不結實之自然突變株。
2. 人工誘變育種：利用物理輻射（如 $\gamma$ 射線）或化學誘變劑（如 EMS）處理種子，於 $M_2$ 後代篩選雄不稔個體。
3. 遠緣雜交（核質不協調法）：將栽培種與野生種或近緣亞種進行雜交，利用異源細胞質與栽培種細胞核基因組相互作用，引致雄不稔性（如野生水稻胞質導入栽培水稻之野敗型 WA-CMS）。
4. 現有種原引進：直接由種原庫（Genebank）或育種單位引進已知攜帶雄不稔特性之近緣材料或不稔胞質源。
5. 生物技術／基因編輯：利用組織特異啟動子驅動花粉致死基因（如 Barnase-Barstar 系統），或利用 CRISPR/Cas9 敲除花粉發育之關鍵核基因（創造 EGMS/GMS）。

步驟二：導入雄不稔特性至現有親本（回交轉育程序）

將選定之母本親本（設為 $P_1$）轉育成雄不稔系（A 系），並確立保持系（B 系）與驗證父本（$P_2$）恢復力：

1. 確定親本定位：

• 設定 $P_1$ 為母本（轉換為 A 系），其原始可育品系即為天然的保持系原型（B 系候選）。
• 設定 $P_2$ 為父本（檢定其是否具備恢復力，以作為 C 系）。

2. 連續回交進行核置換（以 CGMS 為例）：