109 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

本題測驗孟德爾遺傳學之延伸——兩對獨立遺傳之非對偶基因交感作用（Gene Interaction）。

在無基因交互作用的情況下，兩對獨立分配的雙雜合子自交（$AaBb \times AaBb$），其 $F_2$ 基因型共有 9 種，表型會呈現孟德爾標準的雙性雜交分離比： $9\ A\_B\_ : 3\ A\_bb : 3\ aaB\_ : 1\ aabb$

當兩對非對偶基因共同調控同一性狀之發育或生化合成反應時，非對偶基因間會產生上位性（epistasis）、抑制（inhibition）、修飾或協同等交互作用，使上述 4 種基本表型類別發生合併或轉變，進而改變 $F_2$ 的表型分離比。所有交感作用之 $F_2$ 比例各項係數總和必然維持為 $16$。

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解題方法

解析基因交互作用題目之標準步驟如下：

1. 建立基準組合：列出兩對獨立基因 $F_2$ 之 4 種基因型組合及其理論頻率：$A\_B\_ (9)$、$A\_bb (3)$、$aaB\_ (3)$、$aabb (1)$。
2. 生化代謝與機制判定：依據題意定義各基因對表型之催化途徑、修飾關係或遮蔽效果。
3. 基因型歸併：將產生相同表型的基因型群組進行加總，求得最終簡化之表型分離比。

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各小題詳解與分析

(一) 互補基因（complementary gene）

• 遺傳意義：兩對獨立遺傳基因必須同時具有顯性對偶基因（$A\_B\_$）時，才能表現出特定的顯性性狀；若任一對或兩對基因皆為隱性純合（$A\_bb$、$aaB\_$、$aabb$），則無法表現該顯性性狀，均呈現隱性表型。此機制在上位性分類中亦稱為「雙隱性上位（duplicate recessive epistasis）」。
• 生理機制：常見於連續生化合成途徑，前驅物質需經由基因 $A$ 所編碼之酵素催化為中間產物，再經由基因 $B$ 編碼之酵素催化方能合成最終產物（例如香豌豆花色形成）。任一酵素缺失（$aa$ 或 $bb$）皆會使合成路徑中斷。
• $F_2$ 表現型歸併與分離比：
• 具顯性性狀（$A\_B\_$）：$9$
• 具隱性性狀（$3\ A\_bb + 3\ aaB\_ + 1\ aabb$）：$7$
• $F_2$ 分離比為 $9 : 7$。

(二) 補充基因（supplementary gene）

• 遺傳意義：兩對獨立基因中，第一對顯性基因（$A\_$）單獨存在即可產生特定基礎表型；第二對顯性基因（$B\_$）單獨存在時不顯現可見之獨立表型，但若與第一對顯性基因同時存在（$A\_B\_$），則能「補充／修飾」原顯性表型，使其轉化為第三種全新表型。若缺少第一對顯性基因（$aaB\_$ 與 $aabb$），則均表現基礎隱性表型。
• 生理機制：前驅物經酵素 $A$ 催化轉化為基礎色素（如黑色，$A\_bb$）；在有酵素 $A$ 的基礎上，酵素 $B$ 可進一步將基礎色素修飾為第二種色素（如刺鼠色 Agouti，$A\_B\_$）；若缺乏酵素 $A$（$aa$），不論有無酵素 $B$，皆無法產色而呈現白化（$aaB\_$ 與 $aabb$）。
• $F_2$ 表現型歸併與分離比：
• 補充修飾表型（$A\_B\_$）：$9$
• 基礎顯性表型（$A\_bb$）：$3$
• 隱性表型（$3\ aaB\_ + 1\ aabb$）：$4$
• $F_2$ 分離比為 $9 : 3 : 4$。

(三) 隱性上位基因（recessive epistasis gene）

• 遺傳意義：兩對獨立基因中，其中一對基因之隱性純合狀態（如 $aa$）具有上位作用（epistatic effect），能完全遮蓋、抑制另一對非對偶基因（$B/b$）之表型表現。只有在該上位基因座具有顯性對偶基因（$A\_$）存在的前提下，另一對基因座（下位基因）之顯隱性表型才能顯現。
• 生理機制：例如拉布拉多犬毛色或洋蔥鱗莖色。基因座 $A$ 負責色素能否沉積於毛髮中（$aa$ 導致色素無法沉積，呈現黃色毛）；當 $A\_$ 存在時，基因座 $B$ 始能控制黑色（$B\_$）或棕色（$bb$）。
• $F_2$ 表現型歸併與分離比：
• 雙顯性表型（$A\_B\_$）：$9$
• 單顯性表型（$A\_bb$）：$3$
• 隱性上位表型（$3\ aaB\_ + 1\ aabb$）：$4$
• $F_2$ 分離比為 $9 : 3 : 4$。

觀念比較：補充基因與隱性上位之 $F_2$ 分離比皆為 $9:3:4$。差異在於論述著眼點：「補充基因」強調顯性基因 $B$ 對 $A$ 的補充修飾效應；「隱性上位」強調隱性基因純合體 $aa$ 對 $B/b$ 的遮蔽效應。

(四) 重複基因（duplicate gene）

• 遺傳意義：兩對獨立基因具有相同或對等的遺傳功能。個體只要帶有任一顯性基因（$A\_$ 或 $B\_$），即可產生完整的顯性表型；

核心觀念 本題評量考生對「多年生木本無性繁殖作物」育種原理之掌握，核心觀念包含：

1. 茶樹之生物學與遺傳特性：茶樹（Camellia sinensis）為多年生常綠木本植物，具幼年期長、高度異質結合（heterozygous）、配子體型自交不親和性（gametophytic self-incompatibility, GSI）及近交衰退（inbreeding depression）等遺傳特性。
2. 無性繁殖與雜種優勢固定：茶樹容易利用扦插進行營養繁殖。其雜交後代在 $F_1$ 代即發生性狀分離，一旦選拔出優良超親單株，可直接藉由無性繁殖固定其全部遺傳效應（含加性效應、顯性效應與上位性效應之雜種優勢），無需如自花授粉作物需歷經多代自交純化。
3. 茶樹雜交育種法定程序：從親本選配、人工雜交授粉、實生苗培育與單株選拔，到營養系繁殖、品系比較試驗（初級、高級）、區域適應性試驗、特性檢定至審查命名推廣之完整階段。

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解題方法 本題為標準的「特性說明＋步驟推導＋具體實例」兩段式申論題，解題切入架構如下：

1. 第一部分（育種特性）：從「遺傳特性（高度異質、自交不親和）」、「生育發育特性（多年生、世代週期長）」、「繁殖特性（營養繁殖容易）」及「利用與品質特性（收穫營養器官、製茶適性與生化成分複雜）」四個維度系統化陳述，並點出這些特性對育種策略的正反影響。
2. 第二部分（步驟與舉例）：以台灣茶樹育種史上最具代表性之品種（如「台茶 12 號（金萱）」或「台茶 18 號（紅玉）」）為例，將抽象的雜交育種流程具象化為時間序列分明、試驗規模遞進的標準育種程序，明確交代「親本特性 $\to$ $F_1$ 選拔 $\to$ 無性系試驗 $\to$ 品種命名」各階段工作。

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選項分析 本題為申論題（非選擇題），無個別選項。國家考試閱卷評分重點與配分結構如下：

• 第一子題（茶之育種特性，約占 40～50%）：能否準確切入「多年生木本」、「高度雜合度」、「自交不親和」與「營養繁殖」四大特質，並精準指出其在育種操作上的優缺點（如世代耗時長 vs. 雜種優勢可直接固定）。
• 第二子題（雜交育種步驟與舉例，約占 50～60%）：步驟是否邏輯連貫、合乎農業試驗規範；舉例是否具體（需明確寫出品種名稱、親本組合及選育特點，切忌籠統以「親本 A 與親本 B」帶過）。

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解題技巧

1. 掌握最大鑑別點（$F_1$ 即分離）：自花授粉作物（如水稻、大豆）之雜交育種是在 $F_2$ 產生分離，需連續自交至 $F_6$ 左右達到同質純合才進行選拔；而茶樹親本本身高度雜合，人工雜交之 $F_1$ 代即呈現劇烈性狀分離，直接在 $F_1$ 進行單株選拔，選中後立即扦插固定。此處為閱卷委員評分時區分考生專業度的關鍵核心。
2. 舉例具體明確：舉「台茶 12 號」（金萱，母本台農 8 號 $\times$ 父本硬枝紅心）或「台茶 18 號」（紅玉，母本緬甸大葉種品系 B-40-58 $\times$ 父本台灣野生山茶品系 B-607），寫出明確親本能大幅提高得分信服力。
3. 加註時間軸概念：茶樹雜交育種自雜交授粉至正式命名，通常歷時 20 年以上。若在作答各步驟時標示階段耗時，更能彰顯實務與專業深度。

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【答案】

一、茶之育種特性

茶樹（Camellia sinensis (L.) O. Kuntze，染色體數 $2n = 2x = 30$）在植物學與遺傳學上具備以下重要育種特性：

1. 高度異質結合性（High Heterozygosity）

• 茶樹為長期的天然異交植物，個體內的基因位點大多處於高度雜合狀態。
• 人工雜交後代在 $F_1$ 代即發生廣泛且劇烈的性狀分離，分離世代遺傳變異極大，有利於選拔超親優良個體。

2. 自交不親和性與近交衰退（Self-Incompatibility and Inbreeding Depression）

核心觀念

1. 脫粒性（Seed Shattering）之遺傳基礎： 水稻脫粒性主要取決於小穗梗（Pedicel）離層（Abscission layer）的發育完整度。野生稻易脫粒以利種子傳播，栽培稻則經人工選拔趨向難脫粒或適度脫粒。控制水稻脫粒性的主效基因已明確定位，如位於第一染色體的 $qSH1$（編碼 BEL1-type homeobox 轉錄因子，其啟動子單核苷酸多型性突變導致離層無法形成而呈現難脫粒）及第四染色體的 $sh4$（編碼 Myb 轉錄因子）。
2. 反向遺傳學（Reverse Genetics）： 研究範式為「由基因序列到表型」（Genotype-to-Phenotype）。在已知控制特定性狀之候選基因（如 $qSH1$ 或 $sh4$）前提下，直接對目標基因進行人為定向修飾、敲除、基因沉默或篩選特定點突變，進而驗證並獲得預期的表型改變。
3. 回交育種法（Backcross Breeding）： 旨在將供體親本（Donor Parent）的優良目標性狀（如難脫粒等位基因）轉移至綜合農藝性狀優良的輪迴親本（Recurrent Parent，即高雄 145 號）中，同時藉由連續回交最大程度恢復輪迴親本的遺傳背景。核基因組理論回復率公式為： $R_m = 1 - \left(\frac{1}{2}\right)^{m+1}$ （其中 $m$ 為回交世代次數）。若目標性狀為隱性遺傳，傳統回交需配合隔代自交檢驗，或導入分子標誌輔助回交（MABC）以突破表型篩選限制。

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解題方法

• 子題 (一) 切入點： 先定義反向遺傳學範式，點出調控水稻離層發育的關鍵基因（如 $qSH1$），並提供兩大具體可行的技術路徑：

1. CRISPR/Cas9 定向基因編輯：精準敲除或修飾啟動子，完全保留高雄 145 號固有優良遺傳背景，免除長期回交。
2. TILLING（Targeting Induced Local Lesions IN Genomes）技術：以化學誘變結合高通量候選基因 PCR 變異篩檢，選拔非基改（Non-GM）點突變品系。

• 子題 (二) 切入點： 依循正規回交育種規範，依序定義親本角色、推演雜交與回交世代交配模式、處理目標性狀的隱/顯性選拔問題，並導入分子標誌輔助選種（前景色與背景色選拔）以克服連鎖累贅（Linkage drag），最後說明田間性狀與米質檢定。

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選項分析

本題為高考二級申論題，非選擇題，無選項設置。評分關鍵在於能否精準界定「現代反向遺傳學（分子導向）」與「傳統回交育種（交配選拔導向）」之方法論本質，並給出符合水稻育種實務的標準操作程序。

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解題技巧與常見陷阱

1. 嚴防順向遺傳學（Forward Genetics）混淆： 反向遺傳學絕非「田間全面誘變後，在後代盲目尋找不脫粒植株，再拿去定序查原因」，這屬於順向遺傳學（Phenotype-to-Genotype）。反向遺傳學必須以已知基因為靶標（如直接鎖定 $qSH1$ 序列設計 gRNA 進行編輯，或利用引子專一擴增該基因進行 TILLING 篩選）。
2. 掌握隱性性狀回交選拔機制： 水稻難脫粒突變多為隱性或不完全顯性。若供體親本提供隱性難脫粒基因（$qsh1$），回交一代（$BC_nF_1$）表型皆為雜合易脫粒，無法直接依外觀表型選拔。作答時必須明確寫出因應對策：「回交一世代、自交一世代（隔代自交）」或「採用共顯性分子標誌（MAS）直接鑑定雜合子」，此為高分關鍵點。
3. 保留米質是終極目標： 高雄 145 號的核心價值為「良質米」，無論採用何種策略，結尾均需強調後續必須進行外觀白堊質、食味計檢測及抗折力（拉力計）脫粒性測定，確保原品種優勢未受破壞。

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【答案】

(一) 反向遺傳學（Reverse Genetics）策略（15 分）

反向遺傳學係由「已知基因序列與功能」出發，以人為方式直接修飾或篩選該目標基因的變異，以獲得預期表現型（Genotype $\rightarrow$ Phenotype）。水稻穀粒脫粒性主要由小穗梗離層發育決定，主效基因 $qSH1$（BEL1-type homeobox 轉錄因子）之表現量降低或啟動子變異會抑制離層形成，呈現難脫粒性。具體改善策略如下：

核心觀念

本題評量考生是否掌握現代作物分子育種的核心技術——**關聯性定位（Association Mapping）／全基因體關聯分析（Genome-Wide Association Study, GWAS）之學理基礎、操作流程，以及後續數量性狀基因座（Quantitative Trait Loci, QTL）之功能驗證（Validation）**能力。

1. 基本原理：關聯性定位係利用自然族群或種原庫（Germplasm Collection）在演化歷史與歷代重組過程中所累積的**連鎖不平衡（Linkage Disequilibrium, LD）**現象，探討全基因體單核苷酸多型性（Single Nucleotide Polymorphism, SNP）標記與目標表型（耐鹽性）之間的統計相關性。相較於傳統雙親雜交雙親族群（Biparental Mapping），其解析度高且不需耗時構築特定作圖族群。
2. 主要限制與校正：自然材料常存在族群結構（Population Structure, $Q$ 矩陣）與個體親緣關係（Kinship, $K$ 矩陣），若未納入統計模型校正，將產生嚴重偽陽性（False Positive / Spurious Association）。
3. 定位後驗證：關聯分析所得僅為統計顯著區段，必須透過遺傳學品系驗證（如 NILs）與分子生物學功能測試（如基因編輯、過量表現或互補試驗），方能確認目標基因。

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解題方法

本題為高階申論題，答題架構應切分為「定位策略（Mapping Strategy）」與「驗證策略（Validation Strategy）」兩大主軸，依科學實驗流程依序鋪陳：

一、 關聯性定位策略（Mapping Strategy）

1. 自然族群（Diversity Panel）材料選取

• 挑選具代表性的水稻核心種原庫（Core Collection），包含稉稻（japonica）、秈稻（indica）、澳洲稻（aus）、芳香稻（aromatic）及野生稻等，樣本數建議 $N \ge 200 \sim 500$ 份以上，確保涵蓋廣泛的耐鹽性遺傳變異與足夠的歷史重組事件。

2. 精準耐鹽表型測定（Phenotyping）

• 逆境處理階段：以水稻最敏感的苗期（Seedling stage）或生殖生長期（Reproductive stage）為主。
• 試驗設計：採完全逢機區集設計（RCBD）或水耕試驗（Saline Hydroponics），重複多次並設置對照組與處理組（如 $100 \sim 150\text{ mM NaCl}$）。
• 測定指標：
• 外部表徵：標準鹽害評分（Standard Evaluation Score, SES）、苗高萎縮率、乾重抑制率。
• 生理指標：地上部與根部之 $\text{Na}^+$ 濃度、$\text{K}^+$ 濃度及 $\text{Na}^+/\text{K}^+$ 比值（離子恆定性指標）、葉綠素含量（SPAD 值）。

3. 高通量基因型鑑定（Genotyping）

• 利用全基因體定序（Whole-Genome Resequencing, WGRS）、簡化基因體定序（Genotyping-by-Sequencing, GBS）或高密度 SNP 晶片（如 50K 或 700K SNP array），獲取全基因體高密度且均勻分佈之 SNP 標記數據。
• 進行標記品質過濾：剔除雜合率（Heterozygosity）高、遺失率（Missing rate $> 10 \sim 20\%$）及最低等位基因頻率過低（Minor Allele Frequency, $\text{MAF} < 0.05$）的位點。

4. 連鎖不平衡（LD）衰退分析、族群結構與親緣矩陣評估

• LD 衰退距離測定：計算標記間相關係數平方 $r^2$ 隨物理距離衰退之速率，作為定義顯著 QTL 候選區間大小之依據（水稻自交作物通常在數十至數百 kb 間）。
• 控制背景雜音：
• 族群結構（$Q$）：利用主成分分析（PCA）或 STRUCTURE 軟體評估群體亞群劃分。
• 親緣關係矩陣（$K$）：利用 IBS（Identity by State）或親緣相關算法建立個體間親緣矩陣。

5. 全基因體關聯統計分析（GWAS Modeling）

• 採用混合線性模型（Mixed Linear Model, MLM）或壓縮模型（Compressed MLM / FarmCPU），模型基本形式為： $Y = X\beta + Qv + Ku + e$ 其中 $Y$ 為表型值，$\beta$ 為固定效應（SNP 效應），$v$ 為族群結構固定效應，$u$ 為親緣關係隨機效應，$e$ 為殘差。
• 門檻值設定：以 Bonferroni 校正（$-\log_{10}(P) \ge -\log_{10}(0.05 / M)$，其中 $M$ 為獨立標記數）或錯誤發現率（False Discovery Rate, FDR）劃定顯著水準，繪製曼哈頓圖（Manhattan plot）與 Q-Q 圖（Quantile-Quantile plot）判讀耐鹽 QTL。

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二、 耐鹽 QTL 與候選基因驗證策略（Validation Strategy）

1. 候選基因生物資訊預測與單倍型分析（Haplotype Analysis）

• 檢索顯著關聯 SNP 所在 LD 衰退區間內的所有註解基因（如 RAP-DB, RiceData）。
• 重點篩選耐鹽生理相關基因家族，例如離子轉運蛋白（$\text{HKT}$、$\text{NHX}$、$\text{SOS}$ 途徑）、轉錄因子（$\text{NAC}$、$\text{WRKY}$、$\text{bZIP}$）或抗氧化酵素。
• 分析耐鹽與敏鹽品系在候選基因編碼區或啟動子區的單倍型多型性，找出導致胺基酸變異（非同義突變）或調節表現量的關鍵因果變異（Causal variant）。

2. 基因表現量分析（Expression Analysis）

• 以定量即時聚合酶連鎖反應（RT-qPCR）或 RNA-seq，分析候選基因在耐鹽與敏鹽水稻對照組及鹽逆境處理下的時空表現量差異（根部、葉鞘、葉片）。