109 高普考高考三級 農業技術 作物育種學 考古題詳解

核心觀念

本題為高普考「作物育種學」極為經典的跨章節整合題，命題範圍涵蓋植物遺傳資源學（Plant Genetic Resources）與分子育種／基因探勘（Gene Discovery & Prospecting），核心考點包含：

1. 核心種原（Core Collection）：由 Frankel 與 Brown（1984）提出之概念，指利用全體種原中約 $5\% \sim 20\%$ 的樣本數，涵蓋整體種原庫 $70\% \sim 90\%$ 以上的遺傳多樣性，藉以降低保存負擔並提高篩選與利用效率。
2. 種原保存策略（Germplasm Conservation）：分為現地保存（In situ）與異地保存（Ex situ）；異地保存又依繁殖型態分為種子庫（中長期低溫低濕保存）、田間基因庫（活體田間保存）、離體組培及超低溫冷凍保存（Cryopreservation, $-196^\circ\text{C}$）。
3. 基因探勘之族群統計策略分水嶺：

• 常見變異（Common variants, MAF $> 5\%$）：適用於自然族群之**全基因體關聯分析（GWAS）**與等位基因採礦（Allele mining）。
• 罕見變異／單一變異（Rare variants, MAF $\ll 1\%$）：GWAS 缺乏統計檢定力（Statistical power），必須透過人工雜交建構雙親分離族群，結合容積群體分離分析法（BSA / BSA-seq）與圖位選殖（Map-based cloning）。

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解題方法

本題宜採取「定義 $\rightarrow$ 流程 $\rightarrow$ 比較評估 $\rightarrow$ 分組探勘策略」的邏輯結構答題：

1. 核心種原之目的與步驟：明確點出「代表性」、「多樣性最大化」與「冗餘最小化」，步驟依序寫出「資料收集 $\rightarrow$ 分群分層 $\rightarrow$ 決定取樣法與規模 $\rightarrow$ 抽取樣品 $\rightarrow$ 遺傳多樣性驗證」。
2. 保存方法與優缺點：將保存法系統化分類為現地保存與異地保存（種子庫、田間基因庫、超低溫保存），以表格或對比條列清楚評估優缺點。
3. 56/300 抗性種原之探勘：對偶基因頻率約為 $18.7\%$，具充足的族群變異與重組歷史，最適方法為 GWAS，並輔以 已知抗病基因之等位基因採礦（Allele mining）。
4. 1/300 抗性種原之探勘：變異頻率僅約 $0.33\%$，屬於單一供體／罕見變異，無法使用 GWAS；必須與普遍感病之栽培品種進行人工雜交，建立雙親分離族群（如 $F_2$ 或回交族群），採用 BSA-seq（QTL-seq） 快速定位，並以 圖位選殖（Positional cloning） 進行精細定位與基因選殖。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題。針對題目給定的兩種抗性種原情境，進行「方法適用性與限制性之對比分析」：

評估面向	情境一：300 個中有 56 個抗病（常見變異，約 $18.7\%$）	情境二：300 個中僅有 1 個抗病（極罕見變異，約 $0.33\%$）
全基因體關聯分析 (GWAS)	【適用】 對偶基因頻率高於 $5\%$，統計檢定力足夠，可直接利用自然種原族群累積的歷史重組，定位至單一基因或候選區段。	【不適用／失效】 次要對偶基因頻率（MAF）過低（$<1\%$），在品質過濾階段即被濾除；即使強制分析亦無法達顯著閾值，假陽性／假陰性極高。
雙親交配連鎖作圖 (Linkage mapping)	【可行但不經濟】 需建立多個分離族群，耗時費工，且無法一次涵蓋 56 個抗源中可能存在的不同抗性基因或等位基因。	【唯一最適途徑】 唯有透過人工雜交（與感病親本雜交），在後代人為重構出 $1:1$ 或 $3:1$ 的分離比，方能具備統計檢定力。
次世代定序容積分析 (BSA-seq / QTL-seq)	若要釐清個別特定種原之主效基因可採用，但對 56 個品系全體進行則較無必要。	【最佳輔助手段】 在雙親交配後代建立抗、感極端混合池（Pool），高通量定序快速鎖定染色體候選區間。
等位基因採礦 (Allele mining)	【極為推薦】 水稻已有數十個已知稻熱病抗性基因（Pi 基因座），可利用特異性標誌快速篩查這 56 個是否屬已知基因的新等位型。	【僅供參考】 僅能用於比對是否為已知抗性基因之天然突變；若為全新基因位點，仍需仰賴圖位選殖。

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解題技巧

1. 核心種原比例記憶法：核心種原抽取比例通常為全體種原的 $5\% \sim 20\%$（典型數值寫 $10\%$），能涵蓋約 $70\% \sim 90\%$ 之遺傳多樣性。
2. 保存方法必背關鍵字：正型種子（Orthodox seed，耐低溫脫水）、異型種子（Recalcitrant seed，不耐脫水低溫）、超低溫冷凍保存（液態氮 $-196^\circ\text{C}$）、活體田間基因庫。
3. 基因定位判斷黃金法則：

• 看到「多數品系抗病、群體多樣性、自然族群」$\rightarrow$ 第一反射為 GWAS。
• 看到「僅單一品系／極少數、新抗源、突變體」$\rightarrow$ 絕不可寫 GWAS，第一反射為 雜交建構分離族群（$F_2$/RIL/NIL）＋ 連鎖作圖 / BSA-seq / 圖位選殖。

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【答案】

一、建立核心種原（Core Collection）之目的與步驟

(一) 目的

1. 減少冗餘與重複：排除種原庫中重複收集或遺傳背景過於相近的材料，精簡保存樣本。
2. 提升評價與利用效率：以全體種原中約 $5\% \sim 20\%$ 的最小樣本數（通常取 $10\%$），保留原始庫中 $70\% \sim 90\%$ 以上的遺傳多樣性，大幅降低田間表型調查與全基因體定序之成本。
3. 強化育種親本選擇：使育種家能迅速在代表性品系中探勘具氣候逆境抗性或優良農藝性狀之目標對偶基因（Alleles）。

(二) 步驟

1. 初始資料蒐集與彙整：蒐集所有原始種原（Base collection）的護照資料（Passport data，如地理起源、生態型）、形態特徵、生理生化指標及分子標誌（如 SNP）型態資料。

核心觀念

1. 作物的授粉習性與育種途徑關聯：

• 玉米（Zea mays L.）：典型異交作物（雌雄同株異花、異熟風媒授粉），具強烈自交弱勢（Inbreeding depression）與雜種優勢（Heterosis）。育種策略以**雜種優勢育種（一代雜種，$F_1$ Hybrid）**為主流。
• 薏苡（Coix lacryma-jobi L.）：禾本科薏苡屬，為常異交至異交作物（雌雄同株異花，天然雜交率高，約 $30\% \sim 70\%$）。因商業種苗市場機制與農家留種特性，育種策略多採純系選種法、人工雜交譜系法，或為兼顧優勢與成本而採用合成品種（Synthetic variety）／循環選拔（Recurrent selection）。

2. 育種方法的核心要素：

• 用途：該育種途徑所適用的遺傳族群及操作領域。
• 目的：改良產量、株型、抗逆境（病蟲害、抗倒伏）及機械化適應性。
• 選種種類與效益：表現型個體選拔（Mass selection）、系統選拔（Line/Family selection）、配合力選拔（Combining ability selection）與後代檢定（Progeny testing）對遺傳獲益（Genetic gain, $\Delta G = i \cdot h^2 \cdot \sigma_P$）之實質貢獻。

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解題方法

本題為經典的作物育種學實務申論題，作答切入點如下：

1. 依生物學特性切分：先分別申述「玉米」與「薏苡」的遺傳機制與授粉特性，避免混為一談。
2. 架構化論述：嚴格依照題目配分要求，針對兩項作物分別依序回答：

• 育種方法之用途（何種體系、何時使用）。
• 育種之目的（如何達到高產、契合大糧倉計畫之農藝性狀）。
• 主要選種種類及其在選拔上的效益（個體選拔、系統選拔、配合力檢定、循環選拔等在基因頻率、環境誤差消除與雜種優勢鎖定上的優勢）。

3. 收斂總結選種效益：綜合比較高遺傳力性狀與低遺傳力性狀（如產量）在不同選種策略下的效益。

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選項分析

本題為高普考申論題，非選擇題，無固定選項。評分要點與答題防護網如下：

• 常見失分陷阱一（作物習性未分清）：誤將玉米當作自交作物論述純系選種，或誤將薏苡視為單純的自交作物，忽略其常異交／異交風媒習性及種皮堅硬、落粒性等加工栽培特性。
• 常見失分陷阱二（漏答「選種種類與效益」）：僅寫出育種流程，卻未闡述「選種種類」（如個體選拔、品系選拔、配合力選拔）帶來的「選拔效益」（如克服環境效應、固定加性效應、利用顯性與超顯性效應）。
• 作答得分關鍵：明確寫出玉米的「自交系純化、配合力檢定（GCA/SCA）、單交種育成」；以及薏苡的「農藝性狀改良（株型收縮、落粒性適中、齊熟性便於機採）、系統選育或合成品種維持遺傳多樣性」。

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解題技巧

1. 對準政策目標：「大糧倉計畫」推廣雜糧的核心痛點是生產成本高、缺乏國產抗病高產品種、無法全機械化收穫。因此回答「高產目的」時，必須包含：耐密植、抗倒伏、結穗（籽實）整齊、落粒性適中、適合機械化收割。
2. 掌握遺傳增益公式輔助說明： $\Delta G = \frac{i \cdot \sigma_A^2}{\sigma_P} = i \cdot h^2 \cdot \sigma_P$ 在說明選種效益時，點出個體選拔僅適用於高遺傳力（$h^2$ 高）性狀，而產量為微效多基因控制之數量性狀（$h^2$ 低），必須輔以「系統選拔」與「後代檢定」以縮減環境變異（$\sigma_E^2$），方能提高選拔效益。

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【答案】

壹、前言（大糧倉計畫之育種總目標）

政府推行「大糧倉計畫」旨在提高國產雜糧供應力，取代轉作休耕並落實進口替代。高產雜糧育種除了提高單位面積穀實產量外，關鍵在於培育耐密植、抗病蟲害（如玉米煤紋病、螟蟲；薏苡黑穗病）、抗倒伏且株型齊一適合機械化採收之新品種。玉米與薏苡分屬異交與常異交作物，其遺傳結構與選育策略截然不同，分述如下。

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貳、玉米之高產育種體系

一、育種方法

雜種優勢育種法（Hybrid Breeding，培育一代雜交種 $F_1$），必要時輔以**單倍體育種技術（Doubled Haploid, DH）**加速自交系純化。

二、育種方法之用途與目的

1. 用途：專用於具顯著雜種優勢之異交作物。透過人為控制授粉建立同質異型結合族群。
2. 目的：

• 極大化產量：利用顯性（Dominance）、超顯性（Overdominance）與上位性（Epistasis）遺傳效應，使 $F_1$ 展現超越雙親的超親優勢（Heterobeltiosis）。
• 田間表現高度整齊：基因型均一，使得株高、抽雄開花期、果穗著生高度一致，便於大型收穫機機械化收割。
• 性狀互補：將抗病、抗倒伏、高離胺酸（QPM）等優良基因分別固定於不同自交系中，於 $F_1$ 完美展現。

三、具體育種步驟

1. 基礎族群之建立與純化：利用優良開放授粉品種（OPV）或合成品種連續套袋自交（Selfing）$5 \sim 7$ 代，分離並選育性狀穩定的自交系（Inbred lines）；亦可使用誘發單倍體再經染色體加倍（DH 技術），於 $1 \sim 2$ 代內獲致純合自交系。

核心觀念

本題評量考生對現代分子育種（Molecular Breeding）三大支柱技術之原理掌握，以及在不同親緣關係（基因庫層級）、基因結構（大小與突變型態）與育種目標下的決策能力。涉及之核心觀念包括：

1. 分子育種核心技術分類：

• 分子標記輔助選種／回交（Marker-Assisted Selection / Backcrossing, MAS/MABC）：利用與目標基因緊密連鎖的 DNA 分子標記進行前景與背景選拔。
• 基因轉殖技術（Genetic Transformation）：藉由農桿菌介導（Agrobacterium-mediated）或基因槍法，將外源功能性 DNA 片段直接送入受體細胞並整合至基因組中。
• 基因編輯技術（Genome Editing）：以人工核酸內切酶（如 CRISPR/Cas9）在基因組特定靶位引發雙股斷裂（DSB），誘導非同源末端接合（NHEJ）造成微小缺失或插入，精準修飾內源基因。

2. 基因庫（Gene Pool）與親緣障礙概念：

• 一級基因庫（Primary Gene Pool）：同種或近緣亞種（如熱帶型稉稻與溫帶型稉稻，均為 $2n = 24$，AA 染色體組），雜交親和性高，減數分裂染色體配對正常，雜種可稔。
• 三級基因庫（Tertiary Gene Pool）：遠緣野生種（如澳洲野生稻 O. australiensis，為 EE 染色體組），與栽培稻（AA 組）存在極強的生殖隔離、胚囊敗育及染色體不配對問題，傳統雜交幾無可稔後代。

3. 基因長度與載體限制：

• 微小鹼基變異（few-bp deletion）最適合利用標靶剪切直接模擬。
• 較長基因片段（如 10 kb）在傳統質體構建與基因轉殖時難度較高、容易發生重組或片段斷裂，但若存在於一級基因庫內，則極易透過有性雜交與染色體重組轉移。

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解題方法

題目明訂「每個方法只能應用一次」，因此解題核心在於依據親緣關係（種內 vs. 遠緣）、**變異機制（內源缺失 vs. 全新外源蛋白質）與基因長度（few-bp vs. 5 kb vs. 10 kb）**建立一對一的最佳適配決策：

情境 (一) 幾對鹼基缺失（內源基因微修飾） ───> 基因編輯技術（CRISPR/Cas9）
情境 (二) 澳洲野生稻獨有 5 kb（跨三級基因庫） ──> 基因轉殖技術（農桿菌轉殖）
情境 (三) 熱帶型稉稻 10 kb（種內一級基因庫） ───> 分子標記輔助回交育種（MABC）

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各情境詳解、方法選用理由與優缺點分析

(一) 耐旱性為澳洲野生稻與溫帶型稉稻比對後，由「幾個鹼基對缺失（few-bp deletion）」造成

• 選定方法：基因編輯技術（Genome Editing，以 CRISPR/Cas9 系統為代表）
• 選用理由： 研究已確認耐旱表型源於序列上「少數幾個鹼基的缺失」（屬於功能喪失型突變 Loss-of-function 或調節區改變），且受體溫帶型稉稻本身已具備同源基因序列。利用 CRISPR/Cas9 設計專一性向導 RNA（sgRNA）導向該目標位點進行雙股切斷，細胞在進行非同源末端接合（NHEJ）自我修復時極易產生數個鹼基的隨機或標靶缺失，即可在受體品種精確重現澳洲野生稻的耐旱變異，完全無需引進外源基因片段。
• 優點：

1. 精準度高且速度快：直接在溫帶型稉稻優良遺傳背景上定點剪切，1 至 2 個世代即可獲得穩定純合突變體。
2. 無連鎖阻贅（Linkage Drag）：不涉及遠緣雜交，不會連帶帶入野生種的不良農藝性狀。
3. 可獲得非基改（Null-segregant）品系：經後代自交分離排除 Cas9/sgRNA 質體片段後，基因組不含外源 DNA，受法規管制門檻較低、社會接受度高。

• 缺點：

1. 脫靶效應（Off-target effect）風險：Cas9 可能在非目標同源區段發生非預期切割與突變。
2. 組織培養依賴性：仍需經由癒傷組織誘導、轉染與再生植株程序，受水稻基因型組織培養效率限制。

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(二) 耐旱基因「僅存在澳洲野生稻（O. australiensis）」，由 5,000 鹼基對（5 kb）轉譯成新蛋白質

• 選定方法：基因轉殖技術（Genetic Transformation，以農桿菌介導轉殖法為主）
• 選用理由： 澳洲野生稻（O. australiensis）染色體組為 EE 組，栽培稻（O. sativa）為 AA 組，兩者親緣極疏（分屬不同染色體組的三級基因庫），有性雜交極為困難，存在嚴重的雜種不育與胚敗育障礙，難以進行常規回交；且該性狀是由受體本身完全缺乏的 5 kb 新基因轉譯出新蛋白質而賦予。5 kb 的編碼區大小在農桿菌雙元載體（Binary vector）的承載容許範圍內（一般載體容納上限約在 10–15 kb 內），透過分子選殖將該 5 kb 基因構建於表現載體並轉殖入溫帶型稉稻，是跨越異源染色體生殖障礙最有效、最可行的途徑。
• 優點：

核心觀念

本題的核心在於**遠緣雜交育種（Distant Hybridization）及其在作物野生近緣種（Crop Wild Relatives, CWR）**基因滲入（Introgression）上的應用與限制。

1. 生殖隔離的遺傳本質：

• 受精前遺傳障礙（Pre-fertilization / Pre-zygotic barriers）：花粉與雌蕊組織間的遺傳不親和性，包括自交不親和性延伸的種間障礙（Incongruity）、花粉萌發與花粉管伸長受阻。
• 受精後遺傳障礙（Post-fertilization / Post-zygotic barriers）：合子形成後的基因組不平衡。包括胚與胚乳發育異常（胚乳平衡數，Endosperm Balance Number, EBN 不符）、雜種不活（Hybrid inviability，如 Dobzhansky-Muller 基因不相容）、雜種不育（Hybrid sterility，減數分裂染色體非同源無法配對）、雜種崩潰（Hybrid breakdown，F2/回交世代重組後衰退）以及緊密連鎖的連鎖累贅（Linkage drag）。

2. 克服障礙之技術群：涵蓋花粉與授粉生理調節、組織培養（幼胚挽救）、染色體倍數性操作（秋水仙素加倍形成雙二倍體）、細胞工程（體細胞雜交）、遺傳操作（橋梁種、染色體易位工程如 $Ph1$ 基因調控）與分子標記輔助回交（MABC）。

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解題方法

本題為經典的農業技術類科申論題，作答應採取**「系統性發育時程分類法」**，使閱卷委員能一目了然：

1. 遺傳困難處：不可僅回答單一生理現象，應從細胞遺傳學與基因交互作用切入，按「受精前障礙」與「受精後障礙」兩階段剖析，並特別補強野生種滲入時最棘手的「染色體非同源不配對」與「連鎖累贅」。
2. 克服方法：必須與前面列出的遺傳障礙「一一對應」。受精前問題以授粉調控與橋梁種應對；胚乳敗育以幼胚挽救應對；F1 不育以雙二倍體化解決；基因重組困難以染色體工程與標記輔助選拔解決。

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選項分析

本題為申論題型，無選項。申論題作答需注意條列清晰、名詞精準（中英對照），並以層級小標展現專業深度，避免散文式敘述。

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解題技巧

1. 作答架構對稱性：第一部分列出幾項困難，第二部分就必須提出能對應解決這幾項困難的育種技術，切忌兩者脫節。
2. 常見陷阱：

• 誤將「開花期不一致」等外在生態/物候隔離當作主要篇幅。題目明確限定為**「遺傳上」**造成之困難，必須聚焦在配子體不親和、基因不相容、染色體核型與配對等遺傳機制。
• 遺漏「連鎖累贅（Linkage drag）」，野生種常伴隨落粒、休眠深、抗營養因子或產量低等劣性等位基因，是導入抗性基因後期的最大遺傳阻礙。

3. 加分關鍵詞：在文中適度融入專業遺傳術語，如「胚乳平衡數（EBN）」、「雙二倍體（Amphidiploid）」、「幼胚挽救（Embryo rescue）」、「連鎖累贅（Linkage drag）」、「橋梁雜交（Bridging cross）」。

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【答案】

一、遺傳上造成種間或屬間雜交之困難處

進行種間或屬間遠緣雜交時，因物種間存在生殖隔離機制（Reproductive isolation），在遺傳層面主要面臨以下兩大階段之障礙：

(一) 受精前遺傳障礙（Pre-fertilization barriers / Incongruity）

1. 花粉與雌蕊遺傳不親和性（Pollen-pistil incompatibility）： 由於物種演化分歧，親本間缺乏共同演化的生理辨識訊號，導致受粉後花粉無法在柱頭正常萌發、花粉管生長緩慢、破裂或無法穿越花柱進入胚珠完成雙重受精。
2. 配子核不相容性： 即使花粉管進入胚囊，精細胞核與卵細胞核或極核可能無法順利融合，導致受精受阻。

(二) 受精後遺傳障礙（Post-fertilization barriers）

1. 胚與胚乳發育不協調（幼胚敗育）：