110 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

本題要求比較三種不同的抗病育種工具，並把各自的原理落實成可執行的育種程序：

• 分子輔助雜交育種：利用與抗病基因連鎖的分子標誌，在雜交及回交世代中選留帶有抗病基因的植株。
• 基因編輯：直接改變木瓜基因組中的目標序列，例如破壞病毒感染所需的宿主感病因子。
• 基因默化：利用 RNA 干擾機制，使病毒 RNA 或病毒基因的表現受到抑制。

木瓜輪點病毒（papaya ringspot virus, PRSV）屬於 RNA 病毒，抗病育種須注意病毒株系差異，並以人工接種或病圃試驗確認抗性，而不能只以分子檢測結果代替田間抗病性鑑定。

解題方法

依序交代三件事即可完整作答：抗性來源或作用標的、操作與選拔流程、抗性及農藝性狀驗證。三種策略的關鍵差異在於：分子輔助育種是「雜交後選基因型」；基因編輯是「直接改變宿主 DNA」；基因默化是「抑制 RNA 表現或病毒 RNA」。

（一）分子輔助雜交育種

1. 選定親本與抗性來源：先篩選木瓜種原或育成材料，找出對 PRSV 具有穩定抗性的材料作為抗病親本；選擇果實品質、產量及適應性良好的品種作為輪迴親本。
2. 建立標誌：確認抗病基因或 QTL，利用連鎖分子標誌或功能性標誌，建立可在幼苗期檢測的標誌輔助選拔方法。標誌與抗性基因的連鎖關係須先經族群驗證。
3. 雜交及前景選拔：抗病親本與輪迴親本雜交，在後代以 DNA 標誌選出帶有抗性等位基因的植株。
4. 回交及背景選拔：將入選植株與輪迴親本回交，逐代以標誌選留抗病基因，同時以背景標誌選擇輪迴親本基因組比例較高的個體，以縮短恢復優良品種遺傳背景所需時間。
5. 固定與確認：回交至適當世代後自交，使抗病基因固定；再以 PRSV 接種試驗或病圃試驗確認抗性，並檢查果實品質、產量及其他重要性狀。

**作答重點：**分子標誌可在幼苗期加速選拔，但「帶有標誌」不等於「已證明抗病」；仍須進行病毒接種或田間抗病性驗證。

（二）基因編輯

1. 確認編輯標的：分析木瓜與 PRSV 的交互作用，選定病毒感染所需的宿主感病基因作為標的，例如經驗證與病毒翻譯或複製有關的宿主因子。也可依研究設計選擇其他經驗證的抗病相關標的。
2. 設計編輯工具：針對目標基因設計 CRISPR/Cas 等基因編輯系統及導引 RNA，使目標序列產生預期突變；若採基因敲除，須評估該基因是否具有重要生理功能。
3. 轉殖與植株再生：將編輯系統導入木瓜細胞或胚性材料，經組織培養再生植株。
4. 分子鑑定：檢測目標位點的序列，確認編輯型態、等位基因狀態及是否存在非預期變異；必要時透過後代分離移除編輯載體。

核心觀念

作物育種的材料必須具有可遺傳的差異，育種者才能從族群中選拔符合目標的個體。表現型差異可概分為遺傳差異與環境差異：

$P=G+E$

其中 $P$ 為表現型、$G$ 為基因型、$E$ 為環境效應。若性狀受多基因與環境共同影響，常以 $P=G+E+G\times E$ 表示，$G\times E$ 為基因型與環境交互作用。育種上所需的是可遺傳的遺傳變異；單純由環境造成的差異，不能直接作為穩定選拔的依據。

取得變異性的主要途徑可整理為：蒐集與利用既有種原、導入外來材料、雜交重組、誘發突變、染色體變異及組織培養變異。實務上可依育種目標，單獨採用或搭配使用。

解題方法

作答時可依「利用現成變異」與「創造新變異」兩大方向分項說明，並指出每種方法如何產生或取得差異，以及後續如何選拔。

一、蒐集與利用既有種原

從地方品種、栽培品種、近緣野生種及保存種原中尋找目標性狀，例如抗病、抗蟲、耐逆境、早熟或高品質等。蒐集後須進行性狀調查、鑑定及評估，確認所需性狀具有遺傳基礎，再透過選拔、純化或作為親本利用。

此法可直接利用自然界與長期栽培所累積的遺傳差異，通常不必先創造變異；但有利性狀未必存在於現有材料中，且種原可能帶有不利性狀，須透過後續選拔或雜交改良。

二、導入外來材料

將其他地區或其他生態環境的品種、地方品種、野生近緣種引入育種材料，藉以取得本地材料缺少的基因。導入材料可直接供栽培利用，也可與栽培品種雜交，再經選拔及回交等方式，把目標基因導入優良背景。

利用野生近緣種時，雜交可能受到親和性限制，且連帶導入不利基因，因此須經多代選拔或回交，降低不必要的遺傳背景。

三、雜交與基因重組

將具有不同優良性狀的親本交配，使後代基因重組，形成新的基因組合。雜交本身不一定創造新的等位基因，主要是重新組合親本既有基因；後代會分離出多種基因型，可依育種目標進行選拔。

作物育種常用的雜交方式包括品種間雜交、種間或屬間遠緣雜交，以及回交。遠緣雜交可導入栽培種缺少的抗病或耐逆境性狀，但可能有雜交不親和、後代不育或不利性狀連鎖等問題。雜交後代需依作物繁殖特性，採系譜法、混合法、單粒種子傳法或其他適當方法選拔固定。

四、誘發突變

利用物理或化學因子提高突變發生率，從處理後的種子、花粉、植株或組織中選拔有利突變體。

核心觀念

本題比較作物的繁殖方式如何影響育種與品種管理。自花授粉作物通常經多代自交而逐漸純合，品種多為遺傳組成較一致的純系；異花授粉作物則因族群內交配而維持較高的雜合度與遺傳變異，品種常以族群或雜交種形式利用。

「自花授粉」是同一朵花或同一植株的花粉完成授粉；「異花授粉」則主要由不同植株間的花粉完成授粉。實際作物也可能兼具自交與異交，本題比較的是各類作物的典型情形。

解題方法

依「繁殖方式造成的遺傳結構差異」逐項推論：自花授粉促進純合與基因固定，異花授粉維持族群內的遺傳差異。接著把這項差異連結到馴化、選拔、混合選種、雜交優勢、品種維持與採種管理。

各項比較

（一）馴化速度

自花授粉作物較能透過自交使有利基因組合逐代固定，且較不容易受到外來花粉基因流動影響；因此，經選拔後形成穩定栽培型的速度通常較快。

異花授粉作物仰賴植株間授粉，族群內的基因交流較頻繁，外來花粉也較容易帶入新的基因組合，使有利性狀不易迅速固定。因此一般而言，馴化速度較慢。這是繁殖方式造成的典型差異，實際速度仍受作物特性與選拔目標影響。

（二）選拔次數

自花授粉作物經自交後，雜合度逐代下降，純合基因型逐漸固定。育種者可從分離世代選出優良單株，經後裔檢定後育成純系；品系一旦穩定，後續主要是區域試驗與品種比較。因此，達成遺傳固定所需的選拔循環通常較少。

異花授粉作物的族群持續交配，個體間仍有遺傳差異。育種者常需反覆進行族群選拔與交配，例如輪迴選種，以逐步提高有利基因頻率，同時維持族群活力。故就族群改良而言，通常需要較多次選拔與重組。

（三）混合選種效果

混合選種是依植株表現選出多株優良個體，將其種子混合繁殖成下一代。此法的效果取決於族群是否仍有可供選拔的遺傳變異，以及目標性狀是否具有足夠遺傳率。

核心觀念與解題方法

本題考查四種不同層次的育種名詞：族群改良的選拔法、突變基因篩選技術、品種的遺傳組成，以及多個目標性狀的回交聚合策略。作答時要抓住各名詞的「目的」與「操作流程」，並與名稱相近的方法區別。

(一) Facilitated recurrent selection

促進式輪迴選拔是以雄性不稔等機制促進族群內交配，再反覆進行選拔與重組，以逐代改良族群遺傳組成的方法。常見名稱為 male sterility-facilitated recurrent selection（雄性不稔促進式輪迴選拔，MSFRS）。

一般輪迴選拔包括評估族群個體或家系、選出優良材料，再將選出的材料互交重組，形成下一輪族群。對於以自交為主的作物，雄性不稔植株無法自交，能藉由外來花粉受精；利用雄性不稔可增加不同優良植株間自然交配的機會，降低人工去雄與控制授粉的負擔，讓重組較容易進行。

操作概念可整理為：

1. 建立具有遺傳變異的基礎族群，並利用雄性不稔系統促進族群內雜交。
2. 依目標性狀選出優良植株或家系，例如產量、抗病性或抗逆性。
3. 使選出的材料彼此交配，形成重組後代。
4. 在新族群中再次選拔、重組，重複多個選拔週期。

其重點是每一輪選拔後都保留並利用族群內變異進行重組，因此不是一次選出固定品系，而是持續改良族群的平均表現與有利基因頻率。

**解題技巧：**看到 recurrent selection，要寫出「選拔—互交重組—再選拔」的循環；看到 facilitated，補充雄性不稔等機制如何促進交配，尤其適用於自交作物的族群改良。

(二) TILLING

TILLING 是 Targeting Induced Local Lesions IN Genomes 的縮寫，中文可譯為「基因組中誘發局部損傷的標靶篩選」。這是一種反向遺傳學方法，結合傳統誘變與分子篩選，用來找出指定基因中的誘發突變。

典型流程如下：

1. 以化學或物理誘變處理種子或植株，建立帶有大量突變的族群；常見化學誘變劑為 EMS。
2. 從突變後代抽取 DNA，針對目標基因設計引子並進行 PCR 擴增。
3. 以高通量方式篩選目標基因是否出現突變，例如利用異源雙股 DNA 的錯配辨識，或直接定序。
4. 找出帶有目標基因突變的個體，再評估突變對基因功能及農藝性狀的影響。

TILLING 的特色是先在基因組中誘發突變，再針對已知序列的特定基因搜尋突變；因此屬於反向遺傳學。它可以找出不同等位突變，包括可能改變蛋白質功能或造成基因功能缺失的突變。由於此方法不必導入外源基因，與基因轉殖不同。