113 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

本題考查六個作物育種常用名詞，涵蓋自交不親和、品種權與衍生品種、基因編輯、馴化、花粉直感，以及自交作物世代推進方法。作答時宜先寫出定義，再說明其遺傳機制或育種用途，並指出容易混淆的概念。

解題方法

逐題以「名詞定義 → 作用機制或判斷依據 → 育種應用或相關現象」作答。涉及相近名詞時，補充其區別，能讓答案兼具精確性與完整性。

（一）homomorphic self-incompatibility，同型自交不親和

**意涵：**同型自交不親和是指不同交配型的花在外觀形態上相同，不能像異型自交不親和那樣，單從花柱或花藥的位置、長短辨別交配型。其相容與否由遺傳控制，常涉及多等位的 $S$ 位點。

依花粉與雌蕊的遺傳關係，常分為：

• 配子體型自交不親和（GSI）：花粉的相容性由花粉自身的單倍體 $S$ 等位基因決定；花粉 $S$ 型與雌蕊相同時，花粉管生長受抑制。
• 孢子體型自交不親和（SSI）：花粉表現型由產生該花粉的二倍體植株基因型決定；雌蕊依其 $S$ 基因型辨識並拒絕不相容花粉。

**育種應用：**利用自交不親和系統，可促進異交、維持異型合子，並用於雜交種子生產，降低人工去雄需求。實際育種須掌握親本的交配型，安排相容組合，並選育可穩定繁殖與利用的自交不親和系。

解題技巧：「同型」說的是花的形態相同；「不親和」指特定遺傳型的花粉受雌蕊辨識而無法正常受精，兩者不可混為一談。

（二）essential derived variety，實質衍生品種

**意涵：**實質衍生品種是由一個原始品種衍生而來，並保留原始品種的基本特性；衍生品種與原始品種在基因型或重要性狀上仍高度相似，但因育種者的選拔或改良，可能在一項或少數性狀上有所差異。

常見的衍生方式包括：

• 選拔天然或人工誘發的突變株。
• 以基因工程、基因編輯等方式改變少數性狀。
• 以回交導入一個或少數基因，同時保留原品種的大部分遺傳背景。

**育種與品種權上的意義：**其核心在於辨認衍生品種與原始品種的關係，避免僅因少量改良，就忽略原始育種成果的貢獻。品種權制度對實質衍生品種的後續利用可能設有相應規範，適用時須依相關法規及品種權範圍判斷。

**解題技巧：**辨認重點是「由原始品種衍生」且「保留其基本特性」。不能只因兩個品種相似，就直接判定為實質衍生；其來源與性狀關係也須納入判斷。

（三）gene editing，基因編輯

**意涵：**基因編輯是利用可設計的分子工具，在基因組特定位置進行精準修改的技術。常見工具包括 CRISPR-Cas 系統、TALEN 及 ZFN。基因編輯可造成 DNA 片段的插入、缺失或替換，也可用於調控特定基因的功能。

以 CRISPR-Cas 為例，導引 RNA 使 Cas 蛋白定位至目標 DNA，Cas 蛋白切割後，細胞透過 DNA 修復機制產生變異；修復過程可造成基因失能，或依提供的模板進行指定修改。

**育種應用：**可用於改良抗病性、抗逆性、品質或株型等性狀，並加速建立特定基因的等位變異。相較於傳統雜交後再經多代選拔，基因編輯可直接針對目標基因進行修改。

**解題技巧：**基因編輯的特徵是「可指定基因組位置進行修改」。是否導入外源 DNA，取決於使用的技術與修復設計；不能把基因編輯一概等同於轉基因。

（四）de novo domestication，全新馴化

核心觀念

本題考查作物種原的遺傳多樣性來源、農民田間保存與種原庫保存的差異、重複種原整理，以及利用種原進行產量性狀基因探勘。作答宜依序說明「多樣性如何形成、如何保存、如何整理、如何利用」。

（一）臺灣小米種原豐富與多樣的原因（8 分）

1. 族群與文化多樣：臺灣原住民族群眾多，各部落長期栽培小米，形成不同的地方品系；小米又與飲食、祭儀及傳統生活密切相關，增加了保存與選留不同品系的動機。
2. 地形與環境差異大：臺灣山地環境多樣，海拔、溫度、降雨、日照、土壤及坡地條件各異。不同環境形成不同的適應壓力，使品系在熟期、株型、穗型及抗逆性等方面分化。
3. 部落間相對隔離：山地部落分布於不同區域，地理阻隔及各自的播種、留種習慣，使品系得以在地方環境中獨立演化，維持區域間差異。
4. 農民長期選留與交換：農民依產量、熟期、抗病蟲、穗型、籽粒顏色、食用品質及祭儀用途留種；部落內外的種子交換，又形成不同來源與組合的變異。
5. 傳統栽培制度維持變異：混作、輪作及小規模栽培等傳統方式，使多種品系得以並存；種子在農民留種及田間栽培過程中持續接受自然選汰與人為選拔。

因此，臺灣小米的多樣性是長期的族群文化、環境差異、地理隔離與農民選留共同作用的結果，不只是品種數量較多。

（二）部落家傳品系與種原庫保存的差異及優缺點（6 分）

保存方式	內容	優點	缺點
農民田間保存（on-farm conservation）	由部落或農家持續栽培、選種與留種，種原在原有農業及文化脈絡中繁衍	能持續適應當地環境；保留農民選種知識、栽培技術及文化用途；種子仍可直接供生產與交換	受人口外移、耕作中斷、天災、病蟲害及品系混雜影響，可能快速流失；種子品質與品系身分不易標準化
種原庫保存（ex situ conservation）	種子採收後，以低溫、低濕等條件保存於種原庫，並定期檢查及更新繁殖	可長期保存、建立身分與特性紀錄；便於研究、育種及跨地區備份；降低田間環境變動造成的立即損失	種子無法在庫中持續演化；需要設施、經費與定期更新；保存過程可能有發芽力衰退或繁殖時遺傳組成改變的風險；若缺少部落參與，也難保存其活態文化知識

**答題重點：**兩種方式互補。田間保存維持作物與人、地、文化的連結；種原庫保存則提供較穩定的長期備份。兼採兩者可降低種原流失風險。

（三）評估並降低重複或同物異名種原，建立一組種原（6 分）

1. 整理來源與護照資料：核對採集地、部落、農家、採集年份、品系名稱、種子來源及栽培用途。

核心觀念

本題考查高粱的基本生殖生物學、輪迴選種的育種原理，以及利用雄性不稔系統生產雜交種子的流程。作答時應依序交代「物種與生殖特性」、「輪迴選種如何累積有利基因」、「為何利用雜種優勢及如何維持親本、量產 $F_1$ 種子」。

（一）學名、染色體數目與繁殖特性（4 分）

• **學名：**高粱為 Sorghum bicolor (L.) Moench。
• **染色體數目：**基本染色體數 $x=10$，一般栽培高粱為二倍體，$2n=20$。
• **繁殖特性：**高粱為禾本科作物，通常以種子繁殖，屬自花授粉作物；花序為圓錐花序，小穗花的花藥與柱頭在同一朵花中，主要靠自花授粉。但其花朵外露、花粉可隨風傳播，田間仍會發生一定程度的異交，因此可進行族群改良及雜交育種。

（二）輪迴選種為何適用於高粱育種（6 分）

**核心觀念：**輪迴選種（recurrent selection）是在族群內反覆進行「選出優良個體或家系、交配重組、形成下一輪族群」，逐代提高有利等位基因頻率，同時保留族群內足夠的遺傳變異，供後續選拔使用。

高粱適用此法的原因如下：

1. **有可利用的異交率。**高粱雖以自花授粉為主，仍有一定程度的自然異交，且可人工控制授粉，便於優良材料間重組。
2. **可在族群中累積多基因的有利變異。**產量、抗旱、抗病、株高與成熟期等性狀常受多個基因影響。輪迴選種可反覆提高相關有利基因的頻率，而非只選定單一基因型。
3. **選拔與重組可持續進行。**經過一輪選拔後，讓入選材料交配形成新族群，再以新族群為基礎開始下一輪，可逐代改良族群平均表現。
4. **能維持改良材料的遺傳基礎。**相較於只從單一優良植株建立純系，輪迴選種讓多個入選個體參與重組，較能保存變異，降低遺傳基礎過窄的風險。
5. **可依育種目標採用不同選拔設計。**例如依植株表現直接選拔，或先測定家系表現、再選留親本；需要改良配合力時，也可透過測交表現進行選拔。

**解題方法：**抓住輪迴選種的循環：$選拔 \rightarrow 重組交配 \rightarrow 新族群 \rightarrow 再選拔$。答案須同時指出高粱具備可重組的生殖條件，以及其重要性狀可透過多代選拔逐步改良。

（三）育成 $F_1$ 雜交高粱品種的理由與育種方法（10 分）

為何育成 $F_1$ 雜交品種

$F_1$ 雜交種由遺傳背景不同的親本交配而成，可利用雜種優勢（heterosis），使子代在產量、生長勢、整齊度、抗逆性或適應性等方面優於親本平均表現。高粱的產量等重要性狀具有可利用的遺傳差異；建立穩定的親本系後，便能持續生產表現一致的 $F_1$ 種子，供農民栽培。

核心觀念

本題考查 SNP 高通量分型技術，以及如何將基因型資料用於分子標誌輔助選育（MAS）與基因體選拔（GS）。SNP 是基因組中特定位置的單一核苷酸差異，常以雙等位基因型態呈現，例如 $A/G$。大量分布於全基因組的 SNP，可用來追蹤目標基因或估算個體的育種價值。

MAS 與 GS 的主要差異，在於標誌的使用方式：MAS 主要使用已知與目標性狀相關的少數標誌；GS 則同時使用全基因組的大量標誌，估算個體的基因體估計育種價值（genomic estimated breeding value, GEBV）。

（一）如何進行高通量 SNPs 基因型分析（8 分）

高通量分型的基本流程為：取得樣本 DNA、建立基因型分析平台、偵測 SNP 等位基因，最後進行品質控制與基因型判讀。實務上可採用 SNP 晶片或次世代定序方法。

1. 樣本與 DNA 前處理

從各育種材料採集葉片等組織，萃取基因組 DNA，並檢查 DNA 的濃度、純度及完整性。DNA 品質不佳會增加分型失敗、缺失基因型或錯誤判讀。

2. 選擇高通量分型平台

（1）SNP 晶片（SNP array）

先將已知 SNP 位點設計成探針，讓待測 DNA 與晶片探針雜交，再依螢光訊號或等位基因訊號判定基因型。晶片適合對大量樣本進行固定 SNP 位點的快速分型；位點品質通常穩定，但只能檢測晶片上預先設計的位點。

（2）定序式分型

包括全基因組重定序（whole-genome resequencing）、低深度全基因組定序（skim sequencing），以及基因型定序（genotyping-by-sequencing, GBS）等方法。GBS 通常以限制酶切割基因組、建立定序文庫，並將不同樣本加上索引序列後混合定序，以降低定序成本；定序資料經比對後可進行 SNP 偵測與分型。

3. SNP 偵測及基因型判讀

將定序讀段比對至參考基因組，或依晶片訊號判定各樣本在各 SNP 位點的基因型，例如 $AA$、$AG$、$GG$。若缺乏參考基因組，也可採用適合該作物的標記發現與分型流程。

4. 品質控制與後續分析

剔除缺失率過高、分型品質不佳或疑似錯誤的 SNP 與樣本，檢查次要等位基因頻率、重複樣本一致性及族群結構等；必要時對缺失基因型進行推估（imputation）。完成品質控制後，即可取得「樣本 × SNP 位點」的基因型資料矩陣，供連鎖分析、GWAS、MAS 或 GS 使用。

（二）SNPs 如何應用於分子標誌輔助選育 MAS？（6 分）

MAS 是利用 DNA 標誌的基因型，間接選拔具有目標性狀或目標基因的個體。其切入點是先找出與目標基因或 QTL 有關的 SNP，再於育種族群中檢測該 SNP，依基因型保留適合的個體。

作答流程

1. 確認目標性狀與遺傳基礎：透過遺傳分析、連鎖定位、GWAS 或已知功能基因資料，找出控制目標性狀的基因或 QTL。
2. 選定標誌：優先使用位於功能變異本身的 SNP；若無法取得功能標誌，則使用與目標基因緊密連鎖的 SNP。標誌與目標基因距離愈近，減數分裂時發生重組而使標誌與性狀脫鉤的機率愈低。
3. 檢測育種材料：以 SNP 晶片、GBS 或 KASP 等平台，判讀候選植株在目標位點的基因型。
4. 依育種目標選拔：保留具有有利等位基因或適當基因型的個體。