114 高普考高考三級 農業技術 作物育種學 考古題詳解

核心觀念與解題方法

本題是名詞解釋題，每小題 5 分。作答時先給出準確定義，再補充其目的、主要特徵或在作物育種上的用途。作物育種相關名詞可依「概念是什麼、如何運作、用在哪裡」組織答案；遺傳學名詞則要指出它描述的是表現型的哪一個面向。

（一）數位育種（digital breeding）

數位育種是運用數位科技與資料分析，支援作物育種決策及流程的育種方式。它整合基因型資料、表現型資料、環境資料及系譜等資訊，並透過資料庫、影像與感測技術、統計模型或人工智慧，進行性狀分析、品系評估、親本選擇及育種材料排序。

其核心不只是使用電腦，而是把育種過程中的資料蒐集、整合、分析與決策連結起來。例如以影像辨識田間植株性狀，搭配基因組選拔模型評估候選品系，可提高選拔效率，並協助處理多性狀、多環境的大量資料。

**作答要點：**指出「育種資料的數位化與整合分析」及其如何協助選拔、決策或加速育種流程。

（二）核型分析（karyotype）

核型分析是將細胞分裂中期的染色體製片、染色與攝影，依染色體的大小、著絲點位置、臂比及帶紋等特徵排列，藉以描述一個物種或個體的染色體組成與形態。

核型分析可確認染色體數目與形態，也可用來辨識性染色體、染色體倍數性，以及較大型的染色體結構變異。作物育種與細胞遺傳研究中，可用於分析多倍體、遠緣雜交後代及染色體變異材料。嚴格來說，karyotype 指染色體組成及其特徵；排列並觀察染色體的程序常稱核型分析。

**作答要點：**交代分析對象、排列依據與用途，避免只寫「觀察染色體」。

（三）體胚發生（somatic embryogenesis）

體胚發生是由非合子來源的體細胞或組織，在適當的離體培養條件下，經由胚性細胞形成具有胚胎發育特徵的體胚，並可進一步發育成完整植株的過程。體胚不經由受精形成，通常具有類似合子胚的發育階段，例如球形、心形、魚雷形及子葉形等。

體胚可直接由外植體形成，也可先經由愈傷組織間接形成。此技術可應用於大量繁殖、體細胞變異選拔、基因轉殖及植物再生；若由單一細胞或單一胚性細胞系再生，所得植株較有機會維持遺傳一致性。

核心觀念

本題考查五種常見分析技術的分析對象、用途與染色方式。作答時先辨認對象是染色體、核酸、蛋白質或花粉，再配對染劑；電泳的膠體提供分離環境，染劑則用來顯示分離結果。

解題方法與各小題

(一) G-banding

• **目的：**觀察染色體上明暗相間的 G 帶型，以辨認染色體及分析染色體的數目或結構異常，例如缺失、重複、倒位或易位。
• **染劑：**Giemsa（吉姆薩）染液。典型處理會先以胰蛋白酶處理染色體，再進行 Giemsa 染色。

(二) Q-banding

• **目的：**以螢光帶型辨認染色體，並分析染色體的數目或結構異常；可與 G-banding 一樣用於核型分析。
• **染劑：**quinacrine（喹吖因；常用 quinacrine mustard）。以螢光顯微鏡觀察，可見明暗相間的 Q 帶。

(三) Agarose electrophoresis

• **目的：**利用瓊脂糖凝膠分離核酸片段，常用於分析 DNA 或 RNA 的大小及樣品組成；較小的片段通常在相同條件下移動較快、距離較遠。
• **染劑：**常用 ethidium bromide（溴化乙錠，EtBr）使核酸條帶可見。實務上也可使用 SYBR Green 等核酸染劑。

(四) SDS-PAGE

• **目的：**以十二烷基硫酸鈉聚丙烯醯胺凝膠電泳分離蛋白質。SDS 使蛋白質變性並帶有大致相近的負電荷／質量比，因此通常依分子量大小分離；較小的蛋白質通常移動較快。
• **染劑：**常用 Coomassie Brilliant Blue（考馬斯亮藍）染色，以顯示蛋白質條帶。

(五) Pollen grain staining

核心觀念

本題考查自交作物水稻的雜交後代如何從分離族群培育成穩定品系，重點在比較**譜系法（pedigree method）與混合法（bulk method）**的世代推進、選拔時點及紀錄方式。

水稻雜交後代自交時，雜合基因座逐代分離並趨於純合。以單一基因座為例，若 $F_1$ 為雜合體，連續自交 $n$ 代後，仍為雜合的比例約為：

因此，愈後期世代的植株愈穩定，適合選拔可供品系比較的材料。不過，早期選拔可保留優良單株及其家系資訊；延後選拔則可減少早期逐株選拔和記錄的工作。

解題方法：依「何時選、怎麼留種、是否追蹤家系」比較

假設以兩個水稻品種作親本，人工雜交取得 $F_1$，之後讓後代自交。可依每一代的植株或種子如何處理，分別說明兩種方法。

譜系法的操作流程

1. 親本雜交：選定具互補優良性狀的親本，例如一方具有良好株型，另一方具有抗病性，配製雜交取得 $F_1$ 種子。
2. 種植並繁殖 $F_1$：確認雜交植株後自交，收穫 $F_2$ 種子。
3. $F_2$ 單株選拔：種植足量 $F_2$ 植株，依育種目標選擇表現優良的單株；每株單獨收穫、編號，留下各自的種子。
4. $F_3$ 起按家系種植：將各 $F_2$ 單株的種子分別種成家系或株行，觀察家系內分離與一致性，選取優良家系及家系內優良單株。
5. 逐代選拔與記錄：在 $F_4$、$F_5$ 等世代繼續依家系及單株表現選拔，記錄親本組合、家系與單株代號，保留清楚的譜系。
6. 進入品系試驗：較穩定的後代可種成品系株行，淘汰不良品系，進行產量、品質、抗病性及區域適應性等試驗。

譜系法的核心是：早期選單株，後續按家系追蹤；各單株後代分開留種、分開評估。

混合法的操作流程

1. 親本雜交並繁殖 $F_1$：與譜系法相同，種植 $F_1$ 並自交，收穫 $F_2$。
2. 分離世代以族群方式推進：將 $F_2$ 植株種在族群田中，通常不逐株選拔；成熟後將族群植株的種子混合收穫，作為下一代種子。
3. 逐代混合繁殖：$F_3$ 至數個分離世代持續採用混合播種、混合收穫，使族群自交並逐代趨於純合。此期間主要由自然環境造成生存與繁殖上的淘汰。

核心觀念

**正向遺傳學（forward genetics）**是從可觀察的表型差異出發，先找出與性狀連鎖或相關的基因座，再逐步定位、鑑定並驗證造成性狀差異的基因。研究方向可簡化為：

本題的性狀是禾穀作物在淹水或土壤水分飽和、根域缺氧條件下的耐受能力。耐淹水通常是複雜性狀，可能受到多個基因及環境影響；研究時須明確區分全株浸水與土壤水淹造成根部缺氧，因為兩者的受害部位、評估性狀與適應機制並不相同。

正向與反向遺傳學的差別在於研究起點：正向遺傳學從性狀找基因；反向遺傳學則先選定基因，再改變其功能並觀察表型。

解題方法

一、建立耐受與敏感材料，定義處理條件

蒐集或篩選具遺傳差異的材料，例如耐淹水品系與敏感品系。以標準化淹水處理比較兩者，並設置未淹水對照；處理條件須記錄生育期、淹水深度、持續時間、水溫及恢復期，且應在重複試驗與不同環境中確認表型穩定性。

評估指標可包括存活率、植株高度與伸長量、根系生物量、根系通氣組織（aerenchyma）形成、葉片黃化、復水後恢復能力及產量相關性狀。為降低植株大小與環境差異的影響，可同時比較淹水處理值與對照值，或分析相對變化率：

若以存活率等指標評估，須確保性狀定義和評分方式一致。耐受性不宜只用單一生長指標判定，因為植株可能在淹水下存活，卻在恢復生長或產量上受損。

二、建立遺傳族群並進行定位

以耐受親本和敏感親本雜交，建立 $F_2$、回交、重組自交系（RIL）或雙單倍體（DH）族群。利用分子標記或全基因組 SNP 對族群定型，將標記基因型與淹水表型進行連鎖分析，找出與耐受性相關的數量性狀基因座（QTL）。

若利用自然群體，則可進行全基因組關聯分析（GWAS），檢測標記與表型的統計關聯。分析時要控制族群結構與親緣關係，並在獨立材料或不同環境中確認關聯訊號。QTL 或 GWAS 訊號指出的是與性狀相關的基因組區域，不能直接等同於已證明功能的因果基因。

三、縮小區間並挑選候選基因