112 專技高考高等考試 農藝技師 作物育種學 考古題詳解

核心觀念

本題考查作物育種學與遺傳學的五個基礎名詞，這些概念是育種學理論架構的基石，也是歷年高考、技師考試反覆出現的必考名詞。作答時須掌握「定義精確」「舉例輔助」「與相近概念區辨」三大原則，才能拿到滿分。

---

解題方法與詳解

(一) 雙雜交種（dihybrid）

定義：雙雜交種係指同時考量「兩對」不同基因（分別位於不同基因座）之遺傳性狀所形成的雜種個體，其基因型可表示為 $AaBb$。此概念源自孟德爾的自由組合律（Law of Independent Assortment）之延伸驗證。

內涵說明：

• 單雜交（monohybrid）僅涉及一對基因（如 $Aa$），其雜交後代 $F_2$ 呈現 3：1 分離比。
• 雙雜交（dihybrid）涉及兩對基因，若兩對基因位於不同染色體上（可自由組合、無連鎖），則 $F_2$ 之表現型分離比為 $9:3:3:1$。
• 此比例可由機率獨立性推導：$(3:1) \times (3:1)$ 展開得 $9:3:3:1$。
• 若兩基因發生連鎖（linkage），則分離比會偏離 $9:3:3:1$，此即用以檢測基因連鎖與計算重組率（recombination frequency）之經典設計。

應用意義：雙雜交測交是育種學上用以判斷兩性狀基因是否獨立遺傳、是否存在連鎖關係的重要工具，亦是連鎖圖譜（linkage map）繪製之理論基礎。

---

(二) 廣義遺傳力（broad sense heritability, $H^2$）

定義：廣義遺傳力係指群體中「總遺傳變異」占「總表現型變異」之比例，用以衡量性狀受遺傳因子控制之相對程度。

公式表示： $H^2 = \dfrac{V_G}{V_P} = \dfrac{V_G}{V_G + V_E}$

其中：

• $V_G$：遺傳變異（Genetic variance），包含加性效應 $V_A$、顯性效應 $V_D$、上位效應 $V_I$，即 $V_G = V_A + V_D + V_I$
• $V_E$：環境變異（Environmental variance）
• $V_P$：表現型總變異（Phenotypic variance）

與狹義遺傳力之區辨（常考陷阱）：

• 狹義遺傳力（narrow sense heritability, $h^2$）僅計入加性遺傳變異：$h^2 = V_A / V_P$
• 廣義遺傳力涵蓋全部遺傳成分（加性＋顯性＋上位），故 $H^2 \geq h^2$
• 育種實務上，狹義遺傳力更能預測「選拔育種」之效果（因僅加性效應可穩定遺傳給子代），故雜交育種計算選拔進度時多用 $h^2$；而廣義遺傳力則常用於評估性狀受遺傳控制之整體程度（如自交系或無性繁殖作物）。

數值意義：$H^2$ 介於 0 到 1 之間，值愈接近 1 表示性狀受遺傳因子主導、受環境影響小，選拔效率較高；反之則環境影響大，選拔效果較差。

---

(三) 基因多效性（pleiotropy）

定義：指單一基因（或單一基因座）可同時影響多個表現型性狀之現象，即「一因多效」。

機制說明：

• 一個基因的產物（通常為蛋白質或酵素）可能參與多條代謝途徑，或在發育過程中於不同組織、不同時期發揮作用，因而牽動多項性狀表現。
• 經典例子：豌豆中控制花色的基因同時影響種皮顏色與葉腋斑點；水稻中某些矮化基因（如 $sd$-1）除影響株高外，亦間接影響穗型與抗倒伏性。

與其他概念之區辨：

• 多效性強調「一個基因→多個性狀」，方向與「多基因性狀（polygenic trait，多個基因→一個性狀）」恰好相反，考生應注意勿混淆。
• 多效性在育種上具重要意涵：進行單一性狀選拔時，可能因基因連鎖或多效性而「牽動」其他非目標性狀發生連帶改變（即所謂的遺傳相關，genetic correlation），育種者須審慎評估以避免不良性狀被意外固定。

---

核心觀念

本題考的是**數量性狀基因座（Quantitative Trait Loci, QTL）連鎖定位（Linkage mapping）**的完整實驗設計邏輯，需整合三大知識領域：

1. 數量遺傳學基礎：耐淹水性（flooding/waterlogging tolerance）屬於多基因控制的數量性狀，具有連續分布、易受環境影響（$G\times E$ 交感效應）、遺傳率偏低等特性，無法用孟德爾式的質量性狀分析法處理，必須靠統計方法將表現型變異分解為「QTL效應＋環境效應＋誤差」。

2. 連鎖定位原理：利用減數分裂時同源染色體發生**重組（recombination）的頻率與物理距離成反比的原理，藉由分子標記（molecular marker）與目標性狀基因之間的共分離（co-segregation）**關係，推算QTL在染色體上的相對位置。基本關係式為重組率 $\theta = \frac{\text{重組型個體數}}{\text{總個體數}}$ 再以 Kosambi 或 Haldane 作圖函數換算成圖距（cM），Kosambi 公式為 $d(\text{cM}) = \frac{1}{4}\ln\left(\frac{1+2\theta}{1-2\theta}\right)\times 100$

3. 大豆為自交作物的遺傳育種特性，適合建立永久性、可重複多年多點試驗的分離族群（如RIL），以克服耐淹水這種易受環境干擾之性狀在單一環境測值不穩定的問題。

---

解題方法（完整操作步驟）

作答時應依「親本選擇 → 族群建立 → 表型鑑定 → 基因型鑑定 → 統計定位 → 效應估計 → 驗證應用」七階段依序展開，展現完整實驗邏輯：

一、親本選擇與雜交

選取耐淹水性狀表現型差異顯著、且在分子標記上具**高度多態性（polymorphism）**的兩個大豆品系（例如耐淹水品系 × 淹水敏感品系）進行雜交，取得 F1，作為後續分離族群之基礎。

二、建立作圖族群（Mapping Population）

以 F1 自交衍生 **重組自交系（Recombinant Inbred Lines, RIL）**為主要族群型式。因耐淹水為數量性狀且環境誤差大，RIL 具基因型固定、可跨年跨地點重複種植取得多重複表型資料之優點，優於一次性族群（如F2）。亦可搭配 近等基因系（NIL） 用於後續精細定位。

三、表型鑑定（Phenotyping）

此為QTL定位成敗關鍵，須設計標準化耐淹水逆境誘導系統：

• 於溫室或田間以人工控水（hydroponic 或 pot flooding assay）於特定生育期（如V2期）施予連續淹水處理。
• 測定耐淹水相關性狀：存活率（survival rate）、地上部乾重減損率、葉片黃化指數、SPAD值（葉綠素含量）、不定根與通氣組織（aerenchyma）發育程度，並綜合計算耐淹水指數（Flooding Tolerance Index, FTI）。
• 須多重複、多年多點（multi-environment trial）進行，以估計廣義遺傳率（$H^2$），確認表型變異主要來自遺傳而非環境雜訊，作為後續QTL分析可信度之依據。

四、基因型鑑定與連鎖圖譜建構

利用 SSR、SNP晶片或 GBS（Genotyping-by-Sequencing）對整個 RIL 族群進行分子標記基因型分析，依標記間重組頻率，以作圖軟體（如 JoinMap、MapMaker）建構遺傳連鎖圖譜（linkage map），決定各標記之連鎖群（linkage group）歸屬與圖距順序。

五、QTL統計定位分析

將表型資料與連鎖圖譜整合，採用以下方法之一（由簡至繁）：

• 單標記分析（Single Marker Analysis）：以t檢定或迴歸分析比較不同標記基因型組別間之表型均值差異，方法簡單但無法精確定位QTL位置且易受標記密度限制。

核心觀念

本題考查兩個重點：

1. 茶樹（Camellia sinensis）的花器構造與開花習性，特別是與育種操作直接相關的特性——自交不親和性（self-incompatibility）、蟲媒異交、延遲受精現象、花芽分化與新梢生長之養分競爭。
2. 雜交育種法（hybridization breeding）在多年生木本異交作物上的實際操作流程，須扣緊茶樹「自交不親和、雜合度高、以無性繁殖固定品種」的生物學特性來鋪陳步驟，而非套用水稻、大豆等一年生自交作物的「系譜法純系育種」模式。

命題重點在於：考生是否理解「茶樹的花器與開花特性」如何決定其育種方法的選擇與操作細節（去雄、隔離、單株選拔、無性繁殖固定）。這是農藝技師考試常見的「生物學特性→育種策略」連結型申論題。

---

解題方法／作答架構

作答應分兩大部分：

• 第一部分：依「花器構造」與「開花生理特性」兩軸描述，且須點出這些特性對育種操作的限制與意涵（例如自交不親和決定了必須人工去雄雜交，而非自交建立純系）。
• 第二部分：舉一品種為例（建議舉台茶場育成之品種，資料明確、易記），依「親本選擇→人工雜交→實生苗選拔→無性繁殖固定→比較試驗→命名登記」的標準流程逐一說明，並強調茶樹為異交多年生木本，須以無性繁殖固定雜交優良單株，此為作答得分關鍵。

---

內容詳解

一、茶樹之花器與開花特性

（一）花器構造

• 茶樹為兩性花，單生或簇生於葉腋。
• 花萼 5 枚，宿存；花瓣通常 5～7 瓣，白色略帶黃暈，具香氣。
• 雄蕊數目多（約 100～300 枚），排列成數輪，花藥黃色，花粉量大，為典型**蟲媒花（entomophilous）**構造。
• 雌蕊子房上位，3～5 室，花柱上部分裂為 3～5 枝柱頭。
• 因雄蕊數目龐大且花粉黏性高，加上柱頭與花藥位置相近，自花授粉機率高，但自交後結實率極低，此即下述自交不親和性所致。

（二）開花與授粉特性

1. 自交不親和性（Self-Incompatibility, SI）：茶樹具強烈自交不親和，屬配子體型不親和（gametophytic SI），同株或同無性系間授粉多不能正常受精結果，故田間需異花授粉方能結實，天然族群以異交（outcrossing）為主，也因此茶樹族群遺傳異質性（heterozygosity）極高，實生苗變異幅度大，這是後續雜交後裔須以單株選拔、無性繁殖固定的根本原因。
2. 蟲媒授粉：花粉主要靠蜜蜂等昆蟲攜帶傳播，人工雜交時必須以套袋隔離，避免外來花粉污染。
3. 花芽分化與新梢生長之拮抗：茶樹花芽多於夏季（約6～8月）分化，與當期新梢（茶芽）生長競爭養分，故產季與花期常有消長關係，此為茶園管理（如採摘、修剪）需配合考量之生理特性。
4. 開花期：台灣茶區多集中於秋末至冬初（約10月至翌年1月），因品種、海拔、氣候而略有早晚差異。
5. 延遲受精與隔年結實現象：茶樹授粉後花粉管生長緩慢，受精過程延遲，果實由開花至成熟常需跨年始能採收（即「當年開花、翌年結果」），此特性使雜交育種之種子取得與世代推進時間拉長，是茶樹育種年限特別長（動輒20年以上）的重要原因之一。

---

二、以品種為例說明雜交育種步驟——以「台茶12號（金萱）」為例

核心觀念

本題考的是分子標誌（molecular marker）在作物育種上的應用比較，屬於「以簡單重複序列為基礎」的兩大類標誌技術：

• SSR（simple sequence repeats，簡單重複序列，又稱微衛星 microsatellite）：基因體中由 1～6 個鹼基為單位重複排列而成的序列（如 $(CA)_n$、$(AT)_n$、$(GATA)_n$），重複次數因個體、品種而異，造成長度多型性（length polymorphism）。偵測時需先知道重複區兩側（flanking region）的專一序列，據以設計一對引子（primer pair），以 PCR 增幅該區段，再以電泳分離不同長度的片段。

• ISSR（inter-simple sequence repeats，簡單重複序列區間）：不需要事先知道兩側序列，而是直接以 SSR 重複單位本身（通常在 5′ 或 3′ 端加上 1～4 個錨定鹼基，anchored primer，如 $(AG)_8C$）作為單一引子，對基因體中兩個方向相對、距離適當（約在數百至數千 bp 內）、且位於不同 SSR 位點之間的區域進行增幅，產生多個片段的指紋圖譜（fingerprint），屬於顯性標誌（dominant marker）。

兩者共同根源都是 SSR，但引子設計方式、標誌屬性（共顯性 vs 顯性）、技術門檻與應用場合明顯不同，這正是命題核心。

解題方法

作答時應採「先分述原理與特性，再對照適用範圍並舉例」的結構，讓閱卷者一眼看出考生掌握兩者的技術差異與育種應用邏輯，而非死背名詞。

（一）SSR 標誌的原理與特性

1. 屬共顯性標誌（codominant）：雜合子（heterozygote）可同時偵測到兩個等位基因片段，能明確區分 $AA$、$Aa$、$aa$ 三種基因型。
2. 多型性高、重複性佳（因引子專一，PCR 條件穩定）。
3. 缺點：須先透過基因體定序或既有文獻取得側翼序列以設計引子，開發成本較高；且多屬單一位點（locus-specific）分析。

適用範圍與舉例：

• 種原鑑定與品種純度檢定：因共顯性可準確區分雜合與純合基因型，常用於水稻、玉米雜交種純度檢測（F₁ 種子真偽鑑別）。
• 遺傳圖譜構築與 QTL 定位：SSR 為理想的圖譜標誌，如水稻、大豆、小麥的連鎖圖譜多以 SSR 為骨架標誌（framework marker）。
• 標誌輔助選拔（marker-assisted selection, MAS）：例如水稻抗白葉枯病基因 $Xa$ 系列、耐鹽基因 $Saltol$ 的前景選拔（foreground selection），因需精確追蹤特定等位基因，故採 SSR。
• 親緣關係與遺傳歧異度分析、種原庫（germplasm bank）多樣性評估。

（二）ISSR 標誌的原理與特性