114 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

玉米雙單倍體（doubled haploid, DH）育種，是先取得單倍體植株，再使其染色體加倍，迅速形成高度純合的自交系。單倍體只帶有供試材料一套染色體；加倍後，每條染色體都有相同的複本，因此基因型可在一代內固定。

本題重點是玉米體內單倍體誘導法。操作時，以待改良或待固定的材料作母本，以玉米誘導系作父本。受精後，少數胚會形成只含母本基因組的母源單倍體；其餘多數籽粒仍是正常二倍體雜交種。挑出單倍體後，再進行染色體加倍與自交採種，得到 DH 系。

解題方法

可依「如何產生單倍體 → 成功率如何表示及受何影響 → 如何辨認 → 田間如何操作」四個步驟作答。須特別區分：

• 誘導率：誘導系使受粉後籽粒形成單倍體胚的比例。
• DH 成功率：從誘導、辨認、染色體加倍到植株存活及結實的整體效率。誘導率高，不代表最後取得的 DH 系數量必然高。

一、誘導原理與 DH 製作流程

以供試材料作母本、誘導系作父本授粉。誘導系常帶有可辨識的顯性標記，例如籽粒花青素標記 $R1\text{-}nj$。授粉後，胚珠經受精或相關生殖過程形成胚；少數胚在發育中未保留誘導系的父源染色體，形成只含母本染色體的單倍體胚。此現象常以父源染色體消除說明；其發生機制涉及受精及胚胎早期染色體行為。

單倍體的染色體數為 $n$，代表供試材料一套染色體。對單倍體植株進行染色體加倍後，染色體數成為 $2n$，形成雙單倍體。經加倍且可育的植株自交採種，即可取得純合 DH 種子。

$$\text{供試材料（母本）}\times\text{誘導系（父本） }\longrightarrow \text{母源單倍體籽粒} \longrightarrow \text{單倍體植株} \longrightarrow \text{染色體加倍} \longrightarrow \text{DH 系}$$

誘導系的角色是提供誘導能力與辨識標記，不是 DH 系的遺傳來源；合格的母源單倍體應保留供試母本的基因組，不保留誘導系父本基因組。

二、誘導成功率及影響因素

誘導率（haploid induction rate, HIR）通常以誘導後籽粒中單倍體的比例表示：

$$\text{HIR（\%）}= \frac{\text{單倍體籽粒數}}{\text{誘導授粉所得籽粒總數}} \times 100$$

實際試驗也會以種子或植株作為統計單位，報告時應註明分母與辨認標準。常用品系的 HIR 約為 5% 至 15%，但會因誘導系、供試材料與試驗條件而變動；考題作答宜寫出常見範圍，並說明不是固定常數。

主要影響因素如下：

1. 誘導系基因型：不同誘導系的誘導能力不同；誘導系的遺傳背景、適應性與花粉活力也影響田間表現。
2. 供試材料基因型：不同母本材料對誘導的反應有差異。
3. 授粉及田間條件：花期是否相遇、花粉量與活力、授粉是否成功，以及溫度、水分和栽培狀況，都會影響有效籽粒數與誘導結果。
4. 標記是否能正常表現：花青素抑制基因可能使 $R1\text{-}nj$ 表現減弱或消失，降低辨認準確度；這主要影響「辨認所得誘導率」，不宜與真正的誘導能力混為一談。

核心觀念

**譜系法（pedigree method）**是自交作物雜交育種中，從分離世代開始選拔個體、逐代種植其後裔，並完整記錄親本與後代關係的方法。其目標是從雜種後代中選出具有目標性狀組合、遺傳上逐漸純合且表現穩定的品系。

自交使雜合度逐代下降。若某基因座在起始世代為雜合，連續自交 $n$ 代後，該基因座仍為雜合的比例約為：

$$H_n=H_0\left(\frac{1}{2}\right)^n$$

因此，世代愈後，品系通常愈趨純合，性狀表現也較穩定。譜系紀錄讓育種者能追溯每一個選拔個體的來源，並比較不同家系與家系內個體的表現。

本題主要考查三件事：譜系法如何結合個體選拔、後裔家系評估與親子世代紀錄；如何把它用於抗病或品質改良；以及它與混合法、單粒傳法等方法相比的優缺點與適用條件。

解題方法與實施步驟

答題時依「親本與雜交 → 分離世代選拔 → 後裔評估與逐代純合 → 品系試驗」說明，再以具體育種目標串連步驟。

1. 選親並雜交 選擇性狀互補的親本。例如，以高產、適應性佳但易感病的品種，與抗病來源雜交；或以產量佳的親本與具優良加工品質的親本雜交。雜交後確認取得 $F_1$ 種子。

2. 種植 $F_1$，繁殖 $F_2$ 種子 $F_1$ 通常具有較高雜合度；將其自交以產生分離的 $F_2$ 世代。此時各株的基因型開始分化，是選拔有利重組的重要來源。

3. 在 $F_2$ 個體選拔並建立譜系 在足夠大的 $F_2$ 群體中，依目標性狀選取優良單株。若目標性狀為抗病，應配合病圃接種或病害自然發生穩定的環境判別抗性；若目標是品質，則依籽粒、加工或成分等指標選株。每個入選單株分別留種，並記錄交配組合、世代及植株編號。

4. $F_3$ 起按家系種植與選拔 將每一株 $F_2$ 所收的種子分別種成一個 $F_3$ 家系。先比較家系間表現，再在表現良好的家系內選取優良單株。以此方式可利用後裔表現，判斷原選拔單株是否確實帶有可遺傳的有利基因。

5. 逐代自交、選系並維持紀錄 $F_4$、$F_5$ 等世代持續採取家系間及家系內選拔，逐代淘汰表現不良或性狀不一致的家系，並選出性狀整齊、符合育種目標的植株。譜系編號需能追溯祖先，例如某 $F_3$ 家系中選出的第 4 株，可在後代編號中保留其家系及植株來源。

6. 純系比較與品系試驗 待材料較穩定後，將入選品系進行比較試驗，評估產量、抗病性、品質與農藝性狀；再進行多地點或多年試驗，確認表現與適應性後，選出優良品系。

抗病改良實例：水稻抗病品系選拔

假設以高產但易感稻熱病的親本 A，與稻熱病抗性來源 B 雜交。

• 在 $F_2$ 病圃中，以一致的接種條件評估稻熱病反應，先選擇抗病且株型、成熟期等農藝性狀合宜的單株，分株收種並編號。
• 將每個入選單株的種子分別種成 $F_3$ 家系，在病圃中比較家系的抗病表現及家系內整齊度。若某家系普遍感病，即淘汰；若家系抗病且農藝性狀良好，再於其中選株。

核心觀念

本題考查兩種不同的生殖障礙，以及如何利用雄不稔性建立雜交種子生產系統。雄不稔影響花粉的形成或功能；自交不親和則是花粉與雌蕊間的遺傳辨識反應，使自體花粉不能成功完成受精。

雄不稔（male sterility）

雄不稔是雄蕊或花粉發育異常，造成花粉不能形成、不能散出，或失去萌發及受精能力；雌蕊通常仍具正常結實能力。它可避免母本自交，利於生產雜交種子。

自交不親和（self-incompatibility）

自交不親和是由遺傳控制的花粉—雌蕊辨識現象：具有相同或不相容的親和基因型之花粉，落在雌蕊柱頭或花柱後，會在特定階段受到抑制，不能完成受精。花粉本身可育，雌蕊也可育，主要差異在於交配組合是否相容。

兩者的判別重點是：雄不稔屬於雄性生殖功能失常；自交不親和則是交配組合受遺傳辨識系統限制。

解題方法：從遺傳來源建立三系

三系法的核心，是將「不產生有效花粉的種子親本」與「提供花粉的恢復系」配合。三系依功能分為：

• 不稔系（A line，雄不稔系）：雄性不稔、雌性可育，用作雜交種子生產的母本。
• 維持系（B line，維持系）：與 A 系具有相同或近似的細胞核基因型，但自身雄性可育；用來繁殖 A 系。
• 恢復系（R line，恢復系）：帶有恢復基因，與 A 系雜交後，使雜交一代恢復雄性可育；同時提供所需花粉。

三系的維持與雜交方向為：

$$A \times B \longrightarrow A$$ $$A \times R \longrightarrow F_1\text{ 雜交種}$$

兩個交配中，A 系均作母本；用 B 系繁殖 A 系時，後代仍維持雄不稔，用 R 系與 A 系交配時，所產種子則為可育雜交種。

細胞核雄不稔下的三系原理

細胞核雄不稔由核基因控制，常見為隱性基因造成雄性不稔。以 $ms$ 表示隱性不稔基因、$Ms$ 表示正常可育基因，則：

• 不稔植株為 $msms$。
• 可育植株為 $MsMs$ 或 $Msms$。

因為不稔株不能自行提供花粉，繁殖時以不稔株作母本、可育株作父本。以 $msms \times Msms$ 為例，理論上後代有一半為 $msms$ 不稔株，另一半為 $Msms$ 可育株。因此須在後代中辨識並選出不稔株，供後續雜交制種使用；維持系則可提供花粉並協助繁殖不稔系。

細胞核雄不稔系統的實務限制，是後代常同時分離出可育與不稔植株，需額外鑑別、去除可育株，增加田間管理與種子純度控制工作。其三系成立的要點是：利用與不稔基因型相配合的維持親本繁殖不稔材料，並選育能使商品雜交後代達到所需育性與農藝性狀的父本。

細胞質雄不稔下的三系原理

細胞質雄不稔（cytoplasmic male sterility, CMS）主要由母系遺傳的細胞質因子造成；細胞核中另有恢復基因，可抑制或補償不稔效應。以 $S$ 表示雄不稔細胞質、$N$ 表示正常細胞質，$rf$ 表示不具恢復作用的等位基因，$Rf$ 表示恢復基因，典型遺傳關係如下：

系統材料	基因型示意	育性與功能
A 系	$S\,rfrf$	雄不稔，作母本
B 系	$N\,rfrf$	雄性可育；供花粉維持 A 系

核心觀念

本題考查全基因組關聯分析（GWAS）與數量性狀基因座定位（QTL mapping）的研究設計與推論基礎。兩者都利用分子標誌與性狀資料，尋找基因組中與性狀相關的區域；主要差異在於分析族群的來源、可利用的遺傳變異、連鎖不平衡（linkage disequilibrium, LD）尺度，以及標誌密度與統計控制方式。

解題方法

依序比較「族群與遺傳基礎」、「標誌密度」、「偽陽性控制」及「定位解析度」，即可完整作答。答題時須指出兩者的典型做法，也要避免把差異說成絕對規則：研究材料、標誌技術與統計模型都會影響實際結果。

GWAS 與 QTL mapping 比較

比較面向	GWAS	QTL mapping
分析族群	通常使用具有既存遺傳多樣性的自然族群、品種或種原集合，個體間不必由特定親本交配而來。	通常使用由親本雜交建立的分離族群，例如 $F_2$、回交族群、重組自交系（RIL）或雙單倍體族群。
遺傳基礎	利用族群中歷史重組所形成的等位基因與性狀關聯，並以基因組親緣、群體結構及 LD 等資訊校正混雜。	利用已知親本間的多型標誌，以及分離族群中的重組與共分離關係，估計標誌區段與性狀差異的連鎖。
標誌遺傳密度	通常需要高密度標誌或全基因組變異資料，才能捕捉不同區域中較短距離的 LD；若標誌不足，可能漏掉與因果變異相關的訊號。	可用相對較低密度的標誌進行初步定位，因為標誌用以追蹤親本染色體片段；增加族群大小與標誌密度可改善定位。
偽陽性控制	同時檢定大量標誌，面臨多重檢定問題；常以 Bonferroni 校正、錯誤發現率（FDR）及適當的統計門檻控制。此外須納入主成分、親緣矩陣或混合線性模型，以降低族群結構與親緣造成的假關聯。