108 年 國立臺灣大學園藝系碩士班作物甲組《園藝作物遺傳及育種學》

核心觀念

本題考查：

1. 測交判定雙基因連鎖相位
   將表現顯性性狀的植株與雙隱性植株 $ddpp$ 測交，子代表現型可直接反映親本所形成的配子。

2. 親本型與重組型

   • 出現比例較高者為親本型配子。
   • 出現比例較低者為重組型配子。
   • 重組率：

   $r=\frac{\text{重組型數目}}{\text{總數}}\times 100\%$

3. 連鎖基因的配子比例

   重組率為 $30\%$ 時：

   • 兩種親本型配子合計 $70\%$，各為 $35\%$。
   • 兩種重組型配子合計 $30\%$，各為 $15\%$。

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解題方法：先由測交判定配子與基因相位

測交植株為：

$ddpp$

其只能產生 $dp$ 配子，因此子代表現型直接代表另一親本的配子：

子代表現型	測交親本配子	另一親本配子
高莖、球形	$dp$	$DP$
矮莖、梨形	$dp$	$dp$
高莖、梨形	$dp$	$Dp$
矮莖、球形	$dp$	$dP$

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植物 I

植物 I 的測交結果為：

子代表現型	數目	對應配子
高莖、球形	91	$DP$
矮莖、梨形	119	$dp$
高莖、梨形	38	$Dp$
矮莖、球形	52	$dP$

數目最多的是 $DP$ 與 $dp$，因此兩者為親本型配子；$Dp$ 與 $dP$ 為重組型配子。

染色體排列為：

$\frac{DP}{dp}$

即為順式連鎖（coupling phase）。

重組率驗算：

$$r=\frac{38+52}{91+119+38+52} =\frac{90}{300} =30\%$$

a. 植物 I 的基因型

$$\boxed{\text{植物 I}=\frac{DP}{dp}}$$

其配子比例為：

• $DP=35\%$
• $dp=35\%$
• $Dp=15\%$
• $dP=15\%$

植物 I 的測交圖

$$\frac{DP}{dp}\times\frac{dp}{dp}$$

植物 I 形成的配子：

$$DP\;(35\%),\quad dp\;(35\%),\quad Dp\;(15\%),\quad dP\;(15\%)$$

測交子代分別為：

• $DP/dp$：高莖、球形
• $dp/dp$：矮莖、梨形
• $Dp/dp$：高莖、梨形
• $dP/dp$：矮莖、球形

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植物 II

植物 II 的測交結果為：

子代表現型	數目	對應配子
高莖、梨形	23	$Dp$
矮莖、球形	19	$dP$
高莖、球形	7	$DP$
矮莖、梨形	11	$dp$

數目最多的是 $Dp$ 與 $dP$，因此兩者為親本型配子；$DP$ 與 $dp$ 為重組型配子。

染色體排列為：

$\frac{Dp}{dP}$

即為反式連鎖（repulsion phase）。

重組率驗算：

$$r=\frac{7+11}{23+19+7+11} =\frac{18}{60} =30\%$$

b. 植物 II 的基因型

$$\boxed{\text{植物 II}=\frac{Dp}{dP}}$$

其配子比例為：

• $Dp=35\%$
• $dP=35\%$
• $DP=15\%$
• $dp=15\%$

植物 II 的測交圖

$$\frac{Dp}{dP}\times\frac{dp}{dp}$$

植物 II 形成的配子：

是的，有可能。

如果兩個基因位於同一條染色體上，但它們之間的距離非常遙遠，例如，它們相距很遠，那麼在減數分裂過程中，它們之間發生重組（交換）的機率會趨近於 50%。當兩個基因之間的距離足夠大時，它們的連鎖效應就會變得非常微弱，表現得就像是非連鎖基因一樣，即使它們在同一條染色體上。

Avery, MacLeod, 和 McCarty 於 1944 年進行的實驗，是證明 DNA 是遺傳物質的關鍵里程碑。他們的實驗基於 Frederick Griffith 在 1928 年發現的「轉化現象」(transforming principle)。Griffith 發現，將肺炎雙球菌 (Streptococcus pneumoniae) 的粗毒株 (R strain) 與加熱殺死的無毒株 (S strain) 混合後，老鼠會感染患病而死亡，並且從死亡的老鼠體內分離出的細菌變成了有毒株 (S strain)。這表明某種「轉化因子」從死的 S 株轉移到了活的 R 株，使其轉變為 S 株。

Avery 等人的實驗旨在確定這個「轉化因子」究竟是什麼分子。他們採取了以下步驟：

1. 製備細胞提取物： 他們從活的 S 株肺炎雙球菌中提取細胞成分。
2. 去除蛋白質： 他們使用胰蛋白酶 (trypsin) 和 RNase (核糖核酸酶) 處理提取物，這兩種酶可以分解蛋白質和 RNA。經過這些處理後，仍然觀察到轉化現象。這表明蛋白質和 RNA 不是主要的轉化因子。

本題主要考查 DNA 雙股螺旋結構的鹼基配對規則 (Chargaff's rules) 和其結構特性。

基本概念：
DNA 雙股螺旋結構中的鹼基配對遵循以下規則：

1. 鹼基互補配對： 腺嘌呤 (A) 與胸腺嘧啶 (T) 配對，鳥糞嘌呤 (G) 與胞嘧啶 (C) 配對。
2. 氫鍵數量： A-T 配對之間有兩個氫鍵，G-C 配對之間有三個氫鍵。
3. Chargaff's Rules (查加夫法則)： 在雙股 DNA 中，A 的總量等於 T 的總量 ($A=T$)，G 的總量等於 C 的總量 ($G=C$)。由此可推導出 A+G (purines, 嘌呤) 的總量等於 C+T (pyrimidines, 嘧啶) 的總量 ($A+G=C+T$)。

判斷各敘述的正誤：

a. $A+T=G+C$
這句話不一定是正確的。例如，一個 DNA 分子中 A+T 的比例可能很高，而 G+C 的比例可能很低，反之亦然。例如，一個 DNA 分子中 A=30%, T=30%, G=20%, C=20%。那麼 A+T = 60%, G+C = 40%。所以 A+T 不一定等於 G+C。
錯誤 (F)

b. $G/C=1$
根據 Chargaff's Rules，G 的總量等於 C 的總量 ($G=C$)。因此，如果 $C \neq 0$，則 $G/C = 1$。在絕大多數情況下，DNA 中都含有 G 和 C，所以這個條件成立。
正確 (T)

c. $A/T=C/G$
根據 Chargaff's Rules，A=T 且 G=C。如果 $T \neq 0$ 且 $G \neq 0$，則 $A/T = 1$ 且 $C/G = 1$。因此 $A/T = C/G$ 成立。
正確 (T)

d. $T/A=C/G$
同上，根據 Chargaff's Rules，T=A 且 C=G。如果 $A \neq 0$ 且 $G \neq 0$，則 $T/A = 1$ 且 $C/G = 1$。因此 $T/A = C/G$ 成立。
正確 (T)

e. $A+G=C+T$
這是 Chargaff's Rules 的直接推論。由於 A=T 且 G=C，將兩式相加，則 $A+G = T+C$。

本題要求解釋五個遺傳學和分子生物學中的名詞。

a. amphidiploid (雙單倍體)
定義： amphidiploid 是一種多倍體，它是由來自兩個不同物種的兩個單倍體基因組 (或兩個不同的二倍體基因組) 組合而成，並且這兩個基因組在染色體數目上都加倍了。簡單來說，它是一個由兩個不同物種的染色體組成，並且每個染色體都成對的個體。
形成過程： 通常是通過雜交兩個不同物種產生不育的雜種 (例如，一個物種的染色體來自 A，另一個物種的染色體來自 B，雜種的基因組為 AB)，然後該雜種的染色體數目發生加倍，形成 ABAB 的基因組。
重要性： amphidiploid 在植物育種中非常重要，因為它們通常是可育的，並且可能結合兩個親本物種的優良性狀，例如產量、抗病性或適應性，同時恢復了生殖能力。一個經典的例子是普通小麥 (Triticum aestivum)，它是一個六倍體，其中包含了來自兩種野生祖先的基因組。

b. epistasis (上位性)
定義： epistasis 指的是一個基因的表現會掩蓋或影響另一個基因的表現。簡單來說，就是一個基因 (上位基因，epistatic gene) 對另一個基因 (顯性基因，hypostatic gene) 的表現有抑制或修飾作用。
例子： 在某些狗的毛色遺傳中，一個基因控制黑色素的產生 (B 基因，B對b為顯性，B產生黑色素，b產生黃褐色素)。另一個基因控制黑色素是否能沉積到毛髮中 (E 基因，E對e為顯性，E允許黑色素沉積，e則阻止黑色素沉積)。如果一隻狗的基因型是 ee，那麼無論 B 基因是 BB 還是 Bb，牠的毛色都將是黃色 (因為黑色素無法沉積)。在這裡，e 基因對 B 基因表現出上位性。
重要性： epistasis 說明了基因之間的相互作用，這使得表型比例不總是遵循孟德爾分離定律的簡單比例 (如 9:3:3:1)，而是可能出現修正的比例 (如 9:3:4, 9:7, 12:3:1 等)。

c. robertsonian translocation (羅伯遜轉位)
定義： robertsonian translocation 是一種染色體結構變異，發生在兩個發生斷裂的端著絲粒染色體 (acrocentric chromosomes) 的著絲粒區域附近，然後兩個長臂連接在一起形成一個單一的、較大的染色體，而兩個短臂則合併或丟失。
特點： 這種轉位通常發生在染色體數目上。例如，人類中有 5 對羅伯遜轉位染色體，其中 2 條染色體（通常是 13、14、15、21、22 號染色體）的短臂斷裂，然後長臂連接。因此，人體的染色體數目從 46 變為 45，但遺傳物質的總量並沒有顯著減少，因為丟失的短臂通常攜帶很少的基因。
重要性： 這種轉位與某些遺傳疾病有關，例如唐氏症 (Down syndrome) 的一部分病例，是由於 21 號染色體與 14 號染色體發生羅伯遜轉位所致 (t(14;21))。它也可以在配子形成過程中導致染色體數量的異常，進而影響生育能力。

d. RT-PCR (Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction, 反轉錄聚合酶鏈式反應)

本題考查兩種基本的選種方法：混合選種法 (Mass selection) 與純系選種法 (Pure line selection) 的比較。

定義：

• 混合選種法 (Mass selection)： 根據個體表現型選擇一群表現優良的個體，將它們混合在一起繁殖，產生下一代。下一代再從中挑選表現優良者，重複此過程。
• 純系選種法 (Pure line selection)： 指從一個雜合群體中，選擇一個單一個體，然後將其自花授粉 (或自交) 繁殖，使其後代純化成一個純系。之後再從這個純系中挑選表現優良的個體進行後續的育種。

比較分析：

a. 兩種選種法,何者較能應用於遺傳力較低的性狀(3%)?
純系選種法。
原因： 遺傳力 (heritability) 指的是表型變異中由遺傳變異所佔的比例。當遺傳力較低時，表示表型變異很大程度上受環境影響。

• 純系選種法 透過自交或純化，可以逐漸消除環境對表現型的影響，並選育出遺傳背景較為穩定的純系。因此，即使在遺傳力較低的性狀下，也能夠通過純系選種法找到具有較優遺傳潛力的個體。
• 混合選種法 選擇的是表現型，由於環境因素的影響，表現型優良的個體不一定具有優良的遺傳性。在低遺傳力性狀下，僅憑表現型篩選，很難有效地區分遺傳差異，選種效果會受到很大影響。

b. 兩種選種法,何者所需的人力與人員訓練通常較低(2%)?
混合選種法。
原因：

• 混合選種法 操作相對簡單，主要是根據外觀表現挑選一群優良個體進行混合繁殖。對人員的專業訓練要求不高，人力需求相對較少。
• 純系選種法 需要對每一個選中的個體進行單株隔離、標記、自交或自花授粉，並進行詳細的記錄和評估，這需要更高專業知識和更細緻的操作，人力和時間成本都較高。

c. 兩種選種法,何者較能選出適應當地的後代(1%)?為什麼(2%)?
混合選種法。
原因：

• 混合選種法 的核心是從當地群體中選擇表現優良的個體。這些個體本身就已經在當地環境中生長並表現出較好的適應性。將這些適應當地環境的個體混合繁殖，其後代自然也繼承了這種適應性。也就是說，混合選種法是基於「當地適應性」進行的篩選。

本題考查遠緣雜交 (distant hybridization) 的目的、遇到的隔離障礙以及克服方法。

遠緣雜交的目的 (4%)

遠緣雜交是指將來自不同屬、不同種，甚至不同科的生物進行雜交。其主要目的包括：

1. 擴展遺傳變異的來源： 引入遠緣物種中存在的優良基因，如抗病性、抗逆性 (抗旱、抗寒、耐鹽鹼等)、產量、品質或特殊生理生化特性等，這些優良基因在近緣物種中可能不存在或不顯著。
2. 克服育種瓶頸： 當近緣雜交或常規育種方法難以獲得理想性狀時，遠緣雜交可以提供新的遺傳材料。
3. 創制新的物種或品種： 通過遠緣雜交，有可能產生具有全新遺傳組成和性狀的雜交後代，甚至可能形成新的物種 (如天然的 or 誘導的 amphidiploid)。
4. 研究物種間的親緣關係： 遠緣雜交的成功與否及其後代的表現，可以為物種演化和親緣關係的研究提供證據。
5. 基因的定向轉移： 在分子育種時代，遠緣雜交也可用於將特定的優良基因從遠緣物種轉移到作物中，儘管這通常需要藉助其他輔助技術。

不親和的隔離障礙 (6%)

遠緣雜交的成功率通常很低，主要面臨以下幾種不親和 (incompatibility) 的隔離障礙：

1. 花粉-柱頭不親和 (Pollen-stigma incompatibility)： 花粉無法在異種的柱頭上萌發，或萌發後無法穿透柱頭。這是生殖隔離的第一道屏障，發生在授粉階段。
2. 花粉-胚珠不親和 (Pollen-ovule incompatibility)： 花粉雖然能萌發並可能完成受精，但胚珠無法正常發育，或受精卵無法發育。這可能與胚珠的發育、胚乳的形成異常有關。
3. 胚不親和 (Embryo incompatibility)： 受精卵能夠形成，但胚的發育在早期階段就停止或異常。這可能是由於不同物種的染色體之間在減數分裂時無法正常配對和分離，導致配子染色體數目異常，或者由於基因組之間的不協調而導致胚發育受阻。
4. 雜種不親和 (Hybrid incompatibility)： 胚能夠發育形成雜種植株，但這些雜種植株在生長過程中表現出嚴重的不適應性，如生長緩慢、矮小、不育、或無法存活。這可能是由於兩個親本基因組之間在發育和生理上的不協調所致。
5. 雜種不育 (Hybrid sterility)： 雜種植株雖然能夠生長發育，但無法產生有活力的配子，因此不育。

本題考查分子標誌輔助選種 (MAS) 的定義、優點與缺點。

何謂分子標誌輔助選種 (marker-assisted selection, MAS) (5%)?

分子標誌輔助選種 (MAS) 是一種現代育種技術，它利用 DNA 分子標誌 (DNA markers) 來間接選擇或篩選具有特定優良性狀的個體。DNA 分子標誌是位於基因組上、具有高度多樣性且可以被識別的 DNA 片段，例如單核苷酸多態性 (SNP)、微衛星 (microsatellites) 或限制性片段長度多態性 (RFLPs)。

MAS 的基本原理是：

1. 標誌與性狀的關聯： 尋找一個或多個 DNA 分子標誌，這些標誌與目標性狀（如抗病性、高產量、優良品質等）之間存在緊密的遺傳關聯（即標誌和性狀一起遺傳）。這種關聯通常通過連鎖分析 (linkage analysis) 或關聯分析 (association analysis) 來建立。
2. 標誌的篩選： 在育種過程中，不再僅僅依賴於個體的表現型來進行選擇，而是利用分子標誌來檢測個體基因組中的標誌，從而預測其是否攜帶目標性狀的優良等位基因。
3. 輔助選擇： 根據標誌的存在與否或其類型，對個體進行早期、準確的選擇，從而加速選育進程。

簡單來說，MAS 就是利用 DNA 上的「記號」來幫助我們找到攜帶我們想要的基因的個體，即使這些基因的表現型不容易觀察到，或者受到環境因素的干擾。

試論其優缺點 (5%)

優點 (Advantages of MAS)：

1. 提高選育效率和速度： MAS 可以在早期（例如幼苗階段）甚至在性狀尚未表現出來時就進行選擇，大大縮短了育種週期。

本題考查單核苷酸多態性 (SNP) 的定義、偵測方法以及在育種上的應用。

請解釋何為 Single Nucleotide Polymorphism (SNP) (4%)

定義：
Single Nucleotide Polymorphism (SNP)，中文稱為單核苷酸多態性，是指在基因組的某一個特定位置上，由於單個鹼基（A, T, C, 或 G）的替換而產生的序列變異。這種變異在人群中必須具有一定的頻率（通常定義為至少 1% 的個體攜帶該變異），才能被稱為 SNP。

特點：

1. 普遍性： SNP 是基因組中最常見的 DNA 變異類型，在人類基因組中平均每 300-1000 個鹼基對就可能存在一個 SNP。
2. 穩定性： SNP 通常是點突變，相對穩定，並且在減數分裂時會隨著染色體一起遺傳，因此可以作為遺傳標誌。
3. 高密度： 由於其普遍性，SNP 可以在整個基因組上高密度分佈，為遺傳定位和關聯分析提供豐富的數據。
4. 影響： 一個 SNP 可能位於基因的編碼區、非編碼區或基因間區域。位於編碼區的 SNP 可能會改變蛋白質的氨基酸序列，進而影響基因功能；位於非編碼區的 SNP 也可能影響基因的表達調控。

請說明 SNP 可用何種方法偵測 (3%)

SNP 的偵測方法多種多樣，可以根據需求（如通量、成本、準確性）選擇不同的技術。常見的偵測方法包括：

1. 基於 PCR 的方法：

   • SNP-RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism)： 利用某些 SNP 會影響限制性內切酶的識別位點。對 PCR 擴增產物進行限制酶酶切，通過片段長度的差異來區分 SNP 等位基因。
   • TaqMan PCR (Real-time PCR)： 使用特異性的探針，探針上有螢光基團，當探針與目標 SNP 位點結合時，會釋放螢光信號。通過檢測不同螢光信號來區分 SNP 等位基因。
   • ARMS (Amplification Refractory Mutation System) PCR： 利用特異性引物，每個引物只對應一個 SNP 等位基因。通過 PCR 擴增的結果來判斷個體攜帶的等位基因。
   • Minisequencing (Sanger sequencing 的變種)： 在 PCR 擴增產物的基礎上，使用一個與 SNP 位點緊鄰的引物，然後加入 ddNTPs（帶有不同螢光標記）進行單個鹼基的延伸。根據延伸產生的鹼基種類和螢光信號來判斷 SNP。

2. 基於雜交的方法：

   • DNA 微陣列 (DNA Microarrays) / SNP 晶片 (SNP Chips)： 在一個固態載體上固定大量的寡核苷酸探針，每個探針對應一個特定的 SNP 位點。將樣品的 DNA 進行標記後雜交到晶片上，通過檢測信號強度來確定樣品在每個 SNP 位點上的基因型。這是高通量 SNP 基因分型的常用方法。

3. 基於測序的方法：

   • Sanger 測序： 直接對 PCR 擴增的片段進行測序，可以精確地讀取 SNP 位點的序列。適用於小規模或驗證性研究。