108 年 國立臺灣大學農藝系暨研究所作物乙組《作物育種學》

本題主要在探討作物育種學中兩個重要的遺傳參數：廣義遺傳率（Heritability in the broad sense）與狹義遺傳率（Heritability in the narrow sense），以及它們在實際育種工作中的應用。

核心觀念：
遺傳率是衡量性狀中遺傳變異所佔比例的指標，對於預測親代對子代性狀的影響、規劃育種策略至關重要。

詳解：

• 廣義遺傳率 (Heritability in the broad sense, $H^2$)

  • 定義： 指一性狀的總變異中，由總遺傳變異所佔的比例。數學公式表示為：
    $H^2 = \frac{V_G}{V_P}$
    其中 $V_G$ 為總遺傳變異（包括加法效應的加性變異 $V_A$、顯性變異 $V_D$ 和上位性變異 $V_I$），$V_P$ 為總表型變異。
  • 計算： 通常可透過比較同卵雙生與異卵雙生、不同品種間的變異、或利用變異來源分析（如 ANOVA）來估計。
  • 育種上的利用：
    1. 評估性狀的遺傳潛力： 廣義遺傳率高表示該性狀受遺傳因子影響大，有較大的育種潛力。
    2. 指導選拔方向： 當廣義遺傳率很高時，即使選拔的標準較寬鬆，仍可能選到遺傳基礎較好的材料。
    3. 用於對遺傳力較差但重要的性狀進行評估： 例如，某些抗病性狀可能受環境影響較大，廣義遺傳率可以提供一個初步的評估。

• 狹義遺傳率 (Heritability in the narrow sense, $h^2$)

  • 定義： 指一性狀的總變異中，僅由加性遺傳變異（additive genetic variance, $V_A$）所佔的比例。數學公式表示為：
    $h^2 = \frac{V_A}{V_P}$

本題是關於遺傳率的應用題，旨在測驗學生能否運用遺傳參數的概念，計算特定情境下的遺傳率，並判斷其類別。

核心觀念：
利用同一族群在不同世代或不同選拔階段的表型值差異，來估計遺傳率。特別要注意的是，題目中提到「相同的環境」，這暗示了環境變異的影響相對穩定，或者可以透過某些方式去除。

詳解：

本題需要計算的是「產量」這個性狀的遺傳率。題目提供了兩代的數據，以及選拔的資訊。我們需要透過數據推導出遺傳變異和環境變異的比例。

第一季數據：

• 族群平均產量 ($P_1$) = 20 公斤
• 選拔標準：選拔最高的 1/4
• 選到的品系平均產量 ($P_{selected}$) = 30 公斤

第二季數據（來自第一季選拔出的品系，並在相同環境下繁殖）：

• 第二季族群平均產量 ($P_2$) = 24 公斤

遺傳率的計算：
通常，我們可以通過比較親代（或選拔出的群體）與子代（或下一世代族群）的表型差異來估計遺傳率。在此題中，第一季選出的品系可以視為下一季的「親代」，而第二季的族群平均產量可以視為「子代」的平均表現。

狹義遺傳率 ($h^2$) 可以透過親代-子代迴歸來估計。如果我們將第一季選出的品系（平均產量 30 公斤）視為親代，而第二季的平均產量（24 公斤）視為子代，那麼：
$h^2 = \frac{\text{子代平均產量} - \text{族群平均產量}}{\text{親代平均產量} - \text{族群平均產量}}$
這裡的「族群平均產量」指的是第一季的初始族群平均產量（20 公斤），因為第二季的 24 公斤是選拔後群體的平均產量。

更精確的說法是，狹義遺傳率可以透過以下公式估計：
$h^2 = \frac{P_{2} - P_{avg\_original}}{P_{selected} - P_{avg\_original}}$
其中 $P_{avg\_original}$ 是第一季的族群平均產量。

代入數值：
$h^2 = \frac{24 - 20}{30 - 20} = \frac{4}{10} = 0.4$

本題探討回交育種（Backcrossing）在營養繁殖作物（Vegetatively propagated crops）中，用於改良不良性狀的限制。

核心觀念：
回交育種是一種將單一或少數優良基因導入優良背景的品種中，同時盡量保持原有優良基因型的方法。其關鍵在於「一次一個或少數幾個基因的導入」。

詳解：

回交育種的主要步驟是將一個帶有目標基因（如抗病性基因）的供體親本（Donor parent）與一個具有優良背景性狀（如高產、優良品質）但缺乏目標基因的受體親本（Recurrent parent）雜交，然後連續多代以受體親本為目標進行回交，同時進行性狀篩選。經過 $n$ 次回交後，子代中大約有 $1 - (1/2)^{n+1}$ 的基因來自受體親本，只有 $(1/2)^{n+1}$ 的基因來自供體親本。這樣可以最大程度地保留受體親本的優良性狀，同時導入供體親本的目標基因。

然而，對於營養繁殖作物，回交育種存在以下幾個主要限制，導致其較少用於改良「少數不良性狀」：

1. 營養繁殖作物本身的特性：

   • 高度雜合或異質性： 許多重要的營養繁殖作物（如馬鈴薯、甘蔗、香蕉、柑橘等）本身就是高度雜合或異質的，它們的優良性狀（如高產、適應性）往往是多基因共同作用的結果，並且是長期自然選擇或人為選擇的產物。
   • 缺乏穩定的純系： 與種子繁殖作物不同，營養繁殖作物難以獲得穩定的純系。即使透過無性繁殖，也可能累積突變。
   • 基因組複雜性： 許多營養繁殖作物是異源多倍體（allopolyploids）或具有複雜的基因組結構，這使得單基因的導入和穩定表達變得更加困難。

2. 不良性狀的遺傳基礎：

   • 多基因控制： 許多「不良性狀」（例如，某些生理障礙、對特定病害的輕微易感性、或某些外觀上的缺陷）可能不是由單一顯性或隱性基因控制，而是由多個基因的複雜互作（上位性）或累加效應（加性）共同決定。

本題考查近親交配係數（Inbreeding Coefficient, $F$）的定義及其在世代演進中的變化。

核心觀念：
近親交配係數 ($F$) 是衡量一個體在某基因座上，兩個等位基因來自同一祖先的機率。它反映了近親交配導致的同質性增加（純合度增加）的程度。

詳解：

• 近親交配係數 ($F$) 的定義：
  近親交配係數 ($F$)，也稱為近親繁殖係數或同源係數，是指一個體在某基因座上，其兩個等位基因是來自同一祖先（即同源合子，homozygous by descent）的機率。
  $F = \frac{\text{來自同一祖先的機率}}{\text{總機率}}$
  一個數值為 0 的 $F$ 表示該個體在該基因座上完全是異源合子（heterozygous by descent），即兩個等位基因來自不同的祖先。一個數值為 1 的 $F$ 表示該個體在該基因座上是純合子（homozygous），且兩個基因來自同一個祖先。

• 世代演進中的 $F$ 值計算：
  假設有一個族群，其初始的 $F$ 值為 $F_0$。

  • 第一代雜種 (F1)： 由兩個沒有親緣關係的個體（或族群）雜交產生。由於親本之間沒有親緣關係，它們的基因來自不同的祖先，因此，F1 代的個體在任何基因座上，兩個等位基因都來自不同的親本。所以，F1 代的近親交配係數 $F_1 = 0$。
  • F2 代： F1 代自交產生 F2 代。在 F1 代中，所有個體的 $F=0$。當 F1 自交時，任何一個基因座上的等位基因，從親代 F1 傳給子代 F2 的機率是 1/2。因此，F2 代的個體，其兩個來自親代 F1 的等位基因，有 1/2 的機率是來自同一個祖先（即母體 F1 個體中的一個，而該母體 F1 個體中的這兩個基因來自不同的祖先），另外 1/2 的機率是來自不同的祖先。
    所以，F2 代的近親交配係數 $F_2 = \frac{1}{2} (1 + F_{F1})$。由於 $F_{F1} = 0$，則 $F_2 = \frac{1}{2} (1 + 0) = \frac{1}{2}$。
  • F3 代： F2 代自交產生 F3 代。F2 代的 $F$ 值為 1/2。
    $F_3 = \frac{1}{2} (1 + F_{F2}) = \frac{1}{2} (1 + \frac{1}{2}) = \frac{1}{2} \times \frac{3}{2} = \frac{3}{4}$。
  • F4 代： F3 代自交產生 F4 代。

本題旨在釐清兩種不同來源的多倍體（Polyploid）的定義、形成機制及其差異，並應用於判斷栽培小麥的類型。

核心觀念：
多倍體是細胞內染色體套數為二倍體（2n）的整數倍（如 3n, 4n, 6n）的生物。依據染色體來源，可分為同源多倍體（Autopolyploid）和異源多倍體（Allopolyploid）。

詳解：

• 同源多倍體 (Autopolyploid)

  • 定義： 指一個體的染色體組來自同一親緣關係的單一物種。也就是說，其所有染色體組都來自同一來源，只是染色體套數加倍。
  • 形成機制： 通常是由於減數分裂時染色體不分離（chromosome non-disjunction）所致。例如，一個二倍體（2n）的植物，若其配子（n）在受精前或受精後，染色體未能正常分離，導致形成的合子（zygote）具有雙倍於親代的染色體數（如 4n），且這 4n 染色體都來自同一個物種。
  • 特徵：
    • 染色體組由同一物種的染色體重複而成（例如，AAAA）。
    • 同源染色體配對時，可能形成多價體（multivalents），如四價體（quadrivalents, aaaa），這會導致減數分裂異常，產生不穩定的配子，影響繁殖能力（尤其在有性繁殖方面）。
    • 常見於某些草本植物、葉菜類、果樹（如蘋果、草莓、馬鈴薯）以及某些花卉（如鬱金香）。

• 異源多倍體 (Allopolyploid)

  • 定義： 指一個體的染色體組來自兩個或多個不同物種的染色體組的加倍。也就是說，其染色體組是由至少兩個不同的物種在雜交後，再經過染色體加倍而形成的。
  • 形成機制： 通常是兩個不同物種的二倍體親本（如 AA 和 BB）雜交產生一個不育的三倍體雜種（AB），然後該雜種的染色體加倍，形成一個可育的四倍體（AABB）。
  • 特徵：

本題主要探討在譜系法育種中，於 F2 世代採取嚴格的選拔（提高選拔強度）所帶來的優點與缺點。

核心觀念：
譜系法（Pedigree method）是一種傳統且有效的育種方法，特別適用於種子繁殖的作物，其核心是透過追蹤和記錄每一株後代的親緣關係，並在後續世代中對優良個體進行連續選拔。F2 世代是雜合度最高的世代，也是進行早期選拔的關鍵時期。

詳解：

• 譜系法簡介：
  譜系法是指在雜交後代中，對每一株後代進行詳細的記錄（包括親本、性狀表現等），並逐代追蹤、個別選拔。其目的是盡快分離出具有優良複合基因型的純系。

• F2 世代的特點：
  F2 世代是雜交後的第一個自交世代，其基因型最多樣化，雜合度最高。對於一個由兩個純系親本雜交產生的 F1，其 F2 代在任何一個基因座上，有 1/4 的機會是純合顯性 (AA)，1/4 的機會是純合隱性 (aa)，1/2 的機會是雜合 (Aa)。對於多個基因座，這種組合的基因型數量會呈指數級增長。

• 在 F2 世代提高選拔強度（降低獲選個體比例）的優點：

  1. 快速篩除不良基因型： 嚴格的選拔可以及早淘汰那些基因型不佳、或帶有明顯不良性狀的個體。這有助於減少後續世代的選拔工作量，並避免將不良基因型延續下去。
  2. 提高優良基因型的比例： 雖然 F2 世代基因型多樣，但透過嚴格選拔，可以將那些表現最優異、最符合育種目標的個體挑選出來。這些個體更有可能帶有我們期望的優良基因組合。
  3. 加速純系形成： 嚴格選拔通常意味著對性狀有較高的要求。被選中的個體，如果性狀表現優異，其基因型可能更接近我們想要的純合狀態。在後續世代的自交中，這些個體更有可能快速達到純合。
  4. 節省資源： 篩選掉大量不合格的個體，可以節省後續世代的種子生產、田間管理、試驗評估等所需的資源（人力、物力、財力、時間）。

本題考查雄不稔（Male Sterility）的定義，以及其在作物育種中的應用，包括優點和缺點。

核心觀念：
雄不稔是指植物無法產生有活力或功能性的花粉，導致其無法進行自花授粉。這在雜交育種中具有極其重要的應用價值。

詳解：

• 雄不稔 (Male Sterility) 的定義：
  雄不稔是指植物個體喪失產生功能性花粉的能力。這可能是由於花粉發育缺陷、雄蕊發育異常、或花粉活力喪失等原因造成的。雄不稔可以是遺傳性的，也可能是環境誘導的，但育種上主要利用的是遺傳性雄不稔。
  根據遺傳機制，雄不稔可分為：

  • 細胞質雄不稔 (Cytoplasmic Male Sterility, CMS)： 由細胞質中的遺傳物質（通常是粒線體基因）決定，無法透過核基因遺傳。
  • 基因雄不稔 (Genetic Male Sterility, GMS)： 由核基因控制，通常是隱性基因（如 ms ms）所致。
  • 化學雄不稔 (Chemical Male Sterility)： 由特定化學藥劑處理誘導，可逆或不可逆。
  • 環境誘導雄不稔 (Environmental Male Sterility)： 在特定環境條件下（如高溫、乾旱）發生。

• 雄不稔特性應用在作物育種的優點：

  1. 簡化雜交育種流程，降低成本：
     • 無須去雄 (emasculation)： 在進行雜交育種時，傳統方法需要人工去除母本的雄蕊，以防止自粉。雄不稔母本無需去雄，大大節省了人力和時間，尤其在大規模雜交育種時效益顯著。
     • 確保雜交純度： 雄不稔母本無法自粉，確保了其子代（F1 雜種）的來源是來自目標父本的授粉，從而保證了雜交種的純度。
  2. 大規模生產雜交種子：
     • 利用 CMS 系統： 細胞質雄不稔（CMS）配合細胞質雄不稔恢復系（restorer line, Rf）是商業化生產雜交種子的關鍵。母本使用 CMS 系，父本使用恢復系。在雜交田裡，CMS 母本（不產生花粉）接受恢復系父本（產生花粉）的授粉，產生的 F1 種子就是純的雜交種。F1 植株本身可能帶有恢復基因，也可能不帶，但其雄蕊已無法產生花粉，因此 F1 雜交種本身也是雄不稔的，不能自交產生純系種子，保證了種子公司的種子專利。
     • 利用 GMS 系統： 基因雄不稔（GMS）也可以用於雜交。

本題考查遠緣雜交（Distant Hybridization）在作物育種中的應用。

核心觀念：
遠緣雜交是指親緣關係較遠的不同物種、屬甚至科的生物之間的雜交。它是一種擴大遺傳變異來源、引入優良基因或性狀的重要手段。

詳解：

遠緣雜交在作物育種中的主要應用體現在以下幾個方面：

1. 引入新的優良基因或性狀：

   • 抗性基因： 這是遠緣雜交最常見的應用之一。例如，將野生近緣種或不同物種中對特定病害（如病毒、真菌、細菌）或蟲害具有高度抗性的基因，導入到栽培品種中。例如，將野生稻的抗稻瘟病基因導入栽培稻。
   • 環境適應性： 引入對不良環境（如乾旱、鹽鹼、高溫、貧瘠土壤）具有較強適應性的基因，以改良栽培品種的抗逆性。
   • 品質改良： 引入改善作物品質的基因，如提高蛋白質含量、維生素含量、改變脂肪酸組成、增加風味等。
   • 生長特性： 引入有利於生長的其他性狀，如株型、分蘗性、開花時間等。

2. 增加遺傳多樣性，克服近親衰退：

   • 對於已經高度純系化或經過長期自交導致近親衰退的作物，遠緣雜交可以引入新的遺傳物質，恢復雜種優勢，豐富基因庫，為後續的選育提供更多可能性。

3. 物種形成和演化研究：

   • 遠緣雜交產生的雜種，尤其是經過染色體加倍後形成的異源多倍體，是物種形成的重要途徑。研究遠緣雜交的過程和產物，有助於理解作物物種的演化歷史和遺傳關係。

4. 構建新的遺傳材料：

   • 遠緣雜交可以產生傳統育種難以獲得的獨特基因型組合，為基因定位、分子標誌開發、基因功能研究等提供寶貴的遺傳材料。

遠緣雜交面臨的挑戰：
儘管遠緣雜交潛力巨大，但其應用也面臨許多挑戰：

• 雜交不親和性 (Hybrid Incompatibility)： 親緣關係越遠，雜交成功率越低，甚至無法產生合子。
• 雜種不育性 (Hybrid Sterility)： 即使產生了雜種，其後代也常常是不育的，無法進行有性繁殖。

本題考查基因編輯（Gene Editing）的定義及其在作物新品種育成中的應用。

核心觀念：
基因編輯是一種精準修改生物體基因組序列的技術，能夠在特定的 DNA 位點引入、刪除或替換核苷酸序列。

詳解：

• 基因編輯 (Gene Editing) 的定義：
  基因編輯，又稱基因組編輯（genome editing），是指利用特定的核酸酶（nuclease）工具，在生物體的基因組中精確地定位到目標 DNA 序列，並在其上進行切割，然後利用細胞內源的 DNA 修復機制（如非同源末端連接 Non-homologous end joining, NHEJ；或同源重組 Homology-directed repair, HDR）來實現目標序列的修改。
  目前主流的基因編輯技術包括：

  1. CRISPR-Cas9 系統： 是目前最常用、最高效的基因編輯工具。它利用一個 guide RNA (gRNA) 來引導 Cas9 核酸酶到目標 DNA 位點進行切割。
  2. TALENs (Transcription Activator-Like Effector Nucleases)： 也是一種核酸酶，通過蛋白質的 DNA 結合域識別目標序列。
  3. ZFNs (Zinc-Finger Nucleases)： 類似 TALENs，利用鋅指蛋白結構域識別 DNA。

• 如何利用基因編輯方法育成作物新品種：
  基因編輯技術能夠在作物基因組的特定位點進行精準修改，從而達到改良性狀、育成新品種的目的。其應用流程大致如下：

  1. 確定目標基因和目標性狀：

     • 首先，需要確定與目標性狀（如抗病、抗旱、產量、品質、營養成分、去除過敏原等）相關的基因。可以通過基因組學、轉錄組學、蛋白質組學等研究來識別關鍵基因。
     • 確定目標是需要「敲除」（knock out，使基因失活）、「敲入」（knock in，引入新基因或修改現有基因）、還是「編輯」（edit，微調基因序列）。

  2. 設計導向 RNA (gRNA) 或核酸酶：

     • 對於 CRISPR-Cas9 系統，需要設計一個能特異性識別目標 DNA 序列的 gRNA。
     • 對於 TALENs 或 ZFNs，則需要設計相應的蛋白質結合域。

  3. 將基因編輯工具遞送到作物細胞：

     • 這是基因編輯應用的關鍵步驟。常用方法包括：
       • 農桿菌轉化 (Agrobacterium-mediated transformation)： 將編碼 Cas9 蛋白和 gRNA 的基因插入農桿菌的 T-DNA 區，然後利用農桿菌感染作物的離體器官（如胚性癒傷組織、幼苗、葉片等）。
       • 基因槍轉化 (Biolistic transformation)： 將編碼 Cas9 蛋白和 gRNA 的質粒 DNA 包裹在金屬微粒上，通過高壓氣體轟擊將其打入植物細胞。
       • 原生質體轉化 (Protoplast transformation)： 轉化植物細胞的原生質體，然後再再生為完整植株。