111 年 國立臺灣大學農藝系暨研究所作物乙組《作物育種學》

本題主要在探討自交與異交作物在育種上的基本差異。

核心觀念：
自交作物（self-pollinating crops）與異交作物（cross-pollinating crops）在遺傳組成、繁殖方式、育種目標及常用育種方法上存在顯著差異。

詳解：

1. 遺傳組成與變異來源：

   • 自交作物： 由於長期自花授粉，個體間的異質性較低，多為純系（pure lines）。變異主要來自基因突變、染色體變異或偶爾的外來花粉。育種目標常是尋找優良純系或透過雜交後再進行誘導純化。
   • 異交作物： 由於異花授粉，個體間的異質性高，通常為雜合體（heterozygotes）。變異來源廣泛，包括基因突變、染色體變異、基因重組以及雜種優勢。育種目標常是維持或利用雜種優勢，或選育優良的雜交組合。

2. 繁殖方式與雜種優勢（Hybrid Vigor）：

   • 自交作物： 雜種優勢在自交後代中會逐漸消失（自交衰退, inbreeding depression）。因此，自交育種的重點不在於利用雜種優勢，而是尋求穩定的優良純系。
   • 異交作物： 雜種優勢在異交後代中得以維持，甚至表現更強。異交育種的主要目標之一就是利用和維持雜種優勢，例如透過生產雜交種（F1 hybrids）。

3. 育種目標與方法：

   • 自交作物： 育種目標通常是選育優良的純系。常用方法包括：
     • 目標導向選拔（Mass selection）： 基於表型選拔，選取符合目標性狀的植株，收集其種子混合播種，重複數代。
     • 家系選拔（Pedigree selection）： 紀錄每一代植株的親源關係，選拔優良家系進行進一步評估。
     • 單株選拔（Progeny selection）： 評估植株的後代表現。

本題旨在探討兩種不同遺傳基礎的性狀在育種上的策略差異。

核心觀念：
質量性狀（qualitative traits）通常由單一或少數基因控制，遺傳變異顯著，表現呈離散分布；數量性狀（quantitative traits）則通常由多基因（polygenes）控制，受環境影響大，表現呈連續分布。這兩類性狀的育種策略應有所區別。

詳解：

1. 質量性狀（Qualitative Traits）的育種策略：

   • 遺傳基礎： 通常由單一基因（monogenic）或少數基因（oligogenic）控制，遺傳模式清晰（如孟德爾遺傳）。
   • 表現： 表現型呈離散分布，易於區分（如花色、果實顏色、抗病性有無）。
   • 育種目標： 引入或增強特定基因，例如抗病基因、特定品質基因。
   • 常用策略：
     • 回交育種（Backcross breeding）： 是最常用且最有效的方法，用於將一個或少數幾個優良基因（如抗病基因）導入到一個優良的背景品系中。透過連續回交和終端測交，可以快速將目標基因導入，同時盡可能保留原背景品系的優良性狀。
     • 雜交育種與單株選拔（Hybridization and Pedigree selection）： 如果目標性狀由數個基因控制，可透過雜交產生變異，再透過嚴謹的家系選拔，篩選出同時擁有目標基因且表現優良的後代。
     • 基因突變誘變（Mutation breeding）： 在某些情況下，若目標性狀的自然變異稀少，可透過物理或化學誘變劑誘發突變，再進行篩選。

2. 數量性狀（Quantitative Traits）的育種策略：

   • 遺傳基礎： 通常由多個基因（polygenic）控制，且受環境因素（GxE interaction）影響顯著。
   • 表現： 表現型呈連續分布，難以區分個體的基因型，如產量、株高、生育期、水分利用效率等。

本題旨在釐清自交弱勢與無性繁殖作物育種之間的關聯性。

核心觀念：
自交弱勢（inbreeding depression）是指由於近親交配（自交）導致的後代生理活力、繁殖力、產量及其他性狀表現下降的現象。無性繁殖（asexual reproduction）的作物，其繁殖方式與自交不同。

詳解：

1. 自交弱勢的本質：

   • 自交弱勢是異質合子（heterozygotes）在雜種優勢（hybrid vigor）上的表現。當自交時，異質合子比例下降，同質合子（homozygotes）比例上升。
   • 如果這些同質合子包含了隱性的不利基因（deleterious alleles），就會導致表現型下降，例如生育力降低、植株矮小、對病蟲害抵抗力減弱等。
   • 自交作物（如小麥、水稻）會經歷自交弱勢，這也是為何自交育種需要經過多次自交才能獲得純系，並避免後續的衰退。

2. 無性繁殖的特性：

   • 無性繁殖（如營養繁殖、克隆）是透過植物的營養器官（如莖、葉、根）或體細胞產生新個體，其遺傳組成與母體完全相同（除非發生體細胞突變）。
   • 無性繁殖的過程本身並不是「自交」，而是「克隆」。因此，無性繁殖作物不會像自交作物那樣，透過繁殖過程自身經歷「自交弱勢」。

3. 自交弱勢對無性繁殖作物育種的影響：

   • 直接影響不大： 由於無性繁殖不涉及配子結合和基因重組（在繁殖過程中），因此「自交弱勢」這個概念本身，在描述無性繁殖作物透過其自身繁殖方式產生的後代時，並不適用。無性繁殖的後代（克隆）理論上不會因為「自交」而產生遺傳上的衰退。
   • 間接影響：

本題探討 DNA 分子標誌在食品安全與產地證明方面的應用，特別針對茶葉。

核心觀念：
DNA 分子標誌（DNA molecular markers）是利用 DNA 序列的變異來區分個體、品種或族群。其應用價值在於能夠提供客觀、精確的鑑別依據，不受環境、生長階段或加工過程的影響。

詳解：

1. 應用於鑑定混合茶葉商品（不同品種混合）的可行性：

   • 可行性： 非常可行。
   • 原理： 不同品種的茶樹在 DNA 序列上存在差異。透過選擇對品種間差異敏感的 DNA 分子標誌（如 SSR, SNP, AFLP 等），可以檢測到混合樣本中存在的不同品種的 DNA 成分。
   • 方法：
     • DNA 提取： 從茶葉樣品中提取總 DNA。
     • 標誌擴增與檢測： 使用 PCR 技術，針對已知的品種特異性標誌進行擴增。或者，使用高通量測序技術（如 RAD-seq, WGS）來鑑定樣本中的所有 DNA 成分。
     • 數據分析： 通過分析擴增產物的大小、序列或測序結果，可以確定樣本中包含哪些品種的 DNA，甚至可以估計不同品種的比例。
   • 優勢： DNA 標誌不受茶葉的加工方式（如綠茶、紅茶、烏龍茶）、採摘時間、地理位置等因素的影響，能真實反映茶葉的品種組成。這對於防止以次充好、假冒優質品種、確保消費者權益至關重要。

2. 應用於鑑定茶葉原產地（同一品種在不同國家種植）的可行性：

   • 可行性： 具有一定可行性，但可能比品種鑑定更複雜，且受限於標誌的選擇和樣本的代表性。
   • 原理： 雖然是同一茶樹品種，但由於地理隔離、不同環境條件下的自然選擇、以及可能發生的獨立突變或基因漂變，不同地區種植的同一品種茶樹，其 DNA 序列可能累積了細微的差異（如 SNP 變異、微衛星位點的變化）。這些差異可以用來構建「地理種群」的 DNA 指紋。
   • 方法：
     • 標誌選擇： 需要選擇對地理種群差異敏感的標誌。

好的，我們來詳細解析臺大農藝系 111 學年度研究所招生考試「作物育種學」的第 5 題。這題主要在考驗你對兩種重要的基因定位技術：QTL mapping 和 GWAS 的理解程度，包含它們的核心概念、應用範圍、以及兩者之間的異同。

核心觀念

本題的核心觀念在於比較兩種用於解析數量性狀基因基礎的分子技術：QTL mapping 和 GWAS。這兩種技術都旨在尋找與特定性狀相關的基因位點，但它們所使用的材料、策略和解析的族群結構有所不同。理解它們的異同，對於選擇合適的技術來進行作物育種研究至關重要。

解題過程

5. 請比較 QTL mapping (quantitative trait locus mapping) 與 GWAS (genome-wide association study) 之相同及不相同之處？ (10 分)

(a) 相同之處