111 年 國立臺灣大學農藝系暨研究所作物乙組《遺傳學（D）》

一、核心觀念

1. 連鎖分析 (Linkage一、核心觀念**

2. 連鎖分析 (Linkage analysis)

   • 以 重組頻率 (recombination fraction, $r$) 估算兩基因座之遺傳距離：$d\approx100r$ cM（$r<0.1$ 時近似）。
   • 以 $\chi^2$ 檢定 判斷基因座間是否具統計學上的連鎖；自由度 df = 1（二元性狀）或 df = 2（三類基因型），臨界值 $P=0.05$ 為 3.841 (df=1) 或 5.991 (df=2)。

3. 圖式克隆 (Map‑based cloning)

   • 先利用粗標記（RFLP、SSR 等）定位目標基因的大致位置，接著 細部定位 (Fine‑mapping) 產生更多標記、縮小搜尋範圍，最後以 BAC／YAC 走廊 或 全基因組測序 鑑定候選基因。

4. 遺傳模型

   • 本題的 sd1 為隱性等位基因，表型 短株 (sd1/sd1) 與 高株 (+/+)、異型 ( +/sd1 ) 可視為三個基因型。
   • 兩親本：Milyang 23 為 sd1sd1 (B/B)，Gihobyeo 為 +/+ (A/A)。

---

二、解題方法

1. 觀察原始資料

• 表格列出 60 個 $F_2$ 個體，同時給出 SD1 基因型 與 三個 RFLP 標記 (RG109、RG220、RG381) 的基因型分佈。
• 每個標記有三種基因型：A/A、A/B、B/B（分別對應 Gihobyeo、雜合、Milyang 23）。

2. 計算重組個體數

對每個標記，以 「父本等位基因與目標基因型一致」 為 親代型，不一致者視為 重組型。

標記	親代型配對	重組個體數
RG109	+/+ A/A、+/sd1 A/B、sd1/sd1 B/B	1（+ / sd1 B/B）
RG220	+/+ A/A、+/sd1 A/B、sd1/sd1 B/B	1（sd1/sd1 A/B）
RG381	+/+ A/A、+/sd1 A/B、sd1/sd1 B/B	5（+/+ A/B 3、+/sd1 B/B 1、sd1/sd1 A/B 1）

3. 估算重組頻率與遺傳距離

$r = \frac{\text{重組個體數}}{N_{\text{總樣本}}}$
$d\;(\text{cM}) \approx 100r$

標記	$r$	$d$ (cM)
RG109	$\frac{1}{60}=0.0167$	$1.7$
RG220	$\frac{1}{60}=0.0167$	$1.7$
RG381	$\frac{5}{60}=0.0833$	$8.3$

4. $\chi^2$ 檢定（獨立性）

以 SD1 × 標記 的 3 × 3 列聯表為例，期望值在無連鎖情況下每格應為 $60/9=6.67$。計算
$\chi^2 = \sum \frac{(O-E)^2}{E}$

• RG109：$\chi^2\approx 18.0$（df = 4），遠大於 $P=0.05$ 臨界值 9.488 → 顯著連鎖。
• RG220：$\chi^2\approx 19.2$（df = 4） → 同上。
• RG381：$\chi^2\approx 6.7$（df = 4）仍 > 5.991 → 亦具連鎖，但較遠。

結論：SD1 與 RG109、RG220 皆高度連鎖，與 RG381 連鎖較弱，提示基因座排列大致如下（左至右）：

RG109 —— SD1 —— RG220 —— RG381

其中 RG109 與 RG220 之間的物理距離已知約 260 kb，對應遺傳距離 ~1.7 cM，換算得 1 cM ≈ 150 kb，屬於 低重組區域。

5. 影響圖式克隆策略的資訊

1. 確認定位：SD1 已被確認位於 染色體 1 且介於 RG109 與 RG220 之間。
2. 基因順序：RG109‑SD1‑RG220 的順序可用作後續 PCR‑based 標記設計 的參考。
3. 重組距離：$1.7$ cM ≈ $260$ kb，說明 基因區域相當緊湊，需要高密度標記才能再細分。

---

一、核心觀念

觀念	說明
短莖基因 sd1	sd1 為隱性等位基因，純合 (sd1sd1) 使水稻矮化（dwarf）。雜合 (sd1⁺sd1) 為正常高度。
遺傳關係判定	透過兩條 $F_{2}$ 雜交群的表型分布，利用 $\chi^{2}$ 檢定比較觀察值與假設的期望比例，驗證基因數目與基因型‑表型關係。
表型分類	本題把 植株高度（tall / semi‑dwarf / dwarf）與 $F_{3}$ 代自交後代的變異型態（uniform / segregating）結合，形成 5 個表型類別。
獨立分配	若涉及兩個基因且互不連鎖，則兩基因的基因型會 獨立分配，期望比例為各基因型比例的乘積。
$\chi^{2}$ 檢定公式
$\chi^{2}= \sum_{i}\frac{(O_i-E_i)^2}{E_i}$
其中 $O_i$ 為觀察頻數，$E_i$ 為期望頻數。自由度 $df = \text{類別數}-1-\text{估計參數}$。檢定水準採 $\alpha =0.05$。

---

二、解題方法

1. 先檢視 G33 × D51 交叉

   • G33 為 sd1sd1（純合隱性），D51 亦呈矮化且高度與 G33 無顯著差異。
   • 若 D51 亦為 sd1sd1，則 $F_{1}$ 全部為 sd1⁺sd1（因為兩親本皆提供 sd1），表現為 矮化（隱性表現），$F_{2}$ 仍應全部為矮化，且表型變異極小。
   • 觀察值：$F_{2}$ 66 株，平均 86 cm，標準差 7.6 cm，與父本無顯著差異，說明 沒有分離。
   • $\chi^{2}$ 檢定：期望全屬同一類別（$E=66$），$\chi^{2}= (66-66)^2/66 =0$。$df=0$，完全符合。

2. 提出對 D66 的遺傳假說

   • D66 雖也呈呈矮化，卻在與 G33 的交叉中產生 高度與變異的多樣性（5 個表型類別）。

   • 若 D66 只帶有 sd1（同 G33），則 $F_{2}$ 仍應全部矮化，與觀察不符。

   • 因此假設 D66 含有另一個與 sd1 不同的矮化基因，記作 $S$，其表現為 不完全顯性（雜合 $S s^{+}$ 為 semi‑dwarf，純合 $S S$ 為 dwarf，野生型 $s^{+} s^{+}$ 為 tall）。

   • 基因型設定

     • G33：$sd1 sd1$（a a）× $S^{+}S^{+}$（tall）
     • D66：$sd1^{+} sd1$（A a）× $S S^{+}$（半矮）

   • $F_{1}$ 基因型：

     • sd1 位點：$A a$（雜合） -> 表現為 正常高度（因 sd1 為隱性）
     • $S$ 位點：$S S^{+}$（雜合） -> semi‑dwarf（不完全顯性）

   • 自交 $F_{1}$ → $F_{2}$，兩基因獨立分配：

$$\begin{array}{c|c} \text{*sd1* 基因型比例} & aa: \tfrac14,\; Aa:\tfrac12,\; AA:\tfrac14 \\ \hline S 基因型比例 & SS:\tfrac14,\; SS^{+}:\tfrac12,\; S^{+}S^{+}:\tfrac14 \end{array}$$

• 表型對應（根據兩基因的交互作用）

  sd1 基因型	$S$ 基因型	表型	期望比例
  AA 或 Aa（含正常 sd1）	S⁺S⁺	tall – uniform	$\frac34 \times \frac14 = \frac{3}{16}$
  AA/Aa	SS⁺	tall – segregating（因 $S$ 雜合在 $F_{3}$ 會分離）	$\frac34 \times \frac12 = \frac{3}{8}$
  AA/Aa	SS	semi‑dwarf – uniform (因 $S$ 純合)	$\frac34 \times \frac14 = \frac{3}{16}$
  AA/Aa	SS⁺（另一個雜合）	semi‑dwarf – segregating	同上 $\frac{3}{8}$
  aa（sd1sd1）	任意 $S$ 基因型	dwarf – uniform	$\frac14 \times 1 = \frac14$

• 合併同類（將兩個 semi‑dwarf – segregating 合併）得到 五個觀察類別，期望比例：

$$\begin{aligned} &\text{Tall, uniform} &: \frac{3}{16}\\ &\text{Tall, segregating} &: \frac{3}{8}\\ &\text{Semi‑dwarf, uniform} &: \frac{3}{16}\\ &\text{Semi‑dwarf, segregating} &: \frac{3}{8}\\ &\text{Dwarf, uniform} &: \frac{1}{4} \end{aligned}$$

• 以 $N=102$ 計算期望頻數 $E_i$：

核心觀念
本題考查 DNA 的結構組成與合成過程的基本概念，包含以下重點：

• DNA 全稱及其化學命名。
• 單股 DNA 的基本單位（核苷酸）及其組成：去氧核糖、磷酸基團、四種氮基鹼基。
• 核苷酸之間的共價鍵類型（磷酸二酯鍵）。
• DNA 合成所需的關鍵酶（DNA polymerase）以及聚合方向（3' 端）。

解題方法

1. 依序閱讀題目句子，辨識每個空格所需的概念或名詞。
2. 將選項 a–k 與句意對應，排除不符合的選項。
3. 依照 DNA 結構的標準描述填入正確字母，最後將出現順序的字母寫在答題格。

選項分析

選項	內容	是否符合句意	說明
a. nucleotides	核苷酸	✅	單股 DNA 由核苷酸鏈成，符合「subunit called ____」
b. hydrogen bonds	氫鍵	❌	氫鍵是雙股 DNA 之間的連接，非單股結構的組成部分
c. deoxyribose	去氧核糖	✅	核苷酸中的糖，符合「the sugar ____」
d. nitrogenous bases	氮鹼基	✅	四種鹼基（A、T、C、G），符合「one of four ____」
e. 3'	3' 端	✅	DNA polymerase 於 3' 羥基端加入核苷酸，符合「onto the ____ end」

核心觀念
本題探討 突變產生的機制：是隨機發生的「自然突變」還是因外部環境刺激（如輻射、化學劑）而誘發的「誘變」。判斷方法必須能區分 突變前後是否已受環境因素影響，亦即在突變發生之前是否已有環境訊號作用。

解題方法
使用 Luria‑Delbrück波動實驗（fluctuation test） 直接檢驗突變是否為隨機事件。此實驗的核心步驟：

1. 取多個分離的培養管，於 未受任何致突變環境（如抗生素、放射線） 的條件下培養細菌至一定世代數。
2. 之後將每一管細菌同時暴露於選擇壓力（如抗生素）以挑選耐藥突變體。
3. 計算每管能夠生長的突變菌落數。若突變是隨機發生，則不同管之突變數呈 高變異（波動），符合泊松分布的變異度大於平均值；若突變是環境誘發的，所有管在同一時間受到同樣刺激，則突變數較為均一，變異度接近平均值。

此實驗藉由 突變前的培養階段與突變後的選擇階段分離，直接驗證突變是否已在環境刺激前產生，從而判斷是否為隨機事件。

選項分析

選項	內容說明	是否符合題意	理由
a. A complementation test	透過將兩個突變體的基因互補以判定其是否在同一基因上。	❌	目的在定位突變基因位置，無法區分突變是隨機還是環境誘發。
b. Expose to ultraviolet (UV) radiation	直接以 UV 輻射作為誘變因子。	❌	雖能產生誘變，但僅提供誘變手段，無法判斷突變是否本來即為隨機。

核心觀念

• 致癌物（Carcinogen）：能夠在活細胞中誘發基因突變或促進腫瘤形成的物質。致癌性與**致突變性（Mutagenicity）**高度相關，因為大多數致癌物首先在 DNA 中產生可遺傳的突變。
• 突變檢測法：以微生物或細胞系作為感測器，觀測化合物是否引起基因突變。常見的突變檢測法包括 Ames 測試、螢光位點突變檢測、哺乳動物細胞微核檢測 等。
• Ames 測試（Bacterial reverse mutation assay）：使用缺陷突變株（如 Salmonella typhimurium his‑ 或 Escherichia coli trp‑）在無營養補充的培養基上培養，若化合物能夠使突變株恢復原始基因功能（即逆向突變），則在培養基上形成菌落，表示該化合物具突變原性；在適當的代謝活化系統（S9 肝濾渣）下，可模擬哺乳動物代謝，進一步評估其潛在致癌性。

---

解題方法

1. 依題意「識別化合物是否為潛在致癌物」→須選擇能檢測突變原性的實驗。
2. 逐一比對選項所描述的實驗或檢測手段與「突變原性」的關聯性：
   • a. 補償測試：檢測兩個突變基因是否在同一基因上，屬功能定位，與致癌物檢測無關。
   • b. 暴露於 UV：產生特定 DNA 損傷（胸腺嘧啶二聚），但不直接提供檢測化合物致突變的實驗設計。
   • c. 檢測胸腺嘧啶二聚數量：僅量化 UV‑induced 損傷，同上。
   • d. Luria‑Delbruck 波動實驗：測定突變發生率，非針對外來化合物的致突變性評估。
   • e. 暴露於 X 光：可造成 DNA 雙鏈斷裂，亦非針對特定化合物的測試。
   • f. 分析特定三核苷酸重複次數：探討重複不穩定性，與致癌物篩選無關。
   • g. Ames 測試：直接測量化合物是否誘發逆向突變，為最常用的 潛在致癌物篩選 方法。

核心觀念
DNA 的糖-磷酸骨架是由磷酸二酯鍵（phosphodiester bond）連接相鄰的核苷酸。斷裂此鍵會使雙股或單股 DNA 斷成較小片段。造成磷酸二酯鍵斷裂的主要因素是高能輻射（ionizing radiation），例如 X 光、γ 射線或高能粒子，這類輻射能直接或間接產生自由基，攻擊 DNA 骨架，引發單鏈斷裂（SSB）或雙鏈斷裂（DSB）。相較之下，紫外線（UV）主要誘發嘧啶二聚體（如胸腺嘧啶二聚體），不會直接斷開磷酸二酯鍵。

解題方法

1. 先把選項與其典型的 DNA 損傷類型對應起來。
2. 判斷哪一項描述的是「斷開糖‑磷酸骨架」的機制。
3. 依據分子生物學常識，選擇最能產生骨架斷裂的處理方式。

選項分析

選項	內容說明	與題目關係	正確與否
a. A complementation test	基因功能互補測試，用於判斷兩突變是否在同一基因上。	與 DNA 斷裂無關。	❌ 錯
b. Expose to ultraviolet (UV) radiation	UV 產生嘧啶二聚體（如 T‑T 二聚體），妨礙 DNA 複製與轉錄。	主要造成鹼基配對錯誤與阻斷，而非骨架斷裂。	❌ 錯
c. Examine the number of thymine dimers	檢測 UV 造成的胸腺嘧啶二聚體數量。

核心觀念

本題考的是辨認不同遺傳學實驗各自用來回答哪一類問題。脆折 X 症候群與 FMR1 基因中的 CGG 三核苷酸重複序列擴增有關；評估某人是否帶有可傳遞的相關等位基因，應檢測該重複序列的數目。

解題方法

題幹指出脆折 X 症候群的致病變化是 CGG 序列過度擴增。解題時，先把病因對應到「特定三核苷酸重複序列的數目」，再從選項中選出能直接測量重複數目的方法。

臨床檢測會分析 FMR1 的 CGG 重複數；常用分子方法包括聚合酶連鎖反應（PCR），必要時搭配南方墨點法，以判定重複序列是否擴增。故應選擇 f。

選項分析

• a. 互補測試（complementation test）：用來判斷不同突變是否位於同一基因，例如將兩個隱性突變株交配，觀察是否能恢復野生型表現；不能直接測量 CGG 重複數，錯。
• b. 暴露於紫外線（UV）：用於誘發 DNA 損傷或研究突變效應；紫外線可造成嘧啶二聚體，不能用來診斷 FMR1 的重複序列擴增，錯。

核心觀念

• 隱性 (recessive) 基因：在雜合子 (heterozygote) 中，若只要有一個顯性等位基因（wild‑type allele）就能表現出正常表型，則該突變等位基因為隱性。
• 測交 (test cross)：將突變體（通常是表現出突變表型的純合子）與已知的顯性（wild‑type）個體交配，觀察 F1 代的表型。若 F1 全部呈現野生型，則突變等位基因為隱性；若出現突變表型，則為顯性或半顯性。

解題方法

1. 選擇測試材料：取每一個突變株（已確認其表現出異常雄蕊數）作為 “突變親本”。
2. 與野生型交配：將突變親本與野生型（六枚雄蕊的正常植株）進行雜交。此交叉的基因型為
   $\text{突變株} = a a \quad (\text{假設為純合隱性})$
   $\text{野生型} = A A$
   交配後的 F1 基因型為 $A a$（全部為雜合子）。
3. 觀察 F1 表型：若 F1 所有植株皆呈現 正常的六枚雄蕊，即顯性等位基因 $A$ 能掩蓋隱性等位基因 $a$，說明突變是隱性的。
4. 結論：因所有突變株在與野生型交配後，F1 均呈現野生型表型，故可斷定這六個突變皆為 隱性突變。

核心觀念

• 互補測試（complementation test）：將兩個具相同表型的隱性突變體互相交配，觀察子代（F₁）是否恢復野生型表型。
• 判斷依據：
  • ＋（+）：F₁ 表現出野生型（正常）雄蕊數，表示兩突變位於不同基因（互補）。
  • －（−）：F₁ 仍呈現突變表型（異常雄蕊數），表示兩突變位於同一基因（不互補）。

解題方法

1. 製備單倍體突變株：將六個獨立的隱性突變（1–6）各自保持純合隱性（如 mut1/mut1）。
2. 兩兩雜交：將每對突變體（例如 mut1 × mut2）以單雜交方式配對，產生雜合 F₁（mut1/mut2）。
3. 觀察 F₁ 表型：在 F₁ 中檢測雄蕊數是否回復至野生型六個。
4. 填表規則
   • 若 F₁ 為野生型，於對應格子填 +；

核心觀念

• 互補測試 (complementation test)：將兩個具有相同表型的隱性突變體交配。若後代呈現野生型（+），則表示突變在不同基因上；若後代仍呈突變表型（−），則突變位於同一基因的不同等位基因上。
• 等位基因分組：在沒有合併、連鎖或不完全顯性等複雜情況下，所有「−」的對應關係可看成「同基因」的等位基因集合，具傳遞性（若 A 與 B 為同基因，B 與 C 為同基因，則 A 與 C 必為同基因）。

解題方法

1. 列出已知「−」與「+」的配對

   • 1‑3：− → 同基因
   • 3‑4：− → 同基因
   • 2‑6：− → 同基因

2. 利用傳遞性合併同基因群

   • 由 1‑3、3‑4 可得 1、3、4 同屬同一基因群 (簡稱 A)；因此 1‑4 必為「−」。
   • 2‑6 同屬另一基因群 (簡稱 B)。

3. 判斷尚未測試之配對

   • 5 與已知任何基因群的配對皆為「+」 (已知 1‑5、2‑5、5‑6 為 +)。因此 5 應屬於 第三個獨立基因群 (C)，與 A、B 均不同。
   • 其餘未完成的測試，只要兩個突變來自不同基因群，即預測結果為「+」。

核心觀念

• 互補測試 (complementation test)：將兩個同源突變體雜交，若子代呈現野生型表型，表示兩突變位於不同基因（+）；若子代仍呈現突變表型，表示兩突變位於相同基因（−）。
• 獨立突變：題目已說六個突變均是獨立且均為隱性，因此每個突變只會在同一基因的兩個等位基因上表現出表型。
• 對稱性：互補測試表格是對稱的，對角線必為 “−”（同一突變與自身），上三角與下三角的結果應相同。

---

解題方法

1. 根據已知“+”與“−”關係推斷基因群

   • + ⇒ 不同基因
   • − ⇒ 同一基因

2. 先確定已確定的關係

突變對	結果	推論
1‑2	+	基因不同
1‑5	+	基因不同
5‑6	+	基因不同
2‑6	−	同一基因
1‑3	−	同一基因
3‑4	−	同一基因

核心觀念
本題考查學生對 基因編碼序列突變 (coding‑sequence mutation) 之分類與其對 蛋白質產物 (gene product) 結構與功能的影響。需熟悉以下定義：

• 同義突變 (silent mutation)： 由於遺傳密碼的冗餘性，核甘酸改變卻不改變氨基酸。
• 錯義突變 (missense mutation)： 使一個密碼子編碼的氨基酸被另一種氨基酸取代。
• 無義突變 (nonsense mutation)： 產生終止密碼子，導致 早期終止翻譯 (premature termination)。
• 移碼突變 (frameshift mutation)： 插入或缺失非 3 的倍數的核甘酸，使之後的閱讀框全部改變。

解題方法
依序針對四種突變在 DNA → mRNA → 蛋白質 流程中的位置與結果說明：

1. 判斷是否改變 密碼子（triplet）→是否改變 氨基酸。
2. 若改變為終止密碼子，須考慮 翻譯終止、訊息肽 (signal peptide) 失效或 NMD (nonsense‑mediated decay)。
3. 移碼突變則會改變所有下游的三聯體，導致 整體氨基酸序列改變，且常伴隨 錯誤的終止密碼子，產生截短且功能喪失的多肽。

選項分析

突變類型	產物變化說明	典型結果
1. Silent mutation	核甘酸改變但仍屬同一 同義密碼子，不改變編碼的氨基酸。若突變位於 剪接位點、調控序列 或 mRNA 二級結構，可能間接影響表現，但在本題的「coding sequence」範疇內，僅影響 氨基酸序列 為不變。	產生 功能正常、完整的蛋白質；翻譯效率與穩定性基本不受影響。
2. Missense mutation	一個密碼子被另一個密碼子取代，使 原本的氨基酸被不同的氨基酸取代。影響可分為三類：<br>• 保守性取代（相似理化性質） → 蛋白質功能大致保留。

核心觀念

• Gain‑of‑function (GoF) 等位基因：因突變而使基因產生新的或增強的功能（如產生活化的酵素、過度表達、異常的調控位點等）。
• 顯性 (dominant) 與隱性 (recessive) 的遺傳關係：在雜合個體（wild‑type / mutant）中，若突變等位基因的表現足以覆蓋或抵消野生型等位基因的效應，則稱為顯性。

解題方法

1. 定義 Gain‑of‑function

   • 突變改變 DNA 序列，使產物（RNA、蛋白質）具備額外或更強的功能。常見例子：
     • 活化突變（constitutive activation） → 使酵素持續活化。
     • 複製增強突變 → 使基因表達量大幅提升。
     • 產生新結合位點 → 讓蛋白質與原本不相互作用的分子結合。

2. 說明為何幾乎總是顯性

   • 功能增強的效應是「正向」的：即使只有一個拷貝（雜合），新增或加強的功能已足以在表型上產生明顯變化。
   • 野生型等位基因往往為「正常」或「基礎」功能，其表現量或活性在細胞內已被調控至平衡狀態。若突變等位基因產生過量或持續活化的產物，會導致過度信號傳導、代謝失衡或異常結構，這些效應不會被單一的野生型基因所抑制。
   • 分子層面的機制
     • 酵素活化突變：即使 wild‑type 只提供少量活性酵素，活化突變產生的酵素可在細胞內形成過量的產物，導致表型顯現。