115 年 國立臺灣大學農藝系暨研究所作物乙組《作物育種學》

測交（Test cross）是將一個具有未知基因型（通常是顯性表型）的個體，與一個純合隱性（homozygous recessive）的個體進行交配。其目的是為了鑑定這個未知基因型的個體是純合子（homozygous）還是雜合子（heterozygous）。

在自交作物選育的過程中，譜系法（pedigree method）是一種常見的選育方法。譜系法在每一世代都會對後代進行個體選擇，並記錄其親代關係，以追蹤目標性狀的遺傳。

麵包小麥，學名為 Triticum aestivum L.，是六倍體（hexaploid）小麥，其染色體倍數為 $2n=6x=42$。它起源於肥沃月灣（Fertile Crescent）地區，是由兩次異源多倍體化事件形成的。

而 Triticum turgidum L.，又稱硬粒小麥或杜蘭小麥（durum wheat），是四倍體（tetraploid）小麥，其染色體倍數為 $2n=4x=28$。

作物育種計畫的效率，是一個複雜的問題，它受到遺傳因子（genetic factors）和環境因子（environmental factors）的共同影響。目標性狀的表現是基因型與環境互作（G x E interaction）的結果。

遺傳率（heritability）是指表型變異中，由遺傳變異所佔的比例。它有狹義遺傳率（$h^2$）和廣義遺傳率（$H^2$）之分。狹義遺傳率是指加性遺傳變異（additive genetic variance）佔表型變異的比例，它與選擇反應（response to selection）直接相關。廣義遺傳率則包含加性、顯性及上位性遺傳變異。

玉米穀粒產量（grain yield）是一個數量性狀（quantitative trait），通常受到多基因控制，並且與環境因子有較大的互作。

雜種優勢（heterosis），又稱雜交優勢，是指雜交後代（F1）的表現優於其親本的現象。這通常發生在不同基因型親本雜交時。

自交弱勢（inbreeding depression）是指近親交配（inbreeding）導致後代生物的生長、繁殖力、活力等性狀下降的現象。這通常發生在自交作物中，由於基因型純合度增加，隱性有害等位基因（recessive deleterious alleles）更容易表現出來。

張德慈院士（Dr. De-Cai Zhang）是台灣著名的農業科學家，在水稻育種領域有卓越貢獻。他被譽為「亞洲稻米之父」，對於推動亞洲地區的稻米產量提升和綠色革命（Green Revolution）有著不可磨滅的貢獻。

基因型值（Genotypic value, G）是指一個特定基因型在特定環境下對一個數量性狀的平均表現。它通常可以分解為加性遺傳值（A）、顯性值（D）和上位性值（I）的總和：$G = A + D + I$。

• 加性遺傳值 (A)：代表基因型中所有等位基因的加性效應的總和。這是可以通過選擇直接傳遞給後代的遺傳成分。
• 顯性值 (D)：代表由於等位基因之間相互作用（顯性或隱性）而產生的效應。
• 上位性值 (I)：代表非等位基因之間相互作用（上位性）而產生的效應。

轉基因植物（Transgenic plant）是指通過基因工程技術，將外源基因（transgene）導入植物體內，並使其穩定遺傳和表達的植物。

一個「轉基因事件」（Transgenic event）通常是指在植物基因組中，外源基因插入到一個特定的位點，並且這個插入事件是獨立發生的。在轉基因過程中，可能會有一個或多個外源基因被插入到植物的基因組中，並且可能插入到一個或多個位點。

「單一轉基因事件」通常是指在基因組中，外源基因以一個獨立的插入片段（copy）的形式存在，並且其插入位點是唯一的。然而，在實際的轉基因過程中，有時可能會出現以下情況：

1. 多拷貝插入 (Multiple copies)：同一個外源基因可能以多個拷貝的形式插入到同一個位點。

良好的試驗設計（Experimental design）在作物育種中至關重要，其目的之一就是盡可能地分離和評估不同來源的變異。這些變異主要包括：

1. 遺傳因子 (Genetic factors)：由基因型差異引起的變異，這部分是育種家希望選擇和利用的。
2. 非遺傳因子 (Non-genetic factors)：也稱為環境因子（Environmental factors）或可控/不可控的實驗誤差。這些包括土壤肥力、水分、光照、溫度、病蟲害、耕作措施、實驗操作誤差等。

透過適當的試驗設計，例如：

• 重複 (Replication)：增加試驗的重複數，可以幫助估計和降低隨機誤差的影響，從而更清晰地觀察到遺傳差異。

為提高育種效率，育種家確實會將資源集中在關鍵的目標性狀上。然而，許多重要的作物性狀，如產量、品質、抗病性、抗逆性等，往往是相互關聯的，並且是多基因控制的複雜性狀。

如果一個育種計畫「僅」專注於單一目標性狀，而忽略了其他重要性狀，可能會導致以下問題：

1. 犧牲其他重要性狀：例如，只追求產量，可能導致品質下降；只追求抗病性，可能犧牲了產量。
2. 基因型與環境互作：單一性狀的優勢在不同環境下可能無法維持。

育種價 (Breeding value, BV)

育種價是指一個親本對其後代所能貢獻的加性遺傳價值。更精確地說，育種價是某一基因型個體，相對於族群平均值，其後代平均表現的預期差值，且此差值僅由加性遺傳變異（additive genetic variance）所貢獻。育種價是育種家最關心的遺傳成分，因為加性遺傳效應是唯一能夠通過選擇穩定地傳遞給下一代的。

育種價的數學表達式為：
$BV = 2 \times \text{Cov}(G, P_s)$
其中 $G$ 是個體的基因型，$P_s$ 是其後代的表型。
或者，更直觀地，育種價可以表示為：
$BV = \sum_{i=1}^{n} 2a_i$
其中 $a_i$ 是第 $i$ 個基因座上，個體所攜帶的等位基因相對於族群平均等位基因的加性效應。

評估甘藷種源之育種價

甘藷（Ipomoea batatas）是異花授粉作物，在育種上常利用雜種優勢。評估其種源的育種價，主要透過觀察其後代的表現來推算。由於甘藷的育種目標可能包括產量、乾物質含量、抗病性、形狀、顏色等，我們以「產量」為例說明。

評估方法通常包括以下步驟：

1. 選擇親本 (Parents Selection)：從現有的甘藷種源中，選擇若干具有潛力的個體作為親本，這些種源本身可能具有不同的遺傳背景。

2. 雜交 (Hybridization)：將選定的親本進行雜交，產生 F1 代。由於甘藷是異花授粉作物，自交後代會表現自交弱勢，因此通常不直接利用自交後代，而是利用雜交後代。

3. 產生後代群體 (Progeny Population)：

   • 自交後代 (Selfed Progeny)：雖然甘藷自交後代會表現弱勢，但為了估計單個親本的加性效應，有時也會進行一定程度的自交。然而，更常見的做法是利用半同胞（half-sib）或全同胞（full-sib）後代。
   • 半同胞後代 (Half-sib Progeny)：選擇一個母本（或父本），與多個不同的父本（或母本）進行雜交，產生半同胞後代。例如，選定一個優良母本 A，分別與父本 B, C, D 雜交，得到 A x B, A x C, A x D 等後代。這些後代共享母本 A 的遺傳物質，但父本不同，因此它們是半同胞關係。
   • 全同胞後代 (Full-sib Progeny)：將兩個親本 A 和 B 雜交得到 F1 代，然後將 F1 代進行相互雜交 (A x B) x (A x B) 或進行群體雜交 (diallel cross)，產生全同胞後代。

4. 田間試驗 (Field Trial)：將產生的後代群體（例如半同胞後代）種植在標準化的田間環境中，並設置適當的重複和區組。

5. 性狀測量 (Trait Measurement)：在適當的生長階段，對每個後代表現的目標性狀（例如，單株產量、塊根產量、乾物質含量等）進行準確測量。

圖一展示了兩個基因型（品系 Line 1 和 Line 2）在兩個不同環境（E1 和 E2）下的基因型值（Genotypic value）表現。這些圖形描繪了基因型與環境互作（Genotype by Environment interaction, GxE）的幾種不同情況。

各子圖說明與 GxE 表現：

• 圖 (A)：無 GxE (No GxE)

  • 說明：在圖 (A) 中，兩條線（Line 1 和 Line 2）的相對位置在兩個環境 E1 和 E2 中是平行的。這表示 Line 1 在 E1 和 E2 中的表現相對於 Line 2 的表現是恆定的。也就是說，無論環境如何變化，Line 1 相對於 Line 2 的優勢（或劣勢）保持不變。
  • GxE 表現：此圖呈現的是「無基因型與環境互作」。基因型的表現差異是恆定的，不受環境影響。Line 1 在 E1 和 E2 中的表現都優於 Line 2（或反之），且這個優勢的幅度相同。

• 圖 (B)：交叉互作 (Crossover Interaction)

  • 說明：在圖 (B) 中，兩條線（Line 1 和 Line 2）在從 E1 到 E2 的過程中，其相對位置發生了交叉。也就是說，在環境 E1 中，Line 1 可能優於 Line 2，但在環境 E2 中，Line 2 可能優於 Line 1（或反之）。
  • GxE 表現：此圖呈現的是「交叉互作」。基因型與環境互作的影響非常顯著，使得基因型的優劣勢在不同環境下會發生逆轉。這意味著，在選擇品系時，必須考慮到特定的環境條件。

• 圖 (C)：傾斜互作 (Non-crossover Interaction / Scaling Interaction)

  • 說明：在圖 (C) 中，兩條線（Line 1 和 Line 2）在兩個環境 E1 和 E2 中的相對位置沒有發生交叉，但線之間的距離（即表現差異）在兩個環境中是不同的。例如，在 E1 中，Line 1 相對於 Line 2 的優勢較小，但在 E2 中，Line 1 相對於 Line 2 的優勢變得更大（或反之）。兩條線仍然保持平行，但斜率不同。
  • GxE 表現：此圖呈現的是「傾斜互作」或「無交叉互作但有幅度變化」。基因型與環境互作的影響存在，但基因型的優劣勢在不同環境下不會發生逆轉。然而，不同基因型在不同環境下的表現差異幅度會改變。這表示某些環境更能凸顯或抑制基因型的差異。

• 圖 (D)：無 GxE (No GxE) - 類似 (A) 但可能斜率不同

  • 說明：圖 (D) 中的兩條線也可能是平行的，或者斜率不同但相對位置不變。與 (A) 類似，它也表示沒有發生交叉互作。即使斜率不同，只要相對排序不變，就屬於無交叉互作。
  • GxE 表現：此圖呈現的也是「無基因型與環境互作」或「無交叉互作」。基因型的表現差異在不同環境下保持相對穩定，不會發生優劣勢的逆轉。

作物育種計畫面對 GxE 的策略：

基因型與環境互作（GxE）是作物育種中的一個重要挑戰，它影響著品系的穩定性和適用性。育種計畫需要採取策略來應對 GxE：

1. 品系穩定性評估與選擇 (Stability Assessment and Selection)：

分子標誌輔助回交（Marker-assisted backcrossing, MABC）是一種利用分子標誌來加速和提高傳統回交育種效率的方法。其核心思想是在回交過程中，利用緊密連鎖的分子標誌來追蹤和篩選目標基因（target locus）以及來自供體親本（donor parent）的非目標區域（即需要替換的基因組區域）。MABC 包含三個主要的選拔階段：前景選拔、互換選拔和背景選拔。

1. 前景選拔 (Foreground Selection)

• 目的：在回交世代（通常是 BC1F2 或更後續世代）中，鑑定出同時擁有目標基因（target locus）和來自母本（recurrent parent）來自非目標區域（background）的分子標誌的個體。
• 原理：利用緊密連鎖於目標基因座上的分子標誌（foreground markers）。這些標誌能夠指示目標基因的存在。
• 操作：
  • 在回交親本（供體）和母本（受體）之間進行雜交，得到 F1 代。
  • 將 F1 代與母本進行第一次回交，得到 BC1 代。
  • 從 BC1 代的後代（例如 BC1F2）中，篩選出同時攜帶目標基因（由供體親本提供）和來自母本背景標誌的個體。
  • 通常，前景選拔標誌的數量較少，主要用於確認目標基因的導入。
• 重要性：確保目標基因被成功導入，並且該基因來自供體親本。

2. 互換選拔 (Recombinant Selection)

• 目的：在目標基因座的緊鄰區域，尋找發生重組（recombination）的個體，以替換掉供體親本的非目標區域標誌，進而縮小供體親本基因組殘留的區域。
• 原理：利用在目標基因座（target locus）兩側，緊密連鎖的分子標誌（foreground markers 和 flanking markers）。通過尋找在這些標誌之間發生重組的個體，可以將目標基因（來自供體）與其周圍的供體基因組區域分開。
• 操作：
  • 在前景選拔得到的個體中，進一步篩選。

身為水稻育種家，要在一個優良的高產品系（母本/受體親本，Recurrent Parent, RP）中導入一個抗褐飛蝨（brown planthopper, BPH）的主效基因（Target gene, TG），分子標誌輔助回交（MABC）是一個非常有效的策略。以下是我的育種流程設計：

育種流程圖：

graph TD
    A[供體親本 (Donor Parent, DP): 含抗 BPH 目標基因 TG] --> B{雜交};
    B --> C[F1 代];
    C --> B;
    B --> D[BC1 代];
    D -- 前景選拔 --> E{選擇帶有 TG 的個體};
    E --> F[BC1F2 代];
    F -- 前景 & 互換選拔 --> G{選擇帶有 TG 且有重組的個體};
    G --> H[BC2 代];
    H -- 前景 & 互換選拔 --> I{選擇帶有 TG 且有重組的個體};
    I --> J[BC3 代];
    J -- 前景 & 互換選拔 --> K{選擇帶有 TG 且有重組的個體};
    K --> L[BC4 代];
    L -- 背景選拔 --> M{選擇帶有 TG 且90% 以上背景來自 RP 的個體};
    M --> N[BC4F2 代];
    N -- 背景 & 前景選拔 --> O{最終選拔: 帶有 TG 且背景極純的個體};
    O --> P[最終品系];

    subgraph 供體親本
        DP
    end
    subgraph 受體親本
        RP(母本: 高產品系)
    end
    RP --> B;
    B --> D;

    style DP fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style RP fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

流程說明與數字假設：

假設我們的目標是將抗褐飛蝨的基因（TG）從一個野生稻或地方品種（供體親本 DP）導入到一個已經被廣泛種植、產量優異但易受褐飛蝨侵害的現代水稻品系（母本/受體親本 RP）中。水稻基因組大小約為 1000 Mb (Megabases)，假設我們使用 SSR 或 SNP 等分子標誌，平均標誌間距為 1 cM (釐摩)。1 cM 大約對應 1 Mb 的基因組區域。

1. 雜交與 F1 代產生：

• 族群個體數：10-20 個雜交對。
• 標誌數：無。
• 原因/假設：這是基礎步驟，確保目標基因能進入雜交後代。

2. 第一次回交 (BC1) 與 BC1F2 代篩選：

• 目標：導入目標基因，並開始替換背景。
• 操作：將 F1 代與母本 RP 回交，得到 BC1 代。然後從 BC1 代中選取約 100-200 個個體，進行分子標誌分析，以 BC1F2 的形式進入下一輪選拔。
• 族群個體數：約 100-200 個 BC1F2 個體。
• 標誌數：
  • 前景標誌 (Foreground markers)：2-3 個緊密連鎖於目標基因（TG）的標誌。
  • 背景標誌 (Background markers)：覆蓋整個基因組的約 100-200 個標誌，平均間距約 5-10 cM。
• 選用數字原因/假設：
  • 前景標誌：用於確認 TG 是否被導入。
  • 背景標誌：早期階段，標誌密度不需要非常高，足夠覆蓋基因組，以初步篩選出較多來自 RP 的背景。
  • 個體數：足夠的個體數可以提高篩選到帶有 TG 且背景部分來自 RP 的機率。

3. 第二次回交 (BC2) 與 BC2F2 代篩選：

• 目標：進一步篩選帶有 TG 的個體，並開始尋找重組（互換選拔）。
• 操作：將 BC1F2 中帶有 TG 的個體（約 25%）與母本 RP 回交，得到 BC2 代。從 BC2 代中選取約 100-200 個個體，進行標誌分析。
• 族群個體數：約 100-200 個 BC2F2 個體。
• 標誌數：
  • 前景標誌：2-3 個。
  • 互換標誌 (Recombination markers)：在目標基因座（TG）兩側，緊密連鎖（約 1-5 cM）的標誌，共約 4-6 個（兩側各 2-3 個）。
  • 背景標誌：增加密度，約 200-300 個，平均間距約 3-5 cM。
• 選用數字原因/假設：
  • 互換標誌：開始尋找在 TG 緊鄰區域發生重組的個體，以縮小供體背景。
  • 背景標誌密度增加：提高篩選到 RP 背景的效率。