108 年 國立臺灣大學農藝系暨研究所生物統計甲組《遺傳學（D）》

核心觀念

本題考查兩基因互作中的「隱性上位作用（recessive epistasis）」以及孟德爾分離律、獨立分配律與卡方適合度檢定。

若兩基因分別為 $A/a$ 與 $B/b$：

• $A$ 基因控制色素形成。
• $B$ 基因控制色素由棕色轉為淡色。
• $aa$ 會阻斷色素形成，對 $B$ 基因具有上位作用，因此表現白色。
• 在具有 $A$ 的前提下，$B\_$ 表現棕褐色中的淡色，即 tan；$bb$ 表現 brown。

因此表型分類為：

$$A\_B\_：\text{tan}$$ $$A\_bb：\text{brown}$$ $$aaB\_ \text{或} \ aabb：\text{white}$$

這種基因型與表型的關係在自交後會產生典型的：

$$9\text{ tan}:3\text{ brown}:4\text{ white}$$

比例。

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解題方法

由於兩親本皆為純品系，且 $F_1$ 全部為 tan，設定親本為：

$$\text{白色親本 } aaBB$$ $$\text{棕色親本 } AAbb$$

雜交後：

$$aaBB \times AAbb \longrightarrow AaBb$$

$F_1$ 全部為 $AaBb$，因為具有 $A\_$ 與 $B\_$，所以全部表現 tan。

$F_1$ 自交：

$$AaBb \times AaBb$$

依孟德爾獨立分配律，$F_2$ 的基因型可依兩基因座分類：

基因型類別	孟德爾比例	表型
$A\_B\_$	$9/16$	tan
$A\_bb$	$3/16$	brown
$aaB\_$	$3/16$	white
$aabb$	$1/16$	white

合併白色類別：

$$aaB\_+aabb=\frac{3}{16}+\frac{1}{16}=\frac{4}{16}$$

因此預期表型比例為：

$$9\text{ tan}:3\text{ brown}:4\text{ white}$$

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卡方適合度檢定

共有 $160$ 個 $F_2$ 個體，因此各表型的預期數目為：

$E_{\text{tan}}=160\times \frac{9}{16}=90$

$E_{\text{brown}}=160\times \frac{3}{16}=30$

$E_{\text{white}}=160\times \frac{4}{16}=40$

觀察值為：

• tan：$82$
• brown：$36$
• white：$42$

卡方統計量為：

$$\chi^2=\sum\frac{(O-E)^2}{E}$$

代入：

$$\chi^2 = \frac{(82-90)^2}{90} + \frac{(36-30)^2}{30} + \frac{(42-40)^2}{40}$$ $$= \frac{64}{90}+\frac{36}{30}+\frac{4}{40}$$ $$=0.711+1.200+0.100=2.011$$

表型有三類，因此自由度為：

$$df=3-1=2$$

核心觀念

本題考查「單基因性狀的自交分離」與「利用後代判斷親本是否為純合子」。

假設抗病由顯性等位基因 $R$ 控制，感病由隱性等位基因 $r$ 控制：

• $RR$：抗病，純合
• $Rr$：抗病，雜合
• $rr$：感病

表面上呈現抗病的植株，基因型可能是 $RR$ 或 $Rr$，因此只觀察親本本身的抗病表型，無法確認其是否為純合抗病。

解題方法

將抗病植株自交，分別討論兩種基因型。

若親本為純合子 $RR$：

$$RR \times RR \rightarrow 100\%\,RR$$

所有後代均應抗病。

若親本為雜合子 $Rr$：

$$Rr \times Rr \rightarrow \frac{1}{4}RR+\frac{1}{2}Rr+\frac{1}{4}rr$$

由於 $RR$ 與 $Rr$ 均抗病，$rr$ 感病，因此每一個後代：

$$P(\text{抗病})=\frac{3}{4}$$ $$P(\text{感病})=\frac{1}{4}$$

若測試 $12$ 個彼此獨立的自交後代，雜合親本卻「完全沒有產生感病後代」的機率為：

$$P(\text{12 個全抗病}) = \left(\frac{3}{4}\right)^{12} \approx 0.0317$$

也就是僅約 $3.17\%$。

因此，從雜合抗病親本誤判為純合抗病親本的機率只有 $3.17\%$；反過來，至少觀察到一個感病後代的機率為：

$$P(\text{至少一個感病}) = 1-\left(\frac{3}{4}\right)^{12} \approx 0.9683$$

約為 $96.83\%$。所以，以常用的 $95\%$ 判定信心水準而言，Flor 使用 $12$ 個自交後代確認抗病性是可行的。

12 個後代是否足夠

若要求偵測雜合親本的機率至少達到 $95\%$，令後代數為 $n$：

核心觀念

本題考查三體（trisomic，$2n+1$）個體的配子形成與表型判定。

三體個體減數分裂時，配子通常分為：

• $n$ 配子：帶有 1 條該同源染色體。
• $n+1$ 配子：帶有 2 條該同源染色體。

在標準隨機分離假設下，$n$ 與 $n+1$ 配子的比例各為 $1/2$。題目指出玉米的 $n+1$ 花粉沒有活性，因此雄性親本只能提供 $n$ 花粉。

$B$ 為顯性紫色，$b$ 為隱性青銅色；要呈現青銅色，三體子代必須是 $bbb$。

解題方法

雌性親本為 $Bbb$：

1. 雌性產生 $n+1$ 卵的機率為 $1/2$。
2. $Bbb$ 的 $n+1$ 卵含有兩條染色體。從一條 $B$ 與兩條 $b$ 中取兩條：
   • 取到 $Bb$ 的機率為 $2/3$；
   • 取到 $bb$ 的機率為 $1/3$。

因此，雌性產生 $bb$ 型 $n+1$ 卵的機率為

$$\frac{1}{2}\times\frac{1}{3}=\frac{1}{6}$$

雄性親本為 $BBb$。由於 $n+1$ 花粉不具活性，只有 $n$ 花粉能參與受精。其 $n$ 花粉攜帶單一等位基因：

本題要求解釋移碼突變 (frameshift mutation) 並輔以圖示。由於無法在此生成圖形，將以文字描述圖示內容。

核心觀念：

• 遺傳密碼 (Genetic Code)： DNA 和 RNA 的核苷酸序列以三個鹼基為一個單位（密碼子, codon）來解讀，每個密碼子對應一個胺基酸或一個終止信號。
• 讀碼框 (Reading Frame)： mRNA 在轉譯時，從起始密碼子開始，以三個鹼基為一組連續讀取的序列。
• 移碼突變 (Frameshift Mutation)： 由於鹼基的插入 (insertion) 或刪除 (deletion)，且插入/刪除的鹼基數不是 3 的倍數，從而改變了 mRNA 的讀碼框，導致後續所有密碼子的解讀發生改變。

解釋：
DNA 中的遺傳訊息是以密碼子的形式儲存的。這些密碼子是連續的，每三個核苷酸組成一個密碼子，決定了蛋白質中胺基酸的順序。例如，一段正常的 DNA 序列，在轉錄成 mRNA 後，會被核糖體以固定的讀碼框進行解讀，從起始密碼子開始，依序讀取密碼子，合成蛋白質。

移碼突變的發生，是因為基因中發生了鹼基的插入或刪除。如果插入或刪除的鹼基數量是 1 個、2 個、4 個、5 個等，而不是 3 的倍數，那麼從突變點開始，整個 mRNA 的讀碼框就會發生位移。這會導致：

1. 後續密碼子改變： 所有在突變點之後的密碼子都會被錯誤地讀取。
2. 胺基酸序列改變： 錯誤讀取的密碼子會對應到不同的胺基酸，從而導致蛋白質中大量胺基酸序列的改變。
3. 提前終止： 讀碼框的改變很可能在較早的位置產生一個終止密碼子，導致轉譯提前中止，產生一個截短的蛋白質。
4. 蛋白質功能喪失： 由於胺基酸序列的巨大改變和可能的蛋白質截短，產生的蛋白質通常無法正常摺疊，失去原有的生物學功能。

圖示說明：
（以下為文字描述，模擬圖示內容）

圖示標題： 移碼突變 (Frameshift Mutation)

部分 1：正常情況 (Normal Situation)

• 顯示一段 DNA 序列，例如：... ATG GCT TGA ...
• 轉錄成 mRNA 序列：... AUG GCU UGA ...
• 顯示讀碼框：AUG | GCU | UGA | ...
• 對應的胺基酸序列：Met - Ala - Stop (Met: 甲硫胺酸, Ala: 丙胺酸, Stop: 終止信號)
• 說明：從起始密碼子 AUG 開始，以三個鹼基為一組讀取，形成正常的蛋白質。

部分 2：鹼基插入 (Insertion)

• 在正常 DNA 序列中插入一個鹼基（例如，在 GCT 中的 C 之前插入一個 T）：
  • 原始 DNA: ... ATG GCT TGA ...
  • 突變後 DNA: ... ATG T GCT TGA ...
• 轉錄成 mRNA 序列：... AUG T GCU UGA ...
• 顯示新的讀碼框：

本題考查在分子生物學實驗中，使用內參 (loading control) 的目的。

核心觀念：

• 蛋白質印跡 (Western Blot)： 一種用於檢測特定蛋白質水平的技術。
• 基因表達分析 (Gene Expression Analysis)： 如 RT-qPCR 或 Northern blot，用於檢測 mRNA 水平，反映基因表達量。
• 內參 (Loading Control)： 在樣品製備或實驗過程中，為了確保實驗結果的準確性，需要使用在不同條件下表達量相對穩定的分子作為對照。

圖 2B (Western blot) 中 Ubiquitin 的目的：

• Ubiquitin 是一種在真核細胞中普遍存在且表達量相對穩定的蛋白質。
• 在 Western blot 實驗中，它被用作蛋白質載量對照 (protein loading control)。
• 圖 2B 比較了正常 (N) 和 dek (D) 胚乳中 ZmATM 和 ZmTOR 的蛋白質水平。顯示 Ubiquitin 的目的是為了證明樣品中加載的總蛋白質量是均勻的。這樣，在比較 ZmATM 和 ZmTOR 的信號強度時，可以確保觀察到的差異是由於目標蛋白質表達水平的真實變化，而不是由於加載的蛋白質量不同造成的。

本題要求綜合分析圖 2B, 2C, 2D 的數據及題幹資訊，解釋 dek 突變體在轉錄和蛋白質層面的分子機制。

核心觀念：

• 轉座子誘發突變： 轉座子插入基因可導致基因失活，影響 mRNA 和蛋白質的產生。
• mRNA 水平變化： 基因插入可能影響轉錄或 mRNA 穩定性，導致 mRNA 量減少。
• 蛋白質水平變化： 異常 mRNA 或蛋白質序列改變，影響蛋白質的合成、摺疊、穩定性和功能。
• 蛋白質相互作用： 突變蛋白質可能無法與其他蛋白質形成功能性複合物。

圖 2B (Western blot) 的觀察：

• ZmATM 和 ZmTOR： 在正常 (N) 和 dek (D) 樣品中，這兩種蛋白質的水平顯示相似。這表明，儘管 TTI2 基因發生突變，但 ZmATM 和 ZmTOR 這兩種蛋白質的總體含量似乎沒有受到顯著影響。
• Ubiquitin： 作為載量對照，其信號在 N 和 D 樣品中相似，確認了樣品中加載的蛋白質總量是均勻的。

圖 2C (Gene expression) 的觀察：

• GRMZM2G048851 (TTI2) mRNA： 在野生型 (WT) 樣品中，TTI2 的 mRNA 水平較高。然而，在 dek 突變體 (D) 樣品中，TTI2 的 mRNA 水平顯著降低，幾乎檢測不到。這強烈提示 TTI2 基因的表達在 dek 突變體中受到嚴重抑制或其 mRNA 被快速降解。
• Actin： 作為 RNA 對照，Actin mRNA 水平在 WT 和 D 樣品中相似，表明 RNA 樣品製備的均勻性。

圖 2D (Predicted protein folding) 的觀察：

• WT TTI2： 顯示了野生型 TTI2 蛋白質的預測三維結構。
• dek38-Dsg TTI2： 顯示了 dek 突變體中 TTI2 蛋白質的預測結構。與野生型相比，突變體的 TTI2 蛋白質結構顯示出明顯的變異。這可能是一個由於移碼突變或插入導致的截短蛋白質，或者是一個結構域的嚴重改變，使其無法正確摺疊。

結合資訊與分子機制解釋：

1. 轉錄水平 (Transcriptional Level) 的分子情況：

• Dsg 轉座子插入： 根據題幹，Dsg 轉座子插入到 TTI2 基因 (GRMZM2G048851) 中，導致了 dek 表型。這種插入發生在基因的編碼區（或影響其表達的區域）。
• mRNA 水平顯著降低： 圖 2C 顯示，在 dek 突變體中，TTI2 的 mRNA 水平急劇下降。這有多種可能的原因：
  • 轉錄抑制： 轉座子的插入可能破壞了 TTI2 基因的啟動子或增強子區域，或插入到基因內部影響了轉錄起始或延伸。
  • mRNA 不穩定： Dsg 插入後產生的 DNA 腳印，或由此引起的編碼序列改變（如移碼突變），可能產生了不穩定的異常 mRNA。這種異常 mRNA 可能會被細胞的 RNA 降解機制（如 Nonsense-mediated decay, NMD）快速降解。
  • 基因斷裂： 如果 Dsg 插入導致基因發生斷裂，可能影響了基因的完整性，進而影響轉錄。

本題考查基因體編輯技術的原理，特別是雙鏈斷裂 (DSB) 的修復機制在植物中的應用，以及不同修復途徑的潛在結果。

核心觀念：

• 基因體編輯 (Genome Editing)： 通過在基因組特定位點引入 DSB，再利用細胞的 DNA 修復機制來精確修改基因序列。
• 雙鏈斷裂 (Double-Strand Break, DSB)： DNA 雙螺旋結構的兩條鏈同時斷裂。
• DNA 修復途徑：
  • NHEJ (Non-homologous end joining)： 直接連接斷裂的 DNA 兩端，效率高，但易引入插入或刪除 (indels)，導致移碼突變或基因敲除。
  • HDR (Homology-dependent repair) / HR (Homologous recombination)： 利用同源序列（姐妹染色單體或外源 DNA 模板）進行精確修復。
• 植物中的 DSB 修復： 植物細胞中存在 NHEJ 和 HDR，但兩者效率和偏好性不同。
• 圖 3： 展示了基因體編輯在不同修復途徑下可能產生的結果。

分析圖 3：
圖 3 顯示了基因體編輯的四種潛在結果，基於 NHEJ 或 HDR：

• (I) Gene knockout (NHEJ)： 在沒有 DNA 模板的情況下，NHEJ 修復 DSB，通常引入 indels，導致基因失活。
• (II) Gene insertion (HDR, + donor DNA)： 提供含有目標序列的 DNA 供體，HDR 將其整合到 DSB 位點。
• (III) Gene correction (HDR, + donor DNA)： 提供一個正確的 DNA 序列作為模板，HDR 用來修復 DSB 位點的突變。
• (IV) Gene correction (HDR, + ssODN)： 提供單鏈寡核苷酸 (ssODN) 作為模板，HDR 用來進行精確的鹼基替換或小片段校正。
• (V) Gene insertion (HDR, + donor DNA)： 類似於 (II)，整合供體 DNA。

植物中 DSB 修復途徑的頻率：

• 在植物中，NHEJ 是更為頻繁 (more often) 發生的 DSB 修復途徑。
• NHEJ 是一種較為快速和普遍的修復機制，在細胞週期的 G1 和 S 期都活躍。
• HDR 在植物中也存在，但其效率通常較低，尤其是在非分裂細胞中。HDR 的效率受到細胞週期階段、同源模板的可獲得性以及 DNA 斷裂位點附近序列的影響。