第七章分子標(biāo)記輔助選擇

1、第七章 分子標(biāo)記輔助選擇一、質(zhì)量性狀的標(biāo)記輔助選擇二、數(shù)量性狀的標(biāo)記輔助選擇三、標(biāo)記輔助選擇的應(yīng)用研究四、標(biāo)記輔助選擇的發(fā)展策略選擇是指在一個(gè)群體中選擇符合要求的基因型。傳統(tǒng)育種通過(guò)表現(xiàn)型間接對(duì)基因型進(jìn)行選擇，存在許多缺陷。分子標(biāo)記為實(shí)現(xiàn)對(duì)基因型的直接選擇提供了可能，通過(guò)對(duì)分子標(biāo)記基因型的檢測(cè)，就能獲知目標(biāo)基因的基因型。借助分子標(biāo)記對(duì)目標(biāo)性狀的基因型進(jìn)行選擇，這稱(chēng)為標(biāo)記輔助選擇(MAS)分子標(biāo)記輔助選擇的優(yōu)越性 1、可克服性狀基因型鑒定的困難 隱性等位基因；基因之間或基因與環(huán)境之間存在互作；有些表型如抗病蟲(chóng)性、抗旱性或耐鹽性只有在難于界定或控制的特定條件下才能表現(xiàn)出來(lái)。2、可克服性狀表現(xiàn)型鑒定

2、的困難 育性恢復(fù)、廣親和性、光溫敏不育和一些抗病蟲(chóng)性及抗逆性等，不僅鑒定費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且這些性狀受環(huán)境的影響很大，直接鑒定往往不太準(zhǔn)確。 3、允許早期選擇 產(chǎn)量和后期葉部或穗部性狀；多年生植物 4、允許更廣泛和強(qiáng)度更大的選擇 對(duì)幼苗的選擇還可以允許把更多的群體納入研究選擇的對(duì)象之中，從而可以對(duì)其施加更大強(qiáng)度的選擇壓力。同時(shí)，還可利用分子標(biāo)記同時(shí)對(duì)幾個(gè)性狀（如幾種抗病蟲(chóng)性和產(chǎn)量）進(jìn)行選擇。 5、可進(jìn)行非破壞性性狀評(píng)價(jià)和選擇 利用分子標(biāo)記技術(shù)只需少量葉片或其它組織，植株還可繼續(xù)生長(zhǎng)至成熟，以便育種工作者同時(shí)對(duì)該育種群體進(jìn)行其它性狀的選擇 6、可提高回交育種效率 利用傳統(tǒng)回交方法將一個(gè)野生種的優(yōu)良基因

3、轉(zhuǎn)移到栽培品種中，回交20代以上還有可能帶有100個(gè)以上的其它非期望基因。如果是數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）的轉(zhuǎn)移，由于上位效應(yīng)問(wèn)題和連鎖累贅更為復(fù)雜，將更加困難。 利用分子標(biāo)記可以允許選擇出那些含有重組染色體（打破了連鎖累贅）的個(gè)體，從而幫助減小不需要的染色體片斷，從而提高育種效率至少10倍以上。另外，對(duì)隱性性狀可以進(jìn)行不間斷的回交（傳統(tǒng)回交中是隔代回交），從而提高基因的回交轉(zhuǎn)移速度。 進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇的前提1、建立盡量飽和的分子標(biāo)記圖譜： 建立飽和的分子圖譜是對(duì)目的基因進(jìn)行精密定位的前提。目前，對(duì)大多數(shù)重要的農(nóng)作物均已建立相當(dāng)飽和的圖譜，尤其在水稻、玉米、小麥、大麥、西紅柿、馬鈴薯等作物上。

4、但對(duì)有些作物還需要在這方面做更多的工作。2、把目標(biāo)基因定位于分子圖譜上：分子標(biāo)記輔助選擇的可靠程度取決于目的性狀座位與標(biāo)記座位之間的重組頻率，因此二者之間的遺傳距離越小越好。與目的基因緊密連鎖的單一分子標(biāo)記可以用于輔助選擇，而如果在目的基因兩側(cè)均能找到與之連鎖的標(biāo)記，會(huì)進(jìn)一步提高選擇的可靠性。 由于在1520cM的距離內(nèi)很難發(fā)生兩個(gè)重組事件（雙交換），因此現(xiàn)在一般認(rèn)為如果目標(biāo)基因位于兩個(gè)距離在1520cM以下的分子標(biāo)記之間，這兩個(gè)標(biāo)記便可以用于育種項(xiàng)目。 3、檢測(cè)的自動(dòng)化：由于分子標(biāo)記輔助選擇要求對(duì)育種群體進(jìn)行大規(guī)模檢測(cè)，因而要求檢測(cè)的方法要簡(jiǎn)單、快速、成本低、比較準(zhǔn)確，也要求檢測(cè)過(guò)程（包括D

5、NA的提取、分子標(biāo)記的檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析等）自動(dòng)化。 一、質(zhì)量性狀的標(biāo)記輔助選擇v 應(yīng)用表現(xiàn)型的測(cè)量不容易或費(fèi)用太高時(shí)。表現(xiàn)型只在個(gè)體發(fā)育后期表現(xiàn)，但需要在個(gè)體發(fā)育早期(甚至是對(duì)種子)進(jìn)行選擇。除目標(biāo)基因外，還需要對(duì)基因組的其他部分(即遺傳背景)進(jìn)行選擇時(shí)。某些表現(xiàn)質(zhì)量-數(shù)量性狀特征的性狀，如生物抗性與非生物性。1、前景選擇v對(duì)目標(biāo)基因的選擇稱(chēng)為前景選擇(foreground selectlon)v前景選擇的可靠性主要取決于標(biāo)記與目標(biāo)基因間連鎖的緊密程度。v雙標(biāo)記選擇比單標(biāo)記選擇正確率高。1）、單標(biāo)記選擇v只用一個(gè)標(biāo)記對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行選擇，則標(biāo)記與目標(biāo)基因連鎖必須非常緊密，才能夠達(dá)到較高的正確率。v

6、通過(guò)標(biāo)記座位M選擇目標(biāo)基因座Q M Q 單株選擇的正確率為： P=（1-r)21)rMQ0.05，P90%2)rMQ0.1，P80%如果不要求中選的所有單株都是正確的，而只要求在選中的植株中至少有一株是具有目標(biāo)基因型的，那么，即使標(biāo)記只是松弛地與目標(biāo)基因連鎖的，對(duì)選擇仍然會(huì)很有幫助。中選植株中至少有一株是具有目標(biāo)基因型的概率與中選株數(shù)的關(guān)系：rMQ=0.3，選擇7株具有基因型MM的植株，就有99的把握能保證其中有一株含有目標(biāo)基因座Q。若通過(guò)表型選擇，則需選16株才有一株含有目標(biāo)基因座Q。2）、雙標(biāo)記選擇v同時(shí)用兩側(cè)相鄰的兩個(gè)標(biāo)記對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行跟蹤選擇，可大大提高選擇的正確率。M1QM2m1m2

7、qM1QM2M1qM2親本型：比例高雙交換型：比例低在單交換間無(wú)干擾的情況下，在F2代通過(guò)選擇標(biāo)記基因型MlM2/MlM2而獲得目標(biāo)基因型QQ的概率為：在兩標(biāo)記間的圖距固定的情況下，r1r2(亦即目標(biāo)基因正好位于兩標(biāo)記之間的中點(diǎn))為最壞的情形，這時(shí)的選擇正確率為最小。在實(shí)際情況中，單交換間一般總存在干擾，使得雙交換概率更小，因而雙標(biāo)記選擇的正確率要比理論期望值更高。標(biāo)記與目標(biāo)基因間的重組率與F2群體中標(biāo)記輔助選擇正確率的關(guān)系標(biāo)記與目標(biāo)基因間的重組率與F2群體中標(biāo)記輔助選擇最小應(yīng)選株數(shù)的關(guān)系2、背景選擇v對(duì)基因組中除了目標(biāo)基因之外的其他部分(即遺傳背景)的選擇，稱(chēng)為背景選擇(background

8、 selection)。v背景選擇涉及到全基因組的選擇。選擇的標(biāo)記能夠覆蓋整個(gè)基因組。要有完整的分子標(biāo)記連鎖圖。v必須知道每條染色體的組成。 當(dāng)個(gè)體中覆蓋全基因組的標(biāo)記基因型都已知時(shí)，就可以推測(cè)出各個(gè)標(biāo)記座位上等位基因的可能來(lái)源(指來(lái)自哪個(gè)親本)，進(jìn)而可以推測(cè)出該個(gè)體中所有染色體的組成。從一條染色體看，如果兩個(gè)相鄰標(biāo)記座位上的等位基因來(lái)自不同的親本，則說(shuō)明在這兩個(gè)標(biāo)記之間的染色體區(qū)段上發(fā)生了單交換或更高的奇數(shù)次交換。如果兩標(biāo)記座位上的等位基因來(lái)自同一個(gè)親本，則可近似認(rèn)為這兩個(gè)標(biāo)記之間的染色體區(qū)段也來(lái)自這個(gè)親本，因?yàn)樵谶@種情況下，該區(qū)段上只可能發(fā)生偶數(shù)次交換，而即使是最低的偶數(shù)次交換(即雙交換)

9、，其發(fā)生的概率也是很小的。根據(jù)兩個(gè)相鄰標(biāo)記的基因型來(lái)推測(cè)出它們之間染色體區(qū)段的來(lái)源和組成。M1M2P1P2P1P2M1M2M1M2P1M1M2M1M2P1+P2F2個(gè)體根據(jù)相鄰標(biāo)記可以推測(cè)出一個(gè)反映全基因組組成狀況的連續(xù)的基因型，這種連續(xù)的基因型能直觀地用圖形表示出來(lái)，稱(chēng)為圖示基因型。栽培番茄野生番茄的F2個(gè)體的圖示基因型根據(jù)圖示基因型，可以同時(shí)對(duì)前景和背景進(jìn)行選擇。應(yīng)首先進(jìn)行前景選擇，以保證不丟失目標(biāo)基因，然后再對(duì)中選的個(gè)體進(jìn)一步進(jìn)行背景選擇，以加快育種進(jìn)程。3、基因聚合v基因聚合(gene Pyramiding)是指將分散在不同品種中的有用基因聚合到同一個(gè)基因組中。v在抗病育種中，基因聚合

10、是一個(gè)重要的育種目標(biāo)。v在進(jìn)行基因聚合時(shí)，通常只關(guān)注目標(biāo)抗性基因，即只進(jìn)行前景選擇，暫時(shí)可不理會(huì)遺傳背景。3個(gè)抗稻瘟病基因(Pi-2、Pi-1和Pi-4)的基因聚合1）基因定位2）基因聚合利用分子標(biāo)記聚合3個(gè)抗稻瘟病基因Pi-2、Pi-1和Pi-4的試驗(yàn)方案4、基因轉(zhuǎn)移v基因轉(zhuǎn)移(gene transfer)或基因滲入(gene transgression)是指將供體親本中的有用基因(即目標(biāo)基因)轉(zhuǎn)移或滲入到受體親本的遺傳背景中，從而達(dá)到改良受體親本個(gè)別性狀的目的。v通常采用回交的方法，進(jìn)行多代回交，直到除了來(lái)自供體親本的目標(biāo)基因之外，基因組的其他部分全部來(lái)自受體親本?；蜣D(zhuǎn)移的過(guò)程需同時(shí)進(jìn)行

11、前景選擇和背景選擇。前景選擇的作用是保證從每一回交世代選出的作為下一輪回交親本的個(gè)體都包含目標(biāo)基因，而背景選擇則是為了：(1)加快遺傳背景恢復(fù)成輪回親本基因組的速度，以縮短育種年限。(a)輪回親本基因組在回交后代中的恢復(fù)速率6(b)輪回親本基因組在目標(biāo)基因鄰近區(qū)域的恢復(fù)速率(2)背景選擇可以避免或減輕連鎖累贅連鎖累贅是指有利基因(目標(biāo)基因)與不利基因(非目標(biāo)基因)間的連鎖。傳統(tǒng)回交育種難以消除連鎖累贅。在傳統(tǒng)的回交育種中，即使回交20代，在目標(biāo)基因周?chē)€能發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)10cM的供體親本染色體片段(約包含幾百個(gè)基因)。用高密度的分子標(biāo)記連鎖圖進(jìn)行輔助選擇就有可能直接選擇到在目標(biāo)基因附近發(fā)生了重組的個(gè)

12、體。只含一個(gè)供體基因，淘汰連鎖累贅，淘汰黑色示供體親本片段白色示輪回親本片段灰色示單交換區(qū)箭頭示目標(biāo)基因區(qū)含兩個(gè)目標(biāo)基因，連鎖累贅少，保留作下輪回交用三個(gè)植株的圖示基因型三個(gè)植株的圖示基因型二、數(shù)量性狀的標(biāo)記輔助選擇v質(zhì)量性狀的標(biāo)記輔助選擇方法也適用于數(shù)量性狀。v影響數(shù)量性狀標(biāo)記輔助選擇的因素很多，其難度要比質(zhì)量性狀大得多。1)還沒(méi)有哪個(gè)數(shù)量性狀的全部QTL被精確地定位出來(lái)。2)在育種過(guò)程中同時(shí)對(duì)許多目標(biāo)基因(QTL)進(jìn)行選擇是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。3)上位性效應(yīng)會(huì)影響選擇的效果，使選育結(jié)果不符合預(yù)期的目標(biāo)。4)不同數(shù)量性狀間可能存在遺傳相關(guān)。數(shù)量性狀選擇的方法1、表型值選擇 傳統(tǒng)的選擇方法。

13、在基因型值中，只有加性效應(yīng)成分才可以真實(shí)地從上代遺傳給下代，基因的加性效應(yīng)值越高，依據(jù)表型值選擇效率越高。加性效應(yīng)值可以狹義遺傳力近似表示。以個(gè)體標(biāo)記值為依據(jù)的選擇稱(chēng)為標(biāo)記值選擇。利用完整的分子標(biāo)記連鎖圖進(jìn)行QTL定位分析，原則上能夠估計(jì)出個(gè)體的加性效應(yīng)值。但要得到個(gè)體加性效應(yīng)值的精確估值，必須進(jìn)行QTL的精細(xì)定位。在加性模型下，性狀標(biāo)記回歸方程為：y為個(gè)體的表型值，為模型均值；i為第i標(biāo)記的加性效應(yīng)值；i為第i標(biāo)記基因型指示變量，對(duì)應(yīng)于基因型MM、Mm和mm分別取1、0和-1；為環(huán)境誤差；N為標(biāo)記數(shù)。2、標(biāo)記值選擇應(yīng)用逐步回歸分析可以篩選出對(duì)目標(biāo)性狀效應(yīng)明顯的標(biāo)記，然后將它們的加性效應(yīng)估值算

14、出個(gè)體的標(biāo)記值個(gè)體的標(biāo)記值為：標(biāo)記值m是個(gè)體加性效應(yīng)值的近似值，其近似程度取決于P=2M/2G3、指數(shù)選擇v用表型值和標(biāo)記值構(gòu)建一個(gè)選擇指數(shù)，依選擇指數(shù)進(jìn)行選擇。為表型值，m為標(biāo)記值，bz和bm為權(quán)重系數(shù)(bz十bm1)選擇指數(shù)也是對(duì)加性效應(yīng)值的一種近似值，其近似程度取決于它的遺傳力1)h2I越大，則選擇指數(shù)越接近加性效應(yīng)，選擇的效率高。2)當(dāng)p0時(shí)，有h2Ih2，這時(shí)相當(dāng)于單純的表型值選擇。3)當(dāng)h2值一定時(shí)，h2I隨p的增大而增大，且h2越低，h2I隨p的增長(zhǎng)速度越快，這說(shuō)明，性狀的遺傳力越低，則標(biāo)記值的影響越大，因而標(biāo)記輔助選擇的作用也就越大。不論是標(biāo)記值選擇還是指數(shù)選擇，都只在選擇早期

15、有優(yōu)越性，在高世代則宜用表型值選擇來(lái)獲得進(jìn)一步的遺傳進(jìn)度。4、基因型選擇v標(biāo)記值選擇和指數(shù)選擇都只是(通過(guò)基因型的加性效應(yīng)值)對(duì)基因型的間接選擇，與表型值選擇沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。v不同的基因型可能產(chǎn)生相同的基因型值，依基因型值的選擇存在著遺傳信息的簡(jiǎn)并或丟失，尤其是效應(yīng)較小的QTL有利等位基因的丟失。直接依據(jù)個(gè)體的基因型進(jìn)行選擇，即對(duì)每個(gè)目標(biāo)QTL利用其兩側(cè)相鄰標(biāo)記或單個(gè)緊密連鎖的標(biāo)記進(jìn)行選擇，這是才真正的標(biāo)記輔助選擇。數(shù)量性狀QTL標(biāo)記輔助選擇的困難：初級(jí)定位，效應(yīng)小的QTL未被檢測(cè)。用3個(gè)相鄰的連鎖標(biāo)記進(jìn)行跟蹤選擇(保證QTL位于目標(biāo)區(qū)段內(nèi))灰色長(zhǎng)方條和其右側(cè)數(shù)字分別表示QTL位置的置信區(qū)間范

16、圍和寬度(cM)，側(cè)面的箭頭表示所指方向還連有染色體的其他部分，中間豎杠示目標(biāo)QTL的估計(jì)位置，黑色倒三角形示標(biāo)記的最佳位置。QTL位于染色體中部QTL位于染色體末端三、標(biāo)記輔助選擇的應(yīng)用研究v1、單個(gè)主基因的回交轉(zhuǎn)移明恢63IRBB21(Xa21)F1明恢63多代回交SCAR標(biāo)記檢測(cè)46個(gè)純合抗性系T71T81新恢復(fù)系組合協(xié)優(yōu)T71協(xié)優(yōu)T81對(duì)照明恢63汕優(yōu)63廣譜高抗白葉枯病主基因平均病斑長(zhǎng)度2cm3.72cm,4.35cm10.48cm23.84cm2、QTL的回交轉(zhuǎn)移v美國(guó)玉米雜種優(yōu)勢(shì)遺傳改良用76個(gè)標(biāo)記定位有關(guān)QTL在第一套雜交中定位的QTL，除了一個(gè)之外，其余都表現(xiàn)出超顯性性，對(duì)B

17、73Mol7的雜種優(yōu)勢(shì)有明顯的貢獻(xiàn)，說(shuō)明超顯性是產(chǎn)生雜種優(yōu)勢(shì)的主要原因。盡管環(huán)境差異很大（6個(gè)不同環(huán)境中），環(huán)境效應(yīng)很明顯，但卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的基因型(QTL)與環(huán)境的互作。在第二套雜交中發(fā)現(xiàn)，Tx303和Oh43各在6個(gè)QTL上具有有利等位基因，分別轉(zhuǎn)入B73和Mol7后，均可提高B73Mo17的雜種優(yōu)勢(shì)在 玉 米 自 交 系Tx303和Oh43中檢測(cè)到的染色體區(qū)段(QTL)位置，這些區(qū)段分別轉(zhuǎn)入自交系B73和Mol7后，預(yù)計(jì)可以 提 高 B 7 3 x M017的產(chǎn)量雜種優(yōu)勢(shì)。141株系增產(chǎn)45個(gè)(32%)減產(chǎn)15個(gè)(11%)116株系增產(chǎn)51個(gè)(44%)減產(chǎn)10個(gè)(9%)組合產(chǎn)量(蒲式爾英

18、畝)19931994平均改良系組合B73(248-6)/Mo17(284-7)178.7 170.9 174.8B73(257-1)/Mo17(271-8)178.1169.5173.8B73(198-2)/Mo17(4l-27)162.8191.2177.0B73(82-06)/Mol7(271-9)160.8189.3175.1B73(1982)/Mo17(278-8)173.5185.5179.5對(duì)照B73/Mo17154.8165.8160.3Pioneer hybrid 3165156.4169.7163.1標(biāo)準(zhǔn)差6.45.14.5B73Mo17改良組合與原始組合及對(duì)照高產(chǎn)組合產(chǎn)量的

19、比較3、抗病蟲(chóng)基因聚合1、主基因聚合主基因聚合Plant Breeding Volume 123 Issue 2 Page 112 - April 2004 （華中農(nóng)大）Pyramiding of insect- and disease-resistance genes into an elite indica, cytoplasm male sterile restorer line of rice, Minghui 63Minghui 63（Xa21 ）Minghui 63 (Bt gene cry1Ab/cry1Ac） Minghui 63 (Xa21 +Bt gene cry1Ab/c

20、ry1Ac） MAS2、QTL聚合聚合Crop Science; Mar/Apr 2003; 43, 2; ProQuest Agriculture Journals pg. 651四、標(biāo)記輔助選擇的發(fā)展策略v解決基因定位與MAS選擇相脫節(jié)問(wèn)題。 大多數(shù)研究的最初目的只是為了定位目標(biāo)基因，在實(shí)驗(yàn)材料的選擇上只考慮研究的方便，而沒(méi)考慮與育種材料的結(jié)合。基因定位選擇的親本和群體不能應(yīng)用于育種。 解決辦法：選擇的親本既是定位材料又是育種材料；構(gòu)建的群體既是遺傳研究群體又是育種群體。 1）雜交親本之一是推廣應(yīng)用的優(yōu)良品種，在定位主基因的同時(shí)開(kāi)展MAS選擇。 2）在基因聚合時(shí)，以一個(gè)優(yōu)良品種為共同雜交親本。目標(biāo)基因的定位與標(biāo)目標(biāo)基因的定位與標(biāo)記輔助回交育種相結(jié)記輔助回交育種相結(jié)合合的技術(shù)路線(xiàn)，受體親本為符合育種目標(biāo)的優(yōu)良品種。標(biāo)記輔助基因聚合與標(biāo)記輔助基因聚合與品種改良相結(jié)合品種改良相結(jié)合的技術(shù)路線(xiàn)，受體親本應(yīng)為符合育種目標(biāo)的優(yōu)良品種。 數(shù)量性狀標(biāo)記輔助選