分子標(biāo)記輔助選擇育種課件

第四章分子標(biāo)記輔助選擇育種

提綱植物MAS是分子育種的重要部分MAS的前提與影響因素植物MAS的基本方法植物MAS的應(yīng)用植物MAS的發(fā)展策略基于QTL定位的植物分子育種

分子標(biāo)記在作物育種中的直接應(yīng)用是對(duì)性狀進(jìn)行輔助選擇，即分子標(biāo)記輔助選擇（MolecularMarker-AssistedSelection,MAS）。它是利用與目標(biāo)性狀基因緊密連鎖的分子標(biāo)記進(jìn)行間接選擇，是對(duì)目標(biāo)性狀在分子水平的選擇，不受環(huán)境影響，選擇結(jié)果可靠；在聚合有利目標(biāo)性狀的同時(shí)，可以在回交漸滲過程中，通過遺傳背景選擇，減少連鎖累贅，加速育種進(jìn)程。MAS的前提1、建立盡量飽和的分子標(biāo)記圖譜2、基于圖譜的目標(biāo)基因定位3、檢測(cè)的自動(dòng)化二MAS的前提與影響因素影響分子標(biāo)記輔助選擇的因素1、分子標(biāo)記與目的基因或QTL之間的連鎖程度從標(biāo)記輔助選擇的效率或可靠性考慮，兩側(cè)相鄰標(biāo)記彼此越靠近越好。但是…2、選用的分子標(biāo)記數(shù)目對(duì)主基因，用位于主基因兩側(cè)的兩個(gè)分子標(biāo)記同時(shí)選擇。對(duì)于QTL，在少數(shù)QTL可解釋大部分變異的情況下，MAS的效率高。一般認(rèn)為存在一個(gè)最佳數(shù)目，這與性狀的遺傳力有關(guān)。Gimelfarb&Lande(1994a)發(fā)現(xiàn)利用6個(gè)標(biāo)記時(shí)的MAS效率高于利用3個(gè)標(biāo)記時(shí)的效率，但利用12個(gè)以上的標(biāo)記時(shí)，MAS的效率在低世代時(shí)反而降低，在高世代時(shí)增幅很小。

影響分子標(biāo)記輔助選擇的因素3、群體大小Lande&Thompson(1990)分析MAS的效率時(shí)曾假定群體無限大，標(biāo)記無限多，在此基礎(chǔ)上作出性狀遺傳力低時(shí)MAS比常規(guī)選擇效率高的結(jié)論，但他們還是認(rèn)為有必要研究大量個(gè)體，樣本大小對(duì)加性遺傳方差有一定影響，在群體很小時(shí)MAS沒有多大用處。其它一些根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果對(duì)MAS的效率進(jìn)行的研究表明，群體大小是影響MAS的關(guān)鍵因素，MAS的相對(duì)效率隨群體增大而提高，但在群體小于200時(shí)MAS仍然有效。4、性狀的遺傳力

一般來說遺傳力越高則MAS效率降低。Moreauetal.(1998)認(rèn)為在群體大小有限的情況下，對(duì)低遺傳力的性狀MAS的相對(duì)效率也較高，但存在一個(gè)最適遺傳力，在此限之下MAS的效率會(huì)降低。在低遺傳力（0.1-0.2）時(shí)，MAS的效率更高，但可能出現(xiàn)的負(fù)面試驗(yàn)的頻率也高一些，因此利用MAS技術(shù)所選性狀的遺傳力在0.3-0.4之間會(huì)更好。5.世代？分子標(biāo)記輔助育種已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，在很多作物中已定位了很多重要性狀的基因，但育成品系或品種的還相對(duì)較少。原因：首先，定位工作與育種的脫節(jié)。許多研究人員把定位與育種分開來，定位時(shí)只考慮標(biāo)記鑒定的可行性，不考慮親本選配、育種目標(biāo)，最終只能產(chǎn)生育種用的種質(zhì)材料。其次，標(biāo)記的鑒定技術(shù)還有待于進(jìn)一步提高；標(biāo)記輔助選擇技術(shù)體系還有待進(jìn)一步完善。對(duì)策：為了使基因定位的成果盡快服務(wù)于育種，今后在策略上應(yīng)重視與育種直接有關(guān)的材料；所構(gòu)建的群體盡可能做到既是遺傳研究群體，又是育種群體，這樣才能縮短基因定位與育種應(yīng)用的距離。質(zhì)量性狀的MAS數(shù)量性狀的MAS三MAS的基本方法一、前景選擇對(duì)目標(biāo)基因的選擇稱為前景選擇（foregroundselection），這是標(biāo)記輔助選擇的主要方面。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。若只用一個(gè)標(biāo)記對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行選擇，則標(biāo)記與目標(biāo)基因間的連鎖必須非常緊密，才能夠達(dá)到較高的正確率。

質(zhì)量性狀的MAS假設(shè)某標(biāo)記座位（M/m）與目標(biāo)基因座位（Q/q）連鎖，重組率為r，F(xiàn)1代基因型為MQ/mq，其中Q為目標(biāo)等位基因，亦即要選擇的對(duì)象。由于M與Q連鎖在一起，因此在后代中可通過M來選擇Q。在F2代通過選擇標(biāo)記基因型M/M而獲得目標(biāo)基因型Q/Q的概率（即單株選擇的正確率）為：

質(zhì)量性狀的MAS從下圖看出，選擇正確率隨重組率的增加而迅速下降。若要求選擇正確率達(dá)到90%以上，則標(biāo)記與目標(biāo)基因間的重組率必須不大于0.05。當(dāng)重組率超過0.10時(shí)，選擇正確率已降到80%以下。質(zhì)量性狀的MAS左圖：重組率與F2中輔助選擇正確率的關(guān)系對(duì)基因組中除了目標(biāo)基因之外的其它部分（即遺傳背景）的選擇，稱為背景選擇。與前景選擇不同的是，背景選擇的對(duì)象幾乎包括了整個(gè)基因組。在分離群體（如F2群體）中，由于在上一代形成配子時(shí)同源染色體之間會(huì)發(fā)生交換，因此每條染色體都可能是由雙親染色體重新組裝成的嵌合體。所以，要對(duì)整個(gè)基因組進(jìn)行選擇，就必須知道每條染色體的組成。這就要求用來選擇的標(biāo)記能夠覆蓋整個(gè)基因組，也就是說，必須有一張完整的分子標(biāo)記連鎖圖。二、背景選擇質(zhì)量性狀的MAS一個(gè)栽培番茄與野生番茄雜交的F2個(gè)體的圖示基因型質(zhì)量性狀的MAS基因聚合（genepyramiding）就是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。植物抗病性分為垂直抗性和水平抗性兩種，其中垂直抗性受主基因控制，抗性強(qiáng)，效應(yīng)明顯，易于利用。但垂直抗性一般具有小種特異性，所以易因致病菌優(yōu)勢(shì)小種的變化而喪失抗性。如果能將抵抗不同生理小種的抗病基因聚合到一個(gè)品種中，那么該品種就具有抵抗多種生理小種的能力，亦即具有多抗性。

質(zhì)量性狀的MAS三、基因聚合3個(gè)抗稻瘟病基因Pi-2、Pi-1和Pi-4在水稻第6、11和12號(hào)染色體上的定位

質(zhì)量性狀的MAS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

回交育種中傳統(tǒng)方法與標(biāo)記輔助選擇效率的計(jì)算機(jī)模擬比較.

假想的3個(gè)BC1植株的圖示基因型.

2、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，原則上應(yīng)該能夠估計(jì)出個(gè)體的加性效應(yīng)值。但從初級(jí)定位通常無法檢測(cè)出全部的QTL并準(zhǔn)確地估計(jì)出它們的效應(yīng)，因而估得的個(gè)體加性效應(yīng)值只是近似的，可能存在較大的誤差。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，但這是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，需要經(jīng)過長期的努力才可能完成。因此，目前利用分子標(biāo)記還只能做到近似的依據(jù)加性效應(yīng)值的選擇。數(shù)量性狀的MAS在加性模型下，性狀-標(biāo)記回歸方程為：

數(shù)量性狀的MAS個(gè)體的標(biāo)記值為：將標(biāo)記值選擇與表型值選擇的遺傳進(jìn)度分別記為和?？梢酝频?，在選擇率相同的情況下，二者的相對(duì)效率為：

數(shù)量性狀的MAS3、指數(shù)選擇

標(biāo)記值和表型值都是加性效應(yīng)的近似值，二者都含有加性效應(yīng)的部分信息，而且這些信息可能存在互補(bǔ)性（亦即彼此不完全重疊），那么，若將二者的信息綜合起來，作為選擇的依據(jù)，則可望獲得更高的選擇效率。為此，Lande和Thompson（1990）建議用表型值和標(biāo)記值構(gòu)建一個(gè)選擇指數(shù)：

數(shù)量性狀的MAS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

對(duì)于定向選擇，指數(shù)選擇與表型值選擇、標(biāo)記值選擇的相對(duì)效率為

數(shù)量性狀的MAS4、基因型選擇

標(biāo)記值選擇和指數(shù)選擇都還只是（通過基因型值）對(duì)基因型的間接選擇。更有效的選擇方法應(yīng)是象質(zhì)量性狀的標(biāo)記輔助選擇那樣，直接依據(jù)個(gè)體的基因型進(jìn)行選擇（稱為基因型選擇），具體地說，就是對(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，其原理和方法與質(zhì)量性狀相似。事實(shí)上，這才是最初提出的標(biāo)記輔助選擇的概念。

數(shù)量性狀的MASHospital和Charcosset（1997）建議，對(duì)每個(gè)目標(biāo)QTL，最好用3個(gè)相鄰的連鎖標(biāo)記進(jìn)行跟蹤選擇。這3個(gè)標(biāo)記的最佳位置應(yīng)根據(jù)目標(biāo)QTL的位置置信區(qū)間來決定。一般而言，中間一個(gè)標(biāo)記應(yīng)處在非?？拷蛘梦挥诠赖玫哪繕?biāo)QTL的位置上，而另外兩個(gè)標(biāo)記則近乎對(duì)稱地位于兩側(cè)。由兩端標(biāo)記所確定的目標(biāo)區(qū)段的最佳寬度與QTL位置置信區(qū)間的寬度成正比（圖6.11）。置信區(qū)間越大，目標(biāo)區(qū)段也應(yīng)越大，才能保證目標(biāo)QTL真實(shí)地位于目標(biāo)區(qū)段內(nèi)。四MAS的應(yīng)用小麥抗病性：土耳其農(nóng)學(xué)院作物科學(xué)系Yildirim等2004年利用與Yr26緊密連鎖的SSR標(biāo)記選育出高抗條銹病的BC4F3植株。中國農(nóng)科院作物所曾祥艷等2005通過MAS，選育出聚合抗白粉、條銹和黃矮病的冬性和春性小麥新種質(zhì)。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所徐相波等2006通過Pm21的MAS，獲得若干具有Pm21基因（前景選擇）且產(chǎn)量性狀好的新品系。蛋白質(zhì)含量：南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳喜文等2007年進(jìn)行了小麥蛋白質(zhì)含量QTL的MAS，大大提高了回交后代蛋白質(zhì)含量。水稻MAS聚合多個(gè)抗病基因（白葉枯病、稻瘟?。⒖瓜x（抗水稻螟蟲基因Bt）、外觀品質(zhì)（粒寬和長寬、直鏈淀粉含量）等質(zhì)量性狀或主效QTL有成功報(bào)道。數(shù)量性狀的選擇進(jìn)展較緩慢（產(chǎn)量和品質(zhì)），但有嘗試，效果較好。國家雜交水稻工程技術(shù)研究中心將普通野生稻的兩個(gè)高產(chǎn)QTL并成功地將其轉(zhuǎn)入優(yōu)良晚稻恢復(fù)系，育成了Q611等攜帶野生稻高產(chǎn)QTL（前景選擇）的強(qiáng)優(yōu)恢復(fù)系，進(jìn)而選配出一批具有超高產(chǎn)潛力的雜交水稻新組合。Tanksley等[47]利用MAS實(shí)現(xiàn)了多個(gè)QTL從野生近緣種向優(yōu)良的栽培稻品種的轉(zhuǎn)移。玉米玉米上許多抗病基因已被定位，如玉米大斑病、灰斑病、赤霉病、炭疽病和條斑病等，2002年玉米抗粗縮病病毒(MRDV)基因的RAPD標(biāo)記及MAS有較好的嘗試。大豆

大量QTL定位，但MAS幾乎無報(bào)道纖維強(qiáng)度、Bt抗蟲基因、抗黃萎病的MAS已有較好結(jié)果，通過聚合纖維強(qiáng)度QTL和Bt抗蟲基因，獲得新品系。棉花五MAS的發(fā)展策略

迄今分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)在育種中的應(yīng)用顯得很不夠。一個(gè)重要原因是，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，而沒考