分子植物育種現(xiàn)狀與展望

分子植物育種現(xiàn)狀與展望第一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五1.引言2.分子標(biāo)記和遺傳圖譜的發(fā)展3.遺傳和育種群體4.性狀的標(biāo)記和定位5.分子標(biāo)記輔助選擇6.分子育種平臺(tái)7.全基因組策略第二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五1.1什么是分子育種？利用分子生物學(xué)和生物技術(shù)改進(jìn)新品種的培育，以提高選擇效率，加快育種進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)有目標(biāo)的設(shè)計(jì)育種。傳統(tǒng)育種：

一把尺子一桿秤，用牙咬，用眼瞪現(xiàn)代育種：利用標(biāo)記提高選擇效率利用雙單倍體加快育種進(jìn)程利用轉(zhuǎn)基因?qū)崿F(xiàn)基因的跨物種轉(zhuǎn)移和性狀的定向改造第三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五GoffandSalmeron2004ScientificAmerican291(2)42-49Maize1.2為什么需要分子育種？第四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五YieldGaptoBeFilledbyPlantBreedingExperimentalStationyieldPotentialFarmyieldTheoreticalpotentialActualFarmyieldYieldgap0YieldgapIYieldgapIIForscientiststoconceiveandbreedpotentialvarietiesNontransferabletechnologyEnvironmentaldifferencesBiologicalVarietyWeedsPestsProblemsoilsWaterSoilfertilitySocioeconomicCostsCreditTraditionKnowledgeInputInstructions17.15GAPt/ha(ModifiedfromChaudhary2000)第五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五1.3從分子數(shù)量遺傳學(xué)到分子植物育種Xu,Y.andZhu,L(1994)MolecularQuantitativeGeneticsChinaAgriculturePress,Beijing第六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五Xu,Y.1997.Quantitativetraitloci:separating,pyramiding,andcloning.PlantBreedingReviews15:85-139.Xu,Y.2002.GlobalviewofQTL:Riceasamodel.In:M.S.Kang(ed),QuantitativeGenetics,Genomics,andPlantBreeding.CABInternational,pp.109-134.Xu,Y.2003.Developingmarker-assistedselectionstrategiesforbreedinghybridrice.PlantBreedingReviews23:73-174.Xu,Y.,S.R.McCouchandQ.Zhang.2005.Howcanweusegenomicstoimprovecerealswithriceasareferencegenome?PlantMolecularBiology59:7-26.DwivediS.L.,J.H.Crouch,D.J.Mackill,Y.Xu,M.W.Blair,M.Ragot,H.D.UpadhyayaandR.Ortiz.2007.Themolecularizationofpublicsectorcropbreeding:progress,problemsandprospects.AdvancesinAgronomy95:163-318.Xu,Y.andJ.H.Crouch.2008.Marker-assistedselectioninplantbreeding:frompublicationstopractice.CropScience48:391–407.第七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五MolecularPlantBreedingYunbiXuISBN:97818459339202010734pages諾貝爾獎(jiǎng)獲得者布勞格作序中文版將由科學(xué)出版社2011夏天出版第八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五1.Introduction2.MolecularBreedingTools:MarkersandMaps3.MolecularBreedingTools:OmicsandChips4.PopulationsinGeneticsandBreeding5.PlantGeneticResources:ManagementandEnhancement6.MolecularDissectionofComplexTraits:Theory7.MolecularDissectionofComplexTraits:Practice8.MarkerAssistedSelection:Theory9.MarkerAssistedSelection:Practice10.GenotypebyEnvironmentInteraction11.IsolationandFunctionalAnalysisofGenes12.GeneTransferandGeneticallyModifiedPlants13.IntellectualPropertyRightsandPlantVarietyProtection14.BreedingInformatics15.DecisionSupportToolsforMolecularBreedingMolecularPlantBreedingYunbiXuCABIPublishing,2010第九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五2.分子標(biāo)記和遺傳圖譜的發(fā)展分子標(biāo)記

限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性 隨機(jī)DNA擴(kuò)增多態(tài)性微衛(wèi)星標(biāo)記（ＳＳＲ）

單核甘酸多態(tài)性（ＳＮＰ）

物理標(biāo)記

功能標(biāo)記第十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五遺傳圖譜 單一標(biāo)記、單一群體的圖譜 整合的遺傳、物理和基因圖譜第十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五重組率的基因組范圍及群體間的變異Farkharietal2011PlantBreeding(inpress)第十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五3.遺傳和育種群體自交和回交群體人工和自然群體雙親本和多親本群體遺傳與育種群體整合的遺傳與育種群體巢式關(guān)聯(lián)作圖（NAM）群體多親本高世代互交（MAGIC）群體第十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五巢式關(guān)聯(lián)作圖（NAM）群體

采用25玉米自交系和一個(gè)共同親本B73雜交,然后產(chǎn)生5000個(gè)重組近交家系多親本高世代互交（MAGIC）群體

利用8個(gè)親本成對(duì)雜交、然后互交、再隨機(jī)交配、最后自交產(chǎn)生重組近交家系第十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五各類群體及其相互關(guān)系Xu,Y.2010.MolecularPlantBreeding,CABI,UK第十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五4.性狀的標(biāo)記和定位初步定位與精細(xì)定位單個(gè)標(biāo)記、區(qū)間標(biāo)記、多個(gè)標(biāo)記隨機(jī)標(biāo)記與特定標(biāo)記物理標(biāo)記與功能標(biāo)記標(biāo)記座位（locus）與標(biāo)記等位基因(allele)標(biāo)記與單倍型（Haplotype)各類定位方法的綜合應(yīng)用（例如聯(lián)合的連鎖-連鎖不平衡作圖jointlinkage-LD

mapping)第十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五90年代利用分子標(biāo)記進(jìn)行的基因定位徐云碧申宗坦徐吉臣朱衡陳英朱立煌1994.利用分子標(biāo)記連鎖圖譜進(jìn)行水稻數(shù)量基因的區(qū)間作圖.中國科學(xué)(B輯)24:971-976.徐云碧申宗坦陳英朱立煌1994.水稻形態(tài)性狀與分子標(biāo)記的相互關(guān)聯(lián)及其檢測(cè)。浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)6:1-6.徐云碧申宗坦陳英朱立煌1995.水稻秈粳雜種F2群體中RFLP標(biāo)記的異常分離及其染色體分布.植物學(xué)報(bào)37:91-96.徐云碧申宗坦陳英朱立煌1995.分子標(biāo)記與QTL之間重組率的最大似然估計(jì)及通用程序設(shè)計(jì).中國農(nóng)業(yè)科學(xué)28(增刊):56－60.徐云碧申宗坦陳英朱立煌1995.QTL區(qū)間作圖的統(tǒng)計(jì)理論和計(jì)算機(jī)軟件及其應(yīng)用.作物學(xué)報(bào)21:1-8 .徐云碧申宗坦陳英朱立煌1995.利用最大似然法進(jìn)行水稻產(chǎn)量性狀基因的分子作圖.遺傳學(xué)報(bào)22:46-52。第十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五聯(lián)合的連鎖-連鎖不平衡作圖WhyBothlinkageandLD-basedmappinghaveadvantagesanddisadvantages;GeneticmappingpowercanbeimprovedthroughjointmappingWhatUseofmaterialsderivedfrombi-ormulti-parentalsegregatingpopulations(linkage)andinbredlines(linkagedisequilibrium)HowParallellinkagemappingandLD-mapping;Integratedlinkage-LDmappingLuetal2010.PNAS107:19585–19590第十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五Linkagemapping Singlemarkeranalysis Compositeintervalmapping RILsselectedforASIandgrainyield C5RIL(Ac7643×Ac7729/TZSRW):69lines C6RIL(CML444×Malawi):77lines

XBRIL(X178×B73):71linesLinkage-disequilibriummapping Singlemarker-based Haplotype-based 105introgressionlines(ILs)from38BILsets 200maizeinbredlinesJointlinkage-linkagedisequilibriummapping Allmaterials(n=522)2053SNPmarkers

Including659SNPsfrom413candidategenes

第十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五Genome-widescanofQTLforanthesis-silkinginterval(ASI)underwellwater(WW,bluelines)andwaterstress(WS,redlines)regimesusingcompositeintervalmappingusingXBRILpopulation.IdentifiedQTLareshownbyarrows.C1toC10representchromosome1tochromosome10.TargettraitAnthesis-silkingInterval(ASI)第二十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五Distributionofminorallelefrequencies522lines305linesXBRILpopulationLuetal2010.PNAS107:19585–19590第二十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五5.分子標(biāo)記輔助選擇葉片DNA

vs種子DNA為基礎(chǔ)的選擇單標(biāo)記選擇vs雙標(biāo)記選擇局部選擇vs全基因組選擇質(zhì)量性狀選擇vs數(shù)量性狀選擇單個(gè)性狀選擇vs多個(gè)性狀選擇物理標(biāo)記vs功能標(biāo)記為基礎(chǔ)的選擇MASvsMARSvsGS第二十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五SeedSeedMolecularassayGeneticanalysisPCRMolecularmarkersMicroarray……DNASeedlingLeaftissuePlantingLeaf-andseed-DNAapproaches第二十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五①Soaking②Sampling③Grinding⑥Trackingbackandplanting④DNAextraction⑤PCRandgenotypingSeedDNA-basedGenotypinginMaizeGaoetal2008.MolecularBreeding22:477–494第二十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五GenomewideSelectionPhenotypicselectionforcomplextraitsisdifficultandslow;traditionalMASisineffective.Genomicselection,asanexampleforgenomewideselection,ispoisedtorevolutionizeplantbreeding,becauseitusesmarkerdatatopredictbreedinglineperformanceinoneanalysisanalyzesthebreedingpopulationsdirectlyincludesallmarkersinthemodelsothateffectestimatesareunbiasedandsmalleffectQTLcanbeaccountedfor第二十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五6.分子育種平臺(tái)6.1基因型分析6.2表現(xiàn)型分析6.3環(huán)境分析6.4信息的收集、處理、分析和挖掘6.5決策支撐系統(tǒng)第二十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五6.1基因型分析從手工到自動(dòng)從凝膠到芯片目標(biāo)位點(diǎn)vs目標(biāo)區(qū)域vs全基因組從MAS、MARS到GS系譜數(shù)據(jù)：所有自交系和群體第二十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五Luetal.2009.TheorApplGenet120:93-115CharacterizationofaWorldwideCollectionofMaizeGermplasmLarge-ScaleGenotyping第二十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五第二十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五分子標(biāo)記分析支持了將雙親向兩邊推的育種策略Cooperetal2004CropScience44:1907-1913第三十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五6.2表現(xiàn)型分析從粗放到精準(zhǔn)從單個(gè)到多個(gè)從獨(dú)立到同步

（產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性）從肉眼到儀器多年多點(diǎn)表型數(shù)據(jù)第三十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五Large-ScalePhenotypingScreeningofDroughtToleranceAtotalof554linesWell-wateredandwater-stressedenvironments(eachwithtworeplications)duringthe2008dryseasonatTlaltizapan(StateofMorelos,Mexico).Waterstresses(SS)atvegetativeandfloweringstagesMultiplemeasurementsofbiomassusingthenormalizeddifferencevegetationindex(NDVI)measuredwithaportablespectroradiometer(GreenSeeker).Otherdroughttolerance-relatedselectioncriteria: Anthesis-silkinginterval(ASI) Leafsenescence Chlorophyllcontent(CC) Rootcapacitance Finalgrainyield第三十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五05010015020025002004006008001000120014001600180020002000+Numberofkernelsharvestedperrow45outof554linesproducemorethan700kernels205lineshavenokernelsatall150linesproduced1-100kernelsNumberoflinesFinalyieldfor554linesscreenedfordroughttolerance第三十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五NDVIishighlycorrelatedwithotherdroughttoleranceindicesThousandsofplotscanbemeasuredinfourhoursThemeasurementishighlyrepeatableItcanbeusedformeasuringbiomass,leafrollingandleafsenescenceItcanbemeasuredatanydevelopmentalstageHighThroughputPhenotyping第三十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五6.3環(huán)境分析多年多點(diǎn)試驗(yàn)資料

先鋒公司保存有自1930s以來的所有田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)氣候土壤第三十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五EcologicaldiversityDeserts,Sahel,SavanaRainForest,PlateausWoodlandsSoilClassesofAfrica第三十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五Rainfall1988-1998Rainfallandmaizeyields第三十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五InformationcollectionInformationintegration Datastandardization Developmentofgenericdatabases Useofcontrolledvocabularies/ontologies Interoperablequerysystem Redundantdatacondensing Databaseintegration Tool-basedinformationintegrationInformationretrievalandminingInformationmanagementsystemsXu2010MolecularPlantBreeding,CABIPublisher6.4信息的收集、處理、分析和挖掘第三十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五6.5決策支撐系統(tǒng)Germplasmmanagement,evaluation,andenhancementBreedingpopulationmanagementandimprovement Buildingupheteroticpatterns Predictionofhybridperformance Marker-assistedinbredandsyntheticcreationGeneticmap/hapmapconstructionMarker-traitassociationidentificationandvalidationMarker-assistedselectionmethodologiesandimplementationGenotypebyenvironmentinteractionanalysisIntellectualpropertyrightandplantvarietyprotectionBreedingbydesignthroughsimulationandmodelingXu2010MolecularPlantBreeding,CABIPublisher第三十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五GenotypeSequencesMarkersMapsGenealogyPhenotypeYield QualityAgronomyStressresponse

EnvironmentWater FertilizerSoil TemperaturePrecipitationGISDaylengthData

Tools

OutputGenefunctionalanalysisGeneticdiversityGermplasmevaluationGermpalsmclassificationVarietyidentificationGeneticmapping/HapmapMarker-traitassociationMarker-assistedselectionGXEinteractionEnvironmentalclassificationVarietystability/adaptabilityBLASTN/X…MapmakerMultiQTLGeneFlowQTLCartographerSAS/JAMPStructureGeneMapperPowerMarkerArlequinBiPlotCMTVTASSEL……..IntegratedIMSformolecularbreedingICISXu,Y.2010.MolecularPlantBreeding,CABI,UK第四十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五7.全基因組策略GenotypeEnvironmentPhenotypeWholegenomestrategiesarerequiredforeffectivemolecularbreedingofcomplextraits第四十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五FullgenomicssequencesforallgermplasmaccessionsMarkerscoveringeverygeneandallimportanttraitsHighprecisionphenotypingundermulti-environmentsConsiderationofallenvironmentalfactorsinfluencinggenes,genotypesandperformanceSelectionatthewholegenomelevel:allthegenes,allelesandtheircombinationsWhatAreWholeGenomeStrategies?第四十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五WholeGenomeStrategiesFullgenomesequenceandgenome-widemolecularmarkersAllgenomicandenvironmentalfactorsArepresentativeorcompletesetofgeneticsandbreedinggermplasm第四十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五ImportanceofthepopulationsizesgoingbeyondthecurrentscaleHighdensitymarkersmustmatchwithlargepopulationsizesTwoapproaches:SeedDNA-basedgenotyping(Gaoetal2008)Selectivegenotyping/phenotyping(Sunetal2010)PopulationSize第四十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五HighresolutiongenotypingWholegenomeresequencingTargetedsequencing(exoncapturingetc)Marker-assistedrecurrentselectionorgenomicselectionGenome-wideassociationstudy(GWAS)GenomeCoverage第四十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五DeNovosequencingtogeneratereferencesequencemap(s)ResequencingtodiscoverSNPs,haplotypesandtag-SNPsTag-SNPscanbedevelopedtorepresenthaplotypes.Eachtag-SNPrepresentsonehaplotypefragment.Asetoftag-SNPscanbedevelopedtorepresentwholegenomediversity.HaplotypeandTag-SNPs第四十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五Large-scaleresequencing(wholegenomeandtargetregions)

Stageone:100coremaizelines(2010) Stage