分子标记在植物遗传育种中的应用

分子标记在植物遗传育种中的应用EM摘要N:分子标记是继形态标记O细胞标记和生化标记之后发展起来的一种新的较为理想的遗传标记F已被广泛地应用于生命科学研究的各个领域P在植物遗传育种中F分子标记主要用于基因组图谱构建O基因定位O辅助标记选择O种质资源评价O基因克隆O杂种优势预测O杂交育种及跟踪育种过程等方面P文章主要介绍了分子标记在植物遗传育种中的应用原理及分析方法F并对其应用前景进行了展望PM关键词N分子标记K植物遗传育种K遗传标记优良品种是当今农业经济发展的基础资源F对目标性状#如丰产O优质O抗逆等$的选择是新品种选育过程的中心环节P传统的育种方法主要是根据植物在田间的表现进行评价和选择P但由于表型性状不仅取决于遗传组成F也受控于环境条件F有时环境条件的影响可遮盖植株在基因型上的差异F因此仅根据表型进行选择F效果不够理想P特别是对受多基因控制的数量性状的选择F更难做到准确P虽然育种学已建立了一套完整的选择程序F并在农业生产上培育出了许多高产O优质O抗逆的新品种F然而传统的育种方法仍存在周期长O预见性差O工作量大O工作效率低等问题P随着遗传学的发展F人们注意到利用易于鉴别的遗传标记#R6=6398SA0T607$来进行辅助选择F可提高选择效果P遗传标记已逐渐成为植物遗传育种的重要工具P尤其是分子遗传学的发展及分子标记技术的建立F使作物遗传育种进入了一个新阶段P新技术与传统方法相结合F有可能解决目前育种中一些重要环节上的主要难题F从而大大加速育种工作进程P分子标记已在遗传图谱的构建O辅助标记选择O基因克隆等方面显示出了非常诱人的前景P-应用分子标记构建基因组图谱基因组图谱是遗传研究的重要内容F又是种质资源O育种及基因克隆等许多应用研究的理论依据和基础P因此F基因组图谱已成为当今生命科学的重要研究领域P基因组图谱包括以染色体重组交换为基础的遗传图谱#R6=6398SA+$和以U2?的核苷酸序列为基础的物理图谱#V4W798A’SA+$P数十年来F许多遗传学家利用形态标记O生化标记和传统的细胞遗传学方法F为构建各种主要作物的遗传图谱进行了大量工作F并取得了一定的进展P但是由于形态标记和生化标记数目少F特殊遗传材料培育困难及细胞学工作量大F因而除极少数作物#如玉米O番茄$外F在分子标记出现之前F大多数作物还没有一个较为完整的遗传连锁图F极大地限制了遗传学理论研究和应用研究的进展P进入.,年代以来F分子标记的迅速发展F大大促进了遗传连锁图的构建P目前主要农作物O果树O蔬菜等的XCYV7OX?VU7遗传图谱已相继建立M-ZINP利用分子标记构建遗传图谱的理论基础是染色体的交换与重组P两点测验和三点测验是其基本程序P由于作图群体的不断增大和标记数量的日益扩增F如今的遗传图谱构建已不得不计算机化了P遗传图谱构建过程主要包括[-$选择和建立适合的作图群体K!$确立遗传连锁群KG$基因排序和遗传距离的确定P具体方法如下MJFHN[以分子标记筛选U2?序列差异较大而又不影响后代育性的材料作为亲本F用具有多态性的分子标记#双亲在等位区段表现不同的带型$检测该双亲的分离群体#如C!代群体O回交O重组自交系O加倍单倍体等$单株U2?P如是共显性标记F对同亲本V-具有相同带型的个体赋值为-F同亲本V!具有相同带型的个体赋值为GF具有V-和V!带型的杂合个体赋值为!P如是显性标记F因EM收稿日期N!,,,:--:!M基金项目N烟台师范大学博士科研起动经费资助项目#!,,,-!$M作者简介N王永飞#-L!\$F男F山西壶关县人F副教授F博士P主要从事植物遗传育种和分子生物学研究P不能区分显带的纯合个体和杂合个体!对有谱带的个体赋值为#$$%$&或&&%&$’!谱带缺失的赋值为(#&&或$$’)统计各带型的个体数!两点测验是否连锁)利用*+检验时!那些两点各自独立遗传而两点同时检验时偏离孟德尔比例的位点!说明存在连锁)或从第二个标记开始!检验是否与前一个标记协同分离)因为连锁分析建立在分子标记协同分离的程度上)根据分离资料!用最大似然估计标记位点间的重组率并转换成遗传图距#,-’)最后!同时考虑多个标记基因座位的共分离!即多点分析对标记进行排列!形成线性连锁图谱)生物染色体数目是特定的!标记数较少时!其连锁群可能比染色体数目多)随标记的增加!一些标记会与几个群上的标记连锁!而把它们连成一群)当标记足够多时!标记连锁群的数目与染色体数目越趋接近!直至相等)标记图谱应是一个饱和的连锁图谱!即在所有染色体上每间隔./+.个交换单位或更近就有一个标记!使任何经典基因#包括数量性状基因’都包含在分子标记内)可见!分子标记连锁图本身对植物育种没有用处!只有当它与目标性状结合起来!才能发挥作用)这就必须把分子标记连锁图谱与染色体对应!有几种方法可供选用)如果将分子标记与已知染色体的同工酶标记%形态标记同时作图!根据分子标记与它们的连锁!很容易得到分子标记连锁的对应染色体)利用非整倍体如缺体%单体%三体或易位系%代换系等材料!也将分子标记连锁群与特定染色体对应常用的方法)如初级三体的染色体有(条!是正常+条染色体的01倍!标记信号强度#如23456自显影强度’在三体上是二体上的01倍)如水稻已获得全套初级三体!用连锁图谱上的某一分子标记探针同时与+种三体78$杂交!比较+种三体杂交带的强弱!此标记就位于信号较强的那个三体染色体上)此外!当原位杂交的灵敏度可以达到揭示单拷贝序列的杂交位点时!也可采用原位分子杂交将分子连锁图与染色体对应)此外!近年来利用分子标记在进行染色体物理图谱的构建%物理图谱与遗传图谱的比较%染色体不同部分的遗传重组值的差异等研究方面!也均取得了较大的进展)+应用分子标记定位基因基因定位就是将具有某一表型性状的基因定位于分子标记连锁图中!实现分子连锁图与经典连锁图的整合)+0质量性状基因的定位质量性状常由单个或几个基因控制!如果实的形状%色泽等)由于这些性状只受单基因控制!所以利用分子标记来定位%识别目标基因!及对具目标性状的植株进行直观的选择相对比较简单)只要寻找与该目标基因紧密连锁的分子标记即可)而且连锁的紧密程度越高!结果就越可靠)若已知该性状所属的染色体!则选择该染色体上的分子标记筛选)若该性状所属染色体未知!则从所有染色体上每隔一定距离!均匀抽取分子标记筛选)用这些在相对性状中表现差异的分子标记检测3+或其他作图分离群体单株78$!记载各带型个体数)按上述作图统计方法!分析标记与目标性状的分离!计算重组值%图距并确定顺序)寻找与目标性状连锁的分子标记的有效方法可通过近等基因系#89&:;6=9;,?;96!8@4’ABC)8@4是指通过多次回交筛选得到的%品系间差异主要在于某一目标性状的品系)由于基因连锁的结果!在回交导入目标性状基因的同时!与目标基因连锁的染色体片段也随之进入回交子代中)这种现象称为D连锁累赘E#4;F&=9G:&==;=’)经多代回交后得到的是除目标基因及其邻近区域外!已失去了供体其它基因型的品系!这个品系与轮回亲本就构成了一对近等基因系)理论上!除了目标基因及邻近区不同外!其他区段应完全一致)近等基因系定位的原理正是鉴别和导入与目标基因连锁的分子标记)如果在近等基因系中检测出多态性!差异就必定在目标基因及邻近区域中)找到的标记在这个范围内与目标基因连锁)由于每个标记#如每个探针%引物对或随机引物’至多只分析供体亲本#HII9:9:J&:9K!H5’%近等基因系和轮回亲本#29,L::9KJ&:9K!25’(个样品!与目标基因连锁的分子标记应在H5和8@4间带型一致!而在8@4和25间不同)因而每次可同时进行多个标记的筛选!但近等基因系的建立需多年回交!培育时间太长)在没有近等基因系可利用的情况下!集团分离分析法#ML?F9G69=:9=&K&&?N6;6!MO$’也是筛选多态性标记的有效方法APC)从一对具有表型差异的亲本所产生的任何一种分离群体中!根据目标基因的表型分别选取一定量的植株!构成+个亚群或集团#如抗病群与感病群!其基因型在3+中抗病群22%2:!感病群为::Q在MR中!抗病群为2:!感病群为::Q7S中!抗病群为22!感病群为::’)将每群植株的78$等量混合!形成两个相对性状D基因增刊王永飞等W分子标记在植物遗传育种中的应用原理及现状VUT池!#$%$&’’()*因为每个+基因池!是由特定性状或基因组区域相同而其他非连锁区域完全随机的同类个体组成,所以在每个群体内,不管其他性状基因)如何,在目标基因表型是一致的,而在两群间表型相反*在两类群间表现多态性的分子标记,遗传上与构建该类群所用性状基因座位相连锁*当用双亲和两+基因池!作-./01分析时,表现多态性的针应是抗病集团与抗病亲本同带,感病集团与感病亲本同带*但在.2选择抗病单株时,因表型上不能区分纯合和杂合抗性单株,有可能选了杂合抗性个体进入+基因池!*此时,抗病集团可能有一条同感病集团的弱出现*当用-3041作分析,如标记与抗病基因处于相引相时,表现多态性的引物应是抗病集团与抗病亲本显相同带型,感病集团与感病亲本为零带型*如标记与抗病基因处于相斥相时,在无杂合抗病个体入选时,抗病集团与抗病亲本为零带型,感病集团与感病亲本显相同带型*而在有杂合抗病个体入选时,他们均显感病样本带型,无法筛选*此外,如在两集团中,分别混有性状基因与标记的交换型个体在表型上难以区分)时,无论哪种筛选方法,两集团间均显相同带型,即使用有差异的探针或引物进行筛选,也鉴别不出来*在组建集团时,个体越多,交换型个体混入的机会越大,会对探针或引物的筛选带来干扰*用.5家系或对.2测交,鉴定.2单株,组建集团时,剔去杂合体,使筛选更为可靠*总的看来,这种方法应用于-3041较-./01更方便,也较常规的-3041更有效6准确*它排除了环境及个体因素的影响,并让研究者把目标集中在植物基因组的特定区域*272数量性状基因的定位作物许多重要的经济性状是受微效多基因控制的数量性状*89年代以前,数量遗传学家曾用经典的形态学和细胞学标记法来研究与标记相连锁的个别数量性状,试图定位数量性状基因:;%===?$=@=(’A;1,:B/)*但由于这些标记数量太少以及技术上的局限性,极大地限制了对数量性状基因位点的深入研究*4C3分子标记的建立和发展,使植物:B/作图及其定位方法进展很快,现已在番茄6玉米6水稻6大白菜等29多种作物上绘出D99多个数量性状的:B/图谱EFG*:B/定位法主要有以下几种*2727D单标记定位法单标记定位法是利用线性回归原理,通过比较各标记基因型的量性状观测值的差异来定位:B/,并估计其效应的法*例如,设某一分子标记座位有两等位基因H和I,某一数量性状基因座位有两个等位基因:和J,两位点连锁遗传,交换值为K,两亲本基因型分别为HH::和HH:J,IIJJ*.D为HI:J,.D形成H:,I:,H&,I&L种配子*雌雄结合产生DM个个体,共F种基NHH::,HHJJ,HI::,HI:J,HIJJ,II::,II:J和IIJJ*分子标记HH,HI,II通过共显性标记如-./01检测)加以区别,它们对应的数量性状可以度量*按分子标记将同标记的个体分为一组,可分成5组NHH组6HI组和II组*分别令这5组的数量性状平均值为OD,O2和O5,如ODPO2PO5,说明分子标记与:B/独立遗传,此时QP97R*如5组数量性状平均值不等,OD,O2和O5作S测验,检测差异显著性,就可判断分子标记与:B/是否连锁ED9G*但用单个标记研究:B/时,受遗传重组影响较大*如:B/与标记相距较远时,易因遗传重组失去连锁*且两自交系在该位点为纯合基因或两亲本的:B/不同,但对该性状的作用相同时,可能根本检测不到某些实际存在的:B/,往往低估实际:B/数目*此外该法还存在以下不足之处NT不能估计:B/的确切位置UV不能确定标记是和一个还是多个:B/连锁UW:B/效应估计值偏低UX检测:B/需要较多的个体,其效率较低*27272区间作图法/%Y$(和Z’=1=$