第四章.分子标记辅助选择育种

第四章分子标记辅助选择育种生命科技学院李成奇提纲•植物MAS是分子育种的重要部分•MAS的前提与影响因素•植物MAS的基本方法•植物MAS的应用•植物MAS的发展策略基于QTL定位的植物分子育种分子标记在作物育种中的直接应用是对性状进行辅助选择，即分子标记辅助选择（MolecularMarker-AssistedSelection,MAS）。它是利用与目标性状基因紧密连锁的分子标记进行间接选择，是对目标性状在分子水平的选择，不受环境影响，选择结果可靠；在聚合有利目标性状的同时，可以在回交渐渗过程中，通过遗传背景选择，减少连锁累赘，加速育种进程。一MAS是分子育种的重要部分•植物分子育种是依据分子遗传学、数量遗传学和植物育种学理论，利用DNA重组技术、标记辅助选择技术改良植物品种的新型学科。•植物分子育种包括转基因育种和基因组育种。前者通过转基因手段将外源基因导入植物，改良其性状；后者利用DNA标记对重要农艺和经济性状，同时可以考虑多个基因组扫描，又叫全基因组扫描育种或标记辅助选择育种（MAS)。MAS的前提1、建立尽量饱和的分子标记图谱2、基于图谱的目标基因定位3、检测的自动化二MAS的前提与影响因素影响分子标记辅助选择的因素1、分子标记与目的基因或QTL之间的连锁程度从标记辅助选择的效率或可靠性考虑，两侧相邻标记彼此越靠近越好。但是…2、选用的分子标记数目对主基因，用位于主基因两侧的两个分子标记同时选择。对于QTL，在少数QTL可解释大部分变异的情况下，MAS的效率高。一般认为存在一个最佳数目，这与性状的遗传力有关。Gimelfarb&Lande(1994a)发现利用6个标记时的MAS效率高于利用3个标记时的效率，但利用12个以上的标记时，MAS的效率在低世代时反而降低，在高世代时增幅很小。影响分子标记辅助选择的因素3、群体大小Lande&Thompson(1990)分析MAS的效率时曾假定群体无限大，标记无限多，在此基础上作出性状遗传力低时MAS比常规选择效率高的结论，但他们还是认为有必要研究大量个体，样本大小对加性遗传方差有一定影响，在群体很小时MAS没有多大用处。其它一些根据计算机模拟的结果对MAS的效率进行的研究表明，群体大小是影响MAS的关键因素，MAS的相对效率随群体增大而提高，但在群体小于200时MAS仍然有效。4、性状的遗传力一般来说遗传力越高则MAS效率降低。Moreauetal.(1998)认为在群体大小有限的情况下，对低遗传力的性状MAS的相对效率也较高，但存在一个最适遗传力，在此限之下MAS的效率会降低。在低遗传力（0.1-0.2）时，MAS的效率更高，但可能出现的负面试验的频率也高一些，因此利用MAS技术所选性状的遗传力在0.3-0.4之间会更好。5.世代？数量性状标记辅助选择要获得比常规选择更高的效率，必须首先考虑应用在以下几种情况：（1）选择性状的遗传力相对较低；（2）用于辅助选择的标记与目标QTL有非常紧密的连锁（5cM）；（3）考虑在标记与QTL的连锁关系没有打破之前的早期世代进行选择；（4）首先考虑对在不同环境下表现一致的主效QTL进行选择，对环境敏感的QTL的选择必须在其鉴定的环境中进行。分子标记辅助育种已经得到了很大的发展，在很多作物中已定位了很多重要性状的基因，但育成品系或品种的还相对较少。原因：首先，定位工作与育种的脱节。许多研究人员把定位与育种分开来，定位时只考虑标记鉴定的可行性，不考虑亲本选配、育种目标，最终只能产生育种用的种质材料。其次，标记的鉴定技术还有待于进一步提高；标记辅助选择技术体系还有待进一步完善。对策：为了使基因定位的成果尽快服务于育种，今后在策略上应重视与育种直接有关的材料；所构建的群体尽可能做到既是遗传研究群体，又是育种群体，这样才能缩短基因定位与育种应用的距离。质量性状的MAS数量性状的MAS三MAS的基本方法质量性状的MAS•传统的表型选择方法对质量性状一般是有效的，因为质量性状的表现型与基因型之间通常存在清晰可辨的对应关系。因此，在多数情况下，对质量性状的选择无须借助于分子标记。但对于以下三种情况，采用标记辅助选择可提高选择效率：（1）当表现型的测量在技术上难度很大或费用太高时；（2）当表现型只能在个体发育后期才能测量，但为了加快育种进程或减少后期工作量，希望在个体发育早期（甚至是对种子）就进行选择时；（3）除目标基因外，还需要对基因组的其它部分（即遗传背景）进行选择时。另外，有些质量性状不仅受主基因控制，而且还受到一些微效基因的修饰作用，易受环境的影响，表现出类似数量性状的连续变异。一、前景选择•对目标基因的选择称为前景选择（foregroundselection），这是标记辅助选择的主要方面。前景选择的可靠性主要取决于标记与目标基因间连锁的紧密程度。若只用一个标记对目标基因进行选择，则标记与目标基因间的连锁必须非常紧密，才能够达到较高的正确率。质量性状的MAS•假设某标记座位（M/m）与目标基因座位（Q/q）连锁，重组率为r，F1代基因型为MQ/mq，其中Q为目标等位基因，亦即要选择的对象。由于M与Q连锁在一起，因此在后代中可通过M来选择Q。在F2代通过选择标记基因型M/M而获得目标基因型Q/Q的概率（即单株选择的正确率）为：2)1(rp质量性状的MAS•从下图看出，选择正确率随重组率的增加而迅速下降。若要求选择正确率达到90%以上，则标记与目标基因间的重组率必须不大于0.05。当重组率超过0.10时，选择正确率已降到80%以下。质量性状的MAS•同时用两侧相邻的两个标记对目标基因进行跟踪选择，可大大提高选择的正确率。在后代中通过同时跟踪M1和M2来选择目标等位基因Q，正确率必然很高。在单交换间无干扰的情况下，可以推得，在F2代通过选择标记基因型M1M2/M1M2而获得目标基因型Q/Q的概率为：221212221])1)(1[()1()1(rrrrrrp221212221])1)(1[()1()1(rrrrrrp质量性状的MAS左图：重组率与F2中辅助选择正确率的关系01020304050607080901001100.00.10.20.30.40.5重组率选择正确率（%）双标记选择单标记选择•对基因组中除了目标基因之外的其它部分（即遗传背景）的选择，称为背景选择。与前景选择不同的是，背景选择的对象几乎包括了整个基因组。在分离群体（如F2群体）中，由于在上一代形成配子时同源染色体之间会发生交换，因此每条染色体都可能是由双亲染色体重新组装成的嵌合体。所以，要对整个基因组进行选择，就必须知道每条染色体的组成。这就要求用来选择的标记能够覆盖整个基因组，也就是说，必须有一张完整的分子标记连锁图。二、背景选择质量性状的MAS一个栽培番茄与野生番茄杂交的F2个体的图示基因型质量性状的MAS•在标记辅助选择中，根据图示基因型，可以同时对前景和背景进行选择。由于目标基因是选择的首要对象，因此一般应首先进行前景选择，以保证不丢失目标基因，然后再对中选的个体进一步进行背景选择，以加快育种进程。质量性状的MAS•基因聚合（genepyramiding）就是将分散在不同品种中的有用基因聚合到同一个基因组中。植物抗病性分为垂直抗性和水平抗性两种，其中垂直抗性受主基因控制，抗性强，效应明显，易于利用。但垂直抗性一般具有小种特异性，所以易因致病菌优势小种的变化而丧失抗性。如果能将抵抗不同生理小种的抗病基因聚合到一个品种中，那么该品种就具有抵抗多种生理小种的能力，亦即具有多抗性。质量性状的MAS三、基因聚合3个抗稻瘟病基因Pi-2、Pi-1和Pi-4在水稻第6、11和12号染色体上的定位质量性状的MAS利用分子标记聚合3个抗稻瘟病基因Pi-2、Pi-1和Pi-4的试验方案•基因转移（genetransfer）或基因渗入（genetransgression）是指将供体亲本（一般为地方品种、特异种质或育种中间材料等）中的有用基因（即目标基因）转移或渗入到受体亲本（一般为优良品种或杂交品种亲本）的遗传背景中，从而达到改良受体亲本个别性状的目的。通常采用回交的方法，即将供体亲本与受体亲本杂交，然后以受体亲本为轮回亲本，进行多代回交，直到除了来自供体亲本的目标基因之外，基因组的其它部分全部来自受体亲本。质量性状的MAS四、基因转移回交育种中传统方法与标记辅助选择效率的计算机模拟比较.假想的3个BC1植株的图示基因型.•作物育种目标的大多数重要性状都是数量性状。数量性状标记辅助选择难度要比质量性状大得多。数量性状的MAS1、表型值选择•传统育种对数量性状选择的依据是个体的表型值，可称为表型值选择。表型值选择的理论依据是：表型值是基因型值的一个近似值，因此，依据表型值的选择可以看成是一种近似的依据基因型值的选择。数量性状的MAS原群体和中选个体子代群体的性状分布及选择的遗传进度（G）2、标记值选择•利用完整的分子标记连锁图进行QTL定位分析，原则上应该能够估计出个体的加性效应值。但从初级定位通常无法检测出全部的QTL并准确地估计出它们的效应，因而估得的个体加性效应值只是近似的，可能存在较大的误差。要得到个体加性效应值的精确估值，必须进行QTL的精细定位，但这是一个庞大的系统工程，需要经过长期的努力才可能完成。因此，目前利用分子标记还只能做到近似的依据加性效应值的选择。数量性状的MAS在加性模型下，性状-标记回归方程为：Niiixay1Niiixay1数量性状的MASniiixam1ˆ个体的标记值为：将标记值选择与表型值选择的遗传进度分别记为和。可以推得，在选择率相同的情况下，二者的相对效率为：2MPREhpGGPM数量性状的MAS3、指数选择•标记值和表型值都是加性效应的近似值，二者都含有加性效应的部分信息，而且这些信息可能存在互补性（亦即彼此不完全重叠），那么，若将二者的信息综合起来，作为选择的依据，则可望获得更高的选择效率。为此，Lande和Thompson（1990）建议用表型值和标记值构建一个选择指数：mbzbImz数量性状的MAS选择指数也是对加性效应值的一种近似值，其近似程度取决于它的遗传力mbzbImzpphhhpphhphI2222222)1(1)1(对于定向选择，指数选择与表型值选择、标记值选择的相对效率为222IP1)1(REphphpGGPI数量性状的MAS4、基因型选择•标记值选择和指数选择都还只是（通过基因型值）对基因型的间接选择。更有效的选择方法应是象质量性状的标记辅助选择那样，直接依据个体的基因型进行选择（称为基因型选择），具体地说，就是对每个目标QTL利用其两侧相邻标记或单个紧密连锁的标记进行选择，其原理和方法与质量性状相似。事实上，这才是最初提出的标记辅助选择的概念。数量性状的MAS•Hospital和Charcosset（1997）建议，对每个目标QTL，最好用3个相邻的连锁标记进行跟踪选择。这3个标记的最佳位置应根据目标QTL的位置置信区间来决定。一般而言，中间一个标记应处在非常靠近或正好位于估得的目标QTL的位置上，而另外两个标记则近乎对称地位于两侧。由两端标记所确定的目标区段的最佳宽度与QTL位置置信区间的宽度成正比（图6.11）。置信区间越大，目标区段也应越大，才能保证目标QTL真实地位于目标区段内。四MAS的应用小麦•抗病性：土耳其农学院作物科学系Yildirim等2004年利用与Yr26紧密连锁的SSR标记选育出高抗条锈病的BC4F3植株。中国农科院作物所曾祥艳等2005通过MAS，选育出聚合抗白粉、条锈和黄矮病的冬性和春性小麦新种质。中国科学院遗传与发育生物学研究所徐相波等2006通过Pm21的MAS，获得若干具有Pm21基因（前景选择）且产量性状好的新品系。•蛋白质含量：南开大学生命科学学院陈喜文等2007年进行了小麦蛋白质含量QTL的MAS，大大提高了回交后代蛋白质含量。水稻•MA