遗传标记

遗传标记专题七:报告人：周明亮传统遗传标记形态标记细胞标记蛋白质标记分子遗传标记RFLPSTRRAPDSNP主要内容遗传标记发展历程：最早的遗传标记起源于家畜的驯化，只是仅仅限于从表型上按照人们的需求进行选择，这个阶段最原始的选种。20世纪初期显微技术的出现，遗传标记才从表型标记进入到细胞学标记以及蛋白质标记。20世纪70年代，RFLP、STR等分子标记的发现，带动了分子遗传学的发展，给家畜的育种带来了新的希望。20世纪80年代PCR技术的出现，在完善以前的分子标记的基础之上继续发展了很多的分子标记。总的来说，现在应用的最广泛的还是传统的表型标记为主，但随着遗传标记技术以及应用的发展，分子育种必然成为以后育种的主流。遗传标记概念：遗传标记的提出已有近半个世纪，其定义随着它的不断发展而渐渐趋于完善。目前较完整的表述是指易于识别，遵守孟德尔遗传模式，具有个体特异性或其分布规律具有种质特征的某一类表型特征或遗传物质。分类：形态标记传统遗传标记细胞学标记遗传标记蛋白质标记DNA标记形态标记（morphlogicalmarker），即表型标记，是指生物体所体现出来的外观上（可以是宏观的，也可以是微观的）的形态和结构，借助肉眼、放大镜或者显微装置，可以在三维空间内观察和测量，长期以来，对物种的分类及资源鉴定都是以形态标记为主要的或初步的指标。如：体高、体长、毛色等，在早期的绵山羊育种曾利用角的有无、被毛颜色等作为选择的依据。优点：形态标记直观、易于理解、操作简便、甚至不需要成本。形态标记缺点：当只有局部特征或者完全失去调整的材料就无法识别；形态上相似的物种难以用少数调整区分开来；形态标记数量少，受环境、生理时期等影响较大，因此在遗传育种工作中应用受到很大的限制。由于形态标记的自身优点，在现在的选育中仍然采用形态标记，分子标记的发展在很大的程度上还是停留在实验室的阶段。形态标记细胞学标记：是指能显示遗传多态性的细胞学特征，常用的主要是染色体的结构和数量特征，如染色体的核型、带型以及数目等，这类标记多用于品种起源的研究。核型又称染色体组型，是指把动植物、真菌等的某一个体某一分类群的体细胞内整套染色体按照染色体相对长度、臂指数、着丝粒指数、染色体臂数等4个参数将所有染色体做系统排列，可代表一个物种的染色体特征。核型通常是在高倍显微镜下拍摄所有染色体的图象，在照片或计算机上根据上述指标进行组合排列。细胞学标记染色体分带技术是将某物种染色体制片，用不同物化手段处理，再用不同染料染色，可使染色体臂显示出不同的带数，如G带（Giemsabanding）、C带（Constitutiveheterochromatinbanding）、R带（ReverseG＆Cbanding）、N带（Nucleolarorganizerregionbanding）等，可明确鉴别许多物种核型中的任一条染色体，染色体带型也是分辨率较低的物理图谱，此外，染色体结构变异如缺失、易位，非整倍体如缺体、单体、三体等都各有去特定的细胞学特征，也可作为一种细胞标记。显然，细胞学标记的数目也很有限。细胞学标记蛋白质标记：是近年来应用较多的遗传标记，通常分为酶蛋白质和非酶蛋白质两种，常用的有血红蛋白多态性、运铁蛋白多态性等。一般根据蛋白标记的类型对研究个体进行分类，并进行各类群间差异性的检验，从而确定标记与表型值的相关性，为选择提供依据。蛋白质标记数量更丰富，受环境影响小，能更好地反映遗传多态性。但其最大的不足是数量比较有限，不能满足进一步精确研究的需要。蛋白质标记DNA分子标记的出现：传统标记本身的缺点，如数量少，易受环境的影响等，需要新的标记的出现；生物化学发展和分子生物学的诞生使得人们对生命的认识达到了分子水平，分子结构的差异（包括组成和空间结构等）就成为新的遗传标记；最近的研究表明，这些新的遗传标记因为是决定着生命存在根本机制的因子，因而比形态学、细胞学等水平的标记受到的外界环境影响更少，因而更能切中物种间的根本差异，故成为最有效的遗传标记；20世纪80年代PCR技术的出现以及近20年的发展，DNA分子标记在短短的20多年的时间里发展了RFLP、RAPD、AFLP、SSR、SNP等10多种。分子标记DNA分子标记是以物种突变造成DNA片段长度多态性为基础的，具有许多优点；（1）直接探测DNA水平的差异，不受时、空的限制；（2）标记数量丰富、多态性高；（3）共显性标记，可以区分纯合子与杂合子；（4）可以解释家系内某些个体的遗传变异；（5）可以鉴定不同性别、不同年龄的个体。分子标记20世纪70年代中期，遗传学家发现了RFLP现象。1980年Botstein首先提出利用RFLP作遗传标记构建遗传图谱，直到1987年Donis等人才构建出第一张人的RFLP图谱。RFLP基本原理是基因组DNA在限制性内切酶作用下，产生大小不等的DNA片段;它所代表的是基因组DNA酶切后产生的片段在长度上的差异，这种差异是由于突变增加或减少了某些内切酶位点造成的。RFLP标记RFLP作为遗传标记具有其独特性:（1）标记的等位基因间是共显性的，不受杂交方式制约，即与显隐性基因无关;（2）检测结果不受环境因素影响;（3）标记的非等位基因之间无基因互作效应，即标记之间无干扰。RFLP分析技术的主要缺陷是克隆可表现基因组DNA多态性的探针较为困难，但随着可标记多态性探针的增多，该技术将在分子生物学研究中得到更广泛的应用。RFLP标记RAPD是建立于PCR基础之上的，利用随机的脱氧核节酸序列作引物(一般9~10碱基对)，对所研究的基因组DNA体外扩增，扩增产物经电泳分离染色后，来检测其多态性，这些扩增DNA片段多态性便反映了基因组相应区域的DNA多态性。RAPD是Williams等人(1990)发展起来的一种新型遗传标记，这一技术比较年轻，仍然有很大的发展前景。由于其独特的检测DNA多态性的方式即极快速、简捷、高效等优点，使得RAPD技术已渗透于有关基因研究的各个领域。RAPD标记RAPD标记特点是：（1）RAPD扩增引物没有物种的限制，一套引物可用于不同物种基因组分析;（2）RAPD扩增引物没有数量上限制，可以囊括基因组中所有位点;（3）RAPD技术简捷方便，可进行大量样品的筛选。RAPD标记是显性的，无法区分动物纯、杂合体，而且在分析中易产生非特异性。RAPD标记微卫星一般为1-6个单位多次串联重复的DNA序列，如(CA)n、(GT)n、(CAC)n等。重复数可变的核心序列头尾相连组成串联重复序列，重复数一般为10-20次。微卫星由核心序列和两侧保守的侧翼序列构成，保守的侧翼序列使微卫星特异地定位于染色体某一区域，核心序列重复数的差异则形成微卫星的高度多态性。STR标记STR的分类：Weber等将微卫星分为三类，即完全的（Perfect）、不完全的（Imperfect）和复合的（Compound）微卫星。完全的微卫星是指由不中断的重复单位构成的微卫星；不完全的微卫星其重复序列中间有3个以下的非重复碱基，两侧不中断的部分重复数大于3；复合的微卫星则指两类或两类以上的串联重复单位由3个连续的非重复碱基分隔开，但不中断的重复单位的重复数不小于5。STR标记单核苷酸多态性(SNPs)是广泛存在于基因组中的一类DNA序列变异，其频率为1%或更高。它是由单个碱基的转换或颠换引起的点突变，稳定而可靠，并通常以二等位基因的形式出现。采用生物芯片和DNA微阵列技术来检测SNP，便于对基因组进行大幅度和高通量分析。因此，作为新一代分子标记，SNP在生物学诸多领域具有广阔应用前景。SNP标记1、基因定位在动物中，控制某一数量性状的基因常组织在有限数目的基因群内，并分别在染色体上占据一定的位置，这就是数量性状位点(QTL)，数量性状表型的差异是由微效多基因和环境因素共同决定的。基因定位是利用遗传连锁图和DNA多态性标记将这些多基因剖分开来，并将它们一一定位于染色体上，分析各基因的单个效应及互作效应。进一步克隆测序。FecB（控制排卵率的主效基因)基因定位于绵羊第六号染色体上。Callipyge基因（拉丁语意为美丽的臀部）基因对瘦肉率和饲料利用率起作用,能使绵羊增肉大约30%,位于绵羊的8号染色体上。分子标记的应用2、构建遗传连锁图通过比较DNA标记在遗传图谱中的位置，从而建立起染色体区段千碱基对与分摩尔根的线性关系，为位置克隆提供精确的坐标，同时为从基因组水平上研究物种进化和变异提供新方法。目前，已构建出牛、马、猪、绵山羊等家畜的遗传连锁基因图谱。绵羊基因组遗传连锁图已经发展到第三代，第一代主要采用RFLP标记，第二代与第三代是在原来的基础上增加了大量的STR分子标记，精度上获得了很大的提高。山羊的第一个遗传连锁图是Vaiman于1996年发表的,山羊的第二代基因组连锁图已经构建出来。分子标记的应用3、标记辅助选择标记辅助选择（markerassistedselected，MAS）是指与特定的数量性状相关的遗传标记为工具，以标记信息作为辅助信息，对该数量性状进行选择，以在育种中获得较大的遗传进展。实质是以多种分子标记为前提和基础，如RFLP、SSCP、STR等是常规选择的辅助手段。标记辅助选择缩短了世代间隔，提高了选择强度，由于不受微生物的影响，增加了选择的准确性，也可用于合并两个或更多品种的优良生产性状座位，可在品种内选择改良。MAS比传统的以表型为基础的选择更具有优越性，标记辅助选择的相对效率是单一性别表型选择的3倍。分子标记的应用4、杂交选育根据分子标记位点的杂合性预测各组合之间的杂种优势，可极大地减少配合力测定工作。对杂交后代的鉴定和选择是育种工作的重要内容。在传统育种中，有些性状无法在早期鉴定筛选而被淘汰;如果利用这些性状连锁的分子标记进行辅助选择，不仅可以早期选择，而且能在短时间内对大量后代进行鉴定。大量研究均假设群体处于连锁不平衡状态，并均考虑最简单的情况一一两近交系间的杂交。分子标记的应用通过杂种后代(F2)实施标记辅助选择，而后分两个阶段进行:(1)以标识一QTL连锁测验的估计值光标准选用标记，对此，一个重要问题是如何在群体中选择遗传标记，被选标记必须能够解释部分遗传为方差。从基因组所有遗传标记中选择某些较为理想的标记，再从新的独立样本群对标记效应的回归系统进行估计，这种情况下，标记的估计值是无偏的。(2)基于标识基因型和个体表型及其亲属表型进行个体选择。分子标记的应用分子标记为家畜育种开辟了一条新途径，但能否在育种实践中发挥应有的作用，取决于下面4个因素:(1)具有与目标基因紧密连锁的分子标记;(2)具有多态性高的分子标记绘制的遗传图谱;(3)能否实现分子标记分析自动化，降低成本，简化实验;(4)应用标记预测育种值的方法有所改进。分子标记的应用