1、第七章 分子标记辅助选择,一、质量性状的标记辅助选择二、数量性状的标记辅助选择三、标记辅助选择的应用研究四、标记辅助选择的发展策略,选择是指在一个群体中选择符合要求的基因型。传统育种通过表现型间接对基因型进行选择，存在许多缺陷。分子标记为实现对基因型的直接选择提供了可能，通过对分子标记基因型的检测，就能获知目标基因的基因型。借助分子标记对目标性状的基因型进行选择，这称为标记辅助选择(MAS),分子标记辅助选择的优越性,1、可克服性状基因型鉴定的困难 隐性等位基因；基因之间或基因与环境之间存在互作；有些表型如抗病虫性、抗旱性或耐盐性只有在难于界定或控制的特定条件下才能表现出来。2、可克服性状表现
2、型鉴定的困难 育性恢复、广亲和性、光温敏不育和一些抗病虫性及抗逆性等，不仅鉴定费时费力，而且这些性状受环境的影响很大，直接鉴定往往不太准确。 3、允许早期选择 产量和后期叶部或穗部性状；多年生植物,4、允许更广泛和强度更大的选择 对幼苗的选择还可以允许把更多的群体纳入研究选择的对象之中，从而可以对其施加更大强度的选择压力。同时，还可利用分子标记同时对几个性状（如几种抗病虫性和产量）进行选择。 5、可进行非破坏性性状评价和选择 利用分子标记技术只需少量叶片或其它组织，植株还可继续生长至成熟，以便育种工作者同时对该育种群体进行其它性状的选择,6、可提高回交育种效率 利用传统回交方法将一个野生种的优
3、良基因转移到栽培品种中，回交20代以上还有可能带有100个以上的其它非期望基因。如果是数量性状位点（QTL）的转移，由于上位效应问题和连锁累赘更为复杂，将更加困难。 利用分子标记可以允许选择出那些含有重组染色体（打破了连锁累赘）的个体，从而帮助减小不需要的染色体片断，从而提高育种效率至少10倍以上。另外，对隐性性状可以进行不间断的回交（传统回交中是隔代回交），从而提高基因的回交转移速度。,进行分子标记辅助选择的前提,1、建立尽量饱和的分子标记图谱： 建立饱和的分子图谱是对目的基因进行精密定位的前提。目前，对大多数重要的农作物均已建立相当饱和的图谱，尤其在水稻、玉米、小麦、大麦、西红柿、马铃薯等
4、作物上。但对有些作物还需要在这方面做更多的工作。,2、把目标基因定位于分子图谱上：分子标记辅助选择的可靠程度取决于目的性状座位与标记座位之间的重组频率，因此二者之间的遗传距离越小越好。与目的基因紧密连锁的单一分子标记可以用于辅助选择，而如果在目的基因两侧均能找到与之连锁的标记，会进一步提高选择的可靠性。 由于在1520cM的距离内很难发生两个重组事件（双交换），因此现在一般认为如果目标基因位于两个距离在1520cM以下的分子标记之间，这两个标记便可以用于育种项目。,3、检测的自动化：由于分子标记辅助选择要求对育种群体进行大规模检测，因而要求检测的方法要简单、快速、成本低、比较准确，也要求检测过
5、程（包括DNA的提取、分子标记的检测、数据分析等）自动化。,一、质量性状的标记辅助选择,应用表现型的测量不容易或费用太高时。表现型只在个体发育后期表现，但需要在个体发育早期(甚至是对种子)进行选择。除目标基因外，还需要对基因组的其他部分(即遗传背景)进行选择时。某些表现质量-数量性状特征的性状，如生物抗性与非生物性。,1、前景选择,对目标基因的选择称为前景选择(foreground selectlon)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。双标记选择比单标记选择正确率高。,1）、单标记选择,只用一个标记对目标基因进行选择，则标记与目标基因连锁必须非常紧密，才能够达到较高的正
6、确率。通过标记座位M选择目标基因座Q M Q 单株选择的正确率为： P=（1-r)21)rMQ0.05，P90%2)rMQ0.1，P80%,如果不要求中选的所有单株都是正确的，而只要求在选中的植株中至少有一株是具有目标基因型的，那么，即使标记只是松弛地与目标基因连锁的，对选择仍然会很有帮助。,中选植株中至少有一株是具有目标基因型的概率与中选株数的关系：,rMQ=0.3，选择7株具有基因型MM的植株，就有99的把握能保证其中有一株含有目标基因座Q。若通过表型选择，则需选16株才有一株含有目标基因座Q。,2）、双标记选择,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。,m
7、1,m2,q,亲本型：比例高,双交换型：比例低,在单交换间无干扰的情况下，在F2代通过选择标记基因型MlM2/MlM2而获得目标基因型QQ的概率为：,在两标记间的图距固定的情况下，r1r2(亦即目标基因正好位于两标记之间的中点)为最坏的情形，这时的选择正确率为最小。在实际情况中，单交换间一般总存在干扰，使得双交换概率更小，因而双标记选择的正确率要比理论期望值更高。,标记与目标基因间的重组率与F2群体中标记辅助选择正确率的关系,标记与目标基因间的重组率与F2群体中标记辅助选择最小应选株数的关系,2、背景选择,对基因组中除了目标基因之外的其他部分(即遗传背景)的选择，称为背景选择(backgrou
8、nd selection)。背景选择涉及到全基因组的选择。选择的标记能够覆盖整个基因组。要有完整的分子标记连锁图。必须知道每条染色体的组成。 当个体中覆盖全基因组的标记基因型都已知时，就可以推测出各个标记座位上等位基因的可能来源(指来自哪个亲本)，进而可以推测出该个体中所有染色体的组成。,从一条染色体看，如果两个相邻标记座位上的等位基因来自不同的亲本，则说明在这两个标记之间的染色体区段上发生了单交换或更高的奇数次交换。如果两标记座位上的等位基因来自同一个亲本，则可近似认为这两个标记之间的染色体区段也来自这个亲本，因为在这种情况下，该区段上只可能发生偶数次交换，而即使是最低的偶数次交换(即双交换
9、)，其发生的概率也是很小的。,根据两个相邻标记的基因型来推测出它们之间染色体区段的来源和组成。,M1,M2,P1,P2,P1,P2,M1,M2,M1,M2,P1,M1,M2,M1,M2,P1+P2,F2个体,根据相邻标记可以推测出一个反映全基因组组成状况的连续的基因型，这种连续的基因型能直观地用图形表示出来，称为图示基因型。,栽培番茄野生番茄的F2个体的图示基因型,根据图示基因型，可以同时对前景和背景进行选择。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。,3、基因聚合,基因聚合(gene Pyramiding)是指将分散在不同品种中的有用基因
10、聚合到同一个基因组中。在抗病育种中，基因聚合是一个重要的育种目标。在进行基因聚合时，通常只关注目标抗性基因，即只进行前景选择，暂时可不理会遗传背景。,3个抗稻瘟病基因(Pi-2、Pi-1和Pi-4)的基因聚合,1）基因定位,2）基因聚合,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,4、基因转移,基因转移(gene transfer)或基因渗入(gene transgression)是指将供体亲本中的有用基因(即目标基因)转移或渗入到受体亲本的遗传背景中，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，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
11、其他部分全部来自受体亲本。,基因转移的过程需同时进行前景选择和背景选择。前景选择的作用是保证从每一回交世代选出的作为下一轮回交亲本的个体都包含目标基因，而背景选择则是为了：(1)加快遗传背景恢复成轮回亲本基因组的速度，以缩短育种年限。,(a)轮回亲本基因组在回交后代中的恢复速率,6,(b)轮回亲本基因组在目标基因邻近区域的恢复速率,(2)背景选择可以避免或减轻连锁累赘,连锁累赘是指有利基因(目标基因)与不利基因(非目标基因)间的连锁。传统回交育种难以消除连锁累赘。在传统的回交育种中，即使回交20代，在目标基因周围还能发现长达10cM的供体亲本染色体片段(约包含几百个基因)。用高密度的分子标记连
12、锁图进行辅助选择就有可能直接选择到在目标基因附近发生了重组的个体。,只含一个供体基因，淘汰,连锁累赘，淘汰,黑色示供体亲本片段白色示轮回亲本片段灰色示单交换区箭头示目标基因区,含两个目标基因，连锁累赘少，保留作下轮回交用,三个植株的图示基因型,二、数量性状的标记辅助选择,质量性状的标记辅助选择方法也适用于数量性状。影响数量性状标记辅助选择的因素很多，其难度要比质量性状大得多。1)还没有哪个数量性状的全部QTL被精确地定位出来。2)在育种过程中同时对许多目标基因(QTL)进行选择是一个比较复杂的问题。3)上位性效应会影响选择的效果，使选育结果不符合预期的目标。4)不同数量性状间可能存在遗传相关。
13、,数量性状选择的方法,1、表型值选择 传统的选择方法。 在基因型值中，只有加性效应成分才可以真实地从上代遗传给下代，基因的加性效应值越高，依据表型值选择效率越高。加性效应值可以狭义遗传力近似表示。,以个体标记值为依据的选择称为标记值选择。利用完整的分子标记连锁图进行QTL定位分析，原则上能够估计出个体的加性效应值。但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。在加性模型下，性状标记回归方程为：,y为个体的表型值，为模型均值；i为第i标记的加性效应值；i为第i标记基因型指示变量，对应于基因型MM、Mm和mm分别取1、0和-1；为环境误差；N为标记数。,2、标记值选择,应用逐步回归分
14、析可以筛选出对目标性状效应明显的标记，然后将它们的加性效应估值算出个体的标记值个体的标记值为：,标记值m是个体加性效应值的近似值，其近似程度取决于,P=2M/2G,3、指数选择,用表型值和标记值构建一个选择指数，依选择指数进行选择。,为表型值，m为标记值，bz和bm为权重系数(bz十bm1),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,1)h2I越大，则选择指数越接近加性效应，选择的效率高。2)当p0时，有h2Ih2，这时相当于单纯的表型值选择。3)当h2值一定时，h2I随p的增大而增大，且h2越低，h2I随p的增长速度越快，这说明，性状的遗传力越低，则标记值的影响越大，
15、因而标记辅助选择的作用也就越大。,不论是标记值选择还是指数选择，都只在选择早期有优越性，在高世代则宜用表型值选择来获得进一步的遗传进度。,4、基因型选择,标记值选择和指数选择都只是(通过基因型的加性效应值)对基因型的间接选择，与表型值选择没有本质的区别。不同的基因型可能产生相同的基因型值，依基因型值的选择存在着遗传信息的简并或丢失，尤其是效应较小的QTL有利等位基因的丢失。,直接依据个体的基因型进行选择，即对每个目标QTL利用其两侧相邻标记或单个紧密连锁的标记进行选择，这是才真正的标记辅助选择。数量性状QTL标记辅助选择的困难：初级定位，效应小的QTL未被检测。,用3个相邻的连锁标记进行跟踪选
16、择(保证QTL位于目标区段内),灰色长方条和其右侧数字分别表示QTL位置的置信区间范围和宽度(cM)，侧面的箭头表示所指方向还连有染色体的其他部分，中间竖杠示目标QTL的估计位置，黑色倒三角形示标记的最佳位置。,QTL位于染色体中部,QTL位于染色体末端,三、标记辅助选择的应用研究,1、单个主基因的回交转移,明恢63IRBB21(Xa21),F1,明恢63,多代回交,SCAR标记检测,46个纯合抗性系,T71,T81,新恢复系,组合,协优T71,协优T81,对照,明恢63,汕优63,广谱高抗白叶枯病主基因,平均病斑长度,2cm,3.72cm,4.35cm,10.48cm,23.84cm,2、Q
17、TL的回交转移,美国玉米杂种优势遗传改良,用76个标记定位有关QTL,在第一套杂交中定位的QTL，除了一个之外，其余都表现出超显性性，对B73Mol7的杂种优势有明显的贡献，说明超显性是产生杂种优势的主要原因。尽管环境差异很大（6个不同环境中），环境效应很明显，但却没有发现明显的基因型(QTL)与环境的互作。在第二套杂交中发现，Tx303和Oh43各在6个QTL上具有有利等位基因，分别转入B73和Mol7后，均可提高B73Mo17的杂种优势,在玉米自交系Tx303和Oh43中检测到的染色体区段(QTL)位置，这些区段分别转入自交系B73和Mol7后，预计可以提高B73x M017的产量杂种优势
18、。,141株系,增产45个(32%),减产15个(11%),116株系,增产51个(44%),减产10个(9%),B73Mo17改良组合与原始组合及对照高产组合产量的比较,3、抗病虫基因聚合,1、主基因聚合Plant Breeding Volume 123Issue 2Page 112 - April 2004 （华中农大）Pyramiding of insect- and disease-resistance genes into an elite indica, cytoplasm male sterile restorer line of rice, Minghui 63,Minghui
19、 63 (Bt gene cry1Ab/cry1Ac）,Minghui 63 (Xa21 +Bt gene cry1Ab/cry1Ac）,MAS,2、QTL聚合Crop Science; Mar/Apr 2003; 43, 2; ProQuest Agriculture Journals pg. 651,四、标记辅助选择的发展策略,解决基因定位与MAS选择相脱节问题。 大多数研究的最初目的只是为了定位目标基因，在实验材料的选择上只考虑研究的方便，而没考虑与育种材料的结合。基因定位选择的亲本和群体不能应用于育种。 解决办法：选择的亲本既是定位材料又是育种材料；构建的群体既是遗传研究群体又是育种群
20、体。 1）杂交亲本之一是推广应用的优良品种，在定位主基因的同时开展MAS选择。 2）在基因聚合时，以一个优良品种为共同杂交亲本。,目标基因的定位与标记辅助回交育种相结合的技术路线，受体亲本为符合育种目标的优良品种。,标记辅助基因聚合与品种改良相结合的技术路线，受体亲本应为符合育种目标的优良品种。,数量性状标记辅助选择应以针对单个性状遗传改良的回交育种计划为应用重点或突破口。针对育种的目标性状，选择拥有较多有利等位基因的材料作为供体亲本，以欲改良的优良品种为受体(轮回)亲本。在回交一代对目标性状进行QTL定位，然后以该定位结果指导各回交世代中的个体选择(即标记辅助选择)。这样，QTL定位和标记辅
21、助育种就能够有机地结合起来。,将数量性状标记辅助选择技术应用于同时改良多个品种。1）针对育种目标，通过双列杂交或DNA指纹等方法，从优良品种中筛选出彼此间在目标性状上表现为最大程度的遗传互补的亲本系。2）将中选的亲本系与测验系杂交，建立作图群体和分子标记连锁图，定位目标QTL基因；同时中选亲本杂交建立F2群体，通过MAS选择建立F3株系。3）在F3株系基础上选育新品种。,同时改良多个品系复杂性状的标记辅助选择策略,高回交世代QTL分析策略： 把QTL分析和育种结合起来的方法。其步骤包括（1）选出两个材料杂交（2）用优良亲本作轮回亲本回交至BC1和BC2代（3）对BC2或BC3代进行分子标记鉴定（4）继续回交获得BC3或BC4代，继续表型分析， 然后进行QTL分析（5）用分子标记辅助选择方法在优良遗传背景下选择含有供体等位基因的目标基因组区域（6）对获得的近等基因系（NIL）和优良亲本在重复环境下进行农艺性状鉴定,在利用分子标记辅助选择时，群体大小应至少200，所选性状的遗传力应在0.05-0.5之间。应确定一个最佳选择强度以取得最大效率；最好是检测少量杂交组合的很多后代，而不是很多组合的少量后代。在早代进行MAS最好，因为在高世代中MAS效率降低，与表型选择相当。,
