分子标记辅助选择育种ppt课件

1、第四章第四章 分子标志辅助选择育种分子标志辅助选择育种 生 命 科 技 学 院生 命 科 技 学 院 李成奇李成奇提提 纲纲植物植物MAS是分子育种的重要部分是分子育种的重要部分MAS的前提与影响要素的前提与影响要素植物植物MAS的根本方法的根本方法植物植物MAS的运用的运用植物植物MAS的开展战略的开展战略基于基于QTL定位的植物分子育种定位的植物分子育种 n分子标志在作物育种中的直接运用是对性状进展辅助选择，即分子标志辅助选择Molecular Marker-Assisted Selection, MAS。n它是利用与目的性状基因严密连锁的分子标志进展间接选择，是对目的性状在分子程度的选择

2、，不受环境影响，选择结果可靠；在聚合有利目的性状的同时，可以在回交渐渗过程中，经过遗传背景选择，减少连锁累赘，加速育种进程。 一一 MAS是分子育种的重要部分是分子育种的重要部分植物分子育种是根据分子遗传学、数量遗植物分子育种是根据分子遗传学、数量遗传学和植物育种学实际，利用传学和植物育种学实际，利用DNADNA重组技重组技术、标志辅助选择技术改良植物种类的新术、标志辅助选择技术改良植物种类的新型学科。型学科。植物分子育种包括转基因育种和基因组育植物分子育种包括转基因育种和基因组育种。前者经过转基因手段将外源基因导入种。前者经过转基因手段将外源基因导入植物，改良其性状；后者利用植物，改良其性状

3、；后者利用DNADNA标志对标志对重要农艺和经济性状，同时可以思索多个重要农艺和经济性状，同时可以思索多个基因组扫描，又叫全基因组扫描育种或标基因组扫描，又叫全基因组扫描育种或标志辅助选择育种志辅助选择育种MAS)MAS)。lMASMAS的前提的前提l1 1、建立尽量饱和的分子标志图谱、建立尽量饱和的分子标志图谱l2 2、基于图谱的目的基因定位、基于图谱的目的基因定位l3 3、检测的自动化、检测的自动化 二二 MAS的前提与影响要素的前提与影响要素 影响分子标志辅助选择的要素影响分子标志辅助选择的要素1 1、分子标志与目的基因或、分子标志与目的基因或QTLQTL之间的连锁程度之间的连锁程度 从

4、标志辅助选择的效率或可靠性思索，两侧相邻标志从标志辅助选择的效率或可靠性思索，两侧相邻标志彼此越接近越好。但是彼此越接近越好。但是2 2、选用的分子标志数目、选用的分子标志数目 对主基因，用位于主基因两侧的两个分子标志同时选对主基因，用位于主基因两侧的两个分子标志同时选择。对于择。对于QTLQTL，在少数，在少数QTLQTL可解释大部分变异的情况下，可解释大部分变异的情况下，MASMAS的效率高。普通以为存在一个最正确数目，这与性状的遗的效率高。普通以为存在一个最正确数目，这与性状的遗传力有关。传力有关。Gimelfarb & Lande (1994a)Gimelfarb &

5、Lande (1994a)发现利用发现利用6 6个标志个标志时的时的MASMAS效率高于利用效率高于利用3 3个标志时的效率，但利用个标志时的效率，但利用1212个以上个以上的标志时，的标志时，MASMAS的效率在低世代时反而降低，在高世代时增的效率在低世代时反而降低，在高世代时增幅很小。幅很小。 影响分子标志辅助选择的要素影响分子标志辅助选择的要素3 3、群体大小、群体大小 Lande & Thompson (1990) Lande & Thompson (1990)分析分析MASMAS的效率时曾假定群的效率时曾假定群体无限大，标志无限多，在此根底上作出性状遗传力低时体无限大

6、，标志无限多，在此根底上作出性状遗传力低时MASMAS比常规选择效率高的结论，但他们还是以为有必要研讨比常规选择效率高的结论，但他们还是以为有必要研讨大量个体，样本大小对加性遗传方差有一定影响，在群体大量个体，样本大小对加性遗传方差有一定影响，在群体很小时很小时MASMAS没有多大用途。其它一些根据计算机模拟的结果没有多大用途。其它一些根据计算机模拟的结果对对MASMAS的效率进展的研讨阐明，群体大小是影响的效率进展的研讨阐明，群体大小是影响MASMAS的关键的关键要素，要素，MASMAS的相对效率随群体增大而提高，但在群体小于的相对效率随群体增大而提高，但在群体小于200200时时MASMA

7、S依然有效。依然有效。4 4、性状的遗传力、性状的遗传力 普通来说遗传力越高那么普通来说遗传力越高那么MASMAS效率降低。效率降低。Moreau et al. Moreau et al. (1998)(1998)以为在群体大小有限的情况下，对低遗传力的性状以为在群体大小有限的情况下，对低遗传力的性状MASMAS的相对效率也较高，但存在一个最适遗传力，在此限之的相对效率也较高，但存在一个最适遗传力，在此限之下下MASMAS的效率会降低。在低遗传力的效率会降低。在低遗传力0.1-0.20.1-0.2时，时，MASMAS的效的效率更高，但能够出现的负面实验的频率也高一些，因此利率更高，但能够出现的

8、负面实验的频率也高一些，因此利用用MASMAS技术所选性状的遗传力在技术所选性状的遗传力在0.3-0.40.3-0.4之间会更好。之间会更好。5. 5. 世代？世代？n数量性状标志辅助选择要获得比常规选择更高的效率，必需首先思索运用在以下几种情况：n1选择性状的遗传力相对较低；n2用于辅助选择的标志与目的QTL有非常严密的连锁5cM； n3思索在标志与QTL的连锁关系没有突破之前的早期世代进展选择；n4首先思索对在不同环境下表现一致的主效QTL进展选择，对环境敏感的QTL的选择必需在其鉴定的环境中进展。n分子标志辅助育种曾经得到了很大的开展，在很多作物中已定位了很多重要性状的基因，但育废品系或

9、种类的还相对较少。n缘由：n首先，定位任务与育种的脱节。许多研讨人员把定位与育种分开来，定位时只思索标志鉴定的可行性，不思索亲本选配、育种目的，最终只能产生育种用的种质资料。n其次，标志的鉴定技术还有待于进一步提高；标志辅助选择技术体系还有待进一步完善。对策：对策：为了使基因定位的成果尽快效力于育种，为了使基因定位的成果尽快效力于育种，今后在战略上应注重与育种直接有关的今后在战略上应注重与育种直接有关的资料；资料；所构建的群体尽能够做到既是遗传研讨群所构建的群体尽能够做到既是遗传研讨群体，又是育种群体，这样才干缩短基因体，又是育种群体，这样才干缩短基因定位与育种运用的间隔。定位与育种运用的间隔

10、。l质量性状的质量性状的MASMASl数量性状的数量性状的MASMAS三三 MAS的根本方法的根本方法质量性状的质量性状的MASMAS传统的表型选择方法对质量性状普通是有效的，由于质量传统的表型选择方法对质量性状普通是有效的，由于质量性状的表现型与基因型之间通常存在明晰可辨的对应关系。性状的表现型与基因型之间通常存在明晰可辨的对应关系。因此，在多数情况下，对质量性状的选择无须借助于分子因此，在多数情况下，对质量性状的选择无须借助于分子标志。但对于以下三种情况，采用标志辅助选择可提高选标志。但对于以下三种情况，采用标志辅助选择可提高选择效率：择效率：1 1当表现型的丈量在技术上难度很大或费用太当

11、表现型的丈量在技术上难度很大或费用太高时；高时；2 2当表现型只能在个体发育后期才干丈量，但为当表现型只能在个体发育后期才干丈量，但为了加快育种进程或减少后期任务量，希望在个体发育早期了加快育种进程或减少后期任务量，希望在个体发育早期甚至是对种子就进展选择时；甚至是对种子就进展选择时；3 3除目的基因外，还除目的基因外，还需求对基因组的其它部分即遗传背景进展选择时。另需求对基因组的其它部分即遗传背景进展选择时。另外，有些质量性状不仅受主基因控制，而且还遭到一些微外，有些质量性状不仅受主基因控制，而且还遭到一些微效基因的修饰作用，易受环境的影响，表现出类似数量性效基因的修饰作用，易受环境的影响，

12、表现出类似数量性状的延续变异。状的延续变异。一、前景选择一、前景选择对目的基因的选择称为前景选择对目的基因的选择称为前景选择foreground selection，这是标志辅助选择的主要方面。，这是标志辅助选择的主要方面。前景选择的可靠性主要取决于标志与目的基因前景选择的可靠性主要取决于标志与目的基因间连锁的严密程度。假设只用一个标志对目的间连锁的严密程度。假设只用一个标志对目的基因进展选择，那么标志与目的基因间的连锁基因进展选择，那么标志与目的基因间的连锁必需非常严密，才可以到达较高的正确率。必需非常严密，才可以到达较高的正确率。 质量性状的质量性状的MAS假设某标志座位假设某标志座位M/

13、mM/m与目的基因座位与目的基因座位Q/qQ/q连锁，重组率为连锁，重组率为r r，F1F1代基因型代基因型为为MQ/mqMQ/mq，其中，其中Q Q为目的等位基因，亦即为目的等位基因，亦即要选择的对象。由于要选择的对象。由于M M与与Q Q连锁在一同，连锁在一同，因此在后代中可经过因此在后代中可经过M M来选择来选择Q Q。在。在F2F2代代经过选择标志基因型经过选择标志基因型M/MM/M而获得目的基因而获得目的基因型型Q/QQ/Q的概率即单株选择的正确率为：的概率即单株选择的正确率为： 2)1 (rp质量性状的质量性状的MAS从以下图看出，选择正确率随重组率的添加而从以下图看出，选择正确率

14、随重组率的添加而迅速下降。假设要求选择正确率到达迅速下降。假设要求选择正确率到达90%90%以上，以上，那么标志与目的基因间的重组率必需不大于那么标志与目的基因间的重组率必需不大于0.050.05。当重组率超越。当重组率超越0.100.10时，选择正确率已时，选择正确率已降到降到80%80%以下。以下。质量性状的质量性状的MAS同时用两侧相邻的两个标志对目的基因同时用两侧相邻的两个标志对目的基因进展跟踪选择，可大大提高选择的正确进展跟踪选择，可大大提高选择的正确率。在后代中经过同时跟踪率。在后代中经过同时跟踪M1M1和和M2M2来选来选择目的等位基因择目的等位基因Q Q，正确率必然很高。在，正

15、确率必然很高。在单交换间无干扰的情况下，可以推得，单交换间无干扰的情况下，可以推得，在在F2F2代经过选择标志基因型代经过选择标志基因型M1M2/M1M2M1M2/M1M2而而获得目的基因型获得目的基因型Q/QQ/Q的概率为：的概率为：221212221)1)(1()1 ()1 (rrrrrrp质量性状的质量性状的MAS左图：重组率与左图：重组率与F2中辅助选择正确率的关系中辅助选择正确率的关系对基因组中除了目的基因之外的其它部分即遗对基因组中除了目的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

16、。同的是，背景选择的对象几乎包括了整个基因组。在分别群体如在分别群体如F2F2群体中，由于在上一代构成群体中，由于在上一代构成配子时同源染色体之间会发生交换，因此每条染配子时同源染色体之间会发生交换，因此每条染色体都能够是由双亲染色体重新组装成的嵌合体。色体都能够是由双亲染色体重新组装成的嵌合体。所以，要对整个基因组进展选择，就必需知道每所以，要对整个基因组进展选择，就必需知道每条染色体的组成。这就要求用来选择的标志可以条染色体的组成。这就要求用来选择的标志可以覆盖整个基因组，也就是说，必需有一张完好的覆盖整个基因组，也就是说，必需有一张完好的分子标志连锁图。分子标志连锁图。二、背景选择二、背

17、景选择质量性状的质量性状的MAS一个栽培番茄与野生番茄杂交的一个栽培番茄与野生番茄杂交的F2个体的图示基因型个体的图示基因型质量性状的质量性状的MAS在标志辅助选择中，根据图示基因型，可以同在标志辅助选择中，根据图示基因型，可以同时对前景和背景进展选择。由于目的基因是选时对前景和背景进展选择。由于目的基因是选择的首要对象，因此普通应首先进展前景选择，择的首要对象，因此普通应首先进展前景选择，以保证不丧失目的基因，然后再对中选的个体以保证不丧失目的基因，然后再对中选的个体进一步进展背景选择，以加快育种进程。进一步进展背景选择，以加快育种进程。 质量性状的质量性状的MAS基因聚合基因聚合gene

18、pyramidinggene pyramiding就是将分散在就是将分散在不同种类中的有用基因聚合到同一个基因组中。不同种类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程度抗性两种，其植物抗病性分为垂直抗性和程度抗性两种，其中垂直抗性受主基因控制，抗性强，效应明显，中垂直抗性受主基因控制，抗性强，效应明显，易于利用。但垂直抗性普通具有小种特异性，易于利用。但垂直抗性普通具有小种特异性，所以易因致病菌优势小种的变化而丧失抗性。所以易因致病菌优势小种的变化而丧失抗性。假设能将抵抗不同生理小种的抗病基因聚合到假设能将抵抗不同生理小种的抗病基因聚合到一个种类中，那么该种类就具有抵抗多种生

19、理一个种类中，那么该种类就具有抵抗多种生理小种的才干，亦即具有多抗性。小种的才干，亦即具有多抗性。 质量性状的质量性状的MAS三、基因聚合三、基因聚合3个抗稻瘟病基因个抗稻瘟病基因Pi-2、Pi-1和和Pi-4在水稻第在水稻第6、11和和12号号染色体上的定位染色体上的定位 质量性状的质量性状的MAS利用分子标志聚合利用分子标志聚合3个抗稻瘟病基因个抗稻瘟病基因Pi-2、Pi-1和和Pi-4的实的实验方案验方案 基因转移基因转移gene transfergene transfer或基因渗入或基因渗入gene gene transgressiontransgression是指将供体亲本普通为地方

20、是指将供体亲本普通为地方种类、特异种质或育种中间资料等中的有用基种类、特异种质或育种中间资料等中的有用基因即目的基因转移或渗入到受体亲本普通因即目的基因转移或渗入到受体亲本普通为优良种类或杂交种类亲本的遗传背景中，从为优良种类或杂交种类亲本的遗传背景中，从而到达改良受体亲本个别性状的目的。通常采用而到达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，进展多代回交，直到后以受体亲本为轮回亲本，进展多代回交，直到除了来自供体亲本的目的基因之外，基因组的其除了来自供体亲本的目的基因之外，基因组的其它部分全

21、部来自受体亲本。它部分全部来自受体亲本。 质量性状的质量性状的MAS四、基因转移四、基因转移回交育种中传统方法与标志辅助选择效率的计算机模拟比较回交育种中传统方法与标志辅助选择效率的计算机模拟比较. 假想的假想的3个个BC1植株的图示基因型植株的图示基因型. 作物育种目的的大多数重要性状都是数量作物育种目的的大多数重要性状都是数量性状。数量性状标志辅助选择难度要比质性状。数量性状标志辅助选择难度要比质量性状大得多。量性状大得多。数量性状的数量性状的MASMAS1 1、表型值选择、表型值选择 传统育种对数量性状选择的根据是个体的表型值，可传统育种对数量性状选择的根据是个体的表型值，可称为表型值选

22、择。表型值选择的实际根据是：表型值称为表型值选择。表型值选择的实际根据是：表型值是基因型值的一个近似值，因此，根据表型值的选择是基因型值的一个近似值，因此，根据表型值的选择可以看成是一种近似的根据基因型值的选择。可以看成是一种近似的根据基因型值的选择。数量性状的数量性状的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 2、标志值选择、标志值选择 利用完好的分子标志连锁图进展利用完好的分子标志连锁图进展QTLQTL定位分析，定位分析，原那么上应该可以估计出个体的加性效应值。但原那么上应该可以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从初级定位通常无法检测出全部的QT

23、LQTL并准确地并准确地估计出它们的效应，因此估得的个体加性效应值估计出它们的效应，因此估得的个体加性效应值只是近似的，能够存在较大的误差。要得到个体只是近似的，能够存在较大的误差。要得到个体加性效应值的准确估值，必需进展加性效应值的准确估值，必需进展QTLQTL的精细定的精细定位，但这是一个庞大的系统工程，需求经过长期位，但这是一个庞大的系统工程，需求经过长期的努力才能够完成。因此，目前利用分子标志还的努力才能够完成。因此，目前利用分子标志还只能做到近似的根据加性效应值的选择。只能做到近似的根据加性效应值的选择。数量性状的数量性状的MAS在加性模型下，性状在加性模型下，性状- -标志回归方程

24、为：标志回归方程为： Niiixay1数量性状的数量性状的MAS个体的标志值为：个体的标志值为： 将标志值选择与表型值选择的遗传进度分别记为将标志值选择与表型值选择的遗传进度分别记为和。可以推得，在选择率一样的情况下，二者的和。可以推得，在选择率一样的情况下，二者的相对效率为：相对效率为： 数量性状的数量性状的MAS3 3、指数选择、指数选择 标志值和表型值都是加性效应的近似值，二者标志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，而且这些信息能都含有加性效应的部分信息，而且这些信息能够存在互补性亦即彼此不完全重叠，那么，够存在互补性亦即彼此不完全重叠，那么，假设将二者的信息综

25、合起来，作为选择的根据，假设将二者的信息综合起来，作为选择的根据，那么可望获得更高的选择效率。为此，那么可望获得更高的选择效率。为此，LandeLande和和ThompsonThompson19901990建议用表型值和标志值构建议用表型值和标志值构建一个选择指数：建一个选择指数： 数量性状的数量性状的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度取决于它的遗传力 mbzbImz对于定向选择，指数选择与表型值选择、标志值选择对于定向选择，指数选择与表型值选择、标志值选择的相对效率为的相对效率为 数量性状的数量性状的MAS4

26、 4、基因型选择、基因型选择标志值选择和指数选择都还只是经过基因型标志值选择和指数选择都还只是经过基因型值对基因型的间接选择。更有效的选择方法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志辅助选择那样，直接根应是象质量性状的标志辅助选择那样，直接根据个体的基因型进展选择称为基因型选择，据个体的基因型进展选择称为基因型选择，详细地说，就是对每个目的详细地说，就是对每个目的QTLQTL利用其两侧相利用其两侧相邻标志或单个严密连锁的标志进展选择，其原邻标志或单个严密连锁的标志进展选择，其原理和方法与质量性状类似。现实上，这才是最理和方法与质量性状类似。现实上，这才是最初提出的标志辅助选择

27、的概念。初提出的标志辅助选择的概念。 数量性状的数量性状的MASHospitalHospital和和CharcossetCharcosset19971997建议，对每个建议，对每个目的目的QTLQTL，最好用，最好用3 3个相个相邻的连锁标志进展跟踪邻的连锁标志进展跟踪选择。这选择。这3 3个标志的最个标志的最正确位置应根据目的正确位置应根据目的QTLQTL的位置置信区间来的位置置信区间来决议。普通而言，中间决议。普通而言，中间一个标志应处在非常接一个标志应处在非常接近或正好位于估得的目近或正好位于估得的目的的QTLQTL的位置上，而另的位置上，而另外两个标志那么近乎对外两个标志那么近乎对称位

28、置于两侧。由两端称位置于两侧。由两端标志所确定的目的区段标志所确定的目的区段的最正确宽度与的最正确宽度与QTLQTL位位置置信区间的宽度成正置置信区间的宽度成正比图比图6.116.11。置信区。置信区间越大，目的区段也应间越大，目的区段也应越大，才干保证目的越大，才干保证目的QTLQTL真实位置于目的区真实位置于目的区段内。段内。 四 MAS的运用 小麦小麦抗病性：土耳其农学院作物科学系抗病性：土耳其农学院作物科学系YildirimYildirim等等20042004年利用与年利用与Yr26Yr26严密严密连锁的连锁的SSRSSR标志选育出高抗条锈病的标志选育出高抗条锈病的BC4F3BC4F3

29、植株。中国农科院作物所曾祥植株。中国农科院作物所曾祥艳等艳等20052005经过经过MASMAS，选育出聚合抗白，选育出聚合抗白粉、条锈和黄矮病的冬性和春性小粉、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麦新种质。中国科学院遗传与发育生物学研讨所徐相波等生物学研讨所徐相波等20062006经过经过Pm21Pm21的的MASMAS，获得假设干具有，获得假设干具有Pm21Pm21基基因前景选择且产量性状好的新因前景选择且产量性状好的新品系。品系。蛋白质含量：南开大学生命科学学院蛋白质含量：南开大学生命科学学院陈喜文等陈喜文等20072007年进展了小麦蛋白质年进展了小麦蛋白质含量含量

30、QTLQTL的的MASMAS，大大提高了回交后，大大提高了回交后代蛋白质含量。代蛋白质含量。水稻水稻MASMAS聚合多个抗病基因白叶枯病、稻瘟病聚合多个抗病基因白叶枯病、稻瘟病 、抗虫抗水稻螟虫基因抗虫抗水稻螟虫基因BtBt、外观质量粒宽、外观质量粒宽和长宽、直链淀粉含量等质量性状或主效和长宽、直链淀粉含量等质量性状或主效QTLQTL有胜利报道。有胜利报道。数量性状的选择进展较缓慢产量和质量，数量性状的选择进展较缓慢产量和质量，但有尝试，效果较好。国家杂交水稻工程技术但有尝试，效果较好。国家杂交水稻工程技术研讨中心将普通野生稻的两个高产研讨中心将普通野生稻的两个高产QTL QTL 并胜利并胜利地将其转入优良晚稻恢复系，育成了地将其转入优良晚稻恢复系，育成了Q611Q611等携等携带野生稻高产带野生稻高产QTL QTL 前景选择的强优恢复系，前景选择的强优恢复系，进而选配出