分子植物育种现状与展望

分子植物育种现状与展望第1页，共50页，2023年，2月20日，星期四1.引言2.分子标记和遗传图谱的发展3.遗传和育种群体4.性状的标记和定位5.分子标记辅助选择6.分子育种平台7.全基因组策略第2页，共50页，2023年，2月20日，星期四1.1什么是分子育种？利用分子生物学和生物技术改进新品种的培育，以提高选择效率，加快育种进程，实现有目标的设计育种。传统育种：

一把尺子一杆秤，用牙咬，用眼瞪现代育种：利用标记提高选择效率利用双单倍体加快育种进程利用转基因实现基因的跨物种转移和性状的定向改造第3页，共50页，2023年，2月20日，星期四GoffandSalmeron2004ScientificAmerican291(2)42-49Maize1.2为什么需要分子育种？第4页，共50页，2023年，2月20日，星期四YieldGaptoBeFilledbyPlantBreedingExperimentalStationyieldPotentialFarmyieldTheoreticalpotentialActualFarmyieldYieldgap0YieldgapIYieldgapIIForscientiststoconceiveandbreedpotentialvarietiesNontransferabletechnologyEnvironmentaldifferencesBiologicalVarietyWeedsPestsProblemsoilsWaterSoilfertilitySocioeconomicCostsCreditTraditionKnowledgeInputInstructions17.15GAPt/ha(ModifiedfromChaudhary2000)第5页，共50页，2023年，2月20日，星期四1.3从分子数量遗传学到分子植物育种Xu,Y.andZhu,L(1994)MolecularQuantitativeGeneticsChinaAgriculturePress,Beijing第6页，共50页，2023年，2月20日，星期四Xu,Y.1997.Quantitativetraitloci:separating,pyramiding,andcloning.PlantBreedingReviews15:85-139.Xu,Y.2002.GlobalviewofQTL:Riceasamodel.In:M.S.Kang(ed),QuantitativeGenetics,Genomics,andPlantBreeding.CABInternational,pp.109-134.Xu,Y.2003.Developingmarker-assistedselectionstrategiesforbreedinghybridrice.PlantBreedingReviews23:73-174.Xu,Y.,S.R.McCouchandQ.Zhang.2005.Howcanweusegenomicstoimprovecerealswithriceasareferencegenome?PlantMolecularBiology59:7-26.DwivediS.L.,J.H.Crouch,D.J.Mackill,Y.Xu,M.W.Blair,M.Ragot,H.D.UpadhyayaandR.Ortiz.2007.Themolecularizationofpublicsectorcropbreeding:progress,problemsandprospects.AdvancesinAgronomy95:163-318.Xu,Y.andJ.H.Crouch.2008.Marker-assistedselectioninplantbreeding:frompublicationstopractice.CropScience48:391–407.第7页，共50页，2023年，2月20日，星期四MolecularPlantBreedingYunbiXuISBN:97818459339202010734pages诺贝尔奖获得者布劳格作序中文版将由科学出版社2011夏天出版第8页，共50页，2023年，2月20日，星期四1.Introduction2.MolecularBreedingTools:MarkersandMaps3.MolecularBreedingTools:OmicsandChips4.PopulationsinGeneticsandBreeding5.PlantGeneticResources:ManagementandEnhancement6.MolecularDissectionofComplexTraits:Theory7.MolecularDissectionofComplexTraits:Practice8.MarkerAssistedSelection:Theory9.MarkerAssistedSelection:Practice10.GenotypebyEnvironmentInteraction11.IsolationandFunctionalAnalysisofGenes12.GeneTransferandGeneticallyModifiedPlants13.IntellectualPropertyRightsandPlantVarietyProtection14.BreedingInformatics15.DecisionSupportToolsforMolecularBreedingMolecularPlantBreedingYunbiXuCABIPublishing,2010第9页，共50页，2023年，2月20日，星期四2.分子标记和遗传图谱的发展分子标记

限制性片段长度多态性 随机DNA扩增多态性微卫星标记（ＳＳＲ）

单核甘酸多态性（ＳＮＰ）

物理标记

功能标记第10页，共50页，2023年，2月20日，星期四遗传图谱 单一标记、单一群体的图谱 整合的遗传、物理和基因图谱第11页，共50页，2023年，2月20日，星期四重组率的基因组范围及群体间的变异Farkharietal2011PlantBreeding(inpress)第12页，共50页，2023年，2月20日，星期四3.遗传和育种群体自交和回交群体人工和自然群体双亲本和多亲本群体遗传与育种群体整合的遗传与育种群体巢式关联作图（NAM）群体多亲本高世代互交（MAGIC）群体第13页，共50页，2023年，2月20日，星期四巢式关联作图（NAM）群体

采用25玉米自交系和一个共同亲本B73杂交,然后产生5000个重组近交家系多亲本高世代互交（MAGIC）群体

利用8个亲本成对杂交、然后互交、再随机交配、最后自交产生重组近交家系第14页，共50页，2023年，2月20日，星期四各类群体及其相互关系Xu,Y.2010.MolecularPlantBreeding,CABI,UK第15页，共50页，2023年，2月20日，星期四4.性状的标记和定位初步定位与精细定位单个标记、区间标记、多个标记随机标记与特定标记物理标记与功能标记标记座位（locus）与标记等位基因(allele)标记与单倍型（Haplotype)各类定位方法的综合应用（例如联合的连锁-连锁不平衡作图jointlinkage-LD

mapping)第16页，共50页，2023年，2月20日，星期四90年代利用分子标记进行的基因定位徐云碧申宗坦徐吉臣朱衡陈英朱立煌1994.利用分子标记连锁图谱进行水稻数量基因的区间作图.中国科学(B辑)24:971-976.徐云碧申宗坦陈英朱立煌1994.水稻形态性状与分子标记的相互关联及其检测。浙江农业学报6:1-6.徐云碧申宗坦陈英朱立煌1995.水稻籼粳杂种F2群体中RFLP标记的异常分离及其染色体分布.植物学报37:91-96.徐云碧申宗坦陈英朱立煌1995.分子标记与QTL之间重组率的最大似然估计及通用程序设计.中国农业科学28(增刊):56－60.徐云碧申宗坦陈英朱立煌1995.QTL区间作图的统计理论和计算机软件及其应用.作物学报21:1-8 .徐云碧申宗坦陈英朱立煌1995.利用最大似然法进行水稻产量性状基因的分子作图.遗传学报22:46-52。第17页，共50页，2023年，2月20日，星期四联合的连锁-连锁不平衡作图WhyBothlinkageandLD-basedmappinghaveadvantagesanddisadvantages;GeneticmappingpowercanbeimprovedthroughjointmappingWhatUseofmaterialsderivedfrombi-ormulti-parentalsegregatingpopulations(linkage)andinbredlines(linkagedisequilibrium)HowParallellinkagemappingandLD-mapping;Integratedlinkage-LDmappingLuetal2010.PNAS107:19585–19590第18页，共50页，2023年，2月20日，星期四Linkagemapping Singlemarkeranalysis Compositeintervalmapping RILsselectedforASIandgrainyield C5RIL(Ac7643×Ac7729/TZSRW):69lines C6RIL(CML444×Malawi):77lines

XBRIL(X178×B73):71linesLinkage-disequilibriummapping Singlemarker-based Haplotype-based 105introgressionlines(ILs)from38BILsets 200maizeinbredlinesJointlinkage-linkagedisequilibriummapping Allmaterials(n=522)2053SNPmarkers

Including659SNPsfrom413candidategenes

第19页，共50页，2023年，2月20日，星期四Genome-widescanofQTLforanthesis-silkinginterval(ASI)underwellwater(WW,bluelines)andwaterstress(WS,redlines)regimesusingcompositeintervalmappingusingXBRILpopulation.IdentifiedQTLareshownbyarrows.C1toC10representchromosome1tochromosome10.TargettraitAnthesis-silkingInterval(ASI)第20页，共50页，2023年，2月20日，星期四Distributionofminorallelefrequencies522lines305linesXBRILpopulationLuetal2010.PNAS107:19585–19590第21页，共50页，2023年，2月20日，星期四5.分子标记辅助选择叶片DNA

vs种子DNA为基础的选择单标记选择vs双标记选择局部选择vs全基因组选择质量性状选择vs数量性状选择单个性状选择vs多个性状选择物理标记vs功能标记为基础的选择MASvsMARSvsGS第22页，共50页，2023年，2月20日，星期四SeedSeedMolecularassayGeneticanalysisPCRMolecularmarkersMicroarray……DNASeedlingLeaftissuePlantingLeaf-andseed-DNAapproaches第23页，共50页，2023年，2月20日，星期四①Soaking②Sampling③Grinding⑥Trackingbackandplanting④DNAextraction⑤PCRandgenotypingSeedDNA-basedGenotypinginMaizeGaoetal2008.MolecularBreeding22:477–494第24页，共50页，2023年，2月20日，星期四GenomewideSelectionPhenotypicselectionforcomplextraitsisdifficultandslow;traditionalMASisineffective.Genomicselection,asanexampleforgenomewideselection,ispoisedtorevolutionizeplantbreeding,becauseitusesmarkerdatatopredictbreedinglineperformanceinoneanalysisanalyzesthebreedingpopulationsdirectlyincludesallmarkersinthemodelsothateffectestimatesareunbiasedandsmalleffectQTLcanbeaccountedfor第25页，共50页，2023年，2月20日，星期四6.分子育种平台6.1基因型分析6.2表现型分析6.3环境分析6.4信息的收集、处理、分析和挖掘6.5决策支撑系统第26页，共50页，2023年，2月20日，星期四6.1基因型分析从手工到自动从凝胶到芯片目标位点vs目标区域vs全基因组从MAS、MARS到GS系谱数据：所有自交系和群体第27页，共50页，2023年，2月20日，星期四Luetal.2009.TheorApplGenet120:93-115CharacterizationofaWorldwideCollectionofMaizeGermplasmLarge-ScaleGenotyping第28页，共50页，2023年，2月20日，星期四第29页，共50页，2023年，2月20日，星期四分子标记分析支持了将双亲向两边推的育种策略Cooperetal2004CropScience44:1907-1913第30页，共50页，2023年，2月20日，星期四6.2表现型分析从粗放到精准从单个到多个从独立到同步

（产量、品质和抗性）从肉眼到仪器多年多点表型数据第31页，共50页，2023年，2月20日，星期四Large-ScalePhenotypingScreeningofDroughtToleranceAtotalof554linesWell-wateredandwater-stressedenvironments(eachwithtworeplications)duringthe2008dryseasonatTlaltizapan(StateofMorelos,Mexico).Waterstresses(SS)atvegetativeandfloweringstagesMultiplemeasurementsofbiomassusingthenormalizeddifferencevegetationindex(NDVI)measuredwithaportablespectroradiometer(GreenSeeker).Otherdroughttolerance-relatedselectioncriteria: Anthesis-silkinginterval(ASI) Leafsenescence Chlorophyllcontent(CC) Rootcapacitance Finalgrainyield第32页，共50页，2023年，2月20日，星期四05010015020025002004006008001000120014001600180020002000+Numberofkernelsharvestedperrow45outof554linesproducemorethan700kernels205lineshavenokernelsatall150linesproduced1-100kernelsNumberoflinesFinalyieldfor554linesscreenedfordroughttolerance第33页，共50页，2023年，2月20日，星期四NDVIishighlycorrelatedwithotherdroughttoleranceindicesThousandsofplotscanbemeasuredinfourhoursThemeasurementishighlyrepeatableItcanbeusedformeasuringbiomass,leafrollingandleafsenescenceItcanbemeasuredatanydevelopmentalstageHighThroughputPhenotyping第34页，共50页，2023年，2月20日，星期四6.3环境分析多年多点试验资料

先锋公司保存有自1930s以来的所有田间试验数据气候土壤第35页，共50页，2023年，2月20日，星期四EcologicaldiversityDeserts,Sahel,SavanaRainForest,PlateausWoodlandsSoilClassesofAfrica第36页，共50页，2023年，2月20日，星期四Rainfall1988-1998Rainfallandmaizeyields第37页，共50页，2023年，2月20日，星期四InformationcollectionInformationintegration Datastandardization Developmentofgenericdatabases Useofcontrolledvocabularies/ontologies Interoperablequerysystem Redundantdatacondensing Databaseintegration Tool-basedinformationintegrationInformationretrievalandminingInformationmanagementsystemsXu2010MolecularPlantBreeding,CABIPublisher6.4信息的收集、处理、分析和挖掘第38页，共50页，2023年，2月20日，星期四6.5决策支撑系统Germplasmmanagement,evaluation,andenhancementBreedingpopulationmanagementandimprovement Buildingupheteroticpatterns Predictionofhybridperformance Marker-assistedinbredandsyntheticcreationGeneticmap/hapmapconstructionMarker-traitassociationidentificationandvalidationMarker-assistedselectionmethodologiesandimplementationGenotypebyenvironmentinteractionanalysisIntellectualpropertyrightandplantvarietyprotectionBreedingbydesignthroughsimulationandmodelingXu2010MolecularPlantBreeding,CABIPublisher第39页，共50页，2023年，2月20日，星期四GenotypeSequencesMarkersMapsGenealogyPhenotypeYield QualityAgronomyStressresponse

EnvironmentWater FertilizerSoil TemperaturePrecipitationGISDaylengthData

Tools

OutputGenefunctionalanalysisGeneticdiversityGermplasmevaluationGermpalsmclassificationVarietyidentificationGeneticmapping/HapmapMarker-traitassociationMarker-assistedselectionGXEinteractionEnvironmentalclassificationVarietystability/adaptabilityBLASTN/X…MapmakerMultiQTLGeneFlowQTLCartographerSAS/JAMPStructureGeneMapperPowerMarkerArlequinBiPlotCMTVTASSEL……..IntegratedIMSformolecularbreedingICISXu,Y.2010.MolecularPlantBreeding,CABI,UK第40页，共50页，2023年，2月20日，星期四7.全基因组策略GenotypeEnvironmentPhenotypeWholegenomestrategiesarerequiredforeffectivemolecularbreedingofcomplextraits第41页，共50页，2023年，2月20日，星期四FullgenomicssequencesforallgermplasmaccessionsMarkerscoveringeverygeneandallimportanttraitsHighprecisionphenotypingundermulti-environmentsConsiderationofallenvironmentalfactorsinfluencinggenes,genotypesandperformanceSelectionatthewholegenomelevel:allthegenes,allelesandtheircombinationsWhatAreWholeGenomeStrategies?第42页，共50页，2023年，2月20日，星期四WholeGenomeStrategiesFullgenomesequenceandgenome-widemolecularmarkersAllgenomicandenvironmentalfactorsArepresentativeorcompletesetofgeneticsandbreedinggermplasm第43页，共50页，2023年，2月20日，星期四ImportanceofthepopulationsizesgoingbeyondthecurrentscaleHighdensitymarkersmustmatchwithlargepopulationsizesTwoapproaches:SeedDNA-basedgenotyping(Gaoetal2008)Selectivegenotyping/phenotyping(Sunetal2010)PopulationSize第44页，共50页，2023年，2月20日，星期四HighresolutiongenotypingWholegenomeresequencingTargetedsequencing(exoncapturingetc)Marker-assistedrecurrentselectionorgenomicselectionGenome-wideassociationstudy(GWAS)GenomeCoverage第45页，共50页，2023年，2月20日，星期四DeNovosequencingtogeneratereferencesequencemap(s)ResequencingtodiscoverSNPs,haplotypesandtag-SNPsTag-SNPscanbedevelopedtorepresenthaplotypes.Eachtag-SNPrepresentsonehaplotypefragment.Asetoftag-SNPscanbedevelopedtorepresentwholegenomediversity.HaplotypeandTag-SNPs第46页，共50页，2023年，2月20日，星期四Large-scaleresequencing(wholegenomeandtargetregions)

Stageone:100coremaizelines(2010) Sta