玉米育种课件1 玉米育种分子遗传理论与应用

玉米育种学

（MaizeBreeding）华中农业大学植物科学技术学院作物遗传改良国家重点实验室Email:qiufazhan@qiufazhan@

邱法展BreedingforSilageMaize1、玉米育种的遗传学理论2、玉米育种研究的发展历史及进展3、玉米育种种质及资源概况4、玉米自交系和杂交种的选育方法5、玉米群体轮回选择理论与方法6、特用玉米的研究与进展概述玉米－－育种上最早利用杂种优势、最早提出的异花授粉杂种优势利用的育种方法、种子工业遗传研究的模式作物（二倍体、十对染色体）玉米－－功能基因组学、结构基因组学及比较基因组学等研究的主要载体，例如：连锁群的构建、基因定位、分子标记辅助选择、生物信息学等玉米是对育种学、遗传学、分子生物学贡献最多的生物之一世界卫生组织（WHO）含量（每100克）世界最重要的粮食作物；中国第一大作物（产量和面积）名称蛋白膳食纤维胡萝卜素维A维B维B2维E硒铁钙

赖氨酸玉米8.7g6.4g100ug17mg0.38mg0.13mg1.59mg3.52ug3.2mg34mg296mg稻米7.4g0.7g0.11mg0.05mg-2.32ug2.3mg13mg

-

-

-小麦11.2g2.1g

-0.28mg0.08mg-3.1ug2.5mg20mg

-

-玉米遗传育种面临的严峻挑战:DatafromFAO育种的本质是聚集更多的优良变异农业的核心是种业;种业的基础是育种;育种的基础是材料;材料的本质是基因。第一章玉米育种的遗传学理论育种过程中的遗传学问题

杂交

F1比较

亲本选择

自交

后代分离

回交

个体选择

优良基

基因导入

优良基因型

因选择

遗传重组

个体的选择

经典遗传学作物遗传育种的理论基础经典遗传学理论对育种技术发展的限制因素

基因型判断对表现型鉴定的依赖性丰富的实践经验基因型

+环境

=表现型性状与基因之间非一一对应关系

多因一效，一因多效….

基因导入手段的局限性生物学种间的生殖隔离

杂交不孕，

杂种不实遗传连锁的累赘（linkage-drag）数量性状位点

（QuantitativeTraitLociQTL）

遗传重组的机会性基因紧密连锁

交换发生的机率小分离群体，

试验面积育种年限，

科研经费遗传学发展的重要里程碑

作物基因组计划家畜基因组计划微生物基因组计划还原论20世纪人类对生命现象的认识个体

染色体

基因

DNAdNt基因的概念基因的本质基因的功能逐步深刻认识宏

观

微

观人类对生命现象的认识

整体论

揭示生命的奥秘21世纪“组学”→“系统生物学”微

观

宏

观

Genomics（strategychange）

作物基因组计划家畜基因组计划微生物基因组计划ForwardgeneticsReversegenetics21世纪生命科学发展的重要态势

对生命现象的认识从单基因水平向全基因组整体水平发展（在全基因组水平上检测基因的位点和功能，基因组学）

现代生命科学研究的理论与技术从较长期的积累走向应用（在分子水平上对基因进行选择和操作，分子育种）

21世纪生命科学发展的重要态势

TRANSLATINGGENOMICSTOCROPIMPROVEMENT基于基因组学研究的作物改良

WhatisGENOMICS?

从基因组的整体水平上从“基因社会学”角度研究基因结构与功能的策略Genomics

＝

gene＋ome＋ics

GenomicsStructuralgenomeFunctionalgenome序列图谱物理图谱遗传图谱基因图谱基因定位染色体的分割候选基因克隆序列分析结构基因组学Structuralgenomics以遗传图谱，物理图谱，

基因图谱，序列图谱为基础的

基因组的全序列分析

高密度分子标记图谱的构建

高精度物理图谱的绘制

重要基因遗传连锁关系的确定分子标记辅助选择转基因育种……遗传图谱的构建目标基因(QTL)的分子标记定位分子标记辅助回交转育与基因聚合目标基因的克隆遗传转化分子设计

……作物分子育种分子标记辅助选择与基因聚合分子育种的基本策略

前期基础研究

(平台的搭建)

种质资源的遗传评价基因资源的遗传定位、克隆

MAS的理论与技术

Allele的创建

后期应用研究

分子标记辅助选择基因聚合…玉米分子标记育种的基本理论和方法（1）MAS基本概念：

分子标记基因型直接选择

分子标记与目标性状紧密连锁

借助分子标记目标性状基因型进行选择

遗传多型性的概念

（geneticpolymorphism/heterogeneity）等位基因形成的分子机理

点突变

（pointmutation）

倒位

（inversion）

缺失（

deletion）

插入（

insertion）重复

（

repetitivecopies）

……等位基因

Allele

（结构基因，DNA区域…）复等位基因

Multiplealleles

分子水平上遗传多型性的检测遗传标记；geneticmarker

Testingalleleinphenotype

电泳图谱的分析

（electrophoresispattern）从表型上易于检测，鉴别。遗传标记与目标性状基因间紧密连锁通过对遗传标记的检测，判断目标基因的多型性等位区段存在真实的遗传差异分子标记

（molecularmarker）

Botstein限制性片段长度的多型性

RFLP(RestrictionFragmentLengthPolymorphism)

VNTR(variousnumberoftandemrepeats)1985K.B.Mullis基于聚合酶链式反应的多型性

PCR-basedpolymorphsm1996E.Lander单核苷酸多型性

SNP(singlenucleotidepolymorphism)MAS可以提高选择效率的条件A当表现型的测量在技术上难度很大或费用太高时B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C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D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。

质量性状标记辅助选择的基本方法及育种应用A、前景选择（foregroundselection）

对目标基因的选择

B、背景选择（backgroundselection

）

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

基本方法育种应用基因聚合（genepyramiding）基因转移（genetransfer）-----基因渗入（genetransgression）（5）数量性状的标记辅助选择A、表型值选择B、标记值选择C、指数选择D、基因型选择个人理解的MAS：分子育种主要包括两个方面的内容：1）分子标记辅助选择（分子设计育种）；2）转基因MAS成功的案例有很多大公司应用很多，但真正发表文章却很少；目前MAS文章，主要集中在QTL/基因定位，试图通过连锁标记，回交辅助选择来导进目标性状初级MAS，主要存在两个问题：1）因为重组，丢失目标性状；2）因为仅根据分离群体的结果，选择的可能不是最好的等位

基因而达不到最佳的效果玉米分子育种平台的搭建利用各类群体的基因定位基于LD的SNP与QTL的关联分析基于ILs群体构建的隐秘基因的发掘基于突变体库创建的新基因开发与功能研究基于比较基因组学研究的基因定位与克隆

……MolecularBreedingforComplexTraitsGenotypeEnvironmentPhenotypeWholeGenomeStrategiesAreRequiredforaHighlyEffectiveMolecularBreedingsystemQualitativetraitsLinkedLinkedUnlinkedRplantsSplantsAQuantitativetraits0.00.51.00.00.51.0PopulationdistributionSelectionDNAPoolsGenotypingLinkedUnlinkedHightailLowtail0.00.51.0LinkedBAllelefrequency43TraditionalcrossbreedingRecombinantDNAtechniques

QTL作图方法F1XABC1F1XAB-RA-rA-BC1F1XABC2F1XABC3F1XBC3F2NIL15-20cM/Fragment

受体亲本

×

供体亲本

F1×

受体亲本

MAS

BC3F2

将有待发掘新基因的供体亲本的基因组分别置于多种骨干亲本的基因组中基因聚合，创造新的育种材料分子育种的重要领域同一遗传背景下的基因聚合，作物性状的分子设计

遗传标记的种类1、形态学标记2、细胞学和生化标记3、分子标记分子标记连锁图谱phi40289umc22461.8umc224513.6umc11654.8umc12273.4umc12653mmc01117.8bnlg12517.8umc14224.9umc118517.8phi109648.6umc13263.4umc20323.9bnlg11750.7umc12851.5bnlg18313.2umc18842.4bnlg11382.1umc20232.3umc19461.3umc189011.8umc26253.4bnlg1981.9umc10494.1bnlg16620.6umc20057.7umc15268.5bnlg1316umc14644.7umc228117.4umc173619umc221427.3遗传图谱

（molecularmarkerlinkagemap）以具有遗传多型性的分子标记为“路标”Polymorphicmolecularmarkeras“routesign”以减数分裂中发生的遗传重组交换值为图距Recombinationfrequency(%)inmeiosisas“mapdistance(cM)”绘制高密度的分子标记连锁图GeneticlinkagemapwithhighdensityDNA片段物理图谱物理图谱

以

DNA片段为“路标”

DNAfragmentas“routemarker”

以实际的核苷酸数为图距

Mb,KbofdNtas“mapdistance”

构建大片段间的连锁群，并覆盖全基因组

contigswithlargeDNAfragmentandcoverwholegenome

Chromosomewalkin