分子育种.ppt

1、分子育种 （molecular breeding）,现代育种新技术之,主要内容,第一节 分子育种的概念和方法 第二节 分子遗传标记 第三节 QTL的鉴别与定位 第四节 标记辅助选择 第五节 展 望,第一节 分子育种的概念和方法,分子育种的概念,指DNA分子标记辅助育种(简称DNA标记辅助育种)。DNA标记辅助育种(DNA marker-assisted breeding）是一种利用DNA 水平上的(非蛋白质水平上的)分子标记(或称DNA标记)对生物群体进行遗传改良的技术。,主要方法,标记辅助选择(marker-assisted selection) 标记辅助导入(marker-assisted

2、 introgression) 标记辅助预测(marker-assisted prediction) 标记辅助杂种优势优化(marker-assisted heterosis maximization) 标记辅助保种(marker-assisted conservation),标记辅助选择（marker assisted selected ，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。,标记辅助导入(marker-assisted introgression),将供体群中少数优良目的基因(QTL) 导入到受体群

3、,MAS既可用于跟踪鉴别目的基因,又可加速受体基因组( 背景基因) 的恢复, 这种方法称为标记辅助导入(MAI) 。 MAI实质上是在标记QTL 辅助下进行的杂交,可使受体群在目标性状得到提高的同时,尽量保留原有的遗传背景。,标记辅助预测(marker-assisted prediction),在动物育种过程中，借助标记信息对个体育种值作预测，一般结合最佳线性无偏预测(BLUP)方法进行。,标记辅助杂种优势优化(marker-assisted heterosis maximization),利用QTL（标记）的杂合性与杂种优势存在正相关的特性进行不同群体间杂种优势的预测和优化（最大化）。,DN

4、A 标记辅助保种 (marker-assisted conservation),就是利用与目标基因有紧密连锁的DNA 标记,对目标基因在保种过程中的分离和重组进行跟踪,通过有意识地选留而加以保护,使之不因遗传漂变而丢失。 DNA 标记辅助保种的方法主要有跟踪保存目标基因法和控制近交程度。,第二节 分子遗传标记 （Molecular Genetic Marker）,什么是遗传标记？,遗传标记genetic marker:指可追踪染色体、染色体某一节段、某个基因座在家系中传递的任何一种遗传特性。 它具有两个基本特征，即可遗传性和可识别性； 因此生物的任何有差异表型的基因突变型均可作为遗传标记。,遗

5、传标记的类型,形态学标记（morphological marker） 细胞学标记(cytological marker) 生化标记(biochemical marker) 分子标记(molecular marker)：DNA分子遗传标记，或DNA标记。,形态学标记,形态标记即个体的外部形态特征。 形态标记简单直观、经济方便；但其数量在多数有限、多态性较差，表现易受环境影响，并且有一些标记与不良性状连锁。此外形态标记的获得需要通过诱变、分离纯合的过程，周期较长。 主要在早期使用。,细胞遗传标记,细胞学标记即植物细胞染色体的变异。 包括染色体核型（染色体数目、结构、随体有无、着丝粒位置等）和带型（

6、C带、N带、G带等）的变化。 与形态标记相比，细胞学标记的优点是能进行一些重要基因的染色体或染色体区域定位。 但细胞学标记材料需要花费较大的人力和较长时间来培育，难度很大；同时某些物种对染色体变异反应敏感；还有些变异难以用细胞学方法进行检测。,生化标记,生化标记包括同工酶和等位酶标记。同工酶是指一个以上基因座位编码的酶的不同形式，而等位酶是指由一个基因座位的不同等位基因编码的酶的不同分子形式。分析方法是电泳和组织化学染色法将酶的多种形式转变成肉眼可辩的酶谱带型。 生化标记具两个方面的优点：一是表现近中性，对生物经济性状一般没有大的不良影响；二是直接反映了基因产物差异，受环境影响较小。 生化标记

7、的应用有限：一是可用标记数量少，二是染色方法和电泳技术有一定难度。,分子标记,分子标记指能反映生物个体或种群间基因组中某种差异特征的DNA片段，它直接反映基因组DNA间的差异。分子标记的优越性表现为：（1）直接以DNA的形式表现，在生物体的各个组织、各个发育阶段均可检测到，不受季节、环境限制，不存在表达与否等问题；（2）数量极多，遍布整个基因组，可检测座位几乎无限；（3）多态性高，自然界存在许多等位变异，无须人为创造；（4）表现为中性，不影响目标性状的表达；（5）许多标记表现为共显性的特点，能区别纯合体和杂合体。,分子标记的三个阶段,随着分子生物学技术发展和研究水平的深入，分子标记的发展经历了

8、三个阶段，也称为三代DNA分子标记。 第一代分子标记：RFLP和DNA指纹； 第二代分子标记：微卫星（ms）； 第三代分子标记：SNP；,目前的分子标记类型,目前的分子标记有三类： 第一类是以分子杂交为核心的分子标记技术，包括RFLP、DNA指纹技术（DNA Fingerprinting）、原位杂交（in situ hybridization）等； 第二类是以PCR为核心的分子标记技术，包括RAPD、简单序列重复标记SSR或简单序列长度多态性（Simple sequence length polymorphism, 简称SSLP标记）、扩展片段长度多态性标记AFLP、序标位STS、序列特征化扩

9、增区域SCAR等； 第三类是一些新型的分子标记，如：SNP标记、表达序列标签EST标记等。,1、RFLP,基本原理：特定生物类型的基因组DNA经限制性内切酶切后，产生分子量不同的同源等位片段，再通过电泳的方法分离和检测这些片段。,特点：（1）遍布于整个基因组，数量几乎是无限的；（2）无表型效应，不受发育阶段及器官特异性限制；（3）共显性，可区分纯合子和杂合子；（4）结果稳定、可靠；（5）DNA需要量大，检测技术繁杂，难以用于大规模的育种实践中。,2、RAPD,基本原理：用一个（有时用两个）随机引物（一般8-10个碱基）非定点地扩增基因组DNA，然后用凝胶电泳分开扩增片段。 RAPD标记的特点有

10、：（1）不需DNA探针，设计引物也无须知道序列信息；（2）显性遗传（极少数共显性），不能鉴别杂合子和纯合子；（3）技术简便，不涉及分子杂交和放射性自显影等技术；（4）DNA样品需要量少，引物价格便宜，成本较低；（5）实验重复性较差，结果可靠性较低。,3、AFLP,基本原理：AFLP标记是选择性扩增基因组DNA酶切片段所产生的扩增产物的多态性，其实质也是显示限制性内切酶酶切片段的长度多态性，只不过这种多态性是以扩增片段的长度不同被检测出来。 AFLP标记的特点有：（1）由于AFLP分析可以采用的限制性内切酶及选择性碱基种类、数目很多，所以该技术所产生的标记数目是无限多的；（2）典型的AFLP分析

11、，每次反应产物的谱带在50-100条之间，所以一次分析可以同时检测到多个座位，且多态性极高；（3）表现共显性，呈典型孟德尔式遗传；（4）分辩率高，结果可靠；（5）目前该技术受专利保护，用于分析的试剂盒昂贵，实验条件要求较高。 。,4、微卫星标记ms,基本原理：ms是一类由几个（多为1-5个）碱基组成的基序串联重复而成的DNA序列，其长度一般较短，广泛分布于基因组的不同位置，如（CA）n、（AT）n、（GGC）n等重复。不同遗传材料重复次数的可变性，导致了SSR长度的高度变异性，这一变异性正是SSR标记产生的基础。 ms标记的特点有：（1）数量丰富，广泛分布于整个基因组；（2）具有较多的等位性变

12、异；（3）共显性标记，可鉴别出杂合子和纯合子；（4）实验重复性好，结果可靠；（5）由于创建新的标记时需知道重复序列两端的序列信息，因此其开发有一定困难，费用也较高。,FAO在各畜种推荐的微卫星检测位点,5、序列标签位点STS,基本原理：STS是指基因组中长度为200-500bp，且核苷酸顺序已知的单拷贝序列，通过PCR可将其专一扩增出来。其基本原理是，依据两端序列，设计合适的引物，进行PCR扩增，电泳显示扩增产物多态性。 STS标记的主要特点有：（1）标记来源广，数量多；（2）共显性遗传，可区分纯合子和杂合子；（3）技术简便，检测方便；（4）与SSR标记一样，开发依赖于序列分析及引物合成，成本

13、较高；（5）多态性常常低于相应的RFLP标记。,6、染色体原位杂交,染色体原位杂交技术是DNA探针与染色体上的DNA杂交，并在染色体上直接进行检测的分子标记技术，现在常用的是荧光原位杂交（FISH）技术。,遗传标记比较,分子标记技术的应用,分子遗传图谱的构建； 2 遗传多样性与种质鉴定 3 重要经济性状相关基因的定位 4 分子标记辅助选择 5 重要经济性状的图位克隆,第三节 QTL的鉴别与定位,（一）数量性状基因座(quantitative trait locus,QTL),1.概念 QTL 是一特定染色体片断，在基因组中占据一定区域,控制同一性状的一组微效多基因的基因簇,通常将这些基因座位称

14、为数量性状基因(Geldermanrh,1975)。 标记QTL 利用（分子）遗传标记，通过标记-QTL连锁分析（基因组扫描）被检测出并被定位的QTL。,主基因(major gene）,主基因是相对于微效基因而言的,又称主效基因,它是指能对数量性状(或阈性状)的表型值产生巨大效应的单个基因或基因座。 一般认为效应在0.5至1个表型标准差以上的基因可称为主基因。 目前的检测水 平一般只能发现可单独说明表型变异的3%以上的QTL。,（二）数量性状基因的鉴别方法,1候选基因法： 利用分子生物学技术研究候选基因和相关的DNA标记对某种数量性状的遗传效应,筛选出对数量性状有影响的主基因和DNA标记,并估

15、计出它们对数量性状的效应值； 候选基因是指已知生物学功能和序列、并参与目标性状生长发育过程或可能会导致目标性状表型大幅变异的功能基因。,分析步骤:,选择可能的候选基因,除了分析单倍型,一般因全基因序列较长而需确定待扩增的局部片段； 根据待扩增局部片段的序列信息设计用于扩增基因的引 物序列； 检测扩增片段内的突变,根据突变建立高效简便的基因分型技术以揭示候选基因内的多态性； 选择用于进行候选基因分析的群体,获取目标性状的表型资料,并对群体内每个个体 进行基因型检测； 分析候选基因多态性与生产性状变异的关系； 证实所发现的候选基因与性状关系的真实性。,2.基因组扫描 :,是指在资源群体中利用均匀分

16、布在全部染色体上的数十乃至数百个DNA标记与目标性状表型信息进行连锁分析、连锁不平衡分析和传递不平衡检验,以扫描到性状控制座位所在的染色体位置,它是目前定位QTL特别是未知QTL的最常用方法。,QTL定位的基本原理,当多态DNA标记与QTL存在连锁不平衡时,因为不同距离的 DNA标记与QTL的连锁紧密程度不同,标记基因型间的均值因QTL不同基因型的作用而呈现差异,如果DNA标记与QTL间的连锁距离越远,那么DNA标记与QTL间的重组率就越高, 高的重组率会使更多比例的低值QTL基因型“掺入”本来代表高值QTL基因型的标记基因型中,这样标记基因型间的均值差异就越小,反之则越大 。,基因组扫描的步

17、骤,进行资源群体试验设计,选择数量性状具有相对差异的近交系A和B或远交群体(家系),进行杂交或选配,获得分离世代群体或系谱信息完整的分离家系； 选择合适标记,检测分离群体内个体各标记的基因型,进行严格的性能测定,获得个体的准确表型值； 分析DNA标记和数量性状之间是否存在连锁,检测QTL的位置,并估计相应参数。,3QTL定位的必备条件,需要一定饱和程度的基因图谱 ； 需要一定规模的资源群体 ：包括各个体的DNA样品、系谱信息和性能测定数据等 ； 要求标记与 QTL是连锁 ； 相关软件(如LINKAGE、MAPQTL、CRIMAP、GENEHUNTER和QTDT等 ）,4.畜禽主基因、候选基因与

18、QTL研究进展,猪： 牛： 鸡： 羊：,畜禽主基因和QTL研究概况,第四节 标记辅助选择,标记辅助选择（marker assisted selected ，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。,基本概念,MAS的方法,基本环节： 主基因或大效应QTL连锁标记的鉴定、效应估计与验证或直接利用已得到公认的有效标记 ； 建立低成本、准确、高效率、操作简便的基因分型技术 ； 对育种基础群的主基因或紧密连锁DNA标记进行大规模的基因型检测 ；,根据基因型、系谱 信息和目标性状表型值,进行标记辅助遗传评定； 规划育种方案 ； 选种选配 ； 对于复杂方案的标记辅助选择,还需要同时利用BLUP技术监测背景基因型值的同步变化,选留背景基因型值与有利等位基因纯合方向变化一致的个体。,MAS的基本策略 -合并选择,保持现行的育种方案，但同时利用标记信息、表型信息和系谱