分子标记辅助选择育种优秀课件

1、分子标记辅助选择育种优秀课件第四章第四章 分子标记辅助选择育种分子标记辅助选择育种 分子标记辅助选择育种优秀课件提提 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的前提与影响因素的前提与影响因素植物植物MAS的基本方法的基本方法植物植物MAS的应用的应用植物植物MAS的发展策略的发展策略分子标记辅助选择育种优秀课件基于基于QTL定位的植物分子育种定位的植物分子育种 n分子标记在作物育种中的直接应用是对性状进行辅助选择，即分子标记辅助选择（Molecular Marker-Assisted Selection, MAS）。n它是利用与目标性状基因紧密连锁的分子标记进行间接选择

2、，是对目标性状在分子水平的选择，不受环境影响，选择结果可靠；在聚合有利目标性状的同时，可以在回交渐渗过程中，通过遗传背景选择，减少连锁累赘，加速育种进程。 分子标记辅助选择育种优秀课件一一 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植物分子育种是依据分子遗传学、数量遗是依据分子遗传学、数量遗传学和植物育种学理论，利用传学和植物育种学理论，利用DNADNA重组技重组技术、标记辅助选择技术改良植物品种的术、标记辅助选择技术改良植物品种的新新型学科型学科。植物分子育种包括植物分子育种包括转基因育种和基因组育转基因育种和基因组育种。前者通过转基因手段将外源基因导入种。前者通过转基因手段

3、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；后者利用DNADNA标记对标记对重要农艺和经济性状，同时可以考虑多个重要农艺和经济性状，同时可以考虑多个基因组扫描，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记辅助选择育种（记辅助选择育种（MAS)MAS)。分子标记辅助选择育种优秀课件MASMAS的前提的前提l1 1、建立尽量饱和的分子标记图谱、建立尽量饱和的分子标记图谱l2 2、基于图谱的目标基因定位、基于图谱的目标基因定位l3 3、检测的自动化、检测的自动化 二二 MAS的前提与影响因素的前提与影响因素分子标记辅助选择育种优秀课件 影响分子标记辅助选择的因素影响分

4、子标记辅助选择的因素1 1、分子标记与目的基因或、分子标记与目的基因或QTLQTL之间的连锁程度之间的连锁程度 从标记辅助选择的效率或可靠性考虑，两侧相邻标记从标记辅助选择的效率或可靠性考虑，两侧相邻标记彼此越靠近越好。但是彼此越靠近越好。但是2 2、选用的分子标记数目、选用的分子标记数目 对主基因，用位于主基因两侧的两个分子标记同时选对主基因，用位于主基因两侧的两个分子标记同时选择。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。一般认为存在一个最佳数目，这与性状的遗传的效率高。一般认为存在一个最佳数目，这与性状的

5、遗传力有关。力有关。Gimelfarb & Lande (1994a)Gimelfarb & Lande (1994a)发现利用发现利用6 6个标记时个标记时的的MASMAS效率高于利用效率高于利用3 3个标记时的效率，但利用个标记时的效率，但利用1212个以上的个以上的标记时，标记时，MASMAS的效率在低世代时反而降低，在高世代时增幅的效率在低世代时反而降低，在高世代时增幅很小。很小。分子标记辅助选择育种优秀课件 影响分子标记辅助选择的因素影响分子标记辅助选择的因素3 3、群体大小、群体大小 Lande & Thompson (1990)Lande & Thompson (1990)分析分

6、析MASMAS的效率时曾假定群的效率时曾假定群体无限大，标记无限多，在此基础上作出性状遗传力低时体无限大，标记无限多，在此基础上作出性状遗传力低时MASMAS比常规选择效率高的结论，但他们还是认为有必要研究比常规选择效率高的结论，但他们还是认为有必要研究大量个体，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没有多大用处。其它一些根据计算机模拟的结果没有多大用处。其它一些根据计算机模拟的结果对对MASMAS的效率进行的研究表明，群体大小是影响的效率进行的研究表明，群体大小是影响MASMAS的关键的关键因素，因素，MASMAS的

7、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MASMAS仍然有效。仍然有效。4 4、性状的遗传力、性状的遗传力 一般来说遗传力越高则一般来说遗传力越高则MASMAS效率降低。效率降低。Moreau et al. Moreau et al. (1998)(1998)认为在群体大小有限的情况下，对低遗传力的性状认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-

8、0.2）时，）时，MASMAS的效的效率更高，但可能出现的负面试验的频率也高一些，因此利率更高，但可能出现的负面试验的频率也高一些，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？分子标记辅助选择育种优秀课件n数量性状标记辅助选择要获得比常规选择更高的效率，必须首先考虑应用在以下几种情况：n（1）选择性状的遗传力相对较低；n（2）用于辅助选择的标记与目标QTL有非常紧密的连锁（5cM）； n（3）考虑在标记与QTL的连锁关系没有打破之前的早期世代进行选择；n（4）首先考虑对在不同环境下表现一致的主效Q

9、TL进行选择，对环境敏感的QTL的选择必须在其鉴定的环境中进行。分子标记辅助选择育种优秀课件n分子标记辅助育种已经得到了很大的发展，在很多作物中已定位了很多重要性状的基因，但育成品系或品种的还相对较少。n原因：原因：n首先，首先，定位工作与育种的脱节。许多研究人员把定位与育种分开来，定位时只考虑标记鉴定的可行性，不考虑亲本选配、育种目标，最终只能产生育种用的种质材料。n其次，其次，标记的鉴定技术还有待于进一步提高；标记辅助选择技术体系还有待进一步完善。分子标记辅助选择育种优秀课件对策：对策：n为了使基因定位的成果尽快服务于育种，今后在策略上应重视与育种直接有关的材料；n所构建的群体尽可能做到既

10、是遗传研究群体，又是育种群体，这样才能缩短基因定位与育种应用的距离。分子标记辅助选择育种优秀课件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的基本方法的基本方法分子标记辅助选择育种优秀课件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一般是有效的，因为质量传统的表型选择方法对质量性状一般是有效的，因为质量性状的表现型与基因型之间通常存在清晰可辨的对应关系。性状的表现型与基因型之间通常存在清晰可辨的对应关系。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记。但对于以下三种情况，采用标记辅助选

11、择可提高选标记。但对于以下三种情况，采用标记辅助选择可提高选择效率：（择效率：（1 1）当表现型的测量在技术上难度很大或费用太）当表现型的测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能测量，但为）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；（甚至是对种子）就进行选择时；（3 3）除目标基因外，还）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。另需要对基因组的其它部分（即遗传背景）进行选择时。另外，有些质量性状不仅受主

12、基因控制，而且还受到一些微外，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。状的连续变异。分子标记辅助选择育种优秀课件一、前景选择一、前景选择对目标基因的选择称为前景选择（对目标基因的选择称为前景选择（foreground foreground selectionselection），这是标记辅助选择的主要方面。），这是标记辅助选择的主要方面。前景选择的可靠性主要取决于标记与目标基因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。若只用一个标记对目标基间连锁的紧密程度。若

13、只用一个标记对目标基因进行选择，则标记与目标基因间的连锁必须因进行选择，则标记与目标基因间的连锁必须非常紧密，才能够达到较高的正确率。非常紧密，才能够达到较高的正确率。 质量性状的质量性状的MAS分子标记辅助选择育种优秀课件假设某标记座位（假设某标记座位（M M/ /m m）与目标基因座位）与目标基因座位（Q Q/ /q 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MQMQ/ /mqmq，其中，其中Q Q为目标等位基因，亦即为目标等位基因，亦即要选择的对象。由于要选择的对象。由于M M与与Q Q连锁在一起，连锁在一起，因此在后代中可通过因此在后代中可通过M M来选择来

14、选择Q Q。在。在F2F2代代通过选择标记基因型通过选择标记基因型M M/ /M M而获得目标基因而获得目标基因型型Q Q/ /Q 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分子标记辅助选择育种优秀课件从从下下图看出，选择正确率随重组率的增加而图看出，选择正确率随重组率的增加而迅速下降。若要求选择正确率达到迅速下降。若要求选择正确率达到90%90%以上，以上，则标记与目标基因间的重组率必须不大于则标记与目标基因间的重组率必须不大于0.050.05。当重组率超过。当重组率超过0.100.10时，选择正确率已时，选择正确率已降到降到8

15、0%80%以下。以下。质量性状的质量性状的MAS分子标记辅助选择育种优秀课件同时用两侧相邻的两个标记对目标基因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进行跟踪选择，可大大提高选择的正确率。在后代中通过同时跟踪率。在后代中通过同时跟踪M1M1和和M2M2来选来选择目标等位基因择目标等位基因Q Q，正确率必然很高。在，正确率必然很高。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代通过选择标记基因型代通过选择标记基因型M1M2/M1M2M1M2/M1M2而而获得目标基因型获得目标基因型Q/QQ/Q的概率为：的概率为：221212221

16、)1)(1()1 ()1 (rrrrrrp质量性状的质量性状的MAS分子标记辅助选择育种优秀课件左图：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分子标记辅助选择育种优秀课件对基因组中除了目标基因之外的其它部分（即遗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，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。同的是，背景选择的对象几乎包括了整个基因组。在分离群体（如在分离群体（如F2F2群体）中，由于在上一代形成群体）中，由于在上一代形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

17、体之间会发生交换，因此每条染色体都可能是由双亲染色体重新组装成的嵌合体。色体都可能是由双亲染色体重新组装成的嵌合体。所以，要对整个基因组进行选择，就必须知道每所以，要对整个基因组进行选择，就必须知道每条染色体的组成。这就要求用来选择的标记能够条染色体的组成。这就要求用来选择的标记能够覆盖整个基因组，也就是说，必须有一张完整的覆盖整个基因组，也就是说，必须有一张完整的分子标记连锁图。分子标记连锁图。二、背景选择二、背景选择质量性状的质量性状的MAS分子标记辅助选择育种优秀课件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分子

18、标记辅助选择育种优秀课件在标记辅助选择中，根据图示基因型，可以同在标记辅助选择中，根据图示基因型，可以同时对前景和背景进行选择。由于目标基因是选时对前景和背景进行选择。由于目标基因是选择的首要对象，因此一般应首先进行前景选择，择的首要对象，因此一般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。进一步进行背景选择，以加快育种进程。 质量性状的质量性状的MAS分子标记辅助选择育种优秀课件基因聚合（基因聚合（gene pyramidinggene pyramiding）就是将分散在）就是将分散在不同品种中的有用

19、基因聚合到同一个基因组中。不同品种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水平抗性两种，其植物抗病性分为垂直抗性和水平抗性两种，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。但垂直抗性一般具有小种特异性，易于利用。但垂直抗性一般具有小种特异性，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。如果能将抵抗不同生理小种的抗病基因聚合到如果能将抵抗不同生理小种的抗病基因聚合到一个品种中，那么该品种就具有抵抗多种生理一个品种中，那么该品种就具有抵抗多种生理小种的能力，亦即具有多抗性。小种的能力，亦即具有

20、多抗性。 质量性状的质量性状的MAS三、基因聚合三、基因聚合分子标记辅助选择育种优秀课件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分子标记辅助选择育种优秀课件利用分子标记聚合利用分子标记聚合3个抗稻瘟病基因个抗稻瘟病基因Pi-2、Pi-1和和Pi-4的试的试验方案验方案 分子标记辅助选择育种优秀课件基因转移（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（

21、一般为地方）是指将供体亲本（一般为地方品种、特异种质或育种中间材料等）中的有用基品种、特异种质或育种中间材料等）中的有用基因（即目标基因）转移或渗入到受体亲本（一般因（即目标基因）转移或渗入到受体亲本（一般为优良品种或杂交品种亲本）的遗传背景中，从为优良品种或杂交品种亲本）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，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，进行多代回交，直到后以受体亲本为轮回亲本，进行多代回交，直到除了来自供体亲本的目标基因之外，基因组的其除了来自供体亲本

22、的目标基因之外，基因组的其它部分全部来自受体亲本。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、基因转移分子标记辅助选择育种优秀课件回交育种中传统方法与标记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记辅助选择效率的计算机模拟比较. 分子标记辅助选择育种优秀课件假想的假想的3个个BC1植株的图示基因型植株的图示基因型. 分子标记辅助选择育种优秀课件作物育种目标的大多数重要性状都是数量作物育种目标的大多数重要性状都是数量性状。数量性状标记辅助选择难度要比质性状。数量性状标记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MASMAS分子标记辅助选择育种

23、优秀课件1 1、表型值选择、表型值选择 传统育种对数量性状选择的依据是个体的表型值，可传统育种对数量性状选择的依据是个体的表型值，可称为表型值选择。表型值选择的理论依据是：表型值称为表型值选择。表型值选择的理论依据是：表型值是基因型值的一个近似值，因此，依据表型值的选择是基因型值的一个近似值，因此，依据表型值的选择可以看成是一种近似的依据基因型值的选择。可以看成是一种近似的依据基因型值的选择。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） 分子标记辅助选择育种优秀课件2 2、标记值选择、标记值选择 利用完整的分子标记连锁图进行利用完整的分子标记连锁图进行QT

24、LQTL定位分析，定位分析，原则上应该能够估计出个体的加性效应值。但从原则上应该能够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初级定位通常无法检测出全部的QTLQTL并准确地估并准确地估计出它们的效应，因而估得的个体加性效应值只计出它们的效应，因而估得的个体加性效应值只是近似的，可能存在较大的误差。要得到个体加是近似的，可能存在较大的误差。要得到个体加性效应值的精确估值，必须进行性效应值的精确估值，必须进行QTLQTL的精细定位，的精细定位，但这是一个庞大的系统工程，需要经过长期的努但这是一个庞大的系统工程，需要经过长期的努力才可能完成。因此，目前利用分子标记还只能力才可能完成。

25、因此，目前利用分子标记还只能做到近似的依据加性效应值的选择。做到近似的依据加性效应值的选择。数量性状的数量性状的MAS分子标记辅助选择育种优秀课件在加性模型下，性状在加性模型下，性状- -标记回归方程为：标记回归方程为： Niiixay1数量性状的数量性状的MAS个体的标记值为：个体的标记值为： 分子标记辅助选择育种优秀课件将标记值选择与表型值选择的遗传进度分别记为将标记值选择与表型值选择的遗传进度分别记为和。可以推得，在选择率相同的情况下，二者的和。可以推得，在选择率相同的情况下，二者的相对效率为：相对效率为： 数量性状的数量性状的MAS分子标记辅助选择育种优秀课件3 3、指数选择、指数选择

26、 标记值和表型值都是加性效应的近似值，二者标记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，而且这些信息可都含有加性效应的部分信息，而且这些信息可能存在互补性（亦即彼此不完全重叠），那么，能存在互补性（亦即彼此不完全重叠），那么，若将二者的信息综合起来，作为选择的依据，若将二者的信息综合起来，作为选择的依据，则可望获得更高的选择效率。为此，则可望获得更高的选择效率。为此，LandeLande和和ThompsonThompson（19901990）建议用表型值和标记值构建）建议用表型值和标记值构建一个选择指数：一个选择指数： 数量性状的数量性状的MAS分子标记辅助选择育种优秀课件

27、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、标记值选择对于定向选择，指数选择与表型值选择、标记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MAS分子标记辅助选择育种优秀课件4 4、基因型选择、基因型选择标记值选择和指数选择都还只是（通过基因型标记值选择和指数选择都还只是（通过基因型值）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记辅助选择那样，直接依应是象质量性状的标记辅助选择那样，直接依据个体的基因型

28、进行选择（称为基因型选择），据个体的基因型进行选择（称为基因型选择），具体地说，就是对每个目标具体地说，就是对每个目标QTLQTL利用其两侧相利用其两侧相邻标记或单个紧密连锁的标记进行选择，其原邻标记或单个紧密连锁的标记进行选择，其原理和方法与质量性状相似。事实上，这才是最理和方法与质量性状相似。事实上，这才是最初提出的标记辅助选择的概念。初提出的标记辅助选择的概念。 数量性状的数量性状的MAS分子标记辅助选择育种优秀课件HospitalHospital和和CharcossetCharcosset（19971997）建议，对每个）建议，对每个目标目标QTLQTL，最好用，最好用3 3个相个相邻

29、的连锁标记进行跟踪邻的连锁标记进行跟踪选择。这选择。这3 3个标记的最个标记的最佳位置应根据目标佳位置应根据目标QTLQTL的位置置信区间来决定。的位置置信区间来决定。一般而言，中间一个标一般而言，中间一个标记应处在非常靠近或正记应处在非常靠近或正好位于估得的目标好位于估得的目标QTLQTL的位置上，而另外两个的位置上，而另外两个标记则近乎对称地位于标记则近乎对称地位于两侧。由两端标记所确两侧。由两端标记所确定的目标区段的最佳宽定的目标区段的最佳宽度与度与QTLQTL位置置信区间位置置信区间的宽度成正比（图的宽度成正比（图6.116.11）。置信区间越大，）。置信区间越大，目标区段也应越大，才

30、目标区段也应越大，才能保证目标能保证目标QTLQTL真实地真实地位于目标区段内位于目标区段内。 分子标记辅助选择育种优秀课件四 MAS的应用 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紧密连锁的紧密连锁的SSRSSR标记选育标记选育出高抗条锈病的出高抗条锈病的BC4F3BC4F3植株。中国农科院作物植株。中国农科院作物所曾祥艳等所曾祥艳等20052005通过通过MASMAS，选育出聚合抗白粉、，选育出聚合抗白粉、条锈和黄矮病的冬性和春性小麦新种质。中条锈和黄矮病的冬性和春性小麦新种质。

31、中国科学院遗传与发育生物学研究所徐相波等国科学院遗传与发育生物学研究所徐相波等20062006通过通过Pm21Pm21的的MASMAS，获得若干具有，获得若干具有Pm21Pm21基因基因（前景选择）且产量性状好的新品系。（前景选择）且产量性状好的新品系。蛋白质含量：南开大学生命科学学院陈喜文蛋白质含量：南开大学生命科学学院陈喜文等等20072007年进行了小麦蛋白质含量年进行了小麦蛋白质含量QTLQTL的的MASMAS，大大提高了回交后代蛋白质含量。大大提高了回交后代蛋白质含量。分子标记辅助选择育种优秀课件水稻水稻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

32、 ）、）、抗虫（抗水稻螟虫基因抗虫（抗水稻螟虫基因BtBt）、外观品质（粒宽）、外观品质（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有成功报道。有成功报道。数量性状的选择进展较缓慢（产量和品质），数量性状的选择进展较缓慢（产量和品质），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究中心将普通野生稻的两个高产研究中心将普通野生稻的两个高产QTL QTL 并成功并成功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，进而选配出一批具有超高产潜力的杂交水稻新进而选配出一批具有超高产潜