植物生物技术 第十三章.ppt

第十第十三三章章 分子标记辅助育种分子标记辅助育种Marker-assisted breeding1本章重难点本章重难点分子标记辅助选择的原理分子标记辅助选择的原理分子标记辅助选择的优势分子标记辅助选择的优势分子标记辅助选择的限制因素分子标记辅助选择的限制因素外源基因的转移与基因聚合外源基因的转移与基因聚合2遗传变异的发掘、有利基因的重组，目标基因型的选择遗传变异的发掘、有利基因的重组，目标基因型的选择是作物育种的基础是作物育种的基础分子标记技术在育种中的应用分子标记技术在育种中的应用优异种质的鉴定优异种质的鉴定确定育种亲本间的亲缘关系确定育种亲本间的亲缘关系转移目标基因转移目标基因筛选重组基因型筛选重组基因型判定品种的真假判定品种的真假3作物育种基础与环节作物育种基础与环节作物育种的成效取决于三个方面作物育种的成效取决于三个方面发现和创造育种上有利的遗传变异发现和创造育种上有利的遗传变异采用合理先进的育种手段方法，将优良基因重组在一起采用合理先进的育种手段方法，将优良基因重组在一起应用准确有效的选择鉴定技术，筛选出优良的重组类型应用准确有效的选择鉴定技术，筛选出优良的重组类型 The central dogma of plant breeding4第一节第一节 分子标记辅助选择分子标记辅助选择利用易于鉴定的遗传标记来辅助选择来提高选择效率和降利用易于鉴定的遗传标记来辅助选择来提高选择效率和降低育种盲目性低育种盲目性常规育种过程中基本上应用形态学标记，把与目标基因连常规育种过程中基本上应用形态学标记，把与目标基因连锁的、易于识别的性状作为标记，对目标性状进行相关选锁的、易于识别的性状作为标记，对目标性状进行相关选择择大麦中抗秆锈病的基因与抗散黑穗病的基因紧密连锁大麦中抗秆锈病的基因与抗散黑穗病的基因紧密连锁水稻中紫叶标记基因与恢复基因共分离水稻中紫叶标记基因与恢复基因共分离对质量性状一般是有效的对质量性状一般是有效的主效基因与数量性状连锁的辅助选择数量性状策略主效基因与数量性状连锁的辅助选择数量性状策略5形态标记辅助选择的缺点形态标记辅助选择的缺点数量有限数量有限 一些形态标记常与不良性状连锁一些形态标记常与不良性状连锁 多基因控制的重要农艺性状受到环境影响较大多基因控制的重要农艺性状受到环境影响较大 表型测量难度较大或误差较大表型测量难度较大或误差较大 特定的表现时期特定的表现时期 效率较低效率较低 6ABQmarkerputative genemarkerrr为为A 与与 Q 之间的重组率之间的重组率一、分子标记辅助选择的遗传基础一、分子标记辅助选择的遗传基础 1、前景选择、前景选择 (foreground selection)7Conditional Probability(1-r)/2 AQr/2 Aqr/2 aQ(1-r)/2aq(1-r)/2 AQ(1-r)2/4r(1-r)/4r(1-r)/4(1-r)2/4r/2 Aqr(1-r)/4r2/4r2/4r(1-r)/4r/2 aQr(1-r)/4r2/4r2/4r(1-r)/4(1-r)/2 aq(1-r)2/4r(1-r)/4r(1-r)/4(1-r)2/48QqAA(1-r)2/4r(1-r)/4 + r(1-r)/4r2/41/4Aar(1-r)/4 + r(1-r)/4(1-r)2/4 + r2/4 + r2/4 + (1-r)2/4r(1-r)/4 + r(1-r)/41/2aar2/4r(1-r)/4 + r(1-r)/4(1-r)2/41/41/41/21/41.0Prob.(/AA)=Prob(andAA)=(1-r)2/4=(1-r)2Prob.(/AA)=Prob(AA)1/49Marker Assisted Selection (MAS)MarkerP(Qj/Mi)QqAA(1-r)22r(1-r)r2Aar(1-r)(1-r)2+r2r(1-r)aar22r(1-r)(1-r)210感病亲本感病亲本抗病亲本抗病亲本 亲本亲本 DNA（标记）带型标记）带型Rxo1chr 6smarkerr杂种杂种F1 标记带型标记带型F2群体标记类型群体标记类型RRRrrr(1-r)22r(1-r)r211目标基因选择的正确率目标基因选择的正确率 选择正确率随重组率的增加而迅速下降。

或者说重组值选择正确率随重组率的增加而迅速下降或者说重组值越小，其错选率越低越小，其错选率越低 如果要求至少选到一株目标基因型的概率为如果要求至少选到一株目标基因型的概率为P，则必须，则必须选择具有标记基因型选择具有标记基因型MM的植株的最少数目为的植株的最少数目为 n = log (1-P)/log(1-p)， p = (1-r)2 12重组率高达重组率高达0.3，只需选，只需选择择7株具有基因型株具有基因型M/M的植株的植株标记与目标基因间无连标记与目标基因间无连锁，重组率为锁，重组率为0.5，则至，则至少需选择少需选择16株株 13两侧标记作目标基因选择两侧标记作目标基因选择双标记选择的正确率确实比单标记选择高得多双标记选择的正确率确实比单标记选择高得多 142、背景选择、背景选择 (background selection) 背景选择的对象几乎包括了整个基因组背景选择的对象几乎包括了整个基因组 高密度的分子标记连锁图高密度的分子标记连锁图 15图示基因型图示基因型 当一个个体中覆盖全基因组的所有标记的基因型都已当一个个体中覆盖全基因组的所有标记的基因型都已知时，就可以推测出各个标记座位上等位基因的可能知时，就可以推测出各个标记座位上等位基因的可能来源来源( (指来自哪个亲本指来自哪个亲本) )，进而可以推测出该个体中所，进而可以推测出该个体中所有染色体的组成有染色体的组成, , 即全基因组组成状况的连续的基因即全基因组组成状况的连续的基因型型161718192021Graphical genotyping F2 individual22二、分子标记辅助选择的优势二、分子标记辅助选择的优势克服性状表型鉴定的困难克服性状表型鉴定的困难隐性等位基因隐性等位基因表现型鉴定难表现型鉴定难需要特别环境鉴定需要特别环境鉴定允许早期选择允许早期选择多性状多性状/ /基因选择基因选择性状评价和选择不具有破坏性性状评价和选择不具有破坏性全基因组选择全基因组选择显著地减轻连锁累赘的程度，加快育种进程，提高育种效率显著地减轻连锁累赘的程度，加快育种进程，提高育种效率免除了测交或后代测验免除了测交或后代测验早世代选择，减少群体规模早世代选择，减少群体规模23传统回交育种传统回交育种标记辅助选择回交育种标记辅助选择回交育种F1F1回交回交1 1回交回交2 2回交回交3 3回交回交2020回交回交100100F1F1回交回交1 1回交回交2 22425三、分子标记辅助选择应具备的主要条件三、分子标记辅助选择应具备的主要条件与目标基因紧密连锁的分子标记与目标基因紧密连锁的分子标记共分离或紧密连锁的共分离或紧密连锁的(一般应小于一般应小于5cM) 简便快捷的标记检测方法简便快捷的标记检测方法检测方法要简单、快速、准确、成本低廉检测方法要简单、快速、准确、成本低廉检测过程（包括检测过程（包括DNA的提取、分子标记的检测、数据的提取、分子标记的检测、数据分析等）最好能自动化分析等）最好能自动化应有很高的可重复性，且经济实用应有很高的可重复性，且经济实用一套能准确进行多数据处理的计算机分析软件一套能准确进行多数据处理的计算机分析软件261. 分子标记辅助选择的限制因素分子标记辅助选择的限制因素 很大程度决定于标记与目的基因或很大程度决定于标记与目的基因或QTL之间的连锁程度之间的连锁程度连锁不紧密时连锁不紧密时(r=0.2)、QTL两侧两个遗传标记较一两侧两个遗传标记较一个遗传标记的遗传进度要大个遗传标记的遗传进度要大38 主要受性状主要受性状QTL的检测能力、精确性或准确性的影响的检测能力、精确性或准确性的影响 作图所用的群体大小以及性状遗传力作图所用的群体大小以及性状遗传力 QTL数目、效应大小数目、效应大小 一般来说遗传力越高，则一般来说遗传力越高，则MAS效率降低效率降低 遗传力低的性状，遗传力低的性状，QTL的检测能力和定位准确性会降的检测能力和定位准确性会降低低 27282. 降低分子标记辅助选择的成本降低分子标记辅助选择的成本微量提取法提取微量提取法提取DNA，不需液氮处理的，不需液氮处理的DNA提取技术，提取技术，在提取过程中不利用特殊化学药品，降低提取缓冲液成在提取过程中不利用特殊化学药品，降低提取缓冲液成本本减少减少PCR反应体积反应体积 利用多重利用多重PCR方法方法 在琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶上多重上样在琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶上多重上样 相斥相分子标记相斥相分子标记 29第二节第二节 分子标记辅助选择的策略分子标记辅助选择的策略一、质量性状的选择一、质量性状的选择前景与背景选择前景与背景选择紧密连锁的标记和两侧标记紧密连锁的标记和两侧标记先前景后背景先前景后背景30二、数量性状选择二、数量性状选择QTL数量与效应数量与效应定位准确性定位准确性互作：互作：QTL-QTL, QTL-非非QTL31数量性状基因的转移数量性状基因的转移例子：MAS提高玉米杂种产量Stuber et.al. 1994323334将Tx303中有利QTL转移到B73的MAS育种方案35改良的B73Mo17测交组合的产量表现36三、回交育种外源基因的转移三、回交育种外源基因的转移前景与背景选择前景与背景选择100个个体，个个体，100个标记，三代回复到轮回亲本的个标记，三代回复到轮回亲本的99.2，随机选择则需，随机选择则需7代代去除目标基因两侧供体片段：分子标记需去除目标基因两侧供体片段：分子标记需2代；常规代；常规方法至少需方法至少需100代代37将将IRBB21中抗病基因中抗病基因Xa21导入到导入到优良恢复系明恢优良恢复系明恢63 383912个白叶枯病菌系混合接种鉴定品种/组合抗性40MH63(Xa21)MH63(CK)41四、基因聚合四、基因聚合（gene pyramiding）3个抗病基因（个抗病基因（Pi1，Piz-5，Pita）在水稻染色体上的定位）在水稻染色体上的定位 42MAS聚合3个抗稻瘟病基因的计划Piz-5，Pita纯合植株纯合植株43近等基因系及基因聚合材料对稻瘟病的抗性反应近等基因系及基因聚合材料对稻瘟病的抗性反应材料材料抗性基因抗性基因抗性反应（苗期接种抗性反应（苗期接种3030天后）天后）IRRIIRRI，菲律宾，菲律宾PonnampetPonnampet，印度，印度病叶面积病叶面积% %病斑类型病斑类型（级别）（级别）病叶面积病叶面积% %病斑类型病斑类型C101LACC101LACPi1Pi115155(5(感感) )20204-54-5C101A51C101A51Piz-5Piz-50 00 0（抗）（抗）/ /2 2C101PKTC101PKTPitaPita80805 5（感）（感）95955 5BL12BL12Pi1 Pi1 + + Piz-5Piz-50 0P P（高抗）（高抗）0 0/ /BL14BL14Pi1 Pi1 + + PitaPita15155 5（感）（感）20204-54-5BL24BL24Pita Pita + + Piz-5Piz-53 34 4（感）（感）4 44-54-5BL124BL124Pi1Pi1 + Pita+ Pita + + Piz-5Piz-50 0P P（高抗）（高抗）0 00 0CO39CO39nono90905 5（感）（感）1001005 544五、分子标记辅助育种与常规育种结合五、分子标记辅助育种与常规育种结合分子标记辅助选择育种已成为植物育种领域的热点分子标记辅助选择育种已成为植物育种领域的热点 分子标记辅助育种技术与常规育种技术应是相辅相成的分子标记辅助育种技术与常规育种。