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分子标记辅助选择优越性和应具备的条件

花匠小妙招
2024-09-21 09:37

利用传统的选择方法，成功地培育了大量的品种。但是，在传统育种过程中，主要凭借育种经验依据表型对后代进行选择，无法对目标基因的基因型进行直接选择。因此，选择效率和准确性较低。而利用分子标记可从DNA水平上直接鉴定个体的基因型，避免了表型推测基因型不准确等缺点。无论是对质量性状还是连续变异的数量性状，利用分子标记辅助选择可显著提高选择效率和准确性，加快育种进程。具体而言，分子标记辅助选择有以下优越性。

(1)克服性状表型鉴定的困难。有些性状，如地下部(根系)、抗病虫、耐逆等性状的表型鉴定技术难度大、程序繁琐、鉴定费用高，难以大规模进行。同时，低世代因育种材料较少，不允许做重复鉴定。另外，在回交转育的前期，一些受隐性等位基因控制的有利表型无法进行鉴定，只能通过后代分离出的隐性纯合个体，才能确定表型。而利用标记直接选择目标基因型，则可以有效地克服性状表型鉴定的困难。

(2)可在生长发育早期选择。有些性状不仅需要特定的生长环境，还要在个体发育到一定阶段才能表现，如抽穗开花耐热性、耐冷性、抗病性、经济产量、品质等性状只能在个体发育后期才能进行鉴定评价，用传统的选择方法很难准确选择，且效率低。利用分子标记进行基因型鉴定，可以在早期对幼苗(甚至对种子)进行检测和选择。特别是对多年生的作物或生长周期较长的果树或经济林木的选育，如果在早期利用分子标记鉴定基因型，可以将更多的群体纳入研究选择的对象之中，从而可以对其施加更大强度的选择压力。因此，利用分子标记选择技术可以减少田间种植群体的大小，节约人力、物力和财力，大大减少工作量，加快育种进程。

(3)控制同一性状的多个(等位)基因的利用。在植物中，存在同一性状(如抗病、抗虫、株高、粒重等)受多个基因控制的现象。此外，在同一位点上也存在不同(复)等位基因，根据性状表型很难区分不同等位基因。例如，水稻中已知抗白叶枯病的基因就有20多个。通常用多个不同生理小种接种鉴定，非常繁琐，且当一个品种中存在多个抗病基因时，利用抗性表现来判断其基因型很不准确。因此，利用分子标记对基因型的直接选择，不仅可以鉴定一个个体携带哪些基因，还可以快速、准确地将控制同一性状的多个基因进行聚合。目前已有报道指出，利用分子标记辅助选择，进行不同抗病基因的聚合(累积)和多系品种的培育，可以提高品种抗病广谱性和持久性水平。

(4)允许同时选择多个性状。在育种实践中，对于目标性状(产量、品质、抗病性、抗虫性等)往往需要综合考虑。在常规育种中，虽然可以在不同世代对所有目标性状同时选择，但是由于各性状间可能存在一定相互作用，在对某一目标性状做鉴定时，容易受到其他性状的影响。而应用分子标记可以同时对多个性状进行筛选，并且不受环境和表型鉴定的影响。

(5)性状评价和选择不具有破坏性。有一些性状在直接利用表型进行评价时，对植株具有一定的破坏性，严重的可导致无法收获到种子，甚至植株死亡。例如，对植株进行生物胁迫(病、虫等)以及非生物胁迫(低温、干旱、盐碱等)抗(耐)性的鉴定时，对植株生长影响很大，导致收获到的后代种子减少，甚至收获不到种子。另外，对种子品质性状的分析，往往以损伤种子的生活力为代价。而利用分子标记技术只需少量组织或叶片，植株还可继续生长至成熟，以便育种工作者同时对该育种群体进行其他性状的选择。在育种项目的初期，育种材料较少，非常珍贵，进行非破坏性鉴定评价尤为重要，而利用分子标记技术则可部分克服这些困难。

(6)可提高回交育种效率。将一个目标基因从一个亲本转移到另一个亲本中，传统方法是通过5～10代的回交转育来完成的。在每个回交世代中，不仅要选择被转移的等位基因的表型，还要选择轮回亲本的其他性状的表型。利用分子标记技术，不仅可以直接选择目标基因，而且可以进行背景选择，缩短回交转育的周期。另外，从野生祖先种中发掘和利用有利基因已经成为当前遗传资源研究的热点。但是这些野生种质往往在农艺性状、生长习性等方面表现较差。如果通过传统的回交转育的方法，将野生种的优良基因导入到栽培种中同时，也将与其紧密连锁的不利基因一起导入，这种现象称为连锁累赘(linkage drag)。Young和Tanksley (1989)研究认为，利用传统回交方法将一个野生种的优良基因转移到栽培品种中，回交20代以上还有可能带有100个以上的其他非期望基因。利用分子标记可以允许选择出那些含有重组染色体(打破了连锁累赘)的个体，从而帮助减小不需要的染色体片段，可提高育种效率至少10倍以上。如果已经将目标基因精细定位，则利用目标基因左、右两侧1 cm之内的标记，只需2个世代就能从分离群体中找到携带目标基因且供体染色体片段最小的个体，可将连锁累赘减轻到较小的程度，而传统的选择方法可能平均需要100代才能完成(图13-6)。

图13-6计算机模拟分子标记辅助选择显著消除连锁累赘(引自Tanksley et al. , 1989，并作修改)

分子标记辅助选择应具备的条件

分子标记辅助选择是依据标记基因型推断目标性状基因存在与否，从而选择携带目标基因的个体。与以往的遗传标记相比，DNA标记具有数量多、遗传多样性高、无表型效应、不受环境限制和影响、检测手段简单快捷、分析效率高等特征。分子标记的出现大大弥补了形态标记、生化标记的局限性，为标记辅助育种提供了崭新的方法。

通常来说，分子标记技术应用于辅助选择育种应具备以下基本条件。

(1)高效的分子标记基因型检测方法。在作物育种实践中，利用分子标记进行辅助选择，通常需要进行大规模的群体标记基因型分析，因而要求标记基因型检测方法具有简单、快速、准确、成本低廉、检测过程(包括DNA提取、分子标记的检测、数据分析等)自动化的特征。另外，也要求检测技术在不同实验室或使用者间具有很好的重复性。基于聚合酶链式反应(PCR)技术的分子标记，如SSR, STS, SCAR, CAPS等标记，检测步骤及基因型分析相对简单，可用于质量性状或主效基因(QTL)的辅助选择。另外，AFLP标记可同时分析几十甚至上百个位点，检测效率高，在分子标记辅助选择中具有很大的发展潜力。但这些标记类型受到标记数量及自动化分析等因素的限制，均难以实现快速的全基因组辅助选择。目前，基因芯片(SNP检测)和第二代基因组测序技术发展迅速，能够实现标记基因型的高通量检测和自动化分析，使得高密度遗传连锁图谱的快速构建和QTL的精细定位成为现实。尽管利用这两项技术进行基因型的检测成本较高，但是这种高通量的检测方法仍将成为分子标记技术的主要发展方向之一，如何降低基因型鉴定成本将是该技术推广应用的关键所在。

(2)获得与目标基囚紧密连锁的分子标记。如前所述，分子标记辅助选择的准确性取决于目标基因座位与标记间的连锁程度，二者之间连锁越紧密，分子标记辅助选择的准确性越高。除此之外，分子标记辅助选择的准确性也与QTI、效应大小的准确估计有关。目前，主要作物，如水稻、玉米、小麦、大麦、西红柿、马铃薯等均已经构建了高密度的分子遗传图谱。在此基础上，通过遗传群体构建和基因(QTL)定位分析，获得了大量与重要农艺性状紧密连锁的分子标记。至2010年，Gramene数据库(www. gramene. org)已经收集了11624个来自10个不同物种的QTL。QTL两侧标记数达到21671个(Youens-Clark et al.,2011)。这些工作为分子标记辅助选择育种奠定了良好的基础。近年来，随着植物功能基因组的发展，成功克隆了越来越多的控制重要农艺性状的基因，鉴定出影响表型的关键变异或单倍型，进而开发可用于辅助选择的分子标记，实现了利用标记直接选择基因。

(3)对于复杂的数量性状的分子标记辅助选择育种，不仅需要了解不同等位基因的遗传效应，而且需要了解控制相同性状的基因间的互作(上位性)关系以及与环境的相互作用。大多数农艺性状为数量性状，遗传基础比较复杂，表现为多基因控制的遗传特征。但是由于目前用于QTI、作图所用群体较小，QTL上位性检测能力较弱，可能低估QTL上位性效应，进而影响了分子标记辅助选择的效率。因此，只有清晰地描绘出控制重要农艺性状的遗传调控网络，才可能更好地发挥分子标记辅助选择在作物育种中的重要作用。