分子标记如何帮助性状进行遗传改良? 返回

二十一世纪以来,分子生物学、基因组学、生物信息学、电子计算机等学科飞速发展,并与作物育种应用领域紧密结合。运用分子生物学技术,通过直接手段或间接手段选育新品种。

分子育种的优势
现在以土豆为例,假设培育一个抗土豆晚疫病的新品种,但问题是土豆晚疫病的抗性(好性状)和一些不好的性状(如高毒素含量或容易变黑)很容易一起传递到后代中。

传统的育种方法:将有抗性的野生土豆和栽培土豆杂交,我要从杂交的后代里筛选出抗晚疫病,同时毒素含量较低并且不容易变黑的土豆进行下一轮杂交。但是通过这种方法,需要进行十年甚至几十年的努力才能得到我们需要的品种。而当二十年后终于得到了这个抗病品种的时候,很可能这个抗病能力已经被病原克服(即抗病基因失效)了。

分子育种:土豆的基因组序列,一共有12条染色体,图中蓝色的方块就代表这些分子标记,红色代表我们需要的晚疫病抗性基因,灰色方块代表和抗性基因距离很近的“不好的”基因,我们的育种目标是只保留抗病基因,而避免高毒素或者容易变黑等不好的性状。现在有了分子标记,不需要再像传统育种项目那样进行大规模的表型测试,只需要提取杂交后代的DNA,然后利用已有的分子标记对这些材料进行基因型筛选就好。如果把基因组想成一副地图,那么分子标记就是基因组的“路标”,有了这些“路标”我们就能知道“具体建筑”(基因)的位置。

需要保留红色的“晚疫病抗性基因”,但同时要去掉茄碱和褐化基因,那么就要寻找带有标记1和标记2,同时不带有标记3和标记4的个体。当然,受限于群体数量,还是要反复进行几轮回交从而筛选掉大部分野生型的基因组。

综上,比起传统育种,分子育种更加精确、更加高效,能够实现从“经验育种”到“精确育种”的转化。分子育种最大的梦想就是可预测、不依赖经验。有了分子标记这个工具,可以大大加速植物育种,同时让育种项目的目标和结果都变得更加容易掌控。虽然,分子标记育种可以加快植物育种的速度,但是我们先来考虑这样的一个问题:分子标记从哪儿来?

开发分子标记
分子标记,是以个体间遗传物质内核苷酸序列变异为基础的遗传标记,主要包括:
1、SNP,单核苷酸多态性;
2、INDEL,插入(Insert)或者缺失(Deletion);
3、SV,结构变异;
4、CNV,拷贝数变异。

分子标记是DNA水平遗传多态性的直接的反映。随着分子生物学技术的发展,DNA分子标记技术已广泛应用于遗传育种、基因组作图、基因定位、物种亲缘关系鉴别、基因库构建、基因克隆等方面。分子标记已在玉米、大豆、鸡、猪等动植物育种和生产中有许多应用研究,主要集中在基因定位、辅助育种、疾病治疗等方面的应用研究工作,取得了一些应用成果。

如果需要进行分子育种,我们首先要获得分子标记的连锁图谱。目前,主要通过高通量测序开发分子标记:
1、基因组denovo;
2、全基因组重测序(Re-sequencing);
3、简化基因组测序RAD和GBS;
4、RNA-seq(有参)。


如何帮助复杂数量性状的遗传改良?
1、QTL定位
遗传图谱技术路线:

案例1:

背景:芝麻(在基因组公布前)缺乏足够的标记和遗传图谱对数量性状进行定位。
目标:使用RAD技术构建高密度遗传图谱,对产量相关性状进行定位。
策略:RAD测序,RIL群体全群个体基因分型。

案例2:

目标:精细定位种子重量(百粒重)相关的QTL基因。
材料:F4群体
策略:全基因组重测序测序,BSA分析(a、混合池分析,减少了建库和测序成本;b、重测序检测高密度标记 + 滑动窗口的策略,减少基因频率随机波动的影响。)

2、全基因组关联分析GWAS
全基因组关联分析的基因型数据可以来自全基因组测序、简化基因组测序(RAD、GBS)或高密度SNP芯片。三种策略的优缺点和建议测序深度如下表:

GWAS 中应用不同SNP检测方法的对比                   

总体分析思路:

分析思路主要涉及三个部分:
1、表型分析
包括表型数据的获得和预处理。主要涉及对离群样本的剔除以及针对多年多点表型数据进行育种值估计(BLUP 分析) ;

2、基因型分析
主要包括从高通量测序数据中检测 SNP 并过滤,以及基于 SNP 数据的各项群体分析;

3、全基因组关联分析
利用前两步表型和基因型分析的结果, 进行全基因组关联分析。 并针对关联区域进行局部单倍型分析和关联区域注释。

案例3:

高粱是发展中国家半干旱地区约5亿人口的主食,因此,需加速高粱的育种改良以应对气候变化。但是,对高粱的基因组遗传多样性、农业性状基因的研究还很不够。因此,就有了这些大牛的合作,对971株来自世界各地、适应不同农业气候的高粱进行遗传多样性分析和农业性状相关基因的定位。

随着分子生物学以及基因组学的飞速发展,植物育种学的工具箱已经越来越丰富。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。发掘控制育种性状的基因,选择控制特定育种目标的基因型,分析达到目标基因型的途径,制定生产品种的育种方案,利用设计育种方案开展育种工作。因此,分子育种对培育优良品种具有重要意义。

更多的原创文章,可继续关注我们网站动态发布,同时关注基迪奥微信~扫一扫添加基迪奥好友~随时随地关注行业动态!