水稻育种第6节-分子标记辅助选择和转基因育种-2012年

质量性状基因定位 近等基因系分析法
（Near Isogenic Line, NIL）
群体分离分析法
（Bulked segregant analysis, BSA）
基因性状表现型的BSA法 基因标记基因型的BSA法
极端集团隐性群法
a. 近等基因系分析法
近等基因系培育示意图
近等基因系分析法的基本原理
A
例
回交育种的目的是将A 品种的抗病基因导入到 B品种中。
B
B（A）
假设A品种为普通品种， 但含有2个抗病基因， 而B品种为综合性状好 的优良品种，不含抗病 基因。
第一步，基因 型分析，做出
各个BC1植株的 图示基因型。 以其中3个单株 为例。
× √ √
第二步，前景选择 植株1只含一个来自 亲本A的抗病基因， 所以在前景选择中 即被淘汰。 植株2和3含有两个 抗病基因，都符合 前景选择的要求。
因此，在这两个DNA池间表现出多态性的DNA标记， 就有可能与目标基因连锁。
图4.3
BSA法分析原理示意图.
Bulk 1，2指按目标性状差异的分 组；1，2，3，4指组中不同个体； L1，L2，L3分指不同座位，L3为 目标座位；R，r为座位3（L3）中 不同等位基因
3)数量性状基因座连锁标记的筛选（QTL定位）
*T175 313133103331331131133313111203133311333333313131110131300331 313133103313311311 *T93 313233103321233131133313111313121311333323321131311133311111313233103131133313 *C35 313133103331331131133313111203133311333333313131110131300331 313133103313311311 *C66 313133103331331131133313111203133311333333313131110131300331 313133103313311311
pi13
AP5659.5
转移单个广谱抗性基因的育种途径
优质亲本R288
×
F1
抗稻瘟病品种
×
BC1 …
R288
连锁标记MAS
BC1F3，BC2F2，BC3F1，BC4
…
2011年
BC1F8、BC2F7、BC3F6等
聚合多个广谱抗性基因的育种途径？
抗病鉴定圃
部分抗病株系
感病对照
部分抗病优质材料田间表现
1.基因转移
常规育种手段和分子标记辅助选择相结合
基因转移的常规育种手段： 采用回交的方法，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 除了来自供体亲本的目标基因之外，基因组的其它 部分全部来自受体亲本。 分子育种手段：
同时进行前景选择和背景选择。
基因转移过程中前景和背景选择的作用？
MAS的优点：
用标记辅助选择方法进行基因聚合则避免了上述困 难。
例1
通过标记辅助选择改良稻瘟病抗性
Chr.11
Chr.12
Pi47
pi13
75-1-127(pi9) Jefferson(piz) 谷梅2号(pigm) 魔王谷(pi13)
湘资3150 (pi47和pi48)
Pi48
400bp 300bp 200bp
②具有在大群体中利用分子标记进行筛选的有效手段， 目前，主要应用自动化程度高，相对易于分析，且 成本较小的PCR技术。 ③筛选技术在不同实验室间重复性好，且具有经济、 易操作的特点。 ④应有实用化程度高并能协助育种家作出抉择的计算 机数据处理软件。
2）作物MAS育种的基本方法
a.前景选择
b.背景选择
单标记法的原理
Plant height (cm) AA XMC(cm) 195
Aa
aa
BB
Bb
bb
197
195
206
196
187
F = 0.48 ns
F = 6.47**
2.作物MAS育种流程
1）作物MAS育种需具备的条件
①分子标记与目标基因共分离或紧密连锁，一般要求 两者间的遗传距离小于5cM，最好1cM或更小。
抗病优质材料配制的杂交组合
例2
通过标记辅助选择聚合水稻抗稻瘟病基因 （Zheng et al. 1受体亲 本B的成分所占的比例 较大，且每个目标基因 附近都发生了重组，已 去除了其周围较大部分 来自供体亲本A的染色 体成分。因此，在背景 选择中，以植株3更理 想，用它作为下一轮回 交的亲本，可以更快恢 复成亲本B的基因组 （除目标基因外）。
×
√
2. 基因聚合
基因聚合（gene pyramiding）就是将 分散在不同品种中的 有用基因聚合到同一 个基因组中。
x F1
P2
Resistant
F2
Method whereby phenotypic selection is based on DNA markers
借助分子标记对目标性状的基因型进行选择 (育种)，称为分子标记辅助选择(育种)。
Marker assisted selection (MAS)
分子标记辅助选择的优势
第六节 分子标记辅助选择和转基因育种
一、分子标记辅助选择育种
（一）分子标记辅助选择的基本原理 （二）分子标记辅助选择的基本流程 （三）分子标记辅助选择在水稻育种上的应用
二、转基因育种
一、分子标记辅助选择育种
(一) 分子标记辅助选择的基本原理
植物育种基础与环节 变异：发现和创造育种上有利的遗传变异
构建连锁图常用的试验群体
P1 x P2 临时性群体 F1 F1 x P1 (or P2) F1 x P3 F1
F2
BC1
三交F1
anther culture
………
永久性群体
RIL
BIL
DH
亲本1
× F1
亲本2
筛选获得在亲本间呈 多态性的分子标记
基因型分离群体（F2、 BC1、DH和RIL等）
利用这些多态性的分子 标记对分离群体的各个 单株进行基因型分析
分离群体的类型
根据其遗传稳定性可将分离群体分成两大类： 一类称为暂时性分离群体，如F2、F3、F4、BC1、三交群体等， 这类群体中分离单位是个体(单株)，一经自交或近交其遗传 组成就会发生变化，无法永久使用。 另一类称为永久性分离群体，如重组自交系（RIL）、加倍单 位体（DH）群体等，这类群体中分离单位是株系，不同株系 之间存在基因型的差异，而株系内个体间的基因型是相同且 纯合的，是自交不分离的。这类群体可通过自交或近交繁殖 后代，而不会改变群体的遗传组成，可以永久使用。
Marker A
5 cM
基因或QTL
Marker A
Marker B
5 cM
基因或QTL 5 cM
b.背景选择 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（background selection）。
1 2 3 4
BACKGROUND SELECTION
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。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。
选择适合作图的DNA标记 SSR标记 选择用于建立作图群体的亲本组合 XZ3150/CO39 建立具有大量DNA标记处于分离状态的分离群体
RIL
测定作图群体中不同个体或株系的标记基因型
标记基因型数据连锁分析
构建标记连锁图
2) 质量性状基因连锁标记的筛选（基因定位）
若标记覆盖整个基因组
a.前景选择
对目标基因的选择称为前景选择（foreground selection） (1)单标记选择
1 2 3 4
(2)双标记选择
1 2 3 4
Target locus
分子标记必须与目标基因紧密连锁
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。

理想的分子标记与目标基因的遗传距离 <5 cM
如果一对近等 基因系在目标 性状上表现差 异，那么，凡 是能在这对近 等基因系间揭 示多态性的分 子标记，就可 能与目标基因 连锁。
b. 群体分离分析法的基本原理
依据目标性状表型的相对差异（如抗病与感病）， 将个体或株系分成两组，然后分别将两组中的个体或 株系的DNA混合，形成相对的DNA池。 这两个DNA池之间除了在目标基因座所在的染色体 区域的DNA组成上存在差异之外，来自基因组其它部分 的DNA组成是完全相同的。
目标基因的标记筛选(gene tagging)是进行 MAS育种的基础。 用于MAS育种的分子标记需具备3个条件：
① 分子标记与目标基因紧密连锁(最好lcM或更小， 或共分离)； ② 标记适用性强，重复性好，而且能经济简便地 检测大量个体(当前以PCR为基础)； ③ 不同遗传背景选择有效。
1) 遗传图谱的构建
. . .
计算机软件如mapmarker等进行连锁分析
M1rkers Dist1nce 1 T175 4.2 cM 3 C35 15.0 cM 2 T93 11.9 cM 5 C66 12.2 cM 6 T502 43.2 cM 5 m1rkers log0likeli3ood= 0424.94
遗传作图的主要步骤
比表型鉴定方法简单
表型鉴定需要花费大量劳动力的性状 节约成本和劳力
选择时期自由，特别是早期选择可加快选择进程
如品质性状等 开花前选择可提早确定目标单株用于回交
提高可信度
不受环境条件的影响 能区分杂合和纯合单株。
降低试验成本，提高选择效率
减少用地
（二）分子标记辅助选择的基本流程 1. 获得与目标性状连锁的标记(基因定位)
1 2 M 3 4 5 6
1 2
3 4 5 6
1 2
3 4 5 6
1 2 3 4 5
6
AP5659.5
RM19814
SFP2-5
100bp
RM7178
1-6分别代表魔王谷、谷梅2号、75-1-127、288、Jefferson和 Tianye；M为DNA Ladder
RM7178 RM19814 SFP2-5
2. 基因聚合
抗病育种中的应用 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小种的能力， 亦即具有多抗性，这样就不容易因 致病菌优势小种的变化而丧失抗性。
传统育种的困难：
抗性鉴定需要人工接种，必须在一定的发育时期进 行，并要求严格控制接种条件，操作困难。
在基因聚合过程中，必须对不同的抗性基因分别进 行鉴定，更增加了实际操作难度。
前景选择的作用：
保证从每一回交世代选出的作为下一轮回交亲本
的个体都包含目标基因。 背景选择的作用： 加快遗传背景恢复成轮回亲本基因组的速度， 以缩短育种年限。 可以避免或减轻连锁累赘
针对番茄基因组进行的计算机模拟研究显示，如果每一回交 世代产生30个植株，那么，用分子标记对整个基因组进行选 择，只需3代即能完全恢复成轮回亲本的基因型，而采用传 统的回交育种方法则需6代以上。==》背景选择的重要性
(三)分子标记辅助选择在水稻育种上的应用
1. 基因转移
2. 基因聚合
1.基因转移
基因转移（gene transfer）或基因渗入（gene transgression）是指将供体亲本中的有利基因（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。
遗传：采用合理先进的育种手段方法，将优良基因重组在一起
选择：应用准确有效的选择鉴定技术，筛选出优良的重组类型
常规育种
P1
受体
x F1
P2
供体
F2 包含大量个体的分离群体 表 型 鉴 定 和 选 择
苗期耐逆境鉴定
抗病、虫性鉴定
营养元素利用效率鉴定
分子标记辅助选择育种
Susceptible
P1
原理：QTL定位实质上就是分析分子标记与QTL之间的连
锁关系，其基本原理是对个体的基因型（Maker基因型） 进行分组，根据不同基因型组别的表型差异来推断QTL与 Marker是否连锁。
QTL定位的主要方法有：
均值差检验法（单标记法） 性状-QTL回归法（区间法） 性状-QTL-标记回归法（复合区间定位法）
遗传作图：采用遗传学分析
方法将基因或DNA标记顺序标
定在染色体上，从而构建连锁
图的过程。
遗传作图的主要步骤
选择适合作图的DNA标记
选择用于建立作图群体的亲本组合 建立具有大量DNA标记处于分离状态的分离群体 测定作图群体中不同个体或株系的标记基因型 标记基因型数据连锁分析 构建标记连锁图