分子标记辅助选择

第六章分子标记辅助选择选择是育种中最重要的环节之一。

所谓选择，是指在一个群体中选择符合要求的基因型。

但在传统育种中，选择的依据通常是表现型而非基因型，这是因为人们无法直接知道个体的基因型，只能从表现型加以推断。

也就是说，传统育种是通过表现型间接对基因型进行选择的。

这种选择方法对质量性状而言一般是有效的，但对数量性状来说，则效率不高，因为数量性状的表现型与基因型之间缺乏明确的对应关系。

即使是质量性状，有的也可能会因为表型测量难度较大或误差较大而造成表型选择的困难。

另外，在个体发育过程中，每一性状都有其特定的表现时期。

许多重要的性状（如产量和品质）都必须到发育后期或成熟时才得以表现，因而选择也只能等到那时才能进行。

这对于那些植株高大、占地多、生长季长的作物，特别是果树之类的园艺作物，显然是非常不利的。

总之，传统的基于表型的选择方法存在许多缺点，效率较低。

要提高选择的效率，最理想的方法应是能够直接对基因型进行选择。

分子标记为实现对基因型的直接选择提供了可能，因为分子标记的基因型是可以识别的。

如果目标基因与某个分子标记紧密连锁，那么通过对分子标记基因型的检测，就能获知目标基因的基因型。

因此，我们能够借助分子标记对目标性状的基因型进行选择，这称为标记辅助选择（MAS）。

这是分子标记在育种中应用的最主要方面。

第一节质量性状的标记辅助选择如前所述，传统的表型选择方法对质量性状一般是有效的，86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。

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，采用标记辅助选择可提高选择效率：（1）当表现型的测量在技术上难度很大或费用太高时；（2）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（甚至是对种子）就进行选择时；（3）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，表现出类似数量性状的连续变异。

许多常见的植物抗病性都表现为这种遗传模式。

这类性状的遗传表现介于典型的质量性状和典型的数量性状之间，所以有时又称之为质量-数量性状。

不过，育种上感兴趣的主要还是其中的主基因，因此习惯上仍把它们作为质量性状来对待。

这类性状的表型往往不能很好地反映其基因型，所以按传统育种方法，依据表型对其主基因进行选择，有时相当困难，效率很低。

因此，标记辅助选择对这类性状就特别有用。

一个典型的例子是大豆孢囊线虫病抗性的标记辅助育种（Young 1999）。

本节首先介绍质量性状标记辅助选择的基本方法（前景选择和背景选择），然后介绍它们在育种上的应用（基因聚合和基因转移）。

一、前景选择对目标基因的选择称为前景选择（foreground selection; Hospital and Charcosset 1997），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间连锁的紧密程度。

若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非常紧密，才能够达到较高的正确率。

假设某标记座位（M/m）与目标基因座位（Q/q）连锁，重组率为r，F1代基因型为MQ/mq，其中Q为目标等位基因，亦即要选择的对象。

由于M87与Q连锁在一起，因此在后代中可通过M来选择Q。

由第五章式(5.3)可知，在F2代通过选择标记基因型M/M而获得目标基因型Q/Q的概率（即单株选择的正确率）为：2=(6.1)p-)1(r从图6.1可以看出，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90%以上，则标记与目标基因间的重组率必须不大于0.05。

当重组率超过0.10时，选择正确率已降到80%以下。

不过，如果我们并不要求中选的所有单株都是正确的，而只要求在选中的植株中至少有一株是具有目标基因型的，那么，即使标记只是松弛地与目标基因连锁的，对选择仍然会很有帮助。

如果要求至少选到一株目标基因型的概率为P，则必须选择具有标记基因型M/M的植株的最少数目为：log pPn--=(6.2)1()1(log)图6.2给出了要求P= 0.99时，所要求的最少株数与重组率的关系。

由图可见，即使重组率高达0.3，也只需选择7株具有基因型M/M的植株，就有99%的把握能保证其中有1株为目标基因型；而如果不用标记辅助选择（相当于标记与目标基因间无连锁，重组率为0.5），则至少需选择16株。

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率。

假设有两个标记座位（M1/m1和M2/m2）各位于目标基因座位（Q/q）的一侧，与目标基因间的重组率分别为r1和r2，F1代的基因型为M1QM2/m1qm2。

那么，F1产生的标记基因型为M1M2的配子具有两种类型，一种包含目标等位基因（M1QM2），为亲本型，另一种包含非目标等位基因（M1qM2），为双交换型。

由于双交换发生的概率很低，因此双交换型配子的比例很小，绝大部分应为亲本型配子。

所以，在后代中通过同时跟踪M1和M2来选择目标等位基因Q，正确率必然很高。

在单交8889换间无干扰的情况下，可以推得，在F 2代通过选择标记基因型M 1M 2/M 1M 2而获得目标基因型Q /Q 的概率为：221212221])1)(1[()1()1(r r r r r r p +----= (6.3) 从式(6.3)可知，在两标记间的图距固定的情况下，r 1 = r 2（亦即目标基因正好位于两标记之间的中点）为最坏的情形，这时的选择正确率为最小。

图6.1和6.2分别显示r 1 = r 2时选择正确率以及P = 0.99时所要求的最少株数与r 1（或r 2）的关系。

可以看出，双标记选择的正确率确实比单标记选择高得多。

需要指出的是，在实际情况中，单交换间一般总是存在相互干扰的，这使得双交换的概率更小，因而双标记选择的正确率要比上述理论期望值更高。

图6.1 标记与目标基因间的重组率与F 2群体中标记辅助选择正确率的关系1020304050607080901001100.00.10.20.30.40.5重组率选择正确率（%）90图6.2 标记与目标基因间的重组率与F 2群体中标记辅助选择最小应选株数的关系二、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; Hospital and Charcosset 1997）。

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，因此，这里牵涉到一个全基因组选择的问题。

在分离群体（如F 2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。

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来源（指来自哪个亲本），进而可以推测出该个2468101214161800.10.20.30.40.5重组率最小应选株数体中所有染色体的组成。

考虑一条染色体，如果两个相邻标记座位上的等位基因来自不同的亲本，则说明在这两个标记之间的染色体区段上发生了单交换或更高的奇数次交换；如果两标记座位上的等位基因来自同一个亲本，则可近似认为这两个标记之间的染色体区段也来自这个亲本，因为在这种情况下，该区段上只可能发生偶数次交换，而即使是最低的偶数次交换（即双交换），其发生的概率也是很小的。

这样，根据两个相邻的标记，就能够推测出它们之间的染色体区段的来源和组成。

将这个原理推广到所有的相邻标记，就可以推测出一个反映全基因组组成状况的连续的基因型，这种连续的基因型能直观地用图形表示出来，称为图示基因型（graphic genotype；Young and Tanksley 1989a）。

目前已有一些专门用于绘制图示基因型的计算机软件（沈利爽等2000）。

图6.3给出了一个栽培番茄与野生番茄杂交的F2个体的图示基因型。

图6.3一个栽培番茄×野生番茄的F2个体的图示基因型. 共12对染色体, 白色表示来自栽培番茄的区段, 黑色表示来自野生番茄的区段, 灰色表示发生了单交换的区段, 横杠表示标记所在位置. 每对染色体左边数字表示标记的基因型, 1为栽培番茄基因型, 2为杂合基因型,3为野生番茄基因型. 染色体10有两种可能的图示基因型（引自Young and Tanksley 1989a, 并作修改）91图示基因型使人们对每一个体的基因组组成情况一目了然，大大方便了对遗传背景的选择。

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进一步进行背景选择，以加快育种进程。

三、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。

这在抗病育种中是一个重要的育种目标。

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，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。

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。

多抗性还可指一个品种具有抵抗多种病害的能力，这同样也牵涉到聚合不同抗性基因的问题。

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，因此往往比较麻烦。

特别是，在基因聚合过程中，必须对不同的抗性基因分别进行鉴定，更增加了实际操作上的难度。

有时还可能因手头缺乏某种所需的致病菌菌株而使抗性鉴定难以进行。

用标记辅助选择方法进行基因聚合则避免了上述困难。

在进行基因聚合时，通常只关注目标抗性基因，即只进行前景选择，暂时可不理会遗传背景。

下面给出一个通过标记辅助选择聚合水稻抗稻瘟病基因的实际例子（Zheng et al. 1995）。

首先是应用分子标记技术将3个抗稻瘟病基因（Pi-2、Pi-1和Pi-4）在水稻第6、11和12号染色体上进行定位（图6.4），然92图6.43个抗稻瘟病基因Pi-2、Pi-1和Pi-4在水稻第6、11和12号染色体上的定位（引自Zheng et al. 1995, 并作修改）图6.5 利用分子标记聚合3个抗稻瘟病基因Pi-2、Pi-1和Pi-4的试验方案（引自Zheng et al. 1995, 并作修改）93后利用连锁标记将这3个抗性基因聚合起来。