作物分子设计育种ppt课件
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《分子育种》课件
基因编辑技术为农作物和动物的遗传改良提供了强有力的工具，可以实现对特定基因的敲除、敲入和敲减等操作，从而达到改良品种和提高生产性能的目的。
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历史回顾
自20世纪50年代以来，分子育种经历了从传统育种到基因工程育种的发展历程，技术手段不断更新和完善。
02
分子育种技术
基因克隆技术是一种通过无性繁殖的方式，将一个DNA片段复制出多个相同片段的技术。
该技术包括限制性内切酶、DNA连接酶和质粒等关键酶和元件，通过限制性内切酶将DNA双链切开，再利用DNA连接酶将切开后的DNA片段与质粒连接，最后将连接产物导入宿主细胞中，实现基因的克隆。
特点
提高育种效率
分子育种能够大幅度缩短育种周期，提高育种效率，加速新品种的培育进程。
优化品种性状
通过精确地定向改良，分子育种能够显著改善品种的性状，提高农作物的产量、品质和抗逆性。
促进农业可持续发展
分子育种有助于培育抗病虫害、抗除草剂等新品种，减少化学农药的使用，降低环境污染，促进农业可持续发展。
提高玉米的抗逆性和产量，减少农药使用，降低生产成本，对保障全球粮食安全具有重要意义。
转基因玉米的争议
关于转基因食品的安全性、对环境和生态的影响等方面存在争议，需要进一步研究和评估。
转基因玉米的研发过程
利用转基因技术将抗虫、抗病、抗旱等外源基因导入玉米细胞，经过组织培养获得转基因植株，再经过多代选育和试验，最终获得具有优良性状的转基因玉米品种。
通过基因工程技术，研发新型疫苗，预防传染病。
疫苗研发
作物育种学总论ppt课件
《作物育种学》总论
第一章 绪 论
第二章 育 种 目 标
第三章 作物繁殖方式及品种类型
第四章 种 质 资 源
第五章 引种和选择育种
第六章 杂 交 育 种
第七章 杂 种 优 势 利 用
第八章 诱 变 育 种
第九章 远缘杂交和倍性育种
第十章 抗 病 虫 育 种
ppt精选版
1
• 第十一章 • 第十二章 • 第十三章 • 第十四章 • 第十五章
ppt精选版
12
栽培作物的来源：
驯化，由野生植物驯化为栽培作物 创造，人工合成新物种 引种，从外国或其它生态区引进新品种
ppt精选版
13
遗传改良的作用：
1 提高作物品种的适应性，扩大其种植区域 2 改良其农艺性状，更利于栽培管理 3 提高单位面积产量水平，以提高总产 4 改进产品品质，适应人类生活不断提高的需要 5 增强对病虫害和环境胁迫的抗耐性，达到稳产
抗性、品质等方面都能符合生产发展的需要。
ppt精选版
24
由以上可以看出
作物品种是重要的农业生产资料。 优良品种的时间性和区域性。
优良品种包括品种品质和播种品质两层含义。
ppt精选版
25
二、作物优良品种在发展作物生产中的作用
1. 提高单位面积产量。
在同样的区域和耕作栽培条件下，一般可增 产20-30%，甚至达到40-50%。
种具有 优良的品质 （如出米率高、出粉率高、蛋白质含
量高、脂肪含量高、含糖量高、纤维内在品质好、有害物
质含量低等），甚至要求具有一定的 品质产量（如蛋白
质产量、脂肪产量等）。
四、适 应 性 强
培育作物品种即要考虑适应本地当前的自然条件，又
第一章 绪 论
第二章 育 种 目 标
第三章 作物繁殖方式及品种类型
第四章 种 质 资 源
第五章 引种和选择育种
第六章 杂 交 育 种
第七章 杂 种 优 势 利 用
第八章 诱 变 育 种
第九章 远缘杂交和倍性育种
第十章 抗 病 虫 育 种
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• 第十一章 • 第十二章 • 第十三章 • 第十四章 • 第十五章
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栽培作物的来源：
驯化，由野生植物驯化为栽培作物 创造，人工合成新物种 引种，从外国或其它生态区引进新品种
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13
遗传改良的作用：
1 提高作物品种的适应性，扩大其种植区域 2 改良其农艺性状，更利于栽培管理 3 提高单位面积产量水平，以提高总产 4 改进产品品质，适应人类生活不断提高的需要 5 增强对病虫害和环境胁迫的抗耐性，达到稳产
抗性、品质等方面都能符合生产发展的需要。
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由以上可以看出
作物品种是重要的农业生产资料。 优良品种的时间性和区域性。
优良品种包括品种品质和播种品质两层含义。
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二、作物优良品种在发展作物生产中的作用
1. 提高单位面积产量。
在同样的区域和耕作栽培条件下，一般可增 产20-30%，甚至达到40-50%。
种具有 优良的品质 （如出米率高、出粉率高、蛋白质含
量高、脂肪含量高、含糖量高、纤维内在品质好、有害物
质含量低等），甚至要求具有一定的 品质产量（如蛋白
质产量、脂肪产量等）。
四、适 应 性 强
培育作物品种即要考虑适应本地当前的自然条件，又
《作物育种学总论》课件
分子辅助育种
利用分子生物学技术辅助传统育种，加速品 种的遗传改良。
作物品种改良的途径与方法
选择育种
通过选择优良个体，培 育新品种的方法。
杂交育种
利用不同品种间的杂交 优势，创造新品种的方
法。
诱变育种
利用物理、化学等因素 诱发基因突变，创造新
品种的方法。
基因工程育种
利用基因工程技术将外 源基因导入作物中，创
04
作物品种改良的目标与策略
作物品种改良的目标
01
02
03
04
提高作物产量
通过改良品种，提高单位面积 产量，满足日益增长的食物需
求。
增强抗逆性
提高品种对环境胁迫的抗性， 如抗旱、抗寒、抗病虫害等， 提高作物的适应性和稳定性。
改善品质
改良品种的品质特性，如营养 价值、口感、色泽等，满足消
费者多样化的需求。
诱变育种
利用物理、化学或生物诱变剂处理种子，诱发基因突 变，从中选择和培育具有优良性状的新品种。
选择育种
通过对自然变异或人工创造变异的选择，选育符合人 们需要的优良品种。
现代育种技术
基因工程育种
利用基因工程技术，将外源基因导入作物中，创 造具有优良性状的新品种。
细胞工程育种
通过细胞培养和细胞融合等技术，创造具有优良 性状的新品种。
作物育种实践案例分析
水稻育种
介绍我国在水稻育种方面取得的成就和典型案例，如超级稻的培 育及其在农业生产中的应用。
小麦育种
分析小麦育种的目标和方法，以及在提高产量、品质和抗逆性方面 的实践成果。
玉米育种
探讨玉米育种的发展历程、现状和未来趋势，以及在提高产量和抗 逆性方面的实践案例。
利用分子生物学技术辅助传统育种，加速品 种的遗传改良。
作物品种改良的途径与方法
选择育种
通过选择优良个体，培 育新品种的方法。
杂交育种
利用不同品种间的杂交 优势，创造新品种的方
法。
诱变育种
利用物理、化学等因素 诱发基因突变，创造新
品种的方法。
基因工程育种
利用基因工程技术将外 源基因导入作物中，创
04
作物品种改良的目标与策略
作物品种改良的目标
01
02
03
04
提高作物产量
通过改良品种，提高单位面积 产量，满足日益增长的食物需
求。
增强抗逆性
提高品种对环境胁迫的抗性， 如抗旱、抗寒、抗病虫害等， 提高作物的适应性和稳定性。
改善品质
改良品种的品质特性，如营养 价值、口感、色泽等，满足消
费者多样化的需求。
诱变育种
利用物理、化学或生物诱变剂处理种子，诱发基因突 变，从中选择和培育具有优良性状的新品种。
选择育种
通过对自然变异或人工创造变异的选择，选育符合人 们需要的优良品种。
现代育种技术
基因工程育种
利用基因工程技术，将外源基因导入作物中，创 造具有优良性状的新品种。
细胞工程育种
通过细胞培养和细胞融合等技术，创造具有优良 性状的新品种。
作物育种实践案例分析
水稻育种
介绍我国在水稻育种方面取得的成就和典型案例，如超级稻的培 育及其在农业生产中的应用。
小麦育种
分析小麦育种的目标和方法，以及在提高产量、品质和抗逆性方面 的实践成果。
玉米育种
探讨玉米育种的发展历程、现状和未来趋势，以及在提高产量和抗 逆性方面的实践案例。
《作物分子设计育种》课件
作物适应性提升
利用分子设计育种技术提高作物对环境适应的能 力，增强其抗逆性。
作物遗传多样性保护
利用分子设计育种技术保护作物自然遗传多样性。
未来展望
分子设计育种有望在粮食安全、生态环境保护和 可持续农业发展方面发挥重要作用。
实践案例分享
水稻分子设计育种
利用分子设计育种技术改良水稻 的产量和抗逆性，为粮食安全做 出贡献。
玉米分子设计育种
通过分子设计育种技术提高玉米 的品质和耐旱性，满足不同地区 的种植需求。
小麦分子设计育种
利用分子设计育种技术改良小麦 的抗病性和适应性，提高产量和 品质。
总结
• 分子设计育种的优势是可以针对性地改良作物的特性，提高产量和适应性。 • 分子设计育种的挑战是技术的复杂性、道德伦理的问题以及公众对基因编辑的质疑。 • 分子设计育种有着广阔的应用前景，可以为粮食安全和农业发展做出重要贡献。
《作物分子设计育种》PPT课 件
探索作物分子设计育种的原理、方法和应用，以及未来的发展前景。
简介
作物分子设计育种是一种利用基因编辑技术、基因质量控制技术、基因组学 与表观遗传学技术和分子标记辅助选择技术等手段来改良作物的育种方法。
原理与方法
1
基因编辑技术
利用CRISPR/Cas9等工具精确编辑作物
基因质量控制技术
2
基因，实现目标性状的改良。
通过筛选、鉴定和优化基因变异体，提
高作物的遗传质量。
3
基因组学与表观遗传学技术
研究作物基因组和表观遗传调控机制，
分子标记辅助选择技术
4
为作物育种提供理论基础。
利用分子标记鉴定和选择具有优良特性 的作物品种。
应用与前景
利用分子设计育种技术提高作物对环境适应的能 力，增强其抗逆性。
作物遗传多样性保护
利用分子设计育种技术保护作物自然遗传多样性。
未来展望
分子设计育种有望在粮食安全、生态环境保护和 可持续农业发展方面发挥重要作用。
实践案例分享
水稻分子设计育种
利用分子设计育种技术改良水稻 的产量和抗逆性，为粮食安全做 出贡献。
玉米分子设计育种
通过分子设计育种技术提高玉米 的品质和耐旱性，满足不同地区 的种植需求。
小麦分子设计育种
利用分子设计育种技术改良小麦 的抗病性和适应性，提高产量和 品质。
总结
• 分子设计育种的优势是可以针对性地改良作物的特性，提高产量和适应性。 • 分子设计育种的挑战是技术的复杂性、道德伦理的问题以及公众对基因编辑的质疑。 • 分子设计育种有着广阔的应用前景，可以为粮食安全和农业发展做出重要贡献。
《作物分子设计育种》PPT课 件
探索作物分子设计育种的原理、方法和应用，以及未来的发展前景。
简介
作物分子设计育种是一种利用基因编辑技术、基因质量控制技术、基因组学 与表观遗传学技术和分子标记辅助选择技术等手段来改良作物的育种方法。
原理与方法
1
基因编辑技术
利用CRISPR/Cas9等工具精确编辑作物
基因质量控制技术
2
基因，实现目标性状的改良。
通过筛选、鉴定和优化基因变异体，提
高作物的遗传质量。
3
基因组学与表观遗传学技术
研究作物基因组和表观遗传调控机制，
分子标记辅助选择技术
4
为作物育种提供理论基础。
利用分子标记鉴定和选择具有优良特性 的作物品种。
应用与前景
分子植物育种的原理与方法育种学课件
优势 精准选择 快速育种 多基因改良
局限性 技术成本高 公众关注和接受度 遗传多样性保护
分子植物育种在农作物种质资源创新中 的应用与前景
种质资源创新
介绍分子植物育种在农作物种 质资源创新方面的应用案例和 前景。
农作物产量提高
探讨分子植物育种对于提高农 作物产量和营养价值的潜力。
逆境抗性
讨论分子植物育种在培育抗旱、 抗病虫害的农作物方面的应用 前景。
解释不同类型的分子标记技术 （如SSR、SNP和AFLP）， 并说明其在育种中的应用优势。
介绍分子标记技术在构建遗传 图谱方面的应用，以支持基因 定位和分析。
辅助选择
探讨分子标记技术在育种中的 辅助选择方法，加速品种改良 和遗传进化。
基因编辑技术及其在植物育种中的应 用
CRISPR-Cas9系统
详细介绍CRISPR-Cas9系统的原理和操作步骤，以及其在植物育种中的应用前景。
分子植物育种的原理与方 法育种学课件
本课件介绍了分子植物育种的原理与方法，概述了基因组学的基础知识，并 探讨了分子标记技术、基因编辑技术、转基因技术在育种中的应用。也涵盖 了分子育种的优势、局限性以及其在农作物种质资源创新中的应用与前景。
分子植物育种的概述
简要介绍分子植物育种的起源和发展，重点强调其在农业领域中的重要作用，提出分子育种对于提高作 物品质、抗病虫害和适应环境的意义。
基因组编辑
说明如何利用基因编辑技术对植物基因组进行精确编辑，以创造或改良有益性状。
转基因技术在植物育种中的应用
1
转基因概念
概述转基因技术的原理和定义，并探讨其在植物育种中的应用潜力。
2
转基因作物
列举转基因作物示例，讨论其重要性和争议，并呈现相关研究的成果。
分子育种-PPT课件
11
突变体的筛选技术仍然是主要技术瓶颈，当前除了要继 续发展各种结合酶催化功能的高通量筛选技术，还要进 一步完善各种与重组表达技术相结合的蛋白筛选技术和 蛋白展示库技术。
对一些无明显表型突变体的筛选需要更多的研究与重视 。
12Leabharlann 人们已经利用定向进化方法成功实现对许 多蛋白质分子的改造。
如提高T4溶菌酶和酵母磷酸丙糖异构酶的 热稳定性，改变枯草杆菌蛋白酶的Km和 Kcat值，改变丝氨酸蛋白酶的最适pH值， 提高酪氨酰-tRNA合成酶的活性，改善葡 萄球菌核酸酶的特异性等。
13
定向进化技术包括：
定点突变（定点的） 易错PCR（随机的） DNA重排（重组的） ……
说明：lipase脂肪酶，esterase酯酶，triglyceride三甘油酯，Degradation降解， Detergent additives洗涤剂添加剂，hydrolysis水解
17
Lipases
Kinetic Resolutions of Chiral Alcohols and Acids
基因体外定点突变的方法有：
删除法 插入法 取代法 不完全适配的低聚核苷酸介导法
21
（一）删除法
在目的基因中删除一个或若干个碱基序列，使 基因发生重排而造成其性状的改变。
基本操作方法：
先克隆目的基因DNA片段，然后用酶切除DNA片段 中的碱基序列，把保留的序列连接起来后，再导入 受体细胞进行表达。
M13 = single stranded bacteriophage
50% WT
50% mutant
37
理论上，如果含突变的DNA链和正常的DNA链 复制速率相同，应该有50%的克隆带突变基因。 但是，由于许多技术上的原因，实际上一般只 有1%～5%的克隆带突变基因。
突变体的筛选技术仍然是主要技术瓶颈，当前除了要继 续发展各种结合酶催化功能的高通量筛选技术，还要进 一步完善各种与重组表达技术相结合的蛋白筛选技术和 蛋白展示库技术。
对一些无明显表型突变体的筛选需要更多的研究与重视 。
12Leabharlann 人们已经利用定向进化方法成功实现对许 多蛋白质分子的改造。
如提高T4溶菌酶和酵母磷酸丙糖异构酶的 热稳定性，改变枯草杆菌蛋白酶的Km和 Kcat值，改变丝氨酸蛋白酶的最适pH值， 提高酪氨酰-tRNA合成酶的活性，改善葡 萄球菌核酸酶的特异性等。
13
定向进化技术包括：
定点突变（定点的） 易错PCR（随机的） DNA重排（重组的） ……
说明：lipase脂肪酶，esterase酯酶，triglyceride三甘油酯，Degradation降解， Detergent additives洗涤剂添加剂，hydrolysis水解
17
Lipases
Kinetic Resolutions of Chiral Alcohols and Acids
基因体外定点突变的方法有：
删除法 插入法 取代法 不完全适配的低聚核苷酸介导法
21
（一）删除法
在目的基因中删除一个或若干个碱基序列，使 基因发生重排而造成其性状的改变。
基本操作方法：
先克隆目的基因DNA片段，然后用酶切除DNA片段 中的碱基序列，把保留的序列连接起来后，再导入 受体细胞进行表达。
M13 = single stranded bacteriophage
50% WT
50% mutant
37
理论上，如果含突变的DNA链和正常的DNA链 复制速率相同，应该有50%的克隆带突变基因。 但是，由于许多技术上的原因，实际上一般只 有1%～5%的克隆带突变基因。
第六章分子设计育种.ppt
1.能提高效率，能够定向育种
与常规育种方法相比，作物分子设计育种首先在计算机上模 拟实施，考虑的因素更多、更周全，因而所选用的亲本组合、 选择途径等更有效，更能满足育种的需要，可以极大地提高 育种效率。
2.是一个结合多学科的系统工程
分子设计育种在未来实施过程中将是一个结合分 子生物学、生物信息学、计算机学、作物遗传学、 育种学、栽培学、植物保护、生物统计学、土壤 学、生态学等多学科的系统工程。
三是预见性差，一般很难预测杂交后代的表现，有时即使成功，也不明白其 中的真正原因。
例如：传统育种技术要培育抗病品种，通常是用
抗病品种做亲本，与具有其他优良目标性状（比 如抗倒伏）的品种杂交，从产生的后代中进行选 择，这样的选择要进行5-6代。但如果选择时田间 没有发病，就无法确定后代是否具有抗病性，这 样经过多年选育出的材料最后可能发现是感病的， 结果就前功尽弃。
农作物的数量性状QTL定位研究比较深入的作物有水稻、玉米、 小麦和番茄等。从不同角度分析了QTL的主效应、QTL之间的互作效 应、QTL与环境的互作效应等，在此基础上，进行单基因分解、精细 定位和图位克隆研究。
等位基因变异的检测与表型性状的深入鉴定相结合已成为从种 质资源中发掘新基因的有效手段。利用高代回交导入系结合定向选择， 大规模发掘种质资源中有利基因，从而获取QTL的复等位基因在不同 遗传背景下的表达效应，以便将QTL定位研究与植物育种紧密结合起 来，为分子设计育种提供全面、准确的遗传信息。
2 分子标记技术发展日新月异
第一代分子标记：自20世纪80年代以来，先后开发出基
于Southern 杂交的第一代分子标记 (RFLP为代表) 第二代分子标记：基于PCR的第二代分子标记(SSR为代表)。 第三代分子标记：基于基因序列的第三代分子标记，即来自
与常规育种方法相比，作物分子设计育种首先在计算机上模 拟实施，考虑的因素更多、更周全，因而所选用的亲本组合、 选择途径等更有效，更能满足育种的需要，可以极大地提高 育种效率。
2.是一个结合多学科的系统工程
分子设计育种在未来实施过程中将是一个结合分 子生物学、生物信息学、计算机学、作物遗传学、 育种学、栽培学、植物保护、生物统计学、土壤 学、生态学等多学科的系统工程。
三是预见性差，一般很难预测杂交后代的表现，有时即使成功，也不明白其 中的真正原因。
例如：传统育种技术要培育抗病品种，通常是用
抗病品种做亲本，与具有其他优良目标性状（比 如抗倒伏）的品种杂交，从产生的后代中进行选 择，这样的选择要进行5-6代。但如果选择时田间 没有发病，就无法确定后代是否具有抗病性，这 样经过多年选育出的材料最后可能发现是感病的， 结果就前功尽弃。
农作物的数量性状QTL定位研究比较深入的作物有水稻、玉米、 小麦和番茄等。从不同角度分析了QTL的主效应、QTL之间的互作效 应、QTL与环境的互作效应等，在此基础上，进行单基因分解、精细 定位和图位克隆研究。
等位基因变异的检测与表型性状的深入鉴定相结合已成为从种 质资源中发掘新基因的有效手段。利用高代回交导入系结合定向选择， 大规模发掘种质资源中有利基因，从而获取QTL的复等位基因在不同 遗传背景下的表达效应，以便将QTL定位研究与植物育种紧密结合起 来，为分子设计育种提供全面、准确的遗传信息。
2 分子标记技术发展日新月异
第一代分子标记：自20世纪80年代以来，先后开发出基
于Southern 杂交的第一代分子标记 (RFLP为代表) 第二代分子标记：基于PCR的第二代分子标记(SSR为代表)。 第三代分子标记：基于基因序列的第三代分子标记，即来自
《作物育种学绪论》课件
育种方法
传统育种方法
介绍传统育种方法中的杂交育种、突变育种和选优 育种。
现代育种方法
探讨现代育种方法中的基因改良育种法、细胞与分 子育种法和生物技术育种法。作物育来自实践1作物品种选育
详细介绍如何进行作物品种的选育，以满足农业需求和市场需求。
2
作物品种鉴定与鉴别
解释如何进行作物品种的鉴定和鉴别，以确保品种的准确性和优势。
遗传学基础
1 遗传学基本概念
阐释遗传学的基本概念，探讨基因传递和变 异。
2 遗传变异及其来源
探索遗传变异的形成机制和来源，了解其对 作物育种的影响。
3 基因型与表型关系
解析基因型与表型之间复杂的关系，并探索 如何通过选择合适的基因型改良作物。
4 基因和染色体
揭示基因和染色体之间的关系，以及如何利 用这些知识进行作物育种。
3
作物栽培技术的实现
探索实施作物栽培技术的方法，从而提高作物产量和质量。
作物育种发展趋势
新育种技术
介绍新兴的育种技术，如基因编 辑和基因组学的应用。
跨学科合作
探讨跨学科合作对作物育种的重 要性，以取得更大的突破。
精准育种
解释精准农业对作物育种的影响， 以实现更高效的育种结果。
结语
• 作物育种对农业发展的重要意义 • 未来作物育种发展的前景和机遇
《作物育种学绪论》PPT 课件
欢迎来到《作物育种学绪论》PPT课件。本课程将深入探讨作物育种的意义、 方法和发展趋势，为您带来精彩的学习体验。
作物育种概述
作物育种意义及发展历程
探索作物育种的重要性以及其在农业发展中的演变历史。
作物育种分类及基本要素
介绍不同的作物育种分类以及实现成功育种所需的基本要素。
《分子育种》PPT课件_OK
2021/7/23
2
在形态育种中的应用
1
包括花器官结构、花枝着生状态、花 序类型、植株形态等的改良
2 转rolC 基因菊花品种表现为丛生、矮
化，叶多分裂
3 将DOH1 基因以反义形式导入石斛，
获得分枝性强且矮化的转基因石斛
2021/7/23
3
在抗性育种中的应用
1
包括抗虫和抗病性
2
应用最广泛的是Bt 基因
3
蛋白酶抑制剂基因
4
几丁质酶基因
2021/7/23
4
在花卉保鲜育种中的应用
1 乙烯合成对于延长保鲜期、 提高切花品质至关重要
2 ACC 合成酶和ACC 氧化酶
3 ACC 合成酶基因早于ACC 氧 化酶基因
4 导入反义ACC 合成酶基因及 反义ACC 氧化酶基因
2021/7/23
5
分子育种应注意的问题
10
试验路线
克隆
目的基因
2021/7/23
转化
鉴定
宿主植物
表型筛选
11
研究思路与设想
克隆出目的基因的ORF 构建重组质粒载体 转化组织 组织栽培与筛选
载培育种
2021/7/23
12
试验路线
已知基因 的获得
未知基因 的获得
2021/7/23
①化)
……
19
试验路线
原理：β－Ｄ－葡萄糖酸苷酶基因（Gus）， 催化β－葡萄糖苷酯类物质水解。其中很多 水解产物具有发色团或形成荧光物质。
例：组织化学法测定Gus活性 作用底物为X-gluc,产物是一种不可溶的5,5-
二溴，4,4-二氯靛蓝；
Gus检测 2021/7/23
作物分子设计育种
水稻作为模式植物和世界ห้องสมุดไป่ตู้最重要的粮食作物 之一 ,其基因组学研究一直走在其他作物的前列 ,是 第一个完成测序的重要农作物 。我国在 2002 年完 成了世界首张籼稻基因组草图[5] ,与 Syngenta 公司 完成的粳稻基因组草图同时发表在 Science[6] 。随后 完成了粳稻 (日本晴) 4 号染色体的精确测序[7] ,是 世界上首先完成的 2 条精确测序水稻染色体之一 。 同时还完成了籼稻 (广陆矮 4 号) 4 号染色体 80 %的 精确测 序 以 及 水 稻 4 号 染 色 体 着 丝 粒 的 序 列 分 析[829] 。上述工作的完成使我国水稻基因组测序研 究处于世界领先水平 。
摘 要 : 优质 、多抗 、抗逆与高产作物新品种的选育和推广是实现我国粮食安全的重要途径 。目前大多数育种工作仍然 建立在表型选择和育种家的经验之上 ,育种效率低下 ;另一方面 ,生物信息数据库积累的数据量极其庞大 ,由于缺乏必要 的数据整合技术 ,可资育种工作者利用的信息却非常有限 。作物分子设计育种将在多层次水平上研究植物体所有成分 的网络互作行为和在生长发育过程中对环境反应的动力学行为 ;继而使用各种“组学”数据 ,在计算机平台上对植物体的 生长 、发育和对外界反应行为进行预测 ;然后根据具体育种目标 ,构建品种设计的蓝图 ;最终结合育种实践培育出符合设 计要求的农作物新品种 。设计育种的核心是建立以分子设计为目标的育种理论和技术体系 ,通过各种技术的集成与整 合 ,对生物体从基因 (分子) 到整体 (系统) 不同层次进行设计和操作 ,在实验室对育种程序中的各种因素进行模拟 、筛选 和优化 ,提出最佳的亲本选配和后代选择策略 ,实现从传统的“经验育种”到定向 、高效的“精确育种”的转化 ,以大幅度提 高育种效率 。
摘 要 : 优质 、多抗 、抗逆与高产作物新品种的选育和推广是实现我国粮食安全的重要途径 。目前大多数育种工作仍然 建立在表型选择和育种家的经验之上 ,育种效率低下 ;另一方面 ,生物信息数据库积累的数据量极其庞大 ,由于缺乏必要 的数据整合技术 ,可资育种工作者利用的信息却非常有限 。作物分子设计育种将在多层次水平上研究植物体所有成分 的网络互作行为和在生长发育过程中对环境反应的动力学行为 ;继而使用各种“组学”数据 ,在计算机平台上对植物体的 生长 、发育和对外界反应行为进行预测 ;然后根据具体育种目标 ,构建品种设计的蓝图 ;最终结合育种实践培育出符合设 计要求的农作物新品种 。设计育种的核心是建立以分子设计为目标的育种理论和技术体系 ,通过各种技术的集成与整 合 ,对生物体从基因 (分子) 到整体 (系统) 不同层次进行设计和操作 ,在实验室对育种程序中的各种因素进行模拟 、筛选 和优化 ,提出最佳的亲本选配和后代选择策略 ,实现从传统的“经验育种”到定向 、高效的“精确育种”的转化 ,以大幅度提 高育种效率 。
作物育种方法PPT课件
第34页/共40页
（五）杂交后代的选择
混合法和系谱法的比较：
①对于质量性状和简单遗传的数量性状， 系谱法早代选择，能较早集中精力选择优
系。 混合法高代选株，选择数量大，后期工作
量大，需要的年限也较长。
第35页/共40页
（五）杂交后代的选择
②系谱法对家系记载清楚，针对历史表现 评定取舍； 混合法无法考证历史，评定 取舍比较困难。
第24页/共40页
（三）亲本选配的原则
①具有不同的遗传基础和优缺点，杂交后， 分离范围广，会出现很多的变异类型或产生 超亲类型。 ②双亲产生在不同的生态条件下，杂交后， 容易出现适应性好、适应范围广的后代。 ③有可能引进当地没有的新种质，克服当地 材料的缺点。 ④亲本的遗传差异大，后代的杂种优势就大， 出现的变异类型就多，选择的机会就多。
1. 单交（single cross）:即两个亲 本成对杂交，用A*B或A/B表示。
特点： ①只进行一次杂交，简单易行。 ②分离时间短，稳定的快。 ③杂交的数量和后代群体规模小。
第27页/共40页
（四）杂交的组合方式
复交
2.复交（multiple cross）：指多个 亲本之间的杂交。
三交 （A×B）×C A/B//C 双交 （A×B）×（C×D） A/B//C/D
表现在：生育期、丰产性、稳产性从 相似的生态区引进，即生态类型相近的 作物品种易于成功。
第5页/共40页
（二）引种一中、应注引意种的问题3
3、气候相似论
20 世纪初，德国迈尔（H. Mayr） 提出了气候相似论（theory of climatic analogues）
基本要点：地区之间在影响作物生长 的主要气候因素上，应相似到足以保证 作物品种相互引种成功时,引种才有成功 的可能性。
（五）杂交后代的选择
混合法和系谱法的比较：
①对于质量性状和简单遗传的数量性状， 系谱法早代选择，能较早集中精力选择优
系。 混合法高代选株，选择数量大，后期工作
量大，需要的年限也较长。
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（五）杂交后代的选择
②系谱法对家系记载清楚，针对历史表现 评定取舍； 混合法无法考证历史，评定 取舍比较困难。
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（三）亲本选配的原则
①具有不同的遗传基础和优缺点，杂交后， 分离范围广，会出现很多的变异类型或产生 超亲类型。 ②双亲产生在不同的生态条件下，杂交后， 容易出现适应性好、适应范围广的后代。 ③有可能引进当地没有的新种质，克服当地 材料的缺点。 ④亲本的遗传差异大，后代的杂种优势就大， 出现的变异类型就多，选择的机会就多。
1. 单交（single cross）:即两个亲 本成对杂交，用A*B或A/B表示。
特点： ①只进行一次杂交，简单易行。 ②分离时间短，稳定的快。 ③杂交的数量和后代群体规模小。
第27页/共40页
（四）杂交的组合方式
复交
2.复交（multiple cross）：指多个 亲本之间的杂交。
三交 （A×B）×C A/B//C 双交 （A×B）×（C×D） A/B//C/D
表现在：生育期、丰产性、稳产性从 相似的生态区引进，即生态类型相近的 作物品种易于成功。
第5页/共40页
（二）引种一中、应注引意种的问题3
3、气候相似论
20 世纪初，德国迈尔（H. Mayr） 提出了气候相似论（theory of climatic analogues）
基本要点：地区之间在影响作物生长 的主要气候因素上，应相似到足以保证 作物品种相互引种成功时,引种才有成功 的可能性。
作物育种学总论-第十四章-分子标记辅助选择育种PPT演示课件
第十四章 分子标记与作物育种
1
绪
分子标记辅助选择 (MAS) 的主要进展 1. 基因聚合 (gene pyramiding) 2 .基因转移 (gene transfer) 3. 数量性状的 MAS
2
第一节.分子标记的类型和作用原理
遗传标记（genetic marker）:指可追踪染色体、 染色体某一节段、某个基因座在家系中传递的任 何一种遗传特性。它具有两个基本特征，即可遗 传性和可识别性；因此生物的任何有差异表型的 基因突变型均可作为遗传标记。
22
（四）SSR
• 1.原理
23
24
• SSR标记的主要特点有： （1）数量丰富，广泛分布于整个基因 （2）具有较多的等位性变异； （3）共显性标记，可鉴别出杂合子和纯合子； （4）实验重复性好，结果可靠； （5）由于创建新的标记时需知道重复序列两端的序
列信息，因此其开发有一定困难，费用也较高。
19
（三）AFLP
• 1.原理
20
21
2.AFLP标记的主要特点有： （1）由于AFLP分析可以采用的限制性内切酶及选择性碱
基种类、数目很多，所以该技术所产生的标记数目是无 限多的； （2）典型的AFLP分析，每次反应产物的谱带在50-100条 之间，所以一次分析可以同时检测到多个座位，且多态 性极高； （3）表现共显性，呈典型孟德尔式遗传； （4）分辩率高，结果可靠； （5）目前该技术受专利保护，用于分析的试剂盒昂贵， 实验条件要求较高。但也存在假阳性带出现频繁、技术 复杂、成本高等缺点。
基因的连锁强度，标记与基因连锁得愈紧密， 依据标记进行选择的可靠性就愈高。
此外，重组值r也影响到由该标记位点等 位基因分离产生遗传方差的大小r值越小，遗 传方差越大，数量性状的选择效率越高。
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绪
分子标记辅助选择 (MAS) 的主要进展 1. 基因聚合 (gene pyramiding) 2 .基因转移 (gene transfer) 3. 数量性状的 MAS
2
第一节.分子标记的类型和作用原理
遗传标记（genetic marker）:指可追踪染色体、 染色体某一节段、某个基因座在家系中传递的任 何一种遗传特性。它具有两个基本特征，即可遗 传性和可识别性；因此生物的任何有差异表型的 基因突变型均可作为遗传标记。
22
（四）SSR
• 1.原理
23
24
• SSR标记的主要特点有： （1）数量丰富，广泛分布于整个基因 （2）具有较多的等位性变异； （3）共显性标记，可鉴别出杂合子和纯合子； （4）实验重复性好，结果可靠； （5）由于创建新的标记时需知道重复序列两端的序
列信息，因此其开发有一定困难，费用也较高。
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（三）AFLP
• 1.原理
20
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2.AFLP标记的主要特点有： （1）由于AFLP分析可以采用的限制性内切酶及选择性碱
基种类、数目很多，所以该技术所产生的标记数目是无 限多的； （2）典型的AFLP分析，每次反应产物的谱带在50-100条 之间，所以一次分析可以同时检测到多个座位，且多态 性极高； （3）表现共显性，呈典型孟德尔式遗传； （4）分辩率高，结果可靠； （5）目前该技术受专利保护，用于分析的试剂盒昂贵， 实验条件要求较高。但也存在假阳性带出现频繁、技术 复杂、成本高等缺点。
基因的连锁强度，标记与基因连锁得愈紧密， 依据标记进行选择的可靠性就愈高。
此外，重组值r也影响到由该标记位点等 位基因分离产生遗传方差的大小r值越小，遗 传方差越大，数量性状的选择效率越高。
作物分子设计育种PPT课件
3
主要内容
一、相关基础研究现状及发展趋势 二、我国开展分子设计育种的时机已经
成熟 三、我国作物分子设计育种的研究重点
4
一、相关基础研究现状及发展趋势
1、 生物信息学遗传信息数据库中的数据 呈“爆炸式”增长
（1）基因组学 3 大核酸序列数据库EMBL 数据库, NCBI的
GenBank数据库，DDBJ 数据库。 （2）蛋白组学
16
2019/12/22
17
三、我国作物分子设计育种的研 究重点
3、建立主要育种性状的 GP模型 GP(Genotype to phenotype) GP 模型利用发掘的基因信息、核心种质和骨 干亲本的遗传信息链接提供的信息,结合不同作 物的生物学特性及不同生态地区育种目标,对育 种过程中各项指标进行模拟优化,预测不同亲本 杂交后代产生理想基因型和育成优良品种的概 率,大幅度提高育种效率。
32
不同三交组合获得目标基因型的几率有显 著差异。三交组合2 的几率最高,达0181 % ,组合1 的几率最低,只有0125 %。因此 三交组合2 结合标记选择方案2 是最佳的 实现目标基因型的途径。
33
2019/12/22
34
（1）构建作图群体 （2）筛选多态性标记 （3）构建标记连锁图谱 （4）评价数量性状的表现型和QTL分析。
21
实例
有一包含65 个染色体片段置换系 ( chromosome segment substitution line , CSSL) 的群体,产生这一群体的2 个亲本分别为粳稻 Asominori(背景或轮回亲本) 和籼稻IR24 (供 体或非轮回亲本) 。每个CSSL 包含一个或 几个来自IR24的染色体片段,其余染色体来 自背景亲本Asominori 。所有供体染色体片 段覆盖了IR24 的整个基因组,不同染色体片 段用不同的RFLP 标记表示。
主要内容
一、相关基础研究现状及发展趋势 二、我国开展分子设计育种的时机已经
成熟 三、我国作物分子设计育种的研究重点
4
一、相关基础研究现状及发展趋势
1、 生物信息学遗传信息数据库中的数据 呈“爆炸式”增长
（1）基因组学 3 大核酸序列数据库EMBL 数据库, NCBI的
GenBank数据库，DDBJ 数据库。 （2）蛋白组学
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2019/12/22
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三、我国作物分子设计育种的研 究重点
3、建立主要育种性状的 GP模型 GP(Genotype to phenotype) GP 模型利用发掘的基因信息、核心种质和骨 干亲本的遗传信息链接提供的信息,结合不同作 物的生物学特性及不同生态地区育种目标,对育 种过程中各项指标进行模拟优化,预测不同亲本 杂交后代产生理想基因型和育成优良品种的概 率,大幅度提高育种效率。
32
不同三交组合获得目标基因型的几率有显 著差异。三交组合2 的几率最高,达0181 % ,组合1 的几率最低,只有0125 %。因此 三交组合2 结合标记选择方案2 是最佳的 实现目标基因型的途径。
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2019/12/22
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（1）构建作图群体 （2）筛选多态性标记 （3）构建标记连锁图谱 （4）评价数量性状的表现型和QTL分析。
21
实例
有一包含65 个染色体片段置换系 ( chromosome segment substitution line , CSSL) 的群体,产生这一群体的2 个亲本分别为粳稻 Asominori(背景或轮回亲本) 和籼稻IR24 (供 体或非轮回亲本) 。每个CSSL 包含一个或 几个来自IR24的染色体片段,其余染色体来 自背景亲本Asominori 。所有供体染色体片 段覆盖了IR24 的整个基因组,不同染色体片 段用不同的RFLP 标记表示。
《分子育种》PPT课件(2024)
2024/1/30
导入高产相关基因， 如提高作物氮素利用 效率、增加作物分蘖 数等。
17
改善作物品质
2024/1/30
01
导入优质基因，如提高作物蛋白质含量、改善油脂 组成等。
02
通过基因编辑技术，降低作物中有害成分含量，如 减少农药残留、降低重金属含量等。
03
利用分子标记辅助选择，选育出符合市场需求的高 品质作物品种。
意义
分子育种可实现基因水平的精准 改良，提高作物产量、品质和抗 逆性，对保障粮食安全具有重要 意义。
4
分子育种的发展历程
01
02
03
初期探索
20世纪80年代，随着分子 生物学技术的兴起，分子 育种开始萌芽。
2024/1/30
技术突破
90年代，转基因技术、基 因编辑技术等取得重大突 破，为分子育种提供了有 力工具。
2024/1/30
利用分子标记辅助选择，快速 筛选具有优良生产性能的畜禽 品种。
通过全基因组关联分析，挖掘 影响畜禽生产性能的遗传变异 ，为育种提供科学依据。
22
改善畜禽产品品质
通过分子育种技术改良畜禽产品 的营养成分、风味、口感等品质
特性，满足消费者需求。
利用基因工程技术培育具有特定 功能基因的畜禽品种，生产功能 性畜产品，如低胆固醇鸡蛋、高
通过分子育种技术，可以培育出高产、优 质、抗逆性强的农作物新品种，提高农业 生产效益。
利用分子育种技术，可以培育出生长快、 抗病力强、肉质好的新品种动物，满足人 类对高品质肉类的需求。
生物制药与工业应用
推动精准农业与智慧农业发展
分子育种技术还可以应用于生物制药和工 业领域，如生产药用蛋白、工业酶等。
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究 QTL 作图、QTL 与环境之间的关系方 面位于国际同等水平。
11
二、我国开展分子设计育种的时 机已经成熟
3、拥有建立大型的数据搜集和处理系统 的技术和经验。 国家作物种质资源信息系统已建立多年 , 目前该系统中储存的数据已达数千万项 。
12
二、我国开展分子设计育种的时 机已经成熟
4、拥有基因作图、比较基因组学研究、 等位基因多样性研究等关键技术。 大多数重要性状基因作图； 开展小麦族内的物种之间、禾本科作物 之间的比较基因组学研究；
24
2、结合育种目标设计目标基因型
（1）QTL 在染色体上的位置 （2）遗传效应 （3） QTL 之间的互作 （4） QTL 与背景亲本和环境之间的互
作 （5）模拟预测各种可能基因型的表现型,
从中选择符合特定育种目标的基因型。
25
26
根据上面的信息,可以预测各种可能的基因型的表现型 (图2) ,发现最小和最大粒长基因型的粒长分别是4.20 mm 和6.21 mm ,最小和最大粒宽基因型的粒宽分别是 2.12 mm 和3.07 mm。假定育种目标是长粒和宽粒型,由 于一些QTL 在2 个性状上有负向的一因多效现象,不可 能获得一个基因型既具有图2 中最大粒长又具有最大粒 宽。经模拟我们发现一个设计基因型,其粒长为6.05 mm ,粒宽为3.00 mm ,接近最大粒长6.21 mm 和最大粒 宽3.07mm(图2) 。至此我们设计出一个最符合长粒和宽 粒型这一育种目标的基因型。
13
二、我国开展分子设计育种的时 机已经成熟
5、与国外相比，存在问题 1) 主要农艺性状基因发掘和功能研 究存在不足； 2) 分子设计育种相关的信息系统不够 完善。 3) 分子设计育种理论研究相对滞后。
14
三、我国作物分子设计育种的研 究重点
1、重要农艺性状基因/QTL 高效发掘 构建作物的高代回交导入系群体, 并结合
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三、我国作物分子设计育种的研 究重点
3、建立主要育种性状的 GP模型 GP(Genotype to phenotype) GP 模型利用发掘的基因信息、核心种质和骨 干亲本的遗传信息链接提供的信息,结合不同作 物的生物学特性及不同生态地区育种目标,对育 种过程中各项指标进行模拟优化,预测不同亲本 杂交后代产生理想基因型和育成优良品种的概 率,大幅度提高育种效率。
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对每个三交组合,2 种标记选择方案得到的 F8家系数相等(表1) 。从三交组合1 平均获得 716 个目标基因型F8 家系,三交组合2 平均获得 2318 个,三交组合3 平均获得1118 个(表1) 。但 从2 种标记选择方案需要测试的DNA 样品数和 每个中选的F8家系需要测试的DNA 样品数来 看,2 种标记选择方案有着巨大的差异。以三交 组合1 为例,利用标记选择方案1 需要测试3000 个DNA 样品,而利用标记选择方案2 需要测试 459 个DNA 样品;对标记选择方案1 来说,每个 中选的F8 家系需要测试的DNA样品数是395 , 对标记选择方案2 来说,这个数字只有60 。因此, 包含两个阶段标记选择的方案2 在基因聚合过 程中可以大大地降低实验室测定标记的花费。
27
3、达到目标基因型的途径分析
获得图2 中的设计基因型,需要IR24 的4 个染色体片段,即M1 、M6 、M23 和M25。 在65 个CSSL中,CSSL5 包含片段M6 ; CSSL16 包含片段M1 和M23 ;CSSL19 包 含片段M25 ;因此可以作为产生设计基因 型的亲本材料。但CSSL19 包含有我们不 需要的片段M12 , 在选择过程中需要将其 替换为Asominori 的片段。
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不同三交组合获得目标基因型的几率有显 著差异。三交组合2 的几率最高,达0181 % ,组合1 的几率最低,只有0125 %。因此 三交组合2 结合标记选择方案2 是最佳的 实现目标基因型的途径。
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一、相关基础研究现状及发展趋势
4、基因电子定位与电子延伸得到应用 利用 EST或cDNA全长序列等信息对表达 序列直接进行作图，把不同基因定位在 染色体上； NCBI利用BLAST技术把 EST数据进行了 整理建立了 dbEST数据库；
8
一、相关基础研究现状及发展趋势
5、转基因技术和标记辅助选择方法取得一 定进展 转基因技术仅限于利用主基因改良单一 目标性状； 分子标记辅助选择并不比传统的选择方 法在对主基因控制的性状方面有明显优 势;对多基因控制的重要农艺性状 ,由于 现有的 QTL 定位成果很难直接用于指导 分子标记辅助选择。
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四、 分子设计育种实例
（一）、步骤 (1) 定位所有相关农艺性状的QTL ; (2) 评价这些位点的等位性变异; (3) 开展设计育种。
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四、 分子设计育种实例
（二）、过程 1、 研究育种目标性状的QTL 2、 评价这些位点的等位性变异; 3、 开展设计育种。
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1、 研究育种目标性状的QTL
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二、我国开展分子设计育种的时 机已经成熟
1、拥有生物信息学的研究力量和技术。 首次对水稻全基因组测序并对水稻第4 染色体精细测序； 从基因组序列、EST信息和全长 cDNA序 列中发掘新标记和新基因的工作取得了 一定进展。
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二、我国开展分子设计育种的时 机已经成熟
2、开展虚拟分子育种。 我国利用分子数量遗传学和计算机技术研
5
一、相关基础研究现状及发展趋势
2、分子标记技术发展日新月异
第一代分子标记，基于Southern杂交， RFLP;
第二代分子标记，基于PCR杂交， SSR;
第三代分子标记，基于基因序列， cDNA序列的SSR和SNP
6
一、相关基础研究现状及发展趋势
3、基因和 QTL 定位研究广泛深入 数量性状的基因位点(QTL)定位; 植物 QTL 定位方法：区间作图，复合区 间作图和基于混合线性模型的复合区间 作图； 等位基因变异的检测与表型性状的深入鉴 定。
第五章 作物分子设计育种
1
分子设计育种的概念
1、由来
Peleman 和van der Voort 对“设计育 种”(breeding by design ) 这一名词进行了 商标注册 。
2
分子设计育种的概念
2、概念
以生物信息学为平台,以基因组学和 蛋白组学的数据库为基础,综合作物育种 学流程中的作物遗传、生理生化和生物 统计等学科的有用信息,根据具体作物的 育种目标和生长环境,先设计最佳方案,然 后开展作物育种试验的分子育种方法。
定向选择,消除复杂的遗传背景对基因 /QTL 定位精度的不良影响,高效发掘种质 资源中重要农艺性状的基因/QTL 。
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三、我国作物分子设计育种的研 究重点
2、建立核心种质和骨干亲本的遗传信息 链接 获取亲本携带的基因及其与环境互作的 信息预测不同亲本杂交后代在不同生态 环境下的表现提供信息支撑。
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3 个亲本间的三交(又称顶交) 组合有可能将我 们需要的染色体片段聚合在一起,产生三交组合 的方式有3 种,即三交组合1 : (CSSL5 × CSSL16) ×CSSL19 ; 三交组合2 : (CSSL5 ×CSSL19) × CSSL16和三交组合3 : (CSSL16 ×CSSL19) ×CSSL5。假定采用标记辅助方法 选择目标基因型,可供选择的方案有很多,这里 只考虑其中的2 种,标记选择方案1 :产生100 个 三交F1 个体,每个产生30 个F2 个体,利用单粒传 共产生3 000 个F8 家系,然后从中选择目标基因 型;标记选择方案2 :产生100 个三交F1 个体,通 过标记辅助选择只保留含有目标染色体片段的 个体,每个中选个体产生30 个F2 个体,利用单粒 传产生F8 家系,然后从中选择目标基因型。以 上过程借助遗传育种模拟工具QuCim 实现。
（1）构建作图群体 （2）筛选多态性标记 （3）构建标记连锁图谱 （4）评价数量性状的表现型和QTL分析。
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实例
有一包含65 个染色体片段置换系 ( chromosome segment substitution line , CSSL) 的群体,产生这一群体的2 个亲本分别为粳稻 Asominori(背景或轮回亲本) 和籼稻IR24 (供 体或非轮回亲本) 。每个CSSL 包含一个或 几个来自IR24的染色体片段,其余染色体来 自背景亲本Asominori 。所有供体染色体片 段覆盖了IR24 的整个基因组,不同染色体片 段用不同的RFLP 标记表示。
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主要内容
一、相关基础研究现状及发展趋势 二、我国开展分子设计育种的时机已经
成熟 三、我国作物分子设计育种的研究重点
4
一、相关基础研究现状及发展趋势
1、 生物信息学遗传信息数据库中的数据 呈“爆炸式”增长
（1）基因组学 3 大核酸序列数据库EMBL 数据库, NCBI的
GenBank数据库，DDBJ 数据库。 （2）蛋白组学
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根据粒长的观测值,可以通过分析不同标 记基因型间粒长的差异显著性来判断哪 些片段上携带有影响粒长的QTL 。存在 QTL 的可能性常用LOD 值的大小来衡量 (图1-A) ,
22
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实践中,可根据不同研究目的选择LOD 临界值 去判定QTL 的存在,如果研究目的在于QTL 的 克隆和功能分析,则判定QTL 存在时应选择较 高的LOD临界值,如3.0 或更高,以避免假阳性; 如果目的在于预测基因型,则假阳性不会对结 果造成较大的负面影响,此时可选择较低的 LOD 临界值,如1.0 ,以保证效应较小的QTL 也 能鉴定出来。在上面的实例中,当采用0.83 的 临界值时(对应于显著性水平0.05) ,我们一共 鉴定出13 个控制粒长的QTL ,8 个控制粒宽的 QTL ,同时也鉴定出一些上位性QTL 。
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二、我国开展分子设计育种的时 机已经成熟
3、拥有建立大型的数据搜集和处理系统 的技术和经验。 国家作物种质资源信息系统已建立多年 , 目前该系统中储存的数据已达数千万项 。
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二、我国开展分子设计育种的时 机已经成熟
4、拥有基因作图、比较基因组学研究、 等位基因多样性研究等关键技术。 大多数重要性状基因作图； 开展小麦族内的物种之间、禾本科作物 之间的比较基因组学研究；
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2、结合育种目标设计目标基因型
（1）QTL 在染色体上的位置 （2）遗传效应 （3） QTL 之间的互作 （4） QTL 与背景亲本和环境之间的互
作 （5）模拟预测各种可能基因型的表现型,
从中选择符合特定育种目标的基因型。
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根据上面的信息,可以预测各种可能的基因型的表现型 (图2) ,发现最小和最大粒长基因型的粒长分别是4.20 mm 和6.21 mm ,最小和最大粒宽基因型的粒宽分别是 2.12 mm 和3.07 mm。假定育种目标是长粒和宽粒型,由 于一些QTL 在2 个性状上有负向的一因多效现象,不可 能获得一个基因型既具有图2 中最大粒长又具有最大粒 宽。经模拟我们发现一个设计基因型,其粒长为6.05 mm ,粒宽为3.00 mm ,接近最大粒长6.21 mm 和最大粒 宽3.07mm(图2) 。至此我们设计出一个最符合长粒和宽 粒型这一育种目标的基因型。
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二、我国开展分子设计育种的时 机已经成熟
5、与国外相比，存在问题 1) 主要农艺性状基因发掘和功能研 究存在不足； 2) 分子设计育种相关的信息系统不够 完善。 3) 分子设计育种理论研究相对滞后。
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三、我国作物分子设计育种的研 究重点
1、重要农艺性状基因/QTL 高效发掘 构建作物的高代回交导入系群体, 并结合
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三、我国作物分子设计育种的研 究重点
3、建立主要育种性状的 GP模型 GP(Genotype to phenotype) GP 模型利用发掘的基因信息、核心种质和骨 干亲本的遗传信息链接提供的信息,结合不同作 物的生物学特性及不同生态地区育种目标,对育 种过程中各项指标进行模拟优化,预测不同亲本 杂交后代产生理想基因型和育成优良品种的概 率,大幅度提高育种效率。
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对每个三交组合,2 种标记选择方案得到的 F8家系数相等(表1) 。从三交组合1 平均获得 716 个目标基因型F8 家系,三交组合2 平均获得 2318 个,三交组合3 平均获得1118 个(表1) 。但 从2 种标记选择方案需要测试的DNA 样品数和 每个中选的F8家系需要测试的DNA 样品数来 看,2 种标记选择方案有着巨大的差异。以三交 组合1 为例,利用标记选择方案1 需要测试3000 个DNA 样品,而利用标记选择方案2 需要测试 459 个DNA 样品;对标记选择方案1 来说,每个 中选的F8 家系需要测试的DNA样品数是395 , 对标记选择方案2 来说,这个数字只有60 。因此, 包含两个阶段标记选择的方案2 在基因聚合过 程中可以大大地降低实验室测定标记的花费。
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3、达到目标基因型的途径分析
获得图2 中的设计基因型,需要IR24 的4 个染色体片段,即M1 、M6 、M23 和M25。 在65 个CSSL中,CSSL5 包含片段M6 ; CSSL16 包含片段M1 和M23 ;CSSL19 包 含片段M25 ;因此可以作为产生设计基因 型的亲本材料。但CSSL19 包含有我们不 需要的片段M12 , 在选择过程中需要将其 替换为Asominori 的片段。
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不同三交组合获得目标基因型的几率有显 著差异。三交组合2 的几率最高,达0181 % ,组合1 的几率最低,只有0125 %。因此 三交组合2 结合标记选择方案2 是最佳的 实现目标基因型的途径。
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一、相关基础研究现状及发展趋势
4、基因电子定位与电子延伸得到应用 利用 EST或cDNA全长序列等信息对表达 序列直接进行作图，把不同基因定位在 染色体上； NCBI利用BLAST技术把 EST数据进行了 整理建立了 dbEST数据库；
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一、相关基础研究现状及发展趋势
5、转基因技术和标记辅助选择方法取得一 定进展 转基因技术仅限于利用主基因改良单一 目标性状； 分子标记辅助选择并不比传统的选择方 法在对主基因控制的性状方面有明显优 势;对多基因控制的重要农艺性状 ,由于 现有的 QTL 定位成果很难直接用于指导 分子标记辅助选择。
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四、 分子设计育种实例
（一）、步骤 (1) 定位所有相关农艺性状的QTL ; (2) 评价这些位点的等位性变异; (3) 开展设计育种。
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四、 分子设计育种实例
（二）、过程 1、 研究育种目标性状的QTL 2、 评价这些位点的等位性变异; 3、 开展设计育种。
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1、 研究育种目标性状的QTL
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二、我国开展分子设计育种的时 机已经成熟
1、拥有生物信息学的研究力量和技术。 首次对水稻全基因组测序并对水稻第4 染色体精细测序； 从基因组序列、EST信息和全长 cDNA序 列中发掘新标记和新基因的工作取得了 一定进展。
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二、我国开展分子设计育种的时 机已经成熟
2、开展虚拟分子育种。 我国利用分子数量遗传学和计算机技术研
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一、相关基础研究现状及发展趋势
2、分子标记技术发展日新月异
第一代分子标记，基于Southern杂交， RFLP;
第二代分子标记，基于PCR杂交， SSR;
第三代分子标记，基于基因序列， cDNA序列的SSR和SNP
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一、相关基础研究现状及发展趋势
3、基因和 QTL 定位研究广泛深入 数量性状的基因位点(QTL)定位; 植物 QTL 定位方法：区间作图，复合区 间作图和基于混合线性模型的复合区间 作图； 等位基因变异的检测与表型性状的深入鉴 定。
第五章 作物分子设计育种
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分子设计育种的概念
1、由来
Peleman 和van der Voort 对“设计育 种”(breeding by design ) 这一名词进行了 商标注册 。
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分子设计育种的概念
2、概念
以生物信息学为平台,以基因组学和 蛋白组学的数据库为基础,综合作物育种 学流程中的作物遗传、生理生化和生物 统计等学科的有用信息,根据具体作物的 育种目标和生长环境,先设计最佳方案,然 后开展作物育种试验的分子育种方法。
定向选择,消除复杂的遗传背景对基因 /QTL 定位精度的不良影响,高效发掘种质 资源中重要农艺性状的基因/QTL 。
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三、我国作物分子设计育种的研 究重点
2、建立核心种质和骨干亲本的遗传信息 链接 获取亲本携带的基因及其与环境互作的 信息预测不同亲本杂交后代在不同生态 环境下的表现提供信息支撑。
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3 个亲本间的三交(又称顶交) 组合有可能将我 们需要的染色体片段聚合在一起,产生三交组合 的方式有3 种,即三交组合1 : (CSSL5 × CSSL16) ×CSSL19 ; 三交组合2 : (CSSL5 ×CSSL19) × CSSL16和三交组合3 : (CSSL16 ×CSSL19) ×CSSL5。假定采用标记辅助方法 选择目标基因型,可供选择的方案有很多,这里 只考虑其中的2 种,标记选择方案1 :产生100 个 三交F1 个体,每个产生30 个F2 个体,利用单粒传 共产生3 000 个F8 家系,然后从中选择目标基因 型;标记选择方案2 :产生100 个三交F1 个体,通 过标记辅助选择只保留含有目标染色体片段的 个体,每个中选个体产生30 个F2 个体,利用单粒 传产生F8 家系,然后从中选择目标基因型。以 上过程借助遗传育种模拟工具QuCim 实现。
（1）构建作图群体 （2）筛选多态性标记 （3）构建标记连锁图谱 （4）评价数量性状的表现型和QTL分析。
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实例
有一包含65 个染色体片段置换系 ( chromosome segment substitution line , CSSL) 的群体,产生这一群体的2 个亲本分别为粳稻 Asominori(背景或轮回亲本) 和籼稻IR24 (供 体或非轮回亲本) 。每个CSSL 包含一个或 几个来自IR24的染色体片段,其余染色体来 自背景亲本Asominori 。所有供体染色体片 段覆盖了IR24 的整个基因组,不同染色体片 段用不同的RFLP 标记表示。
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主要内容
一、相关基础研究现状及发展趋势 二、我国开展分子设计育种的时机已经
成熟 三、我国作物分子设计育种的研究重点
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一、相关基础研究现状及发展趋势
1、 生物信息学遗传信息数据库中的数据 呈“爆炸式”增长
（1）基因组学 3 大核酸序列数据库EMBL 数据库, NCBI的
GenBank数据库，DDBJ 数据库。 （2）蛋白组学
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根据粒长的观测值,可以通过分析不同标 记基因型间粒长的差异显著性来判断哪 些片段上携带有影响粒长的QTL 。存在 QTL 的可能性常用LOD 值的大小来衡量 (图1-A) ,
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实践中,可根据不同研究目的选择LOD 临界值 去判定QTL 的存在,如果研究目的在于QTL 的 克隆和功能分析,则判定QTL 存在时应选择较 高的LOD临界值,如3.0 或更高,以避免假阳性; 如果目的在于预测基因型,则假阳性不会对结 果造成较大的负面影响,此时可选择较低的 LOD 临界值,如1.0 ,以保证效应较小的QTL 也 能鉴定出来。在上面的实例中,当采用0.83 的 临界值时(对应于显著性水平0.05) ,我们一共 鉴定出13 个控制粒长的QTL ,8 个控制粒宽的 QTL ,同时也鉴定出一些上位性QTL 。