植物生物技术：第十三章 分子标记辅助育种
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• 常规育种过程中基本上应用形态学标记，把与目标基因连 锁的、易于识别的性状作为标记，对目标性状进行相关选 择 – 大麦中抗秆锈病的基因与抗散黑穗病的基因紧密连锁 – 水稻中紫叶标记基因与恢复基因共分离
• 对质量性状一般是有效的 • 主效基因与数量性状连锁的辅助选择数量性状策略 5
形态标记辅助选择的缺点
r/2 aQ
r(1-r)/4
r2/4 r2/4 r(1-r)/4
(1-r)/2aq
(1-r)2/4
r(1-r)/4 r(1-r)/4 (1-r)2/4
8
QQ
Qq
qq
AA (1-r)2/4
r(1-r)/4 + r(1-r)/4
r2/4
1/4
Aa r(1-r)/4 + r(1-r)/4 (1-r)2/4 + r2/4 + r2/4 + (1-r)2/4 r(1-r)/4 + r(1-r)/4 1/2
rr
r2
11
目标基因选择的正确率
• 选择正确率随重组率的增加而迅速下降。或者说重组值 越小，其错选率越低
• 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MM的植株的最少数目为
n = log (1-P)/log(1-p)， p = (1-r)2
12
• 重组率高达0.3，只需选 择7株具有基因型M/M 的植株
第十三章 分子标记辅助育种 Marker-assisted breeding
1
本章重难点
• 分子标记辅助选择的原理 • 分子标记辅助选择的优势 • 分子标记辅助选择的限制因素 • 外源基因的转移与基因聚合
2
• 遗传变异的发掘、有利基因的重组，目标基因型的选择 是作物育种的基础
• 分子标记技术在育种中的应用 – 优异种质的鉴定 – 确定育种亲本间的亲缘关系 – 转移目标基因 – 筛选重组基因型 – 判定品种的真假
–免除了测交或后代测验
–早世代选择，减少群体规模
23
传统回交育种
F1
回交1 回交2 回交3 回交20 回交100
标记辅助选择回交育种
F1
回交1 回交2
24
25
三、分子标记辅助选择应具备的主要条件
• 与目标基因紧密连锁的分子标记 – 共分离或紧密连锁的(一般应小于5cM)
• 简便快捷的标记检测方法 – 检测方法要简单、快速、准确、成本低廉 – 检测过程（包括DNA的提取、分子标记的检测、数据 分析等）最好能自动化 – 应有很高的可重复性，且经济实用 – 一套能准确进行多数据处理的计算机分析软件
• 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
13
• 两侧标记作目标基因选择
• 双标记选择的正确率确实比单标记选择高得多
14
2、背景选择 (background selection)
• 背景选择的对象几乎包括了整个基因组 • 高密度的分子标记连锁图
15
图示基因型
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体中所 有染色体的组成, 即全基因组组成状况的连续的基因 型
16
17
18
19
20
21
Graphical genotyping F2 individual
22
二、分子标记辅助选择的优势
• 克服性状表型鉴定的困难
–隐性等位基因
–表现型鉴定难
–需要特别环境鉴定
• 允许早期选择
• 多性状/基因选择
• 性状评价和选择不具有破坏性
• 全基因组选择
• 显著地减轻连锁累赘的程度，加快育种进程，提高育种效率
aa r2/4
r(1-r)/4 + r(1-r)/4
(1-r)2/4
1/4
1/4
1/2
1/4
1.0
Prob.(QQ/AA) = Prob(QQ and AA) = (1-r)2/4 = (1-r)2
Prob.(QQ/AA) = Prob(AA)
1/4
9
Marker Assisted Selection (MAS)
3
作物育种基础与环节
• 作物育种的成效取决于三个方面 – 发现和创造育种上有利的遗传变异 – 采用合理先进的育种手段方法，将优良基因重组在一起 – 应用准确有效的选择鉴定技术，筛选出优良的重组类型
The central dogma of plant breeding
4
第一节 分子标记辅助选择
• 利用易于鉴定的遗传标记来辅助选择来提高选择效率和降 低育种盲目性
• 数量有限 • 一些形态标记常与不良性状连锁 • 多基因控制的重要农艺性状受到环境影响较大 • 表型测量难度较大或误差较大 • 特定的表现时期
效率较低
6
一、分子标记辅助选择的遗传基础
1、前景选择 (foreground selection)
A
r
marker
Q
putative gene
B
marker
26
1. 分子标记辅助选择的限制因素
• 很大程度决定于标记与目的基因或QTL之间的连锁程度
– 连锁不紧密时(r=0.2)、QTL两侧两个遗传标记较一个 遗传标记的遗传进度要大38％
• 主要受性状QTL的检测能力、精确性或准确性的影响
• 作图所用的群体大小以及性状遗传力
– QTL数目、效应大小
– 一般来说遗传力越高，则MAS效率降低
r为A 与 Q 之间的重组率
7
Conditional Probability
(1-r)/2 AQ
(1-r)/2 AQ (1-r)2/4
r/2 Aq r/2 aQ (1-r)/2 aq
r(1-r)/4 r(1-r)/4 (1-r)2/4
r/2 Aq
r(1-r)/4
r2/4 r2/4 r(1-r)/4
Marker
AA Aa aa
QQ (1-r)2 r(1-r)
r2
P(Qj/Mi) Qq
2r(1-r) (1-r)2+r2
2r(1-r)
qq r2 r(1-r) (1-r)2
10
感病亲本 抗病亲本
亲本 DNA（标记）带型
} Rxo1
r marker
杂种F1 标记带型
chr 6s
F2群体标记类型
RRຫໍສະໝຸດ Baidu(1-r)2 Rr 2r(1-r)
– 遗传力低的性状，QTL的检测能力和定位准确性会降
低
27
28
2. 降低分子标记辅助选择的成本
• 微量提取法提取DNA，不需液氮处理的DNA提取技术， 在提取过程中不利用特殊化学药品，降低提取缓冲液成 本
• 减少PCR反应体积 • 利用多重PCR方法 • 在琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶上多重上样 • 相斥相分子标记
• 对质量性状一般是有效的 • 主效基因与数量性状连锁的辅助选择数量性状策略 5
形态标记辅助选择的缺点
r/2 aQ
r(1-r)/4
r2/4 r2/4 r(1-r)/4
(1-r)/2aq
(1-r)2/4
r(1-r)/4 r(1-r)/4 (1-r)2/4
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AA (1-r)2/4
r(1-r)/4 + r(1-r)/4
r2/4
1/4
Aa r(1-r)/4 + r(1-r)/4 (1-r)2/4 + r2/4 + r2/4 + (1-r)2/4 r(1-r)/4 + r(1-r)/4 1/2
rr
r2
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目标基因选择的正确率
• 选择正确率随重组率的增加而迅速下降。或者说重组值 越小，其错选率越低
• 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MM的植株的最少数目为
n = log (1-P)/log(1-p)， p = (1-r)2
12
• 重组率高达0.3，只需选 择7株具有基因型M/M 的植株
第十三章 分子标记辅助育种 Marker-assisted breeding
1
本章重难点
• 分子标记辅助选择的原理 • 分子标记辅助选择的优势 • 分子标记辅助选择的限制因素 • 外源基因的转移与基因聚合
2
• 遗传变异的发掘、有利基因的重组，目标基因型的选择 是作物育种的基础
• 分子标记技术在育种中的应用 – 优异种质的鉴定 – 确定育种亲本间的亲缘关系 – 转移目标基因 – 筛选重组基因型 – 判定品种的真假
–免除了测交或后代测验
–早世代选择，减少群体规模
23
传统回交育种
F1
回交1 回交2 回交3 回交20 回交100
标记辅助选择回交育种
F1
回交1 回交2
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三、分子标记辅助选择应具备的主要条件
• 与目标基因紧密连锁的分子标记 – 共分离或紧密连锁的(一般应小于5cM)
• 简便快捷的标记检测方法 – 检测方法要简单、快速、准确、成本低廉 – 检测过程（包括DNA的提取、分子标记的检测、数据 分析等）最好能自动化 – 应有很高的可重复性，且经济实用 – 一套能准确进行多数据处理的计算机分析软件
• 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
13
• 两侧标记作目标基因选择
• 双标记选择的正确率确实比单标记选择高得多
14
2、背景选择 (background selection)
• 背景选择的对象几乎包括了整个基因组 • 高密度的分子标记连锁图
15
图示基因型
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体中所 有染色体的组成, 即全基因组组成状况的连续的基因 型
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18
19
20
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Graphical genotyping F2 individual
22
二、分子标记辅助选择的优势
• 克服性状表型鉴定的困难
–隐性等位基因
–表现型鉴定难
–需要特别环境鉴定
• 允许早期选择
• 多性状/基因选择
• 性状评价和选择不具有破坏性
• 全基因组选择
• 显著地减轻连锁累赘的程度，加快育种进程，提高育种效率
aa r2/4
r(1-r)/4 + r(1-r)/4
(1-r)2/4
1/4
1/4
1/2
1/4
1.0
Prob.(QQ/AA) = Prob(QQ and AA) = (1-r)2/4 = (1-r)2
Prob.(QQ/AA) = Prob(AA)
1/4
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Marker Assisted Selection (MAS)
3
作物育种基础与环节
• 作物育种的成效取决于三个方面 – 发现和创造育种上有利的遗传变异 – 采用合理先进的育种手段方法，将优良基因重组在一起 – 应用准确有效的选择鉴定技术，筛选出优良的重组类型
The central dogma of plant breeding
4
第一节 分子标记辅助选择
• 利用易于鉴定的遗传标记来辅助选择来提高选择效率和降 低育种盲目性
• 数量有限 • 一些形态标记常与不良性状连锁 • 多基因控制的重要农艺性状受到环境影响较大 • 表型测量难度较大或误差较大 • 特定的表现时期
效率较低
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一、分子标记辅助选择的遗传基础
1、前景选择 (foreground selection)
A
r
marker
Q
putative gene
B
marker
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1. 分子标记辅助选择的限制因素
• 很大程度决定于标记与目的基因或QTL之间的连锁程度
– 连锁不紧密时(r=0.2)、QTL两侧两个遗传标记较一个 遗传标记的遗传进度要大38％
• 主要受性状QTL的检测能力、精确性或准确性的影响
• 作图所用的群体大小以及性状遗传力
– QTL数目、效应大小
– 一般来说遗传力越高，则MAS效率降低
r为A 与 Q 之间的重组率
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Conditional Probability
(1-r)/2 AQ
(1-r)/2 AQ (1-r)2/4
r/2 Aq r/2 aQ (1-r)/2 aq
r(1-r)/4 r(1-r)/4 (1-r)2/4
r/2 Aq
r(1-r)/4
r2/4 r2/4 r(1-r)/4
Marker
AA Aa aa
QQ (1-r)2 r(1-r)
r2
P(Qj/Mi) Qq
2r(1-r) (1-r)2+r2
2r(1-r)
qq r2 r(1-r) (1-r)2
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感病亲本 抗病亲本
亲本 DNA（标记）带型
} Rxo1
r marker
杂种F1 标记带型
chr 6s
F2群体标记类型
RRຫໍສະໝຸດ Baidu(1-r)2 Rr 2r(1-r)
– 遗传力低的性状，QTL的检测能力和定位准确性会降
低
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2. 降低分子标记辅助选择的成本
• 微量提取法提取DNA，不需液氮处理的DNA提取技术， 在提取过程中不利用特殊化学药品，降低提取缓冲液成 本
• 减少PCR反应体积 • 利用多重PCR方法 • 在琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶上多重上样 • 相斥相分子标记