作物分子设计育种
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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
究 QTL 作图、QTL 与环境之间的关系方 面位于国际同等水平。
作物分子设计育种
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 。
作物分子设计育种
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ห้องสมุดไป่ตู้种之间、禾本科作物 之间的比较基因组学研究；
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
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。
GenBank数据库，DDBJ 数据库。 （2）蛋白组学
作物分子设计育种
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
作物分子设计育种
第五章 作物分子设计育种
作物分子设计育种
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 。
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
二、我国开展分子设计育种的时 机已经成熟
作物分子设计育种
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) ,
作物分子设计育种
作物分子设计育种
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 。
作物分子设计育种
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
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 。
作物分子设计育种
三、我国作物分子设计育种的研 究重点
作物分子设计育种
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。
1、 研究育种目标性状的QTL
（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。
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
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
作物分子设计育种
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
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。
作物分子设计育种
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；
究 QTL 作图、QTL 与环境之间的关系方 面位于国际同等水平。
作物分子设计育种
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 。
作物分子设计育种
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ห้องสมุดไป่ตู้种之间、禾本科作物 之间的比较基因组学研究；
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
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。
GenBank数据库，DDBJ 数据库。 （2）蛋白组学
作物分子设计育种
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
作物分子设计育种
第五章 作物分子设计育种
作物分子设计育种
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 。
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
二、我国开展分子设计育种的时 机已经成熟
作物分子设计育种
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) ,
作物分子设计育种
作物分子设计育种
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 。
作物分子设计育种
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
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 。
作物分子设计育种
三、我国作物分子设计育种的研 究重点
作物分子设计育种
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。
1、 研究育种目标性状的QTL
（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。
作物分子设计育种
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。
作物分子设计育种
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
作物分子设计育种
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
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。
作物分子设计育种
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；