第六章分子设计育种.ppt
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“爆炸式”增长
欧洲生物信息研究所EMBL数据库 美国国家生物技术信息中心GeneBank数据库 日本国立遗传学研究所DDBJ 数据库
所有这些序列以及基因和蛋白质结构和功能的数据成为 全世界科学界的宝贵资源和财富，这些海量的序列信息给 高效、快速的基因发掘和利用提供了新的契机，在若干研 究领域实现跨越式发展甚至“革命”的时机已经到来。 但是，如何收集和处理这些DNA和蛋白质信息，并在作 物改良中加以应用仍是一个巨大的挑战。
一、分子设计育种的概念
它以生物信息学为平台，以基因组学和蛋白组学等若 干个数据库为基础，综合作物育种学流程中的作物遗传、 生理、生化、栽培、生物统计等所有学科的有用信息， 根据具体作物的育种目标和生长环境，在计算机上设计 最佳方案，然后开展作物育种试验的分子育种方法。
分子设计育种
二、分子设计育种的特点
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
cDNA序列的SNP标记。
3. 基因和QTL定位研究广泛深入
四、中国需要做什么？
1、建立分子育种数据库
分子育种是建立在掌握大量基因信息基础上的。基因组学每 天都产生大量的数据，其中有一部分正是分子育种所需要的。但这些 数据分散于世界各地的数据库中，对一般育种专家来说，从中获得这 些数据就像大海捞针一样困难。因此需要将分散于这些数据库中与分 子育种有关的数据提取出来，建立一个专门的数据库。
3、开发“计算机种地”软件
在计算机上进行品种“设计”和“育种”，这就是品种设计与虚拟 育种。这种方法能缩短育种周期，提高育种效率。
为什么常规育种的这些问题一直困扰育种家 几十年而没有解决？根本原因是什么？
根本原因:没有找到控制育种目标性状的基因及其操纵基因 的技术。
采用分子标记辅助育种技术首先就是要找到抗病基因的 分子标记，然后利用找到的标记对育种亲本及后代进行选 择。
使用分子育种技术不受时间、地点的限制，能有效地解 决常规育种长期未能解决的问题。
三、作物分子设计育种相关基础研究现状及发展趋势
近年来，主要作物的基因组学研究，特别是拟南芥、玉
米、水稻和小麦基因组学研究取得了巨大成就，基因定位 和QTL作图研究为分子设计育种奠定了良好基础，计算机 技术在作物遗传育种领域的广泛应用为分子设计育种提供 了有效的手段。
1.生物信息学遗传信息数据库中的数据呈
3.能够实现由表现型选择到基因型选择
传统的杂交育种都是育种专家根据育种材料及其后代的“ 外貌”（即表型性状），在田间直接选择的。
分子育种是通过分子技术对育种的目标基因和目标性状 进行转移和选择，进而培育出优良的新品种，通俗说法就 是在分子水平上进行育种操作。
使用分子育种技术可以不受外界环境条件的影响，在实 验室内直接对控制目标性状的基因进行选择，它代表着作 物育种的发展方向。
二是效率低，每年要配制几十甚至几百个杂交组合，常常是能从中选出一个 品种就很不错了；
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。
4. 转基因技术和标记辅助选择方法取得一定进展
利用转基因技术进行作物品种改良已取得一定进展 存在的问题：
目前转基因技术还仅限于利用主基因改良单一目标性状， 对于由多基因控制的大多数重要农艺性状，转基因技术尚 无法发挥其优势。
分子标记辅助选择育种对主基因控制的性状选择并不比 传统的选择方法有明显优势；对多基因控制的重要农艺性 状，由于QTL在遗传上的复杂性、背景依赖性以及与环境 的复杂互作，现有的QTL定位成果很难直接用于指导分子 标记辅助选择育种。
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。
2、开发有中国自主知识产权的分子标记
分子标记辅助育种的一个基本条件是要拥有大量的分 子标记。我国使用的主要是国外的分子标记，不仅数量不 能满足需要，而且使用这些标记常常受到限制。此外，目 前所用的分子标记大部分只是和目标基因相连锁，其本身 并不是目标基因。因此有必要开发具有我国自主知识产权 的新一代分子标记。这种新一代分子标记本身就是目标基 因的一部分，使用这种标记可以对基因直接进行选择。
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。
第六章 分子设计育种
我想让你长什么样就长什么样
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P1 P2
F1 F2
F3
F4
F5
F6
F7
区域试验 生产试验
传统育种技术的缺陷
在促进粮食产量增加的诸多科技因素中，育种的贡献占 1/3以上，然而目前人们使用的主要是常规育种技术，它存在 三方面的缺陷：
一是育种周期长，从杂交到育出品种一般需要七八年甚至十多年；
欧洲生物信息研究所EMBL数据库 美国国家生物技术信息中心GeneBank数据库 日本国立遗传学研究所DDBJ 数据库
所有这些序列以及基因和蛋白质结构和功能的数据成为 全世界科学界的宝贵资源和财富，这些海量的序列信息给 高效、快速的基因发掘和利用提供了新的契机，在若干研 究领域实现跨越式发展甚至“革命”的时机已经到来。 但是，如何收集和处理这些DNA和蛋白质信息，并在作 物改良中加以应用仍是一个巨大的挑战。
一、分子设计育种的概念
它以生物信息学为平台，以基因组学和蛋白组学等若 干个数据库为基础，综合作物育种学流程中的作物遗传、 生理、生化、栽培、生物统计等所有学科的有用信息， 根据具体作物的育种目标和生长环境，在计算机上设计 最佳方案，然后开展作物育种试验的分子育种方法。
分子设计育种
二、分子设计育种的特点
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
cDNA序列的SNP标记。
3. 基因和QTL定位研究广泛深入
四、中国需要做什么？
1、建立分子育种数据库
分子育种是建立在掌握大量基因信息基础上的。基因组学每 天都产生大量的数据，其中有一部分正是分子育种所需要的。但这些 数据分散于世界各地的数据库中，对一般育种专家来说，从中获得这 些数据就像大海捞针一样困难。因此需要将分散于这些数据库中与分 子育种有关的数据提取出来，建立一个专门的数据库。
3、开发“计算机种地”软件
在计算机上进行品种“设计”和“育种”，这就是品种设计与虚拟 育种。这种方法能缩短育种周期，提高育种效率。
为什么常规育种的这些问题一直困扰育种家 几十年而没有解决？根本原因是什么？
根本原因:没有找到控制育种目标性状的基因及其操纵基因 的技术。
采用分子标记辅助育种技术首先就是要找到抗病基因的 分子标记，然后利用找到的标记对育种亲本及后代进行选 择。
使用分子育种技术不受时间、地点的限制，能有效地解 决常规育种长期未能解决的问题。
三、作物分子设计育种相关基础研究现状及发展趋势
近年来，主要作物的基因组学研究，特别是拟南芥、玉
米、水稻和小麦基因组学研究取得了巨大成就，基因定位 和QTL作图研究为分子设计育种奠定了良好基础，计算机 技术在作物遗传育种领域的广泛应用为分子设计育种提供 了有效的手段。
1.生物信息学遗传信息数据库中的数据呈
3.能够实现由表现型选择到基因型选择
传统的杂交育种都是育种专家根据育种材料及其后代的“ 外貌”（即表型性状），在田间直接选择的。
分子育种是通过分子技术对育种的目标基因和目标性状 进行转移和选择，进而培育出优良的新品种，通俗说法就 是在分子水平上进行育种操作。
使用分子育种技术可以不受外界环境条件的影响，在实 验室内直接对控制目标性状的基因进行选择，它代表着作 物育种的发展方向。
二是效率低，每年要配制几十甚至几百个杂交组合，常常是能从中选出一个 品种就很不错了；
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。
4. 转基因技术和标记辅助选择方法取得一定进展
利用转基因技术进行作物品种改良已取得一定进展 存在的问题：
目前转基因技术还仅限于利用主基因改良单一目标性状， 对于由多基因控制的大多数重要农艺性状，转基因技术尚 无法发挥其优势。
分子标记辅助选择育种对主基因控制的性状选择并不比 传统的选择方法有明显优势；对多基因控制的重要农艺性 状，由于QTL在遗传上的复杂性、背景依赖性以及与环境 的复杂互作，现有的QTL定位成果很难直接用于指导分子 标记辅助选择育种。
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。
2、开发有中国自主知识产权的分子标记
分子标记辅助育种的一个基本条件是要拥有大量的分 子标记。我国使用的主要是国外的分子标记，不仅数量不 能满足需要，而且使用这些标记常常受到限制。此外，目 前所用的分子标记大部分只是和目标基因相连锁，其本身 并不是目标基因。因此有必要开发具有我国自主知识产权 的新一代分子标记。这种新一代分子标记本身就是目标基 因的一部分，使用这种标记可以对基因直接进行选择。
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。
第六章 分子设计育种
我想让你长什么样就长什么样
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F1 F2
F3
F4
F5
F6
F7
区域试验 生产试验
传统育种技术的缺陷
在促进粮食产量增加的诸多科技因素中，育种的贡献占 1/3以上，然而目前人们使用的主要是常规育种技术，它存在 三方面的缺陷：
一是育种周期长，从杂交到育出品种一般需要七八年甚至十多年；