第八章 分子设计育种

高效率，能够实现从“经验育种”到“精确育种”的转 化。
相关背景
在我国人口、资源、环境等刚性条件约束下，培育高产、优质、高效作物 新品种是确保我国粮食安全、促进农业可持续发展的重要途径之一。 作物分子（设计）育种成为国家相关战略规划确定的优先发展方向并得到 了国家科技计划的重点支持。 2006年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年） 》将动植物品种与药物分子设计技术确定为前沿技术。
Δ Gramene
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禾本科作物比较基因组学的重要网站。提供水稻、玉米、大 麦、小麦、高粱、拟南芥的序列信息, 特点是重视水稻与其 他作物的比较。该网站搜罗了禾本科各作物的重要遗传标记 连锁图, 提供各种类型的分子标记, 水稻、玉米、小麦种质资 源等位基因SNP 和SSR变异的信息和水稻各种代谢途径图。
国家自然科学基金项目 — 2008年，“利用计算机模拟探索抗胞囊线虫大豆品种分子设计育种方法” 。
— 2009年，“基于单片段代换系（SSSL）的水稻分子设计育种技术体系的 建立”。
2008年，中国科学院启动了“小麦、水稻重要农艺性状的分子设计及新品 种培育推广”重大项目，最终目的是建立和完善多基因组装分子设计育种 的理论和技术体系，实现传统遗传改良向品种分子设计的跨越。
II. 在基因/QTL 定位和各种遗传研究的基础上 ,利用已经鉴 定出的各种重要育种性状基因的信息 , 包括基因在染色 体上的位置、遗传效应、基因之间的互作、基因与背景 亲本和环境之间的互作等，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。 III. 分析达到目标基因型的途径，制定生产品种的育种方案, 利用设计育种方案开展育种工作，培育优良品种。
基因设计育种。中国水稻研究所程式华（2004年）。 作物分子设计育种。中国农业科学院作物科学研究所万建民（2006）。
∆ 分子设计育种
— 以生物信息学为平台，以基因组学和蛋白组学等数据 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。 —与传统育种技术相比，分子设计育种更为精确、更加
Δ Oryzabase
http: //www.shigen.nig.ac.jp/rice/oryzabase/
收集水稻各方面的资源信息。水稻基因及其染色体位置、相 关参考文献、各种类型的水稻品种资源、突变体信息, 野生 稻的资源信息数据。
三、分子设计育种的步骤
I. 发掘控制育种性状的基因、明确不同等位基因的表型效 应、明确基因与基因以及基因与环境之间的相互关系。
第八章 分子设计育种

一、概念的提出：
Δ 国外：
设计育种(breeding by design)，Peleman 和van der Vort (2003)。
在基因定位的基础上, 构建近等基因系, 利用分子标记聚合有利等位基因, 实现育种目标。
基因组学辅助育种(genomics- assisted breeding)，Varshney ( 2005)。 在获得全基因组序列的基础上，根据事先进行的虚拟基因组设计方案， 通过一系列的育种手段和过程，培育聚集大量有利基因、基因组组配合 理、基因互作网络协调、基因组结构最为优化的优良品种。 Δ 国内：
2008年，973计划在农业领域设立了作物分子设计项目“主要作物高产、 优质品种设计和选育的基础研究”。
— 研究主要作物（小麦、玉米、大豆等）高产和优质性状的遗传机理，鉴定 出具有重要实用价值的分子靶点；通过常规和分子育种手段的结合，创制 在产量、品质等目标性状上表现突出的育种材料；建立多基因组装育种的 理论和方法体系。
（二）国际研究现状
1. 各国在作物遗传改良中都不同程度地布局和开展了作物分 子设计育种相关研究。
—主要代表性国家的研究工作主要蕴藏在其它基因组计划项 目、作物遗传改良计划项目中。 2. 作物分子设计育种尚处于起步阶段，还没有在实践中利用 该技术体系培育出商业化品种。 —目前开展的主要是相关基础研究工作。包括基因组研究、 基因和 QTL 定位、分子标记开发、标记辅助选择、转基因 技术、定位群体的构建、生物信息学工具和平台数据库的 开发及育种模拟工具和软件的开发等。
3、开展分子设计育种、建立设计育种技术体系
• 万建民和Wang等利用粳稻品种Asominori为背景、籼稻品种 IR24 为供体的65个染色体片段置换系(CSSL)开展水稻粒长 和粒宽性状的 QTL 分析 , 根据 QTL 分析结果设计出大粒目 标基因型 , 并提出实现目标基因型的最佳育种方案 ; 随 后开展分子设计育种, 于2008年选育出携带籼稻基因组片 段的大粒( 长× 宽 > 8.5 mm × 3.2 mm) 粳稻材料。 • Wang等利用CSSL群体确定了9个具有稳定表达和育种价值的 染色体片段 ,设计出满足多种品质指标的育种目标基因型 ; 随后开展分子设计育种, 于2009 年选育出低垩白率(<10%)、 中等直链淀粉含量(15%~20%)等综合品质性状优良的水稻自 交系。
水稻生物信息库
Δ RGP （Rice Genome Research Program） http: //rgp.dna.affrc.go.jp/ 日本的水稻基因组计划的网址, 是整个国际水稻基因组测序计 划的重要网站之一。 该网站目前主要是免费发布粳稻“日本晴 ”全基因组、EST 序列的测序信息。 Δ NCBI（National Center for Biotechnology Information） / 美国国立生物技术信息中心，国际上几个重要分子生物信息网 站之一，含籼稻93- 11 基因组序列数据库。
2007年，我国863计划现代农业技术领域启动了“动植物品种分子设计” 专题。
—以主要植物（水稻、小麦、玉米、大豆、棉花等）、动物（猪、牛、鸡等 ）为研究对象。 —重点研究：重要性状的分子构成解析；转基因技术；优异性状多基因聚合 ；品种分子设计的信息系统；品种分子设计工程；品种分子设计的技术体 系与验证。
万建民，2007年。
王健康和万建民，2011年。
四、分子设计育种的研究现状 （一）我国的研究现状
1、水稻遗传研究材料更加丰富多样、重要性状的遗传研究 日趋深入。 ——已创制出类型多样的水稻遗传研究群体, 对大多数育种 性状已开展QTL 定位、基因精细定位和克隆研究。 —— 我国已建立了水稻多套染色体片段置换系（导入系） 群体，大量的突变体和近等基因系群体，这些群体可用于 基因的精细定位、克隆和功能验证、基因间的互作、基因 聚合等研究。 —— 我国在 QTL 定位和分子标记辅助育种领域的基础研究 方面力量较强，论文数量位居世界第二，在论文数量排名 前10位机构中，我国的大学和研究机构共占据5个席位。
2、育种模拟工具日益成熟并在育种中应用
目标基因型的预测、育种方法的优化须借助适当的模拟工具。
—QuLine，用于不同育种方法的比较、研究显性和上位性选择 效应、利用已知基因信息预测杂交后代的表型以及分子标记 辅助选择过程的优化。 —QuHybrid，用于杂交种育种策略的模拟和优化、不同杂交种 育种方案的比较。 —QuMARS，用于轮回选择与标记辅助选择的方案优化。 育种模拟工具可以克服田间试验耗时长、难以重复的局限性, 通过大量模拟试验全面比较不同育种方法的育种成效
4. 目前，在作物分子设计育种领域取得相对进展较大的是国 际农业组织——国际玉米小麦改良中心。美国在分子设计 育种相关研究和专利申请上均占据重要地位。 5.研究较深入的作物包括水稻、小麦、玉米、大麦和大豆。 6. 研究较多的性状包括病害抗性、作物产量、株高、作物品 质、害虫抗性和耐旱性。
二、开展分子设计育种的基本条件 1、高密度分子遗传图谱和高效的分子标记检测技术
2、重要基因/QTLs的定位及其功能
a.大规模定位控制目标作物各种性状的重要基因/QTLs，明 确其功能。 b.掌握这些关键基因/QTL的等位变异及其对表型的效应。 c.充分的了解基因间互作(包括基因与基因之间的互作以及 基因与环境的互作等) 3、建立并完善可供分子设计育种利用的遗传信息数据库。 4、构建可用于设计育种的种质资源与育种中间材料。