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1、第五章 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。,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。,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,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
2、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,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,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。,一、相关基础研
3、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；,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。,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
4、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。,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究 QTL 作图、QTL 与环境之间的关系方面位于国际同等水平。,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。,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
5、间、禾本科作物之间的比较基因组学研究；,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。,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。,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
6、下的表现提供信息支撑。,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。,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。,四、分子设计育种实例,（二）、过程1、研究育种目标性状的QTL2、评价这些位点的等位性变异;3、开
7、展设计育种。,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。,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。,根据粒长的观测值,可以通过分
8、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),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,
9、同时也鉴定出一些上位性QTL。,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。,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
10、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。,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。,3 个亲本间的三交(又称顶交)组合有可能将我们需
11、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
12、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。,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。,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。,
