作物基因聚合分子育种
分子标记辅助育种技术
分子标记辅助育种技术分子标记辅助育种技术第一节分子标记的类型和作用原理遗传标记是指可以明确反映遗传多态性的生物特征。
在经典遗传学中，遗传多态性是指等位基因的变异。
在现代遗传学中，遗传多态性是指基因组中任何座位上的相对差异。
在遗传学研究中，遗传标记主要应用于连锁分析、基因定位、遗传作图及基因转移等。
在作物育种中，通常将与育种目标性状紧密连锁的遗传标记用来对目标性状进行追踪选择。
在现代分子育种研究中，遗传标记主要用来进行基因定位和辅助选择。
1、形态标记形态标记是指那些能够明确显示遗传多态性的外观性状。
如、株高、穗型、粒色等的相对差异。
形态标记数量少，可鉴别标记基因有限，难以建立饱和的遗传图谱。
有些形态标记受环境的影响，使之在育种的应用中受到限制。
2、细胞学标记细胞学标记是指能够明确显示遗传多态性的细胞学特征。
如染色体的结构特征和数量特征。
核型：染色体的长度、着丝粒位置、随体有无。
可以反映染色体的缺失、重复、倒位、易位。
染色体结构特征带型：染色体经特殊染色显带后，带的颜色深浅、宽窄和位置顺序,可以反映染色体上常染色质和异染色质的分布差异。
染色体数量特征—是指细胞中染色体数目的多少。
染色体数量上的遗传多态性包括整倍体和非整倍体变异。
细胞学标记优点：克服了形态标记易受环境影响的缺点。
缺点：（1）培养这种标记材料需花费大量的人力物力；（2）有些物种对对染色体结构和数目变异的耐受性差，难以获得相应的标记材料；（3）这种标记常常伴有对生物有害的表型效应；（4）观察鉴定比较困难。
3、蛋白质标记用作遗传标记的蛋白质分为酶蛋白质和非酶蛋白质两种。
非酶蛋白质：用种子储藏蛋白质经一维或二维聚丙烯酰胺凝胶电泳，根据显示的蛋白质谱带或点，确定其分子结构和组成的差异。
酶蛋白质：利用非变性淀粉凝胶或聚丙烯酰胺凝胶电泳及特异性染色检测，根据电泳谱带的不同来显示酶蛋白在遗传上的多态性。
蛋白质标记的不足之处：（1）每一种同工酶标记都需特殊的显色方法和技术；（2）某些酶的活性具有发育和组织特异性；（3）标记的数量有限。
作物育种学总论第十四章分子标记辅助选择育种
PCR-based markers
PCR: polymerase chain reaction（多聚酶链式反应）
amplification of tracts of DNA defined by border sequences that hybridize to selected DNA polymerase primers
How to use a genetic marker for marker-assisted selection
Weaver Carrier Sire
M1
M2
W
+
M1
M3 M2
M3
W
++
+
W=Weaver +=Normal
目标基因的标记筛选（gene tagging）是 进行分子标记辅助选择（MAS）育种的基 础。用于MAS育种的分子标记须具备三个 条件：
生化标记
主要包括同工酶和等位酶标记。同工酶是：指结构 不同、功能相似的酶，也即具有同一底物专一性的 不同分子形式的酶。属于一个以上基因座位编码的 酶的不同形式；而等位酶是指由一个基因座位的不 同等位基因编码的酶的不同分子形式。分析方法是 从植物组织的蛋白粗提物中通过电泳和组织化学染 色法将酶的多种形式转变成肉眼可辩的酶谱带型。
供体
M
R
受体
m
r
M
m
R
r
RR Rr rr
(1-r)2 2r(1-r) r2
目标基因与DNA标记间的遗传距离位p
亲本中DNA标记的带型
M—抗性标记 R—抗性基因 m—感病标记 r—感病基因
F1杂种中DNA标记的带型
在F2分离群体中分子标记类型 即MM,Mm,mm
作物分子育种
一、作物分子育种作物育种基本任务：1.在研究和掌握作物形状遗传变异规律的基础上，发掘研究和利用作物种植资源；2.选育优良品种或杂种以及新作物；3.繁殖生产用种。
作物分子育种：即在经典遗传学和分子生物学等理论指导下，将现代生物技术手段整合于传统育种方法中，实现表现型和基因型选择的有机结合，培育优良新品种。
分子标记育种：又称为分子标记辅助选择，是利用与目标基因紧密连锁的分子标记，在杂交后代中准确鉴别不同个体基因型，从而进行辅助选择育种。
特点：能有效结合基因型与表现型鉴定，显著提高选择的准确性。
转基因育种：利用基因重组DNA技术，将功能明确的基因通过遗传转化手段导入受体品种的基因组，并使其表达期望形状的育种方法。
特点：能打破基因不同物种交流障碍，克服传统育种的困难问题。
分子设计育种（刚起步）：目的——通过各种技术的集成与整合，在育种家的田间试验之前，对育种程序中的各种因素进行模拟、筛选和优化，确立目标基因型，提出最佳亲本选配和后代选择策略，提高育种试验可见性。
我国作物分子育种中存在的问题：1.基因资源挖掘力度有待加强；2.实用分子标记和具重要育种价值的基因十分贫乏；3.作物分子育种技术尚待突破；4.通过分子育种培育的突破性品种不多，产业化程度不高；5.作物分子育种的组织体系和实施机制需要创新。
作物分子育种意义：1.发展作物分子育种是保障国家安全的重大需求；2.全面实现作物分子育种相关技术突破；3.加速作物分子育种研发和产业化。
常规育种和分子育种比较：1.常规育种表现型选择时，会受时空因素影响，而分子育种不会；2.常规育种来源广，育种亲本贫乏；分子育种基因来源广，基因资源丰富。
3.常规育种基因局限于种内，少数局限于亚种间；分子育种基因交流不受物种限制。
4.常规育种目标性状有不明确性；分子育种目的基因功能已知，目标性状明确。
5.最明显特征：常规育种选择时间长；分子育种选择时间短，可调控基因及其产物的功能、表达。
作物育种学复习资料
1、名词解释：雄性不育性：植株的雌蕊正常而花粉败育，不产生有功能的雄配子的特性。
自交不亲和性：指具有完全花并可形成正常雌雄配子，但是缺乏自花授粉结实能力的一种自交不育性。
自花授粉：同一朵花的花粉传到同一朵花的雌蕊柱头上，或同株的花粉传播到同株的雌蕊柱头上，都称为自花授粉。
自花授粉作物（自交作物）：通过自花授粉方式繁殖后代的作物。
天然异交率：作物不同品种间天然杂交的概率。
自交衰退：异花授粉作物自交后代的生活力衰退。
杂种优势：后代的生长势、生活力、抗逆性等方面增强和产量提高，成为杂种优势。
杂交种品种：在严格选择亲本和控制授粉条件下生产的各类杂交组合的F1 植株全体。
植物细胞工程：以植物细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖或人为的使细胞某些生物学特性按人类意愿生产某种物质的过程。
种质资源：具有特定种质或基因，可供育种及相关研究利用的各种生物类型。
有性繁殖：凡是雌雄配子结合，经过受精过程，最后形成种子繁衍后代的繁殖方式。
无性繁殖：不通过两性细胞受精的过程而繁殖后代的方式。
作物起源中心：野生植物最先被人类栽培利用或产生大量栽培变异类型的比较独立的农业地里中心。
杂交育种：不同品种间杂交获得杂种，继而在杂种后代进行选择以育成符合生产要求的新品种。
远缘杂交：植物分类学上不同种、属或亲缘关系更远的植物类型间进行的杂交。
作物的育种目标：在一定的自然、栽培和经济条件下，对计划选育的作物新品种在生物学和经济学性状上的具体要求。
育种目标是动态、相对稳定的。
引种：泛指从外地或外国引进新植物、新作物、新品种、品系以及供研究用的各种遗传资源材料。
诱变育种：利用理化因素诱发变异，再通过选择而培育新品种的育种方法。
自交系：经过多年、多代连续的人工强制自交和单株选择所形成的基因型纯和的、性状整齐一致的自交后代。
配合力：一个亲本与其他若干个亲本杂交后杂种F1 的生产力或某个数量性状指标的大小。
一般配合力：某一纯系品种与若干纯系品种杂交后，其杂种一代在某个数量性状上的平均表现。
作物QTL分析的原理与方法
作物QTL定位方法与技术作物QTL定位的方法主要有传统连锁分析、基因芯片 技术和深度学习等。连锁分析通过群体遗传学手段，鉴定两个或多个基因位点 间的连锁关系，进而确定控制性状的QTL。基因芯片技术利用基因组wide的标 记分布，对大量基因位点进行同时检测，高效地定位QTL。深度学习则利用神 经网络等算法，自动化学习和识别数据中的特征，实现对QTL的精准定位。
四、自然群体
自然群体是指在没有人为干预下自然形成的群体，如野生种、地方品种、自然 变异群体等。这些群体通常具有丰富的遗传变异和复杂的遗传结构，对于研究 作物的适应性、抗逆性和产量等性状的遗传基础非常有用。此外，自然群体还 可以用于发现和克隆稀有或特殊的QTL。
五、基于基因组的作图群体
随着基因组学技术的发展，基于基因组的作图群体越来越受到重视。这种群体 可以通过重测序技术获得大量的SNP（单核苷酸多态性）标记，并利用这些标 记构建高密度的遗传图谱。这种图谱可以用于精细定位和克隆QTL，以及研究 基因组中的结构变异和非编码区基因组。
2、QTL分析的具体步骤
（1）数据采集：收集作物的基因型和表型数据。基因型数据可以通过高通量 测序技术获得，而表型数据则可以通过田间试验和室内分析等方法获得。
（2）作图：利用作图软件将基因型和表型数据组装成图，以展示它们之间的 关系。常用的作图软件包括QTL Cartographer、QTL IciMapping等。
原理
1、QTL的概念及定义
QTL是指作物基因组中控制数量性状的基因座位，它们可以通过影响表型变异 来影响作物的农艺性状。QTL通常分为两类：主效QTL和微效QTL。主效QTL是 指对表型变异起主要作用的QTL，而微效QTL则是指对表型变异起较小作用的 QTL。
分子标记辅助育种技术
分子标记辅助育种技术分子标记辅助育种技术是在水稻、小麦、玉米、大豆、油菜等重要作物上，通过利用与目标性状紧密连锁的DNA分子标记对目标性状进行间接选择，以在早代就能够对目标基因的转移进行准确、稳定的选择，而且克服隐性基因再度利用时识别的困难，从而加速育种进程，提高育种效率，选育抗病、优质、高产的品种。
（一）发展回顾我国的农作物分子标记辅助育种的研究始于90年代初，在过去的近十年时间里，取得了重要的研究进展：1.构建了水稻等作物的染色体遗传图谱；2.构建了水稻染色体物理图谱；3.利用分子标记对我国作物种质资源遗传多样性进行了初步的研究；4.对一些重要的农艺性状进行了定位、作图与标记，相应的基因克隆已在进行。
在基因组计划开展以来的短短的几年时间内，主要农作物的遗传连锁图的绘制均已完成。
1996年我国用RFLP标记对水稻进行作图，构建了水稻12条染色体的完整连锁图。
此后，又构成了有612个标记的水稻遗传连锁图，较好地满足水稻遗传育种工作的需要。
除水稻之外，还绘制了谷子的RFLP连锁图。
构建了大豆分子标记遗传框架图、小麦野生近缘植物小伞山羊草的连锁图以及小麦的第1、第5、第6染色体部分同源群RFLP连锁图等。
1997年，利用广陆矮4号水稻品种构建的BAC文库，建立了631个长度不同的跨叠群。
用水稻遗传图谱上的RFLP标记及STS标记确定了631个跨叠群在水稻12条染色体上的位置，绘制出了水稻的染色体物理图。
该物理图长为352284Kb，覆盖了水稻基因组的92%。
我国近年来对作物的重要性状，如育性基因、抗性基因及产量性状基因的作图与标记方面开展了大量研究工作。
在育性方面，找到了与光敏核不育水稻的光敏不育基因位点连锁的RFLP标记。
定位了水稻不育系5460F的育性隐性单基因tms1，并找到与之紧密连锁（1.2cM）的RFLP标记。
定位水稻野败不育系恢复基因的两个主效基因Rfi3和Rfi4，初步确定了与其中Rfi3基因紧密连锁(2.7cM)的RFLP标记，并已转化为STS标记。
基因聚合选育抗赤霉病小麦新品系百农4299
作物学报ACTA AGRONOMICA SINICA 2022, 48(9): 2221 2227 / ISSN 0496-3490; CN 11-1809/S; CODEN TSHPA9E-mail:***************DOI: 10.3724/SP.J.1006.2022.11085基因聚合选育抗赤霉病小麦新品系百农4299张一铎1李国强1孔忠新1王玉泉2李小利2茹振钢2贾海燕1,*马正强11 南京农业大学作物基因组学与生物信息学中心 / 作物遗传与种质创新国家重点实验室, 江苏南京 210095;2 河南科技学院小麦中心, 河南新乡 453003摘要: 小麦赤霉病是一种严重危害小麦生产的真菌性病害, 其抗性由多基因控制, 抗性机制复杂。
type I (抗侵入)和type II (抗扩展)是小麦抵御赤霉病侵害的2种最主要抗性类型。
在抗赤霉病育种中兼顾2种抗性, 对于保证生产上抗性的稳定和持久有着重要意义。
在前期研究中, 作者所在课题组从小麦地方品种望水白中克隆了抗赤霉病扩展的主效QTL Fhb1, 精细定位了Fhb4和Fhb5, 获得了功能性/紧密连锁的分子标记。
本研究利用这些标记, 以小麦品系NMAS022作为供体亲本, 现代小麦品种百农4199作为受体亲本, 通过分子标记辅助回交育种方法选育成了聚合望水白Fhb1、Fhb4、Fhb5的小麦新品系百农4299。
与百农4199相比, 百农4299在2年的田间试验中type I抗性至少增加了73%~74%, type II抗性至少增加了83%~88% (以病小穗数计), 并且产量潜力也得到了提高。
上述结果证明了通过分子标记辅助选择聚合不同类型抗赤霉病QTL以提高小麦赤霉病抗性的可行性。
抗赤霉病小麦品系百农4299有望成为一个新的抗赤霉病小麦品种。
关键词:小麦; 赤霉病; 抗病基因聚合; MAS; 百农4299Breeding of FHB-resistant wheat line Bainong 4299 by gene pyramidingZHANG Yi-Duo1, LI Guo-Qiang1, KONG Zhong-Xin1, WANG Yu-Quan2, LI Xiao-Li2, RU Zhen-Gang2, JIAHai-Yan1,*, and MA Zheng-Qiang11 Crop Genomics and Bioinformatics Center, State Key Laboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement, Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095, Jiangsu, China; 2 Center of Wheat Research, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 450003, Henan, ChinaAbstract: Fusarium head blight(FHB) is a devastating fungal disease in wheat production. Wheat FHB resistance is controlled bymultiple genes and has complicated resistance mechanisms. Type I (resistance to invasion) and type II (resistance to expansion)are two main resistance types of wheat against FHB. Combining both types of FHB resistance in breeding is vitally important forthe resistance durability and stability of cultivars. In fine mapping and cloning of type I resistance QTL Fhb4 and Fhb5 and type IIresistance QTL Fhb1 in wheat landrace Wangshuibai, functional/tightly-linked molecular markers for them had been obtained. Inthis study, a new wheat line named Bainong 4299 was bred after introduction of these QTL from NMAS022 with the help of thesemarkers and using modern wheat variety Bainong 4199 as the recipient parent. Compared with Bainong 4199, Bainong 4299 in-creased type I resistance by at least 73% to 74% and type II resistance by 83% to 88% increase (in terms of the number of dis-eased spikelets per spike) in two field trials. Moreover, its yield potential had moderate elevation. In conclusion, this study pro-vided another successful illustration of marker-assisted selection and pyramiding of FHB QTL in improving wheat FHB resistance.Bainong 4299 had the potential to become a new FHB resistance cultivar.Keywords: wheat; Fusarium head blight; pyramiding of resistance genes; MAS; Bainong 4299本研究由国家重点研发计划项目(2016YFD0101802), 国家自然科学基金项目(31930081, 30430440)和现代作物生产(省部共建)协同创新中心资助。
传统与现代植物育种方法的优缺点,分子育种的进展马云海
传统与现代植物育种方法的优缺点，分子育种的进展生物工程系马云海学号：8201203077摘要: 植物育种是一门很复杂的技术，针对不同的植物应采用不同的育种方式，要对各种育种方式进行比较，选择简易、可操作的方式。
近年来, 随着基因组测序等多种技术实现突破, 基因组学、表型组学等多门“组学”及生物信息学得到迅猛发展, 作物育种理论和技术也发生了重大变革。
以分子标记育种、转基因育种、分子设计育种为代表的现代作物分子育种技术逐渐成为了全世界作物育种的主流,本文在比较传统育种和现代育种的优缺点, 由于传统育种工作依赖于育种家的经验和机遇, 往往存在很大的盲目性和不可预测性, 而分子育种能显著提高育种效率, 为保障我国粮食安全、生态安全提供更强有力的技术支撑。
关键词: 植物育种; 传统植物育种;; 分子育种;增加作物单产对于社会稳定与可持续发展具有重要的战略意义。
良种是一种最为经济有效的增产因素，而良种的获得与作物育种方法的不断改进密不可分。
随着人类文明的不断进步，作物育种经历了一个漫长的发展过程，从最初的系统选育，到后来的杂交育种、杂交优势育种、诱变育种、分子标记辅助育种、转基因育种等。
从20世纪60年代起，我国进入了现代多样化育种阶段，方法的创新呈现出快速发展态势，现在基本形成了以杂交育种方法为主，多种育种方法并存的局面。
近些年来，生物技术广泛应用于作物育种当中，展示了其特有的作用和前景，如分子标记辅助育种和转基因育种，但是这些技术或方法在育种中的应用还处于起步阶段，还有很多基础理论和具体应用技术需要解决。
以水稻为例，目前已拥有较完整全基因组数据、高密度分子标记和转化技术等，但仍然缺乏品质、产量、抗性等复杂性状综合改良的高效育种策略；目前采用的转化方法对外源基因在受体植物上的整合是随机的且单基因导入，在定点整合和多基因导入技术等方面有待进一步改进和提高。
同时，作物育种还存在育种周期长、公共平台和共享资源建设不够、遗传基础狭窄等一系列其他问题。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
植物遗传资源学报2010，11（3）：364-
368J o ur na l o f P l a nt G e ne t i c R e s o ur c e s
作物基因聚合分子育种
徐小万1，雷建军2，罗少波1，李 颖1，王恒明1
（1广东省农业科学院蔬菜研究所，广州510640；2华南农业大学园艺学院，广州510642）
摘要：基因聚合分子育种与常规育种技术相结合已成为今后作物育种的主流方向。
基因聚合分子育种主要包括遗传转化基因聚合分子育种和分子标记筛选基因聚合分子育种。
本文简要综述了近年来作物基因聚合分子育种的研究进展，分析了遗传转化基因聚合分子育种以及分子标记基因聚合分子育种技术的研究方法及基因聚合分子育种存在的问题。
关键词：作物；基因聚合分子育种；分子标记；遗传转化C r opG e n e P yr am i d i n g Mol e c u l ar B r e e d i n g
X UX i a o -w a n 1，L E I J i a n-j un 2，L U OSha o -bo 1，L I Y i ng 1，W A N GH e ng -m i ng
1（1V e ge t ab l e R e s e ar c h I ns t i t ut e ，G uangdo ng A c ade m y o f A gr i c ul t ur al Sc i e nc e s ，G uangz ho u 510640；
2H o r t i c ul t ur al C o l l e ge ，So ut h C hi na A gr i c ul t ur al U ni v e r s i t y ，G uangz ho u 510642）
A b s t r ac t ：：M o s t a g r o no m i c c ha r a t e r i s t i c s a nd c o m pl e x bi o s y nt he t i c pa t hw a y s a r e de t e r m i ne d by t he c o o r di na -t i o n o f m ul t i pl eg e nee x pr e s s i o n ，a nd g e nepy r a m i di ngm o l e c ul a r br e e di ngc o m bi ne d w i t h c o nv e nt i o na l br e e di ng t e c hni que s ha v e be c o m e t he m a i n m e a ns f o r t he c r o p br e e di ng .G e ne py r a m i di ng m o l e c ul a r br e e di ng i nc l ude s g e ne t -i c t r a ns f o r m a t i o n m o l e c ul a r br e e di ng a nd m a r ke r -a s s i s t e d s e l e c t i o n m o l e c ul a r br e e di ng .G e ne t i c t r a ns f o r m a t i o n m o -l e c ul a r br e e di ng ，m a r ke r -a s s i s t e d s e l e c t i o n m o l e c ul a r br e e di ngi n c r o ps w e r er e v i e w e d i n r e c e nt l yy e a r s .T her e -s e a r c h m e t ho ds ，t he c o unt e r m e a s ur e s o n t he e x i s t i ng pr o bl e m s o f g e ne py r a m i di ng m o l e c ul a r br e e di ng w e r e di s c us s e d a nd t he pr o s pe c t s w e r e de s c r i be d a s w e l l i n t hi s pa pe r .
K e y w or d s ：C r o ps ；G e ne py r a m i di ng m o l e c ul a r br e e di ng ；M o l e c ul a r m a r ke r s ；G e ne t i c t r a ns f o r m a t i o n
收稿日期：2009-
07-05 修回日期：2009-12-07基金项目：国家863计划（2008A A 10Z
150-53）；广东省科技计划项目（2009B 060600004）；现代农业产业技术体系建设专项资金资助作者简介：徐小万，博士，助理研究员，从事辣椒育种与生物技术研究。
E -
m a i l ：x x w 7505@163.c o m 通讯作者：王恒明，E -m a i l ：w hm i ng 2006@21c n.c o m 自然界中植物的许多农艺性状和生理生化代谢都是由多基因调控。
长期以来，育种家通过回交、远缘杂交、物理化学诱变等手段培育高产、优质、多抗作物品种。
近年来，随着分子生物学的发展，研究者试图通过多基因聚合分子育种手段来达到上述目的。
简单地说基因聚合分子育种就是在常规育种的基础上通过分子生物学手段实现2个或2个以上基因整合到同一个体的育种方法。
到目前为止，植物基因聚合分子育种主要包括两个方面的内容：（1）遗传转化基因聚合分子育种方法。
该法结合常规育种技术，运用农杆菌介导法、植物D N A 病毒介导法、电激法、显微注射法、基因枪轰击法、花粉管通道法等基本的植物转化方法，采用不同策略将人工分离和修饰的2个或2个以上的基因导入受体植物，由于导入基因的表达，引起生物体的性状可遗传的修饰，从而培育具有特异目标性状的植物新品种。
（2）分子标记辅助选择基因聚合分子育种方法。
该法通过成对杂交、回交、添加杂交、合成杂交、多父本混合授粉杂交等技术，将有利基因聚合到同一个基因组，在后代中通过分子标记选择含有多个目标基因的单株，再从中选出优良株系，以实现有利基因的聚合[1-2]。
1遗传转化基因聚合分子育种
多数遗传转化研究都是将单一的外源基因转入受体植物。
可能有时单一基因表达强度不够或作用。