分子标记在植物遗传育种中的应用

分子标记在植物遗传育种中的应用EM摘要N: 分子标记是继形态标记O细胞标记和生化标记之后发展起来的一种新的较为理想的遗传标记F已被广泛地应用于生命科学研究的各个领域P在植物遗传育种中F分子标记主要用于基因组图谱构建O基因定位O辅助标记选择O种质资源评价O基因克隆O杂种优势预测O杂交育种及跟踪育种过程等方面P文章主要介绍了分子标记在植物遗传育种中的应用原理及分析方法F并对其应用前景进行了展望PM关键词N 分子标记K植物遗传育种K遗传标记优良品种是当今农业经济发展的基础资源F对目标性状#如丰产O优质O抗逆等$的选择是新品种选育过程的中心环节P 传统的育种方法主要是根据植物在田间的表现进行评价和选择P 但由于表型性状不仅取决于遗传组成F也受控于环境条件F有时环境条件的影响可遮盖植株在基因型上的差异F因此仅根据表型进行选择F效果不够理想P特别是对受多基因控制的数量性状的选择F更难做到准确P虽然育种学已建立了一套完整的选择程序F并在农业生产上培育出了许多高产O优质O抗逆的新品种F然而传统的育种方法仍存在周期长O预见性差O工作量大O工作效率低等问题P随着遗传学的发展F人们注意到利用易于鉴别的遗传标记#R6=6398SA0T607$来进行辅助选择F可提高选择效果P遗传标记已逐渐成为植物遗传育种的重要工具P尤其是分子遗传学的发展及分子标记技术的建立F使作物遗传育种进入了一个新阶段P新技术与传统方法相结合F有可能解决目前育种中一些重要环节上的主要难题F从而大大加速育种工作进程P分子标记已在遗传图谱的构建O辅助标记选择O基因克隆等方面显示出了非常诱人的前景P- 应用分子标记构建基因组图谱基因组图谱是遗传研究的重要内容F又是种质资源O育种及基因克隆等许多应用研究的理论依据和基础P因此F基因组图谱已成为当今生命科学的重要研究领域P基因组图谱包括以染色体重组交换为基础的遗传图谱#R6=6398SA+$和以U2? 的核苷酸序列为基础的物理图谱#V4W798A’SA+$P数十年来F许多遗传学家利用形态标记O生化标记和传统的细胞遗传学方法F为构建各种主要作物的遗传图谱进行了大量工作F并取得了一定的进展P但是由于形态标记和生化标记数目少F特殊遗传材料培育困难及细胞学工作量大F因而除极少数作物#如玉米O番茄$外F在分子标记出现之前F大多数作物还没有一个较为完整的遗传连锁图F极大地限制了遗传学理论研究和应用研究的进展P 进入.,年代以来F分子标记的迅速发展F大大促进了遗传连锁图的构建P目前主要农作物O果树O蔬菜等的XCYV7OX?VU7遗传图谱已相继建立M-ZINP利用分子标记构建遗传图谱的理论基础是染色体的交换与重组P 两点测验和三点测验是其基本程序P由于作图群体的不断增大和标记数量的日益扩增F如今的遗传图谱构建已不得不计算机化了P 遗传图谱构建过程主要包括[-$选择和建立适合的作图群体K!$确立遗传连锁群KG$基因排序和遗传距离的确定P具体方法如下MJFHN[以分子标记筛选U2? 序列差异较大而又不影响后代育性的材料作为亲本F用具有多态性的分子标记#双亲在等位区段表现不同的带型$检测该双亲的分离群体#如C!代群体O回交O重组自交系O加倍单倍体等$单株U2?P如是共显性标记F对同亲本V-具有相同带型的个体赋值为-F同亲本V!具有相同带型的个体赋值为GF具有V-和V!带型的杂合个体赋值为!P 如是显性标记F因E M收稿日期N !,,,:--:!"M基金项目N 烟台师范大学博士科研起动经费资助项目#!,,,-!$M作者简介N 王永飞#-"L!\$F男F山西壶关县人F副教授F博士P主要从事植物遗传育种和分子生物学研究P不能区分显带的纯合个体和杂合个体!对有谱带的个体赋值为"#$$%$&或&&%&$’!谱带缺失的赋值为(#&&或$$’)统计各带型的个体数!两点测验是否连锁) 利用*+检验时!那些两点各自独立遗传而两点同时检验时偏离孟德尔比例的位点!说明存在连锁)或从第二个标记开始!检验是否与前一个标记协同分离)因为连锁分析建立在分子标记协同分离的程度上)根据分离资料!用最大似然估计标记位点间的重组率并转换成遗传图距#,-’)最后!同时考虑多个标记基因座位的共分离!即多点分析对标记进行排列!形成线性连锁图谱)生物染色体数目是特定的!标记数较少时!其连锁群可能比染色体数目多)随标记的增加!一些标记会与几个群上的标记连锁!而把它们连成一群) 当标记足够多时!标记连锁群的数目与染色体数目越趋接近!直至相等)标记图谱应是一个饱和的连锁图谱!即在所有染色体上每间隔"./ +.个交换单位或更近就有一个标记!使任何经典基因#包括数量性状基因’都包含在分子标记内)可见!分子标记连锁图本身对植物育种没有用处!只有当它与目标性状结合起来!才能发挥作用)这就必须把分子标记连锁图谱与染色体对应!有几种方法可供选用)如果将分子标记与已知染色体的同工酶标记%形态标记同时作图!根据分子标记与它们的连锁!很容易得到分子标记连锁的对应染色体)利用非整倍体如缺体%单体%三体或易位系%代换系等材料!也将分子标记连锁群与特定染色体对应常用的方法)如初级三体的染色体有(条!是正常+条染色体的"01倍!标记信号强度#如23456自显影强度’在三体上是二体上的"01倍)如水稻已获得全套初级三体!用连锁图谱上的某一分子标记探针同时与"+种三体78$ 杂交!比较"+种三体杂交带的强弱!此标记就位于信号较强的那个三体染色体上)此外!当原位杂交的灵敏度可以达到揭示单拷贝序列的杂交位点时!也可采用原位分子杂交将分子连锁图与染色体对应)此外!近年来利用分子标记在进行染色体物理图谱的构建%物理图谱与遗传图谱的比较%染色体不同部分的遗传重组值的差异等研究方面!也均取得了较大的进展)+ 应用分子标记定位基因基因定位就是将具有某一表型性状的基因定位于分子标记连锁图中!实现分子连锁图与经典连锁图的整合)+0" 质量性状基因的定位质量性状常由单个或几个基因控制!如果实的形状%色泽等)由于这些性状只受单基因控制!所以利用分子标记来定位%识别目标基因!及对具目标性状的植株进行直观的选择相对比较简单) 只要寻找与该目标基因紧密连锁的分子标记即可) 而且连锁的紧密程度越高!结果就越可靠)若已知该性状所属的染色体!则选择该染色体上的分子标记筛选)若该性状所属染色体未知!则从所有染色体上每隔一定距离!均匀抽取分子标记筛选)用这些在相对性状中表现差异的分子标记检测3+或其他作图分离群体单株78$!记载各带型个体数) 按上述作图统计方法!分析标记与目标性状的分离!计算重组值%图距并确定顺序)寻找与目标性状连锁的分子标记的有效方法可通过近等基因系#89&:;6<=9>;,?;>96!8@4’ABC)8@4是指通过多次回交筛选得到的%品系间差异主要在于某一目标性状的品系)由于基因连锁的结果!在回交导入目标性状基因的同时!与目标基因连锁的染色体片段也随之进入回交子代中)这种现象称为D连锁累赘E#4;>F&=9G:&==;>=’)经多代回交后得到的是除目标基因及其邻近区域外!已失去了供体其它基因型的品系!这个品系与轮回亲本就构成了一对近等基因系) 理论上!除了目标基因及邻近区不同外!其他区段应完全一致)近等基因系定位的原理正是鉴别和导入与目标基因连锁的分子标记)如果在近等基因系中检测出多态性!差异就必定在目标基因及邻近区域中) 找到的标记在这个范围内与目标基因连锁) 由于每个标记#如每个探针%引物对或随机引物’至多只分析供体亲本#HII9:9:J&:9>K!H5’%近等基因系和轮回亲本#29,L::9>KJ&:9>K!25’(个样品!与目标基因连锁的分子标记应在H5和8@4间带型一致!而在8@4和25间不同)因而每次可同时进行多个标记的筛选!但近等基因系的建立需多年回交!培育时间太长)在没有近等基因系可利用的情况下!集团分离分析法#ML?F9G69=:9=&>K&>&?N6;6!MO$’也是筛选多态性标记的有效方法APC) 从一对具有表型差异的亲本所产生的任何一种分离群体中!根据目标基因的表型分别选取一定量的植株!构成+个亚群或集团#如抗病群与感病群!其基因型在3+ 中抗病群22%2:!感病群为::Q在MR"中!抗病群为2:!感病群为::Q7S 中!抗病群为22!感病群为::’)将每群植株的78$ 等量混合!形成两个相对性状D基因增刊王永飞等W分子标记在植物遗传育种中的应用原理及现状 VUT池!"#$%$&’’()*因为每个+基因池!是由特定性状或基因组区域相同而其他非连锁区域完全随机的同类个体组成,所以在每个群体内,不管其他性状"基因)如何,在目标基因表型是一致的,而在两群间表型相反*在两类群间表现多态性的分子标记,遗传上与构建该类群所用性状基因座位相连锁* 当用双亲和两+基因池!作-./01分析时,表现多态性的针应是抗病集团与抗病亲本同带,感病集团与感病亲本同带*但在.2选择抗病单株时,因表型上不能区分纯合和杂合抗性单株,有可能选了杂合抗性个体进入+基因池!*此时,抗病集团可能有一条同感病集团的弱出现*当用-3041作分析,如标记与抗病基因处于相引相时,表现多态性的引物应是抗病集团与抗病亲本显相同带型,感病集团与感病亲本为零带型*如标记与抗病基因处于相斥相时,在无杂合抗病个体入选时,抗病集团与抗病亲本为零带型,感病集团与感病亲本显相同带型* 而在有杂合抗病个体入选时,他们均显感病样本带型,无法筛选* 此外,如在两集团中,分别混有性状基因与标记的交换型个体"在表型上难以区分)时,无论哪种筛选方法,两集团间均显相同带型,即使用有差异的探针或引物进行筛选,也鉴别不出来* 在组建集团时,个体越多,交换型个体混入的机会越大,会对探针或引物的筛选带来干扰* 用.5家系或对.2测交,鉴定.2 单株,组建集团时,剔去杂合体,使筛选更为可靠*总的看来,这种方法应用于-3041较-./01更方便,也较常规的-3041更有效6准确*它排除了环境及个体因素的影响,并让研究者把目标集中在植物基因组的特定区域*272 数量性状基因的定位作物许多重要的经济性状是受微效多基因控制的数量性状*89年代以前,数量遗传学家曾用经典的形态学和细胞学标记法来研究与标记相连锁的个别数量性状,试图定位数量性状基因":;<%=>=<=>?$ =@<>=(’A;1,:B/)*但由于这些标记数量太少以及技术上的局限性,极大地限制了对数量性状基因位点的深入研究*4C3 分子标记的建立和发展,使植物:B/作图及其定位方法进展很快,现已在番茄6玉米6水稻6大白菜等29多种作物上绘出D99多个数量性状的:B/图谱EFG*:B/定位法主要有以下几种*2727D 单标记定位法单标记定位法是利用线性回归原理,通过比较各标记基因型的量性状观测值的差异来定位:B/,并估计其效应的法*例如,设某一分子标记座位有两等位基因H 和I,某一数量性状基因座位有两个等位基因: 和J,两位点连锁遗传,交换值为K,两亲本基因型分别为HH::和HH:J,IIJJ*.D为HI:J,.D 形成H:,I:,H&,I&L种配子*雌雄结合产生DM个个体,共F种基NHH::,HHJJ,HI::,HI:J,HIJJ, II::,II:J和IIJJ* 分子标记HH,HI,II通过共显性标记"如-./01检测)加以区别,它们对应的数量性状可以度量*按分子标记将同标记的个体分为一组,可分成5组NHH 组6HI 组和II组*分别令这5组的数量性状平均值为OD,O2和O5,如ODP O2PO5,说明分子标记与:B/独立遗传,此时QP 97R*如5组数量性状平均值不等,OD,O2和O5作S测验,检测差异显著性,就可判断分子标记与:B/是否连锁ED9G* 但用单个标记研究:B/时,受遗传重组影响较大*如:B/与标记相距较远时,易因遗传重组失去连锁* 且两自交系在该位点为纯合基因或两亲本的:B/不同,但对该性状的作用相同时,可能根本检测不到某些实际存在的:B/,往往低估实际:B/数目*此外该法还存在以下不足之处NT不能估计:B/的确切位置UV不能确定标记是和一个还是多个:B/连锁UW:B/效应估计值偏低UX 检测:B/需要较多的个体,其效率较低*27272 区间作图法/<%Y$(和Z’=1=$>%EDDG针对单标记定位法的不足提出了区间作图法"[%=$@?<(I<&&>%\),它利用染色体上D个:B/两侧的各D对标记,建立个体数量性状观察值对双侧标记基因型指示变量的线性回归关系,以分离检验统计量中重组率和:B/效应* 统计原理是对基因组上两邻近分子标记间,按一定遗传距离的片段逐一分析*T按极大似然法计算表型效应的估计值UV 计算存在:B/时出现观察值的概率与无:B/时出现观察值的概率比"]YY@<=>’),用/]4 值"概率比以D9为底的对数)作为衡量:B/存在的尺度*这样检验同时用到了两个标记提供的信息,可将:B/ 与-./01之间重组类型鉴别出来,从而使检验灵敏度大大提高* 由于该方法假定一条染色体上只存在一个效应较大的:B/,而当一条染色体上存在2个或多个效应近似的:B/时,区间作图法难以逐一分辩:B/的效应,致使:B/定位不准确甚至有误*27275 复合区间作图法"^’I&’1>=$>%=$@?<(I<&_&>%\) 为了克服区间作图法的上述缺陷以及能利用多个遗传标记的信息,‘$%\ED2G提出了复合区间作cba 西北农林科技大学学报"自然科学版) 第 2F卷图法!以提高多个连锁"#$的辨别能力及其相应位置和效应估计的准确性%&’()认为!由于染色体的结构是线性的!当不存在连锁干扰和基因互作时! 一个标记基因型值的偏回归系数只受与其相邻区间内的基因的影响!与其它区域内的基因无关%虽然连锁干扰和基因互作可能存在!并且对作图有影响!但这种影响较小% 在此基础上!&’()将多元回归分析引入了区间作图法!实现了同时利用多个遗传标记的信息对基因组的多个区间进行多个"#$的同步检验%该法能减少剩余方法!提高"#$的发现率!并可降低测验统计量的显著水平%单标记定位虽难以精确标定"#$位置!但其发现能力仍可能是最高的%*种方法的同一性是主要的!方法间变异大多小于方法内变异% 在构建"#$图谱时!应同时使用几种方法!并优先标定共同发现的"#$!并可合并估计"#$的效应%* 分子标记在种质资源研究上的应用种质资源是发展农业生产和开展育种工作的物质基础% 种质资源的研究工作包括搜集+保存+鉴定和利用等一系列工作%分子标记在种质资源的鉴定+保存和利用研究中主要有以下几方面的用途,- 绘制品种.品系/的指纹图谱.01()’2321(41()/56 种质资源的遗传多样性及分类研究57 种质资源的鉴定和选择%*89 绘制品种.品系/的指纹图谱指纹图谱是鉴别品种+品系.含杂交亲本+自交系/的有力工具%它具有迅速.数小时至数天/+准确等优点%在目前市场经济迅速发展的形势下!指纹图谱技术在检测良种质量.真伪+纯度/!防止伪劣种子流入市场!保护我国名+优+特种质及育种品种的知识产权和育种家们的权益等方面!均具有重大意义%指纹图谱技术主要应满足两方面的要求%第一是分辨率高!多态性强5第二是重复性要强!即稳定可靠%作物品种指纹图谱目前主要有两种类型!一类是蛋白质电泳指纹图谱!其中包括同工酶和贮藏蛋白.如谷蛋白+醇溶蛋白/%这类指纹图谱在:;年代以前研究较多!目前仍不失其利用价值%另一类是<=> 指纹图谱!该项技术主要是:;年代之后发展起来的% 当前用来作<=> 指纹图谱的标记主要有?0$@A+小卫星<=>+微卫星<=>+>0$@A及?>@<A等% <=> 指纹的应用主要表现在以下几个面,-品种鉴定和种子纯度鉴定%借助<=> 指纹可精确地进行品种鉴定!尤其适于品种间有遗传差异而品种内一致的分析材料%例如无性繁殖的大多数果树的品种鉴定!即使是关系密切的品种也易借助<=> 指纹将其区别开来B9*C%6 知识产权保护%尽管目前国内尚未有此方面的报道!但D@EF.世界植物品种保护联盟/已将其列为鉴定植物品种真伪的手段!且已得到育种者们的共识!可能在不久的将来!指纹图谱会充分应用于品种产权保护中去%7种质资源的筛选和保存% 指纹技术在筛选和保存种质材料及保证遗传类型多样性等方面可能起重要作用%在资源保存方面!通过指纹图谱进行资源鉴别!可以避免在资源保存中经常发生的重复+混淆!避免同名异物和同物异名等现象%*8G 种质资源的遗传多样性及分类研究分子标记是检测种质资源遗传多样性.H’(’41I J1K’2A14L/的有效工具!目前主要用于以下M方面的研究,- 研究种质资源考察时取样量的大小+取样点的选择56 保护种质资源遗传完整性的最小繁种群体和最小繁种量的确定57 核心种质.NO2’IOPP’IQ41O(/筛选5R种质资源.含亲本材料/的分类%目前有关此类研究已有不少报道!并在某些方面取得了新的进展%*8G89 种质资源遗传多样性的评价种质资源是农作物育种的物质基础!对种质资源的可用性评价又是合理利用种质资源的前提% 经典的种质资源评价主要是依据对表型性状的观察进行的% 对质量性状而言!依据表型性状观察比较容易选到具有目标性状的单株或群体%而作物的许多重要农艺性状是由多基因控制的数量性状!改良数量性状而利用的种质一般不是单株!而往往是群体%描述群体特征常用性状平均数+方差+变异系数等指标作遗传多样性分析%分子标记特别是共显性分子标记!可以揭示整个基因组的变异!并分离出各种等位基因!从而可以计算群体中某位点等位基因数+多态位点比例.多态位点是指具有G个以上等位基因+且每个等位基因频率小于或等于;8::的位点% 测定的全部位点中!多态位点所占的比例称为多态位点比例/+等位基因平均数.等位基因总数与位点数之比/+杂合度X!YX为群体中某位点第X等位基因的频率!W为该位点等位基因目/+平均杂合度.\: 分子标记在追踪育种过程上的应用杂交育种是品种改良的最重要方法之一"杂交育种的过程!从理论上讲!双亲遗传物质的交换与重组是其基础"但在实践中一直缺乏直接了解这一过程的有效手段!因而大大限制了选育品种的效率和对杂交育种的深刻理解" 陈绍江等;%<=用5,738技术对大豆育种过程亲子遗传关系进行了研究" 他们以组合:<<%/中)&的亲本及其育成品系.)#.%为材料进行5,738分析!发现双亲在遗传上有较大差异!母本#父本分别有)(!+条特征带!其在子代能够重组!从而.)#.% 均具有双亲5,738标记的特征?但经多代选择!双亲5,738特征在育成的子代品系中的分布是不均衡的!.)更多地继承了母本:<<%/的绝大部分5,738特征!遗传上更近于母本!.% 则表现出倾向于父本" 这一结果与田间观察结果基本一致!说明利用分子标记追踪育种过程#探讨亲子遗传关系是可行的"& 分子标记在植物遗传育种中的应用前景分子标记为植物遗传育种开创了新的途径"它在基因组图谱构建#基因定位#辅助选择#种质资源评价#基因克隆#杂种优势预测!杂交育种及跟踪育种过程等方面已显示出非常诱人的前景!但要将分子标记广泛而深入地应用到遗传育种的各个领域!还应注意以下几个方面@A 寻找新型的分子标记?B简化分子标记技术!降低成本!实现检测过程的自动化?C改进分析基因组的方法和技术"相信随着分子标记技术的日臻完善!分子标记必将在植物育种中发挥越来越重要的作用";参考文献=; )= 沈法富!刘风珍!于元杰D分子标记在植物遗传育种中的应用;E=D山东农业大学学报!)&&F!%:1)2@:(G&)D;%= 贾继增D分子标记种质资源鉴定和分子标记育种;E=D中国农业科学!)&&+!%&1/2@)G)<D;(= 周奕华!陈正华D分子标记在植物学中的应用及前景;E=D武汉植物学研究!)&&&!)F1)2@F0G:+D;/= F/)D;0= 刘勋甲!尹艳!郑用琏D分子标记在农作物遗传育种中的运用及原理;E=D湖北农业科学!)&&:!1)2@%FG(%D;+= 张德水!陈受宜D34,分子标记#基因作图及其在植物遗传育种上的应用;E=D生物技术通报!)&&:!102@)0G%%D&:(%D;&= 冯宗云!荀琳!何萍!等D34,分子标记与作物量性状改良;E=D 西南农业学报!)&&:!))1增刊2@+FGF%Dmml 西北农林科技大学学报1自然科学版2 第 %&卷。