变态传奇私服登陆器分子标记辅助育种技术的发展与应用

作者简介:

张凌霄,北京农学院作物遗传育种专业硕士在读,研究方向为玉米分子育种。

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采用相同的父母本进行杂交,为什么有的育种家可以成功育成新品种,有的育种家却一无所获呢?

道理很简单,两个亲本杂交会产生成千上万种组合情况,如何从中挑选出最好的基因型,取决于育种家的理论知识和正确的育种方案,以及育种家敏锐的眼光以及育种经验还与外界的环境条件有关。

近十年来,分子标记辅助育种为植物育种提供了一种以DNA变异为基础的遗传标记,下面我们来进行简单的了解。

 

遗传标记应具备的条件

1、多态性高

2、表现为共显性,能鉴别出纯合基因型和杂合基因型

3、对主要农艺性状影响小

4、经济方便,便于观察记载

 

分子标记辅助育种的发展过程

 

一、分子标记辅助育种–RFLP

限制性片段长度多态性(RFLP)是发展最早的分子标记技术。原理是:植物基因组DNA上碱基替换、插入、缺失或重复等,造成某些限制性内切酶酶切位点的增加或者丧失,从而产生限制性片段长度多态性。

2008年,万建民实验室发表在Cell Research上的一篇文章,通过Asominori与CSSL28构建F2分离群体,图位克隆分析该QTL位点,利用染色体片段置换系材料精细定位了多环境、多遗传背景稳定表达并控制粒宽、粒重基因GW5这篇文献就使用了RFLP分子标记辅助育种的方法。

Asominori×IR24 RIL群体以Asominori为母本,IR24为父本,配置杂交组合,采用单粒传法获得71个F7代株系所组成。以Asominori为遗传背景的CSSL群体是利用上述RIL群体中的19个株系与Asominori连续回交4次,建立BC3F1。借助116个RFLP标记,对268个BC3F1植株进行辅助选择,根据各个染色体的置换位置,选择不同置换区域的杂合个体自交,得到约400个BC3F2个体,进一步分子标记辅助选择,获得66个具有供体IR24染色体片段的纯合置换系,CSSL28就是其中之一。

总结RFLP的优缺点:

优点:

可以确定多态性是由父本还是由母本产生的

可以确定多态性的产生是由碱基突变、倒位、缺失或插入哪种类型造成的。

遍布低拷贝编码序列,且非常稳定。

缺点:

实验繁琐,检测周期长,成本高,不适于大规模的分子育种。

 

2、基于PCR技术的分子标记

2.1 RAPD技术

随机扩增多态性DNA标记(RAPD)应用了PCR反应的原理,以不同的基因组DNA为模板,以单一的随机寡聚核苷酸(长度多为10个核苷酸)为引物而获得的一定扩增产物。由于不同基因组DNA序列存在着差异,其不同区段上可与引物同源互补的位点不同,扩增产物的数量、大小也不同,因而表现出多态性。这些DNA片段鉴定后证明可以作为分子标记的则称之为RAPD标记。

在1991年,法国的生物学家Michelmore首次将BSA技术应用到莴苣的霉病抗性基因位点的验证之中,他利用RFLP和RAPD两种标记对两个不同抗性的莴苣混合样本进行探究,根据不同混池样本的RFLP和RAPD凝胶电泳成像结果,最终找到了3个与霉病抗性基因紧密相关的标记(下图是RAPD分析结果)。

总结RAPD的优缺点:

优点:

无需专门设计RAPD 扩增反应引物,也无须预先知道核苷酸序

每个RAPD 反应中,仅加单个引物,就可通过引物和模板DNA 随机配对实现扩增

退火温度低,一般为36℃

RAPD 技术简便易行、省时省力

RAPD 分析所需的DNA 样品量极少

缺点:

影响因素较多,重复性较差

 

2.2  SSR标记

 

SSR标记是指简单重复序列标记,根据微卫星序列两端互补序列设计引物,通过PCR反应扩增微卫星片段,由于核心序列串联重复数目不同,从而表现出不同个体在同一个微卫星座位上微卫星的长度多态性。

2017年11月20日,中国农业科学院在NaturePlants发表了一篇小麦D基因组测序的文章。该研究通过组装出高质量染色体水平的节节麦基因组,绘制节节麦TE全基因组分布图谱,分析TE对D基因组进化、基因结构和基因表达的多重影响。该文献中应用735个RFLP、3,536个SSR标记以及大量SNP标记定位到节节麦基因组上,获得一个下图所示的高精度综合遗传图谱。

总结SSR的优缺点:

优点:

数量丰富,覆盖整个基因组,揭示的多态性高

具有多等位基因的特性,提供的信息量高

以孟德尔方式遗传,呈共显性

每个位点由设计的引物顺序决定,便于不同的实验

缺点:

费用相当高

2.3 AFLP标记

AFLP指扩增片段长度多态性,该技术是一项新的分子标记技术,是基于PCR技术扩增基因组DNA限制性片段,基因组DNA先用限制性内切酶切割,然后将双链接头连接到DNA片段的末端,接头序列和相邻的限制性位点序列,作为引物结合位点。

2017年7月21日,中央民族大学民族植物学创新团队揭示了山茶花绚丽多变的分子基础,该团队对5个研究地点收集的190份云南山茶C. reticulata 样本使用AFLP标记手段获得种群内和种群间的遗传多样性,下图是根据AFLP数据建立的山茶品种形态特征的相关性聚类图。

总结AFLP的优缺点:

优点:

分析所需 DNA 量少

可重复性好

多态性强

分辨率高

有较大稳定的遗传性

缺点:

AFLP 对基因组纯度和反应条件要求较高

用于遗传作图时,少数的标记与图谱紧密度有出入

  

3、基于DNA芯片技术的分子标记

单核苷酸多态性(SNP):是指不同个体基因组DNA序列之间单个核苷酸的差异,是第三代新型多态性标记。SNPs:单碱基的转换、颠换以及单碱基的插入/缺失(Indel)目前,检测SNP的最佳方法是新近发展起来的DNA芯片技术。芯片又称生物集成模片、DNA阵列或寡核苷酸微芯片。目前SNP的应用非常广泛,在人类基因单体型图的绘制方面、疾病易感基因的相关性分析方面以及指导与药物设计方面都有所突破。

2016年9月8日,《自然》杂志以长文形式在线刊发了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所国家基因研究中心韩斌研究组、黄学辉研究组联合中国水稻研究所杨仕华研究组取得的一项成果,题为《Genomic architecture of heterosis for yield traits in rice》。

图a是对10074个F2株系应用全基因组单核苷酸序列多态性得到的主成分分析图。图b是对10074个F2株系应用全基因组关联分析对抽穗期这一性状所作的曼哈顿图,图中基因为对抽穗期起主要作用SNP位点。图c是对10074个F2株系应用全基因组关联分析对株高这一性状所作的曼哈顿图,箭头所示的位置为新确定的对株高起作用的SNP位点。

总结SNP的特点:

SNP数量多,分布广泛

SNP适于快速、规模化筛查

SNP等位基因频率的容易估计

易于基因分型

 

利用分子标记与决定目标性状基因紧密连锁的特点,通过检测分子标记,即可检测到目的基因的存在,达到选择目标性状的目的,具有快速、准确、不受环境条件干扰的优点。可作为鉴别亲本亲缘关系,回交育种中数量性状和隐性性状的转移、杂种后代的选择、杂种优势的预测及品种纯度鉴定等各个育种环节的辅助手段。

分子标记辅助育种在未来作物育种中的作用是勿庸置疑的。相信在不久的将来随着分子生物技术的进一步发展以及各种作物图谱的日趋饱和分子标记辅助育种定会发挥更大的作用。

 

 

参考文献:

[1] Jianfeng Weng,,XiangyuanWan,et al.Isolation and initial characterization ofGW5, a major QTL associated with rice grain width and weight[J].Cell Research(2008) 18:1199-1209.

[2] R. W. MICHELMORE,Identification of markers linked to disease-resistance genes bybulked segregant analysis: A rapid method to detect markers in specificgenomic regions by using segregating populations [J].PNAS,1991.Nov1;88(21):9828-32.

[3] Guangyao Zhao, Cheng Zou,Kui Li, et al. The Aegilops tauschii genome reveals multiple impactsof transposons [J]. Nature Plants, 2017.  doi:10.1038/s41477-017-0067-8.

[4] Tong Xin,Weijuan Huang,etal.Genetic diversity, population structure, and traditional cultureof Camellia reticulata [J].Ecol Evol.2017 Nov; 7(21): 8915–8926.

[5] XHuang, SYang,et al.Genomic architecture of heterosis for yield traits in rice.[J].Nature, 2016 , 537 (7622) :629

                                                     

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回复文字:果然科学,看一篇好玩的科普文。