作物分子設(shè)計(jì)育種

第五章作物分子設(shè)計(jì)育種

1精選課件分子設(shè)計(jì)育種的概念

1、由來(lái)Peleman和vanderVoort對(duì)“設(shè)計(jì)育種〞(breedingbydesign)這一名詞進(jìn)行了商標(biāo)注冊(cè)。2精選課件分子設(shè)計(jì)育種的概念

2、概念以生物信息學(xué)為平臺(tái),以基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的數(shù)據(jù)庫(kù)為根底,綜合作物育種學(xué)流程中的作物遺傳、生理生化和生物統(tǒng)計(jì)等學(xué)科的有用信息,根據(jù)具體作物的育種目標(biāo)和生長(zhǎng)環(huán)境,先設(shè)計(jì)最正確方案,然后開(kāi)展作物育種試驗(yàn)的分子育種方法。3精選課件主要內(nèi)容一、相關(guān)根底研究現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì)二、我國(guó)開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟三、我國(guó)作物分子設(shè)計(jì)育種的研究重點(diǎn)4精選課件一、相關(guān)根底研究現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì)

1、生物信息學(xué)遺傳信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)呈“爆炸式〞增長(zhǎng)〔1〕基因組學(xué)3大核酸序列數(shù)據(jù)庫(kù)EMBL數(shù)據(jù)庫(kù),NCBI的GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)，DDBJ數(shù)據(jù)庫(kù)。〔2〕蛋白組學(xué)5精選課件一、相關(guān)根底研究現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì)

2、分子標(biāo)記技術(shù)開(kāi)展日新月異第一代分子標(biāo)記，基于Southern雜交，RFLP;第二代分子標(biāo)記，基于PCR雜交，SSR;第三代分子標(biāo)記，基于基因序列，cDNA序列的SSR和SNP6精選課件一、相關(guān)根底研究現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì)

3、基因和QTL定位研究廣泛深入數(shù)量性狀的基因位點(diǎn)(QTL)定位;植物QTL定位方法：區(qū)間作圖，復(fù)合區(qū)間作圖和基于混合線性模型的復(fù)合區(qū)間作圖；等位基因變異的檢測(cè)與表型性狀的深入鑒定。7精選課件一、相關(guān)根底研究現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì)

4、基因電子定位與電子延伸得到應(yīng)用利用EST或cDNA全長(zhǎng)序列等信息對(duì)表達(dá)序列直接進(jìn)行作圖，把不同基因定位在染色體上；NCBI利用BLAST技術(shù)把EST數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理建立了dbEST數(shù)據(jù)庫(kù)；8精選課件一、相關(guān)根底研究現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì)

5、轉(zhuǎn)基因技術(shù)和標(biāo)記輔助選擇方法取得一定進(jìn)展轉(zhuǎn)基因技術(shù)僅限于利用主基因改進(jìn)單一目標(biāo)性狀；分子標(biāo)記輔助選擇并不比傳統(tǒng)的選擇方法在對(duì)主基因控制的性狀方面有明顯優(yōu)勢(shì);對(duì)多基因控制的重要農(nóng)藝性狀,由于現(xiàn)有的QTL定位成果很難直接用于指導(dǎo)分子標(biāo)記輔助選擇。9精選課件二、我國(guó)開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟1、擁有生物信息學(xué)的研究力量和技術(shù)。首次對(duì)水稻全基因組測(cè)序并對(duì)水稻第4染色體精細(xì)測(cè)序；從基因組序列、EST信息和全長(zhǎng)cDNA序列中開(kāi)掘新標(biāo)記和新基因的工作取得了一定進(jìn)展。10精選課件二、我國(guó)開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟2、開(kāi)展虛擬分子育種。我國(guó)利用分子數(shù)量遺傳學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)研究QTL作圖、QTL與環(huán)境之間的關(guān)系方面位于國(guó)際同等水平。11精選課件二、我國(guó)開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟3、擁有建立大型的數(shù)據(jù)搜集和處理系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。國(guó)家作物種質(zhì)資源信息系統(tǒng)已建立多年,目前該系統(tǒng)中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)已達(dá)數(shù)千萬(wàn)項(xiàng)。12精選課件二、我國(guó)開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟4、擁有基因作圖、比較基因組學(xué)研究、等位基因多樣性研究等關(guān)鍵技術(shù)。大多數(shù)重要性狀基因作圖；開(kāi)展小麥族內(nèi)的物種之間、禾本科作物之間的比較基因組學(xué)研究；13精選課件二、我國(guó)開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟5、與國(guó)外相比，存在問(wèn)題1)主要農(nóng)藝性狀基因開(kāi)掘和功能研究存在缺乏；2)分子設(shè)計(jì)育種相關(guān)的信息系統(tǒng)不夠完善。3)分子設(shè)計(jì)育種理論研究相對(duì)滯后。14精選課件三、我國(guó)作物分子設(shè)計(jì)育種的研究重點(diǎn)1、重要農(nóng)藝性狀基因/QTL高效開(kāi)掘構(gòu)建作物的高代回交導(dǎo)入系群體,并結(jié)合定向選擇,消除復(fù)雜的遺傳背景對(duì)基因/QTL定位精度的不良影響,高效開(kāi)掘種質(zhì)資源中重要農(nóng)藝性狀的基因/QTL。15精選課件三、我國(guó)作物分子設(shè)計(jì)育種的研究重點(diǎn)2、建立核心種質(zhì)和骨干親本的遺傳信息鏈接獲取親本攜帶的基因及其與環(huán)境互作的信息預(yù)測(cè)不同親本雜交后代在不同生態(tài)環(huán)境下的表現(xiàn)提供信息支撐。16精選課件三、我國(guó)作物分子設(shè)計(jì)育種的研究重點(diǎn)3、建立主要育種性狀的GP模型GP(Genotypetophenotype)GP模型利用開(kāi)掘的基因信息、核心種質(zhì)和骨干親本的遺傳信息鏈接提供的信息,結(jié)合不同作物的生物學(xué)特性及不同生態(tài)地區(qū)育種目標(biāo),對(duì)育種過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行模擬優(yōu)化,預(yù)測(cè)不同親本雜交后代產(chǎn)生理想基因型和育成優(yōu)良品種的概率,大幅度提高育種效率。17精選課件四、分子設(shè)計(jì)育種實(shí)例〔一〕、步驟(1)定位所有相關(guān)農(nóng)藝性狀的QTL;(2)評(píng)價(jià)這些位點(diǎn)的等位性變異;(3)開(kāi)展設(shè)計(jì)育種。18精選課件四、分子設(shè)計(jì)育種實(shí)例〔二〕、過(guò)程1、研究育種目標(biāo)性狀的QTL2、評(píng)價(jià)這些位點(diǎn)的等位性變異;3、開(kāi)展設(shè)計(jì)育種。19精選課件1、研究育種目標(biāo)性狀的QTL〔1〕構(gòu)建作圖群體〔2〕篩選多態(tài)性標(biāo)記〔3〕構(gòu)建標(biāo)記連鎖圖譜〔4〕評(píng)價(jià)數(shù)量性狀的表現(xiàn)型和QTL分析。20精選課件實(shí)例有一包含65個(gè)染色體片段置換系(chromosomesegmentsubstitutionline,CSSL)的群體,產(chǎn)生這一群體的2個(gè)親本分別為粳稻Asominori(背景或輪回親本)和秈稻IR24(供體或非輪回親本)。每個(gè)CSSL包含一個(gè)或幾個(gè)來(lái)自IR24的染色體片段,其余染色體來(lái)自背景親本Asominori。所有供體染色體片段覆蓋了IR24的整個(gè)基因組,不同染色體片段用不同的RFLP標(biāo)記表示。21精選課件根據(jù)粒長(zhǎng)的觀測(cè)值,可以通過(guò)分析不同標(biāo)記基因型間粒長(zhǎng)的差異顯著性來(lái)判斷哪些片段上攜帶有影響粒長(zhǎng)的QTL。存在QTL的可能性常用LOD值的大小來(lái)衡量(圖1-A),22精選課件23精選課件實(shí)踐中,可根據(jù)不同研究目的選擇LOD臨界值去判定QTL的存在,如果研究目的在于QTL的克隆和功能分析,那么判定QTL存在時(shí)應(yīng)選擇較高的LOD臨界值,如3.0或更高,以防止假陽(yáng)性;如果目的在于預(yù)測(cè)基因型,那么假陽(yáng)性不會(huì)對(duì)結(jié)果造成較大的負(fù)面影響,此時(shí)可選擇較低的LOD臨界值,如1.0,以保證效應(yīng)較小的QTL也能鑒定出來(lái)。在上面的實(shí)例中,當(dāng)采用0.83的臨界值時(shí)(對(duì)應(yīng)于顯著性水平0.05),我們一共鑒定出13個(gè)控制粒長(zhǎng)的QTL,8個(gè)控制粒寬的QTL,同時(shí)也鑒定出一些上位性QTL。24精選課件2、結(jié)合育種目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)基因型〔1〕QTL在染色體上的位置〔2〕遺傳效應(yīng)〔3〕QTL之間的互作〔4〕QTL與背景親本和環(huán)境之間的互作〔5〕模擬預(yù)測(cè)各種可能基因型的表現(xiàn)型,從中選擇符合特定育種目標(biāo)的基因型。25精選課件26精選課件根據(jù)上面的信息,可以預(yù)測(cè)各種可能的基因型的表現(xiàn)型(圖2),發(fā)現(xiàn)最小和最大粒長(zhǎng)基因型的粒長(zhǎng)分別是4.20mm和6.21mm,最小和最大粒寬基因型的粒寬分別是2.12mm和3.07mm。假定育種目標(biāo)是長(zhǎng)粒和寬粒型,由于一些QTL在2個(gè)性狀上有負(fù)向的一因多效現(xiàn)象,不可能獲得一個(gè)基因型既具有圖2中最大粒長(zhǎng)又具有最大粒寬。經(jīng)模擬我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)設(shè)計(jì)基因型,其粒長(zhǎng)為6.05mm,粒寬為3.00mm,接近最大粒長(zhǎng)6.21mm和最大粒寬3.07mm(圖2)。至此我們?cè)O(shè)計(jì)出一個(gè)最符合長(zhǎng)粒和寬粒型這一育種目標(biāo)的基因型。27精選課件3、到達(dá)目標(biāo)基因型的途徑分析獲得圖2中的設(shè)計(jì)基因型,需要IR24的4個(gè)染色體片段,即M1、M6、M23和M25。在65個(gè)CSSL中,CSSL5包含片段M6;CSSL16包含片段M1和M23;CSSL19包含片段M25;因此可以作為產(chǎn)生設(shè)計(jì)基因型的親本材料。但CSSL19包含有我們不需要的片段M12,在選擇過(guò)程中需要將其替換為Asominori的片段。28精選課件3個(gè)親本間的三交(又稱頂交)組合有可能將我們需要的染色體片段聚合在一起,產(chǎn)生三交組合的方式有3種,即三交組合1:(CSSL5×CSSL16)×CSSL19;三交組合2:(CSSL5×CSSL19)×CSSL16和三交組合3:(CSSL16×CSSL19)×CSSL5。假定采用標(biāo)記輔助方法選擇目標(biāo)基因型,可供選擇的方案有很多,這里只考慮其中的2種,標(biāo)記選擇方案1:產(chǎn)生100個(gè)三交F1個(gè)體,每個(gè)產(chǎn)生30個(gè)F2個(gè)體,利用單粒傳共產(chǎn)生3000個(gè)F8家系,然后從中選擇目標(biāo)基因型;標(biāo)記選擇方案2:產(chǎn)生100個(gè)三交F1個(gè)體,通過(guò)標(biāo)記輔助選擇只保存含有目標(biāo)染色體片段的個(gè)體,每個(gè)中選個(gè)體產(chǎn)生30個(gè)F2個(gè)體,利用單粒傳產(chǎn)生F8家系,然后從中選擇目標(biāo)基因型。以上過(guò)程借助遺傳育種模擬工具QuCim實(shí)現(xiàn)。29精選課件30精選課件對(duì)每個(gè)三交組合,2種標(biāo)記選擇方案得到的F8家系數(shù)相等(表1)。從三交組合1平均獲得716個(gè)目標(biāo)基因型F8家系,三交組合2平均獲得2318個(gè),三交組合3平均獲得1118個(gè)(表1)。但從2種標(biāo)記選擇方案需要測(cè)試的DNA樣品數(shù)和每個(gè)中選的F8家系需要測(cè)試的DNA樣品數(shù)來(lái)看,2種標(biāo)記選擇方案有著巨大的差異。以三交組合1為例,利用標(biāo)記選擇方案1需要測(cè)試3000個(gè)DNA樣品,而利用標(biāo)記選擇方案2需要測(cè)試459個(gè)DNA樣品;對(duì)標(biāo)記選擇方案1來(lái)說(shuō),每