下载文档原格式
分子标记辅助选择技术及其在作物育种上的应用研究目录1. 引言1.1 背景和意义1.2 结构概述1.3 目的2. 分子标记辅助选择技术2.1 分子标记的定义和分类2.2 常用的分子标记技术2.3 分子标记辅助选择技术的原理和方法3. 作物育种中的应用研究3.1 传统育种与分子标记辅助选择育种的对比3.2 分子标记辅助选择在作物抗病性改良中的应用研究3.3 分子标记辅助选择在作物品质改良中的应用研究4. 分子标记技术在现代作物育种中面临的挑战和前景展望4.1 技术挑战及其解决方案4.2 应用潜力与发展前景5. 结论5.1 总结已有研究成果5.2 展望未来发展方向和价值所在1. 引言1.1 背景和意义随着人口的不断增长和资源的有限性，如何提高作物的产量、品质和抗病能力成为全球农业面临的重要问题。
传统育种方法虽然可以改良作物，但其进展缓慢且存在许多局限性。
近年来，分子标记辅助选择技术的出现为解决这一问题提供了新的途径。
这项技术利用分子标记对作物基因组进行精确分析和筛选，从而加速育种过程，并在遗传改良上取得了显著成果。
1.2 结构概述本文将首先介绍分子标记辅助选择技术的定义和分类，然后探讨常用的分子标记技术以及相应的原理和方法。
接下来，将重点关注该技术在作物育种中的应用研究，并与传统育种方法进行比较。
特别是，我们将探讨分子标记辅助选择在作物抗病性改良和品质改良方面的应用案例。
此外，我们还将对分子标记技术在现代作物育种中面临的挑战及其解决方案进行深入讨论。
最后，本文将总结已有的研究成果，并展望未来分子标记辅助选择技术在作物育种领域的发展方向和价值。
1.3 目的本文的主要目的是全面介绍分子标记辅助选择技术及其在作物育种上的应用研究。
通过对该技术原理、方法以及实际应用案例的深入探讨，旨在加深读者对该领域的理解，并为相关研究提供参考和启示。
此外，本文还将探讨分子标记技术在现代作物育种中面临的挑战，并提出一些解决方案，为该技术未来的发展提供思路和指导。
黑龙江农业科学2009(1):140～143Heilongjiang Agricultural Sciences综述分子标记辅助选择及其在水稻育种中应用与展望王 麒(黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所,黑龙江哈尔滨150086)摘要:随着现代分子生物学的迅速发展,分子标记辅助选择技术给水稻育种提供了新的途径,加强分子标记辅助选择技术在水稻育种上的应用研究具有重要的实践意义。
综述了分子标记辅助选择的特点,重点介绍了分子标记辅助选择在水稻育种上的利用现状,主要包括质量性状改良、数量性状改良、回交育种、基因聚合等方面的应用进展,同时讨论了该技术存在的问题以及发展前景和展望。
关键词:分子标记辅助选择;水稻;育种中图分类号:S511 文献标识码:A 文章编号:100222767(2009)0120140204App lication and Potential P rosp ects of M olecu lar M ark er 2assistedS election in R ice B reedingW ANG Q i(Crop Tillage and Cultivation Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences ,Harbin ,Hei 2longjiang 150086)Abstract :With the rapid development of the m odern m olecular biology ,the molecular marker 2assisted selection (MAS )tech 2nology provided a new method for rice breeding.T o intensify the application of MAS was greatly significant in rice breeding.In this essay ,we summarized the characteristics of m olecular marker 2assisted selection ,focused on improving qualitative and quantitative characters ,backcross breeding and gene polymerization.At the same time ,the problems and potential prospects of m olecular marker 2assisted selection have also been discussed.K ey w ords :m olecular marker 2assisted selection ;rice ;breeding收稿日期:2008210225作者简介:王麒(19802),男,黑龙江省鸡西市人,硕士,研究实习员,从事水稻遗传育种研究。
分子标记辅助选择培育水稻广亲和保持系和恢复系的开题
报告
选题背景：
水稻广亲和保持系和恢复系培育是水稻杂交育种的重要手段之一，其能够将不同种源
的优良基因进行有效结合，达到增产提质的目的。
然而，当前水稻广亲和保持系和恢
复系培育仍然存在着一些问题，如培育周期长、效率低等，严重制约了水稻杂交育种
的进展。
因此，如何提高水稻广亲和保持系和恢复系培育效率，成为了当前水稻育种
领域急需解决的问题。
分子标记技术能够针对物种间遗传差异，在短时间内快速、准确检测出物种的基因型
差异，使种质资源的评价和利用更为精准、高效。
因此，运用分子标记技术辅助水稻
广亲和保持系和恢复系的选择，可以提高培育效率、缩短培育周期，是提高水稻杂交
育种效率的重要手段之一。
研究内容和方法：
本研究将收集不同种源的水稻种质资源，并采用分子标记技术，对不同资源间的基因
型进行测定和比较。
结合杂交育种的一般规律，选择合适的亲本进行交配。
在选型过
程中，采用利用分子标记技术鉴定选择广亲和保持系和恢复系的方法，降低因杂交障
碍引起的浪费，提高培育效率。
对于培育出的广亲和保持系和恢复系进行覆盖率分析，确保其品质的稳定。
预期研究结果：
通过本研究，可以解决水稻广亲和保持系和恢复系培育周期长和效率低等问题，实现
水稻杂交育种的高效率、高产和高质量。
同时，本研究可以推动分子标记技术在水稻
育种中的应用，为今后水稻育种提供更为科学合理的技术支持。
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。
利用分子标记辅助育种一、分子标记辅助育种概述分子标记辅助育种是现代生物技术与传统育种方法相结合的一种高效育种技术。
它利用分子标记与目标基因紧密连锁的特性，在作物育种过程中对目标基因进行追踪和选择，从而显著提高育种效率和准确性。
随着分子生物学技术的不断发展，分子标记辅助育种已成为作物遗传改良的重要手段，在农业生产中发挥着越来越重要的作用。
二、分子标记辅助育种的关键技术1. 分子标记类型- SSR标记（简单重复序列标记）：SSR标记具有多态性高、共显性遗传、重复性好等优点。
其核心是由1 - 6个核苷酸组成的简单重复序列，广泛分布于基因组中。
通过设计特异性引物对SSR区域进行扩增，根据扩增产物的长度多态性来检测个体间的差异。
例如，在水稻育种中，利用SSR 标记可以有效区分不同品种的水稻，为品种鉴定和纯度检测提供了可靠的方法。
- SNP标记（单核苷酸多态性标记）：SNP标记是基因组中单个核苷酸的变异，是最常见的遗传变异类型。
它具有数量多、分布广泛、检测通量高的特点。
SNP标记的检测方法包括基于PCR的方法、芯片技术和新一代测序技术等。
在玉米育种中，SNP标记已被广泛应用于全基因组关联分析（GWAS），用于挖掘与重要农艺性状相关的基因位点，为分子标记辅助选择提供了丰富的标记资源。
- AFLP标记（扩增片段长度多态性标记）：AFLP标记结合了RFLP（限制性片段长度多态性）和PCR技术的优点，具有较高的多态性检测效率。
其原理是通过对基因组DNA进行限制性内切酶酶切，然后连接特定的接头，再进行选择性扩增。
扩增产物通过电泳分离，根据片段长度多态性来分析遗传差异。
在小麦育种中，AFLP标记可用于构建遗传连锁图谱，定位控制小麦抗病性、品质等性状的基因。
2. 目标基因定位与克隆- 连锁分析：连锁分析是通过研究标记与目标基因在染色体上的连锁关系来定位目标基因的方法。
当标记与目标基因紧密连锁时，它们在遗传过程中倾向于一起传递。
分子标记辅助选择在作物育种中的应用及展望作者：郭莹化青春虎梦霞王勇袁俊秀杨芳萍来源：《寒旱农业科学》2023年第09期摘要：分子标记辅助选择（Marker-assisted-selection；MAS）是作物遗传改良的有效工具。
随着高通量低成本SNP标记的开发应用和生物信息学的快速发展，MAS的应用拓展到了全基因组选择（Genomic Selection，GS），大大地提高了选择的效率和精准性。
因技术和费用的限制，MAS未能广泛应用。
为拓展MAS在作物育种中的应用路径，并发挥其最大潜力。
通过查阅相关文献，综述了MAS在作物育种中的优势及其应用途径；分析了MAS应用受限的原因所在，并针对具体问题提出了对策；预测了MAS的应用前景：因高通量基因分型及基因组测序技术等的快速发展，未来MAS费用肯定显著降低，选择效率将大幅提升，致使MAS 的应用空间更为广阔。
关键词：分子标记辅助选择；优势和限制因素；全基因组选择；作物育种；展望中图分类号：S33 文献标志码：A 文章编号：2097-2172（2023）09-0785-06doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2023.09.001Application and Prospect of Marker-assisted Selection inCrop BreedingGUO Ying 1， HUA Qingchun 1， HU Mengxia 1， WANG Yong 1， YUAN Junxiu 1，YANG Fangping 1， 2（1. Wheat Research Institute， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Institute ofAgricultural Economics and Information， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）Abstract： Marker-assisted selection（MAS） is an effective tool for crops genetic improvement. With the development and application of high-throughput and low-cost SNP markers and the rapid development of bioinformatics， the application of MAS has been expanded to genome-wide selection（GS）， which greatly improves the efficiency and accuracy of selection. Due to restriction from the technology and cost， the function of MAS has not been fully used. In order toexpand the application path of MAS in crop breeding and play an important role， this paper summarizes the wide application ways and advantages of MAS for crop breeding， and analyzes the reasons why the application of MAS is restricted， followed by the measures for solving corresponding problems and the application prospect of MAS. Due to the rapid development of high throughput genotyping and genome sequencing technology， the cost of MAS will be significantly decreased， and the selection efficiency will be greatly improved in the future to lead to a broader applying space for MAS.Key words： MAS; Advantage and restricting factor; Genomic selection; Crop breeding; Prospect收稿日期：2023 - 08 - 09基金项目：国家自然科学基金（32160471）；甘肃省农业科学院生物育种专项（2021GAAS03）；甘肃省农业科学院重点研发计划（2021GAAS32）；兰州市科技计划项目（2021-1-169）。
分子标记辅助选择的有关问题与发展策略黎裕（中国农科院作物品种资源研究所，北京100081）植物育种项目包括两方面的重要工作，首先是确定育种材料中是否存在有用的遗传变异，其次是采用有效的方法把目标基因转移到品种中。
利用易于鉴定的遗传标记来辅助选择是提高选择效率和降低育种的盲目性的常用手段。
但是在常规育种过程中基本上还是应用的是形态学标记，这类标记往往受环境影响，不利于直接选择，并且标记数目有限。
近一、二十年来迅速发展起来的基于DNA的分子标记技术给育种提供了崭新的途径，这就是所谓的“分子标记辅助选择”（marker-assisted selection，缩写为MAS）。
但在这里它不包括利用分子标记进行优异种质的鉴定筛选、亲本的确定、遗传材料的鉴定和分析、亲本的遗传多样性和亲缘关系分析等，而是指把分子标记技术应用于育种过程之中，通过分析与目的基因紧密连锁的分子标记的基因型来进行育种，从而达到提高育种效率的目的（Dudley, 1993；Lee, 1995）。
分子标记辅助选择是分子育种的一部分（分子育种还包括利用基因工程手段育种）。
一、分子标记辅助选择的优越性有很多理论方面的研究都发现MAS比以表现型为基础的选择更有效，如Knapp (1998)发现在分离群体中，如果目标是从最好的1－2％基因型中选出一个基因型，考虑到成本则MAS是最有效的。
MAS不仅针对主基因有效，针对数量性状位点（QTL）也有效；不仅针对异交作物有效，针对自花授粉作物也有效（特别是在QTL存在显性等位基因并处于相引相时效率更高）（van Berloo Ralph & Stam, 1998）。
MAS的优越性可以体现在以下方面：1.可克服性状基因型鉴定的困难：以下三方面的原因使基因型的鉴定带来不便，即等位基因的外在表现不明显，为隐性等位基因，或与其它基因或环境之间存在互作。
尤其对多基因控制的性状（数量性状）来说，环境变异会使不同基因型表现为部分或全部相同的表型，这使基因型的鉴定更加困难。
有些表型如抗病虫性、抗旱性或耐盐性只有在难于界定或控制的特定条件下才能表现出来。
在育种项目的初期，育种材料较少，不允许做重复鉴定，或要冒一定风险，这方面的问题更加突出。
利用分子标记技术则可部分克服基因型鉴定的困难。
2.可克服性状表现型鉴定的困难：有的性状的表现型鉴定相当麻烦，如育性恢复、广亲和性、光温敏不育和一些抗病虫性及抗逆性等，不仅鉴定费时费力，而且这些性状受环境的影响很大，直接鉴定往往不太准确。
如玉米粗缩病抗性的鉴定就存在这种情况，采用大田自然发病法需要一定环境条件，并且需要特别的田间设计，采用人工接虫法需要较高的养虫技术。
采用分子标记来鉴定就有很大的现实意义。
3.允许早期选择：有很多重要性状如产量和后期叶部或穗部病害抗性等只有在成熟植株上才能表现出来，因此采用传统方法在播种后数月或数年均不能对其进行选择。
尤其对二年生或多年生植物如树木等来说这是育种改良的主要限制因素之一。
而利用分子标记就可以在播种后数天对幼苗（甚至对种子）进行检测，这可大大节省培育植株中所浪费的人力物力和财力，因为这些植株中的绝大部分在育种项目中是被抛弃的对象。
4.允许更广泛和强度更大的选择：在早期特别是对幼苗的选择还可以允许把更多的群体纳入研究选择的对象之中，从而可以对其施加更大强度的选择压力。
同时，还可利用分子标记同时对几个性状（如几种抗病虫性和产量）进行选择。
5.可进行非破坏性性状评价和选择：很多性状是在成熟前进行评价的，这往往带来种子收获的困难。
如对植株进行病虫害抗性的评价和选择，则可能收获到的后代种子减少，甚至收获不到种子。
而利用分子标记技术只需少量叶片或其它组织，植株还可继续生长至成熟，以便育种工作者同时对该育种群体进行其它性状的选择。
6.可提高回交育种效率：把一个期望等位基因从一个材料转移到另外一个材料中的传统方法是过5-10代的回交育种。
在每个回交世代中，育种工作者不仅要选择被转移的等位基因的表型，还要选择轮回亲本的其它性状的表型。
然而，在若干代的回交之后，除目标等位基因外，还有与之连锁的相当长的染色体片断也从目标等位基因供体中转移到回交后代中。
如利用传统回交方法将一个野生种的优良基因转移到栽培品种中，回交20代以上还有可能带有100个以上的其它非期望基因（Young & Tanksley, 1989）。
如果是数量性状位点（QTL）的转移，由于上位效应问题和连锁累赘更为复杂，将更加困难。
利用分子标记可以允许选择出那些含有重组染色体（打破了连锁累赘）的个体，从而帮助减小不需要的染色体片断，从而提高育种效率至少10倍以上（Tanksley et al., 1989）。
另外，对隐性性状可以进行不间断的回交（传统回交中是隔代回交），从而提高基因的回交转移速度。
二、影响分子标记辅助选择的因素1、分子标记与目的基因或QTL之间的连锁程度很多研究表明，分子标记与基因（包括QTL）的距离越小，MAS的效率越高，主要原因是距离小则可以提高估计QTL等位基因效应的准确程度(Dudley, 1993; Edwards & Page, 1994; Hospital & Charcosset, 1997; Moreau et al., 1998; Spelman & Bovenhuis, 1998; Zhang & Smith, 1992)。
在每个QTL只有一个连锁的分子标记时尤其如此，如果有两个分子标记则这个效应减弱。
Gimelfarb & Lande (1994a,b, 1995)发现如果一条染色体上有多个标记，存在一个最适标记密度，在此之上则MAS的相对效率降低。
但是，也有研究认为连锁程度会降低效率，但影响并不太大(van Berloo Ralph & Stam, 1998)。
2、选用的分子标记数目对主基因，Tanksley (1983)建议用分别位于主基因两侧的两个分子标记同时选择可提高选择效率。
Landry et al. (1987)在莴苣的抗霜霉病基因Dm5/8两侧各有一个RFLP标记（距离均为10cM），用一个标记选择获得抗性个体的概率为90％，用两个标记则可达到99％。
对于QTL，Moreau et al. (1998)发现在少数QTL可解释大部分变异的情况下，MAS的效率更高。
事实上，在QTL作图时检测到的QTL数目要比实际的QTL 数目要少，如果QTL数目太多（如多于20），就不能假定选定的QTL之间是独立的，两个连锁的QTL会导致检测到位于它们之间的一个“幻象QTL”，而这会降低MAS的效率。
对在选择指数中引入多少个分子标记的问题，一般认为存在一个最佳数目，这与性状的遗传力有关(Gimelfarb & Lande, 1994a, 1995; Moreau et al., 1998)。
Gimelfarb & Lande (1994a)发现利用6个标记时的MAS效率高于利用3个标记时的效率，但利用12个以上的标记时，MAS的效率在低世代时反而降低，在高世代时增幅很小。
3、群体大小Lande & Thompson (1990)分析MAS的效率时曾假定群体无限大，标记无限多，在此基础上作出性状遗传力低时MAS比常规选择效率高的结论，但他们还是认为有必要研究大量个体，样本大小对加性遗传方差有一定影响，在群体很小时MAS没有多大用处。
其它一些根据计算机模拟的结果对MAS的效率进行的研究表明，群体大小是影响MAS的关键因素（Edwards & Page, 1994; Gimelfarb & Lande, 1994a, b, 1995; Hospital et al., 1997; Whittaker et al., 1995; Zhang & Smith, 1992, 1993）。
Moreau et al. (1998)也发现MAS的相对效率随群体增大而提高，但在群体小于200时MAS仍然有效。
4、性状的遗传力根据计算机模拟的结果对MAS的效率进行的研究表明，性状的遗传力也是影响MAS的关键因素，一般来说遗传力越高则MAS效率降低（Edwards & Page, 1994; Gimelfarb & Lande, 1994a, b, 1995; Hospital et al., 1997; van Berloo Ralph & Stam, 1998; Whittaker et al., 1995; Xie & Xu, 1998b; Zhang & Smith, 1992, 1993）。
Moreau et al. (1998)认为在群体大小有限的情况下，对低遗传力的性状MAS的相对效率也较高，但存在一个最适遗传力，在此限之下MAS的效率会降低。
在低遗传力（0.1-0.2）时，MAS的效率更高，但可能出现的负面试验的频率也高一些，因此利用MAS技术所选性状的遗传力在0.3-0.4之间会更好（Hospital et al., 1997; Moreau et al., 1998）。
然而，如果群体大小很大（如大于500但不是无限），最适遗传力接近于零，这一点也就没有多大意义了。
在实际利用分子标记辅助选择改良普通菜豆的抗旱性时也证实了MAS的效率与性状的遗传力有反比的关系（Schneider et al., 1997）。
三、进行分子标记辅助选择的前提1、建立尽量饱和的分子标记图谱：有人把它称之为“框架图谱”，因为真正的基因将定位于这个图谱上，并且在比较不同种的染色体组成时可以以此作为基础。
首先需要建立把分子标记以线性形式排列起来的连锁图谱，然后把这些连锁图谱与特定的染色体或连锁群联系起来，定位在染色体上。
但后一步工作对育种来说不是必须的。
建立饱和的分子图谱是对目的基因进行精密定位的前提。
目前，对大多数重要的农作物均已建立相当饱和的图谱，尤其在水稻、玉米、小麦、大麦、西红柿、马铃薯等作物上。
但对有些作物还需要在这方面做更多的工作。
2、把目标基因定位于分子图谱上：又称之为“基因标记(gene tagging)”，即建立目标基因与分子标记的连锁关系。
这里的目标基因包括控制简单遗传的性状的基因和控制数量性状的基因（QTL）。
分子标记辅助选择的可靠程度取决于目的性状座位于标记座位之间的重组频率，因此二者之间的遗传距离越小越好。
与目的基因紧密连锁的单一分子标记可以用于辅助选择，而如果在目的基因两侧均能找到与之连锁的标记，会进一步提高选择的可靠性。
由于在15－20cM的距离内很难发生两个重组事件（双交换），因此现在一般认为如果目标基因位于两个距离在15－20cM以下的分子标记之间，这两个标记便可以用于育种项目。
