作物分子设计育种(3)

　　与国外同类研究相比，我们的差距主要存在以下3个方面。(1)主要农艺性状基因发掘和功能研究存在不足。近十年来，我国利用分子标记，在水稻、小麦、玉米等主要作物中已经开展了大量的基因(特别是  QTL  )定位研究，积累了大量的遗传信息。但这些信息还处于零散的状态，缺乏集中、归纳和总结；对不同遗传背景和环境条件下  QTL  效应、QTL  的复等位性以及不同  QTL  之间的互作研究不够系统全面，不利于  QTL  定位的成果转化为实际的育种效益；重要农艺性状的遗传基础、形成机制和代谢网络研究还很欠缺，而这些正是分子设计育种的重要信息基础。同时，缺乏拥有自主知识产权的计算机软件，限制了将已有的基因或  QTL  信息应用到实际育种中去。(2)分子设计育种相关的信息系统不够完善。在国家高技术研究发展计划(863计划)和国家重点基础研究发展计划(973计划)等项目的大力支持下，主要农作物主要经济性状遗传研究取得了很大进展，国家已全面启动水稻等主要粮食作物主要经济性状的功能基因组研究，但是距全面了解作物所有性状的遗传基础还比较遥远。我国现有的生物信息数据库中，已明确功能和表达调控机制的基因信息比较匮乏；在转录组学、蛋白组学、代谢组学以及表型组学等方面的研究与国际上存在较大差距，作物种质资源信息系统中，能被分子设计育种直接应用的信息还很有限。(3)分子设计育种理论研究相对滞后。目前，国内已经开始意识到分子设计育种将会成为未来作物育种的发展方向，但大多尚停留在概念上，还没有真正开展分子设计育种的理论建模和软件开发工作。

3  我国作物分子设计育种的研究重点

　　我国的作物分子设计育种研究应集中在以下3个方面。

3.1  重要农艺性状基因  /QTL  高效发掘

　　构建水稻、小麦、玉米、大豆和棉花等作物的高代回交导入系群体，通过大规模回交导人系并结合定向选择，消除复杂的遗传背景对基因  /QTL  定位精度的不良影响，高效发掘种质资源中重要农艺性状的基因  /QTL。通过不同轮回亲本和供体亲本配制的高代回交组合定位结果的分析比较，探明基因  /QTL  的一因多效、多因一效、同一基因  /QTL  位点的复等位性、基因  /QTL  之间的上位性互作、基因  /QTL  与遗传背景之间的互作、基因  /QTL  与环境互作等信息。高代回交导入的遗传背景高度纯化，便于直接对主效应大、表达稳定的基因  /QTL  进行精细定位。

3.2  建立核心种质和骨干亲本的遗传信息链接

　　核心种质以最小的资源数代表最大的遗传多样性，即保留尽可能小的群体和尽可能大的遗传多样性；骨干亲本则是当前作物育种中广泛使用并取得较好育种成效的育种材料，其中含有大量有利基因资源。发掘这两类材料中的遗传信息并建立其分子设计育种信息系统和链接，可以快速获取亲本携带的基因及其与环境互作的信息，为分子设计育种模型精确预测不同亲本杂交后代在不同生态环境下的表现提供信息支撑。

3.3  建立主要育种性状的  GP  模型

　　GP(Genotype  to  phenotype)  模型描述不同基因和基因型、以及基因和环境间是如何作用以最终产生不同性状的表型，从而可以鉴定出符合不同育种目标和生态条件需求的目标基因型，因此  GP  模型是分子设计育种的关键组成部分。GP  模型利用发掘的基因信息、核心种质和骨干亲本的遗传信息链接提供的信息，结合不同作物的生物学特性及不同生态地区育种目标，对育种过程中各项指标进行模拟优化，预测不同亲本杂交后代产生理想基因型和育成优良品种的概率，大幅度提高育种效率。

4  分子设计育种实例

　　Peleman  和  van  der  Voort  对“设计育种”(  Breeding  by  design  )  这一名词进行了商标注册，他们认为分子设计育种应当分3步进行：(1)定位所有相关农艺性状的  QTL；(2)评价这些位点的等位性变异；(3)开展设计育种。这里结合我们在水稻上的一些研究结果说明分子设计育种的过程。

4.1  研究育种目标性状的  QTL

　　这一过程包括构建作图群体、筛选多态性标记、构建标记连锁图谱、评价数量性状的表现型和  QTL  分析等步骤。这里有一包含65个染色体片段置换系  (chromosome  segment  substitution  line，CSSL)  的群体，产生这一群体的2个亲本分别为粳稻  Asominori  (背景或轮回亲本)和籼稻  IR24  (供体或非轮回亲本)。每个  CSSL  包含一个或几个来自  IR24  的染色体片段，其余染色体来自背景亲本  Asominofi。所有供体染色体片段覆盖了  IR24  的整个基因组，不同染色体片段用不同的  RFLP  标记表示。

　　根据粒长的观测值，可以通过分析不同标记基因型间粒长的差异显著性来判断哪些片段上携带有影响粒长的  QTL。存在  QTL  的可能性常用  LOD  值的大小来衡量(图1.A)，图1.A清楚表明标记  M23  和  M34  代表的染色体片段上包含有控制粒长的  QTL，它们分别解释粒长表型变异的36.9％和8.9％，因此可视为主效  QTL，尤其是  M23  染色体片段上的  QTL。但这2个  QTL  加性效应的方向相反(图2-B)，即对于标记  M23  上的  QTL  来说，来自  IR24  的等位基因使粒长增加，来自  Asominori  的等位基因使粒长减小；对于标记  M34  上的  QTL  来说，来自  IR24  的等位基因则使粒长减小，来自  Asominori  的等位基因使粒长增加。   (责任编辑：泉水)

搜索

热门标签:

作物分子设计育种(3)