作物分子設計育種-課件

第五章作物分子設計育種

2020/12/21第五章作物分子設計育種2020/12/21分子設計育種的概念

1、由來Peleman和vanderVoort對“設計育種”(breedingbydesign)這一名詞進行了商標注冊。2020/12/22分子設計育種的概念1、由來2020/12/22精品資料精品資料你怎么稱呼老師？如果老師最后沒有總結一節(jié)課的重點的難點，你是否會認為老師的教學方法需要改進？你所經(jīng)歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽曬，也不怕那風雨狂，只怕先生罵我笨，沒有學問無顏見爹娘……”“太陽當空照，花兒對我笑，小鳥說早早早……”作物分子設計育種-ppt課件精品資料5精品資料5你怎么稱呼老師？如果老師最后沒有總結一節(jié)課的重點的難點，你是否會認為老師的教學方法需要改進？你所經(jīng)歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽曬，也不怕那風雨狂，只怕先生罵我笨，沒有學問無顏見爹娘……”“太陽當空照，花兒對我笑，小鳥說早早早……”66分子設計育種的概念

2、概念以生物信息學為平臺,以基因組學和蛋白組學的數(shù)據(jù)庫為基礎,綜合作物育種學流程中的作物遺傳、生理生化和生物統(tǒng)計等學科的有用信息,根據(jù)具體作物的育種目標和生長環(huán)境,先設計最佳方案,然后開展作物育種試驗的分子育種方法。2020/12/27分子設計育種的概念2、概念2020/12/27主要內(nèi)容一、相關基礎研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢二、我國開展分子設計育種的時機已經(jīng)成熟三、我國作物分子設計育種的研究重點

2020/12/28主要內(nèi)容一、相關基礎研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2020/12/28一、相關基礎研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、生物信息學遺傳信息數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)呈“爆炸式”增長（1）基因組學3大核酸序列數(shù)據(jù)庫EMBL數(shù)據(jù)庫,NCBI的GenBank數(shù)據(jù)庫，DDBJ數(shù)據(jù)庫。（2）蛋白組學2020/12/29一、相關基礎研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、生物信息學遺傳信息數(shù)一、相關基礎研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2、分子標記技術發(fā)展日新月異第一代分子標記，基于Southern雜交，RFLP;第二代分子標記，基于PCR雜交，SSR;第三代分子標記，基于基因序列，cDNA序列的SSR和SNP2020/12/210一、相關基礎研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2、分子標記技術發(fā)展日新月一、相關基礎研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

3、基因和QTL定位研究廣泛深入數(shù)量性狀的基因位點(QTL)定位;植物QTL定位方法：區(qū)間作圖，復合區(qū)間作圖和基于混合線性模型的復合區(qū)間作圖；等位基因變異的檢測與表型性狀的深入鑒定。2020/12/211一、相關基礎研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

3、基因和QTL定位研一、相關基礎研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

4、基因電子定位與電子延伸得到應用利用EST或cDNA全長序列等信息對表達序列直接進行作圖，把不同基因定位在染色體上；NCBI利用BLAST技術把EST數(shù)據(jù)進行了整理建立了dbEST數(shù)據(jù)庫；2020/12/212一、相關基礎研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

4、基因電子定位與電子延伸一、相關基礎研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

5、轉(zhuǎn)基因技術和標記輔助選擇方法取得一定進展轉(zhuǎn)基因技術僅限于利用主基因改良單一目標性狀；分子標記輔助選擇并不比傳統(tǒng)的選擇方法在對主基因控制的性狀方面有明顯優(yōu)勢;對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分子標記輔助選擇。2020/12/213一、相關基礎研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

5、轉(zhuǎn)基因技術和標記輔助選二、我國開展分子設計育種的時機已經(jīng)成熟1、擁有生物信息學的研究力量和技術。首次對水稻全基因組測序并對水稻第4染色體精細測序；從基因組序列、EST信息和全長cDNA序列中發(fā)掘新標記和新基因的工作取得了一定進展。2020/12/214二、我國開展分子設計育種的時機已經(jīng)成熟1、擁有生物信息學的研二、我國開展分子設計育種的時機已經(jīng)成熟2、開展虛擬分子育種。我國利用分子數(shù)量遺傳學和計算機技術研究QTL作圖、QTL與環(huán)境之間的關系方面位于國際同等水平。2020/12/215二、我國開展分子設計育種的時機已經(jīng)成熟2、開展虛擬分子育種。二、我國開展分子設計育種的時機已經(jīng)成熟3、擁有建立大型的數(shù)據(jù)搜集和處理系統(tǒng)的技術和經(jīng)驗。國家作物種質(zhì)資源信息系統(tǒng)已建立多年,目前該系統(tǒng)中儲存的數(shù)據(jù)已達數(shù)千萬項。2020/12/216二、我國開展分子設計育種的時機已經(jīng)成熟3、擁有建立大型的數(shù)據(jù)二、我國開展分子設計育種的時機已經(jīng)成熟4、擁有基因作圖、比較基因組學研究、等位基因多樣性研究等關鍵技術。大多數(shù)重要性狀基因作圖；開展小麥族內(nèi)的物種之間、禾本科作物之間的比較基因組學研究；2020/12/217二、我國開展分子設計育種的時機已經(jīng)成熟4、擁有基因作圖、比較二、我國開展分子設計育種的時機已經(jīng)成熟5、與國外相比，存在問題1)主要農(nóng)藝性狀基因發(fā)掘和功能研究存在不足；2)分子設計育種相關的信息系統(tǒng)不夠完善。3)分子設計育種理論研究相對滯后。2020/12/218二、我國開展分子設計育種的時機已經(jīng)成熟5、與國外相比，存在問三、我國作物分子設計育種的研究重點1、重要農(nóng)藝性狀基因/QTL高效發(fā)掘構建作物的高代回交導入系群體,并結合定向選擇,消除復雜的遺傳背景對基因/QTL定位精度的不良影響,高效發(fā)掘種質(zhì)資源中重要農(nóng)藝性狀的基因/QTL。2020/12/219三、我國作物分子設計育種的研究重點1、重要農(nóng)藝性狀基因/QT三、我國作物分子設計育種的研究重點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)境互作的信息預測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。2020/12/220三、我國作物分子設計育種的研究重點2、建立核心種質(zhì)和骨干親本三、我國作物分子設計育種的研究重點3、建立主要育種性狀的GP模型GP(Genotypetophenotype)GP模型利用發(fā)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,結合不同作物的生物學特性及不同生態(tài)地區(qū)育種目標,對育種過程中各項指標進行模擬優(yōu)化,預測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。2020/12/221三、我國作物分子設計育種的研究重點3、建立主要育種性狀的G四、分子設計育種實例（一）、步驟(1)定位所有相關農(nóng)藝性狀的QTL;(2)評價這些位點的等位性變異;(3)開展設計育種。2020/12/222四、分子設計育種實例（一）、步驟2020/12/222四、分子設計育種實例（二）、過程1、研究育種目標性狀的QTL2、評價這些位點的等位性變異;3、開展設計育種。2020/12/223四、分子設計育種實例（二）、過程2020/12/2231、研究育種目標性狀的QTL（1）構建作圖群體（2）篩選多態(tài)性標記（3）構建標記連鎖圖譜（4）評價數(shù)量性狀的表現(xiàn)型和QTL分析。2020/12/2241、研究育種目標性狀的QTL（1）構建作圖群體2020/1實例有一包含65個染色體片段置換系(chromosomesegmentsubstitutionline,CSSL)的群體,產(chǎn)生這一群體的2個親本分別為粳稻Asominori(背景或輪回親本)和秈稻IR24(供體或非輪回親本)。每個CSSL包含一個或幾個來自IR24的染色體片段,其余染色體來自背景親本Asominori。所有供體染色體片段覆蓋了IR24的整個基因組,不同染色體片段用不同的RFLP標記表示。2020/12/225實例有一包含65個染色體片段置換系(chr根據(jù)粒長的觀測值,可以通過分析不同標記基因型間粒長的差異顯著性來判斷哪些片段上攜帶有影響粒長的QTL。存在QTL的可能性常用LOD值的大小來衡量(圖1-A),2020/12/226根據(jù)粒長的觀測值,可以通過分析不同標記基因型間粒長的差異顯著2020/12/2272020/12/227實踐中,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,則判定QTL存在時應選擇較高的LOD臨界值,如3.0或更高,以避免假陽性;如果目的在于預測基因型,則假陽性不會對結果造成較大的負面影響,此時可選擇較低的LOD臨界值,如1.0,以保證效應較小的QTL也能鑒定出來。在上面的實例中,當采用0.83的臨界值時(對應于顯著性水平0.05),我們一共鑒定出13個控制粒長的QTL,8個控制粒寬的QTL,同時也鑒定出一些上位性QTL。2020/12/228實踐中,可根據(jù)不同研究目的選擇LOD臨界值2020/12/2、結合育種目標設計目標基因型（1）QTL在染色體上的位置（2）遺傳效應（3）QTL之間的互作（4）QTL與背景親本和環(huán)境之間的互作（5）模擬預測各種可能基因型的表現(xiàn)型,從中選擇符合特定育種目標的基因型。2020/12/2292、結合育種目標設計目標基因型（1）QTL在染色體上的位置2020/12/2302020/12/230根據(jù)上面的信息,可以預測各種可能的基因型的表現(xiàn)型(圖2),發(fā)現(xiàn)最小和最大粒長基因型的粒長分別是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。假定育種目標是長粒和寬粒型,由于一些QTL在2個性狀上有負向的一因多效現(xiàn)象,不可能獲得一個基因型既具有圖2中最大粒長又具有最大粒寬。經(jīng)模擬我們發(fā)現(xiàn)一個設計基因型,其粒長為6.05mm,粒寬為3.00mm,接近最大粒長6.21mm和最大粒寬3.07mm(圖2)。至此我們設計出一個最符合長粒和寬粒型這一育種目標的基因型。2020/12/231根據(jù)上面的信息,可以預測各種可能的基因型的表現(xiàn)型(圖2),3、達到目標基因型的途徑分析獲得圖2中的設計基因型,需要IR24的4個染色體片段,即M1、M6、M23和M25。在65個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)生設計基因型的親本材料。但CSSL19包含有我們不需要的片段M12,在選擇過程中需要將其替換為Asominori的片段。2020/12/2323、達到目標基因型的途徑分析獲得圖2中的設計基因型,3個親本間的三交(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。假定采用標記輔助方法選擇目標基因型,可供選擇的方案有很多,這里只考慮其中的2種,標記選擇方案1:產(chǎn)生100個三交F1個體,每個產(chǎn)生30個F2個體,利用單粒傳共產(chǎn)生3000個F8家系,然后從中選擇目標基因型;標記選擇方案2:產(chǎn)生100個三交F1個體,通過標記輔助選擇只保留含有目標染色體片段的個體,每個中選個體產(chǎn)生30個F2個體,利用單粒傳產(chǎn)生F8家系,然后從中選擇目標基因型。以上過程借助遺傳育種模擬工具QuCim實現(xiàn)。2020/12/2333個親本間的三交(又稱頂交)組合有可能將我們需要的2020/12/2342020/12/234對每個三交