第八章-分子設(shè)計(jì)育種...ppt

第八章分子設(shè)計(jì)育種,一、概念的提出：國外：設(shè)計(jì)育種(breedingbydesign)，Peleman和vanderVort(2003)。在基因定位的基礎(chǔ)上,構(gòu)建近等基因系,利用分子標(biāo)記聚合有利等位基因,實(shí)現(xiàn)育種目標(biāo)?；蚪M學(xué)輔助育種(genomics-assistedbreeding)，Varshney(2005)。在獲得全基因組序列的基礎(chǔ)上，根據(jù)事先進(jìn)行的虛擬基因組設(shè)計(jì)方案，通過一系列的育種手段和過程，培育聚集大量有利基因、基因組組配合理、基因互作網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、基因組結(jié)構(gòu)最為優(yōu)化的優(yōu)良品種。國內(nèi)：基因設(shè)計(jì)育種。中國水稻研究所程式華（2004年）。作物分子設(shè)計(jì)育種。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所萬建民（2006）。,分子設(shè)計(jì)育種以生物信息學(xué)為平臺(tái)，以基因組學(xué)和蛋白組學(xué)等數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，綜合作物育種學(xué)流程中的作物遺傳、生理、生化、栽培、生物統(tǒng)計(jì)等所有學(xué)科的有用信息，根據(jù)具體作物的育種目標(biāo)和生長環(huán)境，在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)最佳方案，然后開展作物育種試驗(yàn)的分子育種方法。與傳統(tǒng)育種技術(shù)相比，分子設(shè)計(jì)育種更為精確、更加高效率，能夠?qū)崿F(xiàn)從“經(jīng)驗(yàn)育種”到“精確育種”的轉(zhuǎn)化。,相關(guān)背景在我國人口、資源、環(huán)境等剛性條件約束下，培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效作物新品種是確保我國糧食安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。作物分子（設(shè)計(jì)）育種成為國家相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃確定的優(yōu)先發(fā)展方向并得到了國家科技計(jì)劃的重點(diǎn)支持。2006年發(fā)布的國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（20062020年）將動(dòng)植物品種與藥物分子設(shè)計(jì)技術(shù)確定為前沿技術(shù)。2007年，我國863計(jì)劃現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域啟動(dòng)了“動(dòng)植物品種分子設(shè)計(jì)”專題。以主要植物（水稻、小麥、玉米、大豆、棉花等）、動(dòng)物（豬、牛、雞等）為研究對(duì)象。重點(diǎn)研究：重要性狀的分子構(gòu)成解析；轉(zhuǎn)基因技術(shù)；優(yōu)異性狀多基因聚合；品種分子設(shè)計(jì)的信息系統(tǒng)；品種分子設(shè)計(jì)工程；品種分子設(shè)計(jì)的技術(shù)體系與驗(yàn)證。,2008年，973計(jì)劃在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域設(shè)立了作物分子設(shè)計(jì)項(xiàng)目“主要作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)品種設(shè)計(jì)和選育的基礎(chǔ)研究”。研究主要作物（小麥、玉米、大豆等）高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)性狀的遺傳機(jī)理，鑒定出具有重要實(shí)用價(jià)值的分子靶點(diǎn)；通過常規(guī)和分子育種手段的結(jié)合，創(chuàng)制在產(chǎn)量、品質(zhì)等目標(biāo)性狀上表現(xiàn)突出的育種材料；建立多基因組裝育種的理論和方法體系。國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2008年，“利用計(jì)算機(jī)模擬探索抗胞囊線蟲大豆品種分子設(shè)計(jì)育種方法”。2009年，“基于單片段代換系（SSSL）的水稻分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系的建立”。2008年，中國科學(xué)院啟動(dòng)了“小麥、水稻重要農(nóng)藝性狀的分子設(shè)計(jì)及新品種培育推廣”重大項(xiàng)目，最終目的是建立和完善多基因組裝分子設(shè)計(jì)育種的理論和技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)遺傳改良向品種分子設(shè)計(jì)的跨越。,二、開展分子設(shè)計(jì)育種的基本條件1、高密度分子遺傳圖譜和高效的分子標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)2、重要基因/QTLs的定位及其功能大規(guī)模定位控制目標(biāo)作物各種性狀的重要基因/QTLs，明確其功能。掌握這些關(guān)鍵基因/QTL的等位變異及其對(duì)表型的效應(yīng)。充分的了解基因間互作(包括基因與基因之間的互作以及基因與環(huán)境的互作等)3、建立并完善可供分子設(shè)計(jì)育種利用的遺傳信息數(shù)據(jù)庫。4、構(gòu)建可用于設(shè)計(jì)育種的種質(zhì)資源與育種中間材料。,水稻生物信息庫,RGP（RiceGenomeResearchProgram）http:/rgp.dna.affrc.go.jp/日本的水稻基因組計(jì)劃的網(wǎng)址,是整個(gè)國際水稻基因組測(cè)序計(jì)劃的重要網(wǎng)站之一。該網(wǎng)站目前主要是免費(fèi)發(fā)布粳稻“日本晴”全基因組、EST序列的測(cè)序信息。NCBI（NationalCenterforBiotechnologyInformation）/美國國立生物技術(shù)信息中心，國際上幾個(gè)重要分子生物信息網(wǎng)站之一，含秈稻93-11基因組序列數(shù)據(jù)庫。,Gramene/禾本科作物比較基因組學(xué)的重要網(wǎng)站。提供水稻、玉米、大麥、小麥、高粱、擬南芥的序列信息,特點(diǎn)是重視水稻與其他作物的比較。該網(wǎng)站搜羅了禾本科各作物的重要遺傳標(biāo)記連鎖圖,提供各種類型的分子標(biāo)記,水稻、玉米、小麥種質(zhì)資源等位基因SNP和SSR變異的信息和水稻各種代謝途徑圖。Oryzabasehttp:/www.shigen.nig.ac.jp/rice/oryzabase/收集水稻各方面的資源信息。水稻基因及其染色體位置、相關(guān)參考文獻(xiàn)、各種類型的水稻品種資源、突變體信息,野生稻的資源信息數(shù)據(jù)。,三、分子設(shè)計(jì)育種的步驟發(fā)掘控制育種性狀的基因、明確不同等位基因的表型效應(yīng)、明確基因與基因以及基因與環(huán)境之間的相互關(guān)系。在基因/QTL定位和各種遺傳研究的基礎(chǔ)上,利用已經(jīng)鑒定出的各種重要育種性狀基因的信息,包括基因在染色體上的位置、遺傳效應(yīng)、基因之間的互作、基因與背景親本和環(huán)境之間的互作等，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。分析達(dá)到目標(biāo)基因型的途徑，制定生產(chǎn)品種的育種方案,利用設(shè)計(jì)育種方案開展育種工作，培育優(yōu)良品種。,萬建民，2007年。,王健康和萬建民，2011年。,四、分子設(shè)計(jì)育種的研究現(xiàn)狀（一）我國的研究現(xiàn)狀1、水稻遺傳研究材料更加豐富多樣、重要性狀的遺傳研究日趨深入。已創(chuàng)制出類型多樣的水稻遺傳研究群體,對(duì)大多數(shù)育種性狀已開展QTL定位、基因精細(xì)定位和克隆研究。我國已建立了水稻多套染色體片段置換系（導(dǎo)入系）群體，大量的突變體和近等基因系群體，這些群體可用于基因的精細(xì)定位、克隆和功能驗(yàn)證、基因間的互作、基因聚合等研究。我國在QTL定位和分子標(biāo)記輔助育種領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究方面力量較強(qiáng)，論文數(shù)量位居世界第二，在論文數(shù)量排名前10位機(jī)構(gòu)中，我國的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)共占據(jù)5個(gè)席位。,2、育種模擬工具日益成熟并在育種中應(yīng)用目標(biāo)基因型的預(yù)測(cè)、育種方法的優(yōu)化須借助適當(dāng)?shù)哪M工具。QuLine，用于不同育種方法的比較、研究顯性和上位性選擇效應(yīng)、利用已知基因信息預(yù)測(cè)雜交后代的表型以及分子標(biāo)記輔助選擇過程的優(yōu)化。QuHybrid，用于雜交種育種策略的模擬和優(yōu)化、不同雜交種育種方案的比較。QuMARS，用于輪回選擇與標(biāo)記輔助選擇的方案優(yōu)化。育種模擬工具可以克服田間試驗(yàn)耗時(shí)長、難以重復(fù)的局限性,通過大量模擬試驗(yàn)全面比較不同育種方法的育種成效,3、開展分子設(shè)計(jì)育種、建立設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系萬建民和Wang等利用粳稻品種Asominori為背景、秈稻品種IR24為供體的65個(gè)染色體片段置換系(CSSL)開展水稻粒長和粒寬性狀的QTL分析,根據(jù)QTL分析結(jié)果設(shè)計(jì)出大粒目標(biāo)基因型,并提出實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基因型的最佳育種方案;隨后開展分子設(shè)計(jì)育種,于2008年選育出攜帶秈稻基因組片段的大粒(長寬8.5mm3.2mm)粳稻材料。Wang等利用CSSL群體確定了9個(gè)具有穩(wěn)定表達(dá)和育種價(jià)值的染色體片段,設(shè)計(jì)出滿足多種品質(zhì)指標(biāo)的育種目標(biāo)基因型;隨后開展分子設(shè)計(jì)育種,于2009年選育出低堊白率(10%)、中等直鏈淀粉含量(15%20%)等綜合品質(zhì)性狀優(yōu)良的水稻自交系。,（二）國際研究現(xiàn)狀,各國在作物遺傳改良中都不同程度地布局和開展了作物分子設(shè)計(jì)育種相關(guān)研究。主要代表性國家的研究工作主要蘊(yùn)藏在其它基因組計(jì)劃項(xiàng)目、作物遺傳改良計(jì)劃項(xiàng)目中。作物分子設(shè)計(jì)育種尚處于起步階段，還沒有在實(shí)踐中利用該技術(shù)體系培育出商業(yè)化品種。目前開展的主要是相關(guān)基礎(chǔ)研究工作。包括基因組研究、基因和QTL定位、分子標(biāo)記開發(fā)、標(biāo)記輔助選擇、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、定位群體的構(gòu)建、生物信息學(xué)工