分子植物育種現(xiàn)狀與展望

分子植物育種現(xiàn)狀與展望第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四1.引言2.分子標(biāo)記和遺傳圖譜的發(fā)展3.遺傳和育種群體4.性狀的標(biāo)記和定位5.分子標(biāo)記輔助選擇6.分子育種平臺7.全基因組策略第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四1.1什么是分子育種？利用分子生物學(xué)和生物技術(shù)改進(jìn)新品種的培育，以提高選擇效率，加快育種進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)有目標(biāo)的設(shè)計(jì)育種。傳統(tǒng)育種：

一把尺子一桿秤，用牙咬，用眼瞪現(xiàn)代育種：利用標(biāo)記提高選擇效率利用雙單倍體加快育種進(jìn)程利用轉(zhuǎn)基因?qū)崿F(xiàn)基因的跨物種轉(zhuǎn)移和性狀的定向改造第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四GoffandSalmeron2004ScientificAmerican291(2)42-49Maize1.2為什么需要分子育種？第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四YieldGaptoBeFilledbyPlantBreedingExperimentalStationyieldPotentialFarmyieldTheoreticalpotentialActualFarmyieldYieldgap0YieldgapIYieldgapIIForscientiststoconceiveandbreedpotentialvarietiesNontransferabletechnologyEnvironmentaldifferencesBiologicalVarietyWeedsPestsProblemsoilsWaterSoilfertilitySocioeconomicCostsCreditTraditionKnowledgeInputInstructions17.15GAPt/ha(ModifiedfromChaudhary2000)第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四1.3從分子數(shù)量遺傳學(xué)到分子植物育種Xu,Y.andZhu,L(1994)MolecularQuantitativeGeneticsChinaAgriculturePress,Beijing第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四Xu,Y.1997.Quantitativetraitloci:separating,pyramiding,andcloning.PlantBreedingReviews15:85-139.Xu,Y.2002.GlobalviewofQTL:Riceasamodel.In:M.S.Kang(ed),QuantitativeGenetics,Genomics,andPlantBreeding.CABInternational,pp.109-134.Xu,Y.2003.Developingmarker-assistedselectionstrategiesforbreedinghybridrice.PlantBreedingReviews23:73-174.Xu,Y.,S.R.McCouchandQ.Zhang.2005.Howcanweusegenomicstoimprovecerealswithriceasareferencegenome?PlantMolecularBiology59:7-26.DwivediS.L.,J.H.Crouch,D.J.Mackill,Y.Xu,M.W.Blair,M.Ragot,H.D.UpadhyayaandR.Ortiz.2007.Themolecularizationofpublicsectorcropbreeding:progress,problemsandprospects.AdvancesinAgronomy95:163-318.Xu,Y.andJ.H.Crouch.2008.Marker-assistedselectioninplantbreeding:frompublicationstopractice.CropScience48:391–407.第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四MolecularPlantBreedingYunbiXuISBN:97818459339202010734pages諾貝爾獎(jiǎng)獲得者布勞格作序中文版將由科學(xué)出版社2011夏天出版第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四1.Introduction2.MolecularBreedingTools:MarkersandMaps3.MolecularBreedingTools:OmicsandChips4.PopulationsinGeneticsandBreeding5.PlantGeneticResources:ManagementandEnhancement6.MolecularDissectionofComplexTraits:Theory7.MolecularDissectionofComplexTraits:Practice8.MarkerAssistedSelection:Theory9.MarkerAssistedSelection:Practice10.GenotypebyEnvironmentInteraction11.IsolationandFunctionalAnalysisofGenes12.GeneTransferandGeneticallyModifiedPlants13.IntellectualPropertyRightsandPlantVarietyProtection14.BreedingInformatics15.DecisionSupportToolsforMolecularBreedingMolecularPlantBreedingYunbiXuCABIPublishing,2010第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2.分子標(biāo)記和遺傳圖譜的發(fā)展分子標(biāo)記

限制性片段長度多態(tài)性 隨機(jī)DNA擴(kuò)增多態(tài)性微衛(wèi)星標(biāo)記（ＳＳＲ）

單核甘酸多態(tài)性（ＳＮＰ）

物理標(biāo)記

功能標(biāo)記第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四遺傳圖譜 單一標(biāo)記、單一群體的圖譜 整合的遺傳、物理和基因圖譜第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四重組率的基因組范圍及群體間的變異Farkharietal2011PlantBreeding(inpress)第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四3.遺傳和育種群體自交和回交群體人工和自然群體雙親本和多親本群體遺傳與育種群體整合的遺傳與育種群體巢式關(guān)聯(lián)作圖（NAM）群體多親本高世代互交（MAGIC）群體第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四巢式關(guān)聯(lián)作圖（NAM）群體

采用25玉米自交系和一個(gè)共同親本B73雜交,然后產(chǎn)生5000個(gè)重組近交家系多親本高世代互交（MAGIC）群體

利用8個(gè)親本成對雜交、然后互交、再隨機(jī)交配、最后自交產(chǎn)生重組近交家系第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四各類群體及其相互關(guān)系Xu,Y.2010.MolecularPlantBreeding,CABI,UK第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四4.性狀的標(biāo)記和定位初步定位與精細(xì)定位單個(gè)標(biāo)記、區(qū)間標(biāo)記、多個(gè)標(biāo)記隨機(jī)標(biāo)記與特定標(biāo)記物理標(biāo)記與功能標(biāo)記標(biāo)記座位（locus）與標(biāo)記等位基因(allele)標(biāo)記與單倍型（Haplotype)各類定位方法的綜合應(yīng)用（例如聯(lián)合的連鎖-連鎖不平衡作圖jointlinkage-LD

mapping)第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四90年代利用分子標(biāo)記進(jìn)行的基因定位徐云碧申宗坦徐吉臣朱衡陳英朱立煌1994.利用分子標(biāo)記連鎖圖譜進(jìn)行水稻數(shù)量基因的區(qū)間作圖.中國科學(xué)(B輯)24:971-976.徐云碧申宗坦陳英朱立煌1994.水稻形態(tài)性狀與分子標(biāo)記的相互關(guān)聯(lián)及其檢測。浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)6:1-6.徐云碧申宗坦陳英朱立煌1995.水稻秈粳雜種F2群體中RFLP標(biāo)記的異常分離及其染色體分布.植物學(xué)報(bào)37:91-96.徐云碧申宗坦陳英朱立煌1995.分子標(biāo)記與QTL之間重組率的最大似然估計(jì)及通用程序設(shè)計(jì).中國農(nóng)業(yè)科學(xué)28(增刊):56－60.徐云碧申宗坦陳英朱立煌1995.QTL區(qū)間作圖的統(tǒng)計(jì)理論和計(jì)算機(jī)軟件及其應(yīng)用.作物學(xué)報(bào)21:1-8 .徐云碧申宗坦陳英朱立煌1995.利用最大似然法進(jìn)行水稻產(chǎn)量性狀基因的分子作圖.遺傳學(xué)報(bào)22:46-52。第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四聯(lián)合的連鎖-連鎖不平衡作圖WhyBothlinkageandLD-basedmappinghaveadvantagesanddisadvantages;GeneticmappingpowercanbeimprovedthroughjointmappingWhatUseofmaterialsderivedfrombi-ormulti-parentalsegregatingpopulations(linkage)andinbredlines(linkagedisequilibrium)HowParallellinkagemappingandLD-mapping;Integratedlinkage-LDmappingLuetal2010.PNAS107:19585–19590第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四Linkagemapping Singlemarkeranalysis Compositeintervalmapping RILsselectedforASIandgrainyield C5RIL(Ac7643×Ac7729/TZSRW):69lines C6RIL(CML444×Malawi):77lines

XBRIL(X178×B73):71linesLinkage-disequilibriummapping Singlemarker-based Haplotype-based 105introgressionlines(ILs)from38BILsets 200maizeinbredlinesJointlinkage-linkagedisequilibriummapping Allmaterials(n=522)2053SNPmarkers

Including659SNPsfrom413candidategenes

第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四Genome-widescanofQTLforanthesis-silkinginterval(ASI)underwellwater(WW,bluelines)andwaterstress(WS,redlines)regimesusingcompositeintervalmappingusingXBRILpopulation.IdentifiedQTLareshownbyarrows.C1toC10representchromosome1tochromosome10.TargettraitAnthesis-silkingInterval(ASI)第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四Distributionofminorallelefrequencies522lines305linesXBRILpopulationLuetal2010.PNAS107:19585–19590第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四5.分子標(biāo)記輔助選擇葉片DNA

vs種子DNA為基礎(chǔ)的選擇單標(biāo)記選擇vs雙標(biāo)記選擇局部選擇vs全基因組選擇質(zhì)量性狀選擇vs數(shù)量性狀選擇單個(gè)性狀選擇vs多個(gè)性狀選擇物理標(biāo)記vs功能標(biāo)記為基礎(chǔ)的選擇MASvsMARSvsGS第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四SeedSeedMolecularassayGeneticanalysisPCRMolecularmarkersMicroarray……DNASeedlingLeaftissuePlantingLeaf-andseed-DNAapproaches第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四①Soaking②Sampling③Grinding⑥Trackingbackandplanting④DNAextraction⑤PCRandgenotypingSeedDNA-basedGenotypinginMaizeGaoetal2008.MolecularBreeding22:477–494第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四GenomewideSelectionPhenotypicselectionforcomplextraitsisdifficultandslow;traditionalMASisineffective.Genomicselection,asanexampleforgenomewideselection,ispoisedtorevolutionizeplantbreeding,becauseitusesmarkerdatatopredictbreedinglineperformanceinoneanalysisanalyzesthebreedingpopulationsdirectlyincludesallmarkersinthemodelsothateffectestimatesareunbiasedandsmalleffectQTLcanbeaccountedfor第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四6.分子育種平臺6.1基因型分析6.2表現(xiàn)型分析6.3環(huán)境分析6.4信息的收集、處理、分析和挖掘6.5決策支撐系統(tǒng)第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四6.1基因型分析從手工到自動(dòng)從凝膠到芯片目標(biāo)位點(diǎn)vs目標(biāo)區(qū)域vs全基因組從MAS、MARS到GS系譜數(shù)據(jù)：所有自交系和群體第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四Luetal.2009.TheorApplGenet120:93-115CharacterizationofaWorldwideCollectionofMaizeGermplasmLarge-ScaleGenotyping第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四分子標(biāo)記分析支持了將雙親向兩邊推的育種策略Cooperetal2004CropScience44:1907-1913第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四6.2表現(xiàn)型分析從粗放到精準(zhǔn)從單個(gè)到多個(gè)從獨(dú)立到同步

（產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性）從肉眼到儀器多年多點(diǎn)表型數(shù)據(jù)第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四Large-ScalePhenotypingScreeningofDroughtToleranceAtotalof554linesWell-wateredandwater-stressedenvironments(eachwithtworeplications)duringthe2008dryseasonatTlaltizapan(StateofMorelos,Mexico).Waterstresses(SS)atvegetativeandfloweringstagesMultiplemeasurementsofbiomassusingthenormalizeddifferencevegetationindex(NDVI)measuredwithaportablespectroradiometer(GreenSeeker).Otherdroughttolerance-relatedselectioncriteria: Anthesis-silkinginterval(ASI) Leafsenescence Chlorophyllcontent(CC) Rootcapacitance Finalgrainyield第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四05010015020025002004006008001000120014001600180020002000+Numberofkernelsharvestedperrow45outof554linesproducemorethan700kernels205lineshavenokernelsatall150linesproduced1-100kernelsNumberoflinesFinalyieldfor554linesscreenedfordroughttolerance第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四NDVIishighlycorrelatedwithotherdroughttoleranceindicesThousandsofplotscanbemeasuredinfourhoursThemeasurementishighlyrepeatableItcanbeusedformeasuringbiomass,leafrollingandleafsenescenceItcanbemeasuredatanydevelopmentalstageHighThroughputPhenotyping第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四6.3環(huán)境分析多年多點(diǎn)試驗(yàn)資料

先鋒公司保存有自1930s以來的所有田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)氣候土壤第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四EcologicaldiversityDeserts,Sahel,SavanaRainForest,PlateausWoodlandsSoilClassesofAfrica第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四Rainfall1988-1998Rainfallandmaizeyields第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四InformationcollectionInformationintegration Datastandardization Developmentofgenericdatabases Useofcontrolledvocabularies/ontologies Interoperablequerysystem Redundantdatacondensing Databaseintegration Tool-basedinformationintegrationInformationretrievalandminingInformationmanagementsystemsXu2010MolecularPlantBreeding,CABIPublisher6.4信息的收集、處理、分析和挖掘第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四6.5決策支撐系統(tǒng)Germplasmmanagement,evaluation,andenhancementBreedingpopulationmanagementandimprovement Buildingupheteroticpatterns Predictionofhybridperformance Marker-assistedinbredandsyntheticcreationGeneticmap/hapmapconstructionMarker-traitassociationidentificationandvalidationMarker-assistedselectionmethodologiesandimplementationGenotypebyenvironmentinteractionanalysisIntellectualpropertyrightandplantvarietyprotectionBreedingbydesignthroughsimulationandmodelingXu2010MolecularPlantBreeding,CABIPublisher第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四GenotypeSequencesMarkersMapsGenealogyPhenotypeYield QualityAgronomyStressresponse

EnvironmentWater FertilizerSoil TemperaturePrecipitationGISDaylengthData

Tools

OutputGenefunctionalanalysisGeneticdiversityGermplasmevaluationGermpalsmclassificationVarietyidentificationGeneticmapping/HapmapMarker-traitassociationMarker-assistedselectionGXEinteractionEnvironmentalclassificationVarietystability/adaptabilityBLASTN/X…MapmakerMultiQTLGeneFlowQTLCartographerSAS/JAMPStructureGeneMapperPowerMarkerArlequinBiPlotCMTVTASSEL……..IntegratedIMSformolecularbreedingICISXu,Y.2010.MolecularPlantBreeding,CABI,UK第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四7.全基因組策略GenotypeEnvironmentPhenotypeWholegenomestrategiesarerequiredforeffectivemolecularbreedingofcomplextraits第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四FullgenomicssequencesforallgermplasmaccessionsMarkerscoveringeverygeneandallimportanttraitsHighprecisionphenotypingundermulti-environmentsConsiderationofallenvironmentalfactorsinfluencinggenes,genotypesandperformanceSelectionatthewholegenomelevel:allthegenes,allelesandtheircombinationsWhatAreWholeGenomeStrategies?第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四WholeGenomeStrategiesFullgenomesequenceandgenome-widemolecularmarkersAllgenomicandenvironmentalfactorsArepresentativeorcompletesetofgeneticsandbreedinggermplasm第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四ImportanceofthepopulationsizesgoingbeyondthecurrentscaleHighdensitymarkersmustmatchwithlargepopulationsizesTwoapproaches:SeedDNA-basedgenotyping(Gaoetal2008)Selectivegenotyping/phenotyping(Sunetal2010)PopulationSize第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四HighresolutiongenotypingWholegenomeresequencingTargetedsequencing(exoncapturingetc)Marker-assistedrecurrentselectionorgenomicselectionGenome-wideassociationstudy(GWAS)GenomeCoverage第45頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四DeNovosequencingtogeneratereferencesequencemap(s)ResequencingtodiscoverSNPs,haplotypesandtag-SNPsTag-SNPscanbedevelopedtorepresenthaplotypes.Eachtag-SNPrepresentsonehaplotypefragment.Asetoftag-SNPscanbedevelopedtorepresentwholegenomediversity.HaplotypeandTag-SNPs第46頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四Large-scaleresequencing(wholegenomeandtargetregions)

Stageone:100coremaizelines(2010) Sta