分子設(shè)計(jì)育種從經(jīng)驗(yàn)育種到定向精確育種

分子設(shè)計(jì)育種從經(jīng)驗(yàn)育種到定向精確育種

作物育種的主要任務(wù)是找到控制對(duì)象的基因，研究這些基因在目標(biāo)環(huán)境群中的表達(dá)形式，并將不同材料中的有利基因和基因組合起來(lái)，以確定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的合適品種。傳統(tǒng)育種過(guò)程中育種家潛意識(shí)地利用設(shè)計(jì)的方法組配親本、估計(jì)后代種植規(guī)模、選擇優(yōu)良后代,Peleman和vandeVoort明確提出設(shè)計(jì)育種的概念,萬(wàn)建民和Wang等又進(jìn)一步明確分子設(shè)計(jì)育種應(yīng)當(dāng)分三步進(jìn)行即(1)定位相關(guān)農(nóng)藝性狀的基因位點(diǎn),評(píng)價(jià)這些位點(diǎn)的等位變異,確立不同位點(diǎn)基因間以及基因與環(huán)境間的相互關(guān)系;(2)根據(jù)育種目標(biāo)確定滿足不同生態(tài)條件、不同育種需求的目標(biāo)基因型;(3)設(shè)計(jì)有效的育種方案、開(kāi)展設(shè)計(jì)育種。分子設(shè)計(jì)育種提出到現(xiàn)在只有幾年時(shí)間,但已成為引領(lǐng)作物遺傳改良的研究領(lǐng)域。設(shè)計(jì)育種的核心是建立以分子設(shè)計(jì)為目標(biāo)的育種理論和技術(shù)體系(圖1),通過(guò)各種技術(shù)的集成與整合,在育種家進(jìn)行田間試驗(yàn)之前,對(duì)育種程序中的各種因素進(jìn)行模擬、篩選和優(yōu)化,確立滿足不同育種目標(biāo)的基因型,根據(jù)具體育種目標(biāo)設(shè)計(jì)品種藍(lán)圖,提出最佳的親本選配和后代選擇策略,結(jié)合育種實(shí)踐培育出符合設(shè)計(jì)要求的農(nóng)作物新品種,最終大幅度提高育種效率,實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的“經(jīng)驗(yàn)育種”到定向、高效的“精確育種”的轉(zhuǎn)變。本文綜述近些年來(lái)我國(guó)作物分子設(shè)計(jì)育種取得的進(jìn)展,結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀對(duì)分子設(shè)計(jì)育種的未來(lái)進(jìn)行展望最后提出我國(guó)作物分子設(shè)計(jì)育種近期內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)的若干研究領(lǐng)域。1中國(guó)作物分子的設(shè)計(jì)與繁殖1.1聚合型遺傳研究材料的應(yīng)用和應(yīng)用隨著新的遺傳分析方法的建立[12,13,14,15,16,17],我國(guó)在大多數(shù)作物中已創(chuàng)制出類型多樣的遺傳研究群體,對(duì)大多數(shù)育種性狀已開(kāi)展QTL定位、基因精細(xì)定位和克隆研究?！蹲魑飳W(xué)報(bào)》2005年1月至2010年7月間發(fā)表的470篇有關(guān)性狀遺傳研究文章中(圖2)按作物種類來(lái)看,水稻占28%、小麥占20%、玉米占10%、大豆占11%、棉花占6%、油菜占6%,其他作物包括花生和馬鈴薯等占19%;按遺傳研究群體的類型來(lái)看,種質(zhì)資源和現(xiàn)代品種(品系)占35%、雙親雜交衍生群體(如F2、加倍單倍體、回交、F3和重組近交家系等)占38%、染色體片段置換系占7%、多親本遺傳交配群體(如自然群體、NCI、NCII、NCIII和雙列雜交等)占8%,其他包括細(xì)胞遺傳學(xué)和突變體材料等占12%;按采用的遺傳分析方法來(lái)看,經(jīng)典遺傳分析(包括經(jīng)典孟德?tīng)栠z傳、經(jīng)典群體遺傳和數(shù)量遺傳等)占29%、QTL作圖占33%、關(guān)聯(lián)分析占4%、精細(xì)定位和克隆占17%,其他分子遺傳學(xué)分析方法占17%。由此可見(jiàn),遺傳研究材料更加豐富多樣、遺傳研究手段和方法更加先進(jìn)和精細(xì),育種性狀的遺傳研究全面進(jìn)入基因和DNA分子水平。QTL作圖是基因精細(xì)定位、克隆以及有效開(kāi)展分子育種的基礎(chǔ),目前已成為數(shù)量性狀遺傳研究的主流方法(圖2-C)。QTL作圖常用的回交、F2、加倍單倍體、重組近交系等群體(圖2-B),由于分離位點(diǎn)和分離染色體區(qū)域較多,難以排除QTL間的相互影響,不能準(zhǔn)確估計(jì)QTL的位置和效應(yīng),也難以研究不同QTL間的互作。而置換系與背景親本的雜交后代僅在少部分基因組區(qū)段上分離,有利于基因的精細(xì)定位和克隆,目前大部分已克隆的數(shù)量性狀基因都是通過(guò)構(gòu)建置換系實(shí)現(xiàn)的,單片段和雙片段置換系的結(jié)合又是研究基因間互作的理想材料,因此置換系的創(chuàng)制和利用得到越來(lái)越多的重視。我國(guó)已建立了多套染色體片段置換系群體,這些純合的置換系與背景親本再雜交,就能產(chǎn)生雜合染色體片段置換系,從而研究雜合基因型效應(yīng)。盡管這些材料的產(chǎn)生過(guò)程耗時(shí)很長(zhǎng)、花費(fèi)也很大,但一旦產(chǎn)生出來(lái),卻是準(zhǔn)確研究基因間互作的理想遺傳材料,同時(shí)也可以確證其他作圖群體中檢測(cè)到QTL的真實(shí)性。當(dāng)然,突變體和近等基因系也是較理想的遺傳研究材料,適宜于基因的精細(xì)定位、克隆和功能驗(yàn)證。1.2育種模擬工具的應(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是國(guó)際上首個(gè)可以模擬復(fù)雜遺傳模型和育種過(guò)程的計(jì)算機(jī)軟件,QuLine可模擬的育種方法包括系譜法、混合法、回交育種、一粒傳、加倍單倍體、標(biāo)記輔助選擇以及各種改良育種方法和各種方法的組合;可模擬的種子繁殖類型包括以下9種,即無(wú)性系繁殖、加倍單倍體、自交、單交、回交、頂交(或三交)、雙交、隨機(jī)交配和排除自交的隨機(jī)交配等,通過(guò)定義種子繁殖類型這一參數(shù),自花授粉作物的大多數(shù)繁殖方式和雜交方式都可以進(jìn)行模擬。目前QuLine已應(yīng)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(guò)程的優(yōu)化等。在QuLine的基礎(chǔ)上,近兩年又研制出雜交種選育模擬工具QuHybrid和標(biāo)記輔助輪回選擇模擬工具QuMARS,QuHybrid將對(duì)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起一定作用,QuMARS將回答輪回選擇與標(biāo)記輔助選擇的結(jié)合過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題,如利用多少標(biāo)記對(duì)數(shù)量性狀進(jìn)行選擇,輪回選擇過(guò)程中適宜的群體大小,輪回選擇經(jīng)歷多少個(gè)周期就可以停止等等。這些模擬工具為把大量基因和遺傳信息有效應(yīng)用于育種提供了可能,通過(guò)這些模擬工具,可以預(yù)測(cè)符合各種育種目標(biāo)的最佳基因型、模擬和優(yōu)化各種育種方案、預(yù)測(cè)不同雜交組合的育種功效,最終提出高效的分子設(shè)計(jì)育種方案。育種模擬工具可以克服田間試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、難以重復(fù)的局限性,通過(guò)大量模擬試驗(yàn)全面比較不同育種方法的育種成效。改良系譜法和選擇混合法是純系品種選育過(guò)程中經(jīng)常采用的2種育種方法。模擬試驗(yàn)表明,經(jīng)過(guò)一個(gè)育種周期后,改良系譜法把群體的產(chǎn)量基因型值提高到55.83%,選擇混合法把群體的產(chǎn)量基因型值提高到56.02%,因此從產(chǎn)量性狀的遺傳增益上看,選擇混合育種方法要略優(yōu)于改良系譜育種方法。兩種方法在F1代的雜交數(shù)均為1000,F1代選擇后淘汰約30%的組合,經(jīng)過(guò)10個(gè)世代的選擇后,在中選的258個(gè)近交系中,改良系譜平均保留了118個(gè)雜交組合,而選擇混合平均保留了148個(gè)組合。在中選群體中,選擇混合育種方法要比改良系譜育種方法保留的組合多30%。較多的組合數(shù),意味著較高的遺傳多樣性,因此從中選群體的遺傳多樣性上看,選擇混合育種方法要明顯優(yōu)于改良系譜育種方法。從兩種方法分別產(chǎn)生的家系數(shù)和種植的單株數(shù)來(lái)看,從F1至F8,選擇混合育種方法產(chǎn)生的家系數(shù)只是改良系譜育種方法的40%,選擇混合育種方法種植的植株數(shù)只是改良系譜育種方法的2/3,因此選擇混合育種方法花費(fèi)較少的勞力、占用較少的土地資源,從經(jīng)濟(jì)的角度看,選擇混合育種方法也明顯優(yōu)于改良系譜育種方法?；亟挥N是轉(zhuǎn)育基因的有效方法,隨著育種工作的開(kāi)展,供體親本的適應(yīng)性也在不斷提高,除輪回親本中欠缺的基因外,可能也攜帶有利的產(chǎn)量和適應(yīng)性基因,而回交次數(shù)越多,供體親本中的有利基因丟失的可能性越大,因此回交多少次以便將供體親本的優(yōu)良基因?qū)氲捷喕厝罕尽⑼瑫r(shí)還能進(jìn)一步改良輪回親本的適應(yīng)性是育種家經(jīng)常關(guān)心的問(wèn)題。假定育種目標(biāo)在于導(dǎo)入輪回親本中的優(yōu)良供體性狀、并同時(shí)改良或至少不降低輪回親本的適應(yīng)性,模擬試驗(yàn)表明:當(dāng)控制優(yōu)良供體性狀的基因多于3個(gè),供體親本的適應(yīng)性很低時(shí),采用2次回交;當(dāng)控制優(yōu)良供體性狀的基因多于3個(gè),供體親本也有一定的適應(yīng)性時(shí),采用1次回交;當(dāng)控制優(yōu)良供體性狀的基因等于或少于3個(gè),采用2次回交。大多情況下,3次回交和2次回交在改良適應(yīng)性上無(wú)明顯差別,但回交次數(shù)越多,丟失優(yōu)良供體性狀基因的可能性就越大,因此,如果沒(méi)有分子標(biāo)記可以用來(lái)追蹤供體的多個(gè)待導(dǎo)入基因,就沒(méi)有必要回交2次以上。這樣的回交不僅能夠改良輪回親本中的少數(shù)不良性狀,而且還能通過(guò)超親分離進(jìn)一步改良輪回親本中的優(yōu)良性狀,培養(yǎng)適應(yīng)性和產(chǎn)量比輪回親本更高的品種。1.3基于綠色超級(jí)稻的育種策略萬(wàn)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(kāi)展水稻粒長(zhǎng)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(kāi)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(zhǎng)×寬>8.5mm×3.2mm)粳稻材料。我國(guó)水稻矮化育種和雜種優(yōu)勢(shì)利用已取得突破性成果,萬(wàn)建民進(jìn)一步提出超級(jí)稻育種目標(biāo),即構(gòu)建理想株型、利用秈粳亞種間雜種優(yōu)勢(shì)、尋求水稻單產(chǎn)、品質(zhì)和適應(yīng)性的新突破,同時(shí)還指出將分子設(shè)計(jì)育種的知識(shí)和手段應(yīng)用于超級(jí)稻育種,以在盡可能短的時(shí)間里培育出更多、更好的超級(jí)稻品種或雜交組合。Wang等利用前面的CSSL群體在8個(gè)環(huán)境下的表型測(cè)定數(shù)據(jù)開(kāi)展水稻籽粒品質(zhì)性狀的QTL分析,在2.0的LOD臨界值下,發(fā)現(xiàn)有16個(gè)染色體片段在不同環(huán)境下影響堊白大小,15個(gè)染色體片段影響直鏈淀粉含量,根據(jù)這些片段在不同環(huán)境下的遺傳效應(yīng),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(kāi)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。Zhang指出以往的大量研究已發(fā)現(xiàn)水稻抗病蟲(chóng)、氮和磷高效利用、抗旱和高產(chǎn)等種質(zhì)材料,分離并鑒定出控制這些性狀的重要基因,目前正通過(guò)標(biāo)記輔助選擇或遺傳轉(zhuǎn)化等手段逐步將這些優(yōu)良基因?qū)雰?yōu)異品種的遺傳背景中,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出“綠色超級(jí)稻”這一概念和育種目標(biāo),即培育抗多種病蟲(chóng)害、高養(yǎng)分利用效率、抗旱等特性,同時(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)又得到進(jìn)一步改良的水稻品種,以大幅度減少農(nóng)藥、化肥和水資源的消耗,最后還設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)“綠色超級(jí)稻”這一目標(biāo)的育種策略。植物育種其實(shí)就是不斷地聚合存在于不同親本材料中有利等位基因的過(guò)程。Wang等設(shè)計(jì)了聚合9個(gè)主效基因的小麥理想基因型和育種方案,9個(gè)主基因目前均有完全或緊密連鎖的分子標(biāo)記供育種家使用。等位基因Rht-B1b和Rht-D1b降低小麥株高,在“綠色革命”中曾發(fā)揮重要作用,但這2個(gè)矮稈基因同時(shí)降低小麥胚芽鞘長(zhǎng)度,不利于干旱條件下小麥根系的發(fā)育;矮稈基因Rht8降低小麥株高但不影響小麥胚芽鞘的生長(zhǎng);Sr2抗小麥稈銹病;Cre1和VPM抗小麥線蟲(chóng)病;Glu-B1i和Glu-A3b可以改良小麥面團(tuán)品質(zhì);tin基因則降低小麥無(wú)效分蘗數(shù)。位點(diǎn)Glu-A3和tin同在小麥1A染色體短臂上,遺傳距離為3.8cM。這些優(yōu)良等位基因分布在3個(gè)不同的小麥品種中,根據(jù)干旱條件下的育種目標(biāo),確定目標(biāo)基因型應(yīng)具備半矮稈(抗倒伏)、長(zhǎng)胚芽鞘(根系發(fā)達(dá))、抗多種病害、籽粒品質(zhì)優(yōu)良、無(wú)效分蘗少等優(yōu)良性狀。目標(biāo)基因型在分離世代早期的頻率極低(不到百萬(wàn)分之一)。因此即使每個(gè)基因都有標(biāo)記,也難以在早代選擇到理想的目標(biāo)基因型,通過(guò)大量選擇方案的模擬比較,找到一個(gè)多步驟選擇策略,步驟1:在三交F1代,選擇在Rht-B1和Glu-B1位點(diǎn)上基因型純合的個(gè)體,同時(shí)選擇Rht8、Cre1和tin位點(diǎn)上至少包含一個(gè)有利等位基因的后代個(gè)體(這種選擇成為強(qiáng)化選擇);步驟2:在三交F2代,選擇Rht8為純合型的個(gè)體,同時(shí)強(qiáng)化選擇其他未純合的基因位點(diǎn);步驟3:在育種材料近于純合的高世代,借助分子標(biāo)記選出目標(biāo)基因型。采用上述的多步驟選擇策略,大約600個(gè)個(gè)體就能選擇到1個(gè)目標(biāo)基因型,如果等到育種材料近于純合再進(jìn)行選擇時(shí),大約在3500個(gè)個(gè)體中才能選擇到1個(gè)目標(biāo)基因型,因此模擬優(yōu)化研究后提出更為有效、可行的多步驟選擇策略。在多個(gè)主基因分子標(biāo)記聚合育種方法基礎(chǔ)上,Wang等設(shè)計(jì)了聚合主效基因和微效基因的育種模擬試驗(yàn),對(duì)如何利用標(biāo)記輔助選擇、表型選擇和聯(lián)合標(biāo)記輔助和表型選擇進(jìn)行了系統(tǒng)研究。抽穗期是與水稻品種適應(yīng)性密切相關(guān)的一個(gè)重要農(nóng)藝性狀。Wei等利用已知抽穗期基因測(cè)驗(yàn)種間的雜交,鑒定出109個(gè)中國(guó)主栽水稻在主要抽穗期基因位點(diǎn)上的等位基因構(gòu)成,然后利用粳稻品種Asominori和秈稻品種IR24雜交產(chǎn)生的重組近交家系在第2、第3、第6和第8染色體上定位到4個(gè)能夠在5個(gè)年份和多地點(diǎn)都能穩(wěn)定表達(dá)的QTL,根據(jù)這些遺傳信息推斷出:如果把光敏感位點(diǎn)上的等位基因Se-1n替換為等位基因Se-1e就能解決秈粳雜交水稻的晚熟問(wèn)題,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一個(gè)常規(guī)和分子標(biāo)記輔助相結(jié)合的育種策略,并利用這一設(shè)計(jì)育種方案選育出生育期適中的秈粳雜交水稻品種。育性不完全是秈粳雜種優(yōu)勢(shì)利用中面臨的又一重要問(wèn)題。遺傳研究表明雜種不育是由少數(shù)位點(diǎn)上等位基因間的互作引起的,利用適當(dāng)?shù)牡任换蚪M合就能克服秈粳雜種的不育,Chen等設(shè)計(jì)了一個(gè)標(biāo)記輔助回交育種策略,將秈稻品種輪回422S中的光敏雄性不育基因?qū)氲絻?yōu)良粳稻品種珍稻88中。選擇過(guò)程中,利用微衛(wèi)星標(biāo)記RM276、RM455、RM141和RM185分別追蹤輪回422S中的光敏雄性不育基因S5、S8、S7和S9,最終選育出具有光敏雄性不育、同時(shí)表型類似粳稻的育種材料509S?；蛐丸b定表明509S攜帶有92%的粳稻基因組,為秈粳雜種優(yōu)勢(shì)的有效利用提供了重要的遺傳材料。在開(kāi)展作物分子設(shè)計(jì)育種實(shí)踐的同時(shí),分子設(shè)計(jì)育種的內(nèi)涵進(jìn)一步明確,分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系初步建立起來(lái)。概括地講,分子設(shè)計(jì)育種的前提就是發(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(圖1);其次,在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(圖1);最后,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(kāi)展育種工作,培育優(yōu)良品種(圖1)。2分子設(shè)計(jì)和繁殖發(fā)展趨勢(shì)2.1遺傳交配設(shè)計(jì)由于研究目標(biāo)的不同,遺傳群體和育種群體間有很大差異(圖3),遺傳群體一般選擇具有某些優(yōu)良性狀的親本和不具備這些優(yōu)良性狀的少量親本進(jìn)行雜交,群體產(chǎn)生過(guò)程中要盡量排除選擇和遺傳飄變等因素的影響;而育種群體一般選擇同時(shí)具有多種優(yōu)良性狀的大量親本進(jìn)行雜交(即優(yōu)×優(yōu)),期望通過(guò)性狀(基因)互補(bǔ)和超親分離產(chǎn)生更加優(yōu)良的后代,后代材料要經(jīng)歷較強(qiáng)的人工和自然選擇。因此在以往的研究中,遺傳群體適宜于遺傳研究,如QTL定位、基因間互作和基因和環(huán)境互作等,但這些群體的育種價(jià)值有限;而育種群體有較大的實(shí)用價(jià)值,卻難以開(kāi)展遺傳研究(圖3)。這樣,遺傳研究的結(jié)果往往得不到育種家的認(rèn)可、或在育種中發(fā)揮應(yīng)有的作用。因此,有必要研究新的包含多親本的遺傳交配設(shè)計(jì),以期創(chuàng)造出既有育種價(jià)值又適宜于遺傳研究的群體,即圖3中的理想群體。這樣的群體同時(shí)具有遺傳和育種價(jià)值,將更好地實(shí)現(xiàn)遺傳研究和育種實(shí)踐的結(jié)合。國(guó)外已開(kāi)始在這方面做研究,如圖3中的NAM和MAGIC就是近幾年根據(jù)新型遺傳交配設(shè)計(jì)創(chuàng)造出的適宜遺傳研究同時(shí)又具有較高育種價(jià)值的群體。新型遺傳交配設(shè)計(jì)可以創(chuàng)造出既適宜遺傳研究同時(shí)又具有較高育種價(jià)值的群體,但研究這些群體需要新的遺傳分析方法,遺傳分析新方法的研究國(guó)內(nèi)外正處于探索之中。2.2分子標(biāo)記輔助回轉(zhuǎn)選擇利用分子標(biāo)記可以有效追蹤目標(biāo)基因和確定輪回親本的恢復(fù)程度。Hospital等利用BC6群體首次研究了標(biāo)記密度對(duì)輪回親本基因組恢復(fù)度的影響,并指出每100cM有2~3個(gè)標(biāo)記就足以控制輪回親本的遺傳背景。Frisch等研究了不同標(biāo)記輔助回交育種策略下導(dǎo)入供體親本中的一個(gè)和兩個(gè)基因所需要的標(biāo)記數(shù),建議用較小的群體來(lái)產(chǎn)生BC1代,而在隨后的高世代回交中擴(kuò)大群體規(guī)模。Frisch和Melchinger提出了回交育種中如何預(yù)測(cè)選擇響應(yīng),如何選擇育種潛力高的個(gè)體進(jìn)行下一代回交或自交等一般理論。Prigge等研究了隨著回交世代的遞進(jìn)逐步加密分子標(biāo)記對(duì)不同回交策略下所需標(biāo)記數(shù)和輪回親本基因組恢復(fù)率的影響,并提出了輪回親本基因組恢復(fù)率達(dá)到93%~98%所需標(biāo)記最少的最優(yōu)育種策略。輪回選擇是進(jìn)行群體改良的一種重要育種方法,廣泛應(yīng)用于數(shù)量性狀基因的改良,它以遺傳基礎(chǔ)豐富的群體為基礎(chǔ),經(jīng)過(guò)周期性異交和選擇,不斷打破基因間不利連鎖,聚合不同位點(diǎn)上的有利基因。分子標(biāo)記輔助輪回選擇(MARS)是指在雙親產(chǎn)生的F2或加倍單倍體群體中利用表型(既可以是自身表現(xiàn),也可以是測(cè)交后代表現(xiàn))與基因型,通過(guò)QTL作圖選擇顯著性的標(biāo)記,預(yù)測(cè)其效應(yīng),進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇,在接下來(lái)的2~4個(gè)世代中僅利用預(yù)測(cè)的標(biāo)記效應(yīng)來(lái)選擇優(yōu)良單株并隨機(jī)交配開(kāi)展群體改良。一般認(rèn)為,MARS對(duì)于選擇較少基因控制的性狀是有效的,對(duì)于較大基因控制的性狀來(lái)講,特別在使用較小的預(yù)測(cè)群體時(shí),MARS的效率較低,甚至低于表型選擇的效率,降低模型的顯著性閾值和使用較大的預(yù)測(cè)群體可以提高M(jìn)ARS的效率。近兩年來(lái),標(biāo)記輔助輪回選擇有很快被全基因組選擇取代的趨勢(shì)。2.3標(biāo)記的遺傳效應(yīng)效應(yīng)對(duì)全基因組選擇的影響在改良多基因控制的復(fù)雜性狀時(shí),分子標(biāo)記輔助選擇(MAS)和MARS都存在兩方面的缺陷,一是后代群體的選擇建立在QTL定位基礎(chǔ)之上,而基于雙親的QTL定位結(jié)果有時(shí)不具有普遍性,QTL定位研究的結(jié)果不能很好的應(yīng)用于育種研究中去;二是重要農(nóng)藝性狀多由多個(gè)微效基因控制,缺少合適的統(tǒng)計(jì)方法和育種策略將這些數(shù)量基因位點(diǎn)有效應(yīng)用于數(shù)量性狀的改良。Meuwissen等提出了全基因組選擇(genomicselection,GS)這一育種策略,GS是在高密度分子標(biāo)記的情況下,利用遍布全基因組的全部分子標(biāo)記數(shù)據(jù)或單倍型數(shù)據(jù)及起始訓(xùn)練群體中每個(gè)樣本的表型數(shù)據(jù)來(lái)建立預(yù)測(cè)模型,估計(jì)每個(gè)標(biāo)記的遺傳效應(yīng),而在后續(xù)的育種群體中利用每個(gè)標(biāo)記的遺傳效應(yīng)預(yù)測(cè)個(gè)體的全基因組育種值,根據(jù)預(yù)測(cè)的全基因組育種值選擇優(yōu)良后代[55,56,57,58,59,60]。自2001年GS提出以來(lái),人們對(duì)GS與其他選擇方法如表型選擇和MARS的相對(duì)功效、如何利用高密度分子標(biāo)記準(zhǔn)確預(yù)測(cè)個(gè)體或家系的育種值進(jìn)行了大量研究[50,51,54,56,58,59]。相對(duì)于MARS中僅利用少量顯著性標(biāo)記進(jìn)行表型的預(yù)測(cè)和選擇優(yōu)良單株的育種方法,GS的優(yōu)點(diǎn)是利用遍布全基因組的高密度分子標(biāo)記,即使微效QTL也能找到與其處于連鎖不平衡狀態(tài)下的標(biāo)記,將這些能夠解釋幾乎所有遺傳變異的所有標(biāo)記位點(diǎn)都考慮進(jìn)預(yù)測(cè)模型,避免標(biāo)記效應(yīng)的有偏估計(jì),更好地利用大量遺傳效應(yīng)值較小的QTL。模擬研究結(jié)果表明GS的預(yù)測(cè)精確性可以通過(guò)加密標(biāo)記密度來(lái)實(shí)現(xiàn),GS的年平均選擇效率高于MARS和表型選擇,單位遺傳進(jìn)度的花費(fèi)低于MARS和表型選擇,GS的選擇標(biāo)準(zhǔn)是育種值而不是個(gè)體本身的表現(xiàn)型,因此選擇更為準(zhǔn)確。全基因組選擇首先在動(dòng)物育種中提出并得以應(yīng)用,其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)遍布全基因組的高密度分子圖譜尋找?guī)缀跖c所有基因處于連鎖不平衡狀態(tài)下的標(biāo)記,有效地避免一般回歸模型對(duì)標(biāo)記效應(yīng)的有偏估計(jì),更好地利用效應(yīng)較小的QTL。此外,全基因組選擇的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在其加速了育種進(jìn)程,從而提高年度遺傳進(jìn)度,相對(duì)于傳統(tǒng)選擇來(lái)說(shuō),全基因組選擇每一輪選擇的遺傳進(jìn)度并不高,但是在后續(xù)的育種群體中只進(jìn)行基因型鑒定,不進(jìn)行表型鑒定,縮短了每一輪的育種周期,使得年平均遺傳進(jìn)度高于傳統(tǒng)育種,在動(dòng)物育種中已經(jīng)證明全基因組選擇的年平均遺傳進(jìn)度是傳統(tǒng)育種的2倍。目前,表型鑒定仍很昂貴,而基因型的鑒定變得越來(lái)越容易,全基因組選擇的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)了降低單位遺傳進(jìn)度的花費(fèi),因?yàn)樵谡麄€(gè)育種周期中,只有起始訓(xùn)練群體需要同時(shí)進(jìn)行基因型和表型的鑒定,由于后續(xù)的育種群體中只需要測(cè)定基因型,大大減少了表型測(cè)定的樣本量,降低了全育種周期的花費(fèi)。GS在動(dòng)物育種中的應(yīng)用表明,自從將全基因組選擇策略引入到奶牛育種中以后,奶牛育種公司的花費(fèi)就降低了將近90%。植物育種模擬研究也有類似的結(jié)果,全基因組選擇策略的遺傳進(jìn)度高于傳統(tǒng)表型選擇4%~25%,單位遺傳進(jìn)度的花費(fèi)低于傳統(tǒng)育種26%~65%。3利用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)作物育種試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開(kāi)展作物分子設(shè)計(jì)育種以表型組學(xué)、基因組學(xué)和蛋白組學(xué)等若干個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),以生物信息學(xué)為平臺(tái),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(zhǎng)環(huán)境,在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)最佳育種方案,然后開(kāi)展作物育種試驗(yàn)的分子育種方法(圖1)。作物分子設(shè)計(jì)育種是一個(gè)高度綜合的新興研究領(lǐng)域,最終將實(shí)現(xiàn)育種性狀基因信息的規(guī)?；诰?、遺傳材料基因型的高通量化鑒定、親本選配和后代選擇的科學(xué)化實(shí)施、育種目標(biāo)性狀的工程化鑒定,對(duì)未來(lái)作物育種理論和技術(shù)發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。3.1基因組學(xué)和基因組織的數(shù)據(jù)庫(kù)的研究新一代測(cè)序技術(shù)將基因組學(xué)水平的研究帶入了一個(gè)全新時(shí)期,商業(yè)化的平臺(tái)、高通量的數(shù)據(jù)、低廉的價(jià)格以及簡(jiǎn)易的樣品前處理過(guò)程,基因組測(cè)序或重測(cè)序以及基因組水平的數(shù)據(jù)分析研究將成為一項(xiàng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)室工作,為大規(guī)模挖掘育種性狀的基因信息和開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種提供新的契機(jī)。通過(guò)新型基因芯片的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),將顯著降低全基因組范圍內(nèi)的基因型檢測(cè)成本,通過(guò)對(duì)育種材料的全基因組測(cè)序,經(jīng)序列裝配、比對(duì),利用公共參照序列將特定性狀與特定DNA序列結(jié)合起來(lái),通過(guò)功能性分子標(biāo)記和材料特異基因芯片的開(kāi)發(fā),將基礎(chǔ)研究獲得的成果快速應(yīng)用于分子設(shè)計(jì)育種中去。3.2通過(guò)利用表型選擇和利用資源提高育種效率選擇合適的親本配置雜交組合是育種成敗的關(guān)鍵,傳統(tǒng)育種由于缺乏對(duì)育種目標(biāo)性狀遺傳的了解,雜交方案多依據(jù)親本材料的表型性狀來(lái)確定,因此育種實(shí)踐中看似理想的雜交組合往往得不到理想的后代材料。一個(gè)常規(guī)育種項(xiàng)目一般每年要配置數(shù)百甚至上千雜交組合,然而最終只有1%~2%的組合可以選育出符合育種目標(biāo)的品種,大量的組合在不同世代的選擇過(guò)程中被淘汰,傳統(tǒng)育種在很大程度上仍然依賴表型選擇和育種家的經(jīng)驗(yàn),提高育種過(guò)程中的可預(yù)見(jiàn)性和效率是育種家很久以來(lái)的夢(mèng)想。在充分利用各種遺傳信息和親本信息的基礎(chǔ)上,作物分子設(shè)計(jì)育種將實(shí)現(xiàn)對(duì)育種目標(biāo)性狀的基因型選擇,降低常規(guī)育種過(guò)程中環(huán)境誤差對(duì)選擇的干擾。作物分子設(shè)計(jì)育種決策支持系統(tǒng)將在育種家開(kāi)展田間試驗(yàn)之前,利用各種遺傳信息對(duì)雜交組合的表現(xiàn)、后代選擇效果以及整個(gè)育種過(guò)程進(jìn)行模擬,提出最佳的親本選配、雜交和后代選擇策略,實(shí)現(xiàn)親本選配、后代預(yù)測(cè)和選擇的科學(xué)化,提高育種過(guò)程中的可預(yù)見(jiàn)性和效率,實(shí)現(xiàn)育種從目前的“半藝術(shù)半科學(xué)”到“全科學(xué)”的飛躍。3.3遺傳信息的鑒定是有效作物育種的目標(biāo)性狀大多是數(shù)量性狀,受多個(gè)基因控制并易于受環(huán)境影響,準(zhǔn)確的表型鑒定是獲取可靠遺傳信息的基礎(chǔ)。分子設(shè)計(jì)將建立各種重要育種性狀的表型鑒定平臺(tái),在人工氣候和大田等多種環(huán)境條件下大規(guī)模、自動(dòng)化鑒定育種性狀的表現(xiàn),實(shí)現(xiàn)育種目標(biāo)性狀的工程化鑒定。4推動(dòng)傳統(tǒng)育種向高效、定向化發(fā)展作物分子設(shè)計(jì)育種是突破傳統(tǒng)育種瓶頸的有效途徑,實(shí)現(xiàn)分子設(shè)計(jì)育種的目標(biāo),將會(huì)大幅度提高作物育種的理論和技術(shù)水平,帶動(dòng)傳統(tǒng)育種向高效、定向化發(fā)展。但是,我國(guó)還缺少大規(guī)模、高效率的國(guó)家級(jí)分子設(shè)計(jì)育種平臺(tái),充分發(fā)揮分子設(shè)計(jì)育種對(duì)未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻(xiàn),有待在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究和建設(shè)。4.1應(yīng)用模擬和預(yù)測(cè)相結(jié)合的育種工具預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性決定育種工作的成敗,傳統(tǒng)育種中的親本選配原則、后代選擇方法只是大致預(yù)測(cè)后代群體的育種價(jià)值。分子設(shè)計(jì)從多層次水平上研究植物體內(nèi)各成分間的網(wǎng)絡(luò)互作行為和在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)環(huán)境反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)行為,在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上對(duì)植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和對(duì)外界反應(yīng)行為進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè),根據(jù)具體育種目標(biāo)構(gòu)建作物品種藍(lán)圖。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程,亟待研究精確的預(yù)測(cè)方法和模擬工具,然后才能利用發(fā)掘的基因信息、核心種質(zhì)和骨干親本的遺傳信息,結(jié)合不同作物的生物學(xué)特性及不同生態(tài)地區(qū)育種目標(biāo),對(duì)育種過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行模擬優(yōu)化,預(yù)測(cè)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,根據(jù)科學(xué)的預(yù)測(cè)開(kāi)展育種工作。預(yù)測(cè)方法和模擬工具包括利用各種組學(xué)和遺傳學(xué)理論,預(yù)測(cè)基因的功能和基因間的相互關(guān)系、預(yù)測(cè)基因型到表現(xiàn)型途徑;綜合利用自交系系譜、分子標(biāo)記連鎖圖譜和已知基因信息等遺傳數(shù)據(jù),并借助已測(cè)試雜交組合的表現(xiàn)來(lái)預(yù)測(cè)未測(cè)試雜交組合表現(xiàn)的方法,研制雜交種預(yù)測(cè)的育種工具,有效發(fā)掘未測(cè)試雜交組合中的優(yōu)秀組合;利用數(shù)量遺傳和群體遺傳學(xué)理論以及傳統(tǒng)育種中積累的數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)親本的一般配合力和特殊配合力、以及雜種優(yōu)勢(shì)等。4.2基因型的鑒定和遺傳育種作物的生長(zhǎng)離不開(kāi)環(huán)境,環(huán)境定義為影響一個(gè)基因型表現(xiàn)的一組非遺傳因素,這些非遺傳因素可分為非生物因素和生物因素,非生物因素如土壤的物理和化學(xué)特性、氣候因子(如光照,降雨量和溫度)等,生物因素包含害蟲(chóng)、病原體、線蟲(chóng)和雜草等這樣定義的環(huán)境又稱宏環(huán)境。與宏環(huán)境對(duì)應(yīng)的還有微環(huán)境,微環(huán)境定義為單個(gè)植株或小區(qū)的生長(zhǎng)環(huán)境。基因型和環(huán)境互作研究中一般指的是宏環(huán)境微環(huán)境的效應(yīng)一般視為隨機(jī)誤差效應(yīng),宏環(huán)境可以是不同的栽培方式、地點(diǎn)和年份,也可以是不同的栽培方式、地點(diǎn)和年份的組合。作物育種的目標(biāo)性狀大多存在基因和環(huán)境間的互作,表型鑒定是研究基因和環(huán)境間互作的基礎(chǔ),隨著生物技術(shù)的發(fā)展,基因型的鑒定不再是遺傳研究的限制性因素,對(duì)各類育種性狀大規(guī)模、準(zhǔn)確的表型鑒定成為最大挑戰(zhàn)亟待開(kāi)展各種重要農(nóng)作物的表型組學(xué)研究?；蚝铜h(huán)境的互作研究建立在植物生理、遺傳、病理和育種等學(xué)科的基礎(chǔ)之上,互作研究有利于了解基因型到表型的生物機(jī)制和途徑、認(rèn)識(shí)作物對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的規(guī)律、鑒定特定環(huán)境下表達(dá)的新基因、鑒定對(duì)作物生長(zhǎng)和發(fā)育起關(guān)鍵作用的環(huán)境