小麥分子標(biāo)記輔助育種研究進(jìn)展

于慶祥，雷小利，張 靜，馬海財(cái)

（寧夏回族自治區(qū)固原市種子工作站，寧夏 固原 756000）

小麥?zhǔn)鞘澜缟霞s35%人口的主糧，隨著人口的不斷增長(zhǎng)，未來我們將面臨著小麥產(chǎn)量不能滿足人口增長(zhǎng)需求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［1］。按照目前人口的增速，在未來幾十年糧食產(chǎn)量需要翻番［2］，但近10年小麥產(chǎn)量未能持續(xù)增長(zhǎng)，僅是適度增長(zhǎng)，引起了全世界小麥領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注［3］。盡管社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和基礎(chǔ)設(shè)施缺乏在很大程度上阻礙了小麥產(chǎn)量和品質(zhì)上的提高，但最主要的瓶頸是沒有進(jìn)一步利用遺傳改良突破傳統(tǒng)的育種模式，這在很大程度上是由于缺乏最復(fù)雜性狀的遺傳結(jié)構(gòu)知識(shí)、在一個(gè)簡(jiǎn)單的育種計(jì)劃中對(duì)某些性狀中一些復(fù)雜的數(shù)量性狀沒有能力進(jìn)行有效選擇所致。因此，小麥育種家正在尋求可選擇的技術(shù)來補(bǔ)充傳統(tǒng)的小麥育種所面臨困難。近年來，作為這些技術(shù)中的分子標(biāo)記輔助選擇，已經(jīng)在世界上許多國(guó)家作為小麥常規(guī)育種的補(bǔ)充被越來越多的育種家采用［3］，一些被開發(fā)的且與控制主要經(jīng)濟(jì)性狀的數(shù)量性狀位點(diǎn)（Quantitative trait locus，QTL）相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記，已經(jīng)被應(yīng)用到分子標(biāo)記輔助選擇中（表1），并已取得良好的效果［4］。分子標(biāo)記輔助育種初期大多數(shù)被用到一些單基因的難以評(píng)價(jià)的性狀中，而隨著技術(shù)不斷的發(fā)展和成熟，育種家開始把分子標(biāo)記輪回選擇和全基因組選擇等用到更適合復(fù)雜的數(shù)量性狀，例如控制產(chǎn)量、分蘗等多基因的數(shù)量性狀［5］。我們主要闡述了小麥分子標(biāo)記輔助選擇育種技術(shù)以及該技術(shù)當(dāng)前利用的現(xiàn)狀和局限性。

1 分子標(biāo)記輔助育種的誕生

分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)最早由Sax于1923年提出［6］。小麥分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)是指在小麥上利用與目標(biāo)性狀緊密連鎖的分子標(biāo)記對(duì)目標(biāo)性狀加以間接的選擇，在選育的早代就能夠?qū)δ繕?biāo)基因進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定的選擇，并且能夠克服一些隱性基因再度利用時(shí)識(shí)別的困難，從而加快小麥育種的進(jìn)程，提高育種的效率，選育出抗病、優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)的新品種或新品系。與形態(tài)標(biāo)記、細(xì)胞標(biāo)記、生化標(biāo)記育種相比較，分子標(biāo)記輔助育種的優(yōu)點(diǎn)一是在植物體的多個(gè)組織及生育階段均可檢測(cè)到，不受時(shí)空限制，數(shù)量多，遍及整個(gè)基因組。有許多標(biāo)記表現(xiàn)為共顯性，能夠鑒別基因型純合與否，提供完整的基因型。二是在標(biāo)記小麥抗病害基因方面，分子標(biāo)記可以在更深層次上揭示小麥抗病遺傳機(jī)制。通過找到與抗病基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，不但能在遺傳背景不同的育種材料中特異性的檢測(cè)目的基因，而且可以在任何一個(gè)生育階段同時(shí)對(duì)多個(gè)抗性基因進(jìn)行篩選，這為了解抗源和抗病品種中所含有的抗性基因提供了更為迅速、穩(wěn)定和可靠的方法。三是為了提高選擇效率，越來越多的分子標(biāo)記被用到回交育種了，主要在前景選擇（主要跟蹤目標(biāo)基因的等位基因）、背景選擇（回交育種計(jì)劃中主要進(jìn)行輪回親本基因組的選擇）和重組體的篩選（用目標(biāo)基因和發(fā)生在目標(biāo)位點(diǎn)和標(biāo)記兩側(cè)的重組事件來鑒定回交后代，而減少連鎖累贅）層面進(jìn)行選擇。截止目前已開發(fā)和定位的簡(jiǎn)單遺傳性狀位點(diǎn)見表2，定位的基因或QTL進(jìn)行聚合的結(jié)果見表3。

表1 小麥中定位到的與重要性狀相關(guān)聯(lián)的QTLs（引GyanaRanjan Rout，2013）

表2 小麥中用各種分子標(biāo)記定位到的簡(jiǎn)單遺傳性狀位點(diǎn)（引GyanaRanjan Rout，2013）

表2 續(xù)

表3 小麥中通過標(biāo)記輔助聚合的基因和QTL（部分引 GyanaRanjan Rout，2013）

2 分子標(biāo)記輔助技術(shù)在小麥育種中的應(yīng)用

過去的10 a里，利用分子標(biāo)記對(duì)小麥進(jìn)行了遺傳多樣性的調(diào)查，構(gòu)建了小麥分子遺傳圖譜，對(duì)小麥的某些質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀（QTLs）進(jìn)行了定位，同時(shí)利用分子標(biāo)記輔助技術(shù)進(jìn)行了小麥商用品種和品系的選育工作（表4）。雖然DNA標(biāo)記在作物育種中有很多用途，但是育種中最有前景的是標(biāo)記輔助選擇育種。目前利用標(biāo)記輔助選擇育種已經(jīng)取得顯著效果［7］。

表4 利用標(biāo)記輔助回交育種所選育的新品種和新品系（部分引GyanaRanjan Rout，2013）

2.1 國(guó)外應(yīng)用情況

在國(guó)外，小麥分子標(biāo)記輔助育種主要集中在澳大利亞、美國(guó)、加拿大、墨西哥、阿根廷、烏克蘭、法國(guó)、土耳其、俄羅斯和印度等國(guó)家。標(biāo)記輔助小麥育種，無論是在國(guó)家的科研單位和高校，還是在私營(yíng)公司都已經(jīng)產(chǎn)生了積極效果［8］。

1996年，澳大利亞開始了國(guó)家小麥分子標(biāo)記計(jì)劃（NWMMP），2001年與大麥計(jì)劃合并，將其命名為Australian Winter Cereal Molecular Marker Program’（AWCMMP）。這2個(gè)計(jì)劃的重要研發(fā)資金由為了在小麥育種計(jì)劃中開發(fā)和利用分子標(biāo)記的谷類研發(fā)公司（GRDC）提供。該計(jì)劃涉及到小麥20個(gè)不同性狀的改良，包括抗病性、抗非生物脅迫和質(zhì)量性狀等。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織植物工業(yè)部植物工程小麥改良計(jì)劃用MAS來篩選一個(gè)提高蒸騰效率的QTL［9］，在澳大利亞的西部，小麥育種計(jì)劃有約42個(gè)性狀或基因，包括條銹病抗性的范圍已經(jīng)被選擇用到通過MAS進(jìn)行品種的選育和種植資源創(chuàng)新［9］。

在美國(guó)，一個(gè)名叫“將基因組學(xué)引進(jìn)小麥領(lǐng)域”的計(jì)劃于2001年開始，形成了一個(gè)國(guó)家小麥MAS團(tuán)體，類似于澳大利亞的“NWMMP”。該項(xiàng)目延續(xù)了4 a（2001—2005年），后來延伸為在小麥農(nóng)業(yè)合作計(jì)劃下的應(yīng)用小麥基因組學(xué)或叫小麥合作農(nóng)業(yè)計(jì)劃。2個(gè)項(xiàng)目都由美國(guó)農(nóng)業(yè)部提供資金資助，同時(shí)與加利福尼亞州立大學(xué)戴維斯分校的Jorge Dubcovsky教授合作［10］。把基因組引入小麥計(jì)劃的目標(biāo)是用MABS整合27個(gè)不同的病蟲害抗性基因和20個(gè)在面包制作和匹薩餅的品質(zhì)方面有效的等位基因聚合到180個(gè)適應(yīng)美國(guó)小麥原產(chǎn)地的品系中。

在加拿大，發(fā)起了一個(gè)重要計(jì)劃，即整合分子標(biāo)記技術(shù)到他們的常規(guī)小麥育種計(jì)劃中去。在該計(jì)劃的最初階段，分子標(biāo)記與多個(gè)農(nóng)藝性狀相關(guān)的特性，如抗病性、抗蟲性和面包品質(zhì)以及淀粉的特異性和穗發(fā)芽被鑒定。第二個(gè)階段和第一個(gè)階段被鑒定的標(biāo)記被用到轉(zhuǎn)移目標(biāo)性狀到栽培品種中去，被用來通過MAS跟蹤不同基因，包括Fhb1， Fhb2（赤霉病）、Lr34/Yr18（葉銹?。?、Sr30，Sr24/Lr24（根銹?。t10（腥黑穗?。?、GPC-B1（谷類蛋白）含量）、Sm-1（麥黃吸漿蟲）、and Utd1（散黑穗?。＿@項(xiàng)工程的實(shí)施，開發(fā)了2個(gè)品種，即擁有高蛋白質(zhì)含量基因（GPC-B1）的Lillian和攜帶香橙花小麥蚊抗性基因（Sm1）的Goodeve。

在歐洲，多數(shù)小麥育種是在商業(yè)部門進(jìn)行［11］。分子標(biāo)記已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，用大于50個(gè)不同位點(diǎn)的標(biāo)記輔助的計(jì)劃已經(jīng)進(jìn)行多年。其中，俄羅斯在抗病育種方面已取得顯著的效果，例如抗病基因 Lr、Yr、Sr、Rht、Ppd、Vrn和 Vp等的定位和應(yīng)用［12］。法國(guó)、土耳其等國(guó)在小麥分子標(biāo)記輔助育種方面的進(jìn)步也很快［13］。

在印度，基因聚合方面已經(jīng)取得了顯著的效果?；蚓酆鲜侵笇⒁粋€(gè)或多個(gè)性狀的多個(gè)QTL或基因滲入一個(gè)在該性狀上有缺陷的優(yōu)良品系或品種的過程。例如S.Tyagi等將抗條銹病、抗穗發(fā)芽和高粒重等4個(gè)性狀的8個(gè)QTL聚合到一個(gè)新品系PBW343中，并應(yīng)用到新品種選育中［14］。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

我國(guó)利用分子標(biāo)記技術(shù)輔助育種選育了一批新的抗病品系和種質(zhì)，如中國(guó)科學(xué)院遺傳與生物發(fā)育研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心利用分子標(biāo)記輔助選擇選育出了抗條銹病和白粉病的新品系0-123-1-1［15］，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用植物基因組實(shí)驗(yàn)室精細(xì)定位到了抗白粉病基因pm45、抗赤霉病基因Fhb5和一些產(chǎn)量性狀有關(guān)的QTL并已經(jīng)提供給育種者進(jìn)行育種［16-17］；江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物遺傳生理研究所篩選得到2份高抗赤霉病材料，研制出抗赤性超過“蘇麥3號(hào)”的新抗源，育成了70多個(gè)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗赤霉病新品系［18］；張海泉等將粗山羊草［Aegilop s tauschii（Coss.）Schmal］Y189中鑒定出1個(gè)顯性抗小麥白粉病基因，暫定名為PmAeY2，PmAeY2是一個(gè)新的抗白粉病基因，可用于分子標(biāo)記輔助選擇育種［19］；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院將Bdv2、Pm-X轉(zhuǎn)育到“中麥16”、“宛7107”和優(yōu)質(zhì)小麥“中優(yōu)9507”、“鄭州9023”中；西北農(nóng)林科技大學(xué)利用分子標(biāo)記將中國(guó)小麥抗赤霉病基因（Yr5，Yr9，Yr10，Yr15，Yr17，Yr18，Yr26）的抗病效果進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)（Zeng Q.D.et al，2014）；山東農(nóng)業(yè)大學(xué)與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院合作實(shí)現(xiàn)了小麥一粗山羊草雙二倍體抗白粉病基因定位及其遺傳轉(zhuǎn)移［20］。歐巧明等采用優(yōu)化的花粉管通道法將高粱（Sorghum bicolor L.）基因組DNA導(dǎo)入高感條銹病、籽粒粉質(zhì)的穩(wěn)定小麥品系，并借助幼胚培養(yǎng)挽救加代、早代變異篩選等技術(shù)，經(jīng)多代連續(xù)選擇優(yōu)良變異系，獲得2個(gè)穩(wěn)定的優(yōu)良變異新品系［21］。

3 存在的問題

3.1 多態(tài)性或辨別的標(biāo)記

為了增加選擇效果，育種者應(yīng)有與感興趣的基因緊密連鎖的標(biāo)記。所選的標(biāo)記群體有時(shí)候與想要的種植資源不符。認(rèn)識(shí)到的多態(tài)性常常使用價(jià)值小，在大多數(shù)情況下，便利可用的標(biāo)記不適合育種計(jì)劃的篩選。低水平的標(biāo)記多態(tài)性在多數(shù)育種計(jì)劃中是需要解決的問題，因?yàn)榉N植資源常常建立在窄的基因庫上。這種現(xiàn)象在D基因組中尤為重要［4］。

3.2 標(biāo)記輔助選擇育種的成本

雖然最近轉(zhuǎn)向 SNP和DArT（diversity array technology）平臺(tái)將幫助解除成本限制，然而標(biāo)記實(shí)驗(yàn)的成本仍然是一個(gè)焦點(diǎn)。隨著基因組測(cè)序工作的完成，分子標(biāo)記育種的成本將會(huì)有逐漸降低的趨勢(shì)。

3.3 基因組結(jié)構(gòu)

小麥基因組相對(duì)比較復(fù)雜，詳細(xì)的了解小麥基因組中目標(biāo)性狀的遺傳學(xué)機(jī)理對(duì)在育種計(jì)劃中有效應(yīng)用MAS很關(guān)鍵，而且小麥改良中決定很多重要的性狀QTL或基因出現(xiàn)在外源片段上，因此在分離策略中加強(qiáng)這些外源片斷的滲透和重組尤為重要。這就需要一些管理大片段的方法來處理那些在互相排斥中連鎖的性狀。

3.4 標(biāo)記輔助選擇的位點(diǎn)數(shù)量

在育種計(jì)劃中，尋求擴(kuò)大分子標(biāo)記的應(yīng)用時(shí)，處理大量的位點(diǎn)同樣也是一個(gè)問題。當(dāng)用標(biāo)記跟蹤的位點(diǎn)多于60個(gè)時(shí)，在很大程度上增加了育種的復(fù)雜性。當(dāng)保持群體大小在育種資源的范圍內(nèi)，多個(gè)性狀可以被滲入同一個(gè)品系中。處理這種問題的策略需要進(jìn)一步研究和探索，同時(shí)，有些農(nóng)藝性狀，例如產(chǎn)量等性狀由多個(gè)數(shù)量性狀QTL決定［22］，選擇起來比較困難。

4 結(jié)束語

在分子標(biāo)記產(chǎn)生以來，標(biāo)記性狀關(guān)聯(lián)性應(yīng)用方面和標(biāo)記輔助選擇在小麥育種方面都取得了顯著的成就，而且，在標(biāo)記輔助選擇的幫助下，大量的新品系和種質(zhì)被選育，這些種質(zhì)或品系被全世界的育種家利用。然而通過標(biāo)記輔助選擇改良的大多數(shù)性狀是簡(jiǎn)單的性狀，包括病蟲害抗性和質(zhì)量性狀等，而利用分子標(biāo)記輔助選擇育種技術(shù)改良多基因的數(shù)量性狀剛剛開始。這些性狀將是未來育種者利用MAS要去努力的聚焦。小麥育種未來成功的一個(gè)關(guān)鍵組成是在于通過應(yīng)用分子技術(shù)所進(jìn)行的策略和創(chuàng)新。因此，育種者需要直接精細(xì)定位目標(biāo)基因和用來分析重要的種植資源。在育種策略上，利用分子標(biāo)記創(chuàng)新將在未來分子標(biāo)記育種中成為關(guān)鍵的動(dòng)力。小麥復(fù)雜的基因組結(jié)構(gòu)、外源的種植資源和染色體片斷在改良中的應(yīng)用，是目前面臨著特殊的挑戰(zhàn)。然而，隨著小麥基因組測(cè)序工作的完成，分子育種成本逐漸降低，分子育種水平將得到快速發(fā)展。

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