分子標(biāo)記在水稻遺傳育種中的應(yīng)用探討

覃慶煒 韋肖宇

（廣西兆和種業(yè)有限公司 廣西南寧 530007）

分子標(biāo)記在水稻遺傳育種中的應(yīng)用探討

覃慶煒 韋肖宇

（廣西兆和種業(yè)有限公司 廣西南寧 530007）

探討了分子標(biāo)記技術(shù)在水稻構(gòu)建遺傳圖譜、研究遺傳多樣性、分析鑒定品種資源的親緣關(guān)系、水稻基因的定位、作圖及克隆、比較基因組學(xué)研究、輔助選擇育種、鑒定品種純度、預(yù)測(cè)雜種優(yōu)勢(shì)和早期鑒定目標(biāo)基因等方面應(yīng)用，并對(duì)分子標(biāo)記技術(shù)的應(yīng)用前景予以展望。

水稻；遺傳育種；分子標(biāo)記

1 引言

水稻為禾本科稻亞科的植物，世界上有一半的人口以水稻為主食，它是世界上最重要的糧食作物之一，同時(shí)也是我國(guó)最主要的糧食作物。但是未來(lái)，水稻的培育將面臨著環(huán)境污染、耕地面積縮減和水資源減少等等的挑戰(zhàn)，因此，培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲(chóng)性及抗逆性強(qiáng)的品種成為了水稻育種中的首要問(wèn)題。分子生物學(xué)中遺傳標(biāo)記的出現(xiàn)與應(yīng)用為解決這一問(wèn)題提供了很好的技術(shù)支持。在遺傳學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，先后出現(xiàn)了以下四種遺傳標(biāo)記：形態(tài)標(biāo)記、細(xì)胞標(biāo)記、生理生化標(biāo)記、分子標(biāo)記，其中最為理想的當(dāng)屬分子標(biāo)記。

2 水稻育種現(xiàn)狀

早期的水稻育種是收集地方品種并進(jìn)行單穗（株）或群體選擇，鑒定出良種供生產(chǎn)應(yīng)用，這是最簡(jiǎn)單且有成效的方法。與此同時(shí)，世界水稻育種上發(fā)生過(guò)兩次大革命，分別是20世紀(jì)50年代的矮化育種和20世紀(jì)70年代的雜種優(yōu)勢(shì)的利用，這兩次革命對(duì)于不斷增加的糧食的需求起到了重要的作用，同時(shí)也使水稻的增產(chǎn)進(jìn)入了瓶頸，打破水稻產(chǎn)量瓶頸是目前的主要問(wèn)題。

3 分子標(biāo)記概述

分子標(biāo)記是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的一種新類(lèi)型的遺傳標(biāo)記，是繼形態(tài)標(biāo)記、細(xì)胞標(biāo)記和生化標(biāo)記之后的又一種標(biāo)記手段，從本質(zhì)上是指一種DNA片段，它可以反映生物個(gè)體或種群間基因中的某種差異特征，是生物基因型的易于識(shí)別的表現(xiàn)形式。分子標(biāo)記選擇的原理是運(yùn)用與目的基因緊密連鎖或共分離的分子進(jìn)行標(biāo)記，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目的基因的直接篩選，可以在很大程度上避免環(huán)境條件的影響。分子標(biāo)記相比其他標(biāo)記，具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：①以DNA的形式直接表現(xiàn)，不受材料形式和外部條件的影響，并且數(shù)量極多，可涉及到全部基因組，提供巨大的信息量；②與不良的性狀沒(méi)有必然連鎖，因此不會(huì)影響表達(dá)目的性狀，即所謂的“中性”表現(xiàn)；③多態(tài)性高，自然存在的等位變異就有很多，不需專(zhuān)門(mén)制造特殊材料，共顯性的分子標(biāo)記能為鑒定是否為純合基因型提供完整而準(zhǔn)確的遺傳信息；④遺傳穩(wěn)定，不受外界環(huán)境的影響；⑤縮短育種年限，加速育種進(jìn)程，這些優(yōu)點(diǎn)使得DNA分子標(biāo)記成為理想的遺傳標(biāo)記并迅速發(fā)展。

目前被發(fā)展和利用的分子標(biāo)記技術(shù)多達(dá)20多種，可大致分為以下幾種：基于Southern雜交的分子標(biāo)記（以RFLP標(biāo)記為代表）、基于PCR技術(shù)的分子標(biāo)記（RAPD標(biāo)記、ISSR標(biāo)記、DAF標(biāo)記、AP-PCR標(biāo)記、SSR標(biāo)記、EST-SSR標(biāo)記、MP-PCR標(biāo)記、RAMP標(biāo)記、SCAR標(biāo)記、STS標(biāo)記、RGAP標(biāo)記、SRAP標(biāo)記、REMAP標(biāo)記、IRAP標(biāo)記、RBIP標(biāo)記）、基于PCR技術(shù)和限制性酶切技術(shù)結(jié)合的分子標(biāo)記（AFLP標(biāo)記、SSAP標(biāo)記、SAMPL標(biāo)記）和單核苷酸多態(tài)性標(biāo)記。

4 分子標(biāo)記在水稻遺傳育種中的應(yīng)用

4.1 構(gòu)建遺傳圖譜

通過(guò)對(duì)遺傳重組交換結(jié)果進(jìn)行連鎖分析，得到的基因在染色體上相對(duì)位置的排列圖稱(chēng)為遺傳圖譜。通過(guò)形態(tài)、生理和生化標(biāo)記構(gòu)建遺傳圖譜是最為傳統(tǒng)和經(jīng)典的方法，但由于圖譜分辨率和飽和度不高等原因造成其應(yīng)用價(jià)值有限，因此將分子標(biāo)記應(yīng)用于構(gòu)建圖譜具有重大的實(shí)用價(jià)值。

水稻第1張RFLP圖譜是由McCouch等于1988年構(gòu)建的。已有數(shù)據(jù)表明，目前，水稻遺傳圖譜上的分子標(biāo)記數(shù)已超過(guò)6000個(gè)，平均間距為75～100kb，這基本覆蓋了水稻基因組的所有區(qū)域。同時(shí)，已有的水稻微衛(wèi)星標(biāo)記連鎖圖上的微衛(wèi)星標(biāo)記已達(dá)2740多個(gè)，而水稻基因組中大約有5700～10000個(gè)微衛(wèi)星。這一圖譜的構(gòu)建對(duì)于基因定位和基因克隆都有很大的價(jià)值，也可從遺傳層面上對(duì)控制數(shù)量性狀的基因位點(diǎn)進(jìn)行深度分析，同時(shí)有利于構(gòu)建完整的物理圖譜。

4.2 遺傳多樣性研究

利用分子標(biāo)記的方法對(duì)物種間的多態(tài)性資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以鑒定農(nóng)作物在基因水平上的種質(zhì)資源，從而分析它們遺傳上的同源性，評(píng)估其多樣性。同時(shí)，對(duì)遺傳多樣性的分析結(jié)果進(jìn)行聚類(lèi)分析可以確定核心種質(zhì)資源。另外，水稻的分類(lèi)、地理分布、生態(tài)類(lèi)型和系譜分析這些問(wèn)題都可以運(yùn)用分子標(biāo)記加以解決。大量研究表明，分子標(biāo)記技術(shù)是檢測(cè)雜交親本遺傳多樣性的有效工具。

4.3 分析鑒定品種資源的親緣關(guān)系

由于作物品種權(quán)、種子簽證及保護(hù)專(zhuān)利種質(zhì)等方面的要求，需要可靠的技術(shù)作為區(qū)分作物品種和鑒定品種純度的方法。傳統(tǒng)的方法是利用形態(tài)特征來(lái)描述基因型，是從表型到形態(tài)學(xué)的研究，這種方法存在諸多弊端：勞動(dòng)強(qiáng)度大、主觀性強(qiáng)，并且受環(huán)境條件的影響大，在這一研究背景下，急需建立快速準(zhǔn)確的鑒定方法。

目前，水稻品種鑒定已不再是停留在形態(tài)學(xué)層面，而是發(fā)展到了分子水平的分子標(biāo)記技術(shù)，可用于鑒定特定的基因或基因組合、個(gè)體或群體親緣關(guān)系，分清遺傳結(jié)構(gòu)以及鑒別個(gè)體、群體和種的變異程度，與傳統(tǒng)方法相比，分子標(biāo)記的技術(shù)客觀、準(zhǔn)確而快速。

4.4 水稻基因的定位、作圖及克隆

基因定位就是確定基因在染色體上的位置及與之相連鎖的標(biāo)記。目前，由分子標(biāo)記所定位的控制水稻重要性狀的基因已超過(guò)100個(gè)，其中定位最多的基因的功能是跟抗病蟲(chóng)有關(guān)的，而在這些基因中又以抗稻瘟病、白葉枯病為多，利用這些結(jié)果可以在單一品種中同時(shí)整合抗同一或相似疾病的不同基因或者是抗不同疾病的多種基因，增強(qiáng)作物的抗病性。除此之外，已定位的主要基因還包括恢復(fù)基因、高稈隱性基因、顯性核不育基因和光敏雄性核不育基因等。

基因克隆可以為作物遺傳改良和了解植物生長(zhǎng)發(fā)育的分子生物學(xué)機(jī)理提供重要的理論支持，近年來(lái)，除分子標(biāo)記外，常用的克隆方法還有以下幾種：圖位克隆技術(shù)、T-DNA標(biāo)簽法、同源序列法和差顯技術(shù)等。隨著分子生物學(xué)時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的DNA標(biāo)記被應(yīng)用于相關(guān)研究，同時(shí)將會(huì)有更多的基因被定位克隆。

4.5 比較基因組學(xué)方面的研究

比較基因組學(xué)是利用相同的DNA分子標(biāo)記在相關(guān)物種之間進(jìn)行的遺傳或物理作圖，使遺傳學(xué)突破了物種的限制，能夠進(jìn)行物種之間的對(duì)比和進(jìn)化分析。例如：對(duì)水稻、小麥等6種禾本科植物進(jìn)行分子標(biāo)記的研究結(jié)果表明，水稻的基因組最小，但它在進(jìn)化總處于中樞的地位，并且把這一科6種植物的基因組的全部保守序列歸結(jié)到了水稻基因組的連鎖區(qū)段上，通過(guò)這些過(guò)程可重建這6種禾谷類(lèi)作物的染色體，這將大大減少工作量，節(jié)約成本，提高效率，可建成一個(gè)禾谷類(lèi)祖先種的基本骨架。

4.6 輔助選擇育種

常規(guī)植物育種時(shí)，育種者需從一個(gè)分離群體中選擇理想單株，這一過(guò)程受分離群體大小、環(huán)境影響、生育期等多種因素的制約，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。1990年，Lande等提出將分子標(biāo)記作為一種工具用作輔助選擇。實(shí)踐表明，在植物育種的早期世代和苗期利用分子標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行輔助選擇，可以提高選擇的準(zhǔn)確率和育種效率，同時(shí)可以把多個(gè)基因聚合到一個(gè)品種中，能夠極大地縮短育種年限。在多種標(biāo)記中，SSR標(biāo)記由于其共顯性性質(zhì)、多態(tài)性高、廉價(jià)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是輔助選擇育種的理想技術(shù)，應(yīng)用這一技術(shù)已成功輔助選擇了大豆抗胞囊線蟲(chóng)基因和小麥抗大麥黃矮病毒基因，但在水稻育種中主要集中在抗病性基因方面，因此還有很大的研究空間。

4.7 鑒定品種純度

不育系育性不穩(wěn)、串粉（不同品種間）、機(jī)械混雜和人為因素等都會(huì)影響水稻雜種純度，而像通過(guò)形態(tài)和幼苗觀察、石碳酸染色這樣的常規(guī)質(zhì)量檢測(cè)方法速度慢并且可靠性低。同工酶技術(shù)雖然稍有改善但它無(wú)法鑒定出一些品種間的串粉所導(dǎo)致的雜種不純。然而，RAPD技術(shù)可以揭示未知基因組DNA序列之間的豐富多態(tài)性，可以檢測(cè)出單拷貝序列和重復(fù)序列，因此可以更好地反映出基因組的特征。用分子標(biāo)記的方法鑒定品種純度快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便并且成本較低，在幼苗和種子階段就可鑒定出品種純度。

4.8 預(yù)測(cè)雜種優(yōu)勢(shì)和早期鑒定目標(biāo)基因

兩方親本有利于生存斗爭(zhēng)的等位基因的雜合是雜種之所以有優(yōu)勢(shì)的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，傳統(tǒng)選擇理想組配的方法大多效果不理想，且會(huì)浪費(fèi)許多人力、物力和時(shí)間。而分子標(biāo)記（如RFLP）可系統(tǒng)的鑒別出兩個(gè)雜合的親本的染色體區(qū)域，接下來(lái)借助計(jì)算機(jī)相應(yīng)程序分析具有優(yōu)勢(shì)的組合與RFLP位點(diǎn)雜合性之間的關(guān)系，可檢測(cè)出哪些雜合性區(qū)域?qū)τ陔s種優(yōu)勢(shì)是必須的，將這些區(qū)域?qū)胗H本，同時(shí)運(yùn)用分子和熒光標(biāo)記來(lái)追蹤相關(guān)過(guò)程，不斷增加兩個(gè)親本品系間顯性互補(bǔ)，使子代的雜種優(yōu)勢(shì)達(dá)到最強(qiáng)從而達(dá)到目的。

5 展望

分子標(biāo)記由于其多態(tài)性高、重復(fù)性好、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)遺傳研究方法的諸多弊端，從而在構(gòu)建遺傳圖譜、研究遺傳多樣性、分析鑒定品種資源的親緣關(guān)系、水稻基因的定位、作圖及克隆、比較基因組學(xué)研究、輔助選擇育種、鑒定品種純度、預(yù)測(cè)雜種優(yōu)勢(shì)和早期鑒定目標(biāo)基因等方面均有應(yīng)用，被應(yīng)用的同時(shí)其自身快速發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)，將會(huì)有分析速度更快、準(zhǔn)確度更高、成本更低、信息量更大的分子標(biāo)記被開(kāi)發(fā)出來(lái)，得到更廣泛的應(yīng)用和研究。

[1]呂瑞玲，吳小鳳，劉敏超.分子標(biāo)記技術(shù)及在水稻遺傳研究中的應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，04：65～73.

[2]李榮波，陳赟娟，鄧偉，尹正紅.分子標(biāo)記在水稻遺傳育種中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)科技通訊，2011，07：107～110.

[3]郭震華.淺析分子標(biāo)記在水稻遺傳育種中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，17：13～14+36.

S511

A

1004-7344（2016）11-0192-02

2016-3-30

覃慶煒（1978-），男，大專(zhuān)，主要從事水稻遺傳育種工作。