分子標(biāo)記技術(shù)在糯高粱育種中的應(yīng)用

趙文博+柳青山+張一中+范昕琦+周福平+張曉娟+梁篤+郭琦+閆鳳霞

摘 要：分子標(biāo)記技術(shù)在理論和實(shí)踐上的逐步發(fā)展和不斷完善意味著其將被應(yīng)用于多種領(lǐng)域，充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢。經(jīng)過多年的科學(xué)研究和實(shí)踐人們發(fā)現(xiàn)將分子標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用在植物中，可以有效輔助植物的選擇育種，不僅可以減少育種過程的盲目性，而且可以在一定程度上提高有效育種率。該文闡述了分子標(biāo)記輔助選擇育種技術(shù)的特點(diǎn)，介紹了遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建與分子標(biāo)記輔助選擇育種的選擇，最后分析了分子標(biāo)記技術(shù)在糯高粱育種中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：分子標(biāo)記；糯高梁；遺傳連鎖圖譜；選擇育種

中圖分類號 S514 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）11-0058-03

隨著生物科技的快速發(fā)展，分子標(biāo)記技術(shù)在許多領(lǐng)域取得了新的進(jìn)展，在植物研究中發(fā)揮的重要作用更是引起了廣泛關(guān)注。將分子標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用在植物研究中，用分子標(biāo)記技術(shù)輔助植物選擇育種可以有效地提高有效育種率，從而提高了植物或農(nóng)作物的生產(chǎn)率。為了提高糯高梁的成功育種率，使用分子標(biāo)記技術(shù)來輔助選擇糯高梁的育種過程是研究的重點(diǎn)。

1 分子標(biāo)記輔助選擇育種技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 使性狀基因型鑒定更加簡單 如果等位基因的外在表現(xiàn)不是那么明顯，或者是等位基因?yàn)殡[性等位基因，又或者是等位基因與其他基因或者環(huán)境之間存在一定的相互作用，這些因素都會給基因型的鑒定帶來或多或少的困難。對于多基因控制的性狀來說，這些因素會給基因型的鑒定帶來了更大的困難，因?yàn)槎嗷蚩刂频男誀畹幕蛐筒煌⒉坏韧诒憩F(xiàn)型不同，環(huán)境的變異有可能會使不同的基因型表現(xiàn)為部分甚至全部相同的表現(xiàn)型。另外，有一些表現(xiàn)型在初期或者在一般的條件下是不能表現(xiàn)出來的，例如抗病蟲性必須要在病蟲的環(huán)境下才能表現(xiàn)出來，抗旱性必須要在控制水分匱乏的條件下才能表現(xiàn)出來，耐鹽性要在界定鹽性的控制條件下才能表現(xiàn)出來，抗倒伏也必須在有一定控制的容易造成倒伏的環(huán)境中才能表現(xiàn)出來，這些因素導(dǎo)致了基因型鑒定的不便。在育種材料不足，不能夠進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重復(fù)鑒定的情況下，更容易造成鑒定的困難。利用分子標(biāo)記技術(shù)，可以降低以上因素帶來的困難，使性狀基因型鑒定更加簡單。

1.2 使性狀表現(xiàn)型鑒定更加簡單 表現(xiàn)型的鑒定一直不是一件容易的事，有些表現(xiàn)型是直接可以看到的，如顏色、形狀等，但有一些表現(xiàn)型在初期或者在一般的條件下是不能表現(xiàn)出來的，這種表現(xiàn)型的鑒定是相當(dāng)麻煩的。例如抗病蟲性必須要在病蟲的環(huán)境下才能表現(xiàn)出來，耐鹽性要在界定鹽性的控制條件下才能表現(xiàn)出來，抗旱性必須要在控制水分匱乏的條件下才能表現(xiàn)出來，抗倒伏也必須在有一定控制的容易造成倒伏的環(huán)境中才能表現(xiàn)出來，鑒定這些表現(xiàn)型不僅費(fèi)時間費(fèi)精力，而且由于要在一定條件的控制下進(jìn)行鑒定，而人為的控制又受很多不確定因素的影響，種種這些又導(dǎo)致鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性受到很大的質(zhì)疑。采用分子標(biāo)記技術(shù)由于可以降低鑒定性狀表現(xiàn)型的難度，使性狀表現(xiàn)型的鑒定更加簡單而具有很重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1.3 能夠在早期進(jìn)行選擇 在傳統(tǒng)的育種過程中，往往希望能夠在早期選擇優(yōu)秀的植株進(jìn)行回交從而獲得具有優(yōu)良性狀的作物，想法是很好的，但在現(xiàn)實(shí)中確實(shí)有一些不可抗因素導(dǎo)致在早期進(jìn)行選擇成為難事。因?yàn)橛泻芏嘧魑锏男誀钤谠缙谑菬o法表現(xiàn)出來的，這也就導(dǎo)致對這種作物使用傳統(tǒng)的育種方法是困難的，因?yàn)闊o法在早期看到表型優(yōu)異的植株，也就無法進(jìn)行選擇，進(jìn)而導(dǎo)致無法進(jìn)行想象中的育種改良的過程。而分子標(biāo)記技術(shù)正可以改變這一缺點(diǎn)，與傳統(tǒng)的育種不能在播種后數(shù)月甚至數(shù)年進(jìn)行選擇的特點(diǎn)不同，該技術(shù)可以做到在播種后的短時間內(nèi)進(jìn)行檢測和選擇。分子標(biāo)記技術(shù)被希望運(yùn)用在輔助選擇育種過程中，不僅可以節(jié)約時間、節(jié)省人力、物力和財力，而且可以提高有效育種率，改良育種成效。

1.4 擴(kuò)大和加強(qiáng)了選擇范圍 傳統(tǒng)的育種在進(jìn)行檢測和選擇時，范圍狹小，對象單一，這樣不利于新的發(fā)現(xiàn)和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。而使用分子標(biāo)記技術(shù)，可以在早期在更大的范圍內(nèi)，對更多的對象進(jìn)行檢測和選擇，以有利于新的發(fā)現(xiàn)和提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.5 能夠進(jìn)行非破壞性性狀評價和選擇 傳統(tǒng)的育種過程中，為了看到一些性狀的表現(xiàn)，需要人為地設(shè)置一定的條件，使植株在設(shè)置的固定條件下進(jìn)行反應(yīng)和表現(xiàn)，但這有可能會影響植株的正常生長、正常性狀的表現(xiàn)和成熟過程，使種子收獲困難、種子產(chǎn)量少甚至不能得到種子，帶來破壞性的后果。這不是人們希望看到的。使用分子標(biāo)記技術(shù)，用該技術(shù)輔助選擇育種，不僅可以在早期選擇，而且只需取植株的小部分進(jìn)行檢測和選擇，不會影響植株的正常生長，不會給植株帶來危害。

1.6 能夠提高回交育種效率 在傳統(tǒng)育種中，為了得到表現(xiàn)優(yōu)良的植株，經(jīng)常采用回交的方法，通過多代回交可以成功地把想要的目的等位基因進(jìn)行轉(zhuǎn)移，但是回交方法的效率過低，在多代回交之后依然有一部分比例的不想要的基因存在在個體中，相對來說，這種傳統(tǒng)的回交方法耗時耗力，育種效率較低。使用分子標(biāo)記技術(shù)，用其輔助選擇育種，可以成功選擇出含有重組染色體的個體，這樣就可以減少個體中不需要的基因片段，進(jìn)而可以大大提高育種的效率。另外，對隱性性狀可以進(jìn)行不間斷的回交，從而提高基因的回交轉(zhuǎn)移速度。

正如上面提到的，使用分子標(biāo)記技術(shù)，用其輔助選擇育種，擴(kuò)大和加強(qiáng)了選擇范圍，也就意味著要對育種群體做大規(guī)模的檢測，這不是一個簡單輕松的任務(wù)，為了保證效率要求該檢測方法要足夠簡單和快速。另外，分子標(biāo)記輔助選擇還受到建立標(biāo)記和數(shù)量性狀位點(diǎn)的精確性、高昂的成本與影響指數(shù)選擇法的四個因素的影響。

2 遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建與分子標(biāo)記輔助選擇育種的選擇

分子標(biāo)記輔助選擇育種是一種將分子標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用在植物研究，輔助選擇育種的植物選擇育種方法。這種方法的基本原理是在目標(biāo)區(qū)域，利用與目標(biāo)基因緊密連鎖的分子標(biāo)記對篩選已選擇的個體，直接結(jié)果是判別目標(biāo)基因的存在性并對目標(biāo)基因進(jìn)行間接選擇，最終結(jié)果是減少個體中不需要的基因片段，改良育種的進(jìn)程，進(jìn)而可以大大提高育種的效率，是通過分析目標(biāo)基因緊密連鎖的分子標(biāo)記的基因型來判別的。由于育種程序會因?yàn)橛N目的和育種材料的不同而存在差異，所以用分子標(biāo)記技術(shù)來輔助選擇育種的方法也有很大的不同。然而，無論何種方法，都必須構(gòu)建完整的分子標(biāo)記連鎖圖譜，即遺傳連鎖圖譜。關(guān)于遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建和分子標(biāo)記輔助選擇育種方法的選擇要點(diǎn)如下：

2.1 遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建 飽和的連鎖圖是遺傳研究的重要工具，它可以廣泛使用在諸如定位數(shù)量性狀、克隆基因以及等多種遺傳研究中，是許多遺傳學(xué)家和科研人員重點(diǎn)研究的對象之一。遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建過程是通過估算位點(diǎn)之間的重組率來估測不同分子標(biāo)記在染色體上的相對位置或者線性排列的過程。該過程包括選用合適的分子標(biāo)記、選擇用于建立作圖群體的親本組合、建立作圖分離群體、測定作圖并連鎖分析標(biāo)記基因型數(shù)據(jù)、構(gòu)建標(biāo)記連鎖圖這五個步驟，在遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建過程中也應(yīng)該注意親本的選配、選擇合適的分離群體類型、確定合適大小的群體、數(shù)據(jù)收集、單位點(diǎn)分離分析、檢測位點(diǎn)間的連鎖、重組頻率和圖距的估測和組建連鎖群這8個方面。

2.2 分子標(biāo)記輔助選擇育種方法的選擇

2.2.1 系譜法育種中的分子標(biāo)記輔助選擇育種 使用系譜法且當(dāng)目標(biāo)性狀為質(zhì)量性狀時，對優(yōu)良性狀的選擇應(yīng)該從F2代開始，選擇效果的優(yōu)劣受分子標(biāo)記與目標(biāo)基因的重組頻率以及它們兩者之間的連鎖關(guān)系的影響。選擇的可靠性和分子標(biāo)記與目標(biāo)基因的距離成正相關(guān)。選擇效率的提高也受兩個分子標(biāo)記對性狀的選擇過程的影響。一旦選擇了目標(biāo)基因，不論其顯隱性如何，在接下來的世代中目標(biāo)性狀就不會再分離。對基因中除了目標(biāo)基因之外的其他部分的選擇，就稱為背景選擇，它的覆蓋范圍較廣，涉及到了整個基因組。

2.2.2 回交育種分子標(biāo)記輔助選擇育種 回交育種方法是一種較為傳統(tǒng)的育種方法，這種方法要求在早期對含有目標(biāo)基因的植株進(jìn)行篩分，由于在早期便進(jìn)行了選擇，所以可以通過觀測目標(biāo)性狀來確定后代是否含有目標(biāo)基因而不需要通過反復(fù)測交來確定目標(biāo)基因的存在性。這種方法大大減少了工作量，省時省力，改良了育種進(jìn)程，改進(jìn)了育種效果，提高了育種成功率。

2.2.3 全基因組選擇 分子標(biāo)記輔助選擇育種方法除了有上述的系譜法和回交法，還有全基因組選擇方法，顧名思義，全基因組選擇方法要求分子標(biāo)記要覆蓋整個基因組，可想而知，這種方法代價高，費(fèi)時費(fèi)力，但也保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性，可以在整個全面的范圍內(nèi)選出沒有爭議的、具有最佳的基因組合的單個植株。

3 分子標(biāo)記技術(shù)在糯高粱育種中的應(yīng)用

3.1 抗病基因的分子標(biāo)記輔助選擇育種 糯高梁的發(fā)病條件受多種外在和內(nèi)在因素的影響，將分子標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用在抗病基因中具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。人工接種抗性基因鑒定存在的種種局限，使科研專家意識到用分子標(biāo)記技術(shù)來輔助抗病基因是可以一試的。用分子標(biāo)記技術(shù)來輔助抗病基因的方法，不僅可以克服人工接種抗性基因鑒定的局限，而且可以在育種的早期進(jìn)行選擇，使得抗病育種的效率有所提高。用于基因定位的分子標(biāo)記有很多種，如RELP、RAPD和AFLP等，不同的分子標(biāo)記會根據(jù)其特點(diǎn)應(yīng)用不同的領(lǐng)域。

3.2 抗蟲基因的分子標(biāo)記輔助選擇育種 擴(kuò)增片段經(jīng)Taq DNA聚合酶I切后，純合體產(chǎn)生750bp和160bp兩條帶，Nair曾篩選糯高梁癭蚊病抗蟲基因Gm2的兩個RAPD標(biāo)記F81700和F10600，并利用多重PCR在病感材料中擴(kuò)出1.71kb片段，這個結(jié)果得到了驗(yàn)證。

3.3 分子標(biāo)記輔助選擇育種與抗性基因累積 通過分子標(biāo)記輔助選擇育種漸滲進(jìn)優(yōu)良的推廣品種”揚(yáng)麥158”中，獲得了含有Pm2+Pm4a、Pm2+Pm21、Pm4a+Pm21的”揚(yáng)麥158”近等基因系以及含有Pm8+Pm21的種質(zhì)，這表明抗性基因的聚合提高了作物的抗性。

參考文獻(xiàn)

[1]方宣鈞，吳為人，唐紀(jì)良.作物DNA標(biāo)記輔助育種[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

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（責(zé)編：張宏民）