SNP在動(dòng)植物遺傳育種中的研究解決方案

發(fā)稿時(shí)間：2016-05-12來(lái)源：天昊生物

      SNP是指在基因組上單個(gè)核苷酸的變異，SNP最重要的特點(diǎn)是數(shù)量很多，分布廣泛，此外它還具有雜合率低、遺傳穩(wěn)定性好，便于高通量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分析等特點(diǎn)，因此SNP標(biāo)記可作為目標(biāo)性狀相關(guān)位點(diǎn)定位（遺傳圖譜，QTL定位，GWAS）、分子育種 （基因組選擇育種，分子標(biāo)記輔助育種）、群體進(jìn)化（選擇信號(hào)分析）等研究的工具。  

1. 1.    目標(biāo)性狀相關(guān)位點(diǎn)定位---QTL定位

       QTL，又稱(chēng)數(shù)量性狀座位，一個(gè)QTL指在基因組中占據(jù)一定染色體區(qū)域，控制同一性狀的一組微效多基因的集合或單個(gè)基因。但是目前的研究中大部分將QTL理解為單個(gè)基因（或主效基因）。 QTL的實(shí)質(zhì)是通過(guò)分析整個(gè)染色體組的遺傳標(biāo)記和數(shù)量性狀表型值的關(guān)系，將一個(gè)或多個(gè)QTL定位到位于同一染色體的遺傳標(biāo)記旁。目前，基于全基因組重測(cè)序的混池測(cè)序方法可以對(duì)質(zhì)量性狀單基因和數(shù)量性狀主效基因進(jìn)行快速定位。

QTL定位的傳統(tǒng)研究路線
基于高通量測(cè)序的QTL定位研究路線  

1. 2.    目標(biāo)性狀相關(guān)位點(diǎn)定位---候選基因或位點(diǎn)關(guān)聯(lián)分析

       關(guān)聯(lián)分析，亦稱(chēng)作連鎖不平衡作圖，這種方法主要基于兩個(gè)位點(diǎn)間等位基因的非隨機(jī)共分離現(xiàn)象，利用群體內(nèi)的原始重組和自然變異來(lái)研究數(shù)量性狀。與基于兩個(gè)親本雜交形成的作圖群體的QTL定位相比，關(guān)聯(lián)分析側(cè)重于研究個(gè)體之間彼此并無(wú)關(guān)系的自然群體，因此比連鎖分析具有更高的作圖精度，可以直接找到目標(biāo)基因變異，因而被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜數(shù)量性狀的遺傳分析。關(guān)聯(lián)分析可以分為全基因組關(guān)聯(lián)分析和候選基因或位點(diǎn)關(guān)聯(lián)分析，其中候選基因或位點(diǎn)關(guān)聯(lián)分析是對(duì)性狀相關(guān)調(diào)節(jié)通路關(guān)鍵酶基因或位點(diǎn)進(jìn)行分子標(biāo)記的關(guān)聯(lián)分析研究。通過(guò)關(guān)聯(lián)分析發(fā)掘的功能型分子標(biāo)記可應(yīng)用于分子遺傳育種中的分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）。

候選基因或位點(diǎn)關(guān)聯(lián)分析的研究路線

1. 3.    目標(biāo)性狀相關(guān)位點(diǎn)定位---全基因組關(guān)聯(lián)分析

       全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）是對(duì)遺傳多樣性豐富的自然群體的每個(gè)個(gè)體進(jìn)行全基因組重測(cè)序或者全基因芯片掃描，結(jié)合表型數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)模型進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，從而獲得目標(biāo)性狀關(guān)聯(lián)位點(diǎn)或者候選基因。目前GWAS已經(jīng)成為動(dòng)植物多個(gè)復(fù)雜性狀同時(shí)進(jìn)行精細(xì)定位的有力工具，在全基因組范圍內(nèi)篩選有可能會(huì)與農(nóng)藝性狀（株高、分蘗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等）和經(jīng)濟(jì)性狀（肉質(zhì)、產(chǎn)奶量、產(chǎn)蛋量、產(chǎn)肉量等）相關(guān)的變異位點(diǎn)，能夠?yàn)橄乱徊交虻墓δ苎芯?、?biāo)記輔助選擇等工作提供分子理論依，同時(shí)為進(jìn)一步培育優(yōu)質(zhì)的品系積累分子資料。

GWAS定位的研究路線

1. 4.    分子育種—分子標(biāo)記輔助

       傳統(tǒng)育種首先是通過(guò)各種途徑創(chuàng)造遺傳變異，然后從分離群體的后代中進(jìn)行優(yōu)化選擇和評(píng)價(jià)。因此傳統(tǒng)育種選擇是建立在植株的表型基礎(chǔ)上，這就要求育種工作者必須有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。分子標(biāo)記輔助選擇（MAS) 不直接利用性狀本身信息，而是利用分子標(biāo)記與決定目標(biāo)性狀基因緊密連鎖的特點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)分子標(biāo)記，即可檢測(cè)到目的基因的存在，達(dá)到選擇目標(biāo)性狀的目的，具有快速、準(zhǔn)確、不受環(huán)境影響的優(yōu)點(diǎn)，從而加快育種速度，節(jié)省田間試驗(yàn)開(kāi)支，對(duì)于低遺傳力性狀和難以測(cè)量的性狀具有更大的優(yōu)勢(shì)。可應(yīng)用于目標(biāo)性狀的分子標(biāo)記輔助選擇和分子標(biāo)記輔助回交。

1. 1.    目標(biāo)性狀的分子標(biāo)記輔助選擇

       利用與目標(biāo)性狀緊密連鎖的SNP標(biāo)記對(duì)育種后代的分離群體進(jìn)行選擇，例如一個(gè)分子標(biāo)記的等位基因X與小麥白葉枯病抗病性緊密連鎖，等位基因Y與感病性連鎖，如果育種后代個(gè)體檢測(cè)到等位基因X，則這個(gè)個(gè)體可能對(duì)小麥白葉枯病產(chǎn)生抗病性。

1. 2.    分子標(biāo)記輔助回交

       標(biāo)記輔助回交又稱(chēng)標(biāo)記輔助導(dǎo)入，即將與目標(biāo)性狀相關(guān)聯(lián)的基因從供體材料導(dǎo)入到受體育種材料最有效的技術(shù)路徑，適用于自交系或品種的性狀改良； 不但可以對(duì)導(dǎo)入片段進(jìn)行選擇，又可加速輪回親本基因組的恢復(fù)即背景選擇，即依靠標(biāo)記對(duì)后代個(gè)體進(jìn)行全基因組選擇，加速育種進(jìn)程，提高選擇效率。

分子標(biāo)記輔助的研究路線

1. 5.    分子育種—基因組選擇

       分子標(biāo)記輔助只關(guān)注主效基因帶來(lái)的變異，而小效應(yīng)累加起來(lái)所帶來(lái)的變異卻被忽視了，為了捕獲構(gòu)成表型的所有遺傳變異，需要在基因組水平上檢測(cè)影響目標(biāo)性狀的所有QTL 并對(duì)其加以利用，這就是全基因組選擇（GS）?；蚪M選擇是利用具有表型和基因型的個(gè)體來(lái)預(yù)測(cè)只具有基因型不具有表型值動(dòng)物的基因組育種值（GEBV），育種值高，該個(gè)體所含的優(yōu)良基因可遺傳的物質(zhì)就多，產(chǎn)生優(yōu)良后代的可能性越高?；蚪M選擇優(yōu)勢(shì)是它能夠在得到動(dòng)物剛出生時(shí)即對(duì)其進(jìn)行育種值評(píng)估，因此利用基因組選擇可以縮短世代間隔，從而加快遺傳進(jìn)展并且降低經(jīng)濟(jì)投入。
全基因組選擇主要利用的是連鎖不平衡信息，即假設(shè)每個(gè)標(biāo)記與其相鄰的QTL 處于連鎖不平衡狀態(tài)，因而利用標(biāo)記估計(jì)的染色體片段效應(yīng)在不同世代中是相同的。由此可見(jiàn)，標(biāo)記的密度必須足夠高，以確保控制目標(biāo)性狀的所有的QTL 與標(biāo)記處于連鎖不平衡狀態(tài)。 另外遺傳力高低，表型記錄個(gè)體數(shù) ，參考群體與候選群體間的關(guān)系 以及參考群體內(nèi)的親緣關(guān)系都會(huì)影響基因組選擇的準(zhǔn)確度。

基因組選擇的研究路線  

1. 6.    群體進(jìn)化—選擇信號(hào)分析

       選擇即是在世代的傳遞過(guò)程中，因?yàn)樽匀贿x擇，人工馴化等因素會(huì)使某種基因型個(gè)體的比例發(fā)生變化的群體遺傳學(xué)現(xiàn)象。在選擇的作用下，群體有利等位基因頻率則會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)較高的值，同時(shí)選擇作用下的連鎖不平衡會(huì)造成選擇位點(diǎn)附近的中性位點(diǎn)的基因頻率隨之增加形成長(zhǎng)范圍的單倍型純合，群體遺傳學(xué)中，將這種由選擇作用造成的部分染色體片段的多態(tài)性降低稱(chēng)為選擇性?huà)叱?，與選擇相對(duì)應(yīng)的基因組信息被稱(chēng)為“選擇信號(hào)”，選擇性?huà)叱沁x擇在基因組上留下的明顯特征，一般表現(xiàn)為基因的純合以及某些位點(diǎn)或 DNA 片段多態(tài)的降低。研究人工選擇不僅能夠探究影響品種多樣性的潛在遺傳機(jī)制，而且還能精細(xì)定位部分受到選擇且與質(zhì)量性狀相關(guān)的功能基因或者與重要經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的主效基因，這是因?yàn)檫x擇信號(hào)潛在區(qū)域多與性狀相關(guān)的重要候選基因重疊，因此基因組選擇信號(hào)的檢測(cè)對(duì)研究物種馴化過(guò)程和開(kāi)展育種規(guī)劃具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

選擇信號(hào)分析的研究路線  

1. 7.    品種資源鑒定—DNA條形碼鑒定

       DNA 條形碼技術(shù)(DNA barcoding)是利用有足夠變異的、 易擴(kuò)增且相對(duì)較短的 DNA 片段自身在物種種內(nèi)的特異性和種間的多樣性而創(chuàng)建的一種新的生物身份識(shí)別系統(tǒng)，它可以不受形態(tài)特征和生物個(gè)體發(fā)育時(shí)期的限制，能夠?qū)ξ锓N進(jìn)行快速的鑒定，DNA 條形碼在物種鑒定與分類(lèi)、種群遺傳、快速查驗(yàn)有害生物及入侵種、發(fā)現(xiàn)新物種和保護(hù)生物多樣性、瀕危物種保護(hù)等研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在動(dòng)物中COI基因常被用作DNA條形碼，在植物中3個(gè)質(zhì)體基因 (rbcL, matK和 trnH-psbA) 以及核糖體基因 (ITS) 常被用作DNA條形碼，但是一般會(huì)根據(jù)所研究的物種選擇最合適的DNA條形碼組合，因?yàn)檫@些常用的DNA條形碼也有PCR擴(kuò)增率低，引物通用性差等問(wèn)題。

DNA條形碼鑒定的研究路線
   
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