第九章 分子标记辅助育种

第28课时 遗传标记及分子标记

    

   序

      分子标记辅助育种

 是利用分子标记与决定目标性状基因紧密连锁的特点，通过检测分子标记，即可检测到目的基因的存在，达到选择目标性状的目的，具有快速、准确、不受环境条件干扰的优点。分子标记辅助育种缩短了育种年限，加快了育种进程，提高了育种效率，克服了很多常规育种方法中的困难。伴随着一些新分子标记的开发，包括抗病、抗虫、抗旱、高产、品质改良等各个方面，选择育种更往快速精准路线发展。

       举例说明：

 以土豆为例(下图)。假设我们想培育一个抗土豆晚疫病的新品种，但问题是土豆晚疫病的抗性(好性状)和一些不好的性状（如高毒素含量或容易变黑）很容易一起传递到后代中。传统的育种方法是，将有抗性的野生土豆和栽培土豆杂交，我们就要从杂交的后代里筛选出抗晚疫病，同时毒素含量较低并且不容易变黑的土豆进行下一轮杂交。但是通过这种方法，我们需要进行十年甚至几十年的努力才能得到我们需要的品种。而当我们花了二十年终于得到了这个抗病品种的时候，很可能这个抗病能力已经被病原克服（即抗病基因失效）了。

 对于分子育种家，我们知道了土豆的基因组序列，一共有12条染色体，图中蓝色的方块就代表这些分子标记，红色代表我们需要的晚疫病抗性基因，灰色方块代表和抗性基因距离很近的“不好的”基因，我们的育种目标是只保留抗病基因，而避免高毒素或者容易变黑等不好的性状。有了分子标记，不需要再像传统育种项目那样进行大规模的表型测试，只需要提取杂交后代的DNA, 然后利用已有的分子标记对这些材料进行基因型筛选就好。如果把基因组想成一副地图，那么分子标记就是基因组的“路标”，有了这些“路标”我们就能知道“具体建筑”(基因，如上图中的“晚疫病抗性”基因)的位置。

 我们需要保留红色的“晚疫病抗性基因”，但同时要去掉茄碱和褐化基因，我们要做的就是寻找带有标记1和标记2，同时不带有标记3和标记4的个体。但是，受限于群体数量，我们还是要反复进行几轮回交从而筛选掉大部分有害的和野生型的基因组，提高不带有标记3和标记4、只有标记1和标记2的个体的概率。

 所以有了分子标记这个工具，可以大大加速植物育种，同时让育种项目的目标和结果都变得更加容易掌控。

 

为了更好理解分子标记的概念，本课时学习遗传标记的分类及分子标记的类型。

一、遗传标记分类（掌握）

（一）遗传标记（genetic markers）定义

  是指可以明确反映遗传多态性的生物特征，它是进行育种学研究的主要技术指标之一。

  自从19世纪中期，奥地利学者孟德尔首创了将形态学性状作为遗传标记的应用先例以来，遗传标记得到发展和丰富。形态学标记、细胞学标记、生化标记、免疫学标记等一直被广泛应用，然而这些标记都无法直接反映遗传物质的特征，仅是遗传物质的间接反映，且易受环境的影响，因此具有很大的局限性。 

  DNA作为遗传物质的载体，是研究动物遗传特性的一个重要指标。20世纪80年代以来，随着分子生物学技术和分子遗传学的迅速发展，分子克隆及DNA重组技术的日趋完善，研究者对基因结构和功能研究的进一步深入，在分子水平上寻找DNA的多态性，以此为标记进行各种遗传分析。DNA分子标记直接反映DNA水平上的遗传变异，能稳定遗传，信息量大，可靠性高，消除了环境影响。DNA水平的遗传标记自产生以来得到广泛应用。

（二）遗传标记的分类

       1.形态学标记(Morphological Markers)：

  指以肉眼可见的生物的外部特征特性 (如毛色、体型、外形、皮肤结构等)，包括质量性状和数量性状等的变异为遗传标记。

  优点：易于识别和掌握、简单直观；

  缺点：数量少、多态性差、易受环境因素影响。

                    图：斑马鱼各种体色成为形态学标记

       2.细胞遗传标记(Cytological Genetic Markers )：

  指以动物个体的染色体数目和形态变异作为遗传标记，主要包括：染色体核型、带型及结构等的各种变异。

  该标记可通过比较动物与其近缘祖先的染色体数目和形态，追溯动物的起源和演化，检测动物的遗传特性，为动物育种提供较好的依据。

  ①染色体核型的变异：

  数目（如单体、缺体、三体、四体等）、大小、形态特征等。

  正常人的染色体                           患者的染色体

  

②染色体带型的变异：

染色带的数目、部位、宽窄、着色深浅等。

  ③染色体结构的变异：

  如缺失、易位、倒位、重复等，常常会引起某些形态性状的异常。人类染色体结构如下：

       3.生化遗传标记(Biochemical Genetic Markers )：

  是以动物体内的某些生化性状，主要指血型、血清蛋白、同工酶及等位酶等的变异作为遗传标记。

      

 

  等位酶作为一种特殊形式的同工酶，它由一个基因位点、不同等位基因编码。根据等位酶谱带的遗传分析确定出每种等位基因在居群中的频率，从而可计算出它们的遗传相似度或遗传距离。

  20世纪60年代以来，蛋白电泳技术作为检测遗传特性的一种主要方法得到了广泛的应用。蛋白电泳所检测的主要是血浆和血细胞中可溶性蛋白和同工酶中氨基酸的变化，通过对一系列蛋白和同工酶的检测，就可为动物品种内的遗传变异和品种间的亲缘关系提供有用的信息。

  但是，蛋白和同工酶都是基因的表达产物，非遗传物质本身，它们的表现易受环境和发育状况的影响；这些因素决定了蛋白电泳具有一定的局限性，但是蛋白电泳技术操作简便、快速及检测费用相对较低，日前仍是遗传特性研究中应用较多的方法之一。

  生化遗传标记经济、方便，且多态性比形态学标记和细胞遗传标记丰富，已被广泛应用于物种起源与分类研究和动物育种中。

       4.免疫遗传标记(Immune Genetic Markers)

  是以动物的免疫学特征，包括红细胞抗原、白细胞抗原、胸腺细胞抗原等作为遗传标记。

  早在1900年，Ehrlich和Morgenroth指出山羊红细胞表面存在抗原，并证明这些抗原具有个体差异；20世纪80年代初，人们转向白细胞抗原研究，即主要组织相容性复合体(MHC)，MHC的重要特性与疾病及生理性状具有重要关系；根据动物个体淋巴细胞抗原特异性，研究品种间、个体间、抗病力强弱的差异及亲子关系等。

       5.分子遗传标记(Molecular Genetic Markers)

  是以个体间遗传物质内核苷酸序列变异为基础的遗传标记，是 DNA 水平遗传多态性的直接反映。

  与其他几种遗传标记-形态标记、细胞标记、同工酶标记相比，DNA 分子标记具有的优越性有：

  ①大多数分子标记为共显性，对隐性性状的选择十分便利；


       ②基因组变异极其丰富，分子标记的数量几乎是无限；       

  ③在生物发育的不同阶段、不同组织的 DNA 都可用于标记分析；

  ④分子标记表现为中性，揭示来自 DNA 的变异，不受目标性状的表达的影响，与不良性状无连锁；

  ⑤检测手段简单、迅速。

  随着分子生物学技术的发展，DNA 分子标记技术已有数十种，广泛应用于作物遗传育种、基因组作图、基因定位、植物亲缘关系鉴别、基因库构建、基因克隆等方面。

二、分子标记的种类及其发展（理解）

       1. RFLP标记：

  为第一代分子标记技术，是以Southern杂交技术为基础的DNA标记；

       2. RAPD、SSR和AFLP标记：

  为第二代分子标记技术，其中：

  ①RAPD和SSR标记是以PCR技术为基础的DNA标记；

  ②AFLP标记是基于PCR与限制性酶切技术结合的DNA标记；

       3. SNP标记、DNA条形码标记：

  为第三代分子标记技术，是以DNA测序技术为基础的DNA分子标记；

       4. 其它几种新型分子标记：

  SCAR、ISSR、SRAP和TRAP。

三、分子标记的类型和特点（了解）

       1.分子标记的类型：

  依据对DNA多态性的检测手段，DNA标记可分为四大类：

  ①第一类为基于DNA*DNA杂交的DNA标记。主要有限制性片段长度多态性标记(RFLP)、可变数目串联重复序列标记(VNTR)、单链构象多态性RFLP(SSCP、RFLP)等；

  ②第二类为基于PCR的DNA标记。主要有随机扩增多态性DNA(RAPD)，简单重复序列DNA 标记(SSR)，测定序列标签位点(STS)，表达序列标签(EST)，测序的扩增区段(SCAR)；

  ③第三类为基于PCR与限制性酶切技术结合的DNA标记。主要有两种，一种是扩增片段长度多态性(AFLP)，第二种是酶解扩增多态顺序(CAPS)；

  ④第四类为基于单核苷酸多态性的DNA标记。主要是单核苷酸多态性(SNP)。

       2.常见分子标记的特点和应用：

表-各类常见分子标记的特点和应用

复习题：

一、问答题：

1.与其他几种遗传标记相比，DNA 分子标记具有哪些优越性？

2.依据对DNA多态性的检测手段，DNA标记可分为哪四大类？各大类包

含哪些类型分子标记？

二、简答题：

1.什么叫分子标记辅助育种？它有什么优点？

2.遗传标记分哪几大类？

3.试述分子标记的种类及其发展经历，并说明各代的技术基础。

4.比较常见5类分子标记的特点。

三、名词解释：

1.遗传标记；

2.形态学标记；

3.细胞遗传标记；

4.生化遗传标记；

5.免疫遗传标记；

6.分子遗传标记；

7.分子标记辅助育种。