影响分子标记辅助选择的因素

五、影响分子标记辅助选择的因素

尽管MAS 是提高选择效率的一种有效方法,但由于MAS 研究涉及的内容广泛,影响MAS选择效率的因素非常复杂,有很多遗传学和生物学的因素影响其效率,包括标记与基因之间的距离、目标性状的遗传率、群体大小、选用分子标记数目以及选择世代等(张文龙等,2008)。

1.标记与目标基因间遗传距离的影响

回交育种程序中的分子标记辅助选择技术可分为前景选择(foreground selection)和背景选择(background selection)。前景选择是在对回交群体的选择中,通过对转入受体中的与供体优良目标基因座位紧密连锁的标记或基因内标记的检测,从而筛选出携带目标基因的单株,保证从每一回交世代选出的作为下一轮回交亲本的个体都包含目标基因。前景选择的准确性主要取决于标记与目标基因间连锁的紧密程度,标记与目标基因连锁的越紧密,依据标记进行的选择可靠性就越高。若只用一个标记对目标基因进行选择,则标记与目标基因间的连锁必须非常紧密,才能够达到较高的准确率。例如,理论上在F2代通过标记基因型MM 选择目标基因型QQ,其正确率P 和标记与基因间重组率r 的关系为:P=(1-r)2,选择正确率P 随重组率r 的增加而迅速降低,如果要求P 达到95%以上,则r 不能超过2.5%;当r 超过10%时,则P 下降到81%以下。如果用两侧相邻标记对目标基因进行跟踪选择,可大大提高选择正确率。在单交无干扰的情况下,在F2代通过标记基因型M1M1和M2M2 获得目标基因型QQ 的P 值和r 的关系为:P =(1-r12(1-r22/[(1-r1)(1-r2)+r1r22,即使r1、r2均达20%时,同时使用两个标记P 值也仍可达88.5%。可见,双标记选择的正确率比单标记选择高很多。需要指出的是,在实际情况中,单交换间一般总是存在相互干扰的,这使得双交换的概率更小,因而双标记选择的正确率要比上述理论期望值更高。

2.遗传群体大小的影响

群体大小是制约MAS 选择效率的重要因素之一。一般情况下,MAS 群体大小不应小于200个。选择效率随着群体增加而提高,特别是在低世代、遗传力较低的情况下尤为明显(Hospital et al,1997;Moreau el al,1998)。群体连锁不平衡性越大,MAS 效率就越高。由两个自交系杂交产生的F2群体,其连锁不平衡性往往较大,因而其MAS 效率也较高。数量性状所需群体数的大小随QTL数目的增加呈指数上升。

3.遗传力大小的影响

遗传力又称遗传率,指遗传方差在总方差(表型方差)中所占的比值。遗传力可以作为对杂种后代进行选择的一个指标。遗传力表明某一性状受到遗传控制的程度,性状的遗传力极大地影响MAS的选择效率。遗传力较高的性状,根据表型就可对其实施选择,MAS效率随性状遗传力增加而显著降低。在群体大小有限的情况下,遗传力低的性状,MAS的相对效率较高。但存在一个最适的群体大小,群体过大或过小MAS 效率都会降低。如遗传力在0.1~0.2时,MAS效率会更高,但出现负面试验的频率也高一些,因此,利用MAS技术所选性状的遗传力应在中度(0.3~0.4)为好(Moreau et al,1998)。数量性状受到环境因素的影响很大,表型的变异可能有遗传的因素,也有环境的因素,甚至还有环境和遗传相互作用的因素。

4.选用分子标记数目和类型的影响

理论上标记数越多,从中筛选出对目标性状有显著效应的标记机会就越大,因而越有利于MAS。事实上,MAS 效率随标记数增加先增后减。MAS 效率主要取决于对目标性状有显著效应的标记,因而选择时所用标记数并非越多越好。Gimelfarb 和Lande(1994)研究表明,利用6 个标记时,MAS 效率明显高于3 个标记,但利用12 个甚至更多的标记时,MAS效率在低世代时反而降低,在高世代时增幅很小。一条染色体上有多个标记时,存在一个最适标记密度,最优距离为20 cM。沈新莲等(2001)用2个RAPD 标记和1个SSR 标记进行棉花纤维强度QTL辅助选择,比较显性标记和共显性标记对纯合基因型和杂合基因型选择差以后,认为共显性SSR 标记(可有效地剔除杂合基因型)对以加性/隐性为主遗传的QTL进行MAS效果会更好。(https://www.daowen.com)

5.世代的影响

回交育种中除了目的基因的转移外,主要目标是尽可能快速地恢复轮回亲本基因组,需要对基因组中除了目的基因之外的其他部分选择,即背景选择。背景选择是为了避免或减轻连锁累赘,其目标之一是加快轮回亲本基因组在回交后代中的恢复速率,目标之二是加快轮回亲本基因组在目标基因邻近区域的恢复速率,缩短育种年限。背景选择尽可能覆盖整个基因组,是对全基因组的选择。在回交育种的早代(BC1)变异方差大,重组个体多,MAS效率高。因此背景选择应在育种早期世代进行,随着世代的增加,背景选择效率会逐渐下降。在早期世代,分子标记与QTL的连锁不平衡性较大;随着世代的增加,效应较大的QTL被固定下来,MAS效率随之降低(Luo,1998)。

6.控制性状基因(QTL)数目的影响

模拟研究发现,随着QTL 数目的增加,MAS 效率降低。当目标性状由少数几个基因(1~3 个)控制时,用分子标记选择对发掘遗传潜力较为有效;然而当目标性状由多个基因控制时,由于需要选择的世代较多,加剧了标记与QTL位点间的重组,降低了标记选择效果。在少数QTL可解释大部分变异的情况下,MAS效率较高(吴为人等,2002)。

7.选择强度和QTL的遗传方式和相位

在高选择强度下,常规选择更易丢失有利基因,MAS 效率随着选择强度升高而增加。显性作用随着世代增加而降低,因此显性遗传QTL 的MAS 效率高。当对多个QTL 进行选择时,相引连锁比相斥连锁MAS 效率高。在中等或较低选择强度下,目标基因QTL 周围染色体区段由较远端标记控制更有效。

8.控制数量性状基因QTL的划分、定位及其效应分布

QTL的准确发现和对其效应无偏估计有助于MAS效率提高,QTL精准定位取决于分子连锁图谱的饱和度以及对QTL性状的准确度量,可利用永久分离群体通过反复试验精确定位QTL;基因与环境的互作直接影响着MAS效率,一般在不同年份间不同时期不同地点均能检测到的QTL的效果较好。基因型对QTL检测有较大影响,杂交早代植株基因型杂合度高,随着自交代数增加许多位点趋于纯合,在早代选择的植株到高代表现会与原先表现不一致,应重新估算和筛选分子标记。同一性状在不同群体间甚至不同大小的群体间QTL不一致,这些因素均影响QTL检测并影响MAS的效率。