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功能基因筛选干货系列?作物改良-4

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浏览:- 发布日期:2017-01-20 13:46:38【

阔别三周之久的功能基因筛选系列又回来了~首先回顾一下作物改良系列的前三期内容:[第一期] 功能基因筛选干货系列•作物改良(一)小编为大家介绍了作物基因组测序的一些进展,对高通量基因分型技术做了个总结;[第二期功能基因筛选干货系列•作物改良(二)小编为大家介了绍作物中的连锁定位和作物驯化基因组多样性;[上一期功能基因筛选干货系列•作物改良(三)小编为大家介绍了作物中进行的GWAS研究。这一期小编就为大家介绍如何通过基因组级别的选择进行作物设计。

CROP DESIGNS BY GENOME-WIDE SELECTION

对于抗病性和谷粒质量,可以在优良品种中筛选良好表征的主要QTL或基因,随后通过标记辅助选择进行精细调整。

标记辅助筛选在只有很少QTL的情况下效果有限,需要利用高密度的基因型数据进行全基因组预测,或可与育种设计互补。该方法最近应用于近交系群体中以估计玉米的一般组合能力。285个不同的玉米自交系用一个芯片的56,110个SNP进行基因分型,且用气象色谱质谱分析了130个代谢组

尽管GWAS和全基因组预测都是基于高密度基因型和表型的,这两种方法仍有一些差异(下图)。比如说,它们的目的就不一样。GWAS是为了鉴定个体位点(尽管在检测上位相互作用时还存在问题)和与位点显著相关的基因,后续基因功能的研究分析分子机制。全基因组预测是为了提供从基因型到表型的精确模型,以及育种程序的设计(其杂交策略和标记辅助筛选依靠计算指导)。因此,全基因组预测所用群体通常与育种群体一致,且预测位点与作物改良高度相关;而GWAS正相反,其选用的群体通常具有很高的差异性,且所有表型均可被检测。与GWAS相比,全基因组预测仍在其发展阶段,仍有许多问题,例如如何选择群体及最合适的统计学模型。

A schematic view of a genome-wide association study (GWAS) and whole-genome prediction using genotype and phenotype data in diverse crop varieties

杂交育种是一种非常重要的作物育种方法。通过不同品系的杂交产生的F1杂交后代通常能够拥有比双亲本更高的产量,这种现象被称作杂种优势(heterosis或hybrid vigor)。目前市场上贩卖的水稻和玉米的种子多是这种杂交后代,为全世界贡献了大量粮食。作物育种家每年都会培育很多亲本品系并且有选择性地生产杂交种,用于测试其对产量的提高效果,这些杂交种中确实具有改良效果的一小部分就可以进行商业化生产。尽管杂种优势在农业上应用广泛,其在作物改良上的效果是非常直接而又实际的,但是杂种优势的遗传学原理仍然不甚明了。在水稻中,利用杂交构建了试验用RIL群体也即永久性F2群体,那些影响产量的因素,包括分蘖数、谷粒数、粒重等均在该群体中通过表型体现出来;这些研究进一步评估了杂交稻中显性、超显性以及异位显性对杂种优势的贡献。在水稻和玉米中鉴定了双亲本与其杂交后代之间的全基因组表达谱差异,寻找可能的与杂种优势有关的基因和表达模式。随着杂种优势相关研究的进行和越来越多相关信息的获得,把传统杂交育种策略与新的基因组学技术结合将能帮助育种家设计和培育出更好的品系。

A highly simplified scheme illustrating how genomics can contribute to steps in a maize-hybrid breeding pipeline

SYNTHESIS AND CONCLUSION

Levels of genetic diversity during domestication and modern breeding in three crop species

未来加强作物改良肯定还需要从世界范围内选取更多不同的作物资源、在野生种和栽培种之间互相杂交构建更多群体以及进行更多表型和基因型的鉴定。

耕种作物的起源和作物驯化历史研究有助于理解育种是如何影响现代作物的遗传多样性的。本系列文章向大家描绘了一个完整的耕种作物与其野生种之间基因组多态性的图景,可以为基因渗入研究提供基因组模式信息。

现在已经可以通过先进的基因组研究方法完整揭示作物中相关位点的遗传多态性:用多种测序方法可以为不同作物进行基因分型研究,分析其基因组模式。尽可能完整地为主要作物品种构建单体型图谱数据集是进行基因组辅助育种的关键。可以预见,越来越多这样的数据将能够促进作物重要农艺性状位点的GWAS分析;新的统计学模型、不同作物更多数据的整合将促进复杂性状位点的定位和分析。未来通过先进的基因组研究方法将能够揭示不同位点间及不同作物品种间变异性的遗传结构,并且通过基因组学结合群体遗传学的方法揭示杂种优势的遗传学原理,这对作物改良非常重要,能够加快基因组辅助的作物育种。

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