Выбор с помощью маркера
![]() | Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( июнь 2016 г. ) |
Отбор с помощью маркеров или отбор с помощью маркеров ( MAS ) — это процесс непрямого отбора, при котором интересующий признак выбирается на основе маркера ( морфологического , биохимического или вариации ДНК / РНК ), связанного с интересующим признаком (например, продуктивностью, устойчивостью к болезням, абиотическими стрессоустойчивость и качество), а не на саму черту. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Этот процесс был тщательно исследован и предложен для растений и животных . селекции [ 5 ]
Например, использование MAS для отбора людей с устойчивостью к болезням предполагает идентификацию маркерного аллеля , который связан с устойчивостью к болезням, а не с уровнем устойчивости к болезням. Предполагается, что маркер с высокой частотой ассоциируется с интересующим геном или локусом количественного признака (QTL) из-за генетического сцепления (близость на хромосоме локуса маркера и локуса, определяющего устойчивость к заболеванию). MAS может быть полезен для отбора признаков, которые трудно или дорого измерить, имеют низкую наследственность и/или проявляются на поздних стадиях развития. На определенных этапах процесса разведения образцы проверяются, чтобы убедиться, что они проявляют желаемый признак.
Типы маркеров
[ редактировать ]В большинстве работ MAS в современную эпоху используются маркеры на основе ДНК. [ 5 ] Однако первыми маркерами, позволившими косвенно выбрать интересующий признак, были морфологические маркеры. В 1923 году Карл Сакс впервые сообщил о связи просто наследуемого генетического маркера с количественным признаком у растений, когда он наблюдал сегрегацию по размеру семян, связанную с сегрегацией маркера цвета семенной кожуры у бобов ( Phaseolus vulgaris L.). [ 6 ] В 1935 Дж. Расмуссон продемонстрировал связь времени цветения (количественного признака) у гороха с просто наследуемым геном окраски цветков. [ 7 ]
Маркеры могут быть:
- Морфологические . Это были первые доступные локусы -маркеры , которые оказывают очевидное влияние на морфологию растений. Эти маркеры часто можно обнаружить на глаз, путем простого визуального осмотра. Примеры маркеров этого типа включают наличие или отсутствие ости , окраску листовой оболочки, высоту, цвет зерна, аромат риса и т. д. В хорошо охарактеризованных культурах, таких как кукуруза , помидоры , горох, ячмень или пшеница , присутствуют десятки или сотни генов. определяющие морфологические признаки, были сопоставлены с определенными участками хромосом.
- Биохимический — белок, который можно извлечь и наблюдать; например, изоферменты и запасные белки .
- Цитологические . Цитологические маркеры представляют собой хромосомные особенности, которые можно идентифицировать с помощью микроскопии. Обычно они принимают форму хромосомных полос — участков хроматина , которые пропитываются специфическими красителями, используемыми в цитологии . Наличие или отсутствие полоски хромосомы может быть коррелировано с определенным признаком, что указывает на то, что локус, ответственный за этот признак, расположен внутри или рядом (тесно связан) с полосчатой областью. Морфологические и цитологические маркеры легли в основу ранних генетических исследований таких культур, как пшеница и кукуруза. [ 8 ]
- На основе ДНК — в том числе микросателлиты (также известные как короткие тандемные повторы, STR или простые повторы последовательностей, SSR), полиморфизм длин рестрикционных фрагментов (RFLP), случайная амплификация полиморфной ДНК (RAPD), полиморфизм длин амплифицированных фрагментов (AFLP) и однонуклеотидные полиморфизмы (SNP). ). [ 9 ]
Положительные и отрицательные селектируемые маркеры
[ редактировать ]Следующие термины, как правило, менее актуальны для обсуждения MAS в селекции растений и животных, но весьма актуальны в исследованиях в области молекулярной биологии:
- Положительные селектируемые маркеры представляют собой селектируемые маркеры, которые придают организму-хозяину селективное преимущество. [ 10 ] Примером может служить устойчивость к антибиотикам, которая позволяет организму-хозяину пережить отбор антибиотиков.
- Негативные селектируемые маркеры представляют собой селектируемые маркеры, которые устраняют или ингибируют рост организма-хозяина при селекции. [ 11 ] Примером может служить тимидинкиназа , которая делает хозяина чувствительным к ганцикловира . выбору
Можно провести различие между селектируемыми маркерами (которые исключают определенные генотипы из популяции) и скринируемыми маркерами (которые позволяют легко идентифицировать определенные генотипы, после чего экспериментатор должен «оценить» или оценить популяцию и действовать для сохранения предпочтительных генотипов). ). В большинстве MAS используются проверяемые маркеры, а не выбираемые маркеры.
Ген против маркера
[ редактировать ]Интересующий ген непосредственно вызывает выработку белка(ов) или РНК, которые продуцируют желаемый признак или фенотип, тогда как маркеры (последовательность ДНК или морфологические или биохимические маркеры, продуцируемые этой ДНК) генетически связаны с интересующим геном. Интересующий ген и маркер имеют тенденцию двигаться вместе во время сегрегации гамет из-за их близости на одной и той же хромосоме и сопутствующего снижения рекомбинации (событий кроссинговера хромосом) между маркером и представляющим интерес геном. Для некоторых признаков обнаружен интересующий ген, и наличие желаемых аллелей можно напрямую проанализировать с высоким уровнем достоверности. Однако, если интересующий ген неизвестен, маркеры, связанные с интересующим геном, все равно можно использовать для отбора людей с желательными аллелями интересующего гена. При использовании маркеров могут быть неточные результаты из-за неточных тестов маркера. При использовании маркеров также могут быть ложноположительные результаты из-за рекомбинации между интересующим маркером и геном (или QTL). Идеальный маркер не даст ложноположительных результатов. Термин «идеальный маркер» иногда используется, когда проводятся тесты для обнаружения SNP или другого полиморфизма ДНК в интересующем гене, если этот SNP или другой полиморфизм является непосредственной причиной интересующего признака. Термин «маркер» по-прежнему уместно использовать при прямом анализе интересующего гена, поскольку тест генотипа является косвенным тестом интересующего признака или фенотипа. [ нужна ссылка ]
Важные свойства идеальных маркеров для MAS
[ редактировать ]Идеальный маркер:
- Легко распознает фенотипы — в идеале все возможные фенотипы ( гомо- и гетерозиготы ) из всех возможных аллелей.
- Демонстрирует измеримые различия в экспрессии между типами признаков или аллелями интересующих генов на ранних стадиях развития организма.
- Тестирование на маркер не имеет переменного успеха в зависимости от аллели в локусе маркера или аллели в целевом локусе (интересующий ген, который определяет интересующий признак).
- Низкое или нулевое взаимодействие между маркерами, позволяющее использовать многие из них одновременно в разделяющейся популяции.
- Многочисленный
- Полиморфный
Недостатки морфологических маркеров
[ редактировать ]Морфологические маркеры связаны с несколькими общими недостатками, которые снижают их полезность, включая:
- задержка экспрессии маркера на позднем этапе развития организма
- позволяя доминированию маскировать основную генетику
- плейотропия , которая не позволяет легко и экономно делать выводы от одного гена к одному признаку.
- смешивающие эффекты генов, не связанных с интересующим геном или признаком, но которые также влияют на морфологический маркер ( эпистаз )
- частые мешающие эффекты факторов окружающей среды, которые влияют на морфологические характеристики организма
Чтобы избежать проблем, специфичных для морфологических маркеров, были разработаны маркеры на основе ДНК. Они высоко полиморфны , демонстрируют простое наследование (часто кодоминантное), широко распространены по всему геному, их легко и быстро обнаружить, они проявляют минимальные плейотропные эффекты, а обнаружение не зависит от стадии развития организма. Многочисленные маркеры были сопоставлены с различными хромосомами нескольких сельскохозяйственных культур, включая рис, пшеницу, кукурузу, сою и некоторые другие, а также у крупного рогатого скота, свиней и кур. Эти маркеры использовались для анализа разнообразия, определения происхождения, снятия отпечатков пальцев ДНК и прогнозирования характеристик гибридов. Молекулярные маркеры полезны в процессах непрямой селекции, позволяя вручную отбирать особей для дальнейшего размножения.
Отбор основных генов, связанных с маркерами
[ редактировать ]«Основные гены», отвечающие за экономически важные характеристики, часто встречаются в царстве растений. К таким характеристикам относятся устойчивость к болезням, мужская стерильность, [ 12 ] самонесовместимость и другие, связанные с формой, окраской и архитектурой целых растений и часто имеющие моно- или олигогенный характер. Маркерные локусы, тесно связанные с основными генами, могут использоваться для отбора и иногда более эффективны, чем прямой отбор целевого гена. Такие преимущества в эффективности могут быть обусловлены, например, более высокой экспрессией маркерной мРНК в тех случаях, когда маркер сам по себе является геном. В качестве альтернативы, в таких случаях, когда целевой ген, представляющий интерес, отличается между двумя аллелями труднообнаружимым однонуклеотидным полиморфизмом , внешний маркер (будь то другой ген или полиморфизм, который легче обнаружить, например, короткий тандемный повтор ) может показаться наиболее реалистичным вариантом.
Ситуации, благоприятные для выбора молекулярных маркеров
[ редактировать ]Существует несколько показаний к использованию молекулярных маркеров при селекции генетического признака.
Такие ситуации, как:
- Выбранный признак проявляется на поздних стадиях развития растения, например, признаки плодов и цветов или взрослые признаки с ювенильным периодом (так что нет необходимости ждать, пока организм полностью разовьется, прежде чем можно будет принять меры для размножения).
- Экспрессия целевого гена является рецессивной (так что особи, гетерозиготно-положительные по рецессивному аллелю, могут быть скрещены для получения гомозиготного потомства с желаемым признаком).
- Существуют особые условия для экспрессии целевого гена(ов), как в случае селекции на устойчивость к болезням и вредителям (когда в противном случае потребовалась бы инокуляция болезни или воздействие вредителей). Иногда методы инокуляции ненадежны, а иногда полевая инокуляция возбудителем даже не допускается из соображений безопасности. Более того, иногда выражение зависит от условий окружающей среды.
- На фенотип влияют два или более несвязанных гена (эпистатис). Например, отбор нескольких генов, обеспечивающих устойчивость к болезням или насекомым-вредителям, для построения генных пирамид .
Стоимость генотипирования (например, необходимых здесь анализов молекулярных маркеров) снижается, что повышает привлекательность MAS по мере продолжения развития технологии. (Кроме того, стоимость фенотипирования, выполняемого человеком, представляет собой трудовое бремя , которое выше в развитой стране и увеличивается в развивающейся стране.)
Шаги для МАС
[ редактировать ]Обычно первым шагом является картирование локуса гена или количественного признака интересующего (QTL) с использованием различных методов, а затем использование этой информации для отбора с помощью маркеров. Как правило, используемые маркеры должны быть близки к интересующему гену (<5 единиц рекомбинации или сМ), чтобы гарантировать, что только незначительная часть выбранных индивидуумов будет рекомбинантами. Обычно используют не только один маркер, но и два маркера, чтобы уменьшить вероятность ошибки из-за гомологичной рекомбинации. Например, если одновременно использовать два фланкирующих маркера с интервалом между ними примерно 20 сМ, вероятность восстановления целевого гена выше (99%).
Методы картирования QTL
[ редактировать ]У растений картирование QTL обычно достигается с использованием перекрестных популяций от двух родителей; получено скрещивание двух родителей, имеющих контрастный фенотип по интересующему признаку. Обычно используемые популяции представляют собой почти изогенные линии (NIL), рекомбинантные инбредные линии (RIL), двойные гаплоиды (DH), бэккросс и F 2 . Связь между фенотипом и уже картированными маркерами тестируется в этих популяциях, чтобы определить положение QTL. Такие методы основаны на связывании и поэтому называются « отображением связей ».
Одноэтапное картирование MAS и QTL
[ редактировать ]В отличие от двухэтапного QTL-картирования и MAS разработан одноэтапный метод селекции типичных популяций растений. [ 13 ] [ 14 ]
При таком подходе в первых нескольких циклах разведения маркеры, связанные с интересующим признаком, идентифицируются путем картирования QTL, а затем та же информация используется в той же популяции. При таком подходе родословная структура создается из семей, созданных путем скрещивания нескольких родителей (трех- или четырехходовое скрещивание). Как фенотипирование, так и генотипирование проводится с использованием молекулярных маркеров, картирующих возможное расположение интересующего QTL. Это позволит идентифицировать маркеры и их благоприятные аллели. Как только эти благоприятные маркерные аллели будут идентифицированы, частота таких аллелей будет увеличена и оценен ответ на селекцию с помощью маркера. Маркерные аллели с желаемым эффектом будут в дальнейшем использоваться в следующем цикле селекции или других экспериментах.
Высокопроизводительные методы генотипирования
[ редактировать ]Недавно были разработаны высокопроизводительные методы генотипирования, которые позволяют проводить маркерный скрининг многих генотипов. Это поможет селекционерам перейти от традиционного разведения к отбору с помощью маркеров. Одним из примеров такой автоматизации является использование роботов для выделения ДНК, капиллярного электрофореза и роботов для пипетирования.
Одним из недавних примеров капиллярной системы является генетический анализатор Applied Biosystems 3130. Это последнее поколение приборов для 4-капиллярного электрофореза для лабораторий с низкой и средней производительностью.
Высокопроизводительный MAS необходим для селекции сельскохозяйственных культур , поскольку современные методы не являются экономически эффективными. Массивы для риса были разработаны Масуле и др. в 2009 году; пшеница Берарда и др., 2009 г., Бернардо и др., 2015 г. и Рашида и др., 2016 г.; бобовые, Варшни и др., 2016 г.; и различные другие культуры, но все они также имеют проблемы с адаптацией, стоимостью, гибкостью и стоимостью оборудования. [ 15 ]
Использование MAS для разведения обратного скрещивания
[ редактировать ]минимум пять или шесть поколений обратного скрещивания Для передачи интересующего гена от донора (может быть не адаптированным) реципиенту (рекуррентный – адаптированный сорт) требуется . Восстановление рекуррентного генотипа можно ускорить с помощью молекулярных маркеров. Если F1 гетерозиготен по маркерному локусу , особи с рекуррентным родительским аллелем(ями) в маркерном локусе в первом или последующих поколениях обратного скрещивания также будут нести хромосому, помеченную маркером.
Маркерное пирамидирование генов
[ редактировать ]Генная пирамида была предложена и применена для повышения устойчивости к болезням и насекомым путем отбора двух или более двух генов одновременно. Например, на рисе такие пирамиды были разработаны против бактериальной болезни и бактериальной болезни. Преимущество использования маркеров в этом случае позволяет отобрать маркеры, связанные с аллелью QTL, которые имеют одинаковый фенотипический эффект.
MAS также оказалась полезной для улучшения животноводства . [ 16 ]
Скоординированные усилия по внедрению селекции с помощью маркеров пшеницы ( Durum ( Triticum turgidum ) и мягкой пшеницы ( Triticum aestivum )) в США, а также ресурс для селекции с помощью маркеров существуют на веб-сайте Wheat CAP ( Координированный сельскохозяйственный проект ).
См. также
[ редактировать ]- Сопоставление ассоциаций
- Картирование QTL на основе семьи
- Геномика одомашнивания
- История селекции растений
- Молекулярная селекция
- Сопоставление вложенных ассоциаций
- QTL-картирование
- Методы селекции растений по способу размножения.
- Умное разведение
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Химия |» . www.uoguelph.ca .
- ^ Рибо, Ж.-М. и др., Генетические основы физиологических особенностей. «Применение физиологии в селекции пшеницы», CIMMYT , Мексика , 2001.
- ^ Рибо, Ж.-М. и Хойсингтон, Д.А., Маркерный отбор: новые инструменты и стратегии. Тенденции в науке о растениях , 1998, 3, 236–239.
- ^ Росьяра, UR 2006. ТРЕБОВАНИЕ НАДЕЖНОЙ ТЕХНОЛОГИИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАРКЕРОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЙ В СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ. Журнал селекции растений, группа 1: 67 – 72. нажмите, чтобы скачать.
- ^ Jump up to: а б с Деккерс, Джек СМ; Больница, Фредерик (2002). «Использование молекулярной генетики в улучшении сельскохозяйственных популяций». Обзоры природы Генетика . 3 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа» : 22–32. дои : 10.1038/nrg701 . ISSN 1471-0056 . ПМИД 11823788 . S2CID 32216266 .
- ^ Сакс, Карл (1923). «Связь различий в размерах с рисунком семенной кожуры и пигментацией Phaseolus Vulgaris » . Генетика . 8 (6): 552–560. дои : 10.1093/генетика/8.6.552 . ПМК 1200765 . ПМИД 17246026 .
- ^ Расмуссон, Дж. (1935). «Исследования по наследованию количественных признаков у Pisum ». Эредитас . 20 (1–2): 161–180. дои : 10.1111/j.1601-5223.1935.tb03184.x .
- ^ Вилли Х. Верхей, изд. (2010). «Селекция растений и генетика». Почвы, рост растений и растениеводство, том I. Издательство Эолсс. п. 201. ИСБН 978-1-84826-367-3 .
- ^ Гоус Миа; Мохд Й. Рафии; Мохд Р. Исмаил; Адам Б. Путех; Харун А. Рахим; Х. Нурул Ислам; Мохаммад Абдул Латиф (2013). «Обзор микросателлитных маркеров и их применения в программах селекции риса для повышения устойчивости к взрывной болезни» . Международный журнал молекулярных наук . 14 (11). МДПИ : 22499–22528. дои : 10.3390/ijms141122499 . ПМК 3856076 . ПМИД 24240810 .
- ^ «позитивный отбор» . Возбудимый . Природа . Проверено 29 сентября 2011 г.
- ^ «негативный отбор» . Возбудимый . Природа . Проверено 29 сентября 2011 г.
- ^ Новицкий, Марцин; и др. (26 октября 2013 г.), «Больше, чем кажется на первый взгляд: многолетний анализ экспрессивности стерильности томатов в линиях PS и PS-2» (PDF) , Австралийский журнал Crop Science , 7 (13), Southern Cross Publishing : 2154 –2161 , получено 29 октября 2013 г.
- ^ Росьяра, УР; К. Л. Максон-Штайн; К.Д. Гловер; Дж. М. Стейн; Х.Л. Гонсалес-Эрнандес. 2007. Семейное картирование QTL устойчивости к FHB у гексаплоидной пшеницы. Материалы Национального форума по фузариозу, 2–4 декабря 2007 г., Канзас-Сити, Миссури.
- ^ Росьяра УР, Дж. Л. Гонсалес-Эрнандес, К. Д. Гловер, К. Р. Гедье и Дж. М. Штайн. 2009. Семейное картирование локусов количественных признаков в селекционных популяциях растений с устойчивостью к фузариозу колоса пшеницы в качестве иллюстрации Theoretical Applied Genetics 118:1617–1631.
- ^ Рашид, Авайс; Хао, Юаньфэн; Ся, Сяньчунь; Хан, Авайс; Сюй, Юнби; Варшни, Раджив К.; Он, Чжунху (2017). «Чипы селекции сельскохозяйственных культур и платформы генотипирования: прогресс, проблемы и перспективы» . Молекулярный завод . 10 (8). Эльзевир : 1047–1064. дои : 10.1016/j.molp.2017.06.008 . ISSN 1674-2052 . ПМИД 28669791 . S2CID 33780984 . Chin Acad Sci + Chin Soc Plant Bio + Shanghai Inst Bio Sci .
- ^ Деккерс, Дж. К. (2004). «Коммерческое применение маркерной и генной селекции в животноводстве: стратегии и уроки». Журнал зоотехники . 82 (Приложение E): E313-328. doi : 10.2527/2004.8213_supplE313x (неактивен 12 сентября 2024 г.). ПМИД 15471812 . S2CID 25409490 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2024 г. ( ссылка )
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- рассмотреть применение MAS для улучшения урожая [ постоянная мертвая ссылка ]
- Коллард, Бертран С.И.; Макилл, Дэвид Дж. (12 февраля 2008 г.). «Маркерная селекция: подход к точной селекции растений в двадцать первом веке» . Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 363 (1491): 557–572. дои : 10.1098/rstb.2007.2170 . ISSN 0962-8436 . ПМК 2610170 . ПМИД 17715053 .
- Гупта, ПК; Лэнгридж, Питер; Мир, Р.Р. (11 декабря 2009 г.). «Маркерная селекция пшеницы: современное состояние и будущие возможности». Молекулярная селекция . 26 (2): 145–161. дои : 10.1007/s11032-009-9359-7 . ISSN 1380-3743 . S2CID 9989382 .
- Мус, Стивен П.; Мумм, Рита Х. (1 июля 2008 г.). «Молекулярная селекция растений как основа улучшения сельскохозяйственных культур в XXI веке» . Физиология растений . 147 (3). Издательство Оксфордского университета (OUP): 969–977. дои : 10.1104/стр.108.118232 . ISSN 1532-2548 . ПМЦ 2442525 . ПМИД 18612074 . Американское общество биологов растений .
- Селекция растений и геномика