Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Умного разведения )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Отбор с помощью маркеров или отбор с помощью маркеров ( MAS ) - это процесс непрямого отбора, в котором интересующий признак выбирается на основе маркера ( морфологического , биохимического или вариации ДНК / РНК ), связанного с представляющим интерес признаком (например, продуктивность, устойчивость к болезням, абиотический фактор). стрессоустойчивость и качество), а не на самом признаке. [1] [2] [3] [4] [5] Этот процесс был тщательно исследован и предложен для селекции растений и животных . [5]

Например, использование MAS для отбора людей с устойчивостью к болезням включает идентификацию маркерного аллеля, который связан с устойчивостью к заболеванию, а не с уровнем устойчивости к заболеванию. Предполагается, что маркер с высокой частотой ассоциируется с интересующим геном или локусом количественного признака (QTL) из-за генетической связи (непосредственная близость на хромосоме маркерного локуса и локуса, определяющего устойчивость к заболеванию). MAS может быть полезен для отбора признаков, которые сложно или дорого измерить, демонстрируют низкую наследуемость и / или проявляются на поздних стадиях развития. В определенные моменты процесса разведения особи исследуются, чтобы убедиться, что они выражают желаемый признак.

Типы маркеров [ править ]

В настоящее время в большинстве работ по MAS используются маркеры на основе ДНК. [5] Однако первыми маркерами, позволившими косвенный выбор интересующего признака, были морфологические маркеры. В 1923 году Карл Сакс впервые сообщил об ассоциации просто унаследованного генетического маркера с количественным признаком растений, когда он наблюдал сегрегацию размера семян, связанную с сегрегацией маркера цвета оболочки семян бобов ( Phaseolus vulgaris L.). [6] В 1935 году Дж. Расмуссон продемонстрировал связь времени цветения (количественный признак) у гороха с просто унаследованным геном окраски цветка. [7]

Маркеры могут быть:

  • Морфологические - это были первыедоступныемаркеры локусов, которые оказывают очевидное влияние на морфологию растений. Эти маркеры часто можно обнаружить на глаз при простом визуальном осмотре. Примеры этого типа маркера включают наличие или отсутствие ости , окраску листовой оболочки, высоту, цвет зерна, аромат риса и т. Д. В хорошо охарактеризованных культурах, таких как кукуруза , томат , горох, ячмень или пшеница , десятки или сотни генов , которые определяют морфологические признаки, были нанесены на карту в определенных местоположениях хромосом.
  • Биохимический - белок, который можно извлечь и наблюдать; например, изоферменты и запасные белки .
  • Цитологические - Цитологические маркеры - это хромосомные особенности, которые можно идентифицировать с помощью микроскопии. Обычно они имеют форму полос хромосом, участков хроматина, которые пропитываются специфическими красителями, используемыми в цитологии . Наличие или отсутствие полосы хромосомы может быть коррелировано с конкретным признаком, указывая на то, что локус, ответственный за признак, расположен внутри или рядом (тесно связан) с участком с полосой. Морфологические и цитологические маркеры легли в основу ранних генетических исследований таких сельскохозяйственных культур, как пшеница и кукуруза. [8]
  • На основе ДНК - включая микросателлиты (также известные как короткие тандемные повторы, STR или простые повторы последовательности, SSR), полиморфизм длины рестрикционного фрагмента (RFLP), случайную амплификацию полиморфной ДНК (RAPD), полиморфизм длины амплифицированного фрагмента (AFLP) и однонуклеотидные полиморфизмы (SNP). [9]

Положительные и отрицательные выбираемые маркеры [ править ]

Следующие термины обычно менее актуальны для обсуждения MAS в селекции растений и животных, но имеют большое значение для исследований в области молекулярной биологии:

  • Положительные селектируемые маркеры представляют собой селектируемые маркеры, которые придают селективное преимущество организму-хозяину. [10] Примером может служить устойчивость к антибиотикам, которая позволяет организму-хозяину выжить при выборе антибиотика.
  • Отрицательные 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 отбору ганцикловира .

Можно провести различие между селектируемыми маркерами (которые исключают определенные генотипы из популяции) и скрининговыми маркерами (которые позволяют легко идентифицировать определенные генотипы, после чего экспериментатор должен «подсчитать» или оценить популяцию и действовать, чтобы сохранить предпочтительные генотипы. ). Большинство MAS использует отображаемые на экране маркеры, а не выбираемые маркеры.

Джин против маркера [ править ]

Интересующий ген напрямую вызывает производство белка (ов) или РНК, которые продуцируют желаемый признак или фенотип, тогда как маркеры (последовательность ДНК или морфологические или биохимические маркеры, производимые этой ДНК) генетически связаны с интересующим геном. Интересующий ген и маркер имеют тенденцию перемещаться вместе во время сегрегации гамет из-за их близости на одной хромосоме и сопутствующего снижения рекомбинации.(события кроссовера хромосомы) между интересующим маркером и геном. Для некоторых признаков интересующий ген был обнаружен, и наличие желаемых аллелей может быть непосредственно проверено с высокой степенью достоверности. Однако, если интересующий ген неизвестен, маркеры, связанные с представляющим интерес геном, все же можно использовать для отбора людей с желательными аллелями интересующего гена. При использовании маркеров могут быть некоторые неточные результаты из-за неточных тестов для маркера. Также могут быть ложноположительные результаты при использовании маркеров 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 прямой причиной интересующего признака. Термин «маркер» по-прежнему уместен для использования при прямом анализе интересующего гена, поскольку проверка генотипа является косвенным тестом интересующего признака или фенотипа.[ необходима цитата ]

Важные свойства идеальных маркеров для МАС [ править ]

Идеальный маркер:

  • Легко распознает фенотипы - в идеале все возможные фенотипы ( гомо- и гетерозиготы ) от всех возможных аллелей.
  • Демонстрирует измеримые различия в экспрессии между типами признаков или представляющими интерес аллелями гена на ранних этапах развития организма
  • Тестирование на маркер не имеет переменного успеха в зависимости от аллеля в локусе маркера или аллеля в локусе-мишени (представляющий интерес ген, определяющий интересующий признак).
  • Низкое или нулевое взаимодействие между маркерами, позволяющее использовать несколько одновременно в сегрегационной популяции
  • В изобилии
  • Полиморфный

Недостатки морфологических маркеров [ править ]

Морфологические маркеры связаны с несколькими общими недостатками, которые снижают их полезность, включая:

  • задержка экспрессии маркера до поздней стадии развития организма
  • позволяя доминированию замаскировать лежащую в основе генетику
  • плейотропия , которая не позволяет сделать простые и экономные выводы от одного гена к одному признаку
  • смешанные эффекты генов, не связанных с интересующим геном или признаком, но которые также влияют на морфологический маркер ( эпистаз )
  • частые смешанные эффекты факторов окружающей среды, которые влияют на морфологические характеристики организма

Чтобы избежать проблем, специфичных для морфологических маркеров, были разработаны маркеры на основе ДНК. Они очень полиморфны , демонстрируют простое наследование (часто кодоминантное), многочисленны по всему геному, легко и быстро обнаруживаются, проявляют минимальные плейотропные эффекты, и обнаружение не зависит от стадии развития организма. Многочисленные маркеры были сопоставлены с различными хромосомами нескольких культур, включая рис, пшеницу, кукурузу, сою и некоторые другие, а также у домашнего скота, такого как крупный рогатый скот, свиньи и куры. Эти маркеры использовались для анализа разнообразия, определения происхождения, снятия отпечатков ДНК и прогнозирования производительности гибридов. Молекулярные маркеры полезны в процессах непрямого отбора, позволяя вручную выбирать особей для дальнейшего размножения.

Отбор основных генов, связанных с маркерами [ править ]

«Основные гены», отвечающие за экономически важные характеристики, часто встречаются в царстве растений. Такие характеристики включают устойчивость к болезням, мужскую стерильность, [12] самонесовместимость и другие, связанные с формой, цветом и архитектурой целых растений, и часто имеют моно- или олигогенную природу. Маркерные локусы, которые тесно связаны с основными генами, могут использоваться для отбора и иногда более эффективны, чем прямой отбор для целевого гена. Такие преимущества в эффективности могут быть связаны, например, с более высокой экспрессией мРНК маркера в тех случаях, когда сам маркер является геном. В качестве альтернативы, в таких случаях, когда интересующий ген-мишень отличается между двумя аллелями трудным для детектирования однонуклеотидным полиморфизмом.внешний маркер (будь то другой ген или полиморфизм, который легче обнаружить, например, короткий тандемный повтор ) может быть наиболее реалистичным вариантом.

Ситуации, благоприятные для выбора молекулярного маркера [ править ]

Есть несколько показаний к использованию молекулярных маркеров при выборе генетического признака.

Такие ситуации как:

  • Выбранный признак проявляется на поздней стадии 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, гетерозиготные по рецессивному аллелю, могут быть скрещены с получением гомозиготного потомства с желаемым признаком)
  • Существуют особые условия для экспрессии целевого гена (ов), как в случае селекции на устойчивость к болезням и вредителям (где в противном случае потребовалась бы инокуляция болезни или заражение вредителями). Иногда методы инокуляции ненадежны, а иногда инокуляция патогеном в полевых условиях запрещена даже по соображениям безопасности. Более того, иногда выражение зависит от условий окружающей среды.
  • На фенотип влияют два или более несвязанных гена (epistatis). Например, селекция по множеству генов, обеспечивающих устойчивость к болезням или насекомым-вредителям для пирамидирования генов .

Стоимость генотипирования (например, необходимых здесь анализов молекулярных маркеров) снижается, что повышает привлекательность MAS по мере продолжения разработки технологии. (Кроме того, стоимость фенотипирования, выполняемого человеком, - это бремя труда , которое выше в развитой стране и увеличивается в развивающейся стране.)

Шаги для MAS [ править ]

Как правило, первым шагом является картирование интересующего локуса гена или количественного признака (QTL) с использованием различных методов, а затем с использованием этой информации для выбора с помощью маркеров. Как правило, используемые маркеры должны быть близки к интересующему гену (<5 единиц рекомбинации или сМ), чтобы гарантировать, что только небольшая часть отобранных индивидуумов будет рекомбинантами. Обычно не только один маркер, но и два маркера используются, чтобы уменьшить вероятность ошибки из-за гомологичной рекомбинации. Например, если два фланкирующих маркера используются одновременно с интервалом между ними примерно 20 см, существует более высокая вероятность (99%) восстановления целевого гена.

Методы сопоставления QTL [ править ]

Основная статья: Quantitative_trait_locus § QTL_mapping

У растений картирование QTL обычно достигается с помощью двух родительских перекрестных популяций; получается помесь двух родителей, которые имеют противоположный фенотип интересующего признака. Обычно используемые популяции - это близкие к изогенным линиям (NIL), рекомбинантные инбредные линии (RIL), удвоенные гаплоиды (DH), обратный кросс и F 2 . Связь между фенотипом и маркерами, которые уже были картированы, тестируется в этих популяциях, чтобы определить положение QTL. Такие методы основаны на связывании и поэтому называются « сопоставлением связей ».

Одношаговое сопоставление MAS и QTL [ править ]

В отличие от двухэтапного картирования QTL и MAS, был разработан одноэтапный метод селекции типичных популяций растений. [13] [14]

При таком подходе в первые несколько циклов размножения маркеры, связанные с интересующим признаком, идентифицируются с помощью картирования QTL, а затем та же информация используется в той же популяции. При таком подходе структура родословной создается из семей, созданных путем скрещивания числа родителей (трех- или четырехстороннего скрещивания). И фенотипирование, и генотипирование выполняется с использованием молекулярных маркеров, отображающих возможное местоположение интересующего QTL. Это позволит идентифицировать маркеры и их благоприятные аллели. Как только эти благоприятные маркерные аллели будут идентифицированы, частота таких аллелей будет увеличена, и будет оценен ответ на выбор с помощью маркеров. Маркерный аллель (аллели) с желаемым эффектом будет в дальнейшем использоваться в следующем цикле отбора или других экспериментах.

Методы высокопроизводительного генотипирования [ править ]

Недавно были разработаны высокопроизводительные методы генотипирования, которые позволяют проводить скрининг многих генотипов с помощью маркеров. Это поможет заводчикам перейти от традиционного разведения к маркерной селекции. Одним из примеров такой автоматизации является использование роботов для выделения ДНК, капиллярного электрофореза и роботов-дозаторов.

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.

Использование MAS для обратного скрещивания [ править ]

Для передачи интересующего гена от донора (который может не быть адаптирован) к реципиенту (рекуррент - адаптированный сорт) требуется минимум пять или шесть поколений обратного скрещивания . Восстановление рецидивирующего генотипа можно ускорить с помощью молекулярных маркеров. Если F1 является гетерозиготным по маркерному локусу , люди с рекуррентным родительским аллелем (ами) в маркерном локусе в первом или последующих поколениях обратного скрещивания также будут нести хромосому, помеченную маркером.

Пирамидирование генов с помощью маркеров [ править ]

Пирамидирование генов было предложено и применено для повышения устойчивости к болезням и насекомым путем одновременного отбора двух или более двух генов. Например, для риса такие пирамиды были разработаны против бактериального ожога и бактериального заражения. Преимущество использования маркеров в этом случае позволяет выбрать маркеры, связанные с QTL-аллелем, которые обладают одинаковым фенотипическим эффектом.

MAS также оказался полезным для улучшения животноводства . [15]

Скоординированные усилия по внедрению селекции с помощью маркеров пшеницы ( Triticum turgidum и Triticum aestivum ) в США, а также ресурсы по селекции с помощью маркеров существуют на веб-сайте Wheat CAP (Скоординированный сельскохозяйственный проект) .

См. Также [ править ]

  • Сопоставление ассоциаций
  • Отображение QTL на основе семейства
  • Геномика одомашнивания
  • История селекции растений
  • Молекулярное разведение
  • Сопоставление вложенных ассоциаций
  • Отображение QTL
  • Методы селекции в селекции растений по способу размножения
  • Умное разведение

Ссылки [ править ]

  1. ^ обзор МАС в селекции растений
  2. ^ Рибо, Ж.-М. и др., Генетические основы физиологических признаков. В журнале «Применение физиологии в селекции пшеницы», СИММИТ, Мексика, 2001 г.
  3. ^ Рибо, Ж.-М. и Хойзингтон, Д. А., Отбор с помощью маркеров: новые инструменты и стратегии. Trends Plant Sci., 1998, 3, 236–239.
  4. ^ Rosyara, UR 2006. ТРЕБОВАНИЕ НАДЕЖНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАРКЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ Селекции растений. Журнал породы растений. Gr. 1: 67 - 72. Нажмите, чтобы скачать
  5. ^ a b c Деккерс, Джек СМ; Больница, Фредерик (2002). «Использование молекулярной генетики в улучшении сельскохозяйственных популяций». Природа Обзоры Генетики . ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа" . 3 (1): 22–32. DOI : 10.1038 / nrg701 . ISSN  1471-0056 .
  6. ^ Сакс, Карл. «Связь разницы в размерах с рисунком семенной оболочки и пигментацией Phaseolus Vulgaris» (PDF) . Национальный центр биотехнологической информации . Проверено 8 марта 2021 года .
  7. ^ Rasmusson, J. (1935). «Исследования о наследовании количественных признаков в писуме» . Наследие. С. 161–180. DOI : 10.1111 / j.1601-5223.1935.tb03184.x . Проверено 8 марта 2021 года .
  8. ^ Вилли Х. Верхей, изд. (2010). «Селекция и генетика». Почвы, роста растений и растениеводства Том I . Издательство Eolss. п. 201. ISBN 978-1-84826-367-3.
  9. ^ Гусь Miah, Мохд Ю. Rafii, Мохда 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 болезням, вызванным взрывом» . Int. J. Mol. Sci . 14 (11): 22499–22528. DOI : 10.3390 / ijms141122499 . PMC 3856076 . PMID 24240810 .  CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  10. ^ "положительный отбор" . Scitable . Природа . Проверено 29 сентября 2011 года .
  11. ^ «отрицательный выбор» . Scitable . Природа . Проверено 29 сентября 2011 года .
  12. ^ Новицки, Марцин; и другие. (26 октября 2013 г.), Больше, чем кажется на первый взгляд: многолетний анализ экспрессивности стерильности томатов в линиях ps и ps-2 (PDF) , Австралийский журнал растениеводства, 7 (13): 2154–2161; Southern Cross Publishing , получено 29 октября 2013 г.
  13. ^ Rosyara, UR; К.Л. Максон-Штайн; К.Д. Гловер; JM Stein; JL Gonzalez-Hernandez. 2007. Семейное картирование QTL устойчивости к FHB в гексаплоидной пшенице. Труды Национального форума по борьбе с фузариозом, 2–4 декабря 2007 г., Канзас-Сити, Миссури.
  14. ^ Rosyara UR, JL Гонсалес-Hernandez, KD Гловер, KR Gedye и JM Stein. 2009. Семейное картирование локусов количественных признаков в селекционных популяциях растений с устойчивостью к фузариозу пшеницы в качестве иллюстрации. Теоретическая прикладная генетика. 118: 1617–1631.
  15. ^ "Коммерческое применение селекции с помощью маркеров и генов в животноводстве: стратегии и уроки, февраль 2004 г. Журнал зоотехники 82 E-Suppl: E313-328 DOI: 10.2527 / 2004.8213_supplE313x Jack CM Dekkers". DOI : 10.2527 / 2004.8213_supplE313x . PMID 15471812 . S2CID 25409490 .   Цитировать журнал требует |journal=( помощь )

Дальнейшее чтение [ править ]

  • рассмотреть применение MAS в улучшении урожая [ постоянная мертвая ссылка ]
  • Коллард, Бертран CY; Маккилл, 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. DOI : 10.1098 / rstb.2007.2170 . ISSN  0962-8436 . PMC  2610170 . PMID  17715053 .
  • Гупта, ПК; Лэнгридж, Питер; Мир, Р.Р. (11 декабря 2009 г.). «Маркерная селекция пшеницы: текущее состояние и будущие возможности». Молекулярное разведение . 26 (2): 145–161. DOI : 10.1007 / s11032-009-9359-7 . ISSN  1380-3743 .
  • Moose, Стивен П .; Мумм, Рита Х. (1 июля 2008 г.). «Молекулярная селекция растений как основа улучшения сельскохозяйственных культур в 21 веке» . Физиология растений . 147 (3): 969–977. DOI : 10.1104 / pp.108.118232 . ISSN  1532-2548 . PMC  2442525 . PMID  18612074 .
  • Селекция и геномика растений