Отбор с помощью маркера

Селекция с помощью маркеров или селекция с помощью маркеров ( MAS ) — это процесс непрямого отбора, при котором интересующий признак выбирается на основе маркера ( морфологического , биохимического или ДНК / РНК- изменения), связанного с интересующим признаком (например, производительностью, устойчивостью к болезням, устойчивостью к абиотическим стрессам и качеством), а не на самом признаке. ^{[1] [2] [3] [4] [5]} Этот процесс был широко исследован и предложен для селекции растений и животных . ^[5]

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

Типы маркеров

Большинство работ MAS в настоящее время используют маркеры на основе ДНК. ^[5] Однако первыми маркерами, которые позволили проводить косвенный отбор интересующего признака, были морфологические маркеры. В 1923 году Карл Сакс впервые сообщил об ассоциации просто наследуемого генетического маркера с количественным признаком у растений, когда он наблюдал сегрегацию размера семян, связанную с сегрегацией маркера цвета оболочки семян у фасоли ( Phaseolus vulgaris L.). ^[6] В 1935 году Дж. Расмуссон продемонстрировал связь времени цветения (количественный признак) у гороха с просто наследуемым геном окраски цветков. ^[7]

Маркеры могут быть:

• Морфологические — Это были первые доступные маркерные локусы , которые оказывают очевидное влияние на морфологию растений. Эти маркеры часто можно обнаружить на глаз, путем простого визуального осмотра. Примерами этого типа маркеров являются наличие или отсутствие ости , окраска листовой оболочки, высота, цвет зерна, аромат риса и т. д. У хорошо охарактеризованных культур, таких как кукуруза , томат , горох, ячмень или пшеница , десятки или сотни генов, определяющих морфологические признаки, были сопоставлены с определенными участками хромосом.
• Биохимический — белок, который можно извлечь и наблюдать; например, изоферменты и запасные белки .
• Цитологический — Цитологические маркеры — это хромосомные особенности, которые можно определить с помощью микроскопии. Они обычно принимают форму хромосомных полос, областей хроматина , которые пропитываются специфическими красителями, используемыми в цитологии . Наличие или отсутствие хромосомной полосы может быть соотнесено с определенным признаком, указывая на то, что локус, ответственный за признак, расположен внутри или вблизи (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 — Включаямикросателлиты (также известные как короткие тандемные повторы, STR, или простые повторы последовательностей, SSR),полиморфизм длины рестрикционных фрагментов(RFLP),случайная амплификация полиморфной ДНК(RAPD),полиморфизм длины амплифицированных фрагментов(AFLP) и полиморфизмы отдельных нуклеотидов (SNP).^[9]

Положительные и отрицательные селективные маркеры

Следующие термины, как правило, менее актуальны для обсуждения MAS в селекции растений и животных, но весьма актуальны в исследованиях молекулярной биологии:

• Положительные селективные маркеры — это селективные маркеры, которые предоставляют селективное преимущество организму-хозяину. ^[10] Примером может служить устойчивость к антибиотикам, которая позволяет организму-хозяину выживать при селекции антибиотиками.
• Отрицательные селективные маркеры — это селективные маркеры, которые устраняют или подавляют рост организма-хозяина при отборе. ^[11] Примером может служить тимидинкиназа , которая делает хозяина чувствительным к отбору ганцикловира .

Можно провести различие между селективными маркерами (которые исключают определенные генотипы из популяции) и скрининговыми маркерами (которые делают определенные генотипы легко идентифицируемыми, и в этот момент экспериментатор должен «подсчитать» или оценить популяцию и действовать, чтобы сохранить предпочтительные генотипы). Большинство MAS используют скрининговые маркеры, а не селективные маркеры.

Ген против маркера

Ген интереса напрямую вызывает выработку белка(ов) или РНК, которые производят желаемый признак или фенотип, тогда как маркеры (последовательность ДНК или морфологические или биохимические маркеры, производимые из-за этой ДНК) генетически связаны с геном интереса. Ген интереса и маркер имеют тенденцию перемещаться вместе во время сегрегации гамет из-за их близости на одной хромосоме и сопутствующего снижения рекомбинации ( событий кроссинговера хромосом) между маркером и геном интереса. Для некоторых признаков ген интереса был обнаружен, и наличие желаемых аллелей может быть напрямую проанализировано с высокой степенью достоверности. Однако, если ген интереса неизвестен, маркеры, связанные с геном интереса, все равно могут использоваться для отбора особей с желаемыми аллелями гена интереса. При использовании маркеров могут быть некоторые неточные результаты из-за неточных тестов на маркер. Также могут быть ложноположительные результаты при использовании маркеров из-за рекомбинации между маркером интереса и геном (или QTL). Идеальный маркер не даст ложноположительных результатов. Термин «идеальный маркер» иногда используется, когда тесты проводятся 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 уместно использовать при прямом анализе интересующего гена, поскольку тест генотипа является косвенным тестом интересующего признака или фенотипа. ^{[ необходима цитата ]}

Важные свойства идеальных маркеров для MAS

Идеальный маркер:

• Имеет легкое распознавание фенотипов - в идеале все возможные фенотипы ( гомо- и гетерозиготы ) из всех возможных аллелей
• Демонстрирует измеримые различия в выражении между типами признаков или аллелями интересующего гена на ранних этапах развития организма.
• Тестирование на маркер не имеет переменного успеха в зависимости от аллеля в маркерном локусе или аллеля в целевом локусе (ген интереса, определяющий интересующий признак).
• Низкое или нулевое взаимодействие между маркерами, что позволяет использовать их одновременно в сегрегирующей популяции.
• В изобилии по количеству
• Полиморфный

Недостатки морфологических маркеров

Морфологические маркеры связаны с несколькими общими недостатками, которые снижают их полезность, в том числе:

• задержка экспрессии маркера до позднего этапа развития организма
• позволяя доминированию скрывать лежащую в основе генетику
• плейотропия , которая не позволяет делать простые и экономные выводы из одного гена относительно одного признака
• искажающие эффекты генов, не связанных с интересующим геном или признаком, но которые также влияют на морфологический маркер ( эпистаз )
• частое сопутствующее воздействие факторов окружающей среды, которые влияют на морфологические характеристики организма

Чтобы избежать проблем, характерных для морфологических маркеров, были разработаны маркеры на основе ДНК. Они высокополиморфны , демонстрируют простое наследование (часто кодоминантное), 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 у нескольких культур, включая рис, пшеницу, кукурузу, сою и несколько других, а также у домашнего скота, такого как крупный рогатый скот, свиньи и куры. Эти маркеры использовались в анализе разнообразия, определении происхождения, ДНК-дактилоскопии и прогнозировании гибридной производительности. Молекулярные маркеры полезны в процессах непрямого отбора, позволяя вручную выбирать особей для дальнейшего размножения.

Отбор по основным генам, связанным с маркерами

«Основные гены», которые отвечают за экономически важные характеристики, часто встречаются в растительном мире. К таким характеристикам относятся устойчивость к болезням, мужская 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 обусловлены, например, более высокой экспрессией маркерной мРНК в таких 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 представлять собой наиболее реалистичный вариант.

Ситуации, благоприятные для выбора молекулярных маркеров

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

Такие ситуации как:

• Выбранный признак проявляется на поздних стадиях развития растения, например, признаки плодов и цветков или признаки взрослых особей в ювенильном периоде (чтобы не было необходимости ждать полного развития организма, прежде чем можно было бы принять меры для размножения).
• Экспрессия целевого гена является рецессивной (поэтому особи, которые являются гетерозиготными и положительными 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 (где в противном случае потребовалась бы инокуляция болезнью или подверженность вредителям). Иногда методы инокуляции ненадежны, а иногда полевая инокуляция патогеном даже не допускается из соображений безопасности. Более того, иногда экспрессия зависит от условий окружающей среды.
• На фенотип влияют два или более несцепленных гена (эпистатис). Например, отбор по нескольким генам, которые обеспечивают устойчивость к болезням или насекомым-вредителям для пирамидирования генов .

Стоимость генотипирования (например, необходимых здесь молекулярных маркерных анализов) снижается, что повышает привлекательность MAS по мере дальнейшего развития технологии. (Кроме того, стоимость фенотипирования, выполняемого человеком, является трудозатратной , которая выше в развитой стране и увеличивается в развивающейся стране.)

Шаги для MAS

Обычно первым шагом является картирование интересующего гена или количественного признака (QTL) с помощью различных методов, а затем использование этой информации для селекции с помощью маркеров. Обычно используемые маркеры должны быть близки к интересующему гену (<5 единиц рекомбинации или сМ), чтобы гарантировать, что только незначительная часть выбранных особей будет рекомбинантами. Обычно используется не только один маркер, а скорее два маркера, чтобы снизить вероятность ошибки из-за гомологичной рекомбинации. Например, если два фланкирующих маркера используются одновременно с интервалом между ними примерно в 20 сМ, существует более высокая вероятность (99%) восстановления целевого гена.

Методы картирования QTL

В растениях картирование QTL обычно достигается с помощью двуродительских кросс-популяций; разрабатывается скрещивание между двумя родителями, которые имеют контрастный фенотип для интересующего признака. Обычно используемые популяции - это почти изогенные линии (NIL), рекомбинантные инбредные линии (RIL), двойные гаплоиды (DH), обратное скрещивание и F ₂ . Сцепление между фенотипом и маркерами, которые уже были картированы, проверяется в этих популяциях для определения положения QTL. Такие методы основаны на сцеплении и поэтому называются « картированием сцепления ».

Одношаговое картирование MAS и QTL

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

При таком подходе в первых нескольких циклах разведения 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, которые создаются путем скрещивания ряда родителей (при трех- или четырехсторонних скрещиваниях). Как фенотипирование, так и генотипирование выполняется с использованием молекулярных маркеров, отображающих возможное расположение интересующего QTL. Это позволит определить маркеры и их благоприятные аллели. После того, как эти благоприятные аллели маркеров будут идентифицированы, частота таких аллелей будет увеличена, и будет оценен ответ на селекцию с помощью маркеров. Аллель(и) маркера с желаемым эффектом будут далее использоваться в следующем цикле отбора или других экспериментах.

Высокопроизводительные методы генотипирования

Недавно были разработаны высокопроизводительные методы генотипирования, которые позволяют проводить скрининг с помощью маркеров для многих генотипов. Это поможет селекционерам перейти от традиционной селекции к отбору с помощью маркеров. Одним из примеров такой автоматизации является использование роботов для выделения ДНК, капиллярного электрофореза и роботов для пипетирования.

Одним из последних примеров капиллярной системы является генетический анализатор Applied Biosystems 3130. Это последнее поколение приборов для 4-капиллярного электрофореза для лабораторий с низкой и средней пропускной способностью.

Высокопроизводительный MAS необходим для селекции сельскохозяйственных культур , поскольку существующие методы не являются экономически эффективными. Массивы были разработаны для риса Масуле и др. 2009; пшеницы Берардом и др. 2009, Бернардо и др. 2015 и Рашидом и др. 2016; бобовых Варшни и др. 2016; и различных других культур, но все они также имеют проблемы с настройкой, стоимостью, гибкостью и стоимостью оборудования. ^[15]

Использование MAS для обратного скрещивания

Для передачи интересующего гена от донора (может быть неадаптированным) к реципиенту (возвратный – адаптированный сорт) требуется минимум пять или шесть поколений обратного скрещивания . Восстановление возвратного генотипа можно ускорить с помощью молекулярных маркеров. Если F1 гетерозиготен по маркерному локусу , особи с возвратным родительским аллелем(ями) в маркерном локусе в первом или последующих поколениях обратного скрещивания также будут нести хромосому, помеченную маркером.

Пирамидирование генов с помощью маркеров

Пирамидирование генов было предложено и применено для повышения устойчивости к болезням и насекомым путем выбора двух или более генов одновременно. Например, в рисе такие пирамиды были разработаны против бактериального ожога и пирикуляриоза. Преимущество использования маркеров в этом случае позволяет выбирать QTL-аллель-сцепленные маркеры, которые имеют тот же фенотипический эффект.

MAS также доказал свою полезность для улучшения поголовья скота . ^[16]

Скоординированные усилия по внедрению маркер-ассистированной селекции пшеницы ( твердой ( Triticum turgidum ) и мягкой пшеницы ( Triticum aestivum )) в США, а также ресурс по маркер-ассистированной селекции представлены на веб-сайте Wheat CAP (Координированный сельскохозяйственный проект).

Смотрите также

• Ассоциативное картирование
• Картирование QTL на основе семейства
• Геномика одомашнивания
• История селекции растений
• Молекулярное разведение
• Вложенное сопоставление ассоциаций
• QTL-картирование
• Методы отбора в селекции растений по способу размножения
• Умное разведение

Ссылки

1. "Химия |". www.uoguelph.ca .
2. Рибо, Ж.-М. и др., Генетическая основа физиологических признаков. В книге «Применение физиологии в селекции пшеницы», CIMMYT , Мексика , 2001.
3. Рибо, Ж.-М. и Хойсингтон, Д.А., Маркерная селекция: новые инструменты и стратегии. Тенденции в науке о растениях , 1998, 3, 236–239.
4. Rosyara, UR 2006. ТРЕБОВАНИЕ НАДЕЖНОЙ ТЕХНОЛОГИИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАРКЕРОВ ДЛЯ ПРИЛОЖЕНИЙ В СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ. Журнал группы по селекции растений 1: 67 – 72. нажмите, чтобы загрузить
5. Dekkers, Jack CM; Hospital, Frédéric (2002). «Использование молекулярной генетики в улучшении сельскохозяйственных популяций». Nature Reviews Genetics . 3 (1). Springer Science and Business Media LLC : 22–32. doi : 10.1038/nrg701. ISSN  1471-0056. PMID  11823788. S2CID  32216266.
6. Сакс, Карл (1923). «Связь различий в размерах с рисунком семенной кожуры и пигментацией у Phaseolus Vulgaris». Генетика . 8 (6): 552–560. doi :10.1093/genetics/8.6.552. PMC 1200765. PMID  17246026 . 
7. Расмуссон, Дж. (1935). «Исследования по наследованию количественных признаков у Pisum ». Hereditas . 20 (1–2): 161–180. doi :10.1111/j.1601-5223.1935.tb03184.x.
8. Вилли Х. Верхайе, ред. (2010). «Селекция растений и генетика». Почвы, рост растений и производство сельскохозяйственных культур, том I. Eolss Publishers. стр. 201. ISBN 978-1-84826-367-3.
9. Gous Miah; Mohd Y. Rafii; Mohd R. Ismail; Adam B. Puteh; Harun A. Rahim; Kh. Nurul Islam; Mohammad Abdul Latif (2013). «Обзор микросателлитных маркеров и их применение в программах селекции риса для повышения устойчивости к пирикуляриозу». International Journal of Molecular Sciences . 14 (11). MDPI : 22499–22528. doi : 10.3390/ijms141122499 . PMC 3856076. PMID  24240810 . 
10. "положительный отбор". Scitable . Nature . Получено 29 сентября 2011 г. .
11. "отрицательный отбор". Scitable . Nature . Получено 29 сентября 2011 г. .
12. Новицки, 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) , Australian Journal of Crop Science , 7 (13), Southern Cross Publishing: 2154–2161 , получено 29 октября 2013 г.
13. Rosyara, UR; KL Maxson-Stein; KD Glover; JM Stein; JL Gonzalez-Hernandez. 2007. Картирование QTL устойчивости к FHB на основе семейств в гексаплоидной пшенице. Труды Национального форума по фузариозу колоса, 2–4 декабря 2007 г., Канзас-Сити, шт. Миссури.
14. Rosyara UR, JL Gonzalez-Hernandez, KD Glover, KR Gedye и JM Stein. 2009. Картографирование локусов количественных признаков на основе семей в популяциях селекционных растений с устойчивостью к фузариозу колоса пшеницы в качестве иллюстрации. Теоретическая прикладная генетика 118:1617–1631
15. Рашид, Авайс; Хао, Юаньфэн; Ся, Сяньчунь; Хан, Авайс; Сюй, Юньби; Варшни, Раджив К.; Хэ, Чжунху (2017). «Чипы для селекции сельскохозяйственных культур и платформы генотипирования: прогресс, проблемы и перспективы». Molecular Plant . 10 (8). Elsevier : 1047–1064. doi : 10.1016/j.molp.2017.06.008 . ISSN  1674-2052. PMID  28669791. S2CID  33780984. Chin Acad Sci + Chin Soc Plant Bio + Shanghai Inst Bio Sci .
16. Деккерс, Дж. К. (2004). «Коммерческое применение селекции с использованием маркеров и генов в животноводстве: стратегии и уроки». Журнал Animal Science . 82 (E–Suppl): E313-328. doi :10.2527/2004.8213_supplE313x (неактивен 12 сентября 2024 г.). PMID  15471812. S2CID  25409490.{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2024 г. ( ссылка )

Дальнейшее чтение

• обзор применения MAS в улучшении урожая ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Collard, Bertrand CY; Mackill, David J. (12 февраля 2008 г.). «Селекция с помощью маркеров: подход к точной селекции растений в двадцать первом веке». Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 363 (1491): 557–572. doi :10.1098/rstb.2007.2170. ISSN  0962-8436. PMC  2610170 . PMID  17715053.
• Гупта, ПК; Лэнгридж, Питер; Мир, РР (11 декабря 2009 г.). «Селекция пшеницы с помощью маркеров: текущее состояние и будущие возможности». Молекулярная селекция . 26 (2): 145–161. doi :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 21 веке». Физиология растений . 147 (3). Oxford University Press (OUP): 969–977. doi :10.1104/pp.108.118232. ISSN  1532-2548. PMC 2442525.  PMID 18612074.  Американское общество биологов растений .
• Селекция растений и геномика