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 изменения 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 селекции растений и животных . [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 исследуются, чтобы убедиться, что они проявляют желаемый признак.
В настоящее время в большинстве работ MAS используются маркеры на основе ДНК. [5] Однако первыми маркерами, которые позволили 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:
Следующие термины, как правило, менее актуальны для обсуждения MAS в селекции растений и животных, но весьма актуальны в исследованиях в области молекулярной биологии:
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.
Интересующий ген непосредственно вызывает выработку белка(ов) или РНК, которые производят 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 высокой степенью 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 цитата ]
Идеальный маркер:
Морфологические маркеры связаны с несколькими общими недостатками, которые снижают их полезность, включая:
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 картированы на различных хромосомах 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.
«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, цветом и архитектурой целых растений, и часто носят 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 из-за трудно обнаруживаемого однонуклеотидного полиморфизма , внешний маркер (будь то другой ген или полиморфизм, который легче обнаружить, например, короткий тандемный повтор ) может показаться наиболее реалистичным вариантом.
Существует несколько показаний к использованию молекулярных маркеров при селекции генетического признака.
Такие ситуации, как:
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.)
Обычно первым шагом является картирование интересующего локуса гена или количественного признака (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%).
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 ».
В отличие от двухэтапного QTL-картирования и MAS разработан одноэтапный метод селекции типичных популяций растений. [13] [14]
При таком подходе в первых нескольких циклах размножения маркеры, связанные с интересующим признаком, идентифицируются путем картирования QTL, а позже 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.
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]
Для передачи интересующего гена от донора (может быть не адаптированным) реципиенту (рекуррентный – адаптированный сорт) требуется минимум пять или шесть поколений обратного скрещивания . 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.
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).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )