Выбор с помощью маркера - Marker-assisted selection

Выбор с помощью маркера или же выбор с помощью маркера (МАС) - это процесс косвенного отбора, в котором черта представляющих интерес выбирается на основе маркер (морфологический, биохимический или же ДНК /РНК вариации), связанных с интересующим признаком (например, продуктивностью, устойчивостью к болезням, устойчивостью к абиотическим стрессам и качеством), а не с самим признаком.[1][2][3][4] Этот процесс был тщательно исследован и предложен для растение и животноводство.

Например, использование MAS для отбора людей с устойчивостью к болезням включает идентификацию маркера. аллель это связано с устойчивостью к болезням, а не с уровнем устойчивости к болезням. Предполагается, что маркер на высокой частоте ассоциируется с ген или же локус количественного признака (QTL), представляющий интерес, из-за генетического сцепления (непосредственная близость на хромосоме маркерного локуса и локуса, определяющего устойчивость к заболеванию). MAS может быть полезен для выбора признаков, которые сложно или дорого измерить, демонстрируют низкие наследственность и / или выражены на поздней стадии развития. В определенные моменты процесса разведения особи исследуются, чтобы убедиться, что они выражают желаемый признак.

Типы маркеров

В настоящее время в большинстве работ по MAS используются маркеры на основе ДНК. Однако первыми маркерами, которые позволили косвенно выбрать интересующий признак, были морфологические маркеры. В 1923 году Сакс[ВОЗ? ] первая сообщенная ассоциация просто унаследованного генетический маркер с количественным признаком у растений, когда он наблюдал сегрегацию размера семян, связанную с сегрегацией маркера цвета оболочки семян в бобах (Phaseolus vulgaris Л.). В 1935 году Расмуссон продемонстрировал связь времени цветения (количественный признак) с горох с просто унаследованным геном окраски цветов.[нужна цитата ]

Маркеры могут быть:

  • Морфологический - Эти маркеры часто можно обнаружить на глаз при простом визуальном осмотре. Примеры этого типа маркера включают наличие или отсутствие ость, окраска оболочки листа, высота, цвет зерна, аромат рис и т.д. В хорошо охарактеризованных культурах, таких как кукуруза, помидор, горох, ячмень или же пшеница десятки или сотни генов, определяющих морфологические признаки, были нанесены на карту в определенных местах хромосом.
  • Биохимический - белок, который можно извлечь и наблюдать; Например, изоферменты и хранение белки.
  • Цитологический - Цитологические маркеры хромосомный особенности, которые можно идентифицировать с помощью микроскопии. Обычно они имеют форму полос хромосом, областей хроматин которые пропитываются особыми красителями, используемыми в цитология. Наличие или отсутствие полоса хромосомы может быть коррелирован с конкретным признаком, указывая на то, что локус, ответственный за признак, расположен внутри или рядом (тесно связан) с полосатой областью. Морфологические и цитологические маркеры легли в основу ранних генетических исследований таких сельскохозяйственных культур, как пшеница и кукуруза.[5]
  • На основе ДНК- Включая микроспутники (также известные как короткие тандемные повторы, STR или простые повторы последовательности, SSR), полиморфизма длин рестрикционных фрагментов (RFLP), случайная амплификация полиморфной ДНК (РАПД), полиморфизм длины амплифицированного фрагмента (AFLP) и однонуклеотидные полиморфизмы (SNP).[6]

Положительные и отрицательные выбираемые маркеры

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

  • Положительный селектируемые маркеры представляют собой селективные маркеры, которые придают селективное преимущество организму-хозяину.[7] Примером может служить устойчивость к антибиотикам, которая позволяет организму-хозяину выжить при выборе антибиотика.
  • Отрицательный селектируемые маркеры представляют собой селектируемые маркеры, которые устраняют или ингибируют рост организма-хозяина при селекции.[8] Примером может быть тимидинкиназа, что делает хост чувствительным к ганцикловир выбор.

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

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. Представляющий интерес ген и маркер имеют тенденцию перемещаться вместе во время сегрегации гамет из-за их близости на одной хромосоме и сопутствующего снижения рекомбинация (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. 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 прямой причиной интересующего признака. Термин «маркер» по-прежнему уместен для использования при прямом анализе интересующего гена, потому что тест генотипа является косвенным тестом интересующего признака или фенотипа.[нужна цитата ]

Важные свойства идеальных маркеров для МАС

Идеальный маркер:

  • Легкое распознавание всех возможных фенотипов (гомо - и гетерозиготы ) от всех разных аллелей
  • Демонстрирует измеримые различия в экспрессии между типами признаков или интересующими 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 многие одновременно в сегрегационной популяции
  • В изобилии
  • Полиморфный

Недостатки морфологических маркеров

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

  • задержка экспрессии маркера до поздней стадии развития организма
  • господство
  • вредные эффекты
  • плейотропия
  • смешанные эффекты генов, не связанных с интересующим геном или признаком, но которые также влияют на морфологический маркер (эпистаз )
  • редкий полиморфизм
  • 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 полиморфный, проявляют простое наследование (часто кодоминантное), многочисленны по всему геному, легко и быстро обнаруживаются, обладают минимальным плейотропным эффектом 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

«Основные гены», отвечающие за экономически важные характеристики, часто встречаются в царстве растений. К таким характеристикам относятся устойчивость к болезням, мужское бесплодие,[9] самонесовместимость и другие, связанные с формой, цветом и архитектурой целых растений, часто носят моно- или олигогенный характер. 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 трудностью для обнаружения однонуклеотидный полиморфизм, внешний маркер (будь то другой ген или полиморфизм, который легче обнаружить, например, короткий тандемный повтор ) может быть представлен как наиболее реалистичный вариант.

Ситуации, благоприятные для выбора молекулярного маркера

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

В таких ситуациях:

  • 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 организовать размножение)
  • экспрессия целевого гена рецессивна (так что индивидуумы, гетерозиготный положительный для рецессивного аллеля может быть скрещенный произвести некоторое гомозиготное потомство с желаемым признаком)
  • требуется наличие особых условий для того, чтобы вызвать экспрессию целевого гена (ов), как в случае селекции на устойчивость к болезням и вредителям (где в противном случае потребовалось бы заражение болезнью или заражение вредителями). Это преимущество проистекает из ошибок из-за ненадежных методов посева и того факта, что полевой посев патогена не допускается во многих областях по соображениям безопасности. Более того, можно избежать проблем с распознаванием экологически нестабильных генов.
  • на фенотип влияют два или более несвязанных гена (epistatis). Например, селекция по множеству генов, обеспечивающих устойчивость к болезням или насекомым-вредителям для пирамидирование генов.

Цена генотипирование (пример анализа молекулярных маркеров) снижается, в то время как стоимость фенотипирование растет[нужна цитата ] особенно в развитых странах, что увеличивает привлекательность MAS по мере продолжения развития технологии.

Шаги для МАС

Обычно первый шаг - это карта ген или локус количественного признака (QTL) сначала 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 блок рекомбинации или cM), чтобы гарантировать, что только небольшая часть отобранных индивидуумов будет рекомбинантами. Как правило, используют не только один маркер, а, скорее, два маркера, 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 отображения QTL

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), задний крест и F2. Связь между фенотипом и маркерами, которые уже были нанесены на карту, тестируется в этих популяциях, чтобы определить положение QTL. Такие методы основаны на связывании и поэтому называются "сопоставление связей ".A

Одношаговое сопоставление MAS и QTL

В отличие от двухэтапного картирования QTL и MAS, был разработан одноэтапный метод селекции типичных популяций растений.[10][11]

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). Как фенотипирование, так 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 (ы) с желаемым эффектом будет в дальнейшем использоваться в следующем цикле отбора или других экспериментах.

Методы высокопроизводительного генотипирования

В последнее время разработаны высокопроизводительные методы генотипирования, которые позволяют проводить скрининг многих генотипов с помощью маркеров. Это поможет заводчикам перейти от традиционной селекции 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 МАС для обратного скрещивания

Минимум пять-шесть-обратное скрещивание поколения должны передать интересующий ген от донора (не может быть адаптирован) реципиенту (рекуррент - адаптированный сорт). Восстановление рецидивирующего генотипа можно ускорить с помощью молекулярных маркеров. Если F1 гетерозиготен по маркеру локус, лица с повторяющимся родителем аллель (ы) в маркерном локусе в первом или последующих поколениях обратного скрещивания также будет нести хромосому, помеченную маркером.

Пирамидирование генов с помощью маркеров

Пирамидирование генов было предложено и применено для повышения устойчивости к болезням и насекомым путем отбора двух или более чем двух генов одновременно. Например, для риса такие пирамиды были разработаны против бактериального ожога и бактериального заражения. Преимущество использования маркеров в этом случае позволяет отбирать маркеры, связанные с QTL-аллелем, которые имеют такой же фенотипический эффект.

MAS также оказался полезным для домашний скот улучшение.[12]

Скоординированные усилия по внедрению пшеницы (Тритикум тургидум и Triticum aestivum ) Выбор с помощью маркеров в США, а также ресурсы для выбора с помощью маркеров существуют в Веб-сайт САР (Скоординированный сельскохозяйственный проект) по пшенице.

Смотрите также

Рекомендации

  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. ^ Росяра, У. 2006. ТРЕБОВАНИЕ НАДЕЖНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАРКЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ РАСТЕНИЙ. Журнал породы растений. Gr. 1: 67 - 72. нажмите, чтобы скачать
  5. ^ Вилли Х. Верхей, изд. (2010). «Селекция и генетика». Почвы, рост растений и растениеводство Том I. Издательство Eolss. п. 201. ISBN  978-1-84826-367-3.
  6. ^ Гус Миах, 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 взрывным болезням». Int. J. Mol. Наука. 14 (11): 22499–22528. Дои:10.3390 / ijms141122499. ЧВК  3856076. PMID  24240810.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  7. ^ "положительный отбор". Scitable. Природа. Получено 29 сентября 2011.
  8. ^ «отрицательный отбор». Scitable. Природа. Получено 29 сентября 2011.
  9. ^ Новицки, Марчин; и другие. (26 октября 2013 г.), Больше, чем кажется на первый взгляд: многолетний экспресс-анализ стерильности томатов в линиях ps и ps-2 (PDF), Австралийский журнал растениеводства, 7 (13): 2154–2161; Издательство Южного Креста, получено 29 октября 2013
  10. ^ Rosyara, U.R .; К.Л. Максон-Штейн; К.Д. Гловер; J.M. Stein; J.L. 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.
  11. ^ Росиара У.Р., Х.Л. Гонсалес-Эрнандес, К.Д. Гловер, К. Gedye и J.M. 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
  12. ^ "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 Джек К. М. Деккерс". Дои:10.2527 / 2004.8213_supplE313x. PMID  15471812. S2CID  25409490. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

дальнейшее чтение