Войти
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. Этот процесс был широко исследован и предложен для селекции растений и животных.
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.
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 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.). В 1935 г. Дж. Расмуссон продемонстрировал связь времени цветения (количественный признак) у гороха с просто унаследованным геном окраски цветов.
Маркеры могут быть:
Следующие термины обычно менее актуальны для обсуждения MAS в селекции растений и животных, но имеют большое значение в исследованиях молекулярной биологии:
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 маркеры, а не выбираемые маркеры.
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 представляющим интерес геном. Интересующий ген и маркер имеют тенденцию перемещаться вместе во время сегрегации гамет из-за их близости на одной и той же хромосоме и сопутствующего снижения рекомбинации (событий кроссовера хромосом) 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, потому что проверка генотипа является косвенным тестом интересующего признака или фенотипа.
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 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.
«Основные гены», отвечающие за экономически важные характеристики, часто встречаются в царстве растений. Такие характеристики включают устойчивость к болезням, мужскую стерильность, несовместимость с самими собой 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 по трудно определяемому однонуклеотидному полиморфизму, внешнему маркеру (будь то другой ген или полиморфизм, который легче обнаружить, например, короткий тандемный повтор ) может представить как наиболее реалистичный вариант.
Есть несколько показаний к использованию молекулярных маркеров при выборе генетического признака.
Такие ситуации как:
Стоимость генотипирования (например, необходимых здесь анализов молекулярных маркеров) снижается, что увеличивает 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.)
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 (lt;5 рекомбинационных единиц 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.
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 ».
В отличие от двухэтапного картирования QTL и MAS, был разработан одноэтапный метод селекции типичных популяций растений.
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.
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.
Для селекции сельскохозяйственных культур необходимы высокопроизводительные MAS, поскольку существующие методы неэффективны с точки зрения затрат. Массивы для риса были разработаны Масуле и др. В 2009 г.; пшеница Берарда и др. в 2009 г., Бернардо и др. в 2015 г. и Рашида и др. в 2016 г.; бобовые по Варшнею и др., 2016; и различные другие культуры, но все они также имеют проблемы с настройкой, стоимостью, гибкостью и стоимостью оборудования.
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 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.
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).
