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1、染色体代换系创制,主讲人：程 卯 2018年9月,染色体工程（chromosome engineering）,是人们按照一定的设计，有计划地消减、添加或代换同种或异种染色体，从而达到定向改变遗传特性和选育新品种的一种技术。,一、 染色体片段代换系,二、染色体片段代换的分类,三、染色体片段代换系的创制,四、染色体片段代换系的特点,五、染色体片段代换系的特点,六、染色体片段代换系的特点,一、 染色体片段代换系,染色体代换的概念,染色体代换包括整条染色体代换和染色体片断的代换。,染色体片段代换系(chromosomal segment substitution lines,CSSL)，又称为染色体片
2、段导入系(chromosomal segment introgression lines,CSIL)，是用亲本杂交、回交和分子标记辅助选择(marker-assisted selection,MAS) 技术建立的一系列近等基因系(near-isogenic lines，NIL)。CSSL可以提高对复杂农艺性状基因定位的精确性，尤其是具有遗传效应较小的数量性状基因位点，并进行遗传效应分析。在生产实践中，CSSL已应用于多种作物中。,该群体后代自交不会发生性状分离，可以稳定遗传。群体内整个染色体组只存在少数几个甚至一个代换片段差异，该群体与其受体亲本间在遗传背景上只有代换片段上的差异，是永久性分离
3、群体，遗传背景简单，可以用来进行多点、多年、多重复的实验，QTL定位时可以消除其它背景的干扰，将QTL定位到很小的片段上，QTL定位的精确度高。所以CSSL群体近年来被广泛用于QTL的精细定位及图位克隆。,染色体单片段代换系大大促进了品种间代换系培育及利用品种间代换系进行基因研究工作的发展。采用培育单片段代换系的方法，可以有效地将含有外源染色体片段直接导入当地推广品种，培育新品种或新材料，广泛用于遗传研究或生产。,（一）染色体片段代换系的作用,（二）染色体片段代换系的原理,单片段代换系构建的原理：染色体片段代换系一般通过多代回交来建立的。 具体步骤： 1、供体与受体杂交获得F1； 2、受体作为
4、轮回亲本，回交获得BCnF1； 3、自交，借助MAS，得到来自供体的一个或多个代换片段的单株BCnF2； 4、借助MAS，即可获得含有目的片段的CSSL。,受体R,供体D,F1,R,BC1F1,R,BC2F1,R,BCnF1,CSSL,BCnF2,MAS,MAS,染色体片段代换系构建过程,轮回回交的主要目的是重建受体背景，以保持代换染色体不发生变化，所要求的回交代数是至关重要的。从理论上来讲，经过几代回交之后应该能够恢复纯合性，并且含有不同数量的基因。一般回交5代后，在任何一个品系中平均都只有50的受体基因可以纯合；回交8代后有93的受体基因能够纯合。如果在最后一次回交后进行一次自交，那么回交
5、5代后受体基因的平均纯合率可达75，回交8代后可达96.5。,二、染色体片段代换的分类,染色体代换可分为多片段代换和单片段代换两种。 染色体单片段代换即代换的染色体片段如果只有一个来自供体亲本的片段。 多片段代换即有几个来自供体亲本的片段。称为单片段代换系。,只含一个代换片段的代换系，只有代换片段与轮回亲本不同，其它遗传背景与轮回亲本完全一致，对代换区段中的QTL进行分析时遗传背景干扰很小，有利于QTL的分析，是理想的代换系。,三、染色体片段代换系的创制,步骤： 1、供试材料的选择； 2、试验方法； 3、实验成果的选择； 4、实验成果的鉴定。,（一）供体材料的选择,应尽可能地选择性状表现差异大
6、和亲缘关系较远的材料。,（二）试验方法,分为两类： 1、常规方法：缺体回交法 2、生物技术方法：组织培养法,以日本晴和广陆矮的杂交F1继续和日本晴回交，直BC4F1。利用分布于整个基因组的分子标记BC3F2群体和BC4F1群体中，开始进行单株检测，筛选目的染色体片段代换系，然后杂交或自交，借助分子标记手段对导人片段进行追踪，直至检测到较为理想的染色体片段代换系(如图1)。,利用郑58 自交系和墨西哥类玉米进行一次远缘杂交后，以郑58 自交系为轮回亲本进行回交，以高代回交群体BC7F1、BC8F1和BC9F1为材料针对第10 染色体进行SSR 分子标记跟踪辅助选择(MAS)，构建以郑58 为遗传
7、背景的染色体单片段代换系群体。,（三）实验成果的选择,最终选择与轮回亲本性状差异较大的单株，进行分子标记检测，对染色体代换系进行整合，选择所需要的代换系。,（四）染色体片段代换系的鉴定,染色体单片段代换系的构建，最好是基于已有的遗传图谱的基础上进行，以PCR为基础的分子标记，作为鉴定标记。 首先遗传图谱选择均匀分布并且标记之间的距离510cm之间SSR标记，用SSR标记筛选亲本间的多态性，然后进行亲本间的杂交和回交，一般在回交2代开始代换片段的筛选，利用多态性标记追踪代换片段并进行选择，最终获得仅含单个供体亲本片段的代换系。,四、染色体片段代换系的特点,1、单一性。CSSL 仅有一个或几个来自
8、供体的染色体代换片段，其余与受体一致； 2、稳定性。CSSL 是永久的分离群体，方便多环境条件下、多年的重复试验，有利于消除环境误差，便于更精准地定位QTL； 3、可分割性。CSSL 可将复杂的数量性状转化成单一的孟德尔遗传因子，提高分析QTL 的效率，利于快速精细定位QTL。,（一）染色体片段代换系的优点,1、染色体片段代换系具有很强的QTL鉴别能力。 染色体片段代换系群体是通过连续回交而得到的，并且每个家系只含有一个或少数几个导入片段，所以它与初级群体相比，基因组遗传组成比较单一，而且目标片段比较小，目标性状只有一个位点在分离，所以不存在上位性互作的影响，所以是进行主效和微效QTL定位的良
9、好材料。,2、染色体片段代换系适合QTL的精细定位。 由于染色体片段代换系是通过连续回交多代而构成的高级群体，所以对于每个单片段来说，每回交一次，导入片段就会被分割成较小的片段，这样其所携带有的QTL的代换片段就会很小而且也很精确。这是初级群体所不可比拟的。,3、利用染色体片段代换系进行QTL定位，方法比较简单而且定位位置精确。 每个染色体片段代换系的表型变异可能就是一个导入片段而造成的，所以我们不需要复杂的遗传统计方法，而只是进行简单的T测验就可以进行QTL分析。,4、数量性状往往是由多个基因所控制，而染色体片段代换系将这些QTL解析为多个染色体片段，而每个小的染色体片段只携带有一个QTL，
10、所以它可以将数量性状的多个位点分解为多个单一的孟德尔因子，从而使数量性状研究当作质量性状来研究乃至一些重要农艺性状QTL的克隆。,（二）染色体片段代换系的缺点,1、在构建过程中，由于需要连续回交和基因型鉴定，所以需要花费大量的时间、精力和财力； 2、代换系中只含有一个或少数导入片段，所以它不能研究基因之间的上位性互作。,五、CSSL在作物QTL 定位中的应用,（一）CSSL最早在番茄中应用,CSSL 最早应用在番茄中，Eshed 等以栽培番茄Lycopersicon esculentum cv.M82 为受体，以野生番茄L. pennellii LA716 为供体，通过MAS 方法，建立了一套
11、120 个CSSL，对受体基因组覆盖率为100%。从此，国内外研究者相继在各种作物中应用CSSL。目前，已应用于多种作物中。 参考文献：ESHED Y, ZAMIR D. A genomic library of Lycopersicon pennelliiin L.esculentum: a tool for fine mapping of genesJ. Euphytica,1994,79(3):175-179.,（二）在水稻QTL 研究中的应用,在水稻上已建立了多个CSSL。王军等以粳稻日本晴为供体、籼稻广陆矮4 号为受体，构建的CSSL 含175 个株系，利用其中119 个CSSL，得
12、到与水稻芒性相关QTL 15 个、粒形相关QTL 39 个（含粒长19 个、粒宽14 个、粒厚6 个），覆盖了水稻全基因组的82.6%。 参考文献：王军,朱金燕,周勇,等.基于染色体单片段代换系的水稻芒性QTL 定位J. 华北农学报,2013,28(3):7-11.,（三）在小麦QTL 研究中的应用,吴文雄以小麦SHW-L1 与川麦32(SW8188)为试验材料，选育成一套重组自交系群体作为供体，以育成品种川麦32（SW8188）为受体，在BC1F8 的基础上经回交一代至BC2F8，共680 分材料，初步构建出一套能覆盖D 染色体基因组90%左右的CSSL。共鉴定出37 个QTL，其中与株高有
13、关1个、与穗长有关14 个、与穗节长有关10 个、与小穗数有关2 个、与总分蘖有关5 个、与无效分蘖有关5个。 参考文献：吴文雄.小麦D 染色体单片段导入系的创制及相关农艺性状QTL 定位研究D. 雅安:四川农业大学, 2013.,（四）在玉米QTL 研究中的应用,彭倩等以玉米lx9801 为受体、以昌7-2 为供体，构建了184 个CSSL，之后与自交系T7296 测交，组配了184 个CSSLsT7296 的测交群体。在5%显著水平上共检测出与产量相关的杂种优势位点64 个、与穗部性状相关的优势位点4 个。 参考文献：彭倩,薛亚东,张向歌,等.利用单片段代换系测交群体定位玉米产量相关性状的
14、杂种优势位点J. 作物学 报,2016,42(4):482-491.,（五）在棉花QTL 研究中的应用,王云鹏等以陆地棉中棉所8 号（CCRI8）为受体、海岛棉Piam90-53为供体，培育了由182 个株系构成的CSSL，覆盖了陆地棉96.2%的基因组。结果表明，纤维长度高于轮回亲本的有52 株，纤维强度超过轮回亲本的有109株。 参考文献：王云鹏,王省芬,李志坤,等.陆地棉背景的Pima 棉染色体片段置换系创制J. 植物遗传资源学报,2016,17(1):114-119.,（六）在大豆QTL 研究中的应用,向仕华等以栽培大豆NN1138-2为受体，以野生大豆N24852 为供体，构建了一套由150 个CSSL 组成的群体SojaCSSLP2，基因组覆盖 率达94.61%，共鉴定到产量性状相关的QTL38 个，且有15 个共性QTL，可在多个环境下检测到。 参考文献：向仕华,王吴彬,何庆元,等.多环境下野生大豆染色体片段代换系群体农艺性状相关QTL/ 片段的鉴定J. 中国农业科学,2015(1):10-22.,谢 谢！ 恳请批评指正,
