近年来，我国植物育种取得了可喜的进展，已经培育了一批高产、优质、多抗新品种，为促进我国农业发展、保障粮食安全发挥了重要作用。但是，大多数品种是采用传统育种方法选育而成，传统育种技术选择效率较低，育种周期较长，已不能完全满足当前农业生产对优良品种的需求。随着分子标记技术的发展，在分子水平上评价遗传资源、创制新材料、培育新品种的技术逐渐成为新一代植物育种的关键技术；本章将对分子标记辅助选择技术的原理、策略及在育种上的应用作介绍。

经过长期的自然选择和人工选择，作物种质资源中保存着大量的自然变异，发掘与利用优良的遗传变异是作物遗传育种研究的重要内容之一。针对育种目标，准确、高效地选择符合要求的目标性状是提高作物育种效率的关键。传统选择方法是对目标性状的表型直接进行评价和选择，或通过与目标性状连锁的形态学标记进行选择，这对简单的质量性状而言一般是有效的，但对复杂的数量性状则效率不高。

分子标记辅助选择(marker assisted selection, MAS)是随着现代分子生物学技术的迅速发展而产生的新技术，它可以从分子水平上快速准确地分析个体的遗传组成，从而实现对基因型的直接选择，进行分子育种。利用分子标记技术检测与目标基因紧密连锁的分子标记的基因型，可以推测和获知目标基因型，直接对目标基因进行选择。相对于传统的选择方法，分子标记辅助选择可以大大提高选择效率。

在实施分子标记辅助选择时，首要考虑对目标基因进行选择，即前景选择(foreground selection)。前景选择的可靠性主要取决于分子标记与目标基因间连锁的紧密程度。若只用一个分子标记对目标基因进行选择，标记与目标基因间的连锁越紧密，选择的准确率越高，所要求选择的个体数越少。反之，标记与目标基因间的遗传距离越大，选择的准确率越低，所要求选择的个体数越多。如果利用与目标基因共分离的分子标记或根据目标基因序列开发的功能性分子标记(functional marker)进行选择，则标记的选择直接就是基因的选择。

以SSR标记辅助抗病基因选择为例说明标记辅助选择原理(图13-1)。假设某标记座位(M/m)与目标基因座位(Q/q)连锁，标记与目标基因间的重组率为r。其中携带抗病基因Q的供体亲本基因型为QQ/MM，感病受体亲本基因型为qq/mm, F₁代基因型为Qq/Mm。由于标记座位M与抗病基因Q连锁，因此可以在后代中通过M标记基因型来选择抗病基因Q。在F₂代分离群体中，通过标记基因型MM而获得目标基因型QQ的概率为(1 -r)²，目标基因为杂合基因型伽的概率为2r(1-r)，而目标基因为隐性纯合基因型qq的概率为r²。由此可见，通过标记基因型分析，从F₂代分离群体中获得三类带型(MM, Mm、mm)的个体。在MM基因型个体中，大多数个体携带抗性基因Q，其中基因型纯合(QQ)的单株概率为(1-r)²，而选择单株中不含抗病基因Q的错选率仅为r²。

图13-1利用SSR标记辅助选择抗病基因示例

分子标记与目标基因之间的距离，即重组率是决定选择准确率的关键因素。图13-2显示选择的正确性与重组率之间的关系，显然，选择的正确率随重组率的增加而迅速下降。若要求选择正确率达到90％以上，则标记与目标基因间的重组率必须不大于0.05。当重组率超过0.10时，选择正确率已降到80％以下。如果我们不要求中选的所有单株都是正确的，而只要求在选中的植株中至少有1株是具有目标基因型的，那么，即使标记与目标基因连锁不紧密，对选择仍然会很有帮助。

根据目标基因型在后代出现的概率，可以预测需要选择个体的数量。假如要求至少选到1株目标基因型的概率为P，则必须选择具有标记基因型MM的植株的最少数目为：n=log(1-P)/log(1-p)，式中P=(1-r)²。图13-3给出了要求P=0.99时，所要求的最少株数与重组率的关系。由图可见，即使重组率高达0.3，也只需选择7株具有基因型M/M的植株，就有99％的把握能保证其中有1株为目标基因型；而如果不用标记辅助选择(相当于标记与目标基因间无连锁，重组率为0.5)，则至少需选择16株。

图13-2标记与目标基因间的重组率与F₂代群体中标记辅助选择正确率的关系(引自方宣钧等，2001，并作修改)
双标记选择中r¹=r²

若同时用两侧相邻的两个标记对目标基因进行跟踪选择，可大大提高选择的正确率(图13-2)。假设有两个标记座位(M₁/m₁和M₂/m₂)位于目标基因座位(Q/q)的两侧，且与目标基因间的重组率分别为r₁和r₂. F₁代的基因型为M₁QM₂ /m₁qm₂。那么，F₁代产生的标记基因型为M₁M₂配子具有两种类型，一种包含目标等位基因(M₁QM₂)的亲本型，另一种包含非目标等位基因(M₁qM₂)的双交换型。由于双交换发生的概率很低，因此双交换型配子的比例很小，绝大部分应为亲本型配子。所以，在后代中通过同时跟踪M₁和M₂来选择目标等位基因Q，正确率必然很高。在单交换间无干扰的情况下，可以推得，在F₂代通过选择标记基因型M₁M₂/M₁M₂ 而获得目标基因型Q/Q的概率P为

p=(1-r₁)²(1-r)²/[(1-r₁)(1-r₂)+r₁r₂]²

图13--3标记与目标基因间的重组率与F₂群体中标记辅助选择最少应选株数的关系(引自方宣钧等，2001，并作修改)双标记选择中r₁=r₂

从上式可知，在两标记间图距固定的情况下，当r₁=r₂(即目标基因正好位于两标记之间的中点)时，选择正确率为最小。图13-2和图13-3分别显示r₁=r₂时选择正确率以及P=0.99时所要求的最少株数与r₁(或r₂)的关系。可以看出，双标记选择的正确率确实比单标记选择高得多。需要指出的是，在实际情况中，单交换间一般总是存在相互干扰的，这使得双交换的概率更小，因而双标记选择的正确率要比上述理论期望值更高。

前景选择的作用是保证所选后代中均携带有目标基因。在开展标记辅助选择育种过程中，为了加快育种进程，使后代个体遗传背景尽快恢复成轮回亲本基因组，在开展前景选择的同时，还进行背景选择(background selection)，即除目标基因外的整个基因组的选择。与前景选择不同的是，背景选择的对象几乎包括了整个基因组。在分离群体(如F₂群体)中，由于在上一代形成配子时同源染色体之间会发生交换，因此每条染色体都可能是由双亲染色体重新“组装”成的杂合体。所以，要对整个基因组进行选择，就必须知道每条染色体的组成。这就要求用来选择的标记能够覆盖整个基因组，也就是说，必须有一张完整的分子标记连锁图。当一个个体中覆盖全基因组的所有标记的基因型都已知时，就可以推测出各个标记座位上等位基因的可能来源，即来自哪个亲本，进而推测出该个体中所有染色体的组成。考虑一条染色体，如果两个相邻标记座位上的等位基因来自不同的亲本，则说明在这两个标记之间的染色体区段上发生了单交换(或奇数次交换)；如果两个标记座位上的等位基因来自同一个亲本，则推测这两个标记之间的染色体区段也来自这个亲本。因为在这种情况下，该区段上只可能发生偶数次交换时，两个标记之间才可能存在来自另一个亲本的染色体区段，但是两个相邻标记间即使发生最低的偶数次交换(即双交换)，其发生的概率也是很小的。因此，根据两个相邻的标记基因型，可以近似推测出它们之间染色体区段的来源和组成。将这个原理推广到所有的相邻标记，就可以推测出一个反映全基因组组成状况的连续的基因型，这种连续的基因型能直观地用图形表示出来，称为图示基因型(graphic genotype)(Young and Tanksley, 1989a)。也有一些专门用于绘制图示基因型的计算机软件，如常用的GGT软件(Van Berloo, 1999)(图13-4)。

图13-4 由GGT软件绘制的以栽培稻为遗传背景的野生稻渗入系图示基因型

黑色区间表示野生稻染色体片段；白色区间表示栽培稻染色体片段；斜纹区间表示杂合染色体片段在标记辅助选择中，根据图示基因型可以同时进行前景和背景的选择。由于目标基因是选择的首要对象，因此一般应首先进行前景选择，以保证不丢失目标基因，然后再对中选个体进行背景选择。这样既保证了目标基因不丢失，又加快了遗传背景回复成轮回亲本基因组的速度(称为回复率)，大大缩短育种年限。Young和Tanksley (1989b)针对番茄基因组进行的计算机模拟研究显示，如果每一回交世代产生30个植株，那么，用分子标记对整个基因组进行选择，只需3代即能完全回复成轮回亲本的基因型，而采用传统的回交育种方法则需要6代以上(图13-5)。

图13-5计算机模拟标记辅助选择显著提高基因组回复率(引自Young and Tanksley, 1989b，并作修改)