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各位老师，大家好!
我是“一麦众承”7号（风吹麦浪）组的关攀锋，博士及博士后阶段在中国农业大学小麦研究中心学习，目前就职于郑州大学农学院，主要从事小麦产量和品质等重要农艺性状基因的定位与克隆及分子育种应用研究。今天是我们小组值日，我们组共5个人，组长是中国农科院作物科学研究所作物基因与分子设计中心徐兆师研究员，组员有孙爱清老师、陈金平老师、王紫娟老师和我。群里转发了南北学院公众号贺岩老师写的一篇“关于玉米分子标记辅助选择设计的几点思考”的文章，今天想和大家交流一些关于小麦分子标记辅助选择的一些理解，有不对的地方请大家多多批评指正。
（1）分子标记辅助选择的遗传学基础
从19世纪下半叶至20世纪初，孟德尔和摩尔根先后发现了生物遗传的分离规律、独立分配规律和基因连锁与交换定律，奠定了遗传学研究的基础。1953年, J. D. Watson和F. H. C. Crick提出了DNA分子结构的双螺旋模型，圆满地解释了DNA就是基因的有机化学实体，也使得直接利用DNA分子中核苷酸序列的变异作为遗传标记成为可能。与其他遗传标记如形态标记、细胞学标记、蛋白质标记相比，DNA水平的分子标记具有数量多、遗传多样性高、无表型效应、不受环境限制和影响、检测手段简单快捷、分析效率高等特征。
分子标记辅助选择的遗传学基础和常规育种一样，都是基于遗传学的三大定律。育种的本质工作是将调控农艺性状的基因打乱重排，筛选出符合育种目标的表现最好的基因型材料。经典的常规育种，围绕着创制变异和选择变异，主要是结合认知和经验根据性状表现（如产量、品质、抗病性、非生物胁迫等）对优异基因型进行间接选择。分子标记辅助选择(Molecular Marker Assisted Selection, MAS)是通过筛选与目标性状调控基因紧密连锁的分子标记，而不是基于性状本身进行选择的育种选择策略。我们知道各种表型性状都是由基因和环境共同作用的结果，分子标记辅助选择可以从DNA分子水平上快速准确地分析个体的遗传组成。从这个角度看，分子标记辅助选择可以实现对基因型的直接选择，从而大大提高选择效率。但是选择出来的基因型还要在田间结合育种目标进行进一步的鉴定。
（2）分子标记辅助选择的前提条件
分子标记辅助选择是依据标记基因型推断控制目标性状的基因存在与否，从而选择携带目标基因的单株或家系。因此要进行分子标记辅助选择需具备以下几个条件。
一是解析并了解目标育种性状的遗传基础。分子标记辅助选择的目的是选择目标基因型，所以必须要对待改良的目标育种性状的遗传基础有一定的了解，获取控制目标性状的主效基因/QTL（quantitative trait locus，数量性状位点）。但由于普通小麦是异源六倍体，基因组庞大复杂，且重要农艺性状（如产量、品质等）是多基因控制的复杂数量性状，目前在育种选择进程中发挥重要作用的关键基因挖掘的还比较少。随着小麦基因组测序的完成，相信未来小麦重要农艺性状基因的克隆将会取得重大进展。
二是开发与目标基因紧密连锁的'育种好用型’分子标记。育种分子标记的选择需要考虑分子标记的类型、可靠性、适用性。首先，分子标记的种类很多，成本低、耗时短、易于检测的分子标记能够在育种工作中进行推广，促进分子育种的快速发展与应用。其次，分子标记辅助选择的效率和准确性，主要取决于目标基因座位与分子标记间的连锁程度。分子标记与目标基因之间连锁越紧密，分子标记辅助选择的准确性越高。而随着克隆越来越多的控制小麦重要农艺性状的基因，进一步鉴定出影响表型的关键优异等位变异或单倍型，并将其开发转化为可用于辅助选择的分子标记，这一类型的分子标记直接定位在目标基因内，被称为靶基因的功能分子标记，利用它们可以直接实现目的基因的定向鉴定。最后，分子标记的适用性还受限于分子标记的多态性水平，以及分子标记的检测流程、检测所需DNA的质量及检测成本。
三是建立高效、可重复、低成本、高通量的分子标记基因型检测体系。在育种实践中，利用分子标记进行辅助选择，通常需要进行大规模的群体标记基因型分析，因而要求标记基因型检测方法具有简单、快速、准确、成本低廉、检测过程（包括DNA提取、分子标记的检测、数据分析等）自动化的特征。同时也要求检测技术体系在不同实验室或使用者间具有很好的重复性。目前基于聚合酶链式反应（PCR）技术的分子标记，如SSR、STS、InDel、CAPS、KASP等，检测步骤及基因型分析相对简单，可用于质量性状或主效基因/QTL的辅助选择。此外，基因芯片（DNA芯片）和二代基因组测序技术的快速发展，使标记基因型的高通量检测和自动化分析成为可能，也是未来的主要发展方向之一，但是成本和后期的数据分析是目前限制其广泛推广的主要因素。因此在实际使用中，可根据不同类型的标记特点和研究背景，选择适合度最高的分子标记用于辅助育种。
（3）分子标记辅助选择在小麦育种中的应用
在育种过程中，分子标记主要用于以下三个方面：一是追踪有利等位基因，可用于聚合优异等位基因（优异基因导入）；二是打破优势等位位点和不利等位位点的连锁赘余；三是根据全基因组或部分基因组的等位基因组成分析，在分离后代中筛选优势个体（全基因组选择）。由于分子标记辅助选择特别适用于遗传力低（环境影响大）、自然隐性、表型鉴定困难或成本高昂、需要预期的基因聚合（如抗病性）的性状。因此，一些质量性状和主效基因位点首先成为利用分子标记辅助选择改良小麦的目标，如抗病性和抗虫性，包括锈病、白粉病、赤霉病等；以及籽粒硬度、籽粒颜色、抗穗发芽、糯性等。对于产量和非生物胁迫抗逆性等较为复杂的数量性状，由于涉及基因个数、基因间的互作（上位性效应）和基因和环境的互作等因素，需要考虑使用多基因/QTL位点聚合的方法来提高分子标记辅助选择的有效性，同时全基因组选择也成为目前数量性状研究的主要方法。
利用分子标记辅助选择如何在小麦育种中进行实践应用，查阅资料文献，也发现了很多成功案例。如中麦996和中麦998是中国农业科学院作物科学研究所国家小麦改良中心利用分子标记辅助选择培育的高产优质小麦新品种，基本实现了产量与品质的同步改良。综合利用分子标记辅助选择和常规育种策略，山东省农业科学院作物研究所创制出了综合性状优良且高产抗赤霉病小麦新品系济麦8681和济麦8775，为抗赤霉病种质在冬小麦育种中奠定了基础。河南农业大学农学院利用综合运用常规育种 双单倍体育种（DH） 分子标记辅助育种（MAS） 抗病性接种和抗逆性鉴定 就地一年4次加代技术 品质平行测定筛选等先进技术，定向选育而成的半冬性中早熟高产稳产多抗广适优质强筋小麦新品种豫农908。中国科学院成都生物研究所小麦研究团队通过耦合抗条锈病分子模块、无芒性状分子模块和矮秆分子模块育成了抗倒、抗病、优质、无芒、适宜机械化收割的小麦新品种“川育25”。山西农业大学小麦研究所分子育种研究室利用分子标记辅助选择培育了山西抗旱小麦新品种金麦919。山东农业大学农学院利用与小麦常规育种全过程结合位点分子标记辅助选择方法，育成了多基因聚合的抗病、高产新品种山农20、山农102、山农111和山农糯麦1号等，并将此育种方法申请了国家发明专利；此外江苏大华、滨州泰裕、泰安丰田等种业利用此专利技术也育成了华麦118、裕田麦119和泰田麦118等品种。由此可见，分子标记辅助选择已在我国主要小麦生态区域育种实践中都得到了一定应用，相信未来将会在育种中发挥更大的作用。
（4）存在的问题及对策
尽管目前小麦分子标记辅助选择在育种实践中已经得到了成功应用，但是目前也还存在一些问题值得思考。一是目前大部分标记都是与基因/QTL连锁的分子标记，与目的基因还有一定距离，还是可能会发生遗传交换，而育种好用的基因功能分子标记较少。二是分子标记的检测费用目前还是比较高。三是小麦产量和品质等重要农艺性状是多基因控制的复杂数量性状，且受环境影响较大，单个基因/QTL的选择效率不高。
针对以上问题，我们觉得应该加强做基础研究的老师和一线做育种工作的老师之间的沟通和交流。就像贺岩老师讲的，基础研究的老师一般用的是'高亲’和'低亲’组配的遗传群体，定位和克隆其主效基因/QTL；而育种材料一般是优中选优，克隆出来的基因可能在育种材料中已经利用了其优异等位基因。因此，做基础研究的老师最好使用当前的育种骨干材料进行遗传研究和优异基因挖掘，这样鉴定到的目标基因和开发的分子标记，可以直接应用于育种实践。如荣获河南省科学技术进步一等奖的小麦骨干亲本新种质周8425B创制与应用就是一个很好的例子，自上世纪80年代以来，豫、皖、苏、陕、鲁、冀、晋、甘、川、鄂、北京和上海等12个省市172家育种单位以周8425B作骨干亲本进行小麦育种工作，同时对周8425B主要抗性和重要农艺性状也进行了系统研究，发掘出23个新基因（位点），为小麦相应高产和抗病抗逆分子育种提供了技术支撑。另外，对于多基因控制的复杂数量性状，可以通过全基因组选择技术利用个体间亲缘关系矩阵进行高效的性状预测和个体选择。最后，希望常规育种和分子育种结合越来越紧密，共同促进我国小麦育种事业的蓬勃发展。谢谢!
有不对的地方请老师们多多批评指正! 图1 全球不同作物育种阶段论文数量变化趋势(Pubmed)。作物育种大致分为经典人工选择与常规育种、分子育种（包括转基因育种）和分子设计育种等阶段。每个阶段的都蕴含着理论与技术的突破, 体现在科技论文发文数量增长上的不同特征。（引自中国科学: 生命科学2021年第51卷第10期）
主要参考文献：
方宣钧. (2001). 作物DNA标记辅助育种. 科学出版社.
田纪春, & 邓志英. (2014). 与小麦常规育种全过程结合的多位点分子标记辅助选择方法. CN104109713A.
傅向东, 刘倩, 李振声, 张爱民, 凌宏清, & 童依平等. (2018). 小麦基因组研究现状与展望. 中国科学院院刊, 33(9), 6.
景海春, 田志喜, 种康, & 李家洋. (2021). 分子设计育种的科技问题及其展望概论. 中国科学:生命科学. 51(10): 1356–1365.
刘建军, 李豪圣, 陈雪燕, 贾海燕, 翟胜男, & 郭军等. (2021). 利用分子标记辅助选择创制抗赤霉病小麦新品系. 山东农业科学, 53(5), 6.
Jiang, G. L. (2015). Molecular marker-assisted breeding: a plant breeder's review. Springer International Publishing.
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