Yunbi Xu.en.id-1.docx

8 Seleksi marker-assisted: Teori

prosedur pemuliaan konvensional telah dibatasi oleh fakta bahwa sumber-sumber variasi genetik setuju untuk manipula-tions yang dibatasi dalam praktek untuk orang-orang orang-oran g berhasil-mampu dalam kolam gen dari satu spesies. Selain itu, konvensional peternakan manipu-lations melibatkan melintasi seluruh genom, mengandalkan berbagai macam independen dan rekombinasi untuk menghasilkan superior recom binants; dan mencoba untuk mengidentifikasi ini dari antara banyak produk segregasi. Bahkan untuk alel dengan efek fenotipik utama dan yang jelas ini bisa melibatkan banyak generasi dan tugas mungkin hampir mustahil ketika diinginkan dan alel yang tidak diinginkan terkait erat. Pada prinsipnya, keterbatasan ini dapat diatasi dengan prosedur rekayasa genetik seperti metodologi DNA recom-binant. Ini proced-ures telah memungkinkan kloning gen dengan kegiatan yang ditetapkan dan pengenalan mereka dengan cara yang cepat dan sangat spesifik di seluruh spesies batas. Dengan demikian, semua jenis kehidupan sekarang menjadi tersedia sebagai sumber alel berguna dan pencampuran seluruh genom dihindari (Beckmann dan Soller, 1986a). Keterbatasan dasar dalam aplikasi insinyur-ing genetik saat ini tampaknya menjadi penerimaan publik organisme genetik gen etik modi-fied (GMO) yang berasal dari kloning gen dan transformasi pendekatan seperti yang dijelaskan dijelaska n dalam d alam Bab 11 dan 12.

Dalam marker-assisted breeding pemulia tanaman mengambil keuntungan dari hubungan antara sifat-sifat agronomi dan alel vari-semut penanda genetik, sebagian besar molekul,. Ide umum di belakang pemuliaan dengan bantuan penanda adalah sebagai berikut. Sebelum peternak dapat memanfaatkan asosiasi berbasis hubungan antara sifat-sifat dan spidol, asosiasi harus dinilai dengan tingkat tertentu accur-ACY dan dengan demikian genotipe marker dapat digunakan sebagai indikator atau prediktor genotipe sifat dan fenotipe. Ketika alel di question sedikit jumlahnya dan memiliki efek besar pada fenotipe, seperti ketahanan terhadap penyakit tunggal berbasis gen-, penilaian asosiasi sangat mudah: pemetaan sifat monogenik sejalan dengan pemetaan penanda, seperti yang dijelaskan dalam Bab 2, sementara pengenalan alel yang diinginkan ke kultivar dapat dilakukan dengan mudah dengan prosedur pemuliaan klasik persimpangan, silang balik, selfing dan seleksi. Dalam kedua kasus, peternak tergantung pada hubungan-kapal yang jelas antara genotipe dan fenotipe untuk memantau kehadiran alel yang diinginkan dalam populasi perhatian. Untuk sifat kuantitatif, namun, penilaian yang dapat diandalkan sifat-penanda diasosiasikan asi membutuhkan percobaan lapangan skala besar serta teknik statistik, dikenal sebagai lokus sifat kuantitatif pemetaan (QTL) seperti yang dijelaskan dalam Bab 6 dan 7. Setelah penandasifat asosiasi memiliki

286 Xu)

© Yunbi Xu 2010. Molecular Pemuliaan Tanaman (Yunbi

Seleksi marker-assisted: Teori

andal telah dinilai, peternak dapat memantau transmisi gen sifat melalui penanda terkait erat, sehingga memungkinkan 'genotipe bangunan, yaitu pembangunan genotipe yang diinginkan oleh persimpangan yang disengaja dan seleksi, menggunakan genotipe penanda sebagai kriteria seleksi. Nilai potensi penanda genetik, peta linkage dan pemilihan tidak langsung dalam pemuliaan tanaman telah dikenal selama lebih dari 80 tahun. Sejak munculnya teknologi DNA marker pada tahun 1980, telah secara dramatis meningkatkan efisiensi pemuliaan tanaman. Dalam 20 tahun terakhir, sejumlah perusahaan peternakan telah, untuk berbagai tingkat, digunakan spidol untuk meningkatkan efektivitas seleksi dalam pemuliaan dan untuk secara signifikan mempersingkat waktu pengembangan kultivar (Dwivedi et al., 2007). Sekarang, kemajuan teknologi otomatis memungkinkan pendekatan baru dalam pemuliaan dengan bantuan penanda, yang disebut 'Breeding by Design'. Kemajuan dalam genomik diterapkan dan kemungkinan untuk gen-erate skala besar set penanda data yang memberikan kita dengan alat untuk menentukan dasar genetik untuk semua ciri-ciri agronomi penting. Juga, metode untuk menilai variasi alel pada lokus ini agronomis penting sekarang tersedia. Pengetahuan gabungan ini pada akhirnya akan memungkinkan peternak untuk menggabungkan alel menguntungkan pada semua lokus ini secara con-dikendalikan, menyebabkan kultivar unggul (Peleman dan van der Voort, 2003). Mengubah konsep dan molekul aplikasikecoak memberikan kesempatan untuk mengembangkan strategi breeding yang rasional dan halus. Pengetahuan tentang posisi peta dan variasi alel pada lokus agronomis penting dalam konser dengan, spidol mudah-assay tersedia molekul telah memungkinkan desain kultivar unggul. Dibandingkan dengan tes fenotipe, seperti yang dirangkum dari Xu, Y. (2002), Peleman dan van der Voort (2003), Xu, Y. (2003) dan Xu dan Crouch (2008), penanda DNA menawarkan keuntungan besar untuk mempercepat waktu pengembangan

287

Peningkatan keandalan: hasil tes fenotipik dipengaruhi, antara lain, oleh faktor lingkungan, heritabilitas sifat tersebut, jumlah gen yang terlibat,

besarnya efek mereka dan cara lokus ini berinteraksi. Oleh karena itu, margin error pada pengukuran fenotipe cenderung secara signifikan lebih besar daripada nilai genotip berdasarkan penanda DNA. Peningkatan efisiensi: penanda DNA dapat mencetak pada tahap bibit atau bahkan berdasarkan benih sebelum perkecambahan. Hal ini terutama menguntungkan ketika memilih untuk sifat yang diekspresikan hanya pada tahap akhir dari pengembangan-ment, seperti sifat-sifat yang berhubungan dengan bunga, buah dan biji. Dengan memilih pada tahap bibit atau berdasarkan DNA benih, jumlah yang cukup waktu dan ruang dapat disimpan. Mengurangi biaya: ada banyak ciri-ciri di mana penentuan fenotipe biaya lebih dari kinerja geno-mengetik menggunakan alat tes PCR atau hibridisasi. Dalam pengaturan tinggi-throughput, biaya material dan konsumsi untuk PCR biasanya tidak akan melebihi US $ 2. Sebagai perbandingan, pertumbuhan tanaman tomat atau cabai hingga jatuh tempo penuh di rumah kaca dipanaskan akan menelan biaya sekitar US $ 20. Setiap tanaman yang dapat ditolak sebelum tanam, terutama bagi mereka dengan benih yang cukup besar untuk ekstraksi DNA tunggal berbasis biji-, dalam pengaturan tersebut akan menghemat sejumlah besar uang.

Penggunaan penanda DNA untuk seleksi tidak langsung menawarkan manfaat terbesar untuk sifat quanti-tative dengan heritabilitas rendah karena ini adalah karakter yang paling sulit untuk menilai dalam percobaan lapangan. Jelas, devel-ngunan dari tes penanda yang dibantu untuk sifat-sifat seperti ini sulit dan mahal karena exten-sive tes fenotipe diperlukan untuk sifat-sifat tersebut. Namun, setelah pengetahuan yang ada untuk memperkirakan parameter yang menentukan sifat dari bunga, yang dirancang dengan baik experi-jiwa set up akan menghasilkan ketersediaan seleksi markerassisted (MAS) alat, yang dapat mengurangi sampai batas utama aplikasi masa depan dari tes phenotypical (Peleman dan van der Voort, 2003). Seperti dijelaskan dalam bab-bab sebelumnya, penanda molekuler teknologi-nology akan membantu mengidentifikasi alel menguntungkan untuk sifat agronomi, mengasosiasikan alel ini

288

Bab 8

untuk lain melalui MAS. Teoritis con-siderations di MAS akan dibahas dalam bab ini dan isu-isu praktis dalam MAS akan dibahas dalam Bab 9.

8.1 Komponen Seleksi Marker dibantu isu-isu kunci dalam sukses penyebaran penanda molekuler di MAS adalah sebagai berikut seperti yang dirangkum dari Xu, Y. (2003) dan Mohler dan Singrün (2004):

untuk MAS efisien, termasuk: (i) penanda genetik yang sesuai dan karakterisasi mereka; high-density peta molekul; (Iii) asosiasi penanda-sifat pem-likasikan untuk sifat yang menarik; (Iv) sistem high-throughput genotipe; dan (v) analisis data fungsional dan pengiriman.

8.1.1

penanda genetik dan peta

penanda DNA yang diinginkan untuk MAS harus memenuhi persyaratan sebagai berikut: detec-tion frekuensi tinggi polimorfisme, co-dominasi, Spidol harus bekerja memisahkan atau peta kelimpahan, cakupan seluruh genom, sedekat mungkin dengan gen sasaran (misalnya duplicability tinggi, kesesuaian untuk analisis kurang dari 2 cM), dalam rangka untuk memiliki tinggi-throughput dan multi-plexing, frekuensi rendah recombin-asi antara gen target kesederhanaan teknis, biaya effec mengenai dan penanda. Akurasi MAS akan membaik jika, efektivitas, kebutuhan sejumlah kecil DNA dan bukan penanda tunggal, dua spidol mengapit gen user-friendly (seperti kesesuaian untuk sistem target yang digunakan. Idealnya, spidol berbasis genotip yang berbeda dan facil-ities). Di antara gen-yang devel-oped dari urutan gen target, atau semua persyaratan ini, co-dominasi adalah yang spidol fungsional yang mengungkapkan paling penting bagi MAS di pembibitan tanaman perbedaan fungsional terkait dengan gen sasaran, hibrida, karena kedua inbrida orangtua dan lebih disukai sebagai segregasi antara penanda kombinasi hibrida dapat dibedakan jelas oleh codan gen target akan ada lagi atau akan dikurangi dominan spidol. Single nucleotide polymorphism seminimal mungkin. (SNP) penanda memiliki potensi besar untuk super tinggi-throughput an-alysis menggunakan Untuk penggunaan tak terbatas di MAS, teknologi chip dan menjadi tersedia di lebih dan spidol harus menampilkan polimorfisme antara lebih tanaman spe-badan-, sementara sederhana genotipe yang memiliki dan tidak memiliki gen urutan ulangi (SSR) spidol lebih banyak sasaran. digunakan di seluruh tanaman dif-ferent . Untuk semua jenis DNA mark-ers yang tersedia sejauh Biaya-efektif, sederhana dan tinggiini, SSR memenuhi semua persyaratan. Seperti throughput penanda yang diperlukan untuk yang diperkirakan dari urutan beras rancangan, memastikan kekuatan genotip yang dibutuhkan kepadatan SSR dalam genom sekitar satu SSR untuk skrining cepat populasi yang besar. per gen. tanda tersebut dapat dibagi internasional berbasis hibridisasi non-PCR penanda yang dapat sekutu melalui urutan primer internet mengungkapkan perbedaan dari sampel DNA didistribusikan. spidol SSR dapat genotipe secara langsung akan lebih disukai. manual menggunakan agarose atau gel Selain itu, dengan bantuan penanda seleksi poliakrilamida dan etidium bromida atau perak back-ground tergantung pada penanda molekuler noda-ing, atau di fasilitas sangat otomatis. spidol yang baik ditandai dan dis-tributed seluruh SSR dapat di-multiplexing melakukan PCR dan genom. Ini adalah yang paling diinginkan jika untuk beberapa-sampel loading pada gel penanda berdasarkan gen-yang digunakan untuk menggunakan label fluorescent. DNA diekstraksi kedua foreground dan background marker- dari sepotong kecil daun atau dari biji kering assisted selection. Dalam hal ini, inti set spidol tunggal akan cukup untuk menjalankan beberapa dapat dibentuk untuk tujuan baik sehingga hun-dreds penanda. Sebagai gen semakin banyak penanda yang sama dapat digunakan untuk kloning, akan mungkin untuk mengembangkan seleksi foreground di beberapa salib tapi


digunakan sebagai penanda populasi yang berbeda. penanda molekuler berdasarkan urutan dalam gen yang diinginkan. spidol intragenik memberikan beberapa keunggulan dibandingkan penanda genlinked. Pertama, tidak ada rekombinasi antara penanda dan gen, atau rekombinasi intergenic. Kedua, beberapa alel dapat ditandai dan dibedakan. Contohnya adalah penanda SSR beras, RM190, berasal dari urutan mikrosatelit dengan situs sambatan dalam gen lilin, yang bertanggung jawab untuk sintesis amilosa, suatu sifat kualitas gabah penting untuk beras. Sebagai gen semakin banyak kloning menjadi tersedia, spidol fungsional dikembangkan dari gen target akan menjadi pilihan terbaik di MAS.

Pemilihan daerah sasaran kromosom berdasarkan penanda terkait (seleksi foreground) dan pemilihan latar belakang genetik untuk salah satu genom paren-tal (seleksi background) mungkin memerlukan spidol yang berbeda. Penanda untuk seleksi foreground harus genetik dipetakan dan terkait dengan sifat-sifat agronomi. penanda genetik mengungkapkan beberapa band atau yang mewakili beberapa lokus biasanya sulit untuk melacak kembali ke spesifik alel / lokus diketahui associ-diciptakan dengan sifat tersebut, terutama ketika populasi digunakan untuk MAS berbeda dari populasi yang digunakan untuk pemetaan. jenis penanda termasuk acak diperkuat DNA polimorfik (RAPDs) dan diperkuat panjang fragmen polimorfisme (AFLPs), yang dengan demikian tidak baik untuk seleksi foreground. Untuk menggunakan asosiasi penanda-sifat berdasarkan penanda tersebut, yang terbaik adalah menggunakan spidol yang lebih lokusspesifik, seperti urutan ditandai situs (STS) atau SSR spidol. Untuk pemilihan background, semua jenis penanda bahwa dis-memainkan tingkat polimorfisme yang tinggi adalah penggunaan-ful. pemilihan latar belakang tidak memerlukan penggunaan penanda dipetakan selama mereka dapat mengungkapkan polimorfisme genomewide dan perbedaan mengungkapkan dapat ditelusuri kembali ke orang tua mereka. Sebagaimana ditunjukkan Previ-menerus, namun, itu diinginkan untuk mengembangkan

289

Univer-sal

di

Efisiensi MAS sebagian besar tergantung pada seberapa baik penanda terkait dengan sifat sasaran. Pembangunan peta genetik high-density menggunakan high-throughput molekul mark-ers adalah langkah pertama untuk skala besar MAS pro-gram. Sebuah peta referensi diperlukan untuk setiap tanaman atau spesies berdasarkan populasi Segre-gating permanen yang bisa dibagi internationally memungkinkan penempatan tanda tambahan pada peta yang sama. Peta ini harus dibangun menggunakan spidol yang ramah bagi pengguna. Ada dua alasan mengapa kita perlu high-density peta molekul. Pertama, persyaratan mini-ibu untuk MAS berdasarkan asosiasi sifat marker- mencakup sistem tiga-penanda: satu penanda co-memisahkan dengan sifat untuk seleksi foreground dan dua lainnya mengapit daerah sasaran untuk seleksi rekombinan. Karena gen target yang dapat ditemukan di setiap wilayah genom, peta padat diperlukan untuk mengidentifikasi triplet ini setiap posisi dalam genom. Bahkan jika penanda genic atau fungsional yang tersedia untuk sifat sasaran, triplet masih diperlukan untuk seleksi terhadap genom donor sekitar target saat penanda-dibantu introgresi gen yang terlibat. Kedua, spidol diidentifikasi dengan menggunakan populasi pemetaan mungkin tidak pol-ymorphic dalam pemuliaan populasi berasal dari tetua lainnya. Untuk menjamin bahwa sistem tiga penanda akan bekerja untuk populasi berkembang biak lainnya, banyak penanda harus diidentifikasi di sekitar wilayah sasaran. Untuk spesies tanaman dengan peta fisik dan urutan genom seluruh tersedia, penanda molekuler akan tersedia untuk menutupi seluruh genom sehingga penanda menargetkan gen-gen tertentu dan wilayah genom dapat dipilih dari penanda dan / atau urutan database. Menggunakan sistem genotip array berbasis lebih murah, inti set array berbasis penanda molecu-lar dapat dibentuk untuk semua pemetaan genetik dan genome-wide MAS untuk populasi berbedaent.

8.1.2 karakterisasi penanda Hal ini tidak cukup hanya memiliki ribuan

290

Bab 8

akan ditandai untuk banyak fitur, termasuk: jumlah alel; konten informasi polimorfisme (PIC); Perbedaan alel (misalnya ukuran alel dan jangkauan mereka); alel fea-mendatang (misalnya haplotype) dalam standar atau kontrol kultivar; kekuatan sinyal dalam kondisi genotipe tertentu; latar belakang atau noise sinyal; PCR atau hibridisasi kondisi; lokasi kromosom (mengapit spidol dan jarak genetik); dan informasi yang diperlukan untuk multiplexing. Karakterisasi penanda molekuler membantu untuk mengidentifikasi penanda dekat dengan gen yang penting bagi program pemuliaan dan untuk mengevaluasi plasma nutfah dan pemuliaan materi-als. Sebuah inti set penanda molekuler harus ditandai untuk setiap spesies tanaman dan spidol ini harus merata pada semua kromosom dan cocok untuk multi-plexing. Banyak tanaman tanaman sekarang telah pemlikasikan penanda inti-set dan telah digunakan untuk evaluasi aksesi plasma nutfah, pembangunan kolam heterosis dan MAS (lihat Xu, Y. (2003) untuk contoh beras). Banyak upaya telah memberikan kontribusi untuk char-acterize spidol berbasis array dan mengoptimalkan sistem genotip.

jumlah alel Jumlah alel pada lokus marker adalah terkait dengan keragaman genetik yang dapat diungkapkan oleh penanda tertentu. Semakin banyak alel pada lokus, semakin tinggi tingkat keragaman yang dapat terungkap dan garis-garis lebih efisien berkaitan erat dapat dis-tinguished. penanda SNP menunjukkan polymor-phism oleh dua nukleotida yang berbeda, biasanya menampilkan dua alel yang berbeda di seluruh kuman-plasma. Pembatasan panjang fragmen poli-morphism (RFLP) penanda memiliki banyak lebih sedikit alel per lokus dibandingkan dengan spidol SSR. Sebagai contoh khas, rata-rata 2,7 alel RFLP dan 11,9 SSR alel per lokus telah dilaporkan oleh Xu et al. (2004) berdasarkan satu set besar aksesi plasma nutfah.

informasi polimorfisme

dijelaskan oleh Botstein et al. (1980), yang mencerminkan jumlah polimorfisme dan merupakan fungsi dari jumlah alel dan frekuensi alel pada setiap lokus tertentu. nilai PIC digunakan untuk merujuk pada nilai relatif setiap penanda sehubungan dengan jumlah polimorfisme dipamerkan, yang dapat diperkirakan oleh PIC saya = 1 - Σ jn1 P aku j2, Di mana Pij adalah frekuensi alel j untuk penanda saya dan penjumlahan meluas lebih alel n (Weir, 1990;. Anderson et al, 1993). The kal-culation didasarkan pada jumlah alel terdeteksi oleh penanda pada lokus tertentu dan frekuensi relatif setiap alel dalam aksesi yang diuji. Dalam beras, rata-rata nilai PIC hampir dua kali lebih tinggi untuk SSR (0.66) seperti untuk RFLPs (0,36) (Xu et al., 2004).

spidol informatif Berdasarkan nilai-nilai PIC dan jumlah alel terdeteksi, satu set spidol yang sangat informative dapat dipilih sehingga jumlah informasi yang sama genotip dapat diperoleh dengan survei penanda molekuler lebih sedikit. spidol yang dipilih harus merata di seluruh genom. Sebagai contoh, sekelompok 24 RFLP / SSR penanda terpilih dari 236 aksesi × 160 Data penanda padi ditetapkan sebagai seperangkat penanda yang sangat informatif untuk awal sirip-gerprinting plasma nutfah dan pemuliaan populasi padi (Xu et al., 2004 ). Selain persyaratan dis-mengumpat sebelumnya untuk sistem penanda, ada beberapa persyaratan lain untuk penanda dan satu set inti spidol. Mengambil SSR mark-ers sebagai contoh, penanda yang berguna harus memiliki banyak alel per lokus (> 10), nilai PIC tinggi (> 0,8), perbedaan yang cocok dalam ukuran alel (4-10 bp antara dua alel ada), sinyal kuat untuk deteksi, kurang latar belakang atau noise sinyal dan peniruan tinggi atau keandalan. Sebagai SNP spidol hanya memiliki dua alel pada setiap lokus, penanda informatif menetapkan daripada penanda individu harus digunakan dan informativeness mereka dapat dinilai oleh haplotype mereka. Juga polimorfisme alel harus dipertimbangkan untuk penanda dikembangkan dari berbagai daerah gen


penanda yang digunakan, satu set yang berguna penanda harus menyediakan cakupan seluruh genom, pemerataan di setiap kromosom dan potensi tinggi untuk multiplexing atau tinggithroughput genotip.

8.1.3

Validasi penanda-sifat

asosiasi Pembentukan asosiasi sifat marker- yang sangat signifikan adalah salah satu prasyarat untuk MAS, yang dibahas dalam Bab 6 dan 7. hubungan Menunjukkan antara tar-get sifat / gen dan penanda molekuler secara tradisional didasarkan pada percobaan pemetaan genetik dan penting untuk mengkonfirmasi bahwa asosiasi ini konsisten dalam pemetaan dan pemuliaan populasi. Sebagai contoh, Knoll dan Ejeta (2008) divalidasi tiga QTL untuk awal musim toleransi dingin di sorgum menggunakan dua populasi lain dan mereka menemukan bahwa ketiga penanda terkait yang ditampilkan untuk mempertahankan pengaruh di latar belakang genetik berbeda-ent.

291

tergantung pada lingkungan tertentu. Dengan demikian, spidol QTL diidentifikasi menggunakan populasi peta-ping tunggal mungkin tidak secara otomatis digunakan langsung pada populasi yang tidak berhubungan tanpa validasi penanda dan / atau denda peta-ping (Nicholas, 2006). Asosiasi penanda-sifat harus divalidasi, di mewakili-ative garis orangtua, populasi peternakan dan ekstrem fenotip sebelum dapat digunakan untuk rutin MAS, terutama untuk QTL dengan efek yang relatif kecil. Dalam propor-tion kasus, penanda akan kehilangan daya selec-tive mereka selama langkah validasi ini. Dalam kasus ini, ada kebutuhan untuk mengidentifikasi penanda baru (melalui pemetaan halus atau analisis gen candi-date) sekitar lokus sasaran untuk menemukan asosiasi penanda-sifat itu dibagi di seluruh populasi peternakan yang berbeda. Cara pintas dalam proses ini dimungkinkan melalui perbandingan lintas dengan peta padat atau dengan penyaringan calon penanda gen untuk spesies mana ini berhasilmampu. Dengan menemukan beberapa penanda dalam sebuah gen tunggal, jauh lebih mungkin bahwa orang tua dari setiap populasi pemuliaan akan polimorfik untuk setidaknya satu dari mereka, sehingga memungkinkan peternak untuk melacak alel disumbangkan dari setiap orangtua selama proses pembibitan, mempercepat MAS dan back-penyeberangan di lintas apapun. Dalam spesies yang lebih baik dipelajari, up-to-date asosiasi penanda-sifat dan terkait penanda SNP dapat rou-tinely diakses melalui kloning gen dan laporan pemetaan baik.

Dalam banyak kasus, bagaimanapun, hasil genetik peta-ping diperoleh dari persilangan tertentu tidak dapat digunakan untuk MAS untuk ciri-ciri yang sama di salib yang berbeda. Ada tiga rea-anak untuk fenomena ini. Pertama, sifat Quantità-tive biasanya dikendalikan oleh banyak gen. Gen hanya memisahkan di lokus di mana dua orang tua secara genetik berbeda dan dengan demikian dapat dipetakan menggunakan population berasal dari dua orang tua ini. Untuk populasi pemetaan yang dipilih secara acak, para MAS telah berhasil diterapkan untuk tanggal orang tua akan memiliki kesempatan yang kuat untuk berbagi alel identik di beberapa lokus untuk sifat monogenik dan oligogenic dikontrol genetik. Ada kemungkinan besar bahwa gen seg- oleh gen utama dan untuk QTL efek besar regating dalam populasi pemuliaan dapat berbeda mempengaruhi sifat kompleks, par-ticularly di dari gen yang sudah dipetakan. Kedua, beberapa sektor swasta (Dwivedi et al., 2007). Untuk alel pada sebuah karya lokus dengan cara yang pemilihan genotipe yang lebih tepat dari sifatsama untuk mempersulit MAS, karena pemetaan sifat yang kompleks seperti toleransi cekaman orang tua bisa memiliki alel yang berbeda dari abiotik yang kecil-gen dikendalikan, spidol populasi berkembang biak-ing. Interaksi antara terkait lebih erat, lebih berdasarkan gen-penanda, ini beberapa alel akan memodifikasi asosiasi atau bahkan lebih baik, nukleotida fungsional penanda-sifat ketika alel yang berbeda combi- penanda polimorfik (Rockman dan Wray, 2002; negara dianggap. Ketiga, genotipe-by-lingkungan Andersen dan Lübberstedt 2003 ), perlu interaksi bisa membuat pembentukan asosiasi dikembangkan. Ini harus dikombinasikan dengan

Ada banyak alasan mengapa dekat asosiasi penanda-sifat diperlukan:

292

Bab 8

SNP genotipe. Pengembangan platform tersebut tergantung pada lokasi kromosom yang terkait dengan sifat tersebut harus dikurangi untuk sepotong dikelola DNA jika kloning gen tertentu adalah neces-sary; (Ii) untuk mengidentifikasi semua gen terkait untuk suatu sifat tertentu, peta genetik highdensity diperlukan karena lebih sedikit penanda yang digunakan, proporsi yang lebih kecil dari genetik fac-tor berkontribusi sifat yang akan sammengaku; (Iii) jarak genetik yang besar antara penanda dan sifat-sifat target akan memberikan kontribusi pada penurunan cepat efisiensi MAS setelah beberapa siklus berturut-turut seleksi; dan untuk meminimalkan linkage tarik terlibat dalam introgresi gen, spidol terkait erat di sekitar wilayah sasaran yang diperlukan. pemetaan QTL menganggap metode scoring phe-notypic akurat, sesuatu yang bisa sulit untuk mengoptimalkan dan bahkan lebih sulit untuk menjaga konsisten selama berbulan-bulan atau bertahun-tahun. Hanya individu beberapa mismencetak benar-benar dapat mengacaukan QTL penemuan dan tempat-ment (Young, 1999). Hal ini juga berlaku untuk pemetaan denda gen utama untuk kloning berbasis peta, di mana salah scoring dari beberapa tanaman pada populasi dengan ribuan individu-als akan menghasilkan kesalahan besar (sampai 1 cM) dalam memperkirakan jarak genetik. tingkat akurasi yang tinggi diperlukan untuk membedah wilayah kromo-somal terkait dengan sifat tertentu dan mempersempit wilayah kandidat untuk contig tunggal atau beberapa basis mega, yaitu, satu set klon yang dapat dirangkai menjadi urutan linear.

8.1.4 sistem genotip genotipe dan tinggi-throughput Untuk membuat berbasis penanda teknologi practi-cal untuk aplikasi peternakan, sistem genotip otomatis diperlukan. Sebagai tipe penanda ulti-mate, SNP telah mendapatkan penerimaan luas sebagai penanda genetik untuk digunakan dalam studi hubungan dan asosiasi, terutama untuk genetika manusia dan banyak tanaman tanaman juga. -Throughput tinggi SNP

kopling tes kimia yang handal dengan sistem deteksi yang tepat untuk memaksimalkan efisiensi sehubungan dengan akurasi, kecepatan dan biaya. Dengan teknologi saat ini plat-bentuk (misalnya Illumina), satu laboratorium dapat memberikan throughput lebih dari satu juta titik data per hari, dengan akurasi> 99%, dengan biaya US $ 0,06-0,10 per titik data menggunakan SNP array berbasis sistem genotip. Dalam rangka untuk memenuhi tuntutan-tahun com-ing, bagaimanapun, platform genotip perlu untuk memberikan throughput di urutan satu juta genotipe per hari dengan biaya hanya beberapa sen per genotipe (bukan per titik data). Selain itu, persyaratan Template DNA harus diminimalkan sehingga ratusan ribu SNP dapat diinterogasi menggunakan jumlah yang relatif kecil dari DNA genom. Dirilis urutan genom seluruh model dan tanaman tanaman includ-ing Arabidopsis, beras dan jagung telah digunakan untuk mengembangkan SNP berdasarkan gen-bagi spesies terkait lainnya.

8.1.5 manajemen data dan pengiriman Untuk menangani aliran data harian dari laboratorium-pidato untuk peternak dan mengintegrasikan infor-masi dari penanda molekuler, pemetaan genetik dan fenotip, banyak alat informat-ics diperlukan. alat pendukung keputusan yang dibutuhkan dalam pemuliaan molekuler sepenuhnya dibahas dalam Bab 15 sehingga hanya data yang manusia-agement dan pengiriman secara singkat dijelaskan di sini sebagai komponen MAS. Untuk manajemen data yang efisien dan pengiriman, penting bagi semua peneliti untuk mengikuti aturan umum melalui semua prosedur ini. Sebuah sistem pelaporan standar juga penting untuk genomik komparatif, tes allelism QTL, berbagi data dan pertambangan dan korespondensi antara gen utama dan QTL. Seperti yang dibahas oleh Xu, Y. (2002), sistem standar untuk penanda-sifat Associa-tion harus mencakup alel terkait dan karakterisasi alel seperti ukuran alel, efek gen, variasi dijelaskan


293

tidak diinginkan terkait erat dengan sifat sasaran. Pada saat yang sama, latar belakang genetik dapat jika lebih dari satu lingkungan yang terlibat. informasi genetik harus dibagi dan dikombinasikan dengan data yang dihasilkan dalam pemuliaan tanaman, misalnya, keanekaragaman plasma nutfah, populasi pemetaan, silsilah, genotipe grafis, mutan dan saham genetik lainnya. Dengan ribuan atau bahkan jutaan titik data yang mengalir keluar dari laboratorium seharihari, mencetak gol tepat waktu dan pengiriman hasil untuk peternak persyaratan dasar untuk sistem pembibitan efisiensi tinggi. asisten terlatih untuk genotip dan scor-ing, ditambah dengan penelitian para ilmuwan yang dapat menganalisis data dengan cara yang berarti, adalah komponen kunci untuk data yang mengelola-ment dan sistem pengiriman. Sebuah laboratorium dengan fasilitas yang lengkap harus juga dilengkapi dengan personil yang berkualitas dan perangkat lunak yang diperlukan untuk integrasi data, manipulasi, analisis dan pertambangan. pengiriman tepat waktu data ke peternak juga sama pentingnya, karena dalam banyak kasus window time peternak dapat menggunakan untuk seleksi sangat terbatas. Dengan sistem manajemen tinggi-throughput genotip dan data yang tersedia saat ini, dibutuhkan 5-10 hari untuk menghasilkan dan menganalisis data termasuk activi-ikatan mulai dari daun panen jaringan untuk ekstraksi DNA, genotip, data yang mencetak gol, menganalisis, meringkas dan pelaporan. Jumlah titik data yang dapat dihasilkan dan dengan demikian jumlah tanaman yang dapat ditangani dalam seminggu di laboratorium tergantung pada tingkat throughput yang tinggi dan ketersediaan fasilitas genotip.

8.2

Gene marker-assisted

introgresi Gen introgresi melibatkan introduksi-tion dari gen target yang menjadi produktif, jalur penerima atau kultivar. Hal ini dapat digunakan di kedua silang balik dan persilangan pro-gram. Dengan menggunakan penanda DNA untuk

dipilih genome-wide untuk meminimalkan konten genom donor (DGC). Secara historis, Tanksley dan Rick (1980) dan Tanksley (1983) dianggap penggunaan penanda isozim untuk mempercepat introgression dari sifat dikendalikan oleh gen efek Mendel besar dari populasi sumber daya eksotis untuk kultivar a. Dalam hal ini, masalah gen-eral adalah untuk menghilangkan genom donor eksotis secepat mungkin dengan replac-ing dengan penerima kultivar genom sementara tetap mempertahankan gen yang diinginkan dari donor. Hal ini umumnya dilakukan dengan jumlah yang lebih besar dari silang balik (BC) genera-tions. Tanksley dan Rick (1980) menunjukkan bahwa jika kromosom dari strain donor carry isozim atau penanda lainnya differentiat-ing mereka dari kromosom penerima, jumlah generasi SM diperlukan dapat dikurangi secara dramatis dengan memilih terhadap alel penanda donor. Karena kurangnya umum isozim atau penanda lainnya membedakan kultivar dari satu sama lain, Tanksley dan Rick (1980) dan Tanksley (1983) mengusulkan skema ini sebagai terutama penggunaan untuk introgresi dari spesies liar ke kultivar. Dengan ketersediaan penanda molekuler informatif untuk differentially menandai seluruh genom, bagaimanapun, teknik ini telah digunakan untuk kultivar-to-kultivar introgres-sion dalam suatu spesies.

Efisiensi dari MAS di introgresi gen dipengaruhi oleh banyak faktor termasuk ukuran popu-lation, ukuran genom, intensitas link-usia penanda-gen dan jumlah penanda. Stam (2003) mengangkat beberapa isu yang relevan dengan desain program introgresi-breeding:

Apa jumlah variasi dalam DGC diharapkan pada generasi BC1, BC2, dll? Sejauh mana ini tergantung pada jumlah kromosom dan ukuran genom? Apa ukuran populasi diperlukan untuk menjamin, dengan 90% kepastian, bahwa setidaknya satu orang di BC1 memiliki sebuah DGC kurang dari misalnya 0,30? Jika penanda yang mengapit gen sasaran, apa ukuran populasi optimal dalam generasi berturut-turut untuk memastikan

294

Bab 8

beberapa donor juga. Untuk gen target tertentu atau alel, bahwa segmen donor menyeret bersama dengan gen target yang lebih kecil dari segmen yang dikurung oleh penanda mengapit? Apakah itu membayar untuk meningkatkan jumlah penanda untuk seleksi background? Jika demikian, sampai sejauh mana hal ini tergantung pada ukuran populasi yang digunakan dan / atau ukuran genom? Jika tujuan pra-set tertentu, misalnya kurang dari 0,05 DGC, yang harus dicapai dalam sejumlah tertentu generasi, harus population ukuran dalam generasi berturut-turut konstan atau lebih baik untuk beragam ukuran popula-tion dari generasi ke generasi? Jika jumlah generasi bukanlah faktor pembatas, namun jumlah tanaman yang akan genotipe adalah, lalu apa distribusi optimal tanaman num-bers dari generasi ke generasi? Apakah pedoman yang sama untuk transfer yang optimal dari gen target tunggal juga berlaku untuk transfer beberapa gen? Beberapa isu-isu ini pada gen introgres-sion juga telah ditangani oleh sejumlah penulis, menggunakan pendekatan analitis, metode numerik, komputer Simula-tions atau kombinasi keduanya (Rumah Sakit et al, 1992;. Rumah Sakit dan Charcosset, 1997; Rumah Sakit 2001; van Berloo et al, 2001;. Stam, 2003). Sebagai kasus khusus, Frisch (2004) membahas isu-isu yang berkaitan dengan introgres-sion dari gen resesif, di mana silang balik berulang tanpa bantuan penanda molekuler membutuhkan tes keturunan di setiap generasi SM untuk menentukan apakah tanaman adalah pembawa heterozigot dari gen Reces-sive atau tidak.

8.2.1

foreground marker-assisted

pilihan Ada beberapa pendekatan untuk menggunakan penanda molekuler untuk memilih gen target

seleksi foreground dapat melibatkan satu sampai beberapa spidol. Cara termudah adalah dengan menggunakan salah satu penanda terkait erat (di kedua sisi lokus target). Pendekatan yang paling rumit adalah untuk mengintegrasikan seleksi foreground dengan pilihan latar belakang menggunakan spidol mul-tiple untuk lokus target dan banyak lainnya untuk mencakup seluruh genom, ini disebut sebagai 'keseluruhan seleksi genom' dalam buku ini dan berbeda dari genome berbagai pilihan yang akan dibahas kemudian dalam bab ini. Pendekatan yang paling sering digunakan adalah dengan menggunakan triplet, penanda penanda-target-. Tergantung pada seberapa dekat penanda terkait yang ke target, ukuran populasi diperlukan untuk identifikasi genotipe particu-lar, biaya dan efisiensi terkait dengan seleksi foreground dibandingkan dengan phe-notypic seleksi bervariasi secara signifikan. Sebagai contoh, model lokus dua-genetik dengan satu penanda dan satu sasaran lokus yang terlibat dapat disederhanakan sebagai seleksi untuk penanda berbasis gen-tunggal ketika penanda dikembangkan dari gen sasaran.

Seleksi menggunakan spidol tunggal Keandalan seleksi foreground sebagian besar tergantung pada jarak genetik antara penanda dan gen sasaran. Jika hanya satu penanda, yang terletak di salah satu sisi gen sasaran, digunakan dalam seleksi, link-usia antara penanda dan gen harus sangat ketat dalam rangka untuk memiliki efisiensi seleksi yang relatif tinggi. Misalkan lokus marker (M / m) terkait dengan target lokus (Q / q) dengan frekuensi rekombinasi r dan F1 memiliki genotipe MQ / mq, di mana Q adalah alel target yang akan dipilih; Ketika M terkait dengan Q, Q dapat dipilih atas dasar M. Probabilitas bahwa Q / Q genotipe dapat diperoleh melalui seleksi penanda genotipe M / M, yaitu, probabilitas untuk memilih individu yang benar, adalah

P 1 = (1- r ) 2

(8.1)

Dari Gambar. 8.1, probabilitas untuk pilih-


295

seleksi tanpa menggunakan penanda molekuler, yang 100 ) %(

80

spidol bracket

r a n e b c sr fo

60 g

le

n ti

e

penanda tunggal 40

n a n

0 20

0.0

0,1

0,2 0,3 frekuensi rekombinasi

0,4

0,5

Gambar. 8.1. Hubungan antara frekuensi rekombinasi antara penanda dan gen target dan kemungkinan untuk memilih tanaman yang tepat berdasarkan penanda terkait.

penanda dan gen target harus kurang dari 0,05. Ketika r lebih besar dari 0,10, probabilitas mengurangi ke bawah 80%. Namun, jika kita hanya ingin memiliki setidaknya satu individu yang dipilih dengan genotipe sasaran, MAS masih sangat membantu bahkan jika linkage sangat longgar. Jika probabilitas untuk mendapatkan setidaknya satu individu yang diinginkan dengan genotipe target P2, ukuran sampel minimum yang diperlukan untuk memperoleh target genotipe M / M dapat diperoleh dari probabilitas func-tion dari distribusi binomial sebagai

n = log (1- P 2) / Log (1- P 1)

(8.2)

Frisch et al. (1999b) memberikan probkemampuan untuk mendapatkan target genotipe, P2, yang tidak hanya ditentukan oleh faktor assodiasosiasikan dengan gen target dan penandanya mengapit tetapi juga oleh kondisi bahwa wilayah kromosom lengkap antara penanda mengapit dan telomer terdekat seluruhnya terdiri dari orang tua genom berulang. Gambar 8.2 menunjukkan hubungan antara ukuran sampel minimum yang diperlukan dan frekuensi rekombinasi ketika P2 = 0.99. Bahkan jika rekombinasi fre-quency setinggi 0,3, hanya tujuh tanaman yang memiliki M / M genotipe

ihl

18 et

16

i rp

14 i

d 12 a j n e

m 10 n a m

m u

penanda tunggal

8 6

im in M

4 0 0.0

spidol bracket

0,1 0,2 0,3 frekuensi rekombinasi

0,4

0,5

Gambar. 8.2. Hubungan antara frekuensi rekombinasi antara penanda dan gen target dan tanaman minimum yang harus dipilih di MAS. Asumsikan gen target antara pertengahan dua spidol, yaitu r 1 = r 2, Ketika spidol braket dianggap.

setara dengan non-hubungan antara penanda dan gen sasaran (r = 0,5), setidaknya 16 tanaman yang diperlukan.

Seleksi menggunakan spidol bracket Dengan memonitor penanda mengapit lokus target dan alel penerima di spidol mengapit, panjang utuh kromo-beberapa donor segmen sekitar gen target dapat dikurangi secara efisien (Tanksley et al., 1989). Alasan ini dapat digunakan untuk menentukan ukuran populasi dalam program SM sehingga rekombinan antara gen target dan spidol mengapit dapat ditemukan dengan probabilitas tinggi. Untuk mengurangi positif palsu di MAS, spidol sayap-ing atau beberapa penanda seluruh wilayah harus digunakan secara bersamaan. Sebuah sistem tiga-marker, dengan tiga tanda-ers yang terletak di blok kromosom, akan diinginkan dalam hal ini (Zhang dan Huang, 1998). Penanda di tengah-tengah, sebaiknya intragenik atau comemisahkan dengan gen, akan digunakan untuk menunjukkan adanya gen target dalam proses seleksi. Penanda di setiap sisi akan digunakan untuk menunjukkan adanya segmen kromosom dari induk donor (seleksi negatif), yaitu, seleksi untuk rekombinasi antara lokus gen target dan lokus marker. Sebagai gen lebih banyak dan lebih telah diklon, yang

296

Bab 8

penanda di tengah bisa dikembangkan dari gen kloning. Sistem ini akan sangat berguna ketika gen target yang hanya tersedia dalam spesies liar dan linkage tarik berhubungan dengan segmen kromosom akan introgresi. Misalkan ada dua penanda lokus (M1 / m1 dan M2 / m2) yang terletak di setiap sisi gen sasaran (Q / q) dengan frekuensi recombi-bangsa r1 dan r2 dan F1 memiliki genotipe M1QM2 / m1qm2. F1 akan pro-Duce dua gamet dengan penanda genotipe M1M2, salah satunya adalah tipe orangtua yang berisi target alel (M1QM2) dan yang lainnya adalah dikhianati mengandung non-target alel (M1qM2). Karena frekuensi penyeberangan ganda sangat rendah, gamet dikhianati sangat jarang. Akibatnya, kemungkinan membuat pilihan yang benar untuk Q sasaran alel berdasarkan kehadiran M1 dan M2 sangat tinggi. Bawah tidak ada interfer-ence, probabilitas mendapatkan target genotipe Q / Q berdasarkan pemilihan M1M2 / M1M2 pada generasi F2 adalah

P 1 = (1- r 1) 2 (1- r 2) 2 / [(1- r 1) (1- r 2)+ r 1r 2] 2 (8.3)

Ketika gen target yang terletak di tengahtengah dua penanda mengapit, yaitu r1 = r2, kemungkinan membuat pilihan kanan diminimalkan. Gambar 8.1 dan 8.2 menunjukkan hubungan antara jumlah minimum tanaman yang dibutuhkan dan r1 (atau r2), ketika P2 = 0.99 dan r1 = r2. efisiensi seleksi adalah jauh lebih tinggi menggunakan dua penanda mengapit daripada menggunakan satu penanda. dengan gangguan

antara pindah silang tunggal (seperti umumnya kasus), frekuensi pindah silang ganda yang sebenarnya lebih rendah dari nilai yang diharapkan (yang mengasumsikan tidak ada gangguan). Oleh karena itu, probabilitas yang sebenarnya untuk membuat pilihan yang tepat berdasarkan mengapit spidol harus lebih tinggi dari harapan teoritis. Ukuran populasi yang dibutuhkan untuk gen-erate (dalam generasi SM tunggal) probabilitas tinggi memperoleh rekombinan setidaknya satu tanaman antara gen target dan kedua penanda mengapit lebih besar dari tingkat reproduksi spesies tanaman yang paling. Sebagai contoh, untuk jarak penanda mengapit dari 5 cM pada setiap sisi dari gen target, sekitar 4000 individu yang diperlukan untuk menemukan rekombinan ganda dengan probabilitas 0,99 (Frisch et al., 1999b). Oleh karena itu, Frisch (2004) mengusulkan strategi berurutan untuk menemukan seorang individu dengan rekombinasi antara gen target dan satu mengapit penanda dalam generasi BC1 dan rekombinan antara gen target dan penanda mengapit kedua di generasi BC2 (juga lihat Gambar. 8.4b untuk penjelasan lebih lanjut dari strategi ini). Tabel 8.1 memberikan optimal ukuran populasi n1 dalam generasi BC1 dan corresponding diharapkan ukuran populasi E (n2) dalam generasi BC2 sehingga jumlah yang diharapkan dari individu E (n) = n1 + E (n2) yang diperlukan untuk bersilang satu gen dengan jumlah minimum individu dalam program BC dua generasi diminimalkan. Nilai-nilai tergantung pada d1 jarak peta dan d2 antara gen target dan dua penanda mengapit (Frisch, 2004).

Tabel 8.1. diharapkan jumlah total yang individu E (n) = n 1 + E (n2) Yang diperlukan untuk bersilang satu gen dengan jumlah minimum individu dalam program BC dua generasi (dari Frisch (2004) dengan ijin dari Springer Sains dan Media Bisnis).

Peta jarak d 2 (CM) peta jarak

4

6

12

16

(n2)Sebuah

d 1(CM) 4 6 8 12

8 n1/ E

143/252

136/186 91/167

130/155 88/135 66/125

123/128 83/105 63/94 48/83

117/117 79/93 60/80 41/68


Seleksi menggunakan beberapa penanda untuk beberapa sasaran MAS memberikan kesempatan untuk seleksi simulta-neous beberapa sifat / gen menggunakan beberapa penanda. Dalam beberapa kasus, beberapa ras patogen atau biotipe serangga harus digunakan untuk mengidentifikasi tanaman untuk beberapa resistensi, tetapi dalam prakteknya seleksi fenotipik mungkin sulit atau tidak mungkin karena gen yang berbeda dapat menghasilkan fenotipe simi-lar yang tidak dapat dibedakan satu sama lain. Asosiasi penanda-sifat dapat digunakan untuk secara bersamaan memilih resistensi multi-ple dari ras penyakit yang berbeda dan / atau biotipe serangga dan piramida mereka ke dalam satu baris melalui MAS. Misalnya, untuk menemukan pemulih untuk cyto-plasmic kemandulan pria (CMS) di beras melalui testcrossing dan uji keturunan, tanaman kandidat laki-laki harus diujisilangkan dengan garis CMS untuk mengetahui apakah ia memiliki restorability kesuburan berdasarkan kesuburan uji silang keturunan. Namun, kemandulan pada keturunan uji silang dapat mengakibatkan dari tidak adanya baik gen restorabil-ity atau gen kompatibilitas lebar atau keduanya ketika salib intersubspecific yang terlibat. MAS menggunakan beberapa penanda dapat digunakan untuk membedakan dua jenis ste-rility. Sebagai contoh lain, mempertimbangkan pemilihan phenotypic untuk beberapa sifat beras, seperti thermal-sensitive genic male steril-ity (galur), amilosa dan lebar compatibil-ity. tanaman kandidat harus diuji dalam dua lingkungan yang berbeda di mana galur dapat diidentifikasi. Setiap tanaman harus diujisilangkan dengan penguji kompatibilitas luas, menindaklanjuti dengan tes keturunan di musim depan. Pada saat yang sama, jumlah yang relatif besar benih harus dipanen untuk amilosa meas-urement. Sementara metode seleksi konvensional memerlukan penundaan sampai sejumlah besar bibit yang tersedia dan tingkat yang wajar homozigositas tercapai, dalam MAS hanya daun dipanen pada setiap tahap pertumbuhan dalam populasi memisahkan diperlukan, dengan ketersediaan penanda terkait untuk sifat-sifat ini .

297

Sebagai pemetaan genetik informasi accuMulates dari populasi pemetaan yang berbeda, dimungkinkan untuk membangun profil lengkap untuk semua gen yang terkait dengan

sifat tertentu atau kategori sifat. Pendekatan multiple-marker dapat digunakan untuk memilih yang terbaik kombinasi sifat / gen berdasarkan selec-tion untuk masing-masing lokus sasaran yang posi-tion dalam genom diketahui. Hal ini dimungkinkan untuk memilih kaset terbaik untuk setiap sifat dan / atau kombinasi sifat. Ketika kromosom tunggal Distin-guishable, seleksi genom parsial atau seleksi kromosom seluruh yang mungkin sebagai alternatif untuk seleksi seluruh genom sehingga kromosom lainnya tetap tidak berubah. MAS dapat difokuskan pada daerah kromosom / lengan jika dipisahkan dari sisa genom. Gen mengendalikan sifat-sifat yang sama atau kategori sifat dapat mengelompok di beberapa daerah kromosom tertentu, yang disebut blok gen. pemetaan daerah strat-strategi-(Xu, 1997;. Monna et al, 2002), com-dikombinasi dengan peta genetik highdensity, dapat membantu membangun peta daerah high-density yang menargetkan blok gen untuk pemisahan gen terkait erat.

8.2.2

background marker-assisted

pilihan Dalam program SM, penanda molekuler dapat digunakan untuk seleksi tidak langsung untuk keberadaan alel menguntungkan (Tanksley, 1983) dan untuk seleksi dengan latar belakang genetik yang tidak diinginkan dari genotipe donor (Tanksley et al., 1989). Seleksi untuk sisa genom tidak termasuk gen sasaran (s), yaitu latar belakang genetik, disebut seleksi background (Rumah Sakit dan Charcosset, 1997). Pemilihan latar belakang bertujuan-ing di seluruh genom. Dalam populasi memisahkan, setiap kromosom merupakan kombinasi acak dari dua orangtua chro-mosomes. Jadi kita harus tahu kombinasi orangtua masing-masing kromosom untuk melakukan seleksi seluruh genom, yaitu seluruh genom harus ditutupi oleh penanda molekuler. Untuk individu tanaman, kita dapat menyimpulkan asal orang tua untuk setiap penanda alel di seluruh genom ketika geno-jenis pada semua lokus penanda dikenal dan dengan demikian kita dapat menyimpulkan kombinasi orangtua untuk setiap kromosom.

298

Bab 8

1: 1122222222; 2: 22.222; 3: 111.122; 4: 333333; 5: 22.333; 6: 11111; 7: 333.332; 8: 22.111; 9: 3333; 10: 1.233.322 11: 111; 12: 23.333

Konsep genotipe grafis Dalam program pemuliaan, penting untuk mempertimbangkan genom lengkap dari individu-als, selain gen target tertentu. Dalam organisme yang bereproduksi secara seksual, segregat-ing keturunan mengandung kromosom yang mosaik potongan kromosom yang berasal dari orang tua mereka. Pengetahuan tentang molec-ular penanda genotipe pada satu lokus tertentu atau haplotype di beberapa lokus terkait erat menghasilkan informasi tentang asal-usul orangtua alel di situs tertentu dalam genom. Pengetahuan tentang genotipe penanda molekuler banyak lokus terkait di seluruh genom menghasilkan perkiraan komposisi yang tepat dari chro-mosomes individu dalam hal orang tuanya. Dengan kata lain, informasi tentang poin terkait dalam genom memungkinkan pengurangan dari genotipe terus menerus, yang dapat ditampilkan graphi-Cally (Gambar. 8.3). genotipe grafis memberikan gambaran yang jelas dari struktur genom dari setiap tanaman, yang memfasilitasi MAS, dan sangat berguna untuk seleksi background. Pemilihan ini pertama kali dibuat untuk latar depan untuk mempertahankan gen target dan pemilihan background kemudian dibuat antara tanaman yang sudah dipilih untuk foreground.

Dalam meiosis apapun, nol, satu, atau lebih peristiwa cross-over dapat terjadi antara sepasang tertentu homolog. Ketika Crossover telah terjadi, deskripsi lengkap genom sebuah indi-vidual ini akan mencakup informasi tentang perubahan konstitusi alel karena rekombinasi, serta informasi tentang lokasi di mana peristiwa Crossover terjadi (Young dan Tanksley, 1989a). Dalam genetika transmisi, individu secara rutin dijelaskan oleh genotipe mereka pada satu atau lebih lokus genetik yang menarik. deskripsi umumnya alpha-betic atau numerik di alam dan menyediakan informasi pra-Cukai pada derivasi dan konstitusi alel pada lokus tertentu. peta molekul-density tinggi dapat digunakan untuk menentukan genotipe individu di ribuan lokus dan dengan demikian adalah mungkin untuk menyimpulkan konstitusi genetik yang paling mungkin untuk daerah bunga atau seluruh genom

b

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Gambar. 8.3. genotipe grafis untuk individu dari tomat F2populasi yang berasal dari persilangan antara Solanum esculentum dan Solanum pennellii (juga dikenal sebagai Lycopersicon esculentum dan Lycopersicon pennellii). (A) data RFLP numerik disajikan dalam rangka sepanjang 12 kromosom dalam genom: 1, homozigot untuk S. esculentum; 2, heterozigot; 3, homozigot untuk S. pennellii. (B) genotipe Graphical berasal dari data RFLP numerik ditampilkan dalam. interval putih menunjukkan segmen yang berasal dari S. esculentum; interval menghitam dari S. pennellii; dan interval bergaris menunjukkan segmen yang berisi acara crossover. Dua homolog dari masingmasing pasangan kromosom ditampilkan berdampingan. Dua genotipe grafis isomer dari kemungkinan yang sama ditunjukkan yang berbeda hanya di wilayah dicatat oleh panah dan garis tebal. Dari Young dan Tanksley (1989a) dengan izin jenis Springer Sains dan Media Bisnis.

genotipe. Hal ini mirip dengan sitologi Karyo jenis dalam menggambarkan seluruh genom dalam gambar grafis tunggal, tetapi berbeda dalam bahwa genotipe grafis akan disimpulkan dari data penanda molekuler dan dengan demikian akan menunjukkan konstitusi genom dan orangtua Deriva-tion untuk semua titik dalam genom . Untuk mengembangkan genotipe grafis, data yang penanda molec-ular, yang diperoleh dalam bentuk numerik, perlu diubah menjadi sebuah gambar grafis dengan mudah diinterpretasi dan akurat. Muda dan Tanksley (1989a) mengembangkan mekanisme untuk


dan membahas beberapa isu-isu yang berkaitan dengan potensi kekuatan dan penerapan genotipe graphi-cal. penanda RFLP istilah yang digunakan dalam makalah mereka dapat diperluas untuk mencakup genotipe yang berasal dari semua jenis penanda molecu-lar yang co-dominan dan haplo jenis yang berasal dari spidol di-alel seperti SNP. Konsep ini (dikembangkan atas dasar populasi terstruktur seperti SM dan F2) dapat diperpanjang untuk semua populasi termasuk populasi alami yang terdiri dari aksesi plasma nutfah atau kultivar.

Persyaratan untuk menyimpulkan grafis genotipe Dalam rangka untuk membangun genotipe grafis, kondisi tertentu yang harus dipenuhi. Pertama, baik penduduk atau kepadatan tinggi, peta molekuler, untuk seluruh genom dari spesies harus tersedia. Peta ini harus con-sist dari sejumlah besar penanda yang menutupi seluruh genom dengan setidaknya satu penanda setiap 10 cM atau kurang. Selain itu, perlu juga bahwa konfigurasi cis-trans untuk penanda molekuler diketahui dalam rangka mempersiapkan genotipe grafis. Dalam populasi yang berasal dari galur inbrida, seperti populasi perkembangbiakan yang terdiri dari SM atau F2 keturunan, konfigurasi cis-trans dapat disimpulkan hanya dengan pengetahuan tentang skema peternakan. Dalam lebih kompleks situa-tions, Data penanda molekuler lengkap harus diperoleh untuk tiga generasi dalam rangka mempersiapkan genotipe grafis untuk individu-als pada generasi ketiga. Pada manusia, misalnya, data penanda molekuler harus ditentukan untuk kakek-nenek dan orang tua dalam rangka untuk mengembangkan genotipe grafis untuk anak-anak di silsilah. Tanpa pengetahuan ini konfigurasi cis-trans, data yang penanda molekuler dari beberapa daerah dari genom mungkin memiliki lebih dari satu genotipe grafis pos-sible, yang semuanya sama-sama mungkin benar.

Asumsi yang digunakan dalam

299

Asumsi utama yang dibutuhkan untuk pengembangan genotipe grafis adalah bahwa genotipe suatu daerah antara dua molec-

spidol ular itu disimpulkan dari genotipe penanda yang membatasi interval. Ketika menyimpulkan genotipe grafis dari selang dari genotipe endpoint penanda, sering ada konfigurasi alternatif yang akan memuaskan data penanda tersedia. Muda dan Tanksley (1989a) menggunakan konfigurasi yang paling mungkin untuk mengembangkan grafis geno-type. Dengan demikian, konfigurasi sederhana yang membutuhkan jumlah paling sedikit peristiwa crossover yang dipergunakan dalam mengembangkan genotipe grafis, sementara konfigurasi alternatif yang memerlukan satu atau lebih beberapa peristiwa crossover yang tidak. Dalam prakteknya, ini berarti bahwa jika dua lokus con-secutive memiliki genotipe yang sama, genotipe segmen antara penanda disimpulkan bahwa dari dua penanda mengapit. Ketika dua lokus yang berdekatan memiliki genotipe penanda dif-ferent itu, disimpulkan bahwa peristiwa crossover yang telah terjadi di suatu tempat antara dua lokus. Karena genotipe interval non-rekombinan disimpulkan dari genotipe endpoint penanda nya, pindah silang ganda (atau nomor bahkan lain dari crossover) dalam interval tertentu akan memalsukan inferensi ini dan kemungkinan pindah silang ganda meningkat dengan kuadrat probabilitas dari cross-over antara molekul tandaers yang berdekatan. Dengan demikian, untuk interval apapun, probabilitas bahwa genotipe tereka akan benar adalah 1 - r 2, di mana r adalah probabilitas dari peristiwa cross-over antara penanda molekuler yang berdekatan. Untuk total genom, yang probabil-ity bahwa tidak ada interval benar adalah

Jumlah interval

P t =(1 - r n2 )

(8.4)

n1

Persamaan ini hanya mempertimbangkan pindah silang ganda dan mengasumsikan gangguan taruhan-Ween crossover dapat diabaikan. Sebagai contoh, mempertimbangkan suatu organisme dengan ukuran total genom 1000 cM di mana penanda molekuler yang merata spasi di seluruh genom. Proporsi yang diharapkan dari genom yang dijelaskan dengan benar oleh genotipe grafis dihitung dengan terlebih dahulu menentukan probabilitas 0, 1, 2,. . .

300

Bab 8

probabilitas, bersama dengan ukuran jarak, kemudian digunakan untuk menentukan panjang diharapkan dari genom benar inferred, yang kemudian dibagi dengan total ukuran genom untuk menghasilkan proporsi yang diharapkan dari genom yang akurat digambarkan oleh genotipe grafis. Dengan molekul mark-ers spasi setiap 10 cM, sebuah graphi-cal genotipe disimpulkan akan memiliki probabilitas hanya 30% menjadi tepat benar untuk semua wilayah (yaitu tidak ada interval yang salah). Namun, genotipe grafis yang sama ini akan akurat dalam menggambarkan konstitusi genom selama lebih dari 99% dari genom. Bahkan ketika spac-ing antara penanda molekuler meningkat menjadi 30 cM, genotipe grafis tereka akan akurat untuk sekitar 95% dari genom. Rupanya, karena jumlah manusia agéable dan tersedia penanda molekuler menjadi terbatas dibandingkan dengan jumlah ketika konsep itu diusulkan, probabilitas yang benar akan ditingkatkan secara signifikan. Cis-trans ambiguitas terjadi pada populasi F2 ketika lokus heterozigot dipisahkan oleh bentangan satu atau lebih lokus homo-logous. Dalam situasi ini, dua genotipe grafis sama mungkin adalah mungkin bahwa berbeda dalam konfigurasi cis-trans daerah heterozigot mengapit (lihat Gambar. 5 dari Young dan Tanksley, 1989a). Perhitungan berdasarkan distribusi Poisson menunjukkan bahwa hanya 6% dari genom yang terdiri dari sepuluh kromosom dari 100 cM masing-masing akan ambig-uous. Utilitas genotipe grafis pada populasi F2 tidak akan umumnya menjadi seri-menerus dirugikan oleh cis-trans ambiguitas.

Penerapan genotipe grafis Sebuah representasi grafis dari genotipe disimpulkan dari data yang RFLP untuk individu yang dipilih secara acak dari tomat F2 population disediakan oleh Young dan Tanksley (1989a) ditunjukkan pada Gambar. 8.3. Perhatikan bahwa tidak hanya mungkin untuk melihat bagian-bagian dari setiap set homolog yang berasal dari setiap orangtua, tetapi juga daerah-daerah di mana crossover berlangsung.

persimpangan tambahan. Meskipun konsep genotipe grafis diusulkan lama, telah banyak digunakan dalam berbagai bidang genomik. Telah digunakan, seperti yang dijelaskan dalam Bab 4, untuk selec-tion garis introgresi genome sebagai perpustakaan untuk mencakup semua sifat dan seluruh segmen genom oleh segmen. Sebagai data penanda molekuler meningkat secara eksponensial dengan ketersediaan tinggithroughput sistem geno-mengetik, konsep genotipe grafis dan turunannya telah menerima lebih banyak perhatian dan secara luas digunakan dalam MAS, isogenic dekat-line (NIL) konstruksi, garis introgresi perpustakaan pengembangan dan pemetaan asosiasi. Seperti banyak poin dalam genom dapat ditutupi oleh spidol, genotipe grafis dapat disederhanakan dengan menampilkan mereka menggunakan positions fisik penanda daripada interval ditentukan oleh mengapit spidol.

8.2.3

konten genom donor

di generasi SM berbasis penanda DNA seleksi seluruh genom atau seleksi background dapat digunakan untuk mempercepat pemulihan dari genotipe berulang dalam proses silang balik untuk meningkatkan lini orangtua. Prinsip dasar seleksi back-ground (sebagai lawan dari 'latar seleksi' pada gen target) adalah bahwa dalam setiap generasi SM diberi sebenarnya DGC bervariasi di sekitar nilai ratarata teoritis. Setelah alel QTL kepentingan dalam sumber daya (donor) orang tua telah diidentifikasi-fied oleh hubungan ke sumber daya yang spesifik alel penanda, backcrosses berulang-ulang untuk budidaya (saat memilih pada setiap siklus hanya mereka keturunan silang balik yang membawa alel penanda QTL-linked eksotis) akan memungkinkan introgresi efektif terkait alel yang quanti-tative dari donor ke dalam culti-var. Tergantung pada jumlah alel untuk introgresi, dimungkinkan untuk tam-Dite hal dengan aktif memilih terhadap alel penanda eksotis (dan karenanya terhadap daerah kromosom yang terkait) yang tidak linkage untuk alel introgresi.


301

Tabel 8.2. Frekuensi alel menguntungkan setelah sejumlah tertentu generasi SM, dengan dan tanpa seleksi untuk penanda alel terkait atau untuk sepasang spidol bracketing alel menguntungkan (penanda bracket) dan proporsi penerima genom pulih dengan dan tanpa MAS terhadap sisa genom eksotis. Dari Beckmann dan Soller (1986a) dengan izin dari Oxford University Press.

MAS untuk alel menguntungkan (Frekuensi alel menguntungkan)

Jumlah BC

generasi 1 2 3 4 5 6

MAS terhadap sisa eksotis genom (proporsi penerima genom pulih)

tak satupun

penanda tunggalSebuah

penanda braketb

tak satup un

0.25 0,12 0,06 0,03 0.02 0.01

0.81 0,73 0.66 0.59 0.53 0,48

0.92 0.88 0.85 0.82 0.78 0,75

0,75 0.88 0,94 0.97 0,98 0.99

cakupan penanda penuh c 0.85 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00

Sebuah

Proporsi rekombinasi antara penanda alel dan terkait alel menguntungkan, 0,10. Proporsi rekombinasi antara dua penanda braket, 0,40. c Dua spidol per kromosom. b

terkait penanda alel. Juga ditampilkan adalah hasil jika seleksi untuk sepasang penanda alle-les bracketing yang QTL untuk introgresi. Misalkan proporsi recombi-bangsa antara penanda alel dan terkait alel menguntungkan adalah 0,10 ketika penanda tunggal digunakan dan proporsi recom bination antara dua penanda bracket yang 0,40. Perbandingan yang menarik adalah frekuensi alel introgresi setelah tiga generasi dengan bantuan penanda silang balik (MAB) (single marker, 0,66; penanda braket, 0,85) dibandingkan dengan frekuensi alel introgresi setelah lima sampai enam generasi SM tanpa bantuan (0.01). Dalam kasus yang pertama, alel introgresi akan memiliki efek langsung pada nilai kultivar dan dapat dengan cepat dibawa ke fiksasi oleh selfing atau seleksi.

Dengan dua penanda per kromosom digunakan untuk MAS terhadap sisa genom eksotis, proporsi penerima (berulang) genom pulih di BC2 akan sama dengan yang diperoleh di BC6 tanpa MAS (Tabel 8.2). Hasil ini juga diberikan Gambar 8.4 dan ini juga diakui oleh banyak penulis. (misalnya Tanksley et al, 1989;.. Rumah Sakit et al, 1992;. Frisch et al, 1999a, 2000). Oleh karena itu, pemilihan berdasarkan

Jika hanya dua penanda seleksi latar belakang pada kromosom sasaran yang digunakan (assum-ing pemilihan langsung untuk gen target), jarak d1 dan d2 antara gen target dan spidol dapat dipilih sedemikian rupa sehingga DGC diharapkan pada kromosom target diminimalkan jika kedua penanda tetap untuk alel penerima (Rumah Sakit et al., 1992) dengan menerapkan

d 1



d 2



1 ln (1  2 s)

(8.5)

2 dimana s adalah proporsi individu BC1 yang dipilih. Pendekatan ini didasarkan pada asumsi ukuran populasi terbatas dan sifat optimum hanya berlaku jika dua penanda dalam kromosom pembawa gen target yang digunakan (Frisch, 2004).

8.2.4 tarik Linkage di introgresi gen Ketika mentransfer gen tunggal dari donor ke dalam latar belakang genetik dari orang tua berulang oleh silang balik berulang, pautan genetik akan menyebabkan fragmen dari genom

introgresi gen. fragmen genom donor kecil, tidak terkait dengan gen sasaran,

302

Bab 8

Sebuah

BC1

BC2

BC3

BC6

99,0

Tradisional silang balik pembiakan

persen kumat genom

75.0

87.7

93,3

85.5

98,0

100

Marker-assisted silang balik pembiakan

persen kumat genom

SM

b

F1

1

BC2

SM

SM 2

3

0

2

10

SM

100

Tradisional silangbalik

pembiakan tahun

0,5

1

1,5

0,5

1

1,5

50

Marker-assisted silang balik

pem a an

tahun

Gambar. 8.4. Perbandingan pemuliaan silang balik tradisional dan penanda-dibantu (dengan asumsi bahwa co-dominan penanda yang digunakan). (A) Tingkat untuk kembali ke berulang orangtua genotipe di daerah genom unlinked untuk gen (s) yang diperkenalkan. (Top) breeding silang balik Tradisional. genotipe grafis yang dihasilkan untuk individu yang dipilih secara acak dari berbagai generasi SM berasal dari SM tunggal 1individu dengan simulasi komputer. Hanya satu homolog dari masing-masing 12 kromosom tomat ditampilkan (homolog lainnya dapat diturunkan secara eksklusif dari induk berulang). daerah gelap mengindikasikan segmen genom donor, daerah bergaris menunjukkan segmen di mana crossover terjadi, dan daerah putih menunjukkan segmen genom berulang. Setiap interval adalah 20 cm. Angka-angka di bawah setiap genotipe grafis menunjukkan persentase genom berasal dari induk berulang. Rata-rata jumlah generasi yang diperlukan untuk kembali ke genom berulang, seperti yang diperkirakan dari 20 simulasi independen, adalah 6,5 ± 1,7 generasi. (Bawah) genotipe Graphical individu dari penanda yang dibantu program pemuliaan silang balik menunjukkan kembali ke tetua berulang hanya dalam tiga generasi. Dalam setiap generasi SM, 30 keturunan yang dihasilkan dan yang terbaik (dalam hal persentase berulang orangtua genom) digunakan sebagai induk untuk generasi BC berikutnya. (B) diharapkan linkage seret di sekitar gen yang dipilih diadakan heterozigot selama silang balik. (Top) breeding silang balik Tradisional. (Bawah) MAS untuk tanaman membawa kromosom dengan rekombinasi dekat gen yang dipilih. Penanda terkait erat dengan gen yang diinginkan yang digunakan untuk mengidentifikasi individu dengan crossover dalam 1 cM pada satu sisi gen yang dipilih di SM1. Individu-individu rekombinan kemudian disilangbalikkan dengan orang tua berulang dan penanda terkait erat lain digunakan untuk memilih rekombinan dalam 1 cM di sisi lain dari gen target dalam SM2. Jumlah tersebut diharapkan tahun untuk mendapatkan tingkat tertentu linkage drag (untuk tanaman khas dengan waktu generasi 0,5 tahun) ditampilkan di bawah. Dari Tanksley et al. (1989) dicetak ulang dengan izin dari Macmillan Publishers Ltd.

mungkin juga berakhir di latar belakang genetik penerima. Penghapusan terkait seg-KASIH terjadi secara kompleks yang digambarkan oleh Hanson (1959) dan dijabarkan lebih lanjut oleh

Misalnya, bahkan setelah 20 BC, satu mengharapkan untuk menemukan sepotong yang cukup besar (10 cM) dari kromosom donor masih terkait dengan gen yang dipilih (Stam dan Zeven,


dengan nilai yang diharapkan dan karena peternak pasti praktek pemilihan di antara progeni. Dalam kebanyakan genom tanaman, 10 cM cukup DNA mengandung ratusan gen. Oleh karena itu, hasil silang balik di trans-fer, tidak hanya gen (s) yang menarik, tetapi juga dari gen terkait tambahan dari donor. Fenomena ini sering dapat menghasilkan kultivar baru dimodifikasi untuk karakter selain yang awalnya ditargetkan. Tidak mengherankan, banyak contoh 'linkage drag' yang dikenal di mana sifat-sifat yang tidak diinginkan yang terkait erat dengan gen target yang dilakukan bersama dur-ing program pemuliaan, terutama ketika plasma nutfah yang eksotis yang terlibat. Selain linkage drag, DNA linknya dari induk donor juga harus dihapus selama program pemuliaan SM. Dalam rangka untuk mendapatkan ide yang lebih baik tentang pentingnya rela-tive dari terkait dibandingkan segmen donor unlinked dalam pemuliaan SM, kurva sim-ple berasal dari karya-karya Hanson (1959) dan Stam dan Zeven (1981) untuk membandingkan jumlah DNA asing karena dua sumber ini sebagai fungsi dari jumlah generasi BC (Young dan Tanksley, 1989b). Hasil ini Analy-sis menunjukkan bahwa untuk genom hipotetis sepuluh kromosom dari 100 cM masingmasing, proporsi DNA unlinked berasal dari genom donor adalah lebih besar dari sisa terkait DNA hanya dalam empat pertama generasi SM. Setelah waktu ini, proporsi DNA donor karena linkage tarik jauh melebihi DNA unlinked dengan faktor 50 dan di generasi BC-20, DNA donor terkait melebihi dibatalkan dengan faktor lebih dari 105. analisis sederhana ini jelas menekankan pentingnya tarik linkage sebagai masalah yang menonjol dalam program pemuliaan SM.

Dalam program SM tradisional, segmen terkait biasanya tetap besar selama beberapa generasi bukan karena recombina-tion tidak terjadi di daerah ini, tetapi karena tidak ada cara yang efektif untuk mengidentifikasi individu rekombinan. Dalam klasik berkembang biak-ing biasanya hanya secara kebetulan bahwa rekombinan tersebut kadang-kadang dipilih yang

303

pilih individu yang telah mengalami rekombinasi dekat gen yang diinginkan. Pada sekitar 150 tanaman SM ada 95% kemungkinan bahwa setidaknya satu tanaman akan mengalami crossover dalam 1 cM di satu sisi atau yang lain dari gen yang dipilih. penanda molekuler memungkinkan tegas iden-tification dari individu-individu (Young dan Tanksley, 1989b). Dengan satu generasi SM tambahan 300 tanaman, akan ada kesempatan 95% dari crossover dalam 1 cM dari sisi lain dari gen, menghasilkan seg-ment sekitarnya gen target kurang dari 2 cM. Ini akan telah accom-plished dalam dua generasi dengan penanda molekuler, sementara itu akan diperlukan, rata-rata, 100 generasi tanpa penanda molekuler (Gambar. 8.4b). Hal ini jelas bahwa kemampuan untuk memilih untuk rekombinan diinginkan di wilayah yang menarik adalah fungsi dari jumlah penanda dipetakan di daerah itu, serta jumlah tanaman diuji. Seperti peta molekul tanaman menjadi lebih jenuh, efisiensi memilih recom-binants akan meningkat.

Peleman dan van der Voort (2003) pro-vided contoh linkage tarik yang hap-pened dalam pelanggaran gen selada. Pada 1990-an, keygene terlibat dalam pendekatan pemuliaan dengan bantuan penanda yang menyebabkan pengembangan selada tahan terhadap kutu Nasonovia ribisnigri (Jansen, 1996) kultivar baru. kutu ini adalah masalah utama di daerah selada bidang-tumbuh di Eropa dan California menyebabkan pertumbuhan berkurang dan abnormal selain untuk menyebarkan penyakit virus. Resistensi terhadap kutu ini bisa introgresi dari kerabat liar selada, Lactuca virosa, oleh silang balik berulang. Namun, meskipun banyak putaran silang balik produk baru adalah kualitas sangat miskin, bantalan daun kuning dan sangat berkurang kepala. Ini bisa baik disebabkan oleh efek pleiotropic gen resistensi atau dengan linkage drag, suatu sifat negatif terkait erat dengan sifat positif yang menarik. analisis penanda akhirnya menunjukkan bahwa kualitas berkurang disebabkan oleh linkage drag. Dalam hal ini, hubungan tarik adalah resesif, hanya terlihat dalam keadaan homozigot, sehingga serius meningkatkan kesulitan untuk memilih

304

Bab 8

Diputuskan untuk menggunakan penanda DNA sayap-ing introgresi untuk pra-pilih untuk indiindividu yang terlibat yang rekombinan di sekitar gen. Lebih dari seribu tanaman F2 disaring dengan cara ini, yang mengarah ke 127 pemilihan sekitar 100 individu bantalan rekombinasi atau bahkan ganda recombina-tions di sekitar gen. Hanya orang-orang perlu phenotyped untuk kedua resistensi dan, pada tingkat F3, tidak adanya karakteristik negatif. Pendekatan ini akhirnya mengarah pada pemilihan peristiwa bantalan rekombinasi individu yang sangat dekat dengan setiap sisi gen sehingga menghapus hambatan linkage. Hasil dem-onstrated bahwa (resesif) linkage drag karena faktor terkait erat di kedua sisi gen ketahanan. Seperti yang ditunjukkan oleh Peleman dan van der Voort (2003), hasil ini akan sangat sulit untuk mendapatkan dengan metode seleksi klasik.

8.2.5 Pengaruh ukuran genom pada introgresi gen Pengaruh ukuran genom pada Distri-bution dari DGC di generasi BC memiliki konsekuensi impor-semut untuk tingkat dicapai dari

donor genom substitusi. Distribusi DGC di generasi BC1 ditunjukkan pada Gambar. 8.5 untuk tiga ukuran genom (jumlah kromosom haploid× Panjang peta): kecil: 5 ×100 cM; menengah: 10×100 cM; besar: 15×150 cM (Stam, 2003). Fitur penting yang dapat diamati adalah bahwa variabel-terorganisir di DGC berkurang sebagai ukuran genom (Total centimorgans) meningkat. Dari tabulasi kumulatif distribu-tion dari Gambar. 8.5 probabilitas kurang dari DGC diberikan dapat dibaca. Sebagai contoh, probabilitas bahwa DGC kurang dari 0,35 sama dengan 0,21, 0,12 dan 0,06 untuk genom kecil, menengah dan besar, masing-masing. Dari probabilitas ini satu dapat menghitung ukuran popula-tion diperlukan untuk memastikan bahwa dengan misalnya 90% kepastian setidaknya satu tanaman akan terjadi dengan kurang dari DGC diberikan. Biarkan ambang DGC menjadi x dan membiarkan sesuai probabil-ity menjadi px. Kemudian dari Stam (2003) ukuran populasi minimum yang diperlukan N memenuhi

1 - (1 - px) N> PC

di mana PC adalah tingkat pra-set kepastian. Untuk ukuran genom tiga, popula- yang Ukuran tion diperlukan diberikan dalam Tabel 8.3 untuk menemukan dengan 90% probabilitas setidaknya satu atau

1.0

0,8 fi t

la 0,6 u m u k i s

u 0,4 b ir t si D 0,2

0.0

(8.6)

Kecil Medium Besar

Gambar. 8.5. Distribusi kumulatif konten genom donor (DGC) di SM 1 generasi untuk genom kecil, menengah atau besar. Hasil berdasarkan 50.000 simulasi replikasi berjalan. Setelah Stam (2003).


305

Tabel 8.3. ukuran populasi (dinyatakan sebagai jumlah individu) yang diperlukan dalam BC1 untuk memperoleh (probabilitas 0,90) setidaknya satu atau setidaknya dua pabrik dengan kurang dari konten genom donor tertentu (DGC) dengan kecil, menengah atau genom besar (Stam, 2003). Setidaknya satu DGC

Kecil

<0,45 <0,40 <0,35 <0,30 <0,25

5 7 10 16 28

Medium 5 9 18 41 111

Setidaknya dua Besar 6 14 40 169 822

Kecil

Medium

Besar

8 14 17 28 48

9 16 31 69 187

11 25 68 285 > 1000

Setidaknya dua pabrik dengan kurang dari DGC dibantu Program SM. Misalnya, hanya 2650 poin diberikan dalam generasi BC1, yang penanda data yang diperlukan untuk n1: n2: n3 = menceritakan impor-terorganisir dari ukuran 1: 3: 9, sementara 5000 atau bahkan 7250 poin genom. Sebagai contoh, untuk DGC menjadi penanda data yang diperlukan untuk rasio 1: 1: 1 kurang dari 0,40 di setidaknya satu pabrik, dan 3: 2: 1, masing-masing. Namun, dalam genom besar membutuhkan kira-kira dua kali pilihan multi-tahap untuk sifat kuantitatif, lipat ukuran populasi yang lebih besar populasi besar di generasi awal yang dibandingkan dengan genom kecil (14 versus 7). menguntungkan karena ketika intensitas seleksi Sebagai DGC menurun, kecenderungan ini yang tinggi diterapkan, keuntungan pilihan meningkat pesat sebagai hingga sepuluh kali lipat diperkirakan karena besar segregasi variabeluntuk DGC kurang dari 0,30 dan tiga puluh kali Ance (Frisch, 2004). untuk DGC kurang dari 0,25. Dari ini perhitungan sederhana, harga yang harus dibayar untuk penurunan cepat DGC dalam genom besar ada dua (Stam, 2003): (i) semakin besar ukuran genom, semakin spidol (semakin banyak poin 8.2.6 seleksi Background di kromosom pembawa penanda data per tanaman) diperlukan ; dan (ii) semakin besar ukuran genom, ukuran populasi yang lebih besar diperlukan untuk mencapai substitusi Donor genom yang paling impor-tant suatu tingkat substitusi genom donor. dan pada saat yang sama yang paling sulit, karena kromosom yang membawa gen sasaran (s). Ketika beberapa generasi BC adalah con- Misalkan gen target yang diapit oleh dua penanda sidered, ada strategi seleksi pada ukuran populasi. di peta jarak d1 dan d2 yang dapat digunakan Mempekerjakan meningkat, konstan, atau untuk background selec-tion seperti yang menurun ukuran populasi dari generasi BC1 ke dijelaskan sebelumnya. Dalam sejumlah tertentu BC3 dalam studi simulasi memiliki sedikit efek generasi segmen introgresi harus lebih kecil dari pada par-ent nilai genom berulang tanaman BC3 segmen ditutupi oleh d1-d2. Kemudian, diberi yang dipilih (Frisch et al., 1999a). Misalnya, pra-set probabilitas mencapai tujuan ini (dengan allocat-ing total n = 300 tanaman sehingga 100 tingkat keberhasilan 99%), apa ukuran populatanaman yang dihasilkan di setiap generasi BC1 tion optimal dalam generasi BC berturut-turut? ke BC3, (rasio n1: n2: n3 = 1: 1: 1) menghasilkan persentil 10% lebih rendah dari berulang orangtua Jawaban atas pertanyaan ini telah diberikan genom (Q10) dari 97,4%, sementara rasio oleh Rumah Sakit dan Decoux (2002) dan dapat variabel-ous dari 3: 2: 1 pada satu ekstrem ke 1: mudah diperoleh dengan paket-usia software 3: 9 di sisi lain mengakibatkan nilai-nilai Q10 (http://moulon.inra.fr/ fred / gram pro).

306

Bab 8

Tabel 8.4. ukuran populasi optimal (dinyatakan sebagai jumlah individu) yang diperlukan dalam generasi SM berturut-turut untuk mencapai dengan 99% kepastian dua penanda mengapit gen target yang menjadi terpisah dalam setidaknya satu tanaman dari generasi SM lalu. ΣN, akumulasi jumlah tanaman. (ΣN), rata-rata akumulasi jumlah tanaman; ini adalah kurang dari ΣN karena dengan probabilitas tertentu tujuan dapat dicapai sebelum generasi akhir. Angka yang ditunjukkan dalam kolom 'konfigurasi' yang jarak di centimorgans (cM). T, menargetkan lokus; d1, d2, mengapit spidol (Stam, 2003). Konfigurasi d 1-10-T-10-d2 d 1-5-T-5-d2

Generasi

SM 1

SM2

SM3

ΣN

(ΣN)

2 3 2 3

62 25 118 48

100 36 200 70

76 149

162 137 318 267

(137) (74) (289) (149)

akhirnya, dari bagian yang diperoleh, salah satu akan memilih berdasarkan non-operator spidol. tanda kurung oleh spidol, semakin tanaman diperlukan karena rekombinan langka cenderung terjadi pada populasi yang lebih kecil. Kedua, ukuran populasi harus meningkatkan sebagai generasi lanjutkan seperti dua sisi detach-ment (crossover) dalam kebanyakan kasus proses dua tahap. Jika tidak ada detasemen (crossover) terjadi pada setiap sisi dalam generasi yang diberikan, lebih banyak tanaman yang diperlukan dalam generasi (s) setelahnya. Ketiga, memungkinkan lebih banyak generasi (tiga lawan dua) untuk mencapai tujuan membutuhkan tanaman lebih sedikit untuk tumbuh dan genotipe total, menunjukkan trade-off antara kecepatan dan biaya (ukuran total sampel) dari program introgres-sion. Selain itu, juga POPMINsoftware memungkinkan pengguna untuk menentukan genotipe awal pada kedua penanda dan lokus sasaran. Mengingat kondisi awal dari SM generasi, misalnya BC1, pengguna dapat mengoptimalkan ukuran populasi di BC2 berikut, BC3 dll Sebaliknya, jika tidak ada rekombinan tunggal telah diperoleh dalam generasi SM diberikan, peningkatan ukuran populasi awalnya direncanakan di gen -erations setelahnya diperlukan. Dalam hal kepentingan relatif seleksi latar belakang untuk kromosom pembawa dan genom sisanya, Rumah Sakit (2002) dianggap seleksi latar belakang kromosom pembawa menjadi lebih penting dari pada non-operator dan dengan demikian diberikan bobot dif-ferent ke operator dan non spidol -carrier. Frisch dan Melchinger

seleksi seluruh genom 8.2.7 untuk latar belakang genetik

Timbul pertanyaan tentang jumlah penanda (per kromosom) yang harus digunakan untuk seleksi seluruh genom untuk latar belakang genetik dan bagaimana hal ini tergantung pada genom dan / atau ukuran populasi. Beberapa penulis (lihat misalnya Rumah Sakit dan Charcosset, 1997;. Frisch et al, 1999a, b) menunjukkan bahwa pada populasi Moder-i pemerintah RI berukuran dari mana 'paling menjanjikan' tanaman yang dipilih untuk lebih lanjut back-crossing, peningkatan jumlah mark-ers per kromosom melampaui dua hampir tidak menguntungkan (Tabel 8.5). Peningkatan dari 1 sampai 8 penanda mengurangi DGC dalam arti relatif (0,13-0,07 di BC2), tetapi efek mutlak terbatas. Namun, ketika kemajuan pesat membutuhkan menggunakan ukuran populasi yang lebih besar, espe-cially dalam kasus genom besar (di mana ukuran populasi yang lebih besar diperlukan pula), situasinya berbeda (Tabel 8.6).

Tabel 8.5. Rata-rata penurunan DGC dalam program SM dengan ukuran genom menengah dan gen target tunggal. Setiap kromosom memiliki 1, 2 atau 8 spidol, seragam didistribusikan melalui kromosom. Satu tanaman dari 50 dipilih dalam setiap generasi untuk silang balik. Tanaman yang dipilih memenuhi kondisi berikut: (i) ia membawa alel sasaran; dan (ii) memiliki jumlah terkecil penanda tanda tangan donor. Hasil berdasarkan 5000 simulasi replikasi berjalan (Stam, 2003).

Jumlah penanda

SM 1

SM2

SM3

1 2 8

0.34 0,31 0,30

0,13 0,09 0,07

0,07 0,04 0.02


Tabel 8.6. Rata-rata DGC dicapai dalam SM 2 untuk ukuran genom kecil dan besar dengan berbagai ukuran populasi dan jumlah penanda per kromosom (Stam, 2003).

8.2.8 Beberapa introgresi gen oleh silang balik diulang

ukuran genom Jumlah spidol 2

8

Populasi ukuran

Kecil

Besar

50 200 400 50 200 400

0,082 0,079 0,078 0,040 0,021 0,019

0,121 0,095 0.088 0,100 0,067 0,055

307

Dua kesimpulan umum dapat ditarik (Stam, 2003): (i) Untuk genom kecil dengan beberapa spidol per kromosom, semakin meningkat-ing ukuran populasi masuk akal. Ketika banyak spidol yang tersedia, namun, peningkatan ukuran populasi tidak mengurangi DGC, tapi hampir tidak begitu luar N = 200. (ii) Untuk genom yang besar, meningkatkan ukuran populasi yang bermanfaat, terlepas dari jumlah penanda per kromosom. Jelas, dengan meningkatnya ukuran genom lebih inde-penden peristiwa rekombinasi yang diperlukan untuk mencapai pengurangan yang diberikan dalam DGC, yang pada gilirannya permintaan populasi yang lebih besar untuk penemuan mereka. seleksi seluruh genom untuk latar belakang akan membantu mengurangi DGC. Pertanyaan tentang apa tingkat akhir dari DGC adalah 'diterima' tidak dapat dengan mudah dijawab secara umum. Bila hanya mengandalkan perkiraan DGC, berdasarkan penanda, salah satu masih menjalankan risiko bahwa setelah finalisasi sebuah fragmen donor kecil berisi beberapa 'liar' gen yang memberikan sifat yang unde-sirable. Terutama dalam program bersepeda introgresi cepat yang hampir tidak memungkinkan pemilihan fenotip untuk kinerja agronomi umum, ciri-ciri donor yang tidak diinginkan mungkin tiba-tiba muncul meskipun skema SM expen-sive dan secara teoritis kuat (Stam, 2003). Di sisi lain, tingkat DGC diinginkan seluruh populasi SM yang berbeda sangat tergantung pada perbedaan genetik antara donor dan orang tua berulang. Dalam banyak

Sejak sedikit usaha tambahan diperlukan untuk menyaring dengan penanda molekuler beberapa setelah pengambilan sampel dan DNA ekstraksi, satu dapat mempertimbangkan menambahkan banyak gen simul-simultan untuk kultivar melalui MAB. Misalnya, baterai gen ketahanan terhadap penyakit dapat ditambahkan dalam beberapa generasi, yang bertentangan dengan banyak generasi dibutuhkan dengan pemuliaan tradisional. Kemampuan untuk rap-iseng menyesuaikan kultivar yang ada harus memungkinkan peternak untuk lebih cepat merespon permintaan pasar, serta tekanan environ-mental yang tak terduga, seperti munculnya patogen baru. Dengan penanda dibantu introgresi, frekuensi alel untuk alel introgresi yang cukup tinggi bahwa dua dari tiga alel dapat segera diperkenalkan dan dibawa ke fiksasi dalam siklus berkembang biak-ing diberikan (Beckmann dan Soller, 1986a). Tanpa MAS, banyak BC keturunan harus diskrining untuk sifat diperkenalkan, karena kelangkaan ekstrim SM keturunan membawa alel eksotis yang diinginkan. Beberapa penulis telah dianggap aspek Optimization transfer gen berganda dengan berulang MAB (van Berloo et al, 2001;. Frisch dan Melchinger, 2001; Rumah Sakit, 2002; Stam, 2003). Frisch (2004) membahas introgresi dari dua gen dominan. Jelas bahwa, berbicara kasar, efek dari ukuran populasi, ukuran genom dan jumlah penanda pada efisiensi berulang pemulihan induk genom yang simi-lar kepada mereka untuk transfer gen tunggal. Sebagai contoh, Tabel 8.7 menunjukkan pengaruh ukuran populasi untuk introgession dari tiga gen target dalam genom berukuran sedang menggunakan delapan penanda per kromosom untuk seleksi background (Stam, 2003). Dengan beberapa target peningkatan ukuran populasi meningkatkan efisiensi. Namun, rata-rata DGC penurunan populasi SM lebih rupanya ketika populasi ukuran peningkatan dari kecil ke menengah seperti dari 50 hingga 100.

Jumlah gen target tidak mempengaruhi jawaban atas pertanyaan apakah jumlah yang diberikan tanaman harus didistribusikan

308

Bab 8

memungkinkan mereka untuk mengekspresikan keunggulan mereka (Boyer, 1982). meningkatkan Tabel 8.7. Rata-rata DGC di BC 2 dan SM3 di contoh dari introgresi simultan dari tiga gen target dalam genom berukuran sedang, menggunakan delapan spidol per kromosom untuk seleksi background. Sebuah pabrik tunggal dipilih untuk silang balik lanjut, membawa alel sasaran tiga dan memiliki jumlah terkecil penanda tanda tangan donor. Rata-rata berdasarkan 1000 simulasi replikasi berjalan (Stam, 2003). Ukuran populasi

SM2

SM3

50 100 200 400

0,18 0,14 0.11 0,09

0,09 0,06 0,04 0,03

lebih dari dua atau tiga generasi. Perbandingan rata-rata DGC mencapai dengan total 900 tanaman, didistribusikan lebih dari dua atau tiga generasi SM dengan ukuran genom menengah dan delapan penanda seleksi per kromosom (Stam, 2003), menunjukkan bahwa tiga SM generasi masing-masing dengan 300 tanaman lebih effec tive dari dua generasi BC masingmasing dengan 450 tanaman. Rata-rata DGC untuk mantan adalah 0,010 untuk satu gen target dan 0.036 selama tiga gen target sedangkan untuk dua terakhir angka-angka ini 0,023 dan 0,083, masing-masing. Sekali lagi, ada trade-off antara waktu (berapa banyak generasi yang terlibat), biaya (berapa banyak titik data untuk menghasilkan per genera-tion) dan efisiensi (seberapa cepat orang tua genom berulang dapat dipulihkan).

Sebuah komplikasi yang timbul dengan multi-ple Transfer QTL adalah ketidakpastian tentang lokasi yang tepat dari QTL. Rumah Sakit dan Charcosset (1997) menyelidiki lokasi optimal penanda yang akan digunakan dalam seleksi foreground. Proses optimasi ini juga harus mempertimbangkan relatif ekonomi impor Ance ciri target untuk beberapa QTL untuk introgresi.

8.3


piramida

Nilai genetik bergantung pada peningkatan frequency gen yang menguntungkan mengendalikan sifat itu. Untuk membuat genotipe unggul, peternak harus merakit banyak gen yang bekerja sama dengan baik dan, untuk suatu sifat spe-cific, merakit alel dengan efek serupa dari lokus yang berbeda. Proses ini disebut piramida, dimana alel QTL yang berbeda dapat digabungkan dan garisgaris yang benar-breeding menghubungkan alel yang sama efek (positif atau negatif) dapat dipilih (Xu, 1997; Gambar 8.6.). teknik terkait termasuk efektif mengidentifikasi individ-uals dengan kombinasi alel yang menguntungkan, perakitan alel yang berbeda ke dalam saham genetik umum untuk menghasilkan genotipe baru dan menentukan efek bersama alel pada lokus yang berbeda. Dalam kata-kata Allard (1988): 'Penekanan karena itu bergeser. . . untuk pendekatan partikulat. . . menentukan efek individu tunggal penanda lokus perubahan adaptif, maka menentukan efek bersama pasangan lokus.'

8.3.1 skema gen-pyramiding Jika semua gen tidak dapat diperbaiki dalam satu langkah seleksi, perlu untuk menyeberangi individu lagi dipilih dengan set lengkap, namun saling melengkapi, lokus homozigot (Xu et al., 1998). Namun, strategi itu hanya terbatas pada sejumlah kecil target lokus. Menumpuk lebih lokus dalam geno-jenis tunggal oleh seleksi pada spidol, Rumah Sakit et al. (2000) mengusulkan pilihan berulang (MBRs) metode berbasis marker menggunakan QTL com-plementary strategi dalam populasi secara acak kawin. Ketika mengevaluasi metode ini menggunakan simulasi dengan 50 terdeteksi QTL di populasi 200, mereka menemukan bahwa frekuensi alel menguntungkan pergi hingga 100% dalam sepuluh generasi saat penanda yang terletak persis di QTL, tetapi hingga hanya 92% saat marker- jarak QTL adalah 5 cM. efisiensi berkurang dalam kasus yang terakhir berasal dari probabilitas 'kehilangan' QTL selama skema pemuliaan karena rekombinasi antara penanda dan QTL. Efek ini menjadi lebih parah dengan meningkatnya durasi skema pemuliaan karena


309

Plasma Nutfah

skrining untuk non-alel

S E B U A H B C

SE BU AH

X X

B

CDE

Peta berbasis seluruh genom pilihan

X

EXXXX

Allelebuyar bahan

Q1Q1 q2 q2 q3 q3 q4 q4

q1 q1 Q2Q2 q3 q3 q4 q4

q1 q1 q2 q2 q3 q3 Q4Q4

q1 q1 q2 q2 Q3Q3 q4 q4

Persimpangan

x

x

Berbeda pilihan

F2

F2

Q1Q1 Q2Q2 q3 q3 q4 q4

q1 q1 q2 q2 q3 q3 q4 q4

piramida q1 q1 q2 q2 q3 q3 q4 q4 memisahk an

x

Persimpangan

F2

Berbeda pilihan Alleleterkait bahan

q1 q1 q2 q2 Q3Q3 Q4Q4

alel penyebaran

Q1Q1 Q2Q2 Q3Q3 Q4Q4

q1 q1 q2 q2 q3 q3 q4 q4

alel asosiasi

Gambar. 8.6. Sebuah prosedur untuk QTL memisahkan dan piramida. QTL non-alel dengan alel QTL tersebar diidentifikasi oleh pengamatan segregasi transgresif dan seleksi seluruh genom berbasis peta, dan kemudian rekombinan diperoleh oleh seleksi fenotipik berbeda dari salib yang berasal dari bahan QTL non-alel. Dua siklus lintas seleksi yang dicontohkan untuk piramida QTL non-alel pada empat lokus (Q1-q1, Q2-q2, Q3-Q3 dan Q4-Q4). QTL memisahkan adalah proses kebalikan dari piramida, di mana bahan alel terkait digunakan sebagai orang tua untuk menghasilkan populasi memisahkan (F 2) Dan menengah fenotip dipilih untuk mendapatkan individu alel-dispersi. Dari Xu (1997). Bahan ini direproduksi dengan izin dari John Wiley & Sons, Inc.

karenanya, penting untuk mengumpul dan memperbaiki gen target secepat mungkin. Rumah Sakit et al. (2000) menyimpulkan bahwa optimalisasi salib berpasangan antara yang dipilih indi-individu yang terlibat adalah cara yang paling efisien untuk mengurangi durasi skema breeding di bawah kendala biaya konstan

genotipe tunggal (skema gen-Pyra-miding). Bagian ini akan intro-Duce teori yang dikembangkan oleh penulis ini pada penanda yang dibantu pyramiding gen.

Definisi Untuk menumpuk menjadi genotipe tunggal gen yang telah diidentifikasi pada orang tua multi-ple, asumsikan kita memiliki n lokus antar-est dan satu set pendiri tua berlabel {Pi, i ∈[1, ..., n]} dengan Pi menjadi homozigot untuk alel menguntungkan pada lokus engan dan homozigot untuk alel yang tidak menguntungkan di n tersisa - 1 lokus. Kami berasumsi bahwa fraksi rekombinan antara lokus yang dikenal dan kami ingin menurunkan genotipe ideal (ideotype) yang homozigot untuk alel menguntungkan sama sekali n lokus.

310

Bab 8

Seperti ditunjukkan dalam Gambar. 8.7, skema gen-pyramiding memiliki dua bagian. Bagian pertama disebut silsilah dan bertujuan untuk mengumpulkan semua gen target dalam genotipe tunggal (disebut akar genotipe). Bagian kedua disebut langkah-langkah fiksasi, yang bertujuan memperbaiki gen target menjadi negara homozigot, yaitu, untuk memperoleh ideotype dari genotipe root. Sebuah silsilah dapat diwakili oleh pohon biner dengan n daun yang sesuai dengan n berdirinya par-Ent dan n - 1 node. Setiap node dari pohon disebut genotipe menengah dan memiliki dua orang tua. Setiap genotipe menengah, yang merupakan genotipe tertentu yang dipilih dari antara keturunan, menjadi orangtua di salib berikutnya. Menyatakan gamet (sub-set gen) diwariskan dari orang tua untuk genotipe menengah sebagai s. Ambil H (s1) (s2) sebagai contoh, genotipe menengah harus memproduksi dan menyampaikan kepada keturunannya gamet membawa semua alel yang menguntungkan dalam s1 dan s2.

Ada banyak prosedur yang mungkin yang dapat digunakan untuk memperbaiki akar genotipe, salah satunya adalah untuk menghasilkan populasi Pendobelan

pendiri orang tua P1

P2

P3

P4

P5

P6

G0 i

H (1,2) (3,4) (3) (4)

(1) (2)

i

G2

H

(1,2,3,4) (5,6)

(5) (6)

G1

G3

o e a i

akar genotipe s a s

Ideotype (1,2,3,4,5,6) (1,2,3,4,5,6)

Gambar. 8.7. Contoh skema piramida gen diakumulasi enam gen target. Bagian silsilah bertujuan untuk diakumulasi satu salinan dari

F

ki

yang ideotype dari genotipe akar yang perbaikan gen target menjadi negara homozigot. Dari Servin et al. (2004) dengan izin.

haploids berdarah (DHs) seperti yang dijelaskan secara rinci dalam Bab 4. Menggunakan prosedur DH, ideotype dapat dikembangkan hanya dalam satu generasi addi-tional setelah genotipe akar diperoleh, ditambah satu generasi lebih untuk peningkatan benih untuk menghasilkan populasi yang besar. Langkah-langkah fiksasi menggunakan prosedur DH dapat diuraikan sebagai berikut. Pertama, mendapatkan genotipe yang membawa semua alel yang menguntungkan di kopling, yaitu H (1, 2, ..., n) (B) dengan menyeberangi genotipe akar dengan orang tua kosong (dilambangkan dengan H (B) (B)) tak satu pun dari alel menguntungkan mengandung. yang terjamin ini tee bahwa fase hubungan keturunan yang diketahui dan bahwa H (1, 2, ..., n) (B) genotipe dapat diidentifikasi tanpa ambiguitas. Kedua, self H (1, 2, ..., n) (B) untuk memberikan ideo-jenis dalam satu generasi.

tinggi pedigree Jumlah generasi silsilah mencakup disebut ketinggian silsilah, dinotasikan h. Jika langkahlangkah fiksasi rentang dua generasi, skema gen pyramiding lengkap mencakup h + 2 generasi. Sebuah silsilah adalah tinggi maxi-ibu ketika hanya satu lintas adalah per-terbentuk pada setiap generasi (yang melibatkan genotipe H menengah dan orang tua pendiri). Jenis silsilah disebut silsilah cascading. Sebaliknya, silsilah adalah dari ketinggian minimum ketika jumlah maksimum salib dilakukan pada setiap gen-timbangkan. Ketinggian n dari silsilah cumulat-ing n gen memenuhi

log 2(N)≤ h ≤ n - 1

(8.7)

di mana x menunjukkan bilangan bulat terkecil yang lebih besar dari atau sama dengan x.

Jumlah silsilah Jumlah silsilah mengumpulkan gen n adalah jumlah pohon biner dengan daun n berlabel. Akar genotipe dari pedi-gree mengumpulkan sasaran genet n berasal dari lintas dari dua orang tua yang membawa, masing-masing, p dan n - p (non-


semua nilai yang mungkin dari p, jumlah N (p) dari silsilah diakumulasi n gen dapat com-puted melalui

1 n -1

N =

n  N

2

p=1

P N n- p

8.8

p

Faktor ½ ada untuk memastikan bahwa salib-ing dari dua orang tua yang diberikan dihitung hanya sekali. rekursi ini dapat diselesaikan (lihat Lampiran di Servin et al., 2004) dan mengarah ke n

N (N)= (2k - 3)= (2n- 3) (2n- 5) ... 1

Perhatikan bahwa gen target lain mungkin di peta, terletak antara ai, tapi tidak termasuk ke set s; rekombinasi antara gen-gen ini tidak penting di sini. Sebagai contoh yang menggambarkan Eqn 8.10, pertimbangkan genotipe H (1,3) (2,5,6). Probabilitas bahwa melewati set (1, 2, 3, 5, 6) adalah (lihat Eqn 8.11 di bagian bawah halaman). Mengetahui probabilitas ini, probabilitas keseluruhan memperoleh genotipe akar silsilah yang diberikan adalah produk, atas semua node silsilah ini (selain simpul akar), dari probabilitas kal-culated seperti pada Eqn 8.10.

(8.9)

=2

untuk jumlah total silsilah cumulat-ing n gen. Jumlah pedi-Grees meningkatkan sangat cepat dengan jumlah lokus dipertimbangkan. Misalnya, ketika n = 3, 4, 5, 6, 7, total jumlah silsilah 3, 15, 105, 945 dan 10.395, masing-masing.

transmisi gen probabilitas melalui silsilah Mengingat fraksi rekombinasi antara lokus, kita dapat menghitung probabilitas bahwa genotipe menengah H

311

diteruskan

populasi minimum ukuran yang diperlukan untuk memperoleh ideotype Mari kita sebut Pf dan Pm probabilitas com-puted seperti pada Eqn 8.10 bahwa setiap orang tua dari node yang diberikan lewat pada bagian tertentu yang gen. Dari probabilitas ini kita dapat menghitung ukuran populasi N yang dibutuhkan untuk mendapatkan genotipe menengah di node ini dengan probabilitas keberhasilang . Probkemampuan itu tidak ada keturunan N memiliki genotipe yang tepat adalah (1 - Pf Pm) N; mengidentifikasi ini dengan 1 -g memberikan

(s1) (S2)

untuk keturunannya set gen s yang adalah gabungan dari s1 dan s2. Jika dilambangkan dengan v (s) jumlah total gen pada set s, kita memiliki v(S)= v(S1) + v (s2). Mari {ai} menjadi gen di set s peringkat menurut posisi mereka di Peta genetik, sehingga s = (A1, a2, ..., av (s 1)  v (s2)). Mari rx, y menjadi fraksi rekombinan antara x dan y. Probabilitas bahwa gamet yang dihasilkan oleh H (s1) (s2) berisi set s gen adalah

P (H

(S) (s 1

) 2

p (saya, 1 → s) = v (S)-1 saya +1)

(8.10)

2

saya =1

dimana p (I, i + 1) = ra saya, Ai + 1, Jika gen ai dan ai + 1 berada di himpunan bagian yang berbeda dan p (I, i + 1) = (1 - ra saya, Ai + 1), jika tidak.

ln (1 - g )

=

ln (1 - P f P m )

(8.12)

dimana ln menunjukkan logaritma natural. Dari Eqn 8.12, ukuran populasi yang dibutuhkan pada setiap node dapat dihitung. Sekarang over-semua probabilitas keberhasilan dari silsilah adalah produk dari probabilitas keberhasilan pada setiap node nya. Demikian pula, ukuran populasi diperlukan untuk langkah-langkah fiksasi dapat dihitung. Node terkait dengan com-Bining dua pendiri orang tua selalu mewariskan gen target mereka. Misalkan p jumlah node lain dalam skema pemuliaan; jika mereka semua memiliki beberapa probabilitas keberhasilang sebagai dipertimbangkan di sini, maka probabilitas keseluruhan keberhasilan skema gen-piramida adalah g p. Jumlah dari semua ukuran populasi dibutuhkan

2

312

Bab 8

pada gen-pyramiding skema (silsilah dan langkah-langkah fiksasi) dinotasikan dengan Ntot. Target populasi ukuran untuk ditangani setiap node atau langkah selama seluruh skema gen-pyramiding adalah Nmax.

Studi kasus Servin et al. (2004) mengembangkan sebuah program komputer untuk membangun semua silsilah yang mengarah ke ideotype untuk sejumlah n diberikan gen. Mengingat ri, nilai j, program menentukan probabilitas transmisi gen dan ukuran populasi kumulatif Ntot untuk setiap silsilah diikuti oleh langkah-langkah fiksasi. Sebuah studi kasus diberikan oleh Servin et al. (2004) untuk diakumulasi empat gen, yang mungkin sering digunakan dalam mengumpulkan sifat-sifat utama-gen dikendalikan seperti tahan penyakit. 15 mungkin silsilah untuk mengumpulkan empat gen yang terletak pada kromosom dosa-gle yang dihasilkan dengan asumsi bahwa fraksi rekombinasi antara lokus yang berdekatan adalah sama dan cor-merespon 20 cM menggunakan fungsi pemetaan Haldane (Haldane, 1919). Sebagai fraksi recombin-asi adalah sama untuk semua pasangan adja sen lokus, beberapa skema gen-pyramiding memiliki transmisi probabilitas atau populasi ukuran yang sama, yang kami perhatikan adalah tidak benar untuk hampir semua kasus praktis. Gambar 8.8 menunjukkan tiga skema, masing-masing mewakili beberapa gen piramidaing skema dengan ukuran populasi akumulasi yang sama yang mengharuskan Ntot terkecil. Ukuran populasi dihitung sehingga probabilitas keberhasilan setiap skema adalah 0.99. Dalam skema berdasarkan silsilah Cascading (Gambar. 8.8a), ada empat node yang kemungkinan memperoleh-ing genotipe menengah tidak 1. Probabilitas keberhasilan yang digunakan pada masing-masing node demikian 0,991 / 4 = 0,9975. Dalam dua skema lainnya, jumlah node tersebut tiga, sehingga probabilitas keberhasilan yang digunakan pada masing-masing node ini adalah 0,991 / 3 = 0,9967. Hibrida antara pendiri orang tua diperoleh dengan probabilitas 1, sehingga populasi diperlukan pada node yang sesuai diasumsikan satu individu.

mencakup lima generasi (h = n - 1 = 3 untuk tinggi silsilah, ditambah dua generasi untuk langkah-langkah fiksasi) dan membutuhkan ukuran terkecil kumulatif penduduk (Ntot = 325) dari semua skema. Dua skema terbaik lainnya empat generasi terakhir (h = log2 (n) = 2 untuk tinggi silsilah ditambah dua generasi untuk langkah-langkah fiksasi). Skema yang mengharuskan yang Ntot terkecil berikutnya (= 961) adalah salah satu rep-membenci pada Gambar. 8.8b. Ini cumulates lokus 1 dan 4 pada satu subpedigree dan 2 dan 3 pada lainnya, sebelum menghasilkan H (1,2,3,4) (B) geno-type. Ukuran populasi yang diperlukan untuk ini gen-pyramiding skema besar di semua node bila dibandingkan dengan jenis cascading. Skema gen-pyramiding mewakili pada Gambar. 8.8c memerlukan sebuah Ntot lebih besar (= 1001) karena ukuran populasi besar diperlukan untuk menghasilkan akar genotipe H (1,2) (3,4); sebaliknya, ukuran populasi diperlukan untuk menghasilkan H (1,2,3,4) (B) genotipe jauh lebih kecil (N = 97). Xu et al. (1998) memberikan contoh praktis untuk mengumpulkan empat lokus sudut kontrolling anakan menggunakan seleksi fenotipik berikut baik skema yang mirip dengan silsilah cas-cading dan sejenis lainnya dengan skema yang dijelaskan oleh Fig.8.8b, c. Meskipun skema gen-piramida berbasis silsilah Cascading membutuhkan ukuran populasi terkecil untuk menggabungkan semua alel menguntungkan, dibutuhkan generasi yang lebih untuk mendapatkan akar genotipe, dibandingkan dengan skema lainnya. Ketika biaya genotip adalah faktor pembatas lebih penting daripada waktu yang dibutuhkan untuk pengiriman produk peternakan, skema silsilah menjuntai-ing harus dipilih. Namun, ketika perkembangan cepat dari genotipe akar menjadi lebih penting, particu-larly di sektor peternakan swasta, beberapa generasi yang kurang akan membuat besar dif-ference dalam kompetisi pasar-share. Secara teoritis metode yang dijelaskan di atas dapat diperpanjang dengan skema yang melibatkan banyak gen. Sebagai gen lebih terlibat, ketinggian silsilah (jumlah generasi silsilah mencakup) meningkatkan dan begitu juga

ukuran popula-tion dibutuhkan dalam setiap generasi akan

Sebuah

b

P1

P2

c P1

P4

P2

P1

P3

P2

P3

P4

P3 n=1

n=1

n=1 B

P4

1 r 12

n=1

1

23

1

2 2

2

1

r

(1-r

12

23

12

[ 1 (1-r

34

12

2

23

34

s i m a rk e s s is te d :

2

T

n = 97

) (1-r ) (1-r )] 23

2

e o ri

2

34

[

12

(1-r 12) (1-r 23) (1-r 34)]

2

N = 65

N = 65

n = 102

k

34

1 (1-r 12) r 23(1-r 34)

) r

n = 500

) 1 (1-r ) (1-r r

2

12

a

2

n = 84

r

r1

2

le

r

n = 837

B (1-r12)r23

e 1

2

n = 394

n = 70

S

B

r

14

1

n=1

N anak kecil =

N anak kecil = 1001

961

12

(1-r 12) (1-r 23) (12 r 34)] N = 68 N anak kecil = 325

Gambar. 8.8. Representasi tiga skema gen-pyramiding berbeda diakumulasi empat lokus. Skema didasarkan pada silsilah cascading. Skema b dan c berbeda dengan urutan salib dari orang tua pendiri. The gen target yang diwakili oleh lingkaran padat dan gen lain dengan kotak berbayang. Pada setiap

n o d

e probabilitas transmisi gen yang ditargetkan dari orang tua kepada anak diberikan. Ketika probabilitas sama dengan satu, itu tidak diindikasikan. Ukuran populasi diperlukan pada setiap node (N) dan ukuran populasi kumulatif (Nanak kecil ) disediakan. Dari Servin et al. (2004) dengan izin.

3

1

3

314

Bab 8

berasal dari F1 , P1BC1 (disilangbalikkan dengan P1) dan P2BC1 (disilangbalikkan dengan P2) adalah menjadi begitu besar untuk beberapa skema yang akan hampir mustahil. Akibatnya, skema berbasis silsilah Cascading akan menjadi satu-satunya pilihan, meskipun itu akan mengambil lebih banyak generasi untuk mendapatkan akar genotipe.

8.3.2 Crossing dan seleksi strategi persimpangan dan seleksi yang berbeda strategi mungkin memerlukan ukuran populasi yang sangat berbeda untuk memulihkan genotipe target dengan kepastian yang sama bahkan ketika orang tua yang sama yang digunakan (Bonnet et al., 2005). Penentuan strategi yang paling efisien memiliki poten-esensial untuk secara dramatis mengurangi jumlah sumber daya (tanaman, plot, tes penanda dan tenaga kerja) yang diperlukan untuk menggabungkan satu set alel sasaran menjadi genotipe ide (ideo-type). keuntungan efisiensi yang cukup besar dapat dicapai jika pemulia tanaman dapat memilih salib yang paling tepat (misalnya lintas tunggal, BC atau top-lintas) dan terbaik metode MAS. Dalam menggunakan spidol, beberapa skenario yang biasa dihadapi oleh peternak: (i) piramida-ing alel di beberapa lokus termasuk con-sideration jenis lintas yang paling tepat; meminimalkan penanda skrining biaya dengan pemusnahan berurutan; (Iii) penggunaan penanda lengkap terkait untuk menggabungkan alel sasaran; dan menggabungkan alel terkait dalam tolakan di salib pemisahan untuk alel sasaran unlinked lainnya. Wang et al. (2007) menggunakan teori genetik popu-lation untuk menetapkan aturan umum untuk jumlah penanda yang dibutuhkan, strategi crossing terbaik dan tingkat perkawinan sedarah untuk memaksimalkan efisiensi pelaksanaan penanda di mana tidak ada rekombinasi antara penanda dan alel yang menarik.

Membandingkan dua induk, back- dan top-salib

1

n



F 1



P1SM1

2 3 n1

1 n2

4 1 n1

4 3 n2

4

4

(8.13)



P2SM1

Tiga proporsi yang digunakan sebagai panduan untuk apakah ukuran populasi berkurang SM dan untuk menunjukkan yang orang tua harus digunakan sebagai induk berulang. Jika alel sasaran tersebar di antara tiga orang tua, yaitu P1, P2 dan P3, top-lintas (atau tiga-cara lintas), misalnya (P1 × P2) × P3 diperlukan untuk menggabungkan semua alel. Jika setiap par-ent membawa alel yang berbeda, alel disumbangkan oleh orang tua P1 dan P2 di salib pertama akan hadir pada frekuensi 0,25 menyusul top-lintas dengan P3 dan alel disumbangkan oleh P3 masing-masing akan memiliki fre sebuah -quency 0,5. Jika n1, n2 dan n3 adalah jumlah target alel yang menguntungkan dalam tiga par-Ent, masing-masing, di bawah kondisi tidak ada seleksi, proporsi diharapkan dari indi-individu yang terlibat dengan genotipe target dalam DH atau RIL populasi

1 n1 + n2 1 n3 f

TC

n3-2n  2



4

(8.14)

2

di mana n = n1 + n2 + n3. Persamaan 8.14 digunakan untuk menentukan urutan di mana untuk menyeberang orang tua untuk meminimalkan ukuran populasi diperlukan dalam top-lintas.

Meminimalkan jumlah penanda tes dengan pemusnahan berurutan Dalam populasi N individu untuk diputar secara berurutan dengan spidol pada lokus independen n dan di mana hanya orang-orang dengan genotipe sasaran dipertahankan untuk skrining dengan penanda berikutnya, jumlah total tes penanda (M) yang diperlukan untuk mengidentifikasi genotipe sasaran sama sekali lokus dapat dihitung sesuai dengan M N nf

nf f

nf f ... fn-1 (8.15)


315

popu-lation minimal hanya 146 (Sebuah = 0,01), yaitu target genotipe lebih mudah pulih penanda. Untuk setiap set spidol, M akan diminimalkan jika marker dengan fraksi f dipertahankan termurah (atau tingkat pemusnahan tertinggi) digunakan pertama, diikuti oleh terendah berikutnya dan seterusnya. Total biaya (C) dari tes penanda dapat ditentukan dari Eqn 8,15 oleh inclu-sion dari biaya setiap assay

C = Nc1 + nf 1c2 + nf 1 f 2c3 + ...+ nf 1 f 2 ... fn-1cn

(8.16)

di mana c1, c2, ... cn adalah biaya tes penanda. Total biaya, C, diminimalkan ketika c1 1 - f 1

cn

c2

<

1 - f 2

< ... <

1 - f n

.

Perlu dicatat bahwa ekspresi analitik untuk biaya pemusnahan berurutan mengabaikan biaya tanaman / baris penanganan (tag-ging, pengambilan sampel daun, dll) dan DNA ekstraktion, yang tetap dengan ukuran total sampel dan tidak dapat dikurangi by berurutan menyisihkaning. Jika biaya-biaya tetap adalah bagian utama dari biaya untuk genotip, urutan penanda yang digunakan dalam pemusnahan berurutan mungkin menjadi kurang penting. Sebagai sistem genotip tinggi-throughput telah ditetapkan untuk menggunakan semua spidol untuk semua sampel untuk membuat genotip yang paling hemat biaya keseluruhan, urutan penanda yang digunakan dalam pemusnahan berurutan mungkin menjadi kurang penting.

Pengayaan alel yang menguntungkan di generasi awal Ketika banyak (tidak tertaut) spidol harus dipilih, frekuensi target homo-zygous genotipe akan rendah dan ukuran populasi yang besar akan diperlukan. Untuk ujian-ple, di F2 dari persilangan dua induk antara dua inbrida pemisahan di lima lokus unlinked, frekuensi genotipe target 0,255 = 0,00098 dan ukuran minimum popula-tion (Eqn 8.2) untuk memulihkan setidaknya satu sasaran genotipe adalah 4714 (Sebuah= 0,01). Jika selec-tion dibuat antara garis homozigot (yaitu DH atau RIL

dengan ukuran populasi yang lebih kecil jika seleksi ditunda sampai homozigositas besar telah tercapai. Untuk lokus lebih memisahkan, populasi ukuran cepat meningkatkan bahkan dalam DH atau RIL populasi. Misalnya, dalam populasi biparental dengan delapan lokus yang bersegregasi unlinked, frekuensi genotipe target dalam populasi homozigot adalah 0,58 = 0,0039, ukuran populasi minimum 1777. Dalam hal ini, Bonnet et al. (2005) mengusulkan strategi seleksi dua tahap. Tahap pertama adalah 'pengayaan F2', di mana individu F2 membawa seluruh set alel target dalam bentuk baik homozigot atau heterozigot yang dipilih. F2 pengayaan mengambil keuntungan dari frekuensi yang diharapkan tinggi pembawa (baik homozigot atau heterozigot) pada setiap lokus 0,75. Nilai teknik ini dapat dilihat dalam pemisahan populasi di 12 lokus, di mana frekuensi genotipe yang dipilih dalam langkah pengayaan F2 adalah 0,7512 = 0,031676, sehingga ukuran populasi minimum 144 generasi F2, dibandingkan dengan frekuensi 0,2512 = 5,960464 × 10-8 dan ukuran populasi> 77 juta untuk mengidentifikasi individu homozigot tunggal dalam F2.

Setelah pengayaan F2, frekuensi dari masing-masing alel 12 target dalam populasi yang dipilih meningkat 0,5-0,67. Langkah kedua adalah untuk menghasilkan popula-tion dari kurang lebih garis homozigot dari F2 yang dipilih. Frekuensi genotipe target populasi DH / RIL Gener-diciptakan dari F2 diperkaya akan telah meningkat 0,512-0,6712, mengakibatkan penurunan ukuran populasi minimum dari 18.861 ke 596. Jadi, dengan pengayaan, baik F2 dan populasi DH / RIL dari ukuran yang lebih praktis untuk pembibitan. Pengayaan alel dapat dilakukan untuk lebih dari satu generasi ketika beberapa pilihan generasi yang terlibat. Pengayaan di dua tahap seleksi (misalnya di F2 dan F3) selalu membutuhkan lebih besar assay num-bers dari pengayaan F2 sederhana (Wang et al., 2007). Seperti yang ditunjukkan oleh Bonnet et al. (2005), pengayaan F2 meningkatkan frekuensi alel yang dipilih, memungkinkan pengurangan besar dalam ukuran populasi minimum untuk recov-ery genotipe sasaran (umumnya sekitar 90%) dan / atau seleksi di sejumlah besar

316

Bab 8

lokus. Jadi keuntungan dari siklus lain seleksi pengayaan alel di F3 berikut pengayaan di F2 adalah yang terbaik ringan dan sering mengakibatkan kenaikan bersih dalam ukuran kecil populasi minimum. Untuk top-lintas dari tiga baris gandum diadaptasi dari program pemuliaan yang ada, simulasi perubahan alel frequen-badan-di sembilan sasaran gen (tujuh tertaut) menunjukkan bahwa ukuran populasi itu mini-kap pola dengan strategi pemilihan tiga tahap di F1 generasi toplintas (TCF1), generasi F2 dari top-lintas (TCF2) dan DHs. Pengayaan frekuensi alel di TCF2 mengurangi jumlah baris disaring dari> 3500 ke <600. Delapan dari gen hadir pada frekuensi> 0,97 seleksi (Wang et al., 2007).

8.3.3 Gen pyramiding untuk sifat yang berbeda

Metode yang dibahas di atas adalah untuk gen pyr-amiding mempengaruhi sifat tertentu. Namun, menggabungkan gen yang menguntungkan dari sifat-sifat yang berbeda dalam genotipe memiliki pemulia tanaman challenged panjang. Prinsip-prinsip dis-mengumpat di atas dapat digunakan dengan cara yang sama untuk mengumpulkan alel QTL mengendalikan sifat dif-ferent. Sebuah perbedaan yang berbeda dalam con-kecuali bahwa adalah bahwa alel pada lokus yang berbeda sifat untuk diakumulasi mungkin memiliki arah yang menguntungkan yang berbeda, yaitu alel negatif yang menguntungkan bagi beberapa ciri tapi alel positif yang menguntungkan bagi orang lain. Oleh karena itu, salah satu mungkin perlu untuk menggabungkan alel QTL positif dari beberapa ciri dengan alel negatif orang lain untuk memenuhi tujuan pemuliaan. Penanda-dibantu pyramiding gen juga penting ketika mempertimbangkan beberapa sifat, seperti dalam seleksi phe-notypic masing-masing sifat-sifat ini telah diuji dalam lingkungan yang berbeda, tahap perkembangan yang berbeda atau tahapan yang berbeda dari program pemuliaan.

Perhatian harus dibayar untuk ciri cor-

dalam seleksi untuk alel dengan arah yang menguntungkan yang sama, tetapi menghambat proses seleksi untuk alel QTL dengan arah yang menguntungkan yang berbeda dan wakil

versa untuk korelasi negatif. Jika korelasi hasil dari efek pleiotropic gen penanda daripada linkage, sulit, jika tidak mustahil, untuk memilih menuju arah yang berlawanan dengan korelasi.

8.3.4 Marker dibantu seleksi berulang vs pemilihan genome-wide

seleksi berulang dianggap sebagai salah satu pendekatan seleksi untuk menggabungkan alel menguntungkan didistribusikan di antara sumber dif-ferent plasma nutfah. Ada berbagai versi baru dari berulang selec-tion tersedia dengan mana informasi penanda molekuler dimasukkan. Keunggulan utama dari versi baru ini adalah ketersediaan data genetik untuk semua pro-Geny di setiap generasi seleksi, integrasi genotipik dan fenotipik data dan bersepeda cepat dari generasi seleksi dan informasi-diarahkan mat-ings di pembibitan terus menerus. Penanda yang dibantu seleksi berulang (MARS) diusulkan pada 1990-an (Edwards dan Johnson, 1994; Lee, 1995 Stam, 1995) yang menggunakan spidol pada setiap generasi menargetkan semua sifat-sifat penting dan yang informasi genetik dapat diperoleh. informasi genetik biasanya diperoleh dari QTL analisis dilakukan pada percobaan popu-lations, yang mencakup lokasi QTL dan efek. Ketika pemetaan QTL dilakukan berdasarkan populasi biparental, baik par-Ent sering berkontribusi alel menguntungkan. Akibatnya, genotipe ideal adalah sebuah mosaik dari segmen chro-mosomal dari dua orang tua. Tujuan dari MARS adalah untuk memperoleh individu dengan banyak alel menguntungkan akumulasi pos-sible. Namun, genotipe ideal, didefinisikan sebagai mosaik segmen kromosom yang menguntungkan dari dua orang tua, biasanya tidak pernah terjadi dalam setiap populasi Fn ukuran yang realistis (Stam, 1995). Seperti dibahas sebelumnya, skema pemuliaan untuk menghasilkan atau mendekati genotipe ini ideal berdasarkan individu dari populasi eksperimental bisa melibatkan beberapa generasi berturut-turut individu penyeberangan (Stam, 1995; Peleman dan van der Voort, 2003) dan karena itu akan merupakan


apa yang disebut sebagai MARS atau konstruksi genotipe. Ide ini dapat diperluas untuk situasi di mana alel menguntungkan berasal dari lebih dari dua orang tua. Harap dicatat bahwa MARS juga dapat memulai tanpa QTL infor-masi sementara pemilihan dapat didasarkan pada sig-nifikan asosiasi penanda-sifat didirikan selama proses MARS. Semua studi simulasi mengungkapkan bahwa MARS umumnya unggul u nggul seleksi sel eksi fenotipik feno tipik dalam mengumpulkan alel menguntungkan dalam satu individu (van Berloo dan Stam, 1998, 2001;. Charmet et al, 1999) dan MARS adalah antara 3% dan hampir 20% lebih efi-sien dari seleksi fenotipik (van Berloo dan Stam, 2001). Keuntungan dari MARS atas seleksi fenotipik lebih besar ketika penduduk di bawah seleksi yang lebih besar atau lebih heterozigot termasuk BC1 atau F2 populasi. Melalui simulasi, Bernardo dan Yu (2007) menilai respon karena MARS dibandingkan dengan seleksi genome-wide dan untuk menentukan sejauh mana phenotyp-ing dapat diminimalkan dan genotip maxi-kap pola dalam seleksi genome-wide. Menurut definisi mereka, MARS mengacu pada peningkatan populasi F2 oleh satu siklus dari MAS (yaitu berdasarkan data fenotipik dan skor penanda) diikuti oleh tiga siklus seleksi berbasis marker (yaitu berdasarkan skor penanda saja) dalam off-season pembibitan (Johnson 2001, 2004). Skor penanda typi-Cally ditentukan dari sekitar 20 sampai 35 mark-ers yang telah diidentifikasi, dalam model regresi berganda, sebagai bermakna dikaitkan dengan satu atau lebih ciri-ciri bunga (Edwards dan Johnson, 1994). Genome seleksi mengacu marker berbasis seleksi tanpa tes signifikan dan tanpa mengidentifikasi-ing bagian dari penanda terkait dengan sifat tersebut (Meuwissen et al., 2001). Efek pada sifat sasaran (yaitu nilai pemuliaan) dari semua penanda genotipe didistribusikan di seluruh genom dipasang sebagai efek acak dalam model linear. Nilai-nilai sifat kemudian pradicted sebagai jumlah dari nilai-nilai berkembang biak-ing individu di semua penanda yang genotipe dan seleksi selanjutnya berdasarkan prediksi genome tersebut. t ersebut. Dalam buku ini, istilah 'genome-wide seleksi' akan hanya digunakan untuk situasi tertentu.

317

Mari kita pertimbangkan pilihan genomewide dan MARS seperti yang digambarkan dalam Gambar. 8.9. Bernardo dan Yu (2007) simulasi pemilihan genome-wide dengan mengevaluasi DHs untuk kinerja uji silang di Siklus 0, diikuti oleh dua siklus seleksi berdasarkan penanda. Siklus 0 dievaluasi selama musim tanam biasa saat pengukuran fenotip bermakna. Siklus 1 dan 2 seleksi genome-wide dan MARS dilakukan dalam musim pembibitan, di mana evaluasi pheno-typic tidak bermakna tapi di mana tiga generasi dapat tumbuh dalam 1 tahun. Untuk Siklus 0, seleksi genome-wide dan MARS dapat dianggap baik terlibat dalam tanaman F2 atau produksi DHs. Respon seleksi berbasis marker lebih besar dengan DHs daripada dengan tanaman F2. Dengan asumsi bahwa individu genotipe untuk penanda NM dan nilai pemuliaan assodiasosiasikan dengan masing-masing penanda NM diprediksi dan semua digunakan dalam seleksi genome-wide, Bernardo dan Yu (2007) menemukan bahwa di nomor yang berbeda dari QTL (20, 40 dan 100) dan tingkat heritabilitas, respon

Inbrida 1 × inbrida 2 F1 Siklus 0, Dua Kali Lipat haploids atau F 2 (N0)

• Salib untuk tester • Evaluasi uji silang • Pilih N0-Sel • Genotipe dengan N M spidol intermate N 0-Sel

F1 (N 0-Sel) Siklus 1 (N)

seleksi genome

MARS (Penanda signifikan hanya)

(Semua N M spidol)

pilih N1-Sel sebelum berbunga intermate N 1-Sel Siklus 2 (N)

Siklus 2 (N)

• Pilih N 2-Sel sebelum

berbunga

• intermate N 2-Sel

Akhir seleks i

Akhir seleks i

318

Bab 8

untuk sifat kuantitatif. Namun, lebih banyak faktor yang harus dipertimbangkan seleksi untuk genome adalah 18-43% lebih besar dari respon terhadap MARS. Terlepas heritabilitas dan jumlah QTL, menanggapi genome-wide seleksi yang terkecil ketika NM = 64 penanda digunakan. Minimal NM = 128-256 penanda polimorfik harus digunakan dalam seleksi genome-wide pada jagung dan lebih spidol harus digunakan untuk sifat kompleks yang memiliki, pada saat yang sama, heritabilitas tinggi. Dalam con-trast, menanggapi MARS yang terbesar dengan NM = 64 atau 128 spidol. Genome selec-tion yang paling berguna untuk sifat kompleks yang dikendalikan oleh banyak QTL dan memiliki rendah nya-itability. Tanggapan seleksi yang main-tained ketika jumlah DHs phenotyped dan genotipe dalam Siklus 0 berkurang dan jumlah tanaman genotipe di Siklus 1 dan 2 meningkat. Skema seperti yang min-imize fenotip dan memaksimalkan genotip akan layak hanya jika biaya per data titik penanda berkurang menjadi sekitar US $ 0,02. Sebagai ketersediaan sejumlah besar penanda SNP dalam banyak tanaman tanaman dan sistem genotip murah berbasis array, pemilihan genome-wide, sebagai brute-force dan prosedur kotak hitam yang mengeksploitasi murah dan berlimpah penanda molekuler, lebih unggul MARS di tanaman. Harap dicatat bahwa dalam pemilihan genome-wide, seseorang tidak memerlukan informasi QTL apapun. Sebaliknya, satu menggunakan pendekatan regresi umum dalam tes set untuk mendapatkan perkiraan nilai pemuliaan dari satu set penanda yang sangat padat dan kemudian memilih penanda set ini. in i.

8.4 Seleksi untuk Ciri Kuantitatif Perbedaan yang paling signifikan dari warisan quan-titative adalah bahwa tidak ada hubungan cor-merespons (sederhana) antara genotipe dan fenotipe, meskipun pemuliaan tanaman konvensitional didasarkan pada seleksi fenotipe. Ini adalah alasan utama mengapa efisiensi tanaman konvensional berkembang biak-ing sering rendah. Oleh karena itu, utama keadan-tive dari MAS harus untuk sifat kuantitatif sesuai dengan kepentingan dan kebutuhan mereka. Pada

ketika sifat kuantitatif yang terlibat. Pertama, pemetaan QTL sejauh ini telah memberikan hasil yang terbatas sehingga tidak ada sifat yang semua QTL terkait telah berada tepat. Oleh karena itu, sangat sulit, jika tidak impos-sible, untuk membuat pilihan yang komprehensif untuk setiap sifat tertentu. Ini juga merupakan masalah yang rumit untuk secara bersamaan memilih untuk beberapa QTL. Kedua, epistasis akan mempengaruhi efisiensi dan produk akhir dari MAS. Ketiga, ada genetik correla-tions tertentu di antara sifat kuantitatif sehingga MAS untuk satu sifat juga dapat mengubah sifat berkorelasi lainnya. Oleh karena itu, jauh lebih sulit untuk diterapkan MAS untuk sifat kuantitatif.

8.4.1 Seleksi berdasarkan nilai-nilai fenotipik Dasar teoritis untuk seleksi fenotipik adalah bahwa nilai fenotipik adalah perkiraan approxiapproxi mate nilai genotipe dan dengan demikian, seleksi berdasarkan nilai fenotipik dapat dianggap kurang lebih sebagai pilihan berdasarkan nilai genotip. Semakin tinggi keterkaitan antara fenotip dan nilai-nilai geno-typic, semakin tinggi efisiensi seleksi fenotipik. Perlu dicatat bahwa, di bawah kawin acak, hanya sebagian kecil dari total nilai genotipe, yaitu komponen disumbangkan oleh efek aditif, dapat ditularkan dari satu generasi ke generasi berikutnya dan karena itu, hanya seleksi untuk komponen aditif dari nilai genotipe efektif . Lebih tepatnya, lebih dekat efek aditif dari seorang individu menyerupai nilai fenotipik nya, semakin tinggi efisiensi seleksi fenotipik. Dalam pemuliaan hewan, nilai aditif dari seorang individu sering dikenal sebagai nilai berkembang biak. Keterkaitan nilai pheno-typic pheno -typic untuk efek aditif tergantung pada sempit akal heritabilitas (h2 sSEBUAH 2/s P 2), Di mana sSEBUAH 2 dan s P 2adalah varians genetik aditif dan ragam fenotipik, masing-masing. The h2 lebih tinggi, semakin besar keterkaitan antara nilai fenotipik dan efek aditif. Ketika h2 = 1, nilai fenotipik adalah sama dengan nilai efek aditif. The efi siensi-kenaikan seleksi fenotipik sebagai sempit akal heritabilitas meningkat.


319

bagaimanapun, metode yang lebih nyaman dan efisien diperlukan. Dalam pemuliaan tanaman konvensional, peningkatan sifat kuantitatif telah mengandalkan pemilihan langsung. pemilihan langsung adalah untuk memilih individu dengan fenotip ekstrim (satu dengan baik terbesar atau nilai fenotipe terkecil) di setiap gen-timbangkan sehingga populasi berarti perubahan menuju ke arah seleksi. Sebagai dis-mengumpat dalam Bab 1, efisiensi seleksi langsung dapat ditentukan dengan respon seleksi (R) atau muka genetik (G), Yang didefinisikan sebagai perbedaan antara rata-rata populasi keturunan berasal dari individu yang dipilih (Y) dan mean populasi penduduk asli atau orangtua (m), Yaitu G = Y m(Gambar. 1.1). Semakin tinggi muka genetik, semakin tinggi efisiensi seleksi. Rupanya, muka genetik positif sebanding dengan heritkemampuan. Di bawah heritabilitas diberikan, muka genetik tergantung pada tingkat seleksi (pro-porsi individu dipilih untuk total individu dalam populasi). Semakin kecil tingkat seleksi, semakin besar intensitas seleksi (perbedaan populasi berarti antara individu-individu yang dipilih dan penduduk asli) dan lebih besar kemajuan genetik.

8.4.2 Seleksi berdasarkan skor penanda Dari pembahasan di atas, di bawah acak tikar-ing, pemilihan harus jauh lebih efisien jika dapat didasarkan pada efek aditif. Isu kunci di sini adalah bagaimana memperkirakan efek aditif untuk setiap tanaman. Secara teoritis, dapat diperkirakan melalui analisis penanda-QTL. Dengan analisis QTL utama, bagaimanapun, adalah dif-ficult untuk mendeteksi semua QTL dan memperkirakan efek mereka tepat dan dengan demikian perkiraan efek aditif hanya merupakan perkiraan dengan kesalahan estimasi berpotensi besar. Dalam rangka untuk mendapatkan perkiraan yang akurat untuk efek aditif sebuah indi-vidual ini, perlu untuk memetakan setiap QTL tepat. Saat ini, MAS dapat hanya diproses berdasarkan efek aditif approxi-mate.

Berikut metode MAS diusulkan oleh Lande dan Thompson (1990) akan dijelaskan, yang didasarkan pada regresi penanda-sifat dan telah diterima secara luas. Berdasarkan model aditifefek, persamaan regresi penanda-sifat adalah

N



m 0  Sebuah saya

saya 

e

(8.17) saya 1

di mana y adalah nilai fenotipik dari sebuah individual, m0 adalah model berarti, ai adalah efek aditif penanda i, xi adalah kategori vari-mampu penanda i (dengan nilai 1, 0 dan -1 untuk penanda genotipe MM, Mm dan mm), e adalah kesalahan lingkungan acak dan N aku s jumlah penanda. Dengan langkah-bijaksana regres-sion, spidol dengan efek yang signifikan pada sifat target dan dengan demikian kemungkinan besar terkait dengan QTL dapat dipilih dan aditif efek estirekan (AI) dapat digunakan untuk menghitung skor penanda untuk setiap tanaman:

n ˆ

m



e ua

x

saya saya

(8.18)

saya 1

di mana n adalah jumlah penanda yang dipilih. skor penanda m adalah perkiraan efek aditif dan sejauh mana pendekatan tergantung pada proporsi aditif varian genetik dijelaskan oleh penanda yang dipilih (s M 2) Untuk varians genetik Total aditif (sSEBUAH 2), Yaitu, p  s M 2 /sSEBUAH 2. Semakin tinggi nilai p adalah, semakin baik m adalah sebagai pra-dictor nilai genetik aditif individu. Hanya ketika p = 1, adalah m sama dengan efek aditif individu. Seleksi berdasarkan skor penanda disebut seleksi marker-skor.

Kedua skor penanda dan nilai fenotipik adalah perkiraan aditif efek dan derajat mereka dari approxima-tion bergantung pada p dan h2, masing-masing. Jadi efisiensi pemilihan dua metode ini tergantung pada besaran relatif dari p dan h2. Artinya, seleksi berdasarkan skor penanda tidak mungkin lebih efisien daripada pemilihan berdasarkan fenotipe, tergantung pada apakah p lebih besar dari h2.

320

Bab 8

seleksi marker-nilai dan seleksi fenotipik sebagai ΔGM dan ΔGP , Masing-masing. Di bawah tingkat seleksi yang sama, efisiensi relatif dari kedua metode ini adalah KEMBA ΔG M p LI MP = = h2 ΔG P

(8.19)

yang menunjukkan bahwa efisiensi relatif ditentukan oleh besaran relatif dari p dan h2. Hal ini dapat disimpulkan bahwa untuk sifat dengan heritabilitas relatif rendah efisiensi relatif tinggi. Semakin rendah heritabilitas adalah, semakin tinggi efisiensi relatif. Untuk ciri-ciri dengan heritabilitas relatif tinggi, efisiensi seleksi fenotipik akan cukup tinggi sehingga tidak ada keharusan untuk pemilihan penanda-skor. Selain itu, pemilihan penanda-skor mungkin kurang efisien daripada pemilihan fenotipik karena kesalahan estimasi nilai penanda. Meskipun pemilihan berdasarkan skor penanda memiliki efisiensi yang relatif lebih tinggi bila heritabilitas rendah, kekuatan untuk mendeteksi QTL akan menurun dan kesalahan sampel skor penanda akan meningkat dan dengan demikian efisiensi seleksi berdasarkan skor penanda akan menurun jika heritabilitas terlalu rendah (Moreau et al., 1998). Di bawah heritkemampuan rendah, oleh karena itu, perlu untuk meningkatkan ukuran populasi dan menggunakan ambang rendah untuk menyatakan QTL untuk meningkatkan kekuatan untuk deteksi QTL dan untuk mengurangi kesalahan esti-mate skor marker (Gimelfarb dan Lande, 1994a; Rumah Sakit . et al, 1997; Moreau et al, 1998).. Jika perkiraan nilai penanda yang handal, seleksi berdasarkan skor penanda akan memiliki kemajuan genetik yang signifikan dalam generasi awal. Namun, kemajuan genetik sering akan menurun dengan kemajuan generasi dan menghilang dalam tiga sampai lima generasi sehingga tidak ada kemajuan genetik lebih lanjut yang signifikan adalah mungkin (Edwards dan Page, 1994). Ada dua alasan untuk fenomena ini. Pertama, rekombinasi genetik istirahat hubungan keterkaitan antara penanda dan QTL. Kedua, alel menguntungkan dengan efek kecil yang hilang selama seleksi sedangkan alel yang tidak

dari dalam seleksi fenotipik (Rumah Sakit et al., 1997). Masalah pertama dapat diselesaikan dengan re-evaluasi dan skrining konstan untuk penanda yang memiliki efek signifikan pada sifat tersebut. Jika penanda molekuler dievaluasi kembali dan dipilih untuk asosiasi di setiap genera-tion, efisiensi seleksi akan meningkat secara signifikan (Gimelfarb dan Lande, 1994a). Namun, pendekatan ini akan meningkatkan biaya untuk analisis penanda molekuler. Ini harus lebih masuk akal jika ini re-evalu-asi dan seleksi dapat dilakukan setiap dua sampai tiga generasi (Rumah Sakit et al., 1997).

8.4.3

seleksi indeks

Sebagaimana dibahas di atas, baik skor penanda dan nilai fenotipik yang mendekati efek aditif, masing-masing berisi hanya informasi parsial efek aditif yang bisa saling melengkapi. Jika skor penanda dan nilai fenotipik dapat dikombinasikan, seleksi berdasarkan informasi yang terintegrasi harus memiliki efisiensi yang lebih tinggi. Oleh karena itu, Lande dan Thompson (1990) mengusulkan bahwa indeks seleksi harus dibangun menggunakan skor penanda dan nilai fenotipik:

saya = BZZ + BMM

(8.20)

yang dapat dioptimalkan dengan memilih berat koefisien bz dan bm untuk memaksimalkan tingkat perbaikan dalam mean pheno-jenis per generasi. Metode seleksi berdasarkan indeks seleksi disebut seleksi indeks. Dalam persamaan di atas, z adalah nilai fenotipik dan m adalah nilai penanda. Berat optimal koefisien bz dan bm yang b z =

2

- s M

2 s P

- s M

2 s P

- sG

2 s P

- s M

sG

2

2

=

(1 - p) h2 1 - ph2

(8.21)

dan bm =

2

2

=

1 - h2

1 - ph2

(8.22)


321

KEM Indeks seleksi juga mendekati untuk efek aditif, sejauh mana tergantung pada heritabilitas nya (Knapp, 1998):

BALI

M

ΔG M 2

h saya2 (1 - p ) h = 1 - ph2

p(1- h2 )

+

h2 - 2PH2 + p

(8.23)

Dari persamaan ini, semakin tinggi indeks seleksi heritabilitas (h2I), prediktor yang lebih baik dari aditif efek indeks seleksi menjadi dan semakin tinggi efisiensi seleksi. Ketika p = 0, h2I=h2, yaitu seleksi indeks setara dengan seleksi fenotipik. Untuk h2 diberikan, h2I meningkatkan sebagai p meningkat dan meningkatkan secara dramatis ketika h2 rendah. h2I meningkat dengan cepat ketika 0
= ΔG P

(1 - p)2 = + 2 1 - ph2 h

p

(8.24)

dimana Δ prajurit adalah kemajuan genetik indeks seleksi. Gambar. 8.11 menunjukkan bagaimana reip berubah dengan p di bawah berbagai tingkat h2. Untuk p diberikan, reip meningkat dengan penurunan h2, yaitu, MAS lebih efisien ketika heritabilitas rendah; sementara reip meningkat dengan meningkatnya p tetapi tingkat kenaikan menjadi lambat ketika h2 tinggi. Ketika h2 mencapai ke tingkat menengah (h2 = 0,5), seleksi indeks tidak memiliki keuntungan jelas. Ketika h2 = 1, reip tidak berubah dengan p, dengan nilai konstan 1, menunjukkan bahwa dalam hal ini penanda molekuler tidak memberikan informasi tambahan apapun sehingga MAS tidak memiliki kontribusi positif sama sekali. Efisiensi relatif seleksi indeks dan seleksi marker-nilai dapat dinyatakan sebagai

P

p(1- ph 2 )

1.0 0,9 s A

0,8 S

0,6

0,7 tui

0,5 i r

i il r

s

b e h

a ta

it

0,4 0,1

0,3 0,2 0.0 0.0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1.0 Proporsi aditif variasi genetik dijelaskan oleh penanda (p)

Gambar. 8.10. Hubungan antara heritabilitas indeks MAS (h2I) Dan proporsi aditif genetik varian p  sM 2 / sG2 dengan p mulai 0,0-1,0 dan heritabilitas (h 2) Berkisar dari 0,1 hingga 1.0, di mana s M 2 adalah varians genetik aditif terkait dengan spidol dan sG2adalah varians genetik aditif. Dari Knapp (1998) dengan izin.

5

0,025

i

heritabilitas 0,05

s n ei isf e

3 ift la e R

2

0.10 0,50 0,20

1

1.00

0 0.0 0,2 0,4 0,6 0,8 Proporsi varian aditif dijelaskan oleh spidol

1.0

Gambar. 8.11. Efisiensi MAS dalam peningkatan sifat tunggal relatif terhadap indeks seleksi individu tradisional dengan intensitas seleksi yang sama, dengan asumsi ukuran sampel yang sangat besar. efisiensi relatif diplot sebagai fungsi dari proporsi varians genetik aditif dalam sifat signifikan berhubungan dengan lokus marker, untuk berbagai nilai heritabilitas sifat tersebut. Dari Lande dan Thompson (1990) dengan izin.

yang menunjukkan bahwa tidak peduli apa nilai p dan h2 take, ada REIM ≥ 1. Oleh karena itu, pemilihan indeks selalu memiliki efisiensi seleksi lebih tinggi dari pemilihan penanda-nilai, yang telah dibuktikan oleh komputer

322

Bab 8

simulasi (Whittaker et al., 1997) dan berbeda dengan situasi di mana seleksi berdasarkan skor penanda. seleksi indeks tergantung pada kedua phenotypic nilai dan penanda skor. Oleh karena itu, faktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi seleksi marker-skor juga akan mempengaruhi efisiensi seleksi indeks. simulasi komputer (Gimelfarb dan Lande, 1994a, b, 1995) indikasikan bahwa seleksi indeks lebih efisien daripada seleksi fenotipik setidaknya untuk beberapa generasi pertama, tapi keuntungan ini menghilang sangat cepat dengan kemajuan generasi. Dalam generasi canggih, seleksi indeks mungkin kurang efisien daripada pemilihan fenotip. Hal ini bisa terjadi di generasi lanjutan: ketika tingkat efek aditif dijelaskan oleh skor penanda tidak sebagus yang berdasarkan nilai fenotipik (yaitu p
periode tertentu. Berdasarkan hasil ini, Rumah Sakit et al. (1997) mengusulkan strategi seleksi dengan salah satu generasi seleksi indeks dan beberapa generasi seleksi marker-nilai alternatif. Pada generasi seleksi indeks, yang relatif lebih besar popula-tion diperlukan untuk evaluasi ulang dan seleksi berdasarkan penanda molekuler, untuk menjaga keandalan regresi penanda-sifat. Sebaliknya, populasi yang relatif kecil dapat digunakan pada generasi seleksi marker-skor.

8.4.4 seleksi genotipe Kedua seleksi marker-nilai dan seleksi indeks tergantung pada nilai genotipe atau lebih khusus komponen aditif dari nilai genotipe daripada genotipe itu sendiri. Oleh karena itu, kedua metode seleksi untuk pemilihan genotipe melalui gen-otypic nilai-nilai, yang tidak langsung dan mereka tidak memiliki perbedaan virtual dari seleksi fenotipik. Ini bukan konsep MAS yang telah diusulkan dan diharapkan. Karena nilai genotipe adalah hasil dari ekspresi genotip, genotipe yang berbeda mungkin memiliki nilai genotipe yang sama, yaitu, nilai genotip bisa cocok dengan banyak genotipe. Ada kehilangan atau degenerasi dari informasi genetik dari genotipe dengan nilai genotipe. degenerasi informasi ini akan mengakibatkan rendahnya efisiensi seleksi dan hilangnya beberapa alel QTL menguntungkan dengan efek relatif lebih kecil. Semakin banyak QTL yang terlibat dalam seleksi, semakin tinggi kemungkinan bahwa alel menguntungkan akan hilang. Oleh karena itu, metode seleksi yang lebih efisien harus bahwa berdasarkan genotipe itu sendiri (yang disebut seleksi genotipe) sebagai MAS untuk sifat kualitatif. Lebih khusus, masing-masing QTL target dipilih berdasarkan dua penanda yang mengapit, satu penanda terkait erat, atau penanda berbasis gen-.

Saat ini, seleksi genotip dari sifat quantitative sekarang dibatasi oleh berhasilkemampuan QTL yang telah baik-baik saja


323

digunakan untuk MAS dari populasi yang sama. Ini adalah QTL non-terdeteksi. Untuk meningkatkan efi siensi-dan keandalan MAS, spidol yang mengapit QTL sasaran harus dihubungkan secara erat. Namun, jika kawasan target terlalu kecil, mungkin tidak mengandung QTL sasaran karena pemetaan QTL primer tidak begitu akurat. Hal ini penting untuk mengembangkan mengapit spidol bahwa braket QTL target dengan keyakinan tinggi untuk memiliki efisiensi selec-tion tinggi. Sebagaimana dibahas dalam bagian sebelumnya untuk seleksi sifat-sifat kualitatif, lebih baik menggunakan tiga penanda terkait dalam seleksi dan posisi terbaik tanda tersebut akan ditentukan oleh tingkat kepercayaan QTL tersebut. Penanda tengah harus terkait erat dengan, terletak tepat di, atau identik dengan, QTL, yang harus dikurung oleh dua penanda mengapit. Ukuran jendela dioptimalkan untuk kawasan target ditentukan oleh penanda mengapit adalah positif sebanding dengan interval kepercayaan dari QTL tersebut. Semakin besar interval kepercayaan QTL, besar-ger kawasan target tanda kurung dengan spidol sayap-ing diperlukan untuk menjamin bahwa QTL yang terletak di wilayah sasaran. Seperti yang ditunjukkan oleh Rumah Sakit dan Charcosset (1997), menggunakan penanda posisi dioptimalkan untuk mengikuti QTL sasaran dalam pemuliaan SM, alel yang menguntungkan di empat QTL independen dapat ditransfer dari induk donor untuk orang tua berulang, dengan populasi con-sisting beberapa ratusan individu. Jika ada hubungan antara QTL dan QTL yang tepat dipetakan atau ukuran populasi yang lebih besar digunakan, lebih QTL dapat ditransfer secara bersamaan.

8.4.5

Terpadu marker-assisted

pilihan Seperti dibahas sebelumnya, asosiasi penandasifat diidentifikasi dalam satu populasi harus divalidasi sebelum dapat digunakan untuk MAS dalam populasi lain. Salah satu cara terbaik untuk menghindari penanda langkah validasi adalah

penting untuk sifat kuantitatif yang Geneti-Cally dikendalikan oleh banyak gen dan berinteraksi dengan lingkungan. backcross-ing QTL (ABQTL) analisis canggih, yang diusulkan oleh Tanksley dan Nelson (1996) untuk mempercepat proses pemuliaan molekuler, adalah salah satu pendekatan yang dapat digunakan untuk tujuan ini. Stuber et al. (1999) membahas upaya mereka untuk menguji skema pemuliaan berbasis penanda untuk sistematis menghasilkan garis yang sa-rior tanpa identifikasi sebelumnya gen dalam sumber-sumber donor. Mengidentifikasi dan pemetaan gen dalam donor adalah bonus yang didapat ketika Nils berasal dievaluasi. Metode ini agak simi-lar analisis AB-QTL. Pendekatan-pendekatan lain termasuk menggunakan asosiasi diidentifikasi pada populasi F2 untuk memilih populasi menyerbuk sendiri berikutnya.

Strategi AB-QTL menunda pemetaan QTL sampai BC2 atau BC3 generasi. Penundaan analisis QTL menawarkan keuntungan untuk QTL karakterisasi seperti bahwa probkemampuan berkurang untuk mendeteksi QTL menampilkan interaksi epistatik antara alel donor karena keseluruhan rendah fre-quency mereka. Bahkan, akan ada lebih tinggi prob-kemampuan mendeteksi aditif QTL yang masih berfungsi di latar belakang isogenic dekat-. Selama generasi BC2 atau BC3 popula-tions, seleksi negatif sedang dilakukan untuk meminimalkan terjadinya alel donor yang tidak menguntungkan. Keuntungan dari berfokus pada BC2 atau BC3 populasi adalah bahwa mereka menawarkan kekuatan statistik yang cukup untuk identifikasi QTL di satu sisi dan di sisi lain memberikan kesamaan yang cukup untuk orang tua berulang untuk memilih untuk QTL-Nils dalam kurun waktu yang singkat (dalam 1 -2 tahun). Dengan menggunakan QTL-Nils, yang QTL ditemukan dapat diverifikasi dan Nils dapat berfungsi langsung baik sebagai membaik kultivar atau sebagai kultivar induk dalam kasus tanaman hibrida (Peleman dan van der Voort, 2003).

Pendekatan AB-QTL dapat dimanfaatkan untuk pyramiding alel QTL. Setiap kali bahwa analisis AB-QTL diterapkan, peta posi-tions dari QTL donor mempengaruhi ciri-ciri kunci kemungkinan akan ditemukan sehingga informasi

324

Bab 8

itu akan mudah untuk menggabungkan alel QTL donor menguntungkan terdeteksi dalam satu percobaan dengan non-alel QTL mempengaruhiing sifat yang sama dari percobaan lain di mana orang tua donor yang berbeda digunakan. Dengan cara ini, itu harus mungkin untuk piramida semua QTL non-alel dengan efek yang sama terdeteksi dalam spesies tertentu atau seluruh spesies yang terkait, jika mereka bertindak tanpa banyak pengaruh epistasis.

proyek untuk bersilang ini menguntungkan alleles dari O. rufipogon aksesi menjadi beras dibudidayakan.

8.4.6 Respon untuk marker-assisted selection MAS untuk sifat dikendalikan oleh gen utama akan menerima tanggapan yang kuat. Namun, respon seleksi, atau muka genetik, untuk sifat kuantitatif akan tergantung pada faktor-faktor sev-eral: hubungan antara penanda dan gen, sifat heritabilitas, efek gen, interaksi gen, ukuran populasi, jumlah tanaman yang dipilih dan skema peternakan. Dalam teori seleksi klasik, berharapasi, variasi genetik dan heritabilitas sifat sasaran yang diperlukan, serta kovarians antara sifat target dan kriteria pemilihan dalam kasus pemilihan tidak langsung. Dalam silang balik tanpa selec-tion, seperti yang dijelaskan dalam Bab 4, yang diharapkan proporsi genom donor dalam generasi BCN adalah 1 / 2n + 1. Dalam silang balik dengan seleksi untuk keberadaan gen sasaran, Stam dan Zeven (1981) berasal proporsi genom donor diharapkan pada operator kromo beberapa gen sasaran. Hasil penelitian mereka itu diperluas ke kromosom yang membawa gen target dan alel orang tua berulang di dua penanda mengapit (Rumah Sakit et al., 1992) dan untuk kromosom membawa beberapa gen target (Ribaut et al., 2002a).

Pendekatan AB-QTL telah SUC-cessfully digunakan untuk mengidentifikasi penanda untuk QTL kontribusi untuk ukuran buah, bentuk, warna dan keteguhan bersama-sama dengan padatan terlarut dan total hasil tomat. Atas dasar ini, asosiasi QTL-marker yang diidentifikasi dalam satu generasi SM dan segera diterapkan pada generasi BC berikutnya sekitar 6 bulan kemudian (Tanksley et al., 1996). Dalam beras, serangkaian populasi silang balik canggih telah dikembangkan melalui kolaborasi antara Universitas Cornell dan peternak di seluruh dunia untuk mengidentifikasi dan alel sifatmeningkatkan bersilang dari spesies liar ke dalam kultivar elit unggul. Studi tersebut pertama kali digunakan silang antara nasi relatif Oryza rufipogon dan Cina indica hybrid 'V20' / 'Ce64' (Xiao et al., 1998). Meskipun O. rufipogon aksesi adalah fenotip rendah untuk semua 12 ciri belajar, segregasi transgresif diamati untuk semua sifat dan 51% dari QTL terdeteksi memiliki alel menguntungkan dari O. rifupogon. Dengan MAS dan seleksi lapangan, sangat baik CMS pemulih line ( 'Q661') membawa-ing salah satu QTL untuk Contoh di Lande dan Thompson (1990) komponen hasil telah dikembangkan. Its hybrid, 'J23A' / 'Q661', keluar-menghasilkan cek hybrid menunjukkan bahwa pada sifat tunggal potensi sebesar 35% dalam sidang direplikasi untuk efisiensi seleksi dengan menggunakan kombinasi tanaman padi kedua pada tahun 2001 (Yuan, informasi molekuler dan fenotipik, dibandingkan 2002). Sebuah studi QTL kedua digunakan dengan metode standar seleksi fenotipik, populasi SM canggih antara O. rufipogon aksesi tergantung pada dirinya-itability dari sifat yang sama dan dataran tinggi japonica padi tersebut, proporsi varians genetik addi-tive terkait kultivar 'Caiapo' dan alel menguntungkan QTL dengan penanda lokus dan skema seleksi. Seperti diidentifikasi dari O. rufipogon untuk 56% dari telah dibahas sebelumnya, efisiensi relatif dari sifat-meningkatkan QTL terdeteksi (Moncada et MAS adalah terbesar untuk sifat dengan al., 2001). Studi ketiga mempekerjakan rufipogon heritabilitas rendah jika sebagian besar varians O. di salib dengan panjang-butir 'Jefferson', genetik aditif dikaitkan dengan penanda lokus. sebuah tropi-cal japonica kultivar AS dan O. Keterbatasan yang dapat mempengaruhi utilitas rufipogon alel adalah menguntungkan untuk 53% potensi MAS dalam program pemuliaan dari QTL hasil dan hasil komponen (Thomson et diterapkan meliputi:


325

penanda lokus diperlukan; (Ii) ukuran sampel efisiensi MAB pada tanaman dengan genom yang yang diperlukan untuk mendeteksi lokus sifat lebih kecil jauh lebih tinggi dari yang di tanaman dengan heritabilitas rendah; dan dengan genom yang lebih besar. kesalahan sampel dalam estimasi bobot relaMenggunakan> 80 penanda pada jagung tive dalam indeks seleksi. (corres-genangan untuk kepadatan penanda 25 Frisch dan Melchinger (2005) cM) atau mengembangkan kerangka teoritis untuk MAS 60 spidol di sugarbeet (density penanda untuk latar belakang genetik dari orang tua 15 cM) mengakibatkan hanya peningkatan berulang dalam program SM untuk memprediksi marjinal respon seleksi, terlepas dari ukuran respon seleksi dan memberikan kriteria untuk penduduk yang bekerja (Gambar. 8.12). memilih individu SM yang paling menjanjikan Meningkatkan ukuran populasi hingga 100 untuk silang balik lebih lanjut atau selfing. tanaman mengakibatkan peningkatan substansial Pendekatan berurusan dengan seleksi pada dalam menanggapi seleksi pada kedua tanaman generasi n dari SM pro-gram, dengan dan menggunakan populasi yang lebih besar mempertimbangkan pra-seleksi untuk kehadiran masih meningkatkan respon yang diharapkan satu atau beberapa gen target, peta keterkaitan seleksi. Frisch dan Melchinger (2005) gen sasaran (s) dan spidol dan genotipe penanda menyimpulkan bahwa peningkatan respon seleksi individu digunakan sebagai orang tua non- dengan meningkatkan jumlah penanda yang berulang untuk menghasilkan generasi SM. digunakan adalah possi-ble hanya sampai batas atas yang tergantung pada jumlah dan panjang Respon seleksi R didefinisikan sebagai kromosom. Sebaliknya, meningkatkan respon perbedaan antara proporsi genom donor terhadap selec-tion dengan meningkatkan ukuran diharapkan m dalam fraksi yang dipilih dari populasi adalah mungkin untuk ukuran populasi populasi BCN dan proporsi genom donor yang yang melebihi koefisien reproduksi spesies diharapkan m'Pada populasi BCN tidak dipilih: tanaman yang paling.

R  m - m'

(8.26)

Kriteria optimal untuk desain MAS dalam populasi SM dapat didefinisikan oleh respon Prediksi respon seleksi dapat digunakan yang diharapkan seleksi dicapai dengan sejumlah untuk membandingkan alternatif SCE-narios tetap MDP. Untuk tetap jumlah MDP di sehubungan dengan ukuran populasi dan jumlah sugarbeet, desain dengan populasi besar dan yang dibutuhkan penanda. Ini applica-tion beberapa spidol selalu mencapai nilai yang lebih digambarkan oleh contoh populasi BC1 dengan besar dari respon terhadap selec-tion dari desain menggunakan model genom dekat dengan jagung dengan populasi kecil dan banyak penanda (Gbr. (sepuluh kromosom panjang 2 M) dan sugarbeet 8.12). Untuk jagung, tren yang sama diamati (sembilan kromosom panjang 1 M) dengan spidol untuk 500 dan 1000 MDP, sedangkan untuk merata di semua kromosom, gen target yang jumlah yang lebih besar dari MDP desain optimal terletak 66 cM dari telomer pada kromosom dan berkisar antara 40 dan 50 spidol. Oleh karena itu, satu individu yang dipilih sebagai induk non- di BC1 populasi jagung dan sugarbeet dan berulang generasi BC2. sejumlah tetap MDP, MAS adalah, dalam tertentu lim-nya, lebih efisien untuk populasi yang lebih Respon yang diharapkan seleksi untuk besar daripada kepadatan penanda yang lebih jagung berkisar antara 5% dari genom donor (20 tinggi. spidol, 20 tanaman) sampai 12% (120 spidol, 1000 tanaman) dan untuk sugarbeet itu berkisar antara 7% sampai 15% (Gambar. 8.12). Untuk Secara teori, MAS diusulkan untuk menjadi mendapatkan respon seleksi 10% dengan 60 lebih efisien daripada seleksi fenotipik ketika tanda-ers, ukuran populasi 180 diperlukan pada heritabilitas suatu sifat rendah, di mana ada jagung, sesuai dengan 180/2 × 60 = 5400 poin keterkaitan erat antara QTL dan penanda ~

~

~

~

(Lee, 1995). Edwards dan Halaman (1994) mengusulkan bahwa jarak antara spidol dan QTL adalah faktor yang paling

326

Bab 8

Sepuluh kromosom panjang 2M

Sembilan kromosom panjang 1M m=

1000

15

15

500

m= ) 13

)

1000

%( i s le

e 11 s

s k le s k

200

ut

11

100 80 60

i e

k

200

%(

500 k

13

ut

n

n u

100 80 60

n o p

9 s e R

u

40

n o p

9 s e R

40

20

7

7 20

5

5 20

40 60 80 100 120 Jumlah penanda

20

40 60 80 100 120 Jumlah penanda

20.000 MDP

2000 MDP

10.000 MDP

1000 MDP

5000 MDP

500 MDP

Gambar. 8.12. Diharapkan respon seleksi di seluruh genom dan diharapkan jumlah yang diperlukan poin penanda data (MDP) ketika memilih yang terbaik dari m = 20, 40, 60, 80, 100, 200, 500 dan 1000 SM1individu. Model genom jagung dengan sepuluh kromosom panjang 2 M (sisi kiri). Model genom sugarbeet dengan sembilan kromosom panjang 1 M (sisi kanan). Dari Frisch dan Melchinger (2005) dengan izin.

keuntungan genetik terbatas dari MAS. Yousef dan Juvik (2001a) melaporkan percobaan empiris yang memberikan hasil samar-samar mengenai efisiensi relatif dari MAS dan seleksi fenotipik dalam meningkatkan sifat kuantitatif ekonomically penting dalam jagung manis. MAS dan seleksi fenotipik yang diterapkan untuk tiga F2: 3 populasi dasar dengan baik manis 1 (su1), gula enhancer 1 (SE1), atau menyusut 2 (SH2) endosperm muta-tions. Satu siklus seleksi diaplikasikan baik sifat tunggal dan beberapa seperti bibit munculnya. efisiensi seleksi dievaluasi atas dasar keuntungan lebih satu siklus. Di antara 52 dipasangkan perbandingan

populasi komposit, MAS mengakibatkan keuntungan secara signifikan lebih tinggi dari seleksi fenotipik untuk 38% dari perbandingan, sementara pemilihan fenotipik secara signifikan lebih besar hanya 4% dari kasus. Rata-rata MAS dan fenotipik keuntungan seleksi, Calcu-lated sebagai persen peningkatan atau penurunan dari kontrol yang dipilih secara acak, adalah 10,9% dan 6,1%, masing-masing. Menyadari bahwa kecil pemetaan populations tidak memadai untuk pemetaan QTL adalah pertama dan paling penting realisasinya dibutuhkan dalam komunitas riset (Young, 1999).


Seleksi juga digunakan laboratorium untuk menguji daerah genom perkiraan menggunakan penanda DNA tidak cukup. Proyek perlu memanfaatkan metode penilaian yang lebih baik, ukuran population lebih besar, beberapa ulangan dan environments, analisis genetik kuantitatif yang tepat, berbagai latar belakang genetik dan, bila memungkinkan, independen VERIFIKASI-tion melalui generasi lanjut atau populasi Paral-lel (Melchinger et al ., 1998; Utz et al, 2000;.. Schön et al, 2004). Hanya kemudian bukti eksperimental yang cukup akan berada di tempat untuk program MAS sukses. 'Bagaimana jika kita tahu semua gen yang mengatur sifat kuantitatif pada tanaman hibrida?' Hal ini diminta oleh Bernardo (2001), ketika bekerja pada prediksi kinerja hybrid melalui simulasi komputer. Dengan jagung sebagai spesies model, ia ditemukan melalui sifat dan gen terbaik linear berisi prediksi (TG-BLUP) bahwa informasi gen paling berguna dalam seleksi ketika beberapa lokus (misalnya sepuluh) mengontrol sifat tersebut. Dengan banyak lokus (50), perkiraan persegi setidaknya efek gen menjadi tidak tepat. informasi gen con-sequently meningkatkan efisiensi seleksi antara hibrida dengan hanya 10% atau kurang dan benar-benar menjadi merugikan seleksi, karena lebih banyak lokus menjadi dikenal. Bernardo bulu-ther menunjukkan bahwa peningkatan ukuran population dan heritabilitas sifat untuk meningkatkan perkiraan efek gen juga meningkatkan seleksi fenotipik, meninggalkan sedikit ruang untuk peningkatan efisiensi seleksi melalui informasi gen. Dia berpikir genomik adalah nilai terbatas dalam seleksi untuk sifat kuantitatif pada tanaman hibrida. interaksi epistatik, yang diasumsikan hadir di ruang kerjanya, akan membuat estimasi efek gen bahkan lebih sulit. Tidak diketahui apakah metode selain TG-BLUP atau regresi berganda secara substansial akan meningkatkan kegunaan informasi gen dalam seleksi.

8,5 Seleksi jangka panjang

327

dalam

spesies

banyak asumsi dari mendasari-ing model genetik kuantitatif dan untuk menguji batas seleksi itu sendiri. Kekuatan seleksi terbaik disajikan oleh respon seleksi yang telah diamati dalam dua spesies pertanian yang penting. produksi jagung AS meningkat dari pra-1930 rata-rata 1,6 t ha-1 (26,1 bushel acre-1) dengan rata-rata 8,6 t ha-1 (134,7 semak-semak acre-1) untuk periode 5 tahun 1998-2002 , peningkatan lima kali lipat lebih dari 70 tahun (http:. //www.usda gov / nass /). Tentu saja, tidak semua dari kenaikan tersebut karena seleksi, tetapi penelitian telah terdiri-ently menunjukkan bahwa genetika dapat menjelaskan 50% dari kenaikan. Susu hasil di Holsteins telah meningkat dari 5870 kg pada tahun 1957 untuk 11.338 kg pada tahun 2001, mewakili dua kali lipat hasil susu lebih dari 44 tahun (http:.. // AIPL arsusda.gov/dynamic/trend/current/trndx html). Ada bukti bahwa tren genetik terus meningkat dengan waktu di Holsteins. teknik molekuler telah menyediakan alat baru untuk menganalisis produk seleksi akhir dan mengungkapkan perubahan struktur genetik dengan kemajuan percobaan seleksi.

Termasuk pemilihan jangka panjang dalam bab ini dibenarkan oleh konsep 'terbalik pemuliaan-to-genetika', yang dimulai dengan program seleksi untuk piramida alel nikmatmampu dari berbagai sumber kuman-plasma untuk membuat variasi transgresif dan respon pilihan diikuti dengan analisis genetik (evaluasi biasanya dengan bantuan penanda) untuk mengidentifikasi gen dan alel terkait dengan respon seleksi. Karena akan mengambil tahun untuk piramida gen dan alel dari sumber multiple melalui pemetaan genetik dan MAS, pendekatan 'terbalik peternakan-ke-genetika' dapat digunakan untuk mengeksploitasi alel baru cumulated dan gen dengan mengambil keuntungan dari ketersediaan bahan tanaman yang telah terakumulasi dalam program genetik dan pemuliaan. Menggabungkan dengan strategi genotip selektif direvisi oleh Xu et al. (2008) dan Sun et al. (2009), bisa jadi lebih realistis dengan memulai dengan seleksi untuk alel piramida diikuti dengan analisis genetik untuk iden-tifikasi gen, dibandingkan dengan 'genetika-to pemuliaan' pendekatan dimana gen / QTL dipetakan dalam analisis genetik terpisah dan kemudian ke pyramided oleh MAS. Pada bagian

328

Bab 8

membahas percobaan seleksi jangka panjang pada tanaman dan evaluasi bantuan penanda dari hasil seleksi, yang dapat con-sidered pendekatan 'terbalik genetika pemuliaan-to-'.

Segmen 1. Generasi 0-9, massa selec-tion berdasarkan komposisi kimia. Jumlah telinga dianalisis dan dipilih bervariasi tetapi sekitar 20% dari telinga dianalisis dipilih. Masingmasing strain ditumbuhkan dalam bidang yang terpisah tapi terisolasi.

8.5.1 seleksi jangka panjang dalam

Segmen 2. Generasi 10-25. 120 telinga per ketegangan dianalisis dan 24 diselamatkan. Benih dari masing-masing telinga ditanam telinga-to-baris. baris alternatif yang detasselled dan 20 telinga dianalisis dari masingmasing dari enam baris unggul tertinggi. Empat telinga diselamatkan per baris. Segmen 3. Generasi 26-52 di IHP dan ILP; generasi 26-58 di IHO dan ILO. Dua belas telinga terpilih arbi-trarily dibagi menjadi dua banyak (A dan B) dari enam telinga. Benih dalam setiap lot bulked dan ditanam di persemaian. Sutra di Banyak yang diserbuki oleh sampel sebagian besar serbuk sari 15-20 tanaman di banyak B sementara sutra di banyak B yang diserbuki dengan serbuk sari dari banyak A. Tiga puluh telinga dari setiap lot dianalisis dan 12 yang paling ekstrim dari 60 telinga ana-segaris diselamatkan.

jagung

Ada beberapa pilihan jangka panjang experiKASIH pada jagung (Duvick et al, 2004;.. Hallauer et al, 2004; Dudley dan Lambert, 2004). Yang paling terkenal adalah pemilihan untuk isi minyak dan protein yang sudah berjalan selama lebih dari 100 generasi. Detail tentang percobaan ini dapat ditemukan dalam volume khusus Ulasan Pemuliaan Tanaman (Volume 24, Part 1, 2004). Hanya beberapa yang signifikan proce-prosedurdan hasilnya akan dirangkum di sini.

Prosedur Percobaan seleksi jangka panjang untuk konten minyak dan protein pada jagung dimulai di University of Illinois oleh CG Hopkins sebelum penemuan kembali hukum Mendel (Hopkins, 1899). Update terbaru pada seleksi jangka panjang ini dapat ditemukan dari Dudley dan Lambert (2004). Meskipun tujuan awal adalah untuk menghasilkan tanaman pertanian yang berharga dengan meningkatkan kandungan minyak dan protein dari kernel, hasilnya juga cukup luar biasa dari sudut pandang theoreti-cal. Salah satu hasil yang paling menarik adalah bahwa pemilihan terus tidak menguras variabilitas. Sesungguhnya hasilnya tidak secara penuh sesuai dengan harapan Mendel sederhana. Pada tahun 1896, Hopkins dimulai seleksi di penyerbukan terbuka jagung kultivar 'Burr Putih' (Hopkins, 1899). Ia menganalisis 163 telinga untuk konsentrasi minyak dan protein. 24 telinga tertinggi di protein, 12 telinga terendah dalam protein, 24 telinga tertinggi dalam minyak dan 12 telinga terendah dalam minyak dipilih untuk memulai Protein Illinois Tinggi (IHP), Illinois Low Protein (ILP), Illinois Tinggi Minyak ( IHO) dan Illinois Low Oil (ILO) strain, masingmasing. Kedua maju dan mundur seleksi telah

Segmen 4. Generasi 53-90 di IHP dan ILP; 59-90 di IHO dan 59-87 ILO. Prosedur seleksi adalah sama seperti di segmen 3 tetapi 90-100 kg N fer-telah disalurkan ha-1 ditambahkan ke tanah. Hanya 87 generasi diselesaikan di ILO karena kesulitan dengan set dan mutu benih yang menyebabkan hilangnya beberapa generasi.

Berikut 48 generasi seleksi maju, mundur seleksi dimulai pada masing-masing empat strain untuk membentuk empat strain baru: Reverse Tinggi Protein (RHP), Reverse Low Protein (RLP), Reverse Minyak Tinggi (RHO) dan Reverse Minyak Rendah (RLO) (Gambar 8.13 dan 8.14). Tujuannya adalah untuk menentukan tingkat variabilitas sisa tersedia untuk seleksi. Pemilihan pro-cedure adalah sama seperti pada strain maju kecuali seleksi itu untuk protein rendah IHP, protein tinggi di ILP, dll Berikut


25 IHO

berarti minyak

RHO 20

SHO

ILO RLO 15 ) %( k

10

5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Generation

Gambar. 8.13. Berarti persentase minyak diplot terhadap generasi untuk IHO, RHO, SHO, ILO dan RLO berasal dari 100 generasi seleksi. Dari Dudley dan Lambert (2004). Bahan ini direproduksi dengan izin dari John Wiley & Sons, Inc.

berarti protein

40 ILP

35

RLP IHP

30

RHP

25 ) %(

ni 20 te or P

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Generation

Gambar. 8.14. Berarti persentase protein diplot terhadap generasi untuk IHP, RHP, ILP dan RLP

329

330

Bab 8

ketegangan. Dimulai pada generasi 90 dari ILP, strain baru yang disebut reverse Low Protein 2 (RLP2) yang digagas seleksi untuk protein tinggi di ILP. strain ini dimulai untuk menentukan apakah variabilitas genetik masih ada yang bisa dimanfaatkan oleh seleksi setelah jelas kurangnya kemajuan dalam ILP selama hampir 35 generasi. Pemilihan Prosedur-prosedur-adalah sama seperti pada strain seleksi reguler dan reverse, dan telah dijelaskan secara rinci (Dudley et al, 1974;. Dudley dan Lambert, 1992).

Batas seleksi Respon atas semua generasi disajikan dengan cara untuk setiap generasi diplot terhadap jumlah generasi untuk semua strain (Gambar 8.13 dan 8.14). Data yang di atasnya angka didasarkan tersedia dalam rincian di Dudley dan Lambert (2004) Lampiran Tabel 5.A1-5.A5. Salah satu tujuan dari penelitian ini adalah untuk menentukan batas-batas seleksi untuk minyak dan protein pada jagung. pertanyaan telah dijawab untuk minyak rendah dan protein rendah dalam kemajuan yang berhenti ketika minyak menjadi begitu rendah itu tidak lagi diukur dengan alat-alat analisis yang tersedia. Protein appar-ently mencapai batas bawah setelah approxi--kira 65 generasi ketika tidak ada kemajuan lebih lanjut mungkin dengan metode seleksi yang digunakan. Batas rendah ini kemungkinan phy-siological di alam. Tiga jenis bukti menyarankan batas atas belum tercapai minyak di IHO dan SHO. variasi genetik yang signifikan masih ada di generasi 98 dan tidak berubah sejak generasi 65 sebagai hasil dari per se uji coba evaluasi menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam minyak selama lima generasi terakhir diukur. Jadi 100 gen-erations seleksi belum dihilangkan variabilitas genetik dan batas atas belum tercapai baik untuk IHO atau SHO. Untuk IHP, hasilnya tidak jelas. Data dari uji coba evaluasi menunjukkan tidak ada peningkatan sig-nifikan protein sejak generasi 88. varians genetik pada generasi 98 tidak berbeda

dengan spesies lain di mana masalah kelangsungan hidup disebabkan kemajuan untuk berhenti, variabilitas genetik yang signifikan ditemukan pada strain yang telah plateaued. Dengan demikian, tidak jelas apakah batas atas telah tercapai untuk protein dalam IHP. Berdasarkan kemajuan yang signifikan dalam alunan seleksi terbalik, variasi genetik tidak habis di generasi 48. Hasil dari RLP2 sudah termasuk apakah varians genetik dieksploitasi untuk protein tinggi masih ada pada generasi 90 di ILP. Hasil dari uji coba evaluasi per se menunjukkan bahwa kemajuan sedang dibuat, namun data generasi tidak mengkonfirmasi hasil ini. Salah satu hasil yang tidak biasa seleksi terbalik terjadi di RHP. Semua keuntungan dari 48 generasi pertama dari seleksi hilang oleh 15 generasi berikutnya seleksi (Gbr. 8.14). Kemajuan per generasi selama 15 generasi ini adalah sekitar 0,68% per generasi tingkat setidaknya tiga kali bahwa dalam setiap segmen lain dari setiap regangan untuk protein.

Penjelasan kemajuan Untuk minyak, total gain di IHO adalah sekitar empat kali total gain di ILO. Untuk protein, keuntungan dalam IHP adalah sekitar tiga kali keuntungan dalam ILP. Gain dalam arah tinggi untuk minyak dan protein lebih besar dari generasi 49-100 dari dari generasi 0 Sebaliknya, hampir 90% dari keuntungan dari seleksi di ILO dan ILP datang pertama generasi seleksi. Mengingat bahwa batas bawah untuk seleksi untuk ILO dan ILP adalah mendekati nol dan batas atas bisa mendekati 100%, keuntungan ini lebih besar ke arah yang tinggi tidak mengherankan. Gain antara generasi 48 dan 100 untuk IHO (minyak 9,7%) adalah mirip dengan yang di RHO (minyak 9,0%) dan keuntungan dalam IHP (12,5%) protein dari generasi 48 ke 100 mirip dengan yang di RHP (12.2% pro-Tein). Keuntungan dalam RLO dari generasi 48-100 hampir sepuluh kali bahwa dalam ILO dan keuntungan dalam RLP selama beberapa generasi yang sama adalah 13 kali yang

Hasil ini konsisten dengan perkiraan frekuensi gen dengan asumsi model dengan jumlah yang relatif lebih besar dari gen


mempengaruhi sifat, masing-masing dengan efek yang relatif sama dan aksi gen aditif. Frekuensi alel menguntungkan (q) pada populasi asli diperkirakan sekitar 0,2; Oleh karena itu, keuntungan yang lebih besar untuk minyak yang lebih tinggi atau protein harus mungkin dari nilainilai yang lebih rendah. Ketika pemilihan sebaliknya dimulai, q diperkirakan kira-kiraimately 0,5 di kedua IHP dan IHO. Dengan demikian, seleksi di kedua arah harus mungkin dan total kemungkinan perubahan harus kurang lebih sama di kedua arah. Pemilihan switchback terjadi pada frekuensi gen dari 0,35, yang dapat memungkinkan kemajuan besar dalam arah yang tinggi daripada di rendah, sebagaimana yang diamati.

331

Tabel 8.8. Batas Ultimate seleksi, diukur sebagai jumlah sSEBUAH dengan berbagai nilai-nilai n (jumlah lokus memisahkan) dan q (frekuensi alel menguntungkan) (dari Dudley (1977) dengan izin).

q n

0,1

0.25

0,5

0,75

10 50 100 200

13 30 42 60

8 17 24 35

3 10 14 20

3 6 8 12

0,9 2 3 5 7

menjadi rendah, sekitar 0,25, dan n> 50. nilainilai tersebut konsisten dengan perkiraan q sekitar 0,2 untuk kedua minyak dan protein dan n dari 54 dan 123 untuk minyak dan protein yang Dengan mengevaluasi hasil dari pemilihan diperoleh masing-masing. Meskipun hasil ini 48 generasi, Leng (1962) menyarankan empat menunjukkan semua kemajuan itu akan interpretasi genetik yang mungkin: (i) acciden-tal dijelaskan oleh pemisahan sejumlah besar gen penyilangan; (Ii) mendukung dari heterozy-gotes pada populasi asli, muta-tion tidak bisa dalam seleksi; (Iii) tingkat tinggi mutasi dari 'gen dihilangkan sebagai sumber kemungkinan kimia' yang bersangkutan; dan (iv) pelepasan beberapa variasi yang di atasnya seleksi terus variabilitas dengan beberapa cara yang tidak beroperasi. diketahui. Dia segera diberhentikan interpretasi ini karena: (i) penyerbukan telah berada di bawah Selamat malam (2004) dan Eitan dan Soller kontrol yang ketat di seluruh studi jangka (2004) menyarankan epistasis sebagai faktor panjang. (Ii) Favoring heterozy-gosity tidak dapat penting untuk menjelaskan heterosis negatif atau dikesampingkan; Namun 'The respon cepat untuk positif untuk minyak dan protein diamati dalam membalikkan seleksi di semua empat strain, jika salib yang melibatkan strain selec-tion jangka hal itu dikaitkan dengan heterozigositas sisa saja, panjang, yang mendukung hipotesis bahwa aditif akan diperlukan tingkat heterosigositas untuk × aditif espitasis adalah penting. Bukti lebih tetap di hampir tingkat yang sama melalui 48 lanjut berasal dari Desain genera-tions seleksi sukses. Ini muncul sangat studi Moreno-Gonzalez et al. (1975) di mana mustahil.' (Iii) Karena 'keempat strain relatif salib dari kedua F2 dan F6 salib × IHO ILO seragam dan tidak menunjukkan bukti yang kembali ke orang tua dipamerkan heterosis sangat bisa berubah. . . muta-tion tidak dianggap negatif untuk minyak. Hipotesis ini lebih didukung oleh pres-ence heterosis negatif yang sebagai penjelasan yang mungkin.' signifikan untuk pro-Tein di salib dari IHP × RLP dan IHP × ILP (Dudley et al., 1977). Mekanisme masuk akal adalah bahwa contin-UED rekombinasi memainkan peran. Dudley et al. (1974) menyarankan bagian Namun, seperti yang ditunjukkan oleh Dudley (1977), adalah mungkin untuk dari respon lanjutan di IHP bisa disebabkan menjelaskan semua kemajuan dengan pemisahan perubahan lingkungan karena penambahan N jumlah yang relatif besar gen (n), masing-masing fertilisasi in generasi 53 peningkatan respon per pada frekuensi rendah relatif (q) pada populasi generasi 1,4-1,6 g protein kg-1 per siklus. asli. Jumlah aditif standar deviasi genetik Peningkatan tersedia pupuk N alel mungkin kemajuan mungkin untuk nilai tertentu n dan q diperbolehkan untuk protein yang lebih tinggi yang dihitung oleh Dudley (1977) berdasarkan untuk diungkapkan dan dipilih. teori yang diperoleh Robertson (1970)

332

Bab 8

Dia menunjukkan bahwa keuntungan berdasarkan varian mutasi diperkirakan melebihi dari keuntungan berdasarkan segregasi sisa dari populasi origi-nal setelah sekitar 46 generasi untuk minyak dan 33 untuk protein. Meskipun per-lokus tingkat mutasi biasanya sangat kecil, untuk berbagai sifat varians mutasi diperkenalkan pada setiap generasi adalah pada urutan 1 / 100th dari varians lingkungan. Hal ini dapat cukup signifikan setelah 10-20 gen-erations. Keightley (2004) Ulasan percobaan seleksi di galur inbrida dan menyimpulkan bahwa varians mutasi adalah penting dalam respon seleksi. Namun, seperti yang ditunjukkan oleh Dudley (2007), tidak Walsh atau Keightley dianggap efek epistatik respon seleksi antar-actionon. Mereka menyimpulkan bahwa epistasis mungkin menjadi faktor penting dalam menjelaskan respon jangka panjang untuk seleksi, yang telah didukung oleh hasil dari persilangan dari IHO × ILO dan IHP × ILP untuk interaksi epistatik sebagai interaksi yang lebih epistatik yang signifikan dari yang diharapkan oleh kesempatan dan jumlah penanda terkait hanya dengan efek epistatik signifikan berkisar 46,3-72,2% dari total jumlah penanda signifikan terdeteksi (Dudley, 2008). Saya lebih suka menyarankan bahwa baik besar num-bers lokus pada frekuensi gen rendah pada populasi asli dan rekombinasi mereka dan interaksi epistatik di garis seleksi jangka panjang seharusnya memberikan kontribusi terhadap respon seleksi jangka panjang.

Evaluasi marker-assisted Respon seleksi fenotipik dapat dievaluasi dan gen yang terkait dapat iden-tified menggunakan penanda molekuler. The Illinois jangka panjang Penelitian seleksi pada minyak jagung dan isi protein (Dudley dan Lambert, 1992, 2004) dan evaluasi marker-assisted (Goldman et al., 1993) memberikan contoh seperti itu. Respon jangka panjang yang berbeda seleksi dapat dikaitkan dengan aksi accumula-tive alel dengan efek yang sama yang telah tersebar di antara individuindividu dari populasi asli (Xu, 1997), sedangkan de novo mutasi mungkin penjelasan alternatif untuk perbedaan ini , seperti yang ditunjukkan

kesempatan unik untuk menyelidiki dasar genetik dari sifat kimia kernel dan telah digunakan untuk menghasilkan populasi jagung untuk memetakan QTL bertanggung jawab atas respon seleksi (Goldman et al., 1993). Dengan menggunakan 90 genomik dan cDNA klon didistribusikan ke seluruh genom jagung untuk mendeteksi RFLPs antara IHP dan ILP strain, 22 lokus didistribusikan pada sepuluh lengan kromosom secara signifikan terkait dengan protein concentration dan kelompok tiga atau lebih signifikan lokus yang terdeteksi pada kromosom lengan 3L, 5S dan 7L, menunjukkan adanya QTL dengan efek yang besar di lokasi tersebut. Model regresi linier berganda terdiri-ing dari enam lokus yang signifikan pada chro-mosomes berbeda menjelaskan lebih 64% dari total variasi (Goldman et al., 1993). asosiasi QTL sig-nifikan ini dapat digunakan untuk menjelaskan respon seleksi jangka panjang dan perbedaan kandungan protein antara strain IHP dan ILP. Hal ini dapat diharapkan bahwa semakin lama hasil seleksi, semakin besar perbedaan kandungan protein akan di strain seleksi yang dihasilkan dan dengan demikian potensi untuk mendeteksi QTL tambahan, selama populasi terus menanggapi seleksi. Harapan ini dapat diuji dengan QTL pemetaan menggunakan salib dari strain IHP dan ILP berasal dari siklus yang berbeda seleksi.

Alih-alih menggunakan perbedaan ekstrim dari orang tua untuk membuat populasi pemetaan, Wassom et al. (2008) QTL kernel diidentifikasi dalam latar belakang genetik yang lebih relevan untuk pembibitan praktis dengan menggunakan 150 BC1 diturunkan garis S1 (BC1S1s) dari IHO dan berulang orangtua B73. Minyak, protein dan pati yang diukur dalam BC1S1s dan hibrida Mo17-top-lintas. Beberapa model regresi dengan 3-9 QTL terdeteksi untuk masing-masing sifat dengan kompos-ite pemetaan selang menjelaskan 46,9, 45,2 dan 44,3% dari varians fenotipik untuk minyak, protein dan pati, masing-masing, di BC1S1s dan 17,5, 22,9 dan 40,1% untuk minyak, protein dan pati, masing-masing, di hibrida uji silang. Laurie et al. (2004) menggunakan studi asosiasi untuk menyimpulkan dasar genetik dari


antara tinggi dan rendah seleksi garis pada generasi 70 ketika konsentrasi minyak diperkirakan untuk IHO sebagai 16,7% dan untuk ILO 0,4%, diikuti oleh sepuluh generasi perkawinan acak dan derivasi dari 500 baris dengan selfing. Garis-garis ini genotyped untuk 488 penanda genetik dan minyak concen-trasi dievaluasi dalam direplikasi bidang tri-als. Sebagai acara campuran tunggal antara IHO dan ILO menciptakan linkage disequilibrium (LD) antara gen dengan frekuensi alel yang berbeda dan sepuluh generasi perkawinan acak dihilangkan dasarnya semua Associa-tion antara penanda unlinked dan kebanyakan dari mereka antara penanda longgar terkait, populasi dapat digunakan untuk pemetaan LD. Tiga metode analisis diuji dalam simulasi untuk kemampuan untuk mendeteksi QTL. Menggunakan yang paling efektif metode model selec-tion di regresi berganda, 50 QTL terdeteksi yang menyumbang 50% dari varians genetik, menunjukkan bahwa> 50 QTL yang terlibat. Perkiraan efek QTL kecil dan sebagian besar aditif. Sekitar 20% dari QTL memiliki efek negatif (yaitu tidak pra-dicted oleh perbedaan orangtua), yang konsisten dengan lalui dan ukuran populasi kecil selama seleksi. Banyaknya QTL terdeteksi account untuk respon halus dan berkelanjutan untuk seleksi sepanjang abad ke20. ~

~

Mikkilineni dan Rocheford (2004) ditandai RFLP varian frekuensi dalam dua siklus (65 dan 91) dari IHP, ILP, RHP dan RLP. Seperti diungkapkan oleh RFLPs, variasi di tingkat DNA dipertahankan dalam strain protein seleksi jangka panjang Illinois bahkan setelah 91 generasi seleksi. Hanya satu lokus yang diamati dengan varian RFLP unik terdeteksi hanya dalam satu dari empat strain. Meskipun hanya 35 lokus RFLP yang melihat, tidak muncul ada banyak variasi yang mungkin berpotensi menjadi disebabkan mutasi. Nilai-nilai perkawinan sedarah dihitung dari data RFLP dari siklus 65/69 dan 91 lebih rendah daripada yang dihitung pada strain sebelum data penanda molekuler yang tersedia. Jagung bawah berjalan penangkaran sanak depresi dan dengan demikian mungkin ada

333

ukuran populasi efektif, karena sistem yang digunakan untuk bulking serbuk sari dari beberapa tas-Sels dan menggunakan serbuk sari bulked untuk membuahi banyak telinga, mungkin lebih besar dari dihitung sebelumnya, berkontribusi terhadap perkawinan sedarah kurang dari perkiraan sebelumnya (Walsh, 2004). Tingkat yang lebih rendah dari perkawinan sedarah diamati untuk strain sebaliknya daripada maju strain sug-gest perubahan arah seleksi untuk tingkat protein mungkin telah berkontribusi terhadap pemeliharaan heterozigositas lebih generations di strain terbalik. Ada tren di frekuensi varian dalam untuk-bangsal dan reverse strain yang konsisten dengan respon seleksi. Semua lokus RFLP dipilih untuk uji pada strain berdasarkan hubungan dengan QTL untuk isi protein dalam IHP × populasi pemetaan ILP yang diturunkan menunjukkan tren frekuensi konsisten dengan respon seleksi di salah satu atau kedua strain terbalik. Hanya satu RFLP lokus yang menunjukkan tren belum diidentifikasi sebagai QTL a. Pemilihan probe berdasarkan QTL Associa-tions sebelumnya kemungkinan besar meningkatkan kemungkinan mengidentifikasi lokus dengan tren frekuensi varian. Probe ini lebih mungkin untuk mengungkapkan varian yang merespon untuk membalikkan seleksi, jika mereka tidak diperbaiki oleh siklus 48 ketika pemilihan sebaliknya dimulai. lokus ini adalah kandidat karena itu baik untuk mencari perubahan dalam frekuensi varian respon untuk membalikkan seleksi. Delapan probe (23%) menunjukkan tren terbalik untuk strain RHP. Dua belas probe (34%) menunjukkan tren untuk strain RLP. Satu penyelidikan (3%) menunjukkan kecenderungan untuk hanya strain RHP. Lima probe (14%) menunjukkan tren untuk hanya strain RLP. Tujuh probe (20%) menunjukkan tren dalam com-mon untuk kedua strain. Semua tujuh lokus yang ditampilkan tren di kedua arah dikaitkan dengan QTL di IHP × populasi pemetaan ILP (Goldman et al, 1993, 1994;. Dijkhuizen et al, 1998.).

RFLP genotipe dan varian perbedaan frequency antara siklus 90 dari strain minyak, IHO, ILO, RHO dan RLO, juga ditentukan (Sughroue

memisahkan dalam alunan minyak setelah 90 generasi

334

Bab 8

seleksi. tren RFLP varian konsisten dengan respon seleksi terarah yang terdeteksi dalam perbandingan antara strain minyak empat.

Aplikasi untuk pemuliaan tanaman

regation dari sudut anakan ditemukan pada dua populasi F2 beras, 5002 × Zhu-Fei 10 dan HA79317-7 × Zhen-Nong13. Dengan seleksi yang berbeda untuk sudut anakan di setiap F2 popula-tion, dua jenis ekstrem benar-breeding diperoleh, satu dengan sudut kemudi yang lebih besar dan yang lainnya dengan sudut kemudi yang lebih kecil. Pelanggaran anakan pemancing dikonfirmasi di dua salib ekstrim (Xu dan Shen, 1992b). Untuk lokus berkontribusi terhadap variasi dalam sudut kemudi, alel efek serupa terbukti tersebar di orang tua asli tapi terkait (pyramided) di pilihan ekstrim. Dengan menyeberangi dua strain ekstrim masing-masing berasal dari satu salib asli, pelanggaran baru ditemukan pada F2 dan kemudian dua jenis ekstrem diperoleh dengan siklus kedua seleksi yang berbeda. Dengan menyeberangi ekstrem kedua siklus satu sama lain dan pada siklus III seleksi yang berbeda untuk sudut kemudi yang lebih besar, semua alel posi-tive dari empat orang tua asli adalah pyramided. Pelanggaran di setiap lintas asli dapat dijelaskan oleh aksi com plementary dari gen, yang telah tersebar antara asli par-Ent dan saling melengkapi ketika mereka pyramided di strain ekstrim (Xu et al., 1998). Sejak pelanggaran ini diamati dalam percobaan replikasi (Xu dan Shen, 1992b, c), tidak mungkin bahwa hasilnya karena peristiwa mutasi seperti yang dilaporkan untuk percobaan pada pemilihan yang berbeda untuk nomor bulu di Drosophila (Mackay, 1995).

Total gain dari seleksi, baik dalam nilai absokecapi dan dalam jumlah aditif standar deviasi genetik, adalah jauh melampaui apa yang mungkin telah diharapkan dari distribu-tion nilai minyak dan protein dalam populasi asli. Demikian juga, mereka jauh melampaui apa yang telah dimungkinkan oleh seleksi untuk sifat agronomic seperti hasil gabah. Untuk menggambarkan kenaikan mungkin dalam hasil jagung pipilan jika seleksi untuk hasil sama efektifnya dengan minyak dan protein, perkiraan hasil gabah dansSEBUAH dari dua sintetis jagung, RSSSC (a kaku-tangkai sintetis) dan RSL (turunan Lancaster) yang diperoleh di Illinois digunakan. Sarana asli adalah 6,66 t ha-1 untuk RSL dan 9.23 t ha-1 untuk RSSSC. Asumsikan keuntungan dari 24sSEBUAH , Sekitar rata-rata apa yang diamati untuk minyak dan protein. keuntungan akan 33,28 t ha-1 untuk RSL dan 27,44 t ha-1 untuk RSSSC atau yield pada batas 39,94 t ha-1 untuk RSL dan 36,68 t ha-1 untuk RSSSC. Dengan asumsi beberapa heterosis, hasil akhir akan menjadi sekitar 43,96 t ha-1. Nilai-nilai ini tidak masuk akal ketika fakta bahwa hasil lebih dari 31,4 t ha1 dilaporkan di Iowa pada tahun 2002. Seperti yang ditunjukkan oleh Dudley dan Lambert (2004), hasil ini menunjukkan adanya variabilitas yang lebih genetik dan lebih Plas-ticity di genom jagung dari biasanya diharapkan. Mereka juga Kami harapkan fiksasi genetik dengan menyarankan bahwa batas seleksi untuk hasil program seleksi jangka panjang. Namun, belum tercapai. Untuk menandai pentingnya percobaan seleksi dibahas di atas untuk jagung jangka panjang percobaan selec-tion untuk untuk protein tinggi dan rendah atau minyak dan protein dan minyak pada jagung di University of Drosophila untuk nomor bulu (Yoo, 1980) Illinois, konferensi bertajuk 'Seleksi jangka menunjukkan tidak ada indikasi fiksasi genetik panjang: A Celebration of 100 Generasi Seleksi dari seleksi jangka panjang yang mengakibatkan Minyak dan Protein dalam Jagung' diadakan pada perubahan komentar-bisa di fenotipe. Sering tanggal 17-19 Juni 2002 di Urbana, Illinois. iden-tification besar-efek QTL, seperti diulas oleh Tanksley (1993), Kearsey dan Farquhar (1998) dan Xu, Y. (2002), membuat respon seleksi yang stabil dan berkelanjutan membingungkan: alle-les efek besar harus diperbaiki cepat, setelah itu tidak ada respon lebih lanjut akan terlihat. Barton dan Keightley 8.5.2 seleksi divergen beras


meremehkan jumlah QTL dan lebihmemperkirakan efek mereka. Kedua, mutasi menghasilkan alel efek besar, yang dapat diambil cukup cepat oleh seleksi untuk mempertahankan respon seleksi terus. Beberapa mekanisme telah dijelaskan bahwa dapat membuat de novo variasi, termasuk rekombinasi intragenik, crossing yang tidak merata lebih antara unsur-unsur diulang, aktivitas transposon, metilasi DNA dan paramuta-tion. Barton dan Keightley (2002) tercatat beberapa faktor yang membuat sulit untuk Esti-mate angka yang benar dan efek dari lokus mempengaruhi sifat kuantitatif. Hyne dan Kearsey (1995) menunjukkan bahwa dalam percobaan typ-ical (heritabilitas 40%, 300 individu F2), tidak lebih dari 12 QTL yang pernah mungkin untuk dideteksi, yang didukung oleh data empiris tentang jumlah QTL terdeteksi pada tumbuhan sebagai ditinjau oleh Tanksley (1993), Kearsey dan Farquhar (1998) dan Xu, Y. (2002). Kedua Beavis (1994) dan Utz dan Melchinger (1994) menunjukkan bahwa kecuali sampel besar (> 500, misalnya), yang ~

~

~

335

efek QTL signifikan secara statistik secara substansial berlebihan. Sebagai hasil dari evaluasi berbasis RFLP garis jagung jangka panjang yang dipilih, jumlah QTL ditemukan di berbagai eksperimen telah mulai mendekati jumlah gen yang diperlukan untuk menjelaskan respon seleksi jangka panjang. Studi jenis ini tidak akan mungkin tanpa ketersediaan strain seleksi jangka panjang. Fakta ini menunjukkan pentingnya menjaga program seleksi jangka panjang sehingga jenis-jenis saham genetik tersedia untuk berbagai jenis penelitian. Pemeliharaan bahan pemuliaan jangka panjang becom-ing lebih menantang di era sering berfokus pada jangka pendek eksperimen berbasis genom didanai oleh jangka pendek hibah com-petitive. Namun, saham genetik yang dikembangkan oleh program pemuliaan dan seleksi jangka panjang sektor publik yang sering memfasilitasi banyak dari studi ini pada tingkat molekuler.

9 Penanda-dibantu Seleksi: Praktek

Perkembangan genomik telah menyediakan alatalat baru untuk menemukan dan penandaan alel novel dan gen yang berguna untuk sifat sasaran improvisasi-ing dan untuk memanipulasi gen-gen dalam program pemuliaan melalui bantuan penanda seleksi (MAS), yaitu pemilihan sifatsifat fenotipik tidak langsung menggunakan penanda yang terkait erat dengan ciri-ciri atau dikembangkan dari urutan terkait gen-. pemuliaan tanaman akan mendapatkan keuntungan dari MAS melalui: (i) lebih efektif mengidentifikasiing, mengukur dan karakterisasi variasi genetik dari semua sumber daya yang tersedia plasma nutfah; (Tanksley et al, 1989; Tanksley dan McCouch, 1997; Gur dan Zamir, 2004.)

cesses (CFIA / NFS, 2005; Heckenberger et al, 2006;. IBRD / Bank Dunia, 2006). Jika lokus marker yang cukup dekat pada peta genetik atau fisik maka cukup kesimpulan yang baik dapat dibuat tentang haplotype cul-tivar ini. Informasi tersebut digunakan untuk membangun identitas, menyelesaikan perselisihan terkait dengan kepemilikan plasma nutfah dan acqui-sition, menegakkan hukum dimaksudkan untuk mendorong keragaman genetik hibrida dan hindari menggunakan inbrida yang mengandung transgen yang mungkin melanggar pertimbangan peraturan dan pembatasan. Ini sering aplikasi pertama dari genomik dalam program pemuliaan sektor swasta, yang dibahas dalam Bab 13.

tagging, kloning dan introgressing gen dan / atau lokus sifat kuantitatif (QTL) menggunakanful untuk meningkatkan sifat sasaran melalui transformasi genetik dan penanda molekuler teknologi (Dudley, 1993; Gibson dan Somerville, 1993; Paterson, 1998;. Peters et al, 2003; Gur dan Zamir, 2004; Peña, 2004; Holland, 2004; Salvi dan tuberosa, 2005); dan (iii) memanipulasi (differentiat-ing, memilih, pyramiding dan mengintegrasikan) variasi genetik dalam populasi pemuliaan (Stuber, 1992; Xu, 1997; Collard et al, 2005;. Francia et al, 2005;. Varshney et al, 2005b. ; Wang, J. et al, 2007).. MAS juga dapat memiliki utilitas yang signifikan dalam program pemuliaan tanaman melalui membantu PVP

Menggunakan penanda molekuler di pabrik program berkembang biak-ing telah banyak dibahas (Beckmann dan Soller, 1986a; Paterson et al, 1991;. Dudley, 1993; Stuber, 1994a; Xu dan Zhu, 1994; Lee, 1995; Rumah Sakit dan Charcosset 1997 ; Xu, Y., 2002, 2003;. Eathington et al, 2007; Bernardo, 2008; Collard dan Mackill, 2008; Xu dan Crouch, 2008;. Xu et al, 2009b, d). Menggunakan beras dan tanaman serealia lain seperti ujian-prinsip keuangan, Xu, Y. (2003) memberikan review menyelami-sive pada sistem MAS, evaluasi plasma nutfah, prediksi hibrida dan benih kontrol qual-ity. Banyak yang terjadi dalam pemuliaan jagung sejak Stuber dan Moll (1972) pertama kali

336 Xu)

© Yunbi Xu 2010. Molecular Pemuliaan Tanaman (Yunbi

Penanda-dibantu Seleksi: Praktek

genom. Dengan demikian, mereka pada dasarnya meletakkan dasar untuk MAS pada jagung. Memang, jika fenotipik seleksi (PS) bisa menghasilkan perubahan frekuensi penanda alel, lalu mengapa bisa sengaja mengubah frekuensi alel penanda pada lokus tertentu tidak menghasilkan perubahan fenotip pra-dictable untuk satu atau ciri sev-eral? Keberhasilan MAS tergantung pada lokasinya-tion penanda sehubungan dengan gen yang menarik. Tiga jenis hubungan antara penanda dan gen masing-masing dapat dibedakan. (I) penanda molekuler terletak di dalam gen antar-est, yang merupakan situasi yang paling menguntungkan bagi MAS dan dalam hal ini, bisa jadi ide-sekutu disebut sebagai seleksi gen-dibantu. Sementara hubungan semacam ini adalah yang paling disukai, juga sulit untuk menemukan jenis penanda. (Ii) marker ini dalam linkage disequilibrium (LD) dengan gen yang diinginkan seluruh populasi. LD adalah kecenderungan kombinasi tertentu alel untuk diwariskan bersama-sama. LD populasi-lebar dapat ditemukan ketika spidol dan gen yang menarik secara fisik dekat satu sama lain. Seleksi menggunakan penanda ini bisa disebut LD-MAS. (Iii) penanda adalah dalam kesetimbangan linkusia dengan gen yang diinginkan seluruh populasi, yang merupakan situasi yang paling sulit dan menantang untuk menerapkan MAS.

Efisiensi MAS tergantung pada banyak faktor yang terkait dengan bagaimana asosiasi penanda-sifat dasar (MTA) yang iden-tified, termasuk: ukuran populasi pemetaan, sifat fenotip, desain dan analisis percobaan, jumlah penanda yang digunakan, jarak antara penanda lokus, wilayah genom yang berisi QTL yang diinginkan dan propor-tion aditif varian genetik dijelaskan oleh penanda, metode seleksi dan desain eksperimental. Efisiensi MAS juga tergantung pada banyak faktor yang terkait dengan penerapannya, termasuk: tanaman dan pemuliaan sistem, proses pemuliaan molekuler dan sifat dari pipa genotip. Untuk program pemuliaan swasta, MAS telah menawarkan beberapa yang menarik fea-membangun struktur, sebagian besar yang berkaitan dengan alokasi

337

Sebagai sistem pemuliaan upaya konvensional untuk menggabungkan lebih banyak dan lebih tar-get sifat, cenderung terjadi kerugian keseluruhan keuntungan pembibitan dan peningkatan durasi siklus perkembangbiakan (waktu untuk menghasilkan produk baru). Oleh karena itu, MAS menawarkan poten-esensial untuk lebih meningkatkan keseluruhan kecepatan, pra-keputusannya dan dampak dari kemajuan pemuliaan dengan merakit sifat target geno-jenis yang sama lebih tepatnya, dengan kerugian kurang tidak disengaja dan dalam siklus seleksi lebih sedikit.

Skema seleksi untuk 9.1 Seleksi marker-assisted MAS yang paling berguna untuk sifat mana evaluasi pheno-typic mahal atau sulit, terutama untuk sifat-sifat poligenik dengan heritabilitas rendah yang sangat dipengaruhi oleh lingkungan. Hal ini juga berguna untuk memecahkan hubungan antara ciri-ciri target dan gen yang tidak diinginkan dalam apa yang disebut penanda-percepatan pembibitan silang balik. MAS juga mungkin menawarkan kesempatan untuk mengatasi tujuan tidak mungkin melalui berkembang biak-ing konvensional, seperti pyramiding berbagai sumber ketahanan terhadap penyakit yang memiliki sejenis phe-notypes. pemilihan tidak langsung berdasarkan penanda genotipe daripada fenotipe dapat digunakan untuk mempercepat kecepatan dan meningkatkan ketepatan kemajuan genetik, mengurangi jumlah generasi dan ketika diintegrasikan ke dioptimalkan pemuliaan molekuler Strate-gies, itu biaya juga dapat menurunkan seleksi. Xu, Y. (2002) membahas enam situasi yang paling cocok untuk MAS. Ini termasuk selec-tion tanpa testcrossing atau uji keturunan; seleksi mandiri dari lingkungan; seleksi tanpa kerja lapangan melelahkan atau pekerjaan laboratorium intensif; seleksi pada tahap pembibitan sebelumnya; seleksi untuk beberapa gen dan / atau beberapa ciri-ciri; dan seluruh seleksi genom.

Dalam pemuliaan tanaman, banyak sifat perlu tes-persimpangan dan tes keturunan untuk tidak ambigu

338

Bab 9

Banyak ciri-ciri penting adalah fenotip tak terlihat atau unscorable oleh visual yang observation dan harus diukur di labo- yang identifikasi. Contoh umum termasuk laki-laki kemandulan restorability, lebar compat-ibility, heterosis dan menggabungkan kemampuan. Dalam testcrossing, setiap tanaman kandidat akan menyeberang ke penguji dan kemudian genotipe akan disimpulkan dari tes keturunan di musim depan. Setiap tanaman calon harus har-vested dan dipelihara secara terpisah dan hanya tanaman dengan sifat target akan maju ke tingkat berikutnya. Testcrossing mungkin berlanjut selama beberapa generasi sampai tanaman yang dipilih mencapai tingkat tertentu homozigositas. Menggunakan MAS, testcrossing dan / atau uji keturunan dapat dihilangkan karena sifat target dapat diidentifikasi dari tanaman kandidat itu sendiri, berdasarkan genotipe penanda, menyimpan testcrossing melelahkan dan tes keturunan memakan waktu.

9.1.2 seleksi mandiri lingkungan Banyak ciri-ciri harus disaring dalam lingkungan tertentu atau dikendalikan di mana mereka dapat sepenuhnya diungkapkan. Misalnya, penyinaran atau sensitivitas temperatur hanya dapat identified dengan perbandingan fenotipe mereka dalam dua penyinaran atau kondisi suhu yang berbeda. Untuk identifikasi ketahanan terhadap penyakit serangga /, tanaman harus inocu-lated artifisial atau alami. Untuk ketahanan abiotik, seperti kekeringan, salinitas dan toleransi perendaman dan ketahanan rebah, seleksi dalam pemuliaan tradisional pro-gram hanya bisa dilakukan ketika stres tertentu hadir. Untuk mengukur tanggapan untuk bahan kimia pertanian, seperti herbisida dan pengatur pertumbuhan tanaman, bahan kimia ini harus diterapkan untuk tanaman pada tahap tepat di bawah lingkungan yang sesuai. MAS telah memungkinkan untuk melakukan seleksi langsung untuk sifat-sifat ini.

ratory menggunakan peralatan canggih atau fasilitas, atau sejumlah besar sampel yang diperlukan, yang berarti bahwa ia tidak dapat diukur sampai generasi akhir ketika jumlah yang relatif besar dari biji menjadi tersedia untuk setiap entri seleksi. Kimia dan sifat fisik biji bijian adalah ujian-prinsip keuangan yang termasuk dalam kategori ini. Ciri-ciri seperti cultivability jaringan membutuhkan pekerjaan laboratorium melelahkan untuk menguji setiap sampel. Menggunakan MAS, sepotong daun dipanen pada setiap tahap pertumbuhan tanaman atau bahkan sepotong endosperm akan cukup untuk pengukuran yang akurat dari semua ciriciri yang disebutkan di atas, spidol sekali terkait telah diidentifikasi.

9.1.4 Seleksi pada tahap pembibitan awal Ciri-ciri yang hanya diukur pada atau setelah tahap reproduksi akan baik bisa-didates untuk MAS. Misalnya, biji-bijian qual-ity hanya dapat diuji dengan menggunakan biji matang. Menghasilkan heterosis dan menghasilkan potensial harus diukur setelah panen atau / dan generasi lanjutan. Untuk pohon-pohon hutan dan buah, banyak sifat harus menunggu hingga beberapa tahun sampai tahap dewasa untuk fenotip. MAS dapat dibuat pada setiap tahap dan setiap generasi, sehingga peternak tidak perlu mempertahankan sejumlah besar tanaman calon generasi ke generasi (tahun ke tahun). Sebuah laporan Ringkasan baru pada MAS gandum (Kuchel et al., 2008) menunjukkan bahwa integrasi MAS gen target khusus, terutama pada tahap awal program pemuliaan, kemungkinan untuk mengalami peningkatan perbaikan genetik.

9.1.5

Seleksi untuk beberapa gen

dan beberapa sifat-sifat Dalam beberapa kasus, beberapa ras patogen atau biotipe serangga harus digunakan untuk mengidentifikasi tanaman untuk beberapa


339

alel QTL yang berbeda atau dengan asosiasi semua alel dari efek yang sama di seluruh genom. dari satu sama lain. MTA dapat digunakan untuk memilih beberapa resistensi secara bersamaan. Pertimbangkan pilihan untuk beberapa sifat - misalnya, suhu-sensitif genic kemandulan pria (galur), amilosa dan kompatibilitas luas dalam beras. tanaman kandidat harus diuji di bawah dua envir-onments yang berbeda di mana galur dapat diidentifikasi. Setiap tanaman harus diujisilangkan dengan penguji lebar kompatibilitas, menindaklanjuti dengan tes keturunan di musim depan. Pada saat yang sama, sejumlah besar benih harus dipanen untuk pengukuran amilosa. Jadi, dengan menggunakan metode PS, kita harus menunggu sampai sejumlah besar bibit yang tersedia dan tingkat yang wajar homozigositas tercapai.

9.1.6 seleksi seluruh genom MAS juga dapat dipraktekkan di tingkat genom secara keseluruhan. seleksi seluruh genom dapat digunakan untuk menghilangkan genom donor dalam pemuliaan silang balik atau untuk menyingkirkan drag link-usia ketika umpan silang yang luas yang terlibat. Dikombinasikan dengan MAS untuk beberapa sifat, seluruh seleksi genom memungkinkan peternak untuk mentransfer beberapa sifat melalui backmenyeberang secara bersamaan. peta molekul kepadatan tinggi dapat digunakan untuk menentukan genotipe individu di banyak, kadang-kadang ribuan lokus dan memungkinkan untuk menyimpulkan konstitusi genetik yang paling menguntungkan bagi berbagai daerah di seluruh genom dalam individu tertentu. Dengan menggambarkan data yang molecu-lar dalam bentuk grafis, seperti dibahas dalam Bab 8, genotipe grafis dapat disimpulkan untuk menunjukkan konstitusi genom dan derivasi orangtua untuk semua titik dalam genom (Young dan Tanksley, 1989a), yang membuka kemungkinan dari mudah menganalisis sifat kuantitatif dalam seleksi seluruh genom berbasis peta. Sebagai perpanjangan dari konsep ini, genotipe grafis dapat digambarkan untuk QTL dan digunakan untuk mengidentifikasi dari

pertama dari pemuliaan terbatas MAS) memiliki

9.2 Hambatan dalam Penerapan Seleksi Marker dibantu Untuk menganalisis kemacetan yang mungkin membatasi penerapan MAS dalam pemuliaan tanaman, maka perlu memiliki gambaran singkat dari status MAS. Beberapa perusahaan swasta telah secara rutin menggunakan MAS dalam program pemuliaan, manfaat dari program penelitian mereka jangka panjang dasar dan ketersediaan semua komponen MAS. Ini tentu saja merupakan investasi besar untuk berkembang biak perusahaan / instansi mulai dari awal untuk menjalankan program pemuliaan berbasis MAS efisien dan sepenuhnya operational. Berbeda dengan skema pemuliaan konvensional, metode dan desain infrastruktur yang diperlukan untuk mendukung MAS telah menjadi area perubahan terbesar. Untuk memanfaatkan MAS, perusahaan harus membuat yang signifikan berinvestasi-KASIH untuk merakit atau memodifikasi berbagai aspek infrastruktur seperti metode untuk mendeteksi polimorfisme DNA, mengelola informasi, atau menganalisis dan sampel lagu, software untuk berhubungan genotipe dengan fenotipe dan offseason atau pembibitan terus menerus (Ragot dan Lee, 2007). Komponen-komponen ini harus diintegrasikan dengan masing-masing kegiatan berkembang biak-ing lain dan dengan, yang berarti bahwa para ilmuwan perlu belajar bagaimana dan kapan MAS pro-vided keunggulan komparatif atas metode lain saat mengambil ke waktu account dan komponen biaya.

MAS telah diterapkan di sektor swasta untuk tanaman bunga komersial yang besar termasuk jagung, kedelai, kanola, bunga matahari dan sayuran. MAS pada jagung kultivar devel-ngunan bertujuan memulihkan genotipe yang ideal didefinisikan sebagai mosaik segmen kromosomal menguntungkan dari orang tua (disebut sebagai konstruksi genotipe). Lebih spesifikCally MAS pada jagung telah digunakan untuk Simul-simultan pilih untuk beberapa sifat (seleksi berdasarkan informasi penanda saja) seperti hasil, ketahanan cekaman biotik dan abiotik dan atribut kualitas (Ragot et al, 2000;. Eathington, 2005; Eathington et al., 2007), beberapa di antaranya

molekuler

(bukan

340

Bab 9

dibebaskan dari perusahaan multinasional berkembang biak-ing. Pertama pemuliaan molekuler jagung hibrida yang dikembangkan oleh Monsanto memasuki portofolio komersial AS pada musim tanam 2006 dan seperti yang diperkirakan pada tahun 2010, lebih dari 12% dari tanaman komersial di Amerika Serikat akan berasal dari pemuliaan molekuler (Fraley, 2006). MAS juga telah digunakan sampai batas tertentu di sektor publik untuk pabrik berkembang biak-ing melalui introgresi gen dan pyramiding gen, khususnya untuk ketahanan terhadap penyakit utama-gen dikontrol dan untuk tanaman kurang menarik bagi sektor swasta (untuk review, lihat Dwivedi et al., 2007). William et al. (2007b) melaporkan penggunaan MAS di Jagung dan Gandum Improvement Centre (CIMMYT) gandum berkembang biak pro-gram. program MAS besar telah dikembangkan untuk membantu peternakan gandum di Australia dengan MAS banyak digunakan untuk setidaknya 19 gen, atau daerah kromosom untuk pengembangan kultivar dalam program pemuliaan gandum Australia (Eagles et al., 2001). Selama beberapa tahun terakhir, kemajuan yang luar biasa

dalam pelaksanaan strategi MAS untuk pengembangan kultivar telah dicapai oleh Gandum Konsorsium MAS di Amerika Serikat dan 80 MAS proyek telah diselesaikan dan lebih dari 300 program silang balik tambahan mencoba untuk menggabungkan 22 penyakit dan resistensi hama yang berbeda gen dan 21 alel mendukung pembuatan roti dan kualitas pasta (Dubcovsky, 2004). Dengan semua upaya di atas dan MAS lainnya berkembang biak pro-gram di sektor publik di seluruh dunia, namun, ada sangat sedikit rilis didokumentasikan atau pendaftaran kultivar baru. Beberapa contoh yang tersedia, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 9.1, termasuk dua kultivar padi dirilis di Amerika Serikat, Cadet dan Jacinto, dengan memasak dan pengolahan ciri-ciri kualitas yang unik (http: // www.ars.usda.gov/is/AR/archive/dec00 / rice1200.pdf). Di Indonesia, dua beras culti-vars, Angke dan Conde, dirilis Memiliki-ing resistensi terhadap hawar bakteri, diproduksi yield 20% lebih besar atas IR64 (Bustamam et al., 2002). Dalam kacang umum, USPT-ANT-1 telah terdaftar sebagai pinto kacang garis plasma nutfah antraknosa tahan yang terkandung

Tabel 9.1. Contoh kultivar tanaman dirilis dikembangkan melalui seleksi marker-assisted. Tanaman

Sifat

produk peternakan

Referensi

kacang umum

resistensi terhadap antraknosa

Miklas et al. (2003)

Pearl millet

bulai

Nasi

hawar bakteri

Perlawanan yang tergabung dalam Pinto kacang kultivar, USPT-ANT-1 yang mengandung Co-42 gen yang memberikan resistensi terhadap semua dikenal ras Amerika Utara antraknosa di USA Garis orangtua dari hybrid asli (HHB 67) yang ditingkatkan untuk bulai resistensi melalui MAS dan pemuliaan silang balik konvensional, dan hybrid baru HHB 67-2 dengan peningkatan daya tahan terhadap berbulu halus jamur dirilis di India Angke dan Conde, memiliki resistensi terhadap hawar bakteri, diproduksi yield 20% lebih besar

Navarro et al. (2006)

Bustamam et al. (2002)

memasak dan pengolahan kualitas ciri-ciri dirilis di Amerika Serikat

gov / adalah / AR / arsip / dec00 / rice1200.pdf


gen Co-42 resistansi pada semua ras Amerika Utara dikenal dari antraknosa di USA (Miklas et al., 2003). Dalam mutiara mil-biarkan, garis-garis orangtua hibrida asli (HHB 67) ditingkatkan ketahanan penyakit bulai melalui MAS dan berkembang biak silang balik konvensional dan hybrid baru HHB 67-2 dengan peningkatan daya tahan terhadap penyakit bulai dirilis di India (Navarro et al., 2006). Kualitas jagung protein dari ekstra-awal tunggal hybrid lintas jagung, Vivek Jagung Hibrida-9, yang dikembangkan melalui MAS untuk gen opaque2 (Babu et al., 2005) baru-baru ini dirilis di India. Keberhasilan yang terbatas dalam pemuliaan pengiriman prod-SLT di MAS dapat lebih Illus basisnya dengan nomor publikasi yang telah dihasilkan pada QTL peta-ping dan MAS sejak penemuan generasi pertama penanda DNA (Xu dan Crouch, 2008) . Istilah 'marker-assistedseleksi' pertama kali muncul selama dua dekade yang lalu (Beckmann dan Soller, 1986b) dan pada awalnya difokuskan pada penggunaan potensial. Satu dekade kemudian, istilah masyarakat menjadi semakin tertarik pada applikation dari gen yang ditandai oleh penanda molekuler dan istilah muncul di lebih dari 100 artikel jurnal pada tahun 1995 (Gambar. 9.1). Namun, artikel nyata pertama di applica-tion dari MAS di pemuliaan tanaman menggunakan DNA

341

spidol mungkin adalah salah satu yang diterbitkan oleh Concibido et al. (1996) untuk ketahanan nematoda kista kedelai. Volume publikation pada pengembangan dan aplikasi tingkat yang lebih rendah dari spidol untuk membantuing pemuliaan tanaman telah meningkat dramatiCally selama dekade terakhir. Akibatnya, jumlah artikel yang mengandung istilah 'marker-assistedseleksi' naik ke lebih dari 1000 tahun 2003 (Gambar. 9.1). Ada dana sektor publik lim-ited ditargetkan untuk dukungan-port skala besar validasi, perbaikan dan penerapan MAS di lapangan berkembang biak-ing. Hal ini dapat dilihat dari jumlah artikel dengan istilah 'penanda-dibantu seleksi' (1390 tahun 2004) dibandingkan dengan jumlah artikel dengan istilah 'lokus sifat kuantitatif' atau 'lokus sifat kuantitatif' (1250 tahun 1998 dan 4440 pada tahun 2005, Gambar. 9.1). Sebagian besar artikel tentang hasil MAS baik dari investasi dari donor dengan mandat ilmiah atau lembaga-lembaga akademik dengan minat khusus dalam menunjukkan aplikasi menjanjikan MAS dalam pemuliaan tanaman. Untuk mengkonversi publikasi menjanjikan ke dalam aplikasi praktis dalam pemuliaan bidang memerlukan menerobos banyak kemacetan praktis, logistik dan genetik (Xu dan Crouch, 2008). Ini termasuk devel-oping sederhana, cepat dan murah protokol teknis untuk sampling, ekstraksi DNA

5000 4500 4000 QTL 3500 l 3000 e ki

tr 2500 a h

la 2000 m J

u

1500 MAS 1000 500 0 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 Tahun

342

Bab 9

dan genotip yang tetap handal dan tepat ketika secara rutin diterapkan pada tinggi-throughput. Ini juga termasuk mengembangkan-ing sampel dan data pelacakan dan manajemen sistem disesuaikan ditambah alat pendukung keputusan yang kuat untuk memastikan integrasi yang efektif dari genotip dalam program pemuliaan. Xu dan Crouch (2008) dis-mengumpat kemacetan terkait dengan terjemahan dari MAS dari publikasi untuk berlatih, khususnya dalam program pemuliaan sec-tor publik. William et al. (2007a) yang disediakan teknis, pertimbangan ekonomi dan kebijakan MAS di tanaman berdasarkan pelajaran dari pengalaman di pusat penelitian pertanian internasional. Pada prinsipnya, sistem MAS efektif adalah hasil dari kegiatan berikut:

Mengembangkan ekstraksi DNA dan pengambilan sampel jaringan dan sistem pelacakan appro-priate untuk uji coba lapangan skala besar. Membangun platform untuk pembuatan data molecu-lar, manajemen dan analisis yang memenuhi kebutuhan pemuliaan tanaman. Mengembangkan metode analisis untuk pengembangan sintetis kultivar, konstruksi kelompok het-erotis dan prediksi hibrida menggunakan informasi penanda molekuler. Pemanfaatan genetik dan pemuliaan materials termasuk populasi, hibrida, populasi terbuka diserbuki, landraces bawah seleksi dan kultivar sintetis dari program pemuliaan yang sedang berlangsung. Memvalidasi MTA menggunakan population yang genotipe genome-wide untuk penanda yang dibantu silang balik (MABC) dan phenotyped untuk sifat sasaran, menyebabkan-ing untuk update dan penyempurnaan dari penanda set. Mengoptimalkan sistem MAS dan pemurnian program pemuliaan MAS oleh improvisasi-ing prosedur berikut: tinggithroughput sampling, ekstraksi DNA dan genotip, kontrol lingkungan dan

9.2.1 Asosiasi penanda-sifat efektif publikasi QTL telah meningkat pesat dalam dua dekade terakhir seperti ditunjukkan pada Gambar. 9.1 dan melibatkan hampir semua tanaman tanaman dan semua jenis sifat agronomi (sebagai ditinjau oleh Dwivedi et al., 2007). Namun, laporan pemetaan QTL sampai saat ini cenderung didasarkan pada kecil untuk ukuran sedang populasi pemetaan individu disaring dengan jumlah yang relatif kecil dari spidol, menyediakan relatif rendah reso-lution dari MTA (Xu, Y., 2002, 2003; Salvi dan tuberosa, 2005). Sangat sedikit dari QTL dilaporkan telah digunakan di pabrik berkembang biak-ing melalui MAS. Dengan demikian masyarakat adalah investasi sejumlah besar uang dan tenaga kerja dalam menghasilkan banyak publikasi dengan dampak yang sedikit pada diterapkan tanaman berkembang biak-ing. Salah satu pendekatan untuk efektif MTA adalah genotip selektif dan analisis DNA dikumpulkan dibahas dalam Bagian 7.7.

Beberapa keterbatasan untuk MAS yang terkait dengan perkiraan posisi QTL dan efek genetik dan tingkat palsu posi-tives dan negatif. interval kepercayaan untuk QTL biasanya 10-15 cM; wilayah genetik yang seharusnya tidak menjadi penghalang utama untuk menerapkan MAS meskipun bisa menjadi batasan untuk mencapai keuntungan genetik dengan mencegah pemilihan peristiwa rekombinasi yang diinginkan. Munculnya pemetaan asso-ciation dan kolam tumbuh gen kaleng-didate harus menyediakan beberapa sumber daya yang dibutuhkan untuk meminimalkan masalah yang berkaitan dengan estimasi posisi QTL. Efek genetik QTL yang berlebihan karena berbagai alasan, beberapa di antaranya terkait dengan experi-jiwa desain untuk fenotip atau popula-tion pengembangan sementara yang lain melekat pada proses deteksi QTL (Lee, 1995; Beavis, 1998; Melchinger et al ., 1998; Holland, 2004).

perusahaan swasta telah mendirikan atau mengembangkan kapasitas untuk memproduksi hun-dreds dari jutaan titik data per tahun di


343

tinggi melalui-put yang bekerja dengan sejumlah besar penanda. Secara umum, pengembangan laboratorium layanan, berbeda dari unit penelitian. Selain itu, lebih kecil 'biotek' companies sedang mengembangkan teknologi yang bisa mengurangi biaya setiap titik penanda data ke hanya beberapa sen AS (Ragot dan Lee, 2007). Tanpa mempertimbangkan biaya lain di MAS, namun, biaya saat berhubungan dengan ekstraksi DNA saja sudah besar bur-den untuk banyak program pemuliaan tanaman dalam hal biaya berbasis sampel, terutama pada tahap awal ketika beberapa tes yang diperlukan pada setiap mencicipi. Jadi upaya besar akan dibutuhkan pertama yang meminimalkan biaya yang terkait dengan setiap langkah dari ekstraksi DNA termasuk sampling, pelabelan, reagen dan bahan habis pakai plastik.

PCR amplifikasi merupakan langkah yang diperlukan dan juga mahal untuk semua berbasis PCR mark-ers. primer Multiplexing PCR telah pendekatan untuk secara signifikan mengurangi biaya PCR terkait namun butuh banyak usaha untuk mengoptimalkan protokol untuk cocok penanda set multi-plex. primer multiplexing PCR bekerja dengan baik untuk analisis keragaman genetik. Ketika mereka digunakan untuk pemetaan genetik dan MAS, namun, mereka harus Opti-kap pola dan bahkan didesain ulang untuk setiap spe-cific lintas atau penduduk karena tidak ada set penanda universal yang mengandung penanda yang polimorfik di semua salib atau populasi.

biaya yang signifikan lain terkait dengan MAS adalah langkah deteksi marker setelah PCR amplifikasi, yang dapat berbeda secara signifikan dari satu jenis uji yang lain. Ketika skrining PCR berbasis penanda oleh agar-ose elektroforesis gel, yang dianggap lebih cocok untuk MAS sifat tunggal, persiapan gel dan elektroforesis dan waktu scor-ing untuk 50-200-sampel-gel dapat memakan waktu selama 3-4 h. Menggunakan piring microtitre atau deteksi blot dot penanda berdasarkan gen-spesifik alel menawarkan jauh lebih tinggi melalui-put dan biaya rendah dari tes berbasis gel. Namun, sistem-sistem tidak cocok untuk skala besar MAS menggunakan sejumlah besar penanda untuk kedua latar belakang genetik

dan mengoptimalkan seperti sistem deteksi adalah memakan waktu dan juga mahal. perbaikan terus-menerus di tutupkemampuan laboratorium untuk menghasilkan data molecu-lar telah datang melalui pengembangan jenis baru penanda memungkinkan semakin meningkat-ing otomatisasi. Namun, hal ini cenderung untuk datang dengan konsekuensi negatif dari peningkatan biaya peralatan yang dibutuhkan untuk mencapai tinggi-throughput genotip murah dan pada gilirannya, kapasitas untuk melihat genotipe molekul mencapai dampak pada skala yang modern pro pemuliaan tanaman gram. Karena biaya di muka besar perakitan infrastruktur dan personil untuk genotip, tidak mungkin bahwa individ-ual penanda nasional laboratorium bisa pro-Duce titik data dengan cara yang hemat biaya. Di laboratorium canggih dan pada hewan dan penelitian manusia, ini telah menyebabkan kecenderungan meningkat ke arah sentralisasi dan khususnya, pergeseran ke mode out-sourcing operasi. Oleh karena itu, genotipe yang sebenarnya mungkin yang paling efisien dan efektif dilakukan melalui hub daerah layanan dan / atau out-sourcing. Collard et al. (2008) membahas sistem genotip yang mungkin cocok untuk berbagai situa-tions dan program pemuliaan termasuk gel- dan non-gel berbasis sistem genotip untuk remote laboratorium stasiun pembibitan dan capillary- dan sistem genotip berbasis array untuk laboratorium hub regional.

9.2.3 Fenotip dan sampel pelacakan Setelah sistem high-throughput telah ditetapkan untuk ekstraksi DNA, PCR ampli-fikasi dan penanda deteksi, kemacetan akan menjadi fenotip yang diperlukan untuk MTA sebelum MAS dan pelacakan sampel yang diperlukan untuk sejumlah besar tanaman dan keluarga selama MAS . Fenotip telah dianggap sebagai penting dalam era pasca-genomik dan sekarang menerima perhatian yang lebih besar dari sebelumnya. Presisi dan fenotip global sejumlah besar tanaman sam-prinsip keuangan sangat mahal dan memakan waktu dan merupakan faktor pembatas

344

Bab 9

MAS. perusahaan swasta telah menyadari keseluruhan untuk MAS. Sebagai pemulia kebutuhan untuk seperti fenotip presisi tinggi tanaman selalu bekerja dengan sejumlah besar seperti dapat dilihat dari aktif merekrut-ing tanaman dan populasi dan beberapa spesies mereka dari sifat-spesifik ilmuwan fenotip sering tanaman tidak dapat dengan mudah diatur di berada di daerah target di mana sifat bunga bisa lapangan yang lain, untuk memfasilitasi sampel dan pelacakan, pelacakan lebih mudah meas-ured (misalnya posisi pengumpulan didedikasikan toleransi kekeringan dan terletak di pengambilan sampel akhirnya akan menghalangidaerah kering di dunia) (Ragot dan Lee, 2007). tambang apakah MAS dapat diproses dengan cara Di luar laboratorium, penanganan tanaman tinggi-throughput dan dengan demikian apakah menjadi hambatan untuk protokol high- MAS dipraktekkan dalam skala besar. throughput. Fasilitas-throughput yang tinggi harus pem-likasikan dan dilengkapi di situs pembibitan terus menerus berpotensi untuk 9.2.4 Epistasis dan genotipe-by-lingkungan menangani jutaan tanaman per tahun. interaksi

Tingkat heritabilitas sifat diukur tergantung pada apakah fenotip dapat diulang di musim yang berbeda, lokasi dan lingkungan. lokasi sasaran Clustering menjadi mega-lingkungan dan membandingkan ini dengan seleksi di berbedaent lokasi telah digunakan untuk memahami bagaimana lingkungan target untuk program berkembang biak-ing membedakan plasma nutfah sehubungan dengan menghasilkan dan sifat-sifat agronomi lainnya (misalnya Rajaram et al ., 1994; Lillemo et al, 2004;. Bab 10). Cross populasi dan perbandingan lingkungan phenotyping akan menentukan bagaimana MTA identified bawah satu lingkungan dapat digunakan untuk seleksi di bawah yang lain. Dalam hal ini, lingkungan baik ditandai dan kriteria seleksi baik pem-likasikan sangat penting pra-syarat untuk pengembangan sistem presisi fenotip handal. Presisi dan tinggi-throughput multi-locational phe-notyping, bersama-sama dengan efektif sampling dan akuisisi data sistem menjadi developed untuk banyak sifat, memberikan potensi untuk mengembangkan protokol phenomics berbasis untuk program pemuliaan sifat khusus. Hal ini tidak hanya akan membantu memahami profil phe-notypic tanaman memiliki tetapi juga meningkatkan ketepatan pemetaan genetik dan dengan demikian MAS untuk fenotipe sasaran.

efek genetik yang terkait dengan epistasis yang baik buruk diperkirakan atau diabaikan oleh program pemuliaan (Holland, 2001; Crosbie et al, 2006.). Penilaian seperti efek genetik akan mengembang prediksi keuntungan genetik. Kelebihan relatif MAS akan tergantung pada sifat dari prediksi, hasil aktual dan biaya metode alternatif. Pentingnya interaksi genotipe-bylingkungan (GEI; dibahas secara rinci dalam Bab 10), sebagai hambatan dalam pemuliaan dengan bantuan penanda (MAB), telah diakui karena mempengaruhi kedua kekuatan deteksi QTL dan respon terhadap MAS. Untuk mengevaluasi QTL oleh interaksi lingkungan, presisi fenotip pada multi-ple percobaan lokasi / lingkungan diperlukan. Pemilihan lokasi yang cocok untuk pheno-mengetik dan estimasi akurat dari efek QTL di lingkungan dua faktor yang menentukan apakah QTL identi-fied dapat digunakan untuk efektif MAS. Juga di MTA, baik melalui linkage pemetaan atau pemetaan LD, QTL-bylingkungan efek interaksi juga harus dimasukkan ke dalam model statistik untuk MTA.

9.3 Mengurangi Biaya dan Peningkatan Skala dan Efisiensi

Pelacakan sampel dari lapangan ke tas panen untuk piring DNA untuk DNA ekstrak-tions, PCR amplifikasi dan penanda detec-tion dan kemudian menelusuri kembali ke tanaman

Sangat berlimpah single nucleotide polimorphism (SNP) berbasis spidol genic pro-vide potensi besar untuk meningkatkan skala dan


daripada di menggunakan platform genotip yang sebagian besar didorong oleh penelitian dan aplikasi manusia dan hewan. Namun, ada banyak kesamaan antara MAB ternak dan kesehatan manusia diagnostik, yang akan memberikan banyak manfaat tidak langsung impor-tant untuk pemulia tanaman molekul. Kelayakan pendekatan penanda yang dibantu untuk pemuliaan tanaman sangat dipengaruhi oleh biaya relatif (dalam waktu dan uang) dibandingkan dengan pemuliaan konvensional. Ada beberapa cara untuk mengurangi biaya MAS. Pertama, analisis tinggi-throughput menggunakan genotip dan data sistem scor-ing otomatis akan membantu meningkatkan output data harian. Kedua, menggunakan sampel yang sama untuk pemilihan beberapa ciri-ciri akan mengurangi biaya berbasis sifat. Ketiga, seleksi pada tahap awal pengembangan tanaman atau sebelum tanaman-ing dan tahap awal dari proses pembibitan akan meminimalkan jumlah tanaman yang perlu dipertahankan sehingga biaya pembibitan keseluruhan akan turun. Keempat, optimasi sistem MAS, termasuk fasilitas dan pertaris, akan menghasilkan biaya kurang per titik data. Meskipun tidak benar-benar sebuah batasan yang melekat metode yang terlibat, salah satu keterbatasan tidak dapat dihindari dari MAS adalah biaya perakitan dan mengintegrasikan infrastruktur yang diperlukan dan personil. Ini dapat menjadi substansial dan di luar sarana banyak program. Untuk program tersebut, pelaksanaan MAS dapat menyebabkan realokasi delusi atau unbal-anced sumber daya dari kegiatan penting seperti evaluasi fenotipik berkualitas tinggi dan seleksi di target environment (Ragot dan Lee, 2007). Saat ini, hanya program pemuliaan jagung terbesar di pasar atau wilayah tertentu memiliki skala penjualan dan keragaman produk yang dapat cuma-tifikasi dan mendukung MAS dan menahan beberapa beban keuangan mendirikan dan mengganti komponen dari sistem (misalnya perubahan metode dan platform untuk mendeteksi polimorfisme DNA). Cerita ekonomi dari DNA sequen-cing mungkin memberitahu kita apa yang bisa kita harapkan dalam hal pengurangan biaya dalam penanda genotyp-ing. biaya sekuensing per dasar selesai adalah US $ 10 pada tahun 1990, tetapi

345

tahun

1990.

Biaya

genotip

penanda molekuler tergantung pada jenis penanda dan kapasitasnya dalam high-throughput Analy-sis. Dengan sistem mapan penanda dan fasilitas sequencing, genotip dengan urutan berulang sederhana (SSR) spidol biaya sekitar US $ 0,30-0,80 per titik data, tergantung-ing penanda multiplexing dan jumlah penanda genotipe untuk setiap sampel (Xu et al., 2002). Sebagai contoh, biaya terendah dari analisis SNP pada jagung sekarang sekitar US $ 90 untuk 1536 sampel.

9.3.1 analisis biaya-manfaat analisis biaya-manfaat akan membantu kita di bawah-berdiri yang komponen dalam sistem perlu ditingkatkan dan di mana kemacetan untuk aplikasi skala besar MAS yang, sebagai output awal di daerah ini telah dicapai pada jagung (Dreher et al., 2003 ;. Morris et al, 2003) dan gandum (Kuchel et al, 2005).. Analisis ini perlu terus diperbarui sebagai sistem genotip baru menjadi tersedia dan optimasi baru dilaksanakan di laboratorium genotipe masing-masing. Karena banyak faktor yang dapat mengurangi biaya dapat mempengaruhi keuntungan genetik, adalah penting bahwa modul analisis biaya-manfaat diintegrasikan ke mereka memfasilitasi pemodelan genetik dan simu-lation sistem peternakan yang berbeda (Wang et al, 2003, 2004;. Wang, J . et al., 2007). Kelebihan ekonomi MAS dapat mencakup situasi di mana biaya molekul lebih dari diimbangi oleh tabungan dalam evaluasi phenotypic. Jika biaya molekuler di samping, bukan di tempat, biaya fenotipik, kebaikan ekonomi MAS akan menjadi dipertanyakan dan lebih sulit untuk mengevaluasi. Dalam kasus lain, kemampuan untuk memilih awal mengimbangi biaya tambahan yang terkait dengan MAS. analisis biaya-manfaat rinci dari berbagai unsur pembangunan penanda DNA dan aplikasi, termasuk biaya platform genotip yang dibutuhkan dan keahlian profesional, perlu dinilai pada tahap awal mungkin. Hal ini sangat penting pada saat ini ketika sebagian besar program pemuliaan tanaman publik tidak memadai didanai atau buruk dilengkapi untuk mencapai ambang kritis penanda assay throughput yang.

346

Bab 9

menggunakan metode skrining konvensional dan MAS untuk mencapai studi banding ada tentang manfaat dari MAS vs PS (van Berloo dan Stam, 1999; Yousef dan Juvik, 2001a). Manfaat tergantung pada heritabilitas sifat dan ukuran populasi. Ketika dia-itability tinggi, biaya yang terlibat dalam geno-mengetik banyak tanaman mungkin tidak lebih besar daripada manfaat yang diharapkan dari PS. Seperti dihitung untuk galur inbrida rekombinan (RILs), manfaat dapat diharapkan dengan berbagai heritabilitas 0,1-0,3 (van Berloo dan Stam, 1998). Jika nilai kurang dari 0,1, maka tidak mungkin untuk mendeteksi QTL dengan akurasi yang diperlukan untuk mengandalkan mengapit spidol untuk seleksi. Dalam mempertimbangkan penggunaan penanda molecu-lar untuk meningkatkan nilai rata-rata dari sifat generik dalam suatu populasi yang dibentuk oleh persimpangan dua jalur anakan, Moreau et al. (2000) menunjukkan bahwa MAS akan lebih hemat biaya daripada PS ketika rasio pheno-typic untuk biaya evaluasi genotipe melebihi tingkat kritis. Perbandingan antara MAS dan skrining rumah kaca konvensional kacang umum untuk ketahanan terhadap hawar bakteri umum menunjukkan bahwa biaya MAS adalah sekitar sepertiga kurang dari tes rumah kaca (Yu et al., 2000). Sebuah studi yang dirancang untuk membandingkan efektivitas biaya dari jenis-ing konvensional dan MAB pada jagung dilakukan di Meksiko pada CIMMYT (Dreher et al, 2003;. Morris et al, 2003.). Penelitian ini berlangsung dalam dua tahap. Pada tahap pertama, biaya assodiasosiasikan dengan penggunaan metode konvensional dan MAS untuk pembibitan jagung yang esti-dikawinkan dengan menggunakan pendekatan penganggaran berbasis spreadsheet(Dreher et al., 2003). Biaya penanda molekuler awalnya berkembang terkait dengan sifat yang menarik tidak con-sidered; analisis diasumsikan bahwa penanda molekuler cocok sudah tersedia. operasi lapangan dan prosedur laboratorium yang diperlukan untuk proyek-proyek berkembang biak-ing konvensional dan MAS diidentifikasi dan dihitung biayanya keluar. Analisis sensitivitas kemudian dilakukan untuk menentukan bagaimana biaya bidang opera-tions dan prosedur laboratorium cenderung berubah

MAS dapat diselesaikan dalam waktu kurang. Untuk aplikasi yang melibatkan perdagangan pemuliaan tujuan didefinisikan dengan baik identi-fikasi tanaman membawa bentuk Recessive mutan gen opaque2 pada jagung yang berhubungan dengan Kualitas Protein Maize (QPM). Selain menghasilkan informasi biaya empiri-cal yang akan berguna bagi manajer penelitian CIMMYT, tahap pertama penelitian menghasilkan empat wawasan penting, yang dapat diterapkan secara umum untuk kasus lain dari MAS. Pertama, untuk setiap proyek berkembang biak-ing bia k-ing diberikan, diberikan , analisis anggaran an ggaran rinci akan diperlukan untuk menentukan efektivitas biaya MAS relatif terhadap metode PS. Kedua, perbandingan langsung dari unit biaya untuk pheno-typic dan analisis genotipe memberikan informasi penggunaan-ful untuk manajer penelitian, tetapi dalam banyak kasus, keputusan teknologi pilihan tidak dibuat sematamata atas dasar biaya. Misalnya, pertimbangan waktu sering akan menjadi penting, karena genotip dan fenotip metode skrining mungkin berbeda dalam persyaratan waktu mereka. Bahkan ketika 'real time' membutuhkan-KASIH sama, untuk aplikasi di mana screening fenotip membutuhkan sampel biji-bijian yang matang, skrining genotip sering dapat diselesaikan lebih awal dalam siklus pertumbuhan tanaman. Ketiga, pilihan antara metode konvensional dan MAS mungkin rumit lebih jauh karena keduanya tidak selalu pengganti langsung. Menggunakan penanda molekuler, peternak mungkin dapat memperoleh informasi lebih lanjut tentang apa yang terjadi di tingkat genotipik seperti latar belakang genetik dari yang mereka dapat memperoleh menggunakan metode skrining phenotypic. Keempat, bila digunakan dengan data empiris dari program jenis-ing sebenarnya, alat penganggaran diperlukan untuk meningkatkan efisiensi proto-cols yang ada dan untuk menginformasikan keputusan tentang pilihan teknologi masa depan.

Pada tahap kedua penelitian (. Morris et al, 2003), biaya yang berkaitan dengan penggunaan metode konvensional dan MAS di CIMMYT dibandingkan untuk aplikasi pembibitan tertentu: introgressing sebuah alel elit di gen dominan tunggal menjadi jagung elit baris (konversi baris).


off antara waktu dan uang, relatif profit kemampuan dapat dievaluasi dengan menggunakan teori investasi konvensional. perusahaan swasta, yang dapat meningkatkan modal operasi dengan menggambar pada cadangan kas corpo-rate, mengambang saham di pasar saham, atau pinjaman di pasar kredit komersial, telah aktif melaksanakan MAS untuk memaksimalkan keuntungan bersih yang dihasilkan oleh program pemuliaan mereka (juga keuntungan) dengan memilih teknologi yang memungkinkan mereka untuk membawa produk baru ke pasar lebih cepat, bahkan jika teknologi ini lebih mahal untuk melaksanakan. Sebaliknya, tanaman publik program berkembang biak-ing, yang lebih mungkin untuk menghadapi kendala modal dalam arti bahwa mereka biasanya diperlukan untuk beroperasi dalam alokasi anggaran mereka, telah jauh lebih lambat untuk melaksanakan MAS. pembibitan masyarakat program dapat memaksimalkan kembali ke sumber daya mereka terbatas dengan tetap berpegang metode PS biaya lebih rendah, meskipun ini berarti bahwa proyek-proyek proyek-pro yek peternakan akan memakan waktu lebih lama untuk menyelesaikan. Bagi banyak proyek pemuliaan tanaman, daya tarik relatif dari PS vs MAS tidak akan ragu-ragu. Ketika beralih antara PS dan MAS menyiratkan trade-off antara waktu dan uang, biaya-efektivitas penanda DNA sangat bergantung pada empat param-eters: (i) biaya relatif fenotipik dibandingkan skrining genotip; (Ii) waktu sav-ings dicapai dengan menggunakan MAS; (Iii) ukuran dan distribusi temporal manfaat yang terkait dengan rilis dipercepat ditingkatkan kuman-plasma; dan (iv) ketersediaan untuk program berkembang biak-ing modal operasi. Keempat parameter tersebut dapat bervariasi secara signifikan antara proyek peternakan, menunjukkan bahwa analisis ekonomi rinci mungkin diperlukan untuk memprediksi di muka yang seleksi tech-nology akan optimal untuk proyek pembibitan yang diberikan (Morris et al., 2003).

9.3.2

genotip berbasis DNA benih

347

tingkat membatasi langkah untuk skala-up dari seluruh proses. Mengembangkan-ment dan optimalisasi non-destruktif

sistem ekstraksi DNA berbasis single-benih akan memainkan peran penting dalam meningkatkan efisiensi MAS, terutama untuk sifat-sifat diungkapkan di akhir musim tanam. Dibandingkan dengan MAS menggunakan DNA yang diekstrak dari daun dan jaringan lainnya, berdasarkan benih-DNA genotip memiliki banyak keuntungan, termasuk: (i) mengidentifikasi-fikasi genotipe yang diinginkan dan membuang dari genotipe yang tidak diinginkan sebelum tanam; meningkatkan kecepatan siklus perkembangbiakan dengan memilih genotipe selama musim off; mengurangi memakan waktu dan sampel rawan kesalahan mengumpulkan langkah yang saat ini melibatkan panen jaringan daun dari tanaman di lapangan atau rumah kaca yang kemudian perlu menelusuri kembali ketika data genotipe dilepaskan; dan (iv) menghemat lahan karena genotipe yang dipilih (bibit) ditanam. Meskipun ekstraksi DNA dari biji kering tunggal telah dipelajari dalam banyak jenis tanaman, sebagian besar laporan fokus pada protokol destruktif. Untuk mengembangkan sistem yang komprehensif dan operasional untuk MAS menggunakan single-benih berbasis dan ekstraksi DNA non-destruktif, DNA diekstraksi harus memiliki kualitas tinggi dibandingkan dengan DNA daun-jaringan agar tidak mengacaukan amplifikasi dan detec-tion proses PCR. Demikian pula, kuantitas DNA harus cukup besar untuk seluruh genotip genom dan ekstraksi DNA harus tinggi-throughput, sementara biji sampel harus menjaga tingkat tinggi perkecambahan. Sebuah berbasis DNA benih genotipe system yang layak untuk spesies tanaman dengan biji yang relatif besar telah dikembangkan di CIMMYT untuk pemuliaan molekuler pada jagung (Gao et al., 2008). Dioptimalkan metode genotip menggunakan endosperm DNA sampel dari biji jagung tunggal dikembangkan (Gambar. 9.2), yang bisa tinggi-throughput dan umumnya berlaku untuk berbagai jenis kernel. Metode genotip berbasis DNA benih yang terlibat excising potongan endosperm dari biji jagung menyerap, maka grinding potongan menjadi bubuk di piring 96-tabung menggunakan shaker jaringan untuk meningkatkan efisiensi. benih sampel disimpan dalam dua piring 48-baik sebagai unit untuk memfasilitasi jejak data dari

348

Bab 9

1 Perendaman

6 Pelacakan kembali dan penanaman

2 Sampling

3 Penggilingan

5 PCR dan genotip

4 ekstraksi DNA

Gambar. 9.2. Flowchart skala besar sistem genotip berbasis DNA benih. Dari Gao et al. (2008) dengan izin jenis Springer Sains dan Media Bisnis.

dilakukan dalam piring 96-baik menggunakan buffer ekstrak-tion biasa, kualitas DNA adalah fungsi-sekutu sebanding dengan DNA daun dan jumlah DNA yang diekstraksi dari 30 mg endosperm cukup sampai 200-400 spidol berbasis gel agarosa dan beberapa mil-singa berbasis chip penanda SNP. Dengan DNA daun compar-ing endosperm dan sesuai dari populasi F2, kesalahan genotip yang disebabkan oleh kontaminasi pericarp dan het-ero-fertilisasi rata-rata 3,8% dan 0,6%, masing-masing, tergantung pada penanda SSR digunakan. Endosperm pengambilan sampel tidak mempengaruhi tingkat perkecambahan dalam kondisi yang terkendali, sementara di bawah kondisi lapangan tingkat perkecambahan, pembentukan bibit dan normalisasi yang berbeda indeks vegetatif (NDVI) secara signifikan lebih rendah dari kontrol untuk beberapa genotipe. manajemen bidang-hati bisa mengimbangi efek sedikit pada perkecambahan dan pembentukan bibit. genotip berbasis DNA benih menurunkan biaya sebesar 24,6% dibandingkan dengan daun genotip berbasis DNA karena berkurangnya penanaman lapangan dan biaya tenaga kerja.

Seperti benih genotipe berbasis DNA dapat diproses sebelum tanam, misalnya memilih pada bibit F2 dipanen dari tanaman F1, adalah

mengubah ukuran populasi dan seleksi preslangkah-perbedaan desain lapangan dan stratstrategi-dalam MAS. Selama beberapa siklus perkembangbiakan, ini mungkin mengakibatkan keuntungan dipercepat dan peningkatan efisiensi. Keuntungan lain dari benih genotip berbasis DNA adalah bahwa genotip dapat terus sampai setidaknya jumlah minimum genotipe yang diinginkan diidentifikasi. Ini berarti bahwa genotipe target dapat iden-tified oleh genotip populasi sekecil mungkin, menghemat biaya sampling semua tanaman yang tersedia di lapangan sambil menghindari risiko yang tidak diinginkan genotipe dapat ditemukan dengan tanaman yang tersedia di lapangan (sebagai tidak ada cara untuk melampaui tanaman yang telah ditanam), dibandingkan dengan daun berbasis DNA geno-mengetik. Sebagai contoh, proporsi teoritis homozigot pada n sasaran lokus pada populasi F2 adalah (1/4) n dan dengan demikian selama tiga lokus, 1/64 tanaman dalam populasi akan memiliki genotipe desir-mampu. Sebagai unggulan berbasis DNA genotyp-ing bisa berhenti di setiap tahap setelah jumlah yang sesuai benih sasaran yang membawa genotipe yang diinginkan telah diidentifikasi, jumlah bibit yang harus genotipe bisa jauh kurang dari, atau dalam kasus terburuk sama dengan , jumlah tanaman yang harus ditanam di lapangan. Untuk


log (1 - 0.99) / log (1 - 1/64) = 292. Karena jumlah target lokus meningkat, jumlah mini-ibu dari tanaman yang harus ditanam di lapangan akan melampaui capa-kota yang paling program pemuliaan saat ini. Semua faktor ini memiliki dampak signifikan pada prosedur, metode dan strategi untuk MAS yang telah mapan untuk genotip berbasis DNA daun, menyederhanakan proses dan meningkatkan efisiensi peternakan. Langkah berikutnya yang penting adalah pemodelan komprehensif dan analisis dari semua aspek metode genotip ini, seperti yang telah dilakukan untuk MAS berbasis DNA daun di bawah asumsi bahwa seleksi dilakukan setelah penanaman sejak studi perintis oleh Lande dan Thompson (1990). Ini juga perlu untuk menggabungkan kedua faktor negatif seperti hetero-fertilisasi, endosperm triploidi dan kontaminasi pericarp potensial dan faktor positif seperti waktu kerja berkurang dan seleksi genotipe desir-bisa sebelum tanam.

9.3.3

349

analisis keragaman terintegrasi,

pemetaan genetik dan MAS

pemetaan genetik dan MAS biasanya melibatkan beberapa langkah berturut-turut dari mengembangkan-ment dari populasi pemetaan, pemetaan genetik dan penanda validasi untuk MAS. metodologi serbaguna baru yang muncul yang memfasilitasi integrasi analisis genetik penyelam-sity, analisis MTA, MAS validasi dan aplikasi dalam satu peternakan konteks pro-gram. metodologi ini bergantung pada penggunaan beberapa pendekatan seperti analisis LD menggunakan satu set beragam genotipe, maju silang balik QTL (AB-QTL) pemetaan (Tanksley dan Nelson, 1996) dan 'pemetaan-as-you-go' (MAYG) (Podlich et al., 2004), sehingga berbagai langkah dalam proses dapat inte-parut. Dalam pendekatan MAYG, perkiraan efek alel QTL terus direvisi oleh remapping siklus Wegener-diciptakan lebih plasma nutfah elit baru seleksi, sehingga memastikan bahwa perkiraan QTL tetap relevan untuk set saat plasma nutfah Ada beberapa masalah yang akan consid- dalam program pemuliaan. Integrasi genetik petaered sebelum genotipe berbasis DNA unggulan ping dan MAS menawarkan dua keunggulan yang dikembangkan pada jagung dapat utama: diperpanjang untuk tanaman lain (Gao et al., 2008). Pertama, tanaman harus memiliki biji yang kemampuan untuk melakukan analisis MTA relatif besar dengan setidaknya 8-10 mg jaringan menggunakan populasi perkembangbiakan secara yang dapat sampel untuk ekstraksi DNA dalam langsung daripada harus mengikuti memakan rangka memenuhi kebutuhan genotip berbasis waktu mengembangkan-ment dari populasi single-benih, khususnya untuk agarosa genotip genetik; dan (ii) com-Bining MTA dan validasi. berbasis gel. Kedua, tekstur biji dan jaringan Hal ini menghemat waktu, baik dalam proses itu (endosperm dari monokotil dan kotiledon dari sendiri tetapi juga dalam generasi yang dikotil) harus sesuai untuk pengambilan sampel, diperlukan genetik materi-als. Namun, mungkin atau benih dapat direndam tanpa secara signifikan yang paling penting, penggunaan umum dari mempengaruhi-ing tingkat perkecambahan ketika bahan genetik end-user yang relevan di seluruh biji kering terlalu sulit bagi excising. Ketiga, proses kemungkinan untuk secara dramatis kontaminasi pericarp dapat diabaikan karena pada mengurangi tingkat redundansi yang biasa tingkat yang relatif rendah atau pericarp dapat dialami saat output trans-Ferring dari studi dihapus dengan mudah selama sampling. genetik dan val-idating mereka dalam populasi Akhirnya, sebuah protokol ekstraksi DNA cocok peternakan. mungkin perlu dikembangkan untuk setiap tanaman tertentu dan dapat digunakan untuk bibit tanaman dengan persentase yang tinggi dari bahan kimia compo-sitions tertentu seperti lemak, 9.3.4 strategi breeding Mengembangkan protein dan pati. Hal ini dapat diharapkan bahwa untuk perbaikan simultan dari beberapa pendekatan ini akan, untuk sebagian besar, sifat menggantikan berbasis DNA daun geno-mengetik yang telah digunakan di banyak tanaman untuk

antara sifat-sifat komponen suatu sifat yang sangat kompleks seperti kekeringan

350

Bab 9

dievaluasi berbagai sifat dan terdaftar mereka yang paling cocok untuk MAS, yang meliputi toleransi); diseksi genetik korelasi mengembangkan-mental antara beberapa sifat; pemahaman jaringan genetik untuk sifat terkait cor; dan konstruksi seleksi indeks dengan beberapa sifat. Banyak kemajuan telah dibuat di daerah ini yang relevan dengan tanaman toleran kekeringan, misalnya pada jagung (Edmeades et al, 2000;.. Bänziger et al, 2006) dan gandum (Babar et al, 2006, 2007.). Sebuah kit MAS dapat dikembangkan untuk menyertakan penanda terkait dengan seperangkat sifat dikendalikan utama-gen kunci ditambah spidol merata menutupi-ing seluruh genom untuk seleksi background marker-assisted. Beberapa ribu penanda SNP yang dipilih dapat dipasang ke dalam satu chip dan mereka dapat diperbarui dan akhirnya digantikan oleh berdasarkan gen-dan fungsional sebagai penanda gen semakin banyak diidentifikasi dan fungsional char-acterized untuk sifat dari kepentingan ekonomi. Seleksi untuk beberapa sifat dapat com-pleted dalam satu langkah selama populasi cukup besar untuk memungkinkan diinginkan individu-als untuk menggabungkan sifat-sifat yang berbeda. Namun, jumlah lokus sifat yang dapat manipu-lated dalam satu langkah terbatas sebagai ukuran popula-tion diperlukan untuk menutupi rekombinan meningkat secara eksponensial dengan meningkatnya jumlah ciri-ciri / lokus. Untuk memanipulasi beberapa gen / sifat yang berada di luar ukuran populasi yang setuju, strategi pemilihan dua tahap melibatkan dua Wegenernegosiasi yang diusulkan oleh Bonnet et al. (2005) dan disimulasikan oleh Wang, J. et al. (2007) dapat digunakan, seperti dibahas dalam Bab 8. Dalam pendekatan ini, individu yang dipilih pertama oleh semua penanda target untuk kedua bentuk homozigot dan heterozigot untuk mendapatkan subset dari populasi yang mengandung frekuensi yang lebih tinggi dari alel target sehingga jauh lebih kecil ukuran populasi diperlukan pada generasi berikut untuk mendapatkan homozigot di lokus sasaran.

9.4 Traits Paling Cocok untuk MAS

ciri-ciri yang membutuhkan testcrossing atau pengujian keturunan, sifat tergantung lingkungan dan unggulan dan kualitas sifat.

9.4.1

Ciri membutuhkan testcrossing

atau pengujian keturunan Sitoplasma kemandulan pria dan kesuburan restorasi Banyak spesies tanaman penting, termasuk beras, sorgum dan bunga matahari, tergantung pada kemandulan sitoplasma laki-laki (CMS) dan yang restorasi fer-tility untuk produksi benih hibrida. Sejumlah besar testcrossing dan keturunan pengujian terlibat dalam pemuliaan baris CMS dan restorasi mereka. Testcrossing dapat mulai sedini dengan generasi F2. tanaman F2 akan dipilih pertama untuk sifat agronomi lainnya dan tanaman yang dipilih diujisilangkan ke jalur utama-tainer untuk kemampuan atau garis pemulih untuk restorability CMS-menjaga. The uji silang keturunan akan ditanam berikut lautanak untuk observasi kesuburan. Hanya tanaman dengan lengkap uji silang keturunan steril (untuk CMS) atau benar-benar subur uji silang keturunan (untuk restorability) akan dipindahkan ke prosedur pemuliaan berikutnya. MAS dapat digunakan untuk menggantikan uji silang dan keturunan pengujian jika spidol untuk restorability kesuburan devel-oped. Xu, Y. (2003) terdaftar gen restorability yang telah dikaitkan dengan penanda molekuler di 12 spesies tanaman termasuk jagung, beras, sorgum, gandum, barley, rye, bunga matahari, minyak lobak, sugarbeet dan bawang. Beberapa dari mereka telah diklon (misalnya Desloire et al, 2003;.. Koizuka et al, 2003; Komori et al, 2004;.. Wang, Z. et al, 2006) dan banyak studi kloning lebih diharapkan. gen kloning memberikan kesempatan mengembangkan penanda genic atau fungsional untuk pemilihan restorability kesuburan.

penyilangan perubahan evolusioner di pabrik kawin sys-tems dari penyilangan (penyerbukan silang) perkawinan sedarah (penyerbukan sendiri) telah


reproduksi (Stebbins, 1957, 1970). Misalnya, nasi sering menyerbuk silang, sedangkan beras dibudidayakan adalah menyerbuk sendiri. Banyak karakter yang terlibat dalam evolusi sistem perkawinan, seperti ukuran organ bunga atau jumlah serbuk sari yang dihasilkan, yang kuantitatif di alam. produksi benih hibrida tergantung pada perbaikan sifat-sifat yang berhubungan dengan penyilangan dan untuk tanaman menyerbuk sendiri, mungkin melibatkan rekonstruksi (atau pemulihan) dari sistem penyilangan kawin (Xu, Y., 2003). Berbagai teknik untuk menghasilkan hibrida telah dikembangkan tergantung pada tanaman, termasuk pengebirian tangan, roguing tanaman jantan di garis dioecious, penggunaan garis gynoecious atau sangat perempuan, CMS dan kemandulan pria genetik, protogyny, atau diriketidakcocokan (Janick, 1998) . Tingkat penyilangan adalah sering menjadi faktor pembatas menentukan apakah hibrida memiliki potensi untuk komersialisasi: biaya benih dan harga keduanya sangat tergantung dari bagaimana mudahnya untuk menghasilkan hibrida benih berkualitas tinggi yang baik penyedia benih dan petani menerima. Jagung adalah sangat cocok untuk pembibitan hybrid karena monoecism dan teknik pengebirian sederhana dipraktekkan dalam pemuliaan yang memungkinkan untuk mudah yg sejenis atau sebangsa-ing dan outbreeding (Simmonds, 1979). Perlunya tingkat pembenihan tinggi tanaman yang sangat menyerbuk sendiri seperti beras dan gandum memperkenalkan masalah ekonomi: biaya produksi benih harus cukup rendah dan hasil hibrida di bidang petani harus cukup tinggi bahwa petani dapat keuntungan dari pembelian dan penggunaan benih hibrida dan com-haan dapat keuntungan dari produksi dan penjualan (Goldman, 1999) mereka.

Hasil dari benih hibrida ditentukan oleh banyak variabel, baik genetik dan environ-mental. Dalam produktif, menguntungkan environKASIH, hasil biji dari biji diatur melalui penyerbukan silang bisa mendekati orang-orang dari kultivar menyerbuk sendiri con-ventional dalam gandum (Lucken, 1986) atau mungkin

351

mempengaruhi penyerbukan silang; (Ii) untuk menemukan varia-tion untuk sifat-sifat ini; dan (iii) untuk menggabungkan gen untuk ekspresi yang menguntungkan dari sifat-sifat ke

Banyak faktor yang mempengaruhi penyilangan memberikan kesempatan bagi MAS. tetua (Lucken, 1986). Mengingat semua tanaman Namun, sereal hybrid dengan sistem CMS, pengukuran untuk meningkatkan tingkat penyilangan akan mencakup pilihan kondisi iklim favorit untuk produksi benih; memastikan sinkronisasi berbunga dua par-Ent; menyediakan sumber serbuk sari yang cocok; mengembangkan lini steril laki-laki dengan ciri-ciri penyilangan diinginkan; tambahan Pollina-tion; dan penyesuaian kebiasaan berbunga dan stigma karakteristik menggunakan pertumbuhan regulasi-tor seperti asam giberelat (Xu, Y., 2003). Banyak tanaman secara alami menyerbuk sendiri. struktur bunga mereka disesuaikan untuk perkawinan sedarah. Breeding garis orangtua mungkin perlu untuk benar-benar mengubah bunga struc-mendatang dan membuat mereka cocok untuk outcross-ing. Penyilangan beras tergantung pada kapasitas stigma untuk menerima serbuk sari asing dan kapasitas anter untuk memancarkan banyak serbuk sari untuk penyerbukan tanaman lain di prox-imity (Oka, 1988). Hubungan antara stigma lama diberikan dan sifat-sifat agronomi yang tidak diinginkan pada spesies padi liar cukup kuat dan perlu dipecah untuk menggabungkan sifat-sifat ini ke dalam genotipe yang dipilih. Di sisi lain, dengan menggunakan eui gen (memanjang sepenuhnya ruas) untuk memperbaiki kandang malai terkait dengan CMS telah digunakan di Cina untuk produksi benih tinggi unggul dengan aplikasi asam giberelat yang diminimalkan. gen ini telah dikloning (Zhu et al., 2006) dan mudah-mudahan transfer gen dapat facil-itated oleh MAS.

Struktur bunga dari gandum consid-ered harus berorientasi pada penyerbukan silang (Wilson, 1968). Namun, dekat examina-tion sifat bunga yang jelas menunjukkan bahwa gandum kurang cocok, dalam bentuk yang sekarang, untuk penyerbukan silang dari tanaman seperti jagung, sorgum dan gandum hitam (Wilson dan Driscoll, 1983). Setelah penelaahan gandum hibrida, Lucken dan Johnson (1988) menunjukkan kebutuhan untuk memperoleh pengetahuan lebih tentang variasi genetik biologi bunga, termasuk: spike dan bunga morfologi; (Ii) serbuk sari bubaran, daya apung, daya tahan dan kekuatan; aksesibilitas stigma, penerimaan dan daya

352

Bab 9

ada sedikit investigasi pada pemetaan genetik sifat yang terkait dengan outcross-ing. Grandillo dan Tanksley (1996) ujian-INED panjang antera dalam silang balik antara Lycopersicon esculentum dan Lycopersicon pimpinellifolium. Mereka menemukan dua QTL mempengaruhi sifat ini, pada kromosom 2 dan 7, yang hanya menyumbang 24% dari variasi pheno-typic. Georgiady et al. (2002) inves-tigated ciri yang membedakan penyilangan dan penyerbukan sendiri bentuk tomat kismis, L. pimpinellifolium. Sebanyak lima QTL ditemukan melibatkan empat ciri: panjang total anter, steril panjang anter, panjang gaya dan bunga per perbungaan. Masingmasing dari empat sifat ini memiliki QTL dari besar (> 25%) berpengaruh pada varians fenotipik. Dalam beras, beberapa proyek pemetaan genetik telah dilakukan target penyilangan. Dua QTL untuk tingkat stigma exserted di RILs berasal dari salib antara kultivar indica, Peikuh, dan nasi, W1944 (Oryza rufipogon Griff .; Uga et al., 2003). Sembilan QTL untuk fre-quency dari stigma exsertion terdeteksi di RILs berasal dari persilangan antara kultivar japonica, Asominori, dan kultivar indica, IR24 (Yamamoto et al., 2003). Sebuah analisis QTL bulu-ther dilakukan dengan menggunakan populasi F2 antara kultivar japonica, Koshihikari, dan garis pemuliaan menunjukkan stigma exserted dipilih dari populasi back-lintas antara IR24 sebagai donor dan japonica kultivar (Miyata et al., 2007). Sebuah QTL yang sangat signifikan (qES3), yang telah diprediksi dalam RILs dari IR24, adalah con-menguat di wilayah centromeric pada kromo-beberapa 3. qES3 meningkat sekitar 20% dari frekuensi stigma exserted di alel IR24 dan menjelaskan sekitar 32% dari total varians fenotipik. Sebuah QTL dekat-isogenic line (NIL) untuk qES3 meningkatkan frekuensi stigma exserted sebesar 36% dibandingkan dengan Koshihikari dalam evaluasi lapangan.

Hal ini diantisipasi bahwa MAS akan memberikan alat yang ampuh untuk membantu memperbaiki masalah yang berhubungan dengan penyilangan pada tanaman yang secara alami menyerbuk sendiri tapi memiliki potensi besar dalam pemuliaan hibrida. Testcrossing sifat-sifat yang diperlukan, seperti umur panjang stigma

kompatibilitas lebar hambatan hibridisasi ada di salib jauh dari banyak spesies tanaman sampai batas tertentu. Karena orang tua tidak genetik kompatibel, hibrida berasal dari persilangan intersubspecific seperti indica × japonica beras yang sebagian atau seluruhnya steril dengan benih ditetapkan kurang dari 30%. Beberapa kultivar menengah telah menyala-tle atau tidak ada hybrid penghalang dengan baik indica atau japonica, yang dapat disebut kultivar lebar compat-ible-. The 'kompatibilitas lebar' sifat dapat dengan demikian didefinisikan sebagai kemampuan untuk membuat hibrida intersubspecific subur. Untuk mengidentifikasi kompatibilitas yang luas dan trans-fer gen yang berhubungan dengan genetik back-alasan lainnya, testcrossing dan pengujian keturunan yang diperlukan, seperti untuk pemulihan kesuburan. Dalam beras, beberapa set penguji yang dipilih dengan cermat untuk tujuan ini. Banyak pekerjaan yang terlibat dalam testcrossing dan pengujian keturunan untuk mengetahui kultivar atau tanaman dengan lebar compat-ibility. Molekul penanda yang dibantu identifica-tion gen kompatibilitas luas telah dilaporkan (Wang GW, et al, 2005, 2006;. Zhao et al, 2006.), Yang akan mempercepat dan facili-Tate proses breeding dengan menghilangkan atau meminimalkan testcrossing dan pengujian keturunan. kompatibilitas yang luas telah dipilih beras menggunakan spidol SSR terkait.

heterosis Eksploitasi heterosis atau hybrid vigor untuk meningkatkan hasil panen dimulai pada awal abad ke-20 dengan jagung. Dari perkawinan sedarah sejumlah tanaman tanaman termasuk jagung, George H. Shull mengembangkan perspektif tentang heterosis bahwa ia diuraikan dalam 1908 publi-kasi berjudul 'Komposisi dari bidang jagung'. Hibrida memberikan banyak keuntungan dalam sistem produksi tanaman. Pokok ben-efit meningkat yield. Dalam spesies terbuka penyerbukan, salah satu manfaat yang paling sering dilupakan adalah keseragaman, unsur yang telah memungkinkan untuk ekspansi yang cepat dari produksi-tion dalam banyak

Formance. Peternak tanaman hibrida dapat bereaksi lebih cepat dan dengan lebih banyak pilihan untuk memenuhi pasar berubah, kebutuhan pelanggan dan tuntutan produksi. keuntungan lain


353

Untuk beberapa ciri, ekspresi fenotipik sangat tergantung pada lingkungan tertentu. hibrida mencakup kemampuan untuk menggabungkan gen dominan berguna galur inbrida di berbeda-ent yang tersedia, untuk mengoptimalkan ekspresi gen di negara heterozigot dan untuk menghasilkan sifat-sifat yang unik. Xu, Y. (2003) membahas empat fitur pemuliaan hibrida terkait dengan prediksi hybrid, termasuk seleksi untuk kinerja hibrida, produksi benih dan commer-cialization dan produksi biji bijian. kinerja hibrida tergantung pada gen dan interaksi mereka dan kombinasi. Seleksi untuk kinerja hybrid dalam program pemuliaan didasarkan pada testcrossing dan pengujian keturunan. Artinya, kita membiakkan hibrida melalui seleksi jalur orangtua dengan sifat agronomi yang diinginkan. Untuk mengaitkan fenotip orangtua dengan kinerja hybrid, peternak harus menyeberangi galur calon mereka dengan beberapa penguji dan dari hybrid prog-eny, untuk menentukan apakah calon mengandung gen yang diperlukan untuk hibrida dan apakah kombinasi parental menghasilkan hibrida yang bermanfaat. pemilihan tidak langsung ini, berdasarkan testcrossing dan pengujian keturunan, adalah waktu-con suming dan sangat mahal. Selanjutnya, hubungan antara garis orangtua dan hybrid dari satu salib tidak dapat digunakan untuk membuat prediksi tentang asosiasi lainnya. Sebuah salib dua inbrida sangat rendah yielding dapat memberikan hibrida dengan baik mid-orang tua atau tinggi-tua heterosis tapi Ance melakukan miskin, sedangkan salib dua inbrida unggul mungkin menunjukkan kurang mid-orang tua atau high-orang tua heterosis tapi tetap menghasilkan hibrida dengan kinerja yang baik. hibrida unggul berutang hasil mereka tidak hanya untuk heterosis tetapi juga untuk faktor diwariskan lain yang belum tentu dipengaruhi oleh heterosis. Untuk pemilihan effec-tive, salah satu kebutuhan untuk mengetahui pentingnya relatif dari setiap kontribusi genetik - heterosis dan non-heterosis - in hibrida individu (Duvick, 1999). MAS untuk heterosis bisa menjadi mungkin, seperti yang dibahas kemudian dan akan memfasilitasi proses pembibitan melalui penanda terkait.

Contoh umum dari sifat tergantung lingkungan termasuk penyinaran / suhu sen-sensitifitas, lingkungan yang disebabkan genic kemandulan pria (RUPSLB) dan cekaman abiotik dan biotik. MAS sangat berguna untuk sifat-sifat seperti mereka dapat dipilih di bawah lingkungan apapun melalui penanda terkait. Sebelum MAS, bagaimanapun, MTA harus pem-likasikan bawah lingkungan di mana fenotip dapat dinyatakan, dalam banyak kasus, di bawah lingkungan terkendali. lingkungan terkendali dapat dibandingkan satu sama lain atau dengan lingkungan alam. Jika dua lingkungan terutama berbeda dalam satu variabel makro-lingkungan, mereka dianggap kontras atau dekat isolingkungan (NIEs) dan standar variasi rencana-to plot dan efek mikro-lingkungan sisa lainnya dapat diabaikan (Xu, Y., 2002 ). Jika dua lingkungan yang dari percobaan di tahun dif-ferent atau lokasi, diasumsikan bahwa lokasi dan tahun efek tidak mengacaukan efek dari faktor makrolingkungan. Beberapa ciri-ciri perlu diukur di bawah NIEs, di mana tanaman merespon secara berbeda. Dalam kasus tersebut, satu lingkungan membebankan stres jauh lebih sedikit pada tanaman dari yang lain, misalnya, dua lingkungan dengan suhu atau-mal dan tinggi. Pengaruh lingkungan stres dapat diukur dengan membandingkannya dengan jauh-kurang-stres atau lingkungan non-stres. Nilai sifat relatif kemudian diturunkan dari dua nilai sifat langsung diukur di lingkungan masing-masing untuk memastikan sensitivitas tanaman untuk stres. Jika tanaman dif-ferent memiliki fenotip identik di bawah lingkungan yang jauh-kurang-stres (ini tidak berlaku untuk populasi memisahkan dalam banyak kasus), nilai sifat langsung dalam lingkungan stres dapat digunakan untuk sensitivitas meas-ure. Ketika kedua lingkungan memaksakan sedikit stres pada tanaman dan tanaman merespon secara berbeda, namun, nilainilai sifat relatif harus digunakan (Xu, Y., 2002).

Penyinaran / sensitivitas temperatur Sebuah contoh khas untuk sifat tergantung lingkungan adalah penyinaran sensitiv-ity dalam banyak jenis tanaman yang hanya dapat diukur dalam NIEs, satu dengan singkat hari-panjang

354

Bab 9

setiap lingkungan daripada menggunakan langkah-langkah rela-tive. Ciri-ciri sendiri yang mulai berbunga ketika penyinaran dan / atau suhu kondisi tertentu terpenuhi. Dalam tanaman hibrida, sinkronisasi berbunga dua orang tua merupakan salah satu faktor influ-encing produksi benih hibrida dan dengan demikian keuntungan ekonomi selama inbrida baris / kultivar. Untuk memahami penyinaran dan tanggapan suhu, hibrida dan orang tua mereka harus ditanam di berbagai lingkungan atau NIEs. Studi genetik tanggapan ini akhirnya akan mencirikan orangtua penyinaran-termo respon pat-tern dan efeknya pada hibrida mereka dan dengan demikian membuat hybrid respon prediksi penyinaran-termo.

Menggunakan beras haploid ganda (DH) pop-modulasi antara 'Zhaiyeqing 8' dan 'Jingxi 17', hari-to-pos dan sensitivitas foto-thermo diselidiki dalam dua ENVI-ronments (Beijing dan Hangzhou, Cina) yang berbeda terutama di hari-panjang dan tem-perature (Xu, 2002). Empat daerah kromosom secara signifikan terkait dengan hari-to-pos di salah satu atau kedua lokasi, sedangkan lokus yang berbeda pada kromosom 7 (G397A-RM248) secara bermakna dikaitkan dengan sensitivitas foto-termo, menunjukkan bahwa foto-termo sensitivitas QTL adalah independen dari QTL untuk hari-to-pos. Dengan mengevaluasi hari-to-berbunga individu 'CO39' 'Moroberekan' RILs / di bawah 10 jam dan 14 jam sehari-panjang dan kondisi rumah kaca, Maheswaran et al. (2000) mengidentifikasi 15 QTL untuk hari-to-berbunga. Hanya empat dari mereka juga diidentifikasi sebagai mempengaruhi respon terhadap penyinaran.

QTL yang berbeda telah diidentifikasi dengan menggunakan nilai-nilai sifat langsung dan relatif dan beras, hari-to-pos dan penyinaran sering dikendalikan oleh QTL yang berbeda seperti dibahas di atas. Di sisi lain, sifat langsung dan relatif bisa berbagi beberapa QTL. Itu berarti hari-to-pos dan sensitivitas foto-periode secara genetik terkait dengan batas tertentu karena kedua sifat yang terkait dengan pertumbuhan vegetatif dasar bahwa tanaman harus mencapai berbunga. Ada QTL penelitian peta-ping

dipetakan daripada respon relatif diukur dalam NIEs. Dalam beras, numer-ous QTL untuk harike-pos atau -flowering telah dipetakan menggunakan molekul mark-ers tapi sangat sedikit dari mereka telah diuji di bawah kedua kondisi panjang dan pendek-hari. Menggunakan F2 antara japonica 'Nipponbare' dan indica 'Kasalath', Yano et al. (1997) mengidentifikasi dua utama dan tiga QTL minor untuk menuju date. Tiga dari mereka (HD1, Hd2 dan HD3) diidentifikasi kemudian sebagai gen sensitivitas foto-periode dengan menguji QTL-Nils bawah yang berbeda hari-panjang (Lin et al., 2000) dan salah satu dari mereka (HD1) dikloning (Yano et al., 2000).

Lingkungan yang disebabkan kemandulan pria genic kemandulan pria dapat disebabkan oleh faktor lingkungan tertentu. RUPSLB pertama kali ditemukan pada beras oleh Shi (1981) dari 'Nongken 58', kultivar japonica. Mutan 'Nongken 58s' steril ketika hari-hari yang panjang (> 13,5 h) tetapi menjadi subur ketika hari pendek (<13,5 h). Dengan demikian, konversi kesuburan dipicu oleh panjang pho-toperiod. RUPSLB juga telah dilaporkan di lada, tomat, gandum, barley, wijen, kacang, pemerkosaan dan kedelai. Ketergantungan kemandulan pria pada suhu atau penyinaran suhu antar-tindakan membutuhkan dua lingkungan yang berbeda dalam proses pemuliaan dan seleksi. Breeding populasi harus ditanam dalam satu envir-onment mana tanaman akan steril untuk memastikan kehadiran gen sterilitas dan lain di mana tanaman akan fer-ubin untuk mengkonfirmasi konversi kesuburan dan menghasilkan biji. Menggunakan penanda molekuler terkait, konfirmasi konversi kesuburan melibatkan dua lingkungan dapat dihindari. studi pemetaan genetik beras telah meletakkan dasar untuk MAS dalam pemuliaan RUPSLB garis. Untuk memfasilitasi penggabungan gen tms2 beras, penanda SSR, RM11, terletak pada kromosom 7, diidentifikasi dan ditemukan untuk menjadi berguna dalam mengidentifikasi tanaman subur heterozigot pada populasi F2 dan turunan F3-F4 untuk pemilihan progeni di muka (Lu et al., 2004). Lang et al.


Biotik dan abiotik Pengembangbiakan serangga dan penyakit menolak-Ance dan toleransi untuk cekaman abiotik telah menjadi isu di seluruh dunia. Untuk mengidentifikasi resistensi serangga / penyakit, tanaman harus diinokulasi secara buatan atau alami, atau dalam lingkungan tertentu di mana stres ada. inokulasi buatan tidak praktis ketika serangga / penyakit berada di bawah kendali quar-Antine. Di sisi, mengeva-tion lain dari respon tanaman terhadap serangga yang berbeda / penyakit atau berbeda biotipe / strain / ras agen stres yang sama sangat sulit, jika bukan tidak mungkin, menggunakan metode skrining tradisional.

Dalam program pemuliaan tradisional, seleksi untuk toleransi terhadap cekaman abiotik seperti salinitas, kekeringan dan toleransi perendaman dan ketahanan rebah hanya dapat dilakukan dalam lingkungan tertentu yang baik hadir di lokasi tertentu atau menciptakan lingkungan di terkendali dengan baik. Seleksi untuk sifat-sifat ini dianggap paling sulit dalam program pemuliaan. Untuk efektif MAS, pengembangan kriteria seleksi yang cocok sangat penting untuk kedua MTA dan MAS berikut, terutama untuk cekaman abiotik. Mengambil toleransi kekeringan beras sebagai contoh, saat tahu-langkan pada fisiologi menunjukkan bahwa toleransi kekeringan tergantung pada satu atau lebih komponen folmelenguh: (i) kemampuan akar untuk mengeksploitasi air tanah yang dalam untuk menyediakan Eva- permintaan potranspirational; (Ii) kapasitas untuk penyesuaian osmotik yang memungkinkan tanaman untuk mempertahankan turgidity dan melindungi meristem dari kekeringan yang ekstrim; dan (iii) kontrol atas kehilangan air non-stomata dari daun (Nguyen et al., 1997). Komponen ini umumnya berlaku untuk tanaman sereal lainnya. Sejumlah besar QTL telah diidentifikasi dalam beras untuk penyesuaian osmosis, toleransi dehydra-tion, akumulasi asam absisik, perilaku stomata, indeks penetrasi akar, ketebalan akar, jumlah total akar, panjang akar, berat total akar kering, bobot kering akar yang mendalam dan akar menarik

355

berkorelasi negatif dengan bunga mekar-silking Interval (ASI), yang berbeda-ence di hari antara serbuk sari penumpahan dan

sutra munculnya. Sebuah ASI singkat berarti ekstrusi sutra cepat karena waktu untuk bunga mekar yang sedikit dipengaruhi oleh kekeringan.

9.4.3 Benih dan kualitas sifat-sifat ciri-ciri benih Sebagai organ penyimpanan utama dari bibit tanaman, endo-sperma menyediakan manusia withproteins, asam amino essen-esensial dan minyak. Pemahaman tentang pewarisan sifat endosperm sangat penting bagi peningkatan mutu benih. perilaku genetik di endosperms triploid sangat berbeda dari tanaman ibu yang memasok asimilasi untuk pertumbuhan butir dan pembangunan. Dengan demikian, metode cocok untuk analisis genetik dari sifat pada tanaman mater-nal (diploid untuk sebagian besar tanaman sereal) tidak bisa langsung digunakan untuk ciriciri endosperm (Xu, 1997). Metode analisis genetik untuk sifat endosperm perlu untuk menggabungkan metode genetik yang dikembangkan untuk tanaman ibu diploid dengan model triploid pro-berpose untuk analisis genetik konvensional. Sistem genetik mengendalikan sifat endosperma mungkin jauh lebih compli-kombatan dari itu yang mengontrol sifat-sifat tanaman per se. Karena tanaman menyediakan bibit dengan porsi pasangan-Rial genetik mereka dan hampir semua nutrisi yang diperlukan untuk pertumbuhan dan perkembangan, ciri-ciri benih secara genetik dipengaruhi oleh gen nuklir benih dan gen nuklir ibu. Selain itu, gen sitoplasma juga dapat mempengaruhi beberapa ciri benih melalui efek tidak langsung mereka pada processes biosintesis dari kloroplas dan mitokondria. Untuk memahami sifat endosperm dengan akurasi bio-logis, salah satu harus mengambil efek genetik pertimbangan ibu dan efek sitoplasma bersama dengan efek genetik langsung benih. Sebagai biji memulai generasi baru yang berbeda dari tanaman ibu mereka, beberapa ciri benih harus dianggap sebagai salah satu generasi maju lebih tanaman ibu mereka. Genetik Analy-sis sifat endosperm harus didasarkan pada DNA diekstraksi dari kedua tanaman ibu dan jaringan endosperm untuk memahami kontribusi relatif dari

356

Bab 9

faktor genetik berbeda dengan variasi sifat endosperm (Xu, 1997). Dalam banyak kasus, semua sifat endosperm telah diperlakukan sama dengan ciri-ciri lain dari tanaman, dengan beberapa laporan (Tan et al., 1999) yang dianggap sebagai masalah generasi kemajuan.

ciri-ciri benih hibrida Meskipun tanaman F1 yang seragam, bibit ditanggung pada mereka mewakili generasi benih F2 dan diharapkan untuk memisahkan beberapa karakteristik biji-bijian. penentu utama kualitas gabah, misalnya pada tanaman sereal, yang berseliweran; ukuran butir, bentuk dan tampilan; dan memasak dan makan karakteristik. Beberapa jaringan gandum berasal dari ibu dan beberapa hasil dari pemupukan dan penyatuan genetik beragam gamet. Untuk ujian-ple, lemma dan palea dari sekam padi adalah jaringan ibu. ukuran benih dan bentuk ditentukan oleh bentuk dan ukuran lambung dan yang terakhir ditentukan oleh genotipe tanaman F1. Akibatnya, semua benih F2 ditanggung pada tanaman F1 memiliki hampir identik dimen-keputusan meskipun orang tua bisa memiliki ukuran biji yang sangat berbeda. Endosperma adalah perjalanan-loid jaringan yang dihasilkan dari penyatuan satu inti laki-laki dengan dua inti perempuan. Jika orang tua berbeda dalam ciri-ciri endosperm, sifat-sifat ini antara butir F2 pada tanaman F1 menunjukkan jelas segregasi (Kumar dan Khush, 1986;. Tan et al, 1999). analisis benih tunggal dari padi hibrida, 'Shanyou 63', menunjukkan bahwa kandungan amilosa benih pada tanaman F1 bisa berkisar dari 8% menjadi 32% ketika dua orang tua memiliki 15,8% dan 27,2% kadar amilosa, masing-masing. Situasi yang sama dilaporkan untuk jelai. Jika orang tua dif-fer signifikan dalam karakter kualitas malting, biji-bijian yang dihasilkan oleh hibrida barley akan heterogen dan heterozigot untuk karakter penting untuk proses malting (Ramage, 1983).

ciri-ciri kualitas Banyak ciri-ciri kualitas, termasuk ciri-ciri benih

jenis dapat berasal dari faktor genetik yang berbeda atau alel yang berbeda dari lokus yang sama. PS untuk nilai-nilai sifat yang sama mungkin tidak menghasilkan alel yang sama atau gen tetap di orang tua. Di sisi lain, hampir semua ciri-ciri kualitas hanya diukur pada atau setelah tahap reproduksi. MAS akan membantu lokus genetik yang berbeda Distin-guish yang berkontribusi terhadap sifat kualitas yang sama. Metode untuk ekstraksi nondestruktif dari DNA dari biji kering tunggal, seperti yang dibahas dalam Bagian 9.3 dan Xu et al. (2009d), memberikan kesempatan bagi pemilihan sifat benih sehingga seleksi yang dapat diproses sebelum tanam. seleksi tahap awal juga menyediakan lebih banyak kesempatan untuk seleksi ciri-ciri dengan heritabilitas relatif rendah. MAS dapat digunakan untuk uji kualitas stadium awal atau uji mutu berbasis DNA, sedangkan tes tersebut akan tertunda dalam program pemuliaan konvensional karena jumlah yang relatif besar dari biji diperlukan.

kontribusi genetik terhadap kualitas berasal dari kedua orang tua, tapi salah satu dari mereka bisa menjadi lebih penting daripada yang lain dalam beberapa situasi tertentu. Sifat endosperm mungkin lebih dipengaruhi oleh orang tua perempuan karena efek ibu, atau lebih oleh orang tua laki-laki karena efek xenia. The compo-sition dan pengembangan kernel dapat diubah dengan sifat serbuk sari. Ini pertama kali ditampilkan oleh kiesselbach (1926) sebagai perubahan dari endosperm jagung manis ke dalam endosperm bertepung setelah penyerbukan dari perempuan jagung manis oleh batu endosperm laki-laki. efek xenia besar diamati untuk kualitas sorgum malt di F1 tapi ini sepenuhnya hilang pada generasi F2 (Wenzel dan Pretorius, 2000). Curtis et al. (1956) mengamati bahwa kuman yang nyata influ-enced dalam konten berat, minyak dan protein oleh kedua orang tua benih dan induk serbuk sari jagung, dengan efek ibu diucapkan.

9.5



transfer alel baru dari donor ke plasma nutfah elit dan piramida semua alel nikmat-dapat dari sumber yang berbeda ke dalam satu latar belakang genetik. Dalam kasus yang pertama, pemilihan background marker-assisted digunakan untuk menghilangkan latar belakang genetik donor, sedangkan dalam kasus terakhir pemilihan latar belakang mungkin tidak diperlukan tergantung pada apakah penerima terbaik dikomersialisasikan atau tidak. Meskipun MAS telah banyak digunakan di sektor swasta untuk berkembang biak dari kedua sifat gen utama dikendalikan dan MARS untuk sifat kuantitatif, ia memiliki aplikasi lim-ited di sektor publik karena alasan yang dijelaskan dalam bagian sebelumnya. Beberapa aplikasi yang signifikan dari MAS di pemuliaan tanaman telah dilakukan di beberapa Consultative Group on Agricultural Research International (CGIAR) pusat. Sebagai contoh, penanda molekuler yang digunakan untuk memfasilitasi pemilihan di CIMMYT untuk satu set ciri-ciri yang memiliki heritabilitas rendah tetapi nilai ekonomi tinggi atau tidak dapat effec

357

tively diputar di Meksiko secara musiman. Ciriciri ini termasuk parameter yang terkait dengan kesehatan akar, penyakit daun dan faktor yang terkait dengan kualitas (Tabel 9.2). Semua MAS erat digabungkan dengan operasi peternakan lapangan yang ada-ing. The applica-tion penanda dimulai dengan karakteristik bahan lintas blok. Bahan orangtua pertama kali ditandai dengan penanda gen yang dikenal untuk mengidentifikasi orang tua dengan alel mendukung-mampu, yang kemudian secara selektif digabungkan dalam persilangan (William et al., 2007b). Ada banyak contoh yang tersedia di MAS termasuk penerapannya dalam gen intro-gression dan pyramiding untuk kedua sifat qualita-tive dan kuantitatif. Beberapa ulasan baru-baru ini memberikan cakupan yang baik dalam metode gen-eral (Xu, 2003) dan aplikasi di beberapa tanaman utama (Dwivedi et al., 2007). Meninjau semua rincian untuk semua sifat dan tanaman adalah di luar lingkup bab ini. Pada bagian ini, gambaran disediakan untuk penanda yang dibantu introgresi gen.

Tabel 9.2. Daftar penanda bersama dengan lokasi kromosom dari gen target, sedang digunakan untuk MAS di CIMMYT (dari William et al. (2007b) dengan izin jenis Springer Sains dan Media Bisnis). Sifat

Gene

Jenis penanda

Kromosom

Resistensi terhadap Heterodera avenae Resistensi terhadap H. avenae busuk mahkota warna tepung / Pratylenchus neglectus toleransi boron kutu gandum Rusia kutu gandum Rusia fly goni stem karat stem karat stem karat stem karat stem karat daun tahan lama dan karat coklat Volume pembengkakan grain kekerasan kekuatan adonan Barley virus kerdil kuning Agronomi Agronomi

Cre1 Cre3 Qtl-2,49 Rlnn-1 Bo-1 DN2 DN4 H25 Sr24 SR-25 Sr26 Sr38 Sr39 Lr34/ Yr18 GBSS-null Kekerasan Glu1BX BDV2 RHT-B1B RHT-D1b

STS STS SSR STS SSR SSR SSR SSR STS / SSR STS STS STS STS STS STS STS STS STS STS STS

2BL 2DL 1DL 7BL 7BL 7D 1D 4A 3DL 7DL 6AL 2AS 2B 7DS 4B 5ABD 1BS 7DS 4B 4D

358

Bab 9

kecil dan ditargetkan asal eksotis dapat introgresi menjadi elit gen marker-assisted 9.5.1 introgresi dari kerabat liar

alel Novel dan keragaman genetik secara luas ada di kerabat liar tanaman budidaya. kerabat tanaman liar secara tradisional dipandang sebagai sumber potensial dari gen (s) untuk berbagai sifat agronomi termasuk menolak-terorganisir ke banyak hama dan penyakit yang tidak tersedia di spesies yang dibudidayakan, sehingga membuat mereka sumber daya berharga untuk transfer gen pada spesies cul-tivated ( Tanksley dan McCouch, 1997). Kedua persimpangan konvensional dan seleksi dan pemuliaan molekuler (MAS dan transgenik) telah digunakan untuk mentransfer hama dan penyakit resistensi dari alam rela-tives untuk spesies tanaman yang dibudidayakan. gen resistensi (s) dari kerabat liar telah memfasilitasi budidaya skala besar tanaman pada penyakit atau hama daerah endemik di dunia, yaitu hawar bakteri dan virus kerdil rumput di sawah, hawar bakteri pada jagung dan kentang dan nematoda di banyak tanaman. Liar rela-tives biasanya lebih rendah daripada yang modern culti-vars sehubungan dengan menghasilkan dan mutu benih. Namun, alel sifatmeningkatkan telah diidentifikasi dan introgresi menjadi spesies dibudidayakan dari spesies liar melalui bantuan penanda penemuan alel baru. Transfer SUC-cessful ditingkatkan hasil buah dan kualitas pengolahan di tomat (Rick, 1974; de Vicente dan Tanksley, 1993; Fulton et al, 1997;. Bernacchi et al, 1998a, b;. Fridman et al, 2000;. Yousef dan Juvik, 2001b) menyebabkan realisasi bahwa kerabat liar dapat con-tain gen menguntungkan (selain untuk menolakterorganisir untuk cekaman biotik) terkait dengan hasil dan kualitas benih, meskipun ini sering fenotip tertutup oleh gen merusak dan dengan demikian sulit untuk mengidentifikasi dan transfer melalui PS dan berkembang biak.

Kekhawatiran tentang keragaman genetik berkurang antara hibrida komersial dan depletion keragaman genetik di kolam gen digunakan dalam pemuliaan mungkin sebagian diatasi dengan sukses implementasi dari MAS. MABC dapat menghidupkan kembali minat dalam

galur inbrida dengan risiko terbatas membawa bersama karakteristik yang tidak diinginkan. pendekatan seperti dapat bermanfaat dalam banyak tanaman meskipun tidak ada rekening pelaksanaannya telah dilaporkan meskipun bertahun-tahun laporan penggunaan sukses dalam tomat (Tanksley et al, 1996;. Bernacchi et al, 1998a, b;. Robert et al ., 2001), beras (Xiao et al., 1998) dan kedelai (Concibido et al., 2003). kerabat liar beras dalam genus Oryza tidak hanya merupakan sumber yang kaya infor-masi tentang asal-usul variasi dalam genus tetapi juga sumber yang layak dari berbagai agronomis penting kuman-plasma untuk pembibitan di masa depan beras dan sereal lainnya sebagai baik. Untuk mengisi jurang antara program penelitian nasional dan aplikasi berkembang biak-ing di negara berkembang, program internasional, Program Tantangan Generasi - (. Www generationcp.org) Budidaya Tanaman Keanekaragaman untuk Sumber Daya Miskin, telah dibentuk untuk mulai mengkarakterisasi dan memanfaatkan spektrum yang luas dari koleksi plasma nutfah. penanda molekuler telah terbukti partic-ularly berguna untuk mempercepat silang balik-ing dari gen atau QTL dari kultivar eksotis atau kerabat liar menjadi elit kultivar atau breeding line (Tanksley dan Nelson, 1996). gen yang menguntungkan atau alel dari alam spe badan-beras telah terdeteksi setelah kembalimenyeberang ke kultivar elit (Xiao et al, 1998;. Moncada et al, 2001;. Septiningsih et al, 2003;.. Thomson et al, 2003) . Demikian pula, pendekatan ini dapat mengidentifikasi alel dari kultivar eksotis yang menghasilkan peningkatan fenotipe, meskipun orang tua mungkin tidak memiliki fenotipe rendah untuk sifat ini (Tanksley dan McCouch, 1997; Xu, 1997, 2002). McCouch et al. (2007) dirangkum hasil dari satu dekade penelitian kolaboratif menggunakan populasi silang balik canggih berasal dari O. rufipogon L. untuk: (i) mengidentifikasi QTL terkait peningkatan kinerja beras dibudidayakan Oryza sativa L .; dan (ii) untuk mengkloning gen yang mendasari QTL kunci dari bunga. Mereka menunjukkan bahwa analisis AB-QTL mampu: (i) berhasil mengungkap alel positif dalam plasma nutfah liar yang tidak jelas berdasarkan fenotip induk; (Ii) menawarkan estimasi nilai pemuliaan plasma nutfah yang eksotis;


menghasilkan Nils yang dapat digunakan sebagai dasar untuk isolasi gen dan juga sebagai orang tua untuk menyeberang lebih lanjut dalam kultivar yang mengembangkan-ment Program; dan (iv) menyediakan spidol berbasis gen-untuk introgresi ditargetkan alel menggunakan MAS. Pengembangan perpustakaan eksotis genetik, (juga dikenal sebagai CSSL, kromosom seg-ment baris substitusi; IL, introgresi line; atau CL, baris contig) adalah pendekatan lain untuk meningkatkan pemanfaatan kerabat liar untuk memperluas kolam gen tanaman. Saham genetik ini menyediakan sumber daya poten-esensial juga ditandai untuk mengangkat hambatan hasil melalui pyramiding lokus menguntungkan dan memperbaiki-ing dari heterosis positif. Misalnya, ketika garis introgresi tomat membawa yield- tiga independen mempromosikan daerah genom yang pyramided, progeni pro-teknya lebih dari 50% yield yang lebih besar com-dikupas dengan kontrol (Gur dan Zamir, 2004). Yoon et al. (2006) melaporkan bahwa beberapa galur padi mengungguli Hwaseongbyeo (kira-kira-imately 1 t ha-1 peningkatan hasil gabah). Beberapa karakteristik butir - termasuk bobot gabah, diperbaiki setelah melintasi garis introgresi canggih mengandung-ing Oryza grandiglumis segmen, HG101 (sangat mirip dengan Hwaseongbyeo) dengan Hwaseongbyeo. Contoh di atas dem-onstrate yang kerabat liar mengandung alel Desira-ble untuk sifat agronomi meskipun efeknya adalah fenotip tidak jelas dalam kerabat liar. Adalah penting bahwa lebih menekankan harus diberikan untuk mengeksploitasi kerabat liar untuk mengidentifikasi alel yield meningkatkan untuk lebih meningkatkan potensi hasil kultivar tanaman.

Menggunakan analisis AB-QTL, hasil dan kualitas gabah meningkatkan alel dari kerabat liar telah berhasil introgresi di beras, gandum, barley, sorgum, kacang umum dan kedelai. keuntungan hasil dramatis telah dilaporkan pada beras, misalnya, melalui pengenalan dua alel QTL hasilmeningkatkan (yld1.1 dan yld2.1) dari O.

359

dari 20% hasil kenaikan beras; yaitu sekitar 1 t ha-1 gain dalam hasil di beberapa kultivar baru dibesarkan, sebagian besar

karena kenaikan panjang malai, pani-cles per tanaman, biji-bijian per tanaman dan biji-bijian berat badan. Garis-garis ditingkatkan dengan 9311-jenis latar belakang genetik yang digunakan untuk mengangkat potensi hasil yang ada padi hibrida super Cina (Liang et al., 2004). O. grandiglumis (allotetraploid, spesies CCDD genom) yang lain relatif kontribusi alel positif liar untuk meningkatkan hasil gabah beras. Sebaliknya, hanya 6-8% peningkatan hasil gabah dilaporkan ketika alel positif dari Hordeum spontaneum yang introgresi ke barley. Liar relatives juga memberikan kontribusi alel positif bagi karakteristik ditingkatkan gabah beras (panjang, biji-bijian ramping dan tembus dan berat biji bijian), gandum (berat biji-bijian dan kekerasan) dan barley (berat biji-bijian, protein dan beberapa ciri-ciri kualitas malt). Dari tertentu antar-est adalah lokus untuk berat biji-bijian, tgw2, yang memberikan kontribusi alel positif dari O. grandiglumis yang independen dari efek unde-sirable tinggi dan kematangan (Yoon et al., 2006). Dalam sebuah penelitian serupa, Ishimaru (2003) mengidentifikasi butir QTL berat, tgw6, bertanggung jawab untuk potensi hasil meningkat tanpa efek samping pada jenis tanaman, atau kualitas gabah di latar belakang genetik Nipponbare. Demikian pula, alel dari Glycine soja disampaikan peningkatan 8-9% dalam hasil gabah dan meningkatkan kandungan protein dalam kedelai-kacang (Concibido et al., 2003).

gen marker-assisted 9.5.2 introgresi dari plasma nutfah elit

Tidak diragukan lagi, penggunaan yang paling meresap dan langsung MAS oleh sektor swasta telah dengan silang balik dari transgen ke dalam jalur anakan elit, orang tua langsung dari hibrida komersial, khususnya pada jagung (Ragot et al, 1995;. Crosbie et al, 2006. ). Saat ini, yang paling banyak digunakan trans-gen dan kombinasinya (yaitu tumpukan gen) adalah untuk ketahanan terhadap herbisida atau serangga (misalnya Ostrinia dan Diabrotica). Sebagai tanaman jagung komersial dari setiap wilayah, zona jatuh tempo, pasar atau negara belum seragam atau homogen

360

Bab 9

penangkaran popula-tions, beberapa jalur yang dipilih penanda-positif versi dekat-isogenic (transgenik dan nontransgenik) inbrida elit dan hibrida komersial untuk memenuhi kombinasi dari perjanjian lisensi, praktek agronomi, persyaratan peraturan, tuntutan pasar dan skema pengembangan produk (Ragot dan Lee, 2007). Hal ini diperlukan compa-nies memiliki dua program pemuliaan jagung paralel, transgenik dan non-transgenik. Dengan cara ini, MABC transgen dan tingkat yang lebih rendah, gen asli dan QTL untuk sifat lainnya, telah dipercepat ment mengembangkanhibrida komersial. Kecuali masalah regulasi-tory berubah secara dramatis, MABC akan tetap pilihan sarana penyampaian transgen ke pasar. MABC jelas memberikan informasi yang diperlukan untuk mengurangi jumlah generasi silang balik, untuk menggabungkan (yaitu 'tumpukan') transgen, gen 'asli' atau QTL menjadi satu hybrid bawaan atau cepat dan untuk memaksimalkan pemulihan genom orang tua berulang di silang balik tersebut keturunan derived. Dalam beberapa program pemuliaan swasta, MABC telah memungkinkan jumlah silang balik genera-tions dibutuhkan untuk memulihkan 99% dari orang tua genom berulang harus dikurangi 6-3, mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk mengembangkan kultivar dikonversi oleh 1 tahun (Crosbie et al ., 2006; Ragot et al, 1995).. Sebagai garis yang diperoleh MABC dapat dibuat menjadi sangat mirip dengan non-dikonversi garis aslinya, sebagian besar atribut, termasuk agronomi melakukan-Ance, dapat diasumsikan sama atau mirip dengan garis aslinya. Penanda-dibantu introgresi gen dianggap menjanjikan beras karena sejumlah kultivar padi ditanam secara luas untuk adaptasi mereka, kinerja yang stabil dan kualitas gabah yang diinginkan. Chen et al. (2000) digunakan pendekatan semacam itu untuk mentransfer gen resistensi hawar bakteri Xa21 ke Minghui 63, orang tua banyak digunakan untuk produksi padi hibrida di Cina. Ahmadi et al. (2001) menggunakan pendekatan yang sama untuk bersilang dua QTL mengendalikan ketahanan terhadap beras virus belang kuning ke IR64 kultivar. Pendekatan tersebut, namun hanya dapat mencicipi sejumlah kecil aksesi.

ke 'IR64' (kultivar padi elit) (Shen et al., 2001). Keturunan silang balik yang dipilih menunjukkan resistensi terhadap penyakit busuk daun. RB juga telah dikloning dan berubah menjadi Katahdin, kentang kultivar sangat rentan. Tanaman Katahdin diubah dengan RB menunjukkan resistensi spektrum luas terhadap berbagai isolat busuk daun (Lagu et al., 2003). Jelas, dengan memiliki urutan penuh dari gen sasaran, itu harus mungkin untuk mengembangkan biaya rendah sistem assay sangat efisien untuk sifat ini. Contoh terbaik dari penggunaan MAS dalam pemuliaan jelai komersial adalah barley mosaik kuning kompleks virus di mana berbagai penanda yang berbeda telah dikembangkan untuk pemilihan rym4 dan resistance rym5 gen dan satu, SSR Bmac0029, digunakan oleh banyak musim dingin Eropa peternak barley (Rae et al., 2007). The clon-ing dari rym4 / 5 lokus (Stein et al., 2005) memberikan dasar dari sebuah penanda diagnostik untuk ketahanan virus rym4 / 5 berbasis. Seperti ditinjau oleh Dwivedi et al. (2007), MAS ditambah dengan silang balik dan berkembang biak silsilah metode dan evaluasi lapangan telah menyebabkan laporan dalam literatur dari peningkatan genetik untuk ketahanan terhadap hawar bakteri (Xa21), empedu midge (Gm-6t) dan wereng coklat (Bph1 dan Bph2) beras; untuk karat daun (Lr19, Lr51 dan Yr15) dalam gandum; kuning virus kerdil (yd2), stripe karat (Yr4) dan embun tepung (MLO-9) di barley; dan terhadap penyakit bulai (QTL utama) di mutiara mil-biarkan. Progeni menunjukkan tingkat menolak-Ance sama dengan tetua donor baik di rumah kaca dan lapangan evaluasi.

9.5.3 gen marker-assisted introgresi toleransi kekeringan International Rice Research Institute (IRRI) memiliki beberapa kekeringan toleransi program berkembang biak-ing menggunakan QTL diidentifikasi dan MAS. QTL mempengaruhi parameter akar diidentifikasi menggunakan populasi DH beras berasal dari IR64 lintas×Azucena. Sebuah program MABC dimulai


ketat atas dasar genotipe mereka di lokus marker di daerah sasaran sampai ke BC3F2, dari mana BC3F3 Nils adalah devel-oped dan dibandingkan dengan 'IR64' untuk sifat sasaran root. Dari tiga Nils diuji mengusung target 1 (QTL pada kromosom 1), satu telah meningkat secara signifikan ciri-ciri akar lebih IR64. Tiga dari tujuh Nils mengusung target 7 (QTL pada kromosom 7) saja, serta tiga dari delapan Nils membawa kedua target 1 dan 7, menunjukkan secara signifikan meningkatkan massa akar. Empat dari enam Nils mengusung target 9 (QTL pada kromosom 9) telah meningkat secara signifikan panjang akar yang maksimal. Steele et al. (2006) yang diprakarsai MABC untuk meningkatkan toleransi kekeringan ke Kalinga III, sebuah kultivar indica dataran tinggi. Setelah lima back-salib dan melakukan lebih dari 3000 tes penanda (2548 restriction fragment length polymorphism (RFLP) dan 700 SSR) pada 323 tanaman, Nils dikembangkan dan dievaluasi untuk sifat-sifat akar. Target seg-ment pada kromosom 9 (RM242-RM201) secara signifikan meningkatkan panjang akar bawah kedua irigasi dan stres kekeringan environ-KASIH. Azucena allele di RM248 lokus (di bawah target akar QTL pada kromosom tertunda berbunga. Namun, seleksi untuk orangtua alel berulang pada lokus ini pro-teknya Nils awal-berbunga yang cocok untuk lingkungan dataran tinggi di India timur. Bunga mekar-silking Interval (ASI) adalah sifat penting yang terkait dengan kekeringan tolerance pada jagung. Ribaut et al. (1996, 1997) memulai program MAB besar untuk mentransfer lima wilayah genom yang terlibat dalam expression dari ASI pendek dari Ac7643 (a toleran kekeringan line) untuk CML247 (elit tropis baris pemuliaan). Lima daerah genom dipindahkan menggunakan berbasis PCR mengapit tanda-ers. Tujuh puluh satu BC2F3 terbaik (garis yaitu S2) jalur disilangkan dengan dua penguji, CML254 dan CML274. Ini hibrida dan keluarga BC2F4 yang berasal dari tanaman BC2F3 yang dipilih dievaluasi selama 3 tahun di bawah kondisi cekaman kekeringan. Lima hibrida terbaik MABC yang diturunkan dihasilkan, rata-rata, setidaknya 50% lebih dari hibrida kontrol di bawah kondisi stres air (Ribaut et al, 2002b;.

361

inducing kurang dari 40% penurunan hasil, kinerja hibrida uji silang yang dihasilkan dari MAS tidak lebih baik daripada 'asli' versi CML274. Sebuah QTL besar pada kelompok linkage 2 (LG2) dikaitkan dengan peningkatan hasil gabah dan indeks panen di bawah tekanan terminal di pearl millet kultivar PRLT 2 / 89-33 (Yadav et al., 2002). Kinerja QTL MAS diturunkan hibrida silang atas (TCH) dibandingkan dengan yang dari TCH berbasis lapangan. Progeni dengan yang terbaik secara keseluruhan abil-ity untuk mempertahankan bawah terminal stres ENVIronments digunakan untuk menghasilkan TCH dan ini dibandingkan dengan acak dikawinkan TCH terbuat dari progeni dipilih secara acak dari seluruh populasi (terlepas dari kinerja di bawah cekaman kekeringan terminal) . Dalam kedua kasus progeni dipilih terlepas dari ada atau tidak adanya alel yang menguntungkan di diduga toleransi kekeringan QTL dan dievaluasi di 21 lingkungan (non-stres, stres terminal dan stres gradien). Hibrida QTL MAS yang diturunkan secara signifikan, tetapi hanya sedikit, menghasilkan lebih tinggi baik secara penuh dan dalam lingkungan stres terminal parsial. Namun, keuntungan ini di bawah tekanan adalah pada biaya yield yang lebih rendah dari hibrida yang sama di bawah lingkungan non-stres. Hibrida QTL MAS diturunkan berbunga lebih awal dan telah membatasi anakan basal yang efektif, biomassa rendah dan indeks panen yang tinggi. Semua ciri-ciri ini mirip dengan yang dari kekeringan orangtua toleran sehingga mengkonfirmasikan efektivitas diduga kekeringan QTL toleran pada LG2 (Bidinger et al., 2005).

9.5.4 gen marker-assisted introgresi untuk sifat kualitas Nasi Beras kadar amilosa, terutama mengontrol dipimpin oleh gen wx, adalah contoh yang baik dari MAS. Ayres et al. (1997) menentukan

panjang, menengah dan pendek-butiran kultivar padi AS. Ketika digunakan sebagai prediktor

362

Bab 9

dari kadar amilosa, delapan alel ini menjelaskan rata-rata 85,9% dari variabel-asi. Produk diperkuat berkisar antara 103 bp ke 127 bp panjang dan berisi (CT) n mengulangi, di mana n berkisar antara 8 sampai Rata-rata kandungan amilosa di kultivar dengan alel yang berbeda bervariasi dari 14,9% menjadi 25,2%. Meskipun penanda mircrosatellite terletak di intron gen lilin, asosiasi lengkap antara alel penanda dan isi amilosa masih tergantung pada gen lain pemahaman sepenuhnya terlibat dalam sintesis pati. Untuk meningkatkan padi hibrida yang paling banyak ditanam, Zhou et al. (2003) berhasil memperkenalkan fragmen wx-MH dari garis pemulih Minghui 63 ke ster-ile garis lakilaki Zhenshan 97b, yang subse-quently ditransfer ke Zhenshan 97A, menggunakan MAS di tiga generasi silang balik diikuti oleh satu generasi selfing. Pengenalan fragmen ini telah meningkatkan kualitas memasak dan makan dari galur inbrida dan hibrida yang dihasilkan mereka, dengan kinerja agronomi dasarnya sama dengan garis pemelihara asli dan hibrida yang dihasilkan. Liu et al. (2006) digunakan MAS untuk bersilang dengan Wx-T alel (berunding kandungan amilosa menengah dan kualitas sehingga baik) menjadi dua pengelola digunakan secara luas (Longtefu dan Zhenshan 97) dan garis steril laki-rele-vant mereka untuk menghasilkan ditingkatkan hibrida indica. Garis-garis maintainer dihasilkan dan hibrida menunjukkan peningkatan masak-ing dan makan kualitas tanpa perubahan signifikan dalam sifat-sifat agronomi mereka.

Gandum Sun et al. (2005) digunakan urutan Novel situs tagged (STS) penanda untuk meningkatkan polyphenol oxidase (PPO) aktivitas di roti gandum. Breeding kultivar gandum dengan aktivitas PPO rendah adalah pendekatan terbaik untuk mengurangi penggelapan yang tidak diinginkan dari akhir-produk berbasis roti gandum, terutama untuk mie Asia. Berdasarkan urutan aktivitas PPO pendingin gen selama perkembangan kernel, 28 pasang primer dikembangkan. Salah satu tanda tersebut, PPO18, dipetakan ke kromosom 2AL, dapat memperkuat 685-bp dan fragmen 876-bp di kultivar dengan PPO tinggi dan rendah activ-dasarkan, masingmasing. analisis QTL menunjukkan bahwa gen PPO co-dipisahkan dengan STS penanda PPO18 dan berhubungan erat dengan Xgwm312 dan Xgwm294 pada kromo-beberapa 2AL, menjelaskan 28-43% dari varians phe-notypic untuk kegiatan PPO di tiga lingkungan. Sebanyak 233 kultivar gandum Cina dan garis canggih yang digunakan untuk memvalidasi korelasi antara fragmen polimorfik PPO18 dan aktivitas gandum PPO. Hasil penelitian menunjukkan bahwa PPO18 adalah penanda molekuler co-dominan, efisien dan dapat diandalkan untuk kegiatan PPO dan dapat digunakan dalam gandum program berkembang biak-ing menargetkan peningkatan kualitas mie.

Jagung Beras dengan kandungan glutelin rendah adalah baju-mampu untuk pasien yang terkena diabetes dan gagal ginjal. The LGC-1 lokus menganugerahkan glutelin rendah di gabah, terletak pada kromosom 2 antara mengapit spidol (Miyahara, 1999). Sifat ini telah SUC-cessfully dimasukkan ke dalam nasi japonica dengan 9397% efisiensi seleksi dengan menggunakan SSR2-004 dan RM358 penanda (Wang, YH et al., 2005). Selain itu, biji-bijian qual-ity ciri-ciri seperti berat 1000 biji, panjang kernel / rasio luas, jenis basmati aroma dan kandungan amilosa tinggi telah com-dikombinasi dengan resistensi

Endosperm dari biji jagung memiliki beberapa daerah yang berbeda yang memiliki sifat fisik yang berbeda. aleuron adalah lapisan luar endosperm, terdiri dari sel-sel khusus yang mengeluarkan enzim hidrolitik dur-ing perkecambahan. Di bawah aleuron adalah sel endosperm tepung diisi dengan pati dan penyimpanan protein, sehingga menciptakan dua daerah yang berbeda - endosperm 'vitreous' atau kaca dan endosperm 'tepung'. Endosperm vitreous mentransmisikan cahaya, sedangkan endosperm bertepung tidak. Biasanya, endosperm adalah 90 pati% dan 10% protein (Gibbon dan ~

triptofan), memiliki leusin tinggi: rasio isoleusin dan biologi


Nilai (Babu et al., 2004). Sebuah alami resesif mutan opaque2 gen, diamati pertama dalam jenis tanaman jagung Peru, memberikan penampilan kapur untuk kernel dan telah meningkatkan kualitas protein karena peningkatan kadar lisin dan triptofan dalam endosperm (Mertz et al., 1964). Namun, sifat ini tampaknya terkait dengan infe-rior sifat agronomi seperti kerapuhan dan meningkatkan kerentanan terhadap hama serangga. Dengan ditemukannya 'pengubah gen' yang mengubah lembut, tekstur tepung dari endosperm, peternak jagung dikembangkan keras endosperm mutan o2 ditunjuk sebagai 'Kualitas Protein Jagung' (QPM) (Prasanna et al, 2001;. Nelson, 2001; Xu et al., 2009d) yang memiliki phe-notypes dan potensi hasil jagung normal tetapi mempertahankan konten lisin meningkat dari o2. Opaque2 adalah sifat resesif namun karena efek dari pengubah, QPM berperilaku sebagai sifat kuantitatif. Menggunakan SSRs dan berkembang biak silang balik, Babu et al. (2005) mengembangkan lini jagung yang memiliki dua kali jumlah lisin dan triptofan dibandingkan dengan kultivar lokal dan pulih hingga 95% dari berulang par-ent genom dalam dua generasi silang balik.

Jelai Malt merupakan bahan baku utama untuk produksi-tion bir. Karakter yang mempengaruhi kualitas malting termasuk konten ekstrak malt,Sebuah- dan bKegiatan -amylase, listrik diastatic, malt b konten -glukan, malt b -glucanase activ-ity, kandungan protein biji-bijian, kebayakan kernel dan dormansi, semua kuantitatif inher-ited dan beragam dipengaruhi oleh environment (Zale et al., 2000). Ada beberapa kultivar barley malt dengan kualitas baik yang bir enggan untuk mengubah dari karena kekhawatiran mereka tentang perubahan yang dihasilkan dalam rasa dan pembuatan bir prosedur. Untuk ujian-ple, tujuan dari program pemuliaan jelai US Pacific Northwest adalah untuk menghasilkan Nils unggul yang mempertahankan karakteristik kualitas malting tradisional namun transfer QTL terkait dengan hasil, melalui MABC, dari cv unggul. Baronesse ke Amerika Utara dua baris industri malting barley standar cv. Harrington.

363

QTL yang mempengaruhi hasil. Menggunakan silang balik berkembang biak-ing dan informasi QTL / marker, mereka iden-tified sebuah NIL (00-170) bahwa ketika dievaluasi untuk hasil lebih dari 22 lingkungan dan kualitas malt lebih dari enam lingkungan, yield yang dihasilkan sama dengan Baronesse sambil mempertahankan malt Harrington seperti profil kualitas. Penelitian lain juga melaporkan perkembangan garis dengan peningkatan kualitas malt: warna aleuron putih dan tinggiSebuahkonten -amylase (Ayoub et al., 2003) dan tinggi b-glukan dan fine-kasar perbedaan (Igartua et al., 2000).

9.6


piramida Gen pyramiding adalah proses yang membawa gen atau alel tersebar di kultivar yang berbeda menjadi sebuah kultivar / genotipe. QTL piramida merupakan strategi penting untuk membangun kembali output dari penelitian genomik reduksionis ke seluruh ciri-ciri nilai untuk perbaikan tanaman. Gen dapat Pyra-mided melalui pemuliaan silsilah oleh persilangan yang melibatkan beberapa baris orangtua mengandunging alel menguntungkan yang berbeda atau MABC untuk bersilang mereka alel ke latar belakang genetik yang sama. Salah satu pendekatan untuk metode silsilah adalah dengan menggunakan Nils. Setelah QTL diinginkan telah terdeteksi, maka Nils dihasilkan untuk setiap QTL di latar belakang genetik elit com-mon dan efek masing-masing QTL dievaluasi secara individual. Nils yang dipilih mengandung QTL yang paling penting untuk sifat sasaran dikenakan pasangan-bijaksana melintasi ke piramida dua atau lebih QTL untuk satu atau lebih ciri-ciri sasaran. Misalnya, dalam QTL beras untuk peningkatan jumlah gabah (Gn1) dan QTL untuk mengurangi tinggi tanaman [Ph1 (sd1)] yang pyramided di Koshihikari back-ground menghasilkan peningkatan 23% dalam hasil gabah sekaligus mengurangi tinggi tanaman sebesar 20% dibandingkan dengan Koshihikari (Ashikari et al., 2005).

Kesempatan besar yang ditawarkan oleh MAS untuk memilih garis unggul berdasarkan genotipe

364

Bab 9

merupakan racun diperkenalkan daripada fenotipe menjadi jelas jelas, terutama dalam kasus combin-ing gen ketahanan sederhana warisan yang berbeda dari efek besar untuk patogen tertentu dalam genotipe tunggal (gen pyramiding). Gen pyramiding sangat penting untuk pembibitan tahan penyakit. Ini adalah menggunakan pendekatan-ful untuk daya tahan atau tingkat hama dan penyakit resistensi, atau untuk meningkatkan tingkat toleransi stres abiotik. Gen mengendalikan ketahanan terhadap ras yang berbeda atau biotipe hama atau patogen dan gen berkontribusi terhadap sifat kualitas agronomi atau biji dapat pyramided bersamasama untuk maxi-mize kepentingan MAS melalui perbaikan simulta-neous dari beberapa ciri di latar belakang genetik ditingkatkan. Gen Pyramiding beberapa gen ketahanan terhadap penyakit yang berbeda dapat menawarkan imbalan keuangan besar melalui memperpanjang umur kultivar baru. pendekatan seperti itu telah digunakan untuk transfer silang balik dari QTL ketahanan penyakit bulai di pearl millet (Witcombe dan Hash, 2000).

Banyak laporan telah tersedia untuk gen penanda yang dibantu pyramiding meskipun beberapa dari mereka menghasilkan pelepasan kultivar com-komersil. Tabel 9.3 mencantumkan beberapa contoh rep-resentative dari barley, kacang umum, beras, kedelai dan gandum, yang sebagian besar adalah gen utama. Gen pyramiding termasuk kombinasi gen untuk ketahanan terhadap beberapa ras penyakit yang sama, gen untuk ketahanan terhadap penyakit yang berbeda dan gen untuk penyakit dan resistensi serangga. Dalam beras, tiga gen ketahanan ledakan telah pyramided menjadi satu kultivar. Pertama, tiga gen resistensi ledakan (Pi2, Pi-1 dan Pi-4) dipetakan ke kromosom padi 6, 11 dan 12. Gene piramida dimulai dengan tiga Nils, masing-masing membawa salah satu gen. Setelah dua siklus persimpangan dan seleksi, tanaman yang mengandung tiga diperoleh dan telah digunakan sebagai sumber gen ini dalam pemuliaan tanaman. Sebuah program pemuliaan terintegrasi termasuk MAS digunakan untuk meningkatkan sebuah padi hibrida elit, 'Shanyou 63', persilangan antara 'Zhenshan 97' dan

bagi

penggerek

batang

menjadi 'Minghui 63' melalui transformasi. Sebuah alel pada lokus Wx dari 'Minghui 63' dipindahkan oleh MAS untuk 'Zhenshan 97' untuk meningkatkan memasak dan makan kualitas hybrid, sehingga versi baru dari 'Zhenshan 97' dengan media amilosa con-tenda, soft gel konsistensi dan suhu tinggi gelatinization. The piramida Bt, Xa21 dan gen wx menciptakan peningkatan 'Shanyou 63' (Dia et al., 2002). contoh SUC-cessful lainnya beras termasuk peningkatan garis pyramided dan kultivar berisi-ing kombinasi gen untuk hawar bakteri, ledakan, wereng coklat, penggerek batang kuning dan hawar pelepah. Dalam gandum, embun tepung (PM2, Pm4a, PM6, PM8 dan Pm21) garis pyramided dan mereka dengan resistensi terhadap Fusarium kepala hawar (enam QTL), orange blossom midge (Sm1) dan karat daun (Lr21) dibiakkan melalui MAS. Resistensi terhadap jelai virus mosaik ringan dan barley kuning kompleks virus mosaik dan stripe karat telah terpisah dimasukkan melalui MAS di barley. Banyak dari garis pyramided menunjukkan peningkatan ketahanan terhadap hama dan penyakit, beberapa bahkan keluarmenghasilkan con-Trols bawah penyakit yang tinggi atau tekanan hama dalam kondisi lapangan. Dalam kacang-kacangan, resistensi karat dan antraknosa (QTL) telah comdikombinasi dalam kacang umum.

Gen pyramiding melalui 9.6.2 penanda yang dibantu seleksi berulang

Penanda-dibantu berulang seleksi (MARS) skema dan infrastruktur telah dikembangkan untuk 'maju berkembang biak' gen asli dan QTL untuk sifat yang relatif com-plex seperti ketahanan terhadap penyakit, toleransi stres abi-otic dan hasil gabah (Ribaut dan Betrán, 1999; Ragot et al, 2000;. Ribaut et al, 2000;. Eathington, 2005; Crosbie et al, 2006).. Eathington (2005) dan Crosbie et al. (2006) melaporkan bahwa tingkat keuntungan genetik dicapai melalui MARS pada jagung adalah sekitar dua kali orang-orang dari PS pada beberapa populasi ref-selisih. skema seleksi

Tabel 9.3. Contoh gen penanda yang dibantu pyramiding untuk ketahanan terhadap cekaman biotik pada tanaman. Tanaman dan sasaran sifat

Gene

Jelai mosaik kuning

rym4, rym5, rym9

virus dan barley ringan virus mosaik

dan rym11

skema pemuliaan Sederhana dan kompleks melintasi menggunakan haploids ganda silang balik yang berasal garis introgresi

Marker

produk MAS

Referensi

RAPDs dan SSRs

DHs membawa rym4,

Werner et al. (2005)

rym9 dan rym11 dan mereka dengan rym5, rym9 dan rym11

Jelai stripe karat

QTL (1H, 4H dan 5H)

kacang umum karat

Sembilan gen utama tiga backcrosses masing-masing untuk karat dan antraknosa

RAPDs

Xa4, xa5, xa13

pemuliaan pedigree

RFLPs

Xa7 dan Xa21

pemuliaan pedigree

6 PCR berbasis spidol

Xa21 dan Xa7;

pemuliaan pedigree

AFLP 1415, STS P3,

(Uromyces appendiculatus) dan antraknosa (Colletotrichum lindemuthianum) lindemuthianum) Nasi hawar bakteri (BB)

SSR

bt (SB); PI1, PI2, PI3; PI3; dan Qbph1 dan Qbph2

Richardson et al. (2006)

Faleiro et al. (2004)

karat dan antraknosa

dan Xa21

Nasi hawar bakteri (BB), penggerek batang (SB), ledakan, dan wereng coklat (BPH)

garis introgresi membawa 1H, 4H atau 5H secara individu atau dalam kombinasi Garis menggabungkan resistensi

M5, 248, RM144, RM224 dan PI2

garis Pyramided menunjukkan spektrum yang lebih luas dari resistensi terhadap BB garis Pyramided menunjukkan resistensi kuat untuk BB dari baris dengan gen tunggal Peningkatan 'Minghui 63' menampilkan lebih luas resistensi terhadap BB dan resistensi gabungan untuk BB dan SB, dan ditingkatkan 'Zhenshan 97' menunjukkan ketahanan

Huang et al. (1997)

Zhang, J. et al. (2006)

Dia, Y. et al. (2004)

Nasi hawar kuning pe (YSB), hawar pel (Rhizocto

5

6

3

k

te

k

ra

P

i:

s

k

le

e

S

tu

n

a

ib

-d

a

d

n

a

n

e

P

3 6 6

Tabel 9.3. terus-menerus Tanaman dan sasaran sifat

Gene

skema pemuliaan

Marker

produk MAS

Referensi

Nasi Ledakan (BL) [Magnaporthae grisea

PI1, Piz-5 dan Pita

pemuliaan pedigree

RFLPs

Garis pyramided menunjukkan lebih baik resistensi terhadap ledakan

Hittalmani et al. (2000)

(Herbert) BORR. (Anamorphe Pyricularia oryza Cav.)] Nasi Ledakan (BL) dan hawar bakteri (BB)

Kedelai jagung earworm (CEW) (Helicoverpa zea Boddie)

DC. F. tritici Em. Marchal)

Piz-1 dan Pi (BL) dan Xa21 (BB QTL dan Bt (cry1A

cry1Ac dan (PI 229.35 Kedelai earworm jagung dan looper kedelai (Pseudoplusia includens)

Gandum kepala Fusarium hawar (FHB) (Fusarium graminearum), Jeruk midge blossom (Sitodiplosis mosellana) dan karat daun (Lr21) Gandum embun tepung (Erysiphe graminis

Enam FHB Sm1 untu dan Lr21 daun karat

PM2, Pm4a, PM6, PM dan Pm21

B a b 9

Sebuah

RAPD, RAPD; SCAR, urutan ditandai daerah diperkuat.


toleransi abiotik stres (Ragot et al., 2000) dan beberapa sifat yang menjadi target secara bersamaan. indeks Seleksi rupanya didasarkan pada sepuluh sampai mungkin lebih dari 50 lokus, ini menjadi baik QTL diidentifikasi dalam populasi eksperimental di mana MARS sedang digagas, QTL diidentifikasi dalam populasi lain, atau gen. Penanda gen-otypes dihasilkan untuk semua penanda sayap-ing QTL termasuk dalam indeks seleksi (Ragot et al., 2000). Tanaman yang genotipe pada setiap siklus dan kombinasi spesifik tanaman yang dipilih untuk penyeberangan, sebagai pro-ditimbulkan oleh van Berloo dan Stam (1998). Beberapa, mungkin 3-4, siklus atau MARS dilakukan per tahun dengan menggunakan con-tinuous pembibitan. Hasil yang dilaporkan di ini komunikasi terbaru tentang pri-vate MARS percobaan (Ragot et al, 2000;. Eathington, 2005) adalah kontras dengan orangorang dalam publikasi sebelumnya (Openshaw dan Frascaroli, 1997;. Moreau et al, 2004). Seperti dirangkum oleh Ragot dan Lee (2007), respon seleksi ini dapat dikaitkan dengan:

ukuran agak besar dari populasi sub-mitted seleksi pada setiap siklus; (Ii) penggunaan mengapit dibandingkan penanda tunggal; (Iii) seleksi sebelum berbunga; (Iv) meningkatkan jumlah generasi dari satu sampai empat generasi per tahun; dan (v) biaya yang lebih rendah dari titik penanda data.

9.7

Marker-assisted Hybrid Ramalan

kinerja hibrida sangat tergantung pada menggabungkan kemampuan gen-eral (GCA) dari garis orangtua dan spesifik menggabungkan kemampuan (SCA) antara orang tua. GCA didefinisikan sebagai atribut dari garis inbrida dan diukur sebagai rata-rata kinerja semua hibrida dibuat dengan garis inbrida sebagai orangtua. Semakin tinggi GCA dari bawaan, semakin tinggi rata-rata kinerja hibrida nya. SCA didefinisikan untuk kombinasi tertentu dari orang tua dan diukur dengan penyimpangan kinerja

367

kinerja hibrida dapat diukur dengan heterosis, kinerja hibrida melalui jalur orangtua mereka. Misalkan peternak memiliki 100 inbrida dari grup heterotik 1 dan 100 inbrida dari kelompok heterosis 2. Ada 10.000 possi-ble (kelompok 1 × kelompok 2) tunggal salib. Untuk mengembangkan hibrida baru, ada 495.000 mungkin (kelompok 1 F2) × (kelompok 2 tester) kombinasi dan 495.000 mungkin (kelompok 1 tester) × (kelompok 2 F2) kombinasi, jika testcrossing dimulai dari F2. Karena sumber daya yang terbatas, peternak tidak dapat menguji semua kombinasi di semua lingkungan yang menarik tetapi mungkin menguji seperangkat terbatas salib dosa-gle dan F2 × kombinasi tester. Biasanya, <1% dari jagung salib tunggal diuji oleh peternak akhirnya menjadi com-komersil hibrida (Hallauer, 1990). Oleh karena itu, memprediksi kinerja hybrid selalu menjadi tujuan utama dalam semua program hybrid-breeding. Metode untuk memprediksi-ing kinerja salib tunggal akan sangat meningkatkan efisiensi program pemuliaan hibrida. Pengembangan metode yang dapat diandalkan untuk memprediksi hybrid per-Formance dan / atau heterosis tanpa generat-ing dan pengujian ratusan atau ribuan kombinasi silang tunggal telah menjadi tujuan dari banyak penelitian menggunakan data penanda dan kombinasi dari penanda dan data fenotipik, terutama di jagung dan Nasi.

9.7.1 dasar genetik heterosis QTL untuk heterosis Heterosis adalah fisiologis phe-nomenon kompleks dipengaruhi oleh banyak faktor. Yield adalah sifat yang paling penting dalam analisis het-erosis berbasis tanaman. Memahami dasar genetik heterosis merupakan dasar untuk prediksi hybrid. Beberapa yang berbeda hypoth-eses telah diusulkan untuk penjelasan dari heterosis. Di antara hipotesis ini, argu-KASIH berfokus pada hipotesis dominasi (Davenport, 1908) dan overdominance hipotesis (East, 1908; Shull,

368

Bab 9

peran dalam kontrol genetik dari kedua sifat kuantitatif dan heterosis. Dominasi hypoth-ESIS mengusulkan bahwa hasil heterosis dari pembatalan efek dari alel resesif merugikan, disumbangkan oleh salah satu orang tua, oleh alel dominan disumbangkan oleh orang tua lainnya di F1 heterozigot. Hipotesis ini menekankan kontribusi dominasi untuk heterosis. Hipotesis overdomi-nance mengasumsikan bahwa kombinasi het-erozygous spesifik alel pada lokus tunggal lebih unggul baik dari kombinasi homozigot dari alel orangtua pada lokus itu. Dengan pengembangan penanda molekuler, QTL pemetaan beras dan jagung membahas model klasik dengan memecah heterosis faktor-faktor Mendel dan menilai mode mereka warisan (Stuber et al, 1992;. Xiao et al, 1995;.. Yu et al, 1997a ; Li, ZK et al, 2001;.. Luo et al, 2001;. Hua et al, 2002, 2003;. Lu, H. et al, 2003). Bukti-bukti menunjukkan bahwa kedua dominasi dan lokus spesifik overdominance memiliki peran dalam heterosis, dengan beberapa keterlibatan epista-sis, meskipun kontribusi relatif dari masing-masing mekanisme ini masih belum jelas. Gagak (1999, 2000) memberikan tinjauan historis pada dominasi dan overdominance hypoth-eses. Xu, Y. (2003) dan Lippman dan Zamir (2007) memberikan ulasan tentang semua hipotesis yang mungkin termasuk epistasis.

Dalam banyak investigasi, gen untuk hasil per se dan gen untuk berhubungan yield heterosis telah bingung dengan satu sama lain. Laporan di tahun 1990-an di dominasi (Xiao et al., 1995), overdominance (Stuber et al., 1992) dan epistasis (Yu et al., 1997a) didasarkan pada penggunaan hasil dan hasil compo-komponen-per se untuk mengukur kinerja hybrid tanpa menggunakan garis orangtua sebagai kontrol untuk menurunkan nilai untuk mid-orang tua atau lebih baik orang tua heterosis. Metode ukuran-ment akan mengidentifikasi gen untuk hasil dan komponen hasil daripada gen untuk heterosis. Untuk spesies terbuka diserbuki seperti jagung, yang memiliki depresi penangkaran sanak parah, sangat sulit (jika tidak mustahil) untuk melakukan perbandingan side-by-side dari hibrida F1 dengan orang tua mereka. Tapi, secara teoritis, perbandingan ini mutlak diperlukan jika het-

Beberapa penyelidikan dilaporkan nanti untuk analisis genetik heterosis per se beras. Li, ZK et al. (2001) meneliti dasar genetik heterosis pada padi menggunakan 254 RILs berasal dari persilangan antara 'Lemont' (japonica) dan 'Teqing' (indica) dan dua silang balik dan dua uji silang popula-tions berasal dari persilangan antara RILs dan orang tua mereka ditambah dua penguji (Zhong 413 dan IR64). Akibatnya, sebagian besar QTL asso-diasosiasikan dengan penurunan hasil gabah dan bio-massa, atau dengan heterosis beras muncul untuk terlibat dalam epistasis dan sekitar 90% dari QTL kontribusi untuk heterosis tampaknya overdominant. Hua et al. (2002, 2003) merancang skema kawin yang dihasilkan 'diabadikan' populasi F2 tetap atau, menggunakan populasi 240 RILs berasal dari Zhenshan 97×Minghui 63 lintas. Dalam desain ini, persilangan dibuat antara RILs dipilih oleh permutasi acak dari 240 RILs. Dalam setiap putaran permuta-tion, 240 RILs secara acak dibagi menjadi dua kelompok dan garis di kedua kelompok dipasangkan secara acak tanpa ganti-ment untuk memberikan orang tua untuk 120 salib. Tiga putaran permutasi acak tersebut, termasuk 360 salib, mengakibatkan dua con-clusions. Pertama, semua jenis efek genetik, termasuk single-lokus efek heterosis disebabkan kebanyakan oleh overdominance dan ketiga bentuk interaksi digenik (aditif oleh aditif, aditif oleh dominasi dan dominasi oleh dominasi) tampaknya memainkan peran dalam dasar genetik heterosis di yang 'diabadikan F2' populasi. Namun, QTL tidak baik dipetakan, meninggalkan terbuka kemungkinan bahwa, seperti dalam jagung, efek tunggal lokus adalah karena untuk pseudo-overdominance, bukan overdominance benar. Kedua, satu-lokus efek heterosis dan interaksi dominasi-by-dominasi bisa, bersama-sama, cukup menjelaskan dasar genetik heterosis di hybrid F1.

Untuk menilai pentingnya lokus dengan overdominant (Odo) efek dalam ekspresi heterosis, Semel et al. (2006) yang digunakan Nils, membawa satu segmen chro-mosome penanda-didefinisikan dari jauh terkait spesies


369

pertumbuhan sel dan pemeliharaan, transduksi sinyal, photosyngenom-lebar epistasis. Mereka terdeteksi 841 QTL untuk 35 sifat yang beragam. Nils show-ing kebugaran reproduksi yang lebih besar adalah char-acterized dengan prevalensi Odo QTL, yang hampir tidak ada untuk sifat non-reproduksi. Odo hasil dari Odo benar karena interaksi alel dari gen tunggal atau dari Odo semu yang melibatkan terkait lokus dengan alel dominan dalam tolakan. Dalam studi mereka, meskipun mereka terdeteksi domi-nant dan QTL resesif untuk semua sifatsifat fenotipik tapi Odo hanya untuk sifat-sifat reproduksi menunjukkan bahwa semu Odo tidak mungkin untuk menjelaskan heterosis di NIL, sehingga mereka mendukung model Odo benar, fungsional lokus Mendel tunggal, terlibat dalam heterosis.

Analisis ekspresi gen dari heterosis Menggunakan analisis serial ekspresi gen (SAGE), Bao et al. (2005) yang disurvei transcripomes dalam malai, daun dan akar dari beras super-hybrid (LYP9) dibandingkan dengan orangtua inbrida kultivar genotipe nya (93-11 dan PA64s). Mereka mengidentifikasi 595 upregulated dan 25 tag menurunkan regulasi di LYP9 yang terkait dengan peningkatan karbon-dan nitrogen-asimilasi, termasuk photosyn-tesis dalam daun, serapan nitrogen di akar dan pertumbuhan yang cepat di kedua akar dan panicles. Mereka menemukan komplementasi besar di tingkat transkrip yang lebih lanjut menunjukkan bahwa mekanisme yang mendasari hetero-sis mungkin tidak sesederhana telah dilaporkan dari studi dari sejumlah kecil gen (Birchler et al., 2003). Yao et al. (2005) menggunakan hibrida antarspesies antara gandum umum (Triticum aestivum L., 2n = 42, AABBDD) baris 3338 dan dieja (Triticum spelta L., 2n = 42, AABBDD) baris 2463, yang sangat heterosis baik untuk pertumbuhan udara dan untuk sifat terkait root. Dalam penelitian mereka mereka termasuk sebuah uji ekspresi menggunakan dimodifikasi penekanan subtrac-tive hibridisasi (SSH) untuk menghasilkan empat perpustakaan cDNA dikurangi antara hybrid gandum dan genotipe orangtua nya. Dari 748 cDNA non-redundant

tesis, respon terhadap stres, transkripsi regmodulasi dan lain-lain. Mereka lebih lanjut menegaskan pola ekspresi 68,2% SSH yang diturunkan cDNA dengan reverse blot Utara, sedangkan semi-kuantitatif RT-PCR menunjukkan hasil yang sama (72,2%). Hal ini menunjukkan bahwa gen diferensial dinyatakan antara hibrida dan orang tua mereka yang terlibat dalam jalur fisiologis yang beragam, yang dapat berkontribusi untuk heterosis dalam gandum. Jagung galur inbrida B73 dan Mo17 proDuce F1 hibrida heterosis. Berdasarkan analisis dengan 13.999 microarray cDNA, SwansonWagner et al. (2006) dibandingkan pat-dara-laut global ekspresi gen di bibit hibrida (B73 × Mo17) dengan orang-orang dari genotipe paren-tal-nya. Sebanyak 1367 menyatakan urutan tag (EST) diamati secara signifikan diferensial dinyatakan, menggunakan sekitar 15% tingkat penemuan palsu sebagai terputus. Semua kemungkinan mode aksi gen yang diamati, termasuk aditivitas, tinggi dan rendah tua dominasi, underdominance dan overdominance. Sebanyak 1062 dari 1367 EST (78%) dipamerkan ekspresi tepuk-dara-laut yang secara statistik tidak membedakan-mampu dari add itivity sedangkan 305 EST tersisa dipamerkan ekspresi gen non-aditif. Sekitar 181 dari 305 EST non-aditif dipamerkan dominasi tinggi-tua, 23 EST menunjukkan dominasi rendah-orang tua, sementara 44 EST ditampilkan underdominance atau overdominance. Hasil ini menunjukkan bahwa mekanisme genetik beberapa, termasuk overdominance, berkontribusi untuk heterosis. Hal ini bertentangan dengan penelitian sebelumnya yang melaporkan heterosis disebabkan aksi gen hanya satu set kecil gen jagung (Song dan Messing, 2003;. Guo et al, 2004; Auger et al., 2005). Analisis lebih lanjut dari variasi alel dalam ekspresi gen dalam jagung hibrida dan garis orangtua-nya (B73 dan Mo17) identi-fied subset dari 27 gen yang differen-tially dinyatakan dalam garis orangtua. Ketika kontribusi transkripsi masing-masing alel dari garis inbrida dianalisis in hybrid, mayoritas dari ekspresi differen-esensial diamati disebabkan oleh variasi cis-peraturan dan bukan karena dif-ferences faktor regulasi transacting. Ini menunjukkan dominasi ekspresi aditif dan kurangnya efek epistatik,

370

Bab 9

mereka tidak bisa mengatakan perbedaan berkontribusi produksi sebagai gen tunduk cis-peraturan varia-tion diharapkan akan diungkapkan pada pertengahan orang tua, atau aditif, tingkat di hibrida (Stuper dan Springer, 2006). Menggunakan 57.000 jagung gen spesifik panjang oligonukleotida microarray mengandung sekitar 32.000 gen untuk mempelajari ekspresi gen diferensial antara jagung hibrida dan genotipe parental nya (B73 dan Mo17), Scheuring et al. (2006) mengungkapkan bahwa setidaknya 800 gen yang diekspresikan pada dua tingkat sepuluh kali lipat lebih tinggi di hibrida dari genotipe induk. Menggunakan Massively Paralel Signature Sequencing (MPSS), mRNA profil teknologi terbuka, hampir 400 alel pasang tag tanda tangan, Yang, X. et al. (2006) menemukan 60% dari gen dinyatakan dalam meristem hibrida berbeda secara signifikan dalam tingkat transkrip spesifik alel dibandingkan dengan genotipe parental. Ini menunjukkan melimpah-tarian dari polimorfisme cis-peraturan yang mempengaruhi ekspresi gen meristem hybrid. Selanjutnya, ketika membandingkan expres-sion dari alel yang sama di hybrid dibandingkan orang tua bawaan, mereka menemukan 50% dari gen diekspresikan pada tingkat yang berbeda secara signifikan. Perbedaan tersebut dalam ekspresi kemungkinan akan dikaitkan dengan efek dari faktor transacting yang berbeda antara hibrida dan inbrida. Sementara cis-peraturan variasi pra-dicts aditif ekspresi, trans-peraturan dapat mengakibatkan ekspresi non-aditif dalam hibrida. Dengan demikian, mempelajari efek dari regulasi transcript pada tingkat spesifik alel menyediakan tingkat yang berbeda pemahaman regulasi gen daripada berfokus pada ekspresi secara keseluruhan dalam hibrida.

Seperti yang ditunjukkan oleh Lippman dan Zamir (2007), namun, perbedaan metodologi samping, masalah mendasar dalam studi ini adalah bahwa mereka tidak dapat mengaitkan pola ekspresi baru dalam hibrida dengan fenotipe heterosis. Karena terlalu banyak lokus telah terungkap berbeda antara dua induk, masalah utama adalah untuk di bawah-berdiri lebih lanjut yang benar-benar peduli dengan ekspresi heterosis. Hal ini sangat mirip dengan situasi di

bagaimana

hybrid heterosis. ekspresi pemetaan QTL (eQTL) dan pengujian apakah ada asso-ciation antara eQTL dan fenotipik QTL harus menjadi langkah logis berikutnya. Namun, dapat diharapkan bahwa banyak eQTL akan diidentifikasi di seluruh spesies yang berbeda dan populasi, yang akan mengulangi nya-tory pemetaan QTL fenotipik mana banyak QTL telah diidentifikasi tetapi tidak ada yang dapat dikonfirmasi untuk efek heterosis mereka. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk iden-tifikasi yang QTL yang secara genetik mengontrol hetero-sis dan interaksi mereka dalam jaringan gen terkait efek heterosis di seluruh genom.

Prospek secara genetik heterosis Heterozigositas dan gen terkait antar-tindakannya merupakan dasar genetik utama untuk penjelasan heterosis karena hybrid adalah heterozigot di semua lokus genetik yang berbeda antara orang tua. Dengan demikian, tingkat heterosis tergantung pada lokus yang het-erozygous dan bagaimana dalam-lokus alel dan alel antar-lokus berinteraksi satu sama lain (Xu, Y., 2003). Interaksi dalam-lokus alel hasil di dominasi, dominasi parsial, atau overdominance, dengan berbagai theo-retical derajat dominasi dari nol (tidak ada dominasi) untuk lebih besar dari 1 (overdominance). Interaksi antar lokus alel hasil di epistasis. Hasil pemetaan genetik telah menunjukkan bahwa sebagian besar QTL terlibat dalam heterosis dan sifat-sifat kuantitatif lainnya memiliki efek dominasi. Sebagai metode statistik yang dapat memperkirakan epistasis lebih efisien menjadi tersedia, epistasis telah ditemukan lebih sering dan terbukti menjadi fenomena umum di kontrol genetik dari sifat quan-titative termasuk heterosis (Xu, Y., 2003). Dengan begitu banyak lokus genetik yang terlibat, tidak mungkin bahwa tidak ada interaksi sama sekali antara setiap pasangan dari mereka.

Dapat disimpulkan bahwa dua jenis interaksi alel, baik di dalam-lokus dan antar-lokus, memainkan peran penting dalam kontrol genetik dari heterosis. Kontribusi dari lokus khusus untuk het-erosis bisa karena salah satu jenis interaksi ini. Ketika beberapa lokus yang terlibat yang


di awal 1900-an, berbagai kombinasi dalam-lokus dan interaksi antar-lokus (terutama dominasi-bydominasi antar-action) dapat berkontribusi pada genetik con-trol heterosis. Untuk lintas tertentu dan sifat tertentu, heterosis mungkin menjelaskan-bisa oleh satu jenis interaksi ini (Xu, Y., 2003). Untuk salib yang berbeda, spe-badan-, atau ciri-ciri, bagaimanapun, heterosis mereka harus dijelaskan oleh dominasi derajat yang berbeda dalam kombinasi dengan semua interaksi antar lokus possi-ble, seperti yang ditunjukkan oleh Goldman (1999). Pemahaman yang penuh heterosis akan tergantung pada kloning dan analisis func-tional dari semua gen yang terkait dengan heterosis. Proses ini akan sangat simi-lar untuk yang untuk memahami penyakit menolakterorganisir gen yang fungsional muncul jauh lebih sederhana dari heterosis.

9.7.2 kelompok heterotik

371

komponen in hybrid pemuliaan bagi banyak tanaman. Introgressing plasma nutfah yang eksotis sering disarankan sebagai pendekatan untuk meningkatkan perbedaan genetik antara menentang populasi heterosis, sehingga berpotensi semakin meningkat-ing respon heterosis. Pemahaman tentang hubungan heterotik antara populasi diperlukan untuk mengeksploitasi plasma nutfah yang eksotis intelligently. Melchinger dan Gumber (1998) Ulasan pengembangan kelompok heterotik di lima tanaman utama dengan berbagai sistem pollination: jagung allogamous dan gandum hitam; sebagian allogamous faba kacang dan pemerkosaan biji minyak; dan beras autogamous. Sebuah penjelasan yang mungkin untuk kelompok heterosis adalah bahwa populasi latar belakang genetik yang berbeda memiliki keragaman alel unik yang mungkin timbul dari efek pendiri, pergeseran genetik, atau akumulasi keragaman alel unik dengan mutasi atau selection. Secara signifikan heterosis yang lebih besar dapat mengakibatkan dari keanekaragaman genetik ini dengan interaksi tertentu interallelic (overdominance), tolakan-fase hubungan antara lokus acara-ing dominasi (pseudooverdominance) (Havey, 1998) dan / atau interaksi antar-lokus (epistasis). Ternyata, kelompok heterotik potensial yang paling jelas adalah baik geo-grafis populasi dipisahkan atau subspesies Sepa-rate dan ekotipe. Melchinger dan Gumber (1998) direkomendasikan kriteria folmelenguh untuk identifikasi kelompok heterotik dan pola dalam Turun-ing urutan pentingnya: (i) rata-rata tinggi per-Formance dan varians genetik yang besar pada populasi hybrid untuk memastikan masa depan selec-tion tanggapan; (Ii) kinerja tinggi per se dan adaptasi yang baik dari kedua atau setidaknya salah satu kelompok heterotik orang tua; (Iii) rendah depresi inbreeding dalam sumber pasangan-rial untuk pengembangan inbrida; dan

kelompok heterosis merupakan tulang punggung dari pemuliaan hibrida suc-cessful. Dalam kebanyakan kasus, berkembang biak bagi heterosis tanpa pengetahuan tentang pola heterotik telah terbukti menjadi pendekatan hitor-miss (Jordaan et al., 1999). Konsep kelompok heterotik atau kolam heterosis pertama kali dikembangkan pada jagung, berdasarkan pengamatan bahwa inbrida yang dipilih dari populasi tertentu cenderung menghasilkan hibrida berkinerja lebih baik ketika menyeberang ke inbrida dari kelompok lain (Hallauer et al., 1988). Pengakuan ini dihasilkan dari persimpangan sistematis ribuan jalur anakan dari populasi sumber yang berbeda dan evaluasi hibrida (Havey, 1998). Dalam tinjauan menangkap heterosis dalam untuk usia pengembangan tanaman kultivar, Brummer (1999) menunjukkan bahwa kunci untuk produksi semi-hybrid yang sukses adalah untuk menjaga kelompok heterotik terpisah, hanya kawin silang mereka untuk sistem CMS yang stabil tanpa efek samping pengujian dan rilis. Breeding hibrida yang sangat heter-otic sangat tergantung pada pemilihan orang deleteri-ous, serta restorasi yang efektif dan tua diinginkan sebagai prasyarat untuk sebagian pengelola, jika pemuliaan hibrida didasarkan besar program pemuliaan hibrida dan dengan pada CMS. demikian tergantung pada keragaman genetik

Dengan sejumlah besar jalur anakan atau penyerbukan terbuka atau populasi yang tersedia, tersed ia, itu tidak layak di sebagian besar tanaman untuk membuat dialil

372

Bab 9

plasma nutfah batu lebih utara dari BSSs (Smith, 1986; Gerdes dan Tracy, 1993). Dengan salib dan menghasilkan benih F1 yang cukup untuk multi-lingkungan uji coba lapangan. Oleh karena itu, Melchinger dan Gumber (1998) menyarankan prosedur multi-tahap untuk mengidentifikasi kelompok heter-otic, yang terdiri dari langkah-langkah berikut: (i) mengelompokkan plasma nutfah yang berdasarkan kemiripan genetik; (Ii) pemilihan mewakili-ative genotipe (misalnya dua atau empat baris atau satu populasi) dari masingmasing subkelompok untuk salib dialil produksiing; (Iii) evaluasi dial-lel melintasi antara subkelompok bersama-sama dengan orang tua dalam uji coba lapangan replikasi; dan pemilihan kombinasi lintas paling menjanjikan sebagai pola heterosis potensi menggunakan kriteria identifikasi. Jika pola heterotik pem-lished yang tersedia, menggunakan uji-ers untuk produksi dan evaluasi plasma nutfah harus diklasifikasikan dipilih genotipe elit dari mereka dianjurkan. Berdasarkan kinerja uji silang, popula-tions atau garis memiliki sejenis menggabungkan abil-ity dan respon heterosis dapat digabungkan untuk membentuk kelompok heterotik independen baru, jika mereka berperilaku berbeda dari kelompok heterotik yang ada; Namun, jika perilaku mereka mirip dengan kelompok heter-otic yang ada, mereka bisa digabung dengan itu untuk memperbesar basis genetik. pola heterosis pada spesies tanaman banyak telah dibentuk semata-mata didasarkan pada sejumlah besar tes-salib dan pengalaman berkembang biak, tanpa menggunakan penanda molekuler.

Ron Parra dan Hallauer (1997) Ulasan pola heterosis digunakan di daerah produksi jagung utama dunia. Beberapa pat-dara-laut memiliki kepentingan di daerah pro-duksi tertentu. Lainnya telah dimanfaatkan di beberapa benua, misalnya, pola het-erotis berdasarkan 'Reid Kuning Dent' (RYD) dan 'Lancaster Tentu Crop' (LSC) dari Amerika Serikat beriklim sedang dan Tuxpeño dan Estación Tulio Ospina dari Meksiko tropis dan Selatan Amerika. Dua kelompok heterosis dari mana inbrida umum dipilih dan digunakan untuk menghasilkan hibrida jagung superior Iowa Stiff Stalk Synthetic (BSSs) dan turunannya dari

penanda molekuler telah memainkan peran yang semakin penting dalam construc-tion kelompok heterotik sejak 1990-an. Paling set genetik yang seimbang dari salib, hibrida antar kelompok out-menghasilkan masingmasing intra-kelompok hibrida sebesar 21% di RYD × salib LSC (Dudley et al., 1991) dan 16% di batu × salib penyok (Dhillon et al., 1993). Dalam kedua studi, persentase peningkatan heterosis untuk hasil antar kelompok lebih salib intra-group adalah sekitar dua kali lebih besar untuk hasil hybrid itu sendiri. Kebanyakan laporan pengelompokan heterotik adalah untuk jagung, dengan hanya sedikit pada tanaman lain termasuk labu musim panas (Anido et al., 2004) dan rapeseed (Qian et al., 2007). Beras mungkin satu-satunya tanaman di mana hibrida banyak ditanam tapi sangat sedikit penelitian tentang pengelompokan heterosis telah dilaporkan. Heterosis pada padi telah uti-lized terutama melalui CMS. Untungnya, peternak beras di Cina mengidentifikasi restorasi untuk CMS dari beras geografis jauh culti-vars dari Asia Tenggara dan digunakan dalam pemuliaan padi hibrida. Hal ini mengakibatkan tingginya tingkat heterosis antara intra-subspesies (indica × indica) hibrida. Sebuah skrining skala besar dari beragam pengelola CMS dan restorasi memberikan beberapa petunjuk mengenai Heterotic pola. Tiga ekotipe dari subspesies yang berbeda, indica, japonica dan javanica, memiliki karakteristik morfologi dan physi-ological yang berbeda dan distribusi ecogeographi-kal dan, karena itu, berfungsi sebagai dasar untuk menentukan grup heterotik yang berbeda (Xu, Y., 2003). Seperti dirangkum oleh Yuan (1992), heterosis untuk hasil gabah di salib di antara tiga ekotipe beras memiliki kecenderungan folmelenguh: indica × japonica> indica × javanica> javanica × japonica> indica × indica> i ndica> japonica × japonica. Ini mencerminkan situasi saat ini kolam heterosis beras. Hal ini juga diketahui untuk padi hibrida jenis-ers yang tingkat tinggi hasil heterosis dari persilangan antara garis CMS dibesarkan di Cina dan garis pemulih berasal dari Selatan-timur kultivar indica Asia, yang merupakan pola heter-otic untuk indica × hibrida indica.

Pembangunan kelompok heterotik


laporan yang berfokus pada jagung, gandum, barley dan canola. Karena pengelompokan berbasis penanda mencerminkan perbedaan genetik antara garis orangtua, mereka dapat berkontribusi untuk peningkatan orangtua dan seleksi yang efektif untuk hibrida heterosis. Secara umum, kelompok heterotik dibangun atas dasar informasi penanda cocok sangat baik dengan silsilah, tetapi memiliki keuntungan yang hilang informasi sejarah, seperti informasi silsilah lengkap atau silsilah ambigu, tidak akan mempengaruhi metode berbasis penanda. Pada jagung, berbagai jenis penanda molekuler telah berhasil digunakan untuk differentiate kelompok heterotik dengan hasil yang konsisten dengan pengelompokan berbasis silsilah (Mumm dan Dudley, 1994; Liu et al, 1997;. Peng et al, 1998;. Wu . et al, 2000; Menkir et al, 2004).. Berdasarkan heterosis dan comBining kemampuan analisis menggunakan kultivar dari kelompok heterotik yang berbeda, Peng et al. (1998) mengusulkan tujuh pola heterosis untuk pemanfaatan heterosis jagung. Divergence di molekul penanda lokus telah berguna dalam menentukan inbrida kelompok heterotik dikenal sebelumnya didirikan pada program berkembang biak-ing dan informasi molekul setuju dengan informasi silsilah (Lee et al, 1989;. Melchinger et al, 1991;. Messmer et al., 1993). Side-by-side evaluasi fenotipik dari urutan hibrida jagung yang sukses diproduksi oleh Pioneer Hi-Bred International, Inc., yang mewakili masing-masing Desember-ade dari tahun 1930-an untuk hadir, memberikan gambaran tentang perubahan fenotipik untuk sejumlah kunci ciri-ciri bahwa peternak telah secara langsung atau tidak langsung berubah. sidik jari genetik dari orang tua bawaan hibrida ini memberikan gambaran tentang perubahan geno-typic yang telah terjadi di asso-ciation dengan berkelanjutan penangkaran usaha (Gambar 9.3;.. Cooper et al, 2004). fase penting dapat diidentifikasi selama periode ini berkembang biak. Awalnya double-lintas hibrida (1920-tahun 1960-an) dikembangkan. Dari tahun 1960-an ada relatif cepat peralihan-tion untuk penggunaan hibrida single-lintas, yayasan yang merupakan organisasi dari plasma nutfah jagung ke dalam kelompok heterotik, diwakili dalam

373

8 6

Tua NSS NSS-tua SS SS-tua

Tua

4 ) % 2 1(

2 n e n o p m o

0 K

-2 -4 SS -6 NSS -8 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 Komponen 1 (31%)

Gambar. 9.3. Sebuah plot dari nilai bawaan pada dua komponen utama pertama dari analisis profil penanda SSR dari orang tua dari hibrida jagung (SS, Stiff Stalk sintetis garis inbrida; NSS, Non Stiff Stalk Sintetis garis inbrida). Batas-batas besar membedakan tiga kelompok utama dari garis: Old, galur inbrida lama digunakan sebelum pembentukan kelompok heterotik; dua kelompok lainnya mewakili SS dan NSS galur inbrida. Tanda panah menunjukkan arah perkembangan perbaikan inbrida di SS dan NSS kelompok heterosis. Dari Cooper et al. (2004) dengan izin.

Menggunakan 160 penanda RFLP dan 21 kultivar lebar kompatibilitas dan tiga indica dan tiga kultivar japonica, Zheng et al. (1994) dibangun pohon dendrogram dan membahas potensi kompatibilitas luas dalam pemuliaan hibrida menggunakan indica× japonica melintasi. Berdasarkan dialil melintasi di antara delapan baris indica yang mewakili orang tua dari padi hibrida komersial berkinerja terbaik tumbuh di Cina, Zhang et al. (1995) mempelajari molec-ular divergensi dan hibrida kinerja. Hasilnya menunjukkan adanya dua kelompok het-erotis dalam indica, salah satu terdiri dari strain beras dari Cina selatan dan yang lainnya terdiri dari strain dari Asia Tenggara. Menggunakan dua jenis penanda molekuler, RFLPs dan diperkuat panjang fragmen poli-morphisms (AFLPs), Mackill et al. (1996) diperoleh hasil pengelompokan yang sama. Menggunakan RAPD dan SSR spidol, Xiao et al. (1996b) dipisahkan sepuluh baris orangtua menjadi dua kelompok

374

Bab 9

japonica subspesies. Hasil ini dan hasil dari barley (Melchinger et al, 1994.) dan gandum (Sun et al, 1996;.. Ni et al, 1997) juga didukung kesimpulan bahwa penanda DNA adalah alat yang sangat berguna untuk construc-tion kelompok heterotik .

arah masa depan Hal ini terbukti dari penelaahan berbagai pejantan-ies yang diadaptasi populasi, terisolasi baik oleh waktu dan / atau ruang, merupakan kandidat yang paling cocok untuk menjanjikan pola heterotik. keragaman genetik dapat berhubungan dengan asal geografis dari garis orangtua. Variasi geografis dapat berhubungan dengan variasi ekologi dan lingkungan yang, pada gilirannya, dic-tate kelangsungan hidup kebugaran, diciptakan oleh variasi genetik spontan dan induksi dalam situasi alam dan diarahkan-seleksi. Akibatnya, garis orangtua yang berasal dari asal geografis yang berbeda dianggap memiliki keragaman lebih genetik daripada yang berasal dari asal geografis yang sama. Selama internasionalisasi upaya pemuliaan tanaman dan pertukaran besar plasma nutfah yang tidak digarap dan ditingkatkan di seluruh perhatian dunia harus dibayar untuk menghindari efek nega-tive menggunakan salib jauh yang mungkin mencampur kelompok heterosis yang ada di antara cul-tivars asal geografis yang berbeda. Misalnya, berkembang biak kultivar inbrida lebar-kompatibel sebagai jembatan untuk memanfaatkan indica / japonica heterosis pada padi telah mengurangi heterosis dibandingkan dengan apa yang diharapkan dari persilangan antara indica yang khas dan japonica kultivar (Xu, Y., 2003).

kelompok heterosis tidak harus consid-ered sebagai populasi tertutup, tetapi harus diperluas terus menerus oleh introgressing plasma nutfah yang unik untuk menjamin keuntungan jangka menengah dan panjang dari seleksi. kelompok heterosis yang terdiri dari kurang dimanfaatkan dan unadapted plasma nutfah harus ditingkatkan melalui pemuliaan ven-membangun struktur publik-swasta bersama. fenotipe yang berbeda

genetik yang sama dan fenotipe berbeda dapat dikondisikan oleh perbedaan alel pada lokus yang relatif sedikit (Havey, 1998). MAS dapat berguna dalam creat-

ing, memelihara dan memperbaiki kelompok heterosis. Sebagaimana dibahas di atas, pengelompokan berbasis penanda plasma nutfah dan pemuliaan populasi akan membantu membentuk kelompok heterotik yang memegang keragaman genetik maksimum antara kelompok tetapi keragaman minimum dalam kelompok. Identifikasi alel penanda yang spesifik untuk masing-masing kelompok heterosis akan membantu menjaga mereka genotip dipisahkan. MAS dapat digunakan untuk meningkatkan kelompok heterotik yang ada melalui sasaran gen bersilang-ing dari satu kelompok heterosis atau outsourcing plasma nutfah ke yang lain dengan mini-ibu linkage drag dari donor.

9.7.3 prediksi hybrid marker-assisted Hal ini cukup diyakini bahwa heterosis berasal, dalam beberapa cara, dari perbedaan genetik atau heterozigositas antara orang tua. Secara teoritis, kinerja hybrid adalah sama dengan kinerja orangtua rata-rata ditambah heterosis. Dalam dekade sev-eral masa lalu, prediksi hybrid telah sebagian besar didasarkan pada evaluasi keragaman genetik di antara garis orangtua. Telah diperkirakan bahwa memahami hubungan-kapal antara heterosigositas / orangtua dif-ference dan heterosis akan membantu memprediksi hibrida. Pengembangan teknik penanda molekuler telah memberikan alat-alat baru untuk hybrid prediksi dan DNA penanda telah digunakan secara luas dalam menyelidiki korelasi antara orangtua genetik dis-dikan (GD) dan kinerja hibrida.

heterosigositas genome dan prediksi hybrid Hubungan antara perbedaan genetik orangtua dan kinerja hybrid pertama kali dipelajari pada jagung. Variabilitas untuk penanda molec-ular umumnya setuju dengan informasi pedi-gree dan penugasan (berdasarkan kinerja hybrid) kelompok heterosis dikenal (Smith, OS et al, 1990;. Dudley et al, 1991;. Melchinger et al., 1991); bagaimana pernah, variabilitas di molekul penanda lokus


375

inbrida (Lee et al, 1989;.. Melchinger et al, tidak bisa dan positif untuk semua ciri-ciri dalam 1992). Beberapa laporan menunjukkan korelasi kelompok hibrida, batu api × salib batu, tetapi yang tinggi antara kinerja hybrid / heterosis dan tidak untuk subset dari batu × penyok dan penyok GDS orangtua atau tingkat heterosigositas (Lee et × salib penyok (Boppenmaier et al., 1993). Hal al, 1989;.. Smith, OS et al, 1990;. Stuber et al, ini didukung oleh Benchimol et al. (2000) 1992;. Reif et al, 2003), sementara yang lain menggunakan 18 jagung tropis galur inbrida mengungkapkan sangat lemah cor-hubungan mana korelasi dari GDS orangtua dengan salib (Godshalk et al, 1990;.. Dudley et al, 1991). tunggal dan heterosis mereka untuk hasil gabah Korelasi antara kinerja single-lintas dan penanda lebih tinggi untuk baris menyilang dari kelompok keragaman molekuler untuk inbrida orangtua heterotik yang sama dari salib dari kelompok yang tidak terkait telah terlalu rendah untuk heterotik dif-ferent. Dalam beras, Xiao et al. setiap nilai prediktif (Godshalk et al, 1990;. (1996b) melaporkan bahwa potensi hasil dan Melchinger et al, 1990;.. Dudley et al, 1991), heterosis yang menunjukkan korelasi positif yang juga didukung oleh hasil dari sorgum signifikan dengan GD untuk indica × indica atau (Jordan et al., 2004). Molekul berbasis perkiraan japonica × salib japonica, tetapi korelasi tidak GD juga gagal untuk memprediksi kinerja yang signifikan untuk indica × salib japonica. Hal itu unggul hibrida di oat (Moser dan Lee, 1994), dikonfirmasi oleh Zhao et al. (1999) bahwa kedelai (Gizlice et al., 1993), ayam-kacang (Sant korelasi yang sangat sedikit terdeteksi di salib et al., 1999) dan merica (Geleta et al. 2004). intersubspecific menggunakan salib dialil berasal Sebuah percobaan berskala besar baru-baru ini dari 11 kultivar padi elit. Dalam kasus lain, pada jagung juga didukung ini unpredictabil-ity. bagaimanapun, lemah atau tidak ada korelasi Menggunakan tiga set enam adik-line jalur ditemukan untuk dalam kelompok hibrida. anakan, masing-masing set menjadi sangat terkait Contohnya termasuk hubungan yang signifikan dan berasal dari induk lintas umum dan 45 lemah atau tidak ada dari GD dengan kinerja F1 hibrida adik-line yang dihasilkan oleh dialil dan pertengahan-orang tua heterosis pada kedelai parsial, Lee, EA et al. (2007) kembali menguji (Cerna et al., 1997), gandum (Martin et al., 1995) hubungan antara tingkat terkait-ness, efek genetik dan kultivar padi lama-butir AS (Saghai Maroof dan heterosis pada jagung. Tiga set adik garis et al. , 1997). Hasil ini mungkin karena berkisar antara 47 dan 77% identik-by-keturunan, rendahnya tingkat heterosis dalam kelompok menciptakan serangkaian garis yang berpotensi kultivar tersebut. bervariasi dalam frekuensi gen. Mereka melaporkan tiga temuan yang relevan mengenai heterosis untuk hasil gabah: Berdasarkan hasil dari berbagai penelitian pada jagung, Melchinger (1993) meringkas substansial genome-wide heterozygos-ity hubungan antara GD orangtua dan pertengahan bukan persyaratan untuk ekspresi heterosis; (Ii) orangtua heterosis (MPH) dalam representasi tidak ada hubungan yang konsisten antara tingkat Sche-matic. Untuk salib di antara garis-garis keterkaitan dan besarnya heterosis; dan (iii) yang terkait, terdapat hubungan yang erat antara adanya efek genetik non-aditif bukan persyaratan GD dan MPH untuk karakter hasil karena kedua tindakan adalah linear func-tion dari countuk manifestasi dari heterosis. keturunan, f, dan dengan demikian menurun dengan meningkatnya f. Untuk intra-group melintasi, korelasi r (GD, MPH) umumnya Hibrida lebih diprediksi dalam daripada positif, juga. Hal ini dapat dijelaskan oleh antara kelompok heterotik keterkaitan tersembunyi antara beberapa orang Korelasi antara heterosigositas / GD dan kinerja tua dianggap tidak terkait berdasarkan silsilah hybrid / heterosis bervariasi untuk hibrida antara mereka dan kehadiran fase link-usia yang sama garis yang termasuk dalam kelompok heterotik antara QTL dan penanda lokus dalam array yang sama (dalam kelompok hibrida). Pada gamet ibu dan ayah hibrida intra-group, yang

376

Bab 9

array gamet ibu dan ayah mungkin berbeda dalam tahap linkage bagi banyak pasangan QTL penanda; sebagai konsekuensinya, posi-tive dan istilah negatif membatalkan satu sama lain dalam kontribusi bersih mereka untuk kovarians (GD, MPH), menghasilkan rendah atau nol korelasi (Charcosset dan Essioux, 1994).

yang terakhir adalah bahwa dari menggunakan penanda lokus yang signifikan terkait dengan ciri-ciri bunga diungkapkan oleh analisis faktorial tunggal varians. Hasil dari beras menunjukkan bahwa ada hubungan yang lemah antara heterosigositas umum dan heterosis tetapi korelasi yang signifikan antara heterosigositas dan heterosis khusus untuk hasil dan biomassa.

spidol heterosis terkait dan prediksi hybrid Kombinasi alel menguntungkan dan prediksi Ini telah praktek umum di sebagian pejantan-ies hybrid untuk menentukan GD atau heterozigositas estirekan dari satu set penanda DNA yang dipilih kombinasi gen heterogen mungkin tidak selalu untuk cakupan yang baik dari seluruh genom menyebabkan heterosis dan heterosis pada tetapi tidak untuk hubungan dengan gen yang akhirnya mungkin tergantung pada keseimbangan mempengaruhi heterosis dari sifat sasaran. antara inter-tindakan yang menguntungkan dan penyelidikan teoritis (Charcosset et al., 1991) dan tidak menguntungkan gen. Hal ini cukup komputer mod-Elling (Bernardo, 1992) disimpulkan bahwa heterosis dapat disebabkan menunjukkan bahwa dengan intra dan antar oleh kombinasi gen tertentu yang berasal dari kelompok melintasi cor-hubungan antara GD dan kedua orang tua. gen-gen tersebut dapat secara MPH diharapkan menurun jika gen yang bersamaan menghasilkan efek genetik yang mempengaruhi heterosis tidak terkait erat untuk berbeda di latar belakang genetik yang berbeda. penanda digunakan untuk perhitungan estimasi Jadi, untuk perbaikan orangtua dan prediksi genetik dan sebaliknya jika penanda digunakan hybrid, menyelidiki kombinasi gen tertentu yang untuk perhitungan GDS tidak terkait dengan gen memberikan kontribusi untuk heterosis harus mengendalikan sifat tersebut. Oleh karena itu, lebih penting daripada mempelajari setiap gen meningkatkan kepadatan penanda saja tidak akan tunggal atau QTL. Menggunakan 99 padi hibrida selalu meningkatkan abil-ity untuk memprediksi setengah-dialil berasal dari sembilan baris CMS MPH oleh perkiraan GD; bukan, spidol harus dan 11 baris pemulih, Liu dan Wu (1998) juga dipilih untuk linkage ketat untuk gen yang menemukan bahwa empat menguntungkan allemempengaruhi heterosis dari sifat target dalam les dan enam pola heterosis yang menguntungkan plasma nutfah yang diteliti. Hal ini dikuatkan di garis orangtua secara signifikan berkontribusi oleh perbandingan hasil yang diperoleh dengan pada heterosis hibrida mereka untuk hasil gabah , 209 AFLPs vs 135 RFLPs (Ajmone Marsan et al., sedangkan enam alel yang tidak menguntungkan 1998) dan studi oleh Dudley et al. (1991). dan enam pola heterosis tidak menguntungkan Dengan menggunakan lokus asosiatif akan signifi-cantly mengurangi heterosis. Mereka membantu membangun korelasi kuat antara menyarankan bahwa hibrida yang optimal dengan heterosigositas dan heterosis. Namun, perbedaan hasil gabah unggul dapat dikembangkan dengan alel pada lokus marker tidak menjamin perbedaan merakit mereka alel yang menguntungkan ke alel pada lokus terkait untuk heterosis. Untuk dalam dan menghapus alel yang tidak sejumlah penanda untuk menjadi berguna sebagai menguntungkan dari garis orangtua mereka. predic-tor untuk kinerja hybrid, efek alel pada lokus yang terkait dengan alel penanda tertentu harus dipastikan (Stuber et al., 1999). Kesimpulan dan prospek Zhang et al. (1994) mengusulkan parameter dua sta-tistical, heterozigositas umum dan

Ada beberapa kesimpulan yang dapat ditarik dari berbagai investigasi pada hubungan antara

heterosis adalah. Kedua, menggunakan lebih mark-ers saja tidak akan meningkatkan prediksi.


377

kombinasi yang menguntungkan alel dan heterotic pola (Liu dan Wu, 1998) adalah salah Ketiga, prediksi mungkin menggunakan mark-ers diketahui terkait dengan kinerja hybrid atau heterosis jika asosiasi digunakan untuk memprediksi kinerja hibrida berasal dari pola heterotik yang sama. Keempat, variasi genetik (kehadiran heterosis) merupakan prasyarat untuk prediksi. Kelima, hubungan heterosigositas dengan heterosis dan dengan kinerja hybrid akan berbeda jika kedua melibatkan gen yang berbeda (Xu, Y., 2003). Yang terakhir conclu-sion didukung oleh hasil Zhu et al. (2001) bahwa heterosis sangat signifikan tetapi kinerja hibrida tidak ketika 57 aksesi beras dari enam ekotipe dan hibrida mereka genotipe dengan 48 SSR dan 50 spidol RFLP. Hal ini diantisipasi bahwa predic-tion bisa menjadi mungkin jika heterozigositas berasal dari lokus marker tertentu yang berkaitan dengan heterosis dan hybrid perFormance dan semua kemungkinan lokus terkait telah diidentifikasi dan efek dan interaksi mereka jelas.

Mengingat fakta bahwa hanya salib heterosis merupakan kepentingan komersial dan menarik bagi peternak, nilai praktis dari pendekatan jarak genetik untuk predic-tion dari heterosis dan kinerja hybrid terbatas (Vuylsteke et al., 2000). Hal ini berlaku untuk beberapa spesies tanaman seperti jagung. Untuk beras, bagaimanapun, penghalang reproduksi antara dua subspesies, indica dan japonica, telah diberlakukan pembatasan pada utiliza-tion indica / japonica heterosis, meskipun penggunaan gen lebar kompatibilitas (s) telah memiliki dampak yang besar pada keterbatasan. Hybrid pemuliaan padi indica telah didasarkan pada salib dalam kelompok indica. Hubungan yang kuat antara hetero-zigositas di penanda lokus dan heterosis dalam kelompok indica seperti yang dilaporkan sebelumnya (Xiao et al., 1996b) menunjukkan bahwa perkiraan GD berdasarkan penanda molekuler bisa sangat berguna dalam menentukan kultivar indica menjadi subkelompok yang berbeda untuk indica hybrid pengembangan padi.

Skrining untuk molecu-lar penanda terkait heterosis seperti yang disarankan oleh

pendekatan yang dapat dimanfaatkan lebih lanjut untuk meningkatkan prediksi kinerja hybrid / heterosis menggunakan penanda molekuler. Memahami variasi genetik antara kultivar yang akan diuji dan mengidentifikasi-ing penanda terkait dengan heterosis dan sifat-sifat yang berhubungan dengan heterosis dua komponen penting dalam prediksi hybrid. Kita harus ingat bahwa penanda-heterosis Associa-tions diidentifikasi dalam satu lintas mungkin tidak sesuai-mampu untuk seleksi pada orang lain karena heterosis dapat dikendalikan oleh banyak gen dan masing-masing lintas memiliki gen yang berbeda dan gen combina-tions dalam tindakan. Meskipun nilai-nilai mereka rendah, hasil korelasi inbrida-hybrid yang positif. Mereka menunjukkan kecenderungan untuk unggul inbrida untuk menghasilkan hibrida unggul. pemuliaan hibrida selalu disertai dengan peningkatan garis orangtua. inbrida modern, tumbuh pada tinggi den-sity saat ini, dapat menghasilkan hampir sebanyak hibrida dari tahun 1930-an (Duvick, 1984; Meghi et al, 1984.). Duvick (1999) telah menyarankan bahwa jika banyak usaha telah dimasukkan ke dalam meningkatkan-ment varietas penyerbukan terbuka (OPVs) sebagaimana telah dikhususkan untuk hybrid meningkatkan-ment selama bertahun-tahun, kesenjangan antara hibrida terbaik dan OPVs terbaik mungkin kurang dari apa yang saat ini. Beberapa penulis bahkan berpendapat bahwa OPVs mungkin unggul hibrida (Lewontin dan Berlan, 1990), tetapi asumsi mereka tidak didukung oleh data.

Aplikasi potensi DNA mark-ers dalam pemuliaan hibrida sangat tergantung pada apakah kelompok heterotik yang berbeda telah dibentuk atau tidak dan setelah spesies tanaman. Jika mapan kelompok heterosis tidak tersedia, estimasi GD berbasis marker dapat digunakan untuk menghindari memproduksi dan uji-ing persilangan antara garis berkaitan erat. Selain itu, melintasi dengan MPH rendah bisa dibuang sebelum ke lapangan-pengujian berdasarkan prediksi. Aplikasi lain yang potensial ada. Jika baris baru dari pola heterotik tidak diketahui atau inbrida dikembangkan dari persilangan antara orang tua dari kelompok heterotik yang berbeda (misalnya hibrida komersial) harus dievaluasi

378

Bab 9

Selama dekade berikutnya, teknologi MAS akan menjadi lebih murah dan

9.8 Peluang dan Tantangan pemuliaan tanaman umumnya menyumbang setengah dari kenaikan produktivitas tanaman utama dan masa depan akan terus bergantung pada kemajuan nya. Namun, tingkat, skala dan lingkup penyerapan genomik dalam program pemuliaan tanaman memiliki dilanju-sekutu tertinggal harapan. Ini menyala-tle berbeda untuk adopsi genetika kuantitatif, mekanisasi dan computeriza-tion selama abad terakhir. Hal ini sebagian disebabkan oleh siklus pengembangan produk lama di pemuliaan tanaman dan pada gilirannya sifat jangka panjang dari umpan balik dari pasar berkaitan-ing dampak dari setiap perubahan pembangunan pipa culti-var. Peluang dan tantangan yang kita hadapi di MAS akan dibahas dalam bagian ini.

9.8.1 alat Molekuler dan sistem breeding Prasyarat untuk meningkatkan aksesibilitas MAS untuk peternak sedang mengembangkan sistem peternakan yang sangat efisien, terutama untuk sumber daya terbatas pemuliaan tanaman program di negara berkembang. Beberapa strategi dapat digunakan untuk membangun sistem tersebut melalui penggunaan MAS, includ-ing: (i) seleksi di tahap pembibitan awal untuk menghilangkan sebagian segregants, terutama untuk sifat-sifat yang sangat diwariskan; (Ii) seleksi pada tahap perkembangan awal menggunakan tekanan seleksi yang tinggi dan tingkat seleksi dioptimalkan, khususnya untuk tanaman ukuran besar; seleksi satu langkah untuk beberapa sifat menggunakan high-seluruh genotipe; (Iv) utililisasi sistem genotip hemat biaya; sangat efisien fenotip, pelacakan sampel dan akuisisi data; (Vi) mengembangkan-ment dan pemanfaatan cepat fiksasi dan stabilisasi pendekatan; dan (vii) genotyp-ing sekali dan fenotip beberapa kali. Untuk meningkatkan aksesibilitas MAS untuk peternak, hal yang paling penting adalah untuk membangun

lebih mudah untuk menerapkan dalam skala besar, MAS dapat dilakukan untuk semua gen yang berhubungan dengan impor-semut sifat target dan menggunakan informasi dari genotip dari semua plasma nutfah dalam sistem penangkaran.

9.8.2 masalah tanaman-spesifik Kemacetan di MAS bisa spesifik untuk tanaman kecuali bagi mereka yang dibahas di bagian Previ-ous. Sebagai contoh, mungkin limita-tion dari MAS dengan jagung adalah struktur dan isi dari berbagai kolam gen. Contoh kolam gen jagung akan mencakup batu Eropa dan penyok plasma nutfah, penyok AS dan berbagai kelompok heterosis dalam masing-masing dan kolam yang lebih besar lainnya. Survei dengan penanda DNA telah membentuk perbedaan di antara kelompok-kelompok seperti plasma nutfah (Smith dan Smith, 1992; Niebur et al, 2004.). Selain itu, khasiat untuk MAS dalam populasi yang relatif kompleks seperti sintetis dan OPVs belum diselidiki. Untuk tanaman terbuka diserbuki, peternakan untuk sifat kompleks dibatasi oleh hambatan tambahan yang tidak ada protokol standar yang tersedia untuk MAS yang dapat auto-matically diterapkan pada berbagai sistem peternakan diperlukan untuk pengembangan inbrida, hibrida, populasi dan kultivar sintetis, dimana bahan di banyak tahapan dalam proses pemuliaan sangat heterogen dan sangat heterozigot. Hal ini sangat dif-ferent dari sistem pembibitan untuk tanaman inbrida seperti gandum yang hampir selalu memulai dan mengakhiri dengan galur inbrida (Koebner dan Summers, 2003) dan beras yang mungkin mulai dengan inbrida dan berakhir dengan inbrida atau hibrida berbasis inbrida-(Xu, Y., 2003). Dengan demikian, upaya MAS pada tanaman terbuka diserbuki dapat terdiri dari dua pendekatan simultan, satu menggunakan MTA yang telah diidentifikasi-fied sebelumnya dan yang lainnya berdasarkan analisis keragaman genetik yang terintegrasi, analisis MTA dan pendekatan MAS untuk menemukan, memvalidasi dan menerapkan baru asosiasi penanda semua pada populasi


379

efek terbesar pada sifat sasaran. QTL efek besar mungkin lebih mudah untuk sambil memberikan fleksibilitas untuk berurutan meningkatkan kekuatan MAS sebagai data terakumulasi dan informasi terintegrasi melalui proses breeding berikutnya.

9.8.3 sifat kuantitatif Secara tradisional heritabilitas sifat Quantità-tive adalah prediktor yang paling umum dari keuntungan genetik untuk metode pemuliaan tanaman yang berbeda. penanda DNA dapat digunakan saat ini untuk mempercepat dan meningkatkan metode berkembang biak-ing secara keseluruhan dengan menggabungkan penanda DNA dan fenotip data dalam indeks seleksi. Para ahli genetika dan pemulia tanaman perlu berurusan dengan linkage disequilibrium saat menggunakan MAS dalam seleksi berulang, terutama ketika menggunakan spidol polimorfik timbul dari populasi pemetaan, yang cenderung dari beragam orang tua dan dengan demikian mungkin tidak relevan untuk bahan pemuliaan sasaran. Kekuatan MAS juga akan terus bergantung pada akurasi dan presisi dari fenotip dan karakterisasi dan evaluasi plasma nutfah di lapangan. Isu-isu seperti istilah kesalahan untuk menguji signifikansi QTL sebuah, mendeteksi efek kecil dengan variasi genetik yang sempit, atau jumlah QTL tidak berhubungan dengan varian genetik atau perbedaan dari orang tua semua daerah yang perlu mendapat prioritas perhatian oleh ahli genetika kurang diteliti. Mengatasi masalah ini akan memungkinkan pemulia tanaman untuk menentukan jumlah optimal dari individu / garis dan spidol untuk digunakan dalam program MAS mereka.

pemulia tanaman siap untuk menerapkan MAS untuk sifat kuantitatif ketika gain genetik dan waktu atau efisiensi biaya dari melakukannya jelas lebih tinggi daripada melalui PS meth-ods. penekanan awal di daerah ini harus pada ciri-ciri yang sistem fenotip hemat biaya kuat tidak tersedia. Untuk cepat mencapai tahap ini membutuhkan pergeseran para-digm dalam

mendeteksi (dalam materi genetik kanan) dan, akan kurang dipengaruhi oleh Geis dan efek back-ground genetik. Yang sangat penting akan menjadi pergeseran dari analisis populasi genetik seluruh untuk penekanan pada individu yang dipilih dengan fenotip ekstrim dari populasi yang relevan peternakan dan saham genetik dan analisis DNA mungkin, dikumpulkan dengan menggunakan individu yang dipilih (Xu dan Crouch, 2008). Yang sama pentingnya akan menjadi pergeseran dari penanda terkait dengan diagnostik penanda berbasis gen-, yang umumnya akan SNP berbasis dan dengan demikian mudah terukur untuk tinggi-throughput haplotyping.

9.8.4 jaringan genetik Potensi MAS untuk berkontribusi pada perbaikan tanaman harus meningkatkan secara paralel dengan pemahaman kita tentang rela-tionships antara genom, lingkungan dan fenotip. transgen kandidat akan dikembangkan secara teratur dan kontribusi mereka untuk perbaikan tanaman akan terwujud dengan cara yang paling efisien dengan MAS. Demikian juga, identifikasi gen asli candidate dan produk gen mereka dan fungsi dan urutan DNA lain (misalnya mikro-RNA (Mirna), matriks melampirkan-ment dan daerah peraturan), akan meningkatkan kekuatan metode seperti pemetaan asosiasi dan scan genom untuk menilai nilai genotipe mereka dalam konteks populasi referensi didefinisikan penting untuk pemuliaan tanaman. Tanaman menunjukkan perubahan besar dalam ekspresi gen selama morfo-fisiologis dan reproduksi pengembangan serta bila terkena berbagai cekaman biotik dan abi-otic. Sebuah bidang baru genetika dari ekspresi gen glo-bal telah muncul berdasarkan pada penerapan teknik tradisional linkage dan analisis asosiasi untuk ribuan transkrip diukur dengan microarray. Membedah arsitektur sifat kuantitatif dengan cara ini menghubungkan variasi urutan DNA dengan variasi fenotipik dan meningkatkan pemahaman kita tentang regulasi transkripsi dan variasi peraturan (Rockman dan Kruglyak, 2006).

380

Bab 9

9.8.5

marker-assisted selection di negara berkembang

Ada banyak faktor tambahan yang akan mempengaruhi penerapan MAS di negara-negara berkembang-ing. Membangun keterampilan yang diperlukan antara staf program nasional dan ensur-ing program-program memiliki kepemilikan atau akses ke kapasitas yang cukup merupakan prasyarat penting. Beberapa tanaman tertentu bioteknologi net-karya telah didirikan di Asia, Afrika dan Amerika Latin selama tahun 1980 dan 1990-an. Banyak dari meliputi berbagai kegiatan termasuk penelitian hulu dan pembangunan kapasitas. Sayangnya, dalam beberapa kasus donor utama telah ditarik keluar dari pendanaan lebih lanjut dari jaringan tersebut. Namun, semua jaringan ini masih menyajikan secara excel-dipinjamkan untuk pengembangan masyarakat pemuliaan molekuler praktek yang dapat digunakan untuk memvalidasi, memperbaiki dan menerapkan baru teknologi-nologies dalam program pemuliaan nasional. Sebaliknya pada tanaman lain, jaringan pemuliaan konvensional telah cukup matang untuk menjadi kandidat utama untuk intro-duction sistem MAS dan pendekatan pemuliaan molecu-lar lainnya. Namun, banyak dari program pemuliaan tidak menerima bantuan pembangunan internasional atau secara signifikan kekurangan dana, yang serius mengancam dampak jangka panjang mereka. konsorsium pemuliaan molekuler mengakses joint venture hub genotip atau layanan komersial pro-viders tampaknya menjadi pilihan yang semakin realistis di mana fasilitas tersebut dapat memberikan kualitas yang tepat, kuantitas dan waktu pelayanan agar sesuai dengan sistem peternakan yang diberikan.

Peningkatan kapasitas akan meningkatkan keterampilan berpartisipasi pemulia tanaman dan meningkatkan pemahaman pemuliaan tanaman dan teknologi molekuler yang terkait an tara komunitas yang lebih luas. Seperti banyak teknik molekule r menjadi cukup rutin, akan ada banyak kesempatan bagi para ilmuwan untuk menguntungkan mengalihkan perhatian mereka ke EKSPERIMEN-tal desain, analisis dan interpretasi - sebagai lawan kontribusi waktu mereka saat ini dominan ke generasi data.

Yunbi Xu.en.id-1.docx

Recommend Documents