Quay lại tương lai: xem lại MAS như một công cụ để tạo giống cây trồng hiện đại

Các mô hình mới để tích hợp gen chính MAS với các phương pháp nhân giống hiện đại có thể nâng cao đáng kể độ tin cậy và hiệu quả của việc lai tạo, tạo điều kiện cho việc tận dụng sự đa dạng di truyền truyền thống. Tóm tắt Đa dạng di truyền được công nhận là đóng góp sự biến đổi cần thiết cho quá trình chọn tạo giống cây trồng, và chọn lọc tạp nhiễm được coi là công cụ chính để đưa sự đa dạng này vào các chương trình nhân giống mà không có sự tác động di truyền liên quan từ các bộ gen kém chất lượng của các giống cho. Tuy nhiên, việc thực hiện các kỹ thuật chọn lọc có sự hỗ trợ của marker vẫn còn là một thách thức trong nhiều chương trình nhân giống trên toàn thế giới.

Quay lại tương lai: xem lại MAS như một công cụ để tạo giống cây trồng hiện đại trừu tượng

Thông điệp chính Các mô hình mới để tích hợp gen chính MAS với các phương pháp nhân giống hiện đại có thể nâng cao đáng kể độ tin cậy và hiệu quả của việc lai tạo, tạo điều kiện cho việc tận dụng sự đa dạng di truyền truyền thống Tóm tắt Đa dạng di truyềnđược công nhận là đóng góp sự biến đổi cần thiết cho quá trình chọn tạo giống cây trồng,

và chọn lọc tạp nhiễm được coi là công cụ chính để đưa sự đa dạng này vào các chương trình nhân giống mà không có sự tác động di truyền liên quan từ các bộ gen kém chất lượng của các giống cho Tuy nhiên, việc thực hiện các kỹ thuật chọn lọc có sự hỗ trợ củamarker vẫn còn là một thách thức trong nhiều chương trình nhân giống trên toàn thế giới Nhiều yếu tố góp phần vào việc thiếu áp dụng này, chẳng hạn như sự không chắc chắn trong cách tích hợp MAS với các quy trình chăn nuôi truyền thống, thiếu sự đồng bộ trong MAS như một công cụ và chi phí của quy trình này Tuy nhiên, những phát triển trong công cụ genomics, kỹ thuật xác nhận vị trí và các mô hình mới về cách sử dụng QTL trong các chương trình nhân giống có thể giải quyết những vấn đề này Việc nhân giống thuận có hỗ trợ đánh dấu cần được kích hoạt thông qua việc xác định các QTL mạnh mẽ, thiết kế hệ thống đánh dấu đáng tin cậy để chọn cho các QTL này và đưa các QTL này vào các nền gen ưu tú để cho phép sử dụng chúng mà không có tác động di truyền liên quan Để nâng cao việc áp dụng và hiệu quả của MAS, lúa gạo được sử dụng như một ví dụ về cách tích hợp các quy trình và phát triển mới vào một chiến lược khoa học và chặt chẽ để sử dụng biến dị di truyền Khi các quy trình được thiết lập để giải quyết những vấn đề này, các gen mới có thể được đưa vào chương trình nhân giống một cách nhanh chóng và hoàn chỉnh với chi phí tối thiểu và các mô hình mới về cách sử dụng QTL trong các chương trình nhân giống có thể giải quyết những vấn đề này Việc nhân giống thuận có hỗ trợ đánh dấu cần được kích hoạt thông qua việc xác định các QTL mạnh mẽ, thiết kế hệ thống đánh dấu đáng tin cậy để chọn cho các QTL này và đưa các QTL này vào các nền gen ưu tú để cho phép sử dụng chúng mà không có tác động di

truyền liên quan Để nâng cao việc áp dụng và hiệu quả của MAS, lúa gạo được sử dụng như một ví dụ về cách tích hợp các quy trình và phát triển mới vào một chiến lược khoa học và chặt chẽ để sử dụng biến dị di truyền Khi các quy trình được thiết lập để giải quyết những vấn đề này, các gen mới có thể được đưa vào chương trình nhân giống một cách nhanh chóng và hoàn chỉnh với chi phí tối thiểu và các mô hình mới về cách sử dụng QTL trong các chương trình nhân giống có thể giải quyết những vấn đề này Việc nhân giống thuận có hỗ trợ đánh dấu cần được kích hoạt thông qua việc xác định các QTL mạnh mẽ, thiết kế hệ thống đánh dấu đáng tin cậy để chọn cho các QTL này và đưa các QTL này vào các nền gen ưu tú để cho phép sử dụng chúng mà không có tác động di truyền liên quan Để nâng cao việc áp dụng và hiệu quả của MAS, lúa gạo được sử dụng như một ví dụ về cách tích hợp các quy trình và phát triển mới vào một chiến lược khoa học và chặt chẽ để sử dụng biến dị di truyền Khi các quy trình được thiết lập để giải quyết những vấn đề này, các gen mới có thể được đưa vào chương trình nhân giống một cách nhanh chóng và hoàn chỉnh với chi phí tối thiểu Việc nhân giống thuận có hỗ trợ đánh dấu cần được kích hoạt thông qua việc xác định các QTL mạnh mẽ, thiết kế hệ thống đánh dấu đáng tin cậy để chọn cho các QTL này và đưa các QTL này vào các nền gen ưu tú để cho phép sử dụng chúng mà không có tác động di truyền liên quan Để nâng cao việc áp dụng và hiệu quả của MAS, lúa gạo được sử dụng như một ví dụ về cách tích hợp các quy trình và phát triển mới vào một chiến lược khoa học và chặt chẽ để sử dụng biến dị di truyền Khi các quy trình được thiết lập để giải quyết những vấn đề này, các gen mới có thể được đưa vào chương trình nhân giống một cách nhanh chóng và hoàn chỉnh với chi phí tối thiểu Việc nhân giống thuận có hỗ trợ đánh dấu cần được kích hoạt thông qua việc xác định các QTL mạnh mẽ, thiết kế hệ thống đánh dấu đáng tin cậy để chọn cho các QTL này và đưa các QTL này vào các nền gen ưu tú để cho phép sử dụng chúng mà không có tác động di truyền liên quan Để nâng cao việc áp dụng và hiệu quả của MAS, lúa gạo được sử dụng như một ví dụ về cách tích hợp các quy trình và phát triển mới vào một chiến lược khoa học và chặt chẽ để sử dụng biến dị di truyền Khi các quy trình được thiết lập để giải quyết những vấn đề này, các gen mới có thể được đưa vàochương trình nhân giống một cách nhanh chóng và hoàn chỉnh với chi phí tối thiểu Để

nâng cao việc áp dụng và hiệu quả của MAS, lúa gạo được sử dụng như một ví dụ về cách tích hợp các quy trình và phát triển mới vào một chiến lược khoa học và chặt chẽ để

sử dụng biến dị di truyền Khi các quy trình được thiết lập để giải quyết những vấn đề này, các gen mới có thể được đưa vào chương trình nhân giống một cách nhanh chóng và hoàn chỉnh với chi phí tối thiểu Để nâng cao việc áp dụng và hiệu quả của MAS, lúa gạo được sử dụng như một ví dụ về cách tích hợp các quy trình và phát triển mới vào một chiến lược khoa học và chặt chẽ để sử dụng biến dị di truyền Khi các quy trình được thiết lập để giải quyết những vấn đề này, các gen mới có thể được đưa vào chương trình nhân giống một cách nhanh chóng và hoàn chỉnh với chi phí tối thiểu

Giới thiệu

Sự ra đời của Cách mạng Xanh vào những năm 1960 đã mang lại một bước thay đổi về sản lượng tiềm năng đối với gạo và lúa mì và được cho là đã tránh được các cuộc khủng hoảng lương thực nghiêm trọng (Pingali 2012) Kể từ thời điểm này, đã có một kỳ vọng không ngừng rằng eforts nhân giống cây trồng sẽ có thể duy trì năng suất, trớ trêu thay trong bối cảnh nguồn kinh phí ngày càng giảm (Hiệp hội Nông học Hoa Kỳ 2018) Đồng thời, các hệ thống trồng trọt thâm canh mới do cuộc Cách mạng Xanh thúc đẩy đã dẫn đến gia tăng áp lực từ sâu bệnh trong khi các khu vực nông trại tiếp tục lấn sâu hơn vào vùng đất biên (Tilman et al 2002) Để đáp ứng những thách thức này,

Khi sinh học phân tử phát triển như một ngành học, sự quan tâm tự nhiên tăng lên trong việc xác định biến thể di truyền của giá trị, đặc biệt bằng cách mô tả và chú thích các gen

cơ bản bao gồm cấu trúc di truyền của các đặc điểm liên quan Ngoài giá trị học thuật củabài tập này, khả năng áp đặt chọn lọc trực tiếp lên các gen / QTL này bằng kỹ thuật phân

tử đã được công nhận trong nhiều thập kỷ và ngày nay thường được gọi là 'nhân giống phân tử' (Moose và Mumm 2008) So với chọn lọc kiểu hình, các phương pháp nhân giống phân tử có một số ưu điểm chính: chúng thường nhanh hơn, có thể được thực hiện trên vật liệu ở giai đoạn cây con, cho phép làm giàu các quần thể với các cá thể dị hợp tử

thông qua tính đồng trội, có thể rẻ hơn đáng kể và có hệ số di truyền về cơ bản là 1,0 (Collard và MacKill 2008)

Khái niệm MAS đã được sử dụng rộng rãi để xác định và nhân bản hàng trăm gen trên nhiều loài (Song và cộng sự 1995; Qu và cộng sự 2006; Ji và cộng sự 2016) Đặc biệt, cây lúa tự hào có hàng chục gen được nhân bản với những biểu hiện kiểu hình quan trọng

và được coi là một nghiên cứu điển hình hữu ích để hiểu cả giá trị tiềm năng của chọn lọc

có sự hỗ trợ của marker và những rào cản của nó đối với việc triển khai Biến thể di truyền phong phú có thể ứng với MAS trong lúa là một chức năng của sự phân vùng đa dạng di truyền lúa (Govindaraj và cộng sự 2015; Dự án 3000 bộ gen lúa năm 2014) và việc áp dụng nó như là loài mô hình đầu tiên trong cây đơn tính và tiếp theo là trên toàn thế giới để công bố trình tự bộ gen (IRGSP 2005) Ví dụ, cơ sở dữ liệu Q-TARO hiện chứa 114 gen được nhân bản với các biến thể tự nhiên với nhiều đặc điểm khác nhau (Yonemaru và cộng sự 2010),

Tác động của MAS

Mặc dù thành công to lớn trong việc xác định các QTL kiểm soát nhiều tính trạng ở các loài khác nhau và xác định các biến thể chức năng nằm dưới các QTL này, sự thành công của việc chọn lọc có sự hỗ trợ của marker đối với các gen chính trong các chương trình nhân giống công cộng lớn đã bị hạn chế (Collard và MacKill 2008 ) Trong số các mầm giống lúa indica ưu tú, một cuộc khảo sát trên 60 gen và QTL như vậy cho thấy rằng gần một nửa không được tìm thấy trong các chương trình ưu tú, và 17% khác là rất hiếm (Hình 1) Giảm 9% về cơ bản đã được kết hợp trên các tế bào mầm indica, chỉ có 25% gen có thể đáp ứng được với sự chọn lọc có sự hỗ trợ của marker là có sẵn cho các nhà laitạo

Nguyên nhân đằng sau việc triển khai hạn chế các gen chính trong các chương trình nhân giống lúa công cộng đã được tranh luận nhiều lần, và các đánh giá hữu ích về các yếu tố tiềm năng đã được đưa ra (William et al 2007; Collard và MacKill 2008) Việc thiếu nhận thức về các biến thể di truyền hoặc giá trị của chúng dường như khó xảy ra Như

một trường hợp điển hình, Xa21 và Pi9, hai trong số các gen kháng phổ rộng, hiệu quả nhất chống lại bệnh bạc lá và bệnh đạo ôn do vi khuẩn gây ra, đều được xác định cách đây hơn 30 năm (Amante-Bordeos và cộng sự, 1992; Song và cộng sự 1995) Cha mẹ sởhữu những gen này đã được sử dụng rộng rãi trong các chương trình lai tạo — 86% chương trình tạo giống lúa có tưới của IRRI có liên quan đến IR24, kết quả của việc lai rộng rãi với các dòng cận sinh của IRBB (dữ liệu không được hiển thị) - nhưng giá trị củachúng vẫn chưa được cải thiện nhận ra trong các giống hiện đại Hơn nữa,

Hình 1 Tần suất của các QTL chính trong vật liệu nhân giống indica ưu tú Hơn sáu mươigen và QTL đã được kiểm chứng tốt kiểm soát một loạt các tính trạng kháng bệnh, chất lượng hạt và stress phi sinh học đã được kiểm tra trên 75 giống indica ưu tú dựa trên dữ liệu giải trình tự toàn bộ bộ gen Gần một nửa số gen này không có trong vật liệu ưu tú; 17% khác là rất Chỉ có khoảng 25% có sẵn để dễ dàng lựa chọn trong nhân giống thuận

Hình 2 Sự phân chia tần số của các gen quan trọng trong tế bào mầm indica ưu tú Tần sốcủa các gen có giá trị cao kiểm soát một loạt các tính trạng quan trọng được đánh giá trên trình tự bộ gen của 75 dòng giống và giống indica ưu tú từ một loạt các chương trình chọn tạo giống lúa trên thế giới Phần lớn các gen, bao gồm nhiều locus kháng bệnh hiệu quả nhất, không có trong vật liệu ưu tú

So sánh tần số của các gen khác nhau trong tế bào mầm indica ưu tú có thể đưa ra manh mối về nguyên nhân của sự vắng mặt này Khi kiểm tra các gen trong các loại kháng bệnhchính (bệnh đạo ôn và bệnh bạc lá do vi khuẩn), rõ ràng là tần số của các gen khác nhau rơi vào khoảng hai nhóm; một số nhỏ ở tần số hợp lý (> 25%, ví dụ Xa4, Xa26, Pi-ta, BPH32), trong khi hầu hết các phần còn lại đều không có (Hình 2) Đây có thể là một dấuhiệu cho thấy một số gen nhất định đã tìm thấy đường vào các chương trình nhân giống,

có thể thông qua tần suất cơ bản cao giữa những người sáng lập hoặc thông qua việc lai với các dòng cho sau đó là chọn lọc kiểu hình Chúng hiện đang được phân tách theo các

mức độ khác nhau, nhưng làm như vậy có khả năng gây tĩnh điện với các locus mới và cản trở khả năng chọn lọc một cách đáng tin cậy các locus mới về mặt kiểu hình Nếu đây

là trường hợp,

Câu hỏi đặt ra vẫn là, nếu việc chọn lọc kiểu hình đối với các gen chính không làm tăng tần số của các locus hữu ích mới một cách có hiệu quả do sự xuất hiện của các locus tĩnh điện với một số locus đã có ở tần số cao, tại sao không sử dụng các chỉ thị phân tử để tăng mức độ nổi bật của chúng một cách xác định? Tìm hiểu tâm lý học và kinh tế học hành vi của các nhà tạo giống cây trồng là một lĩnh vực nghiên cứu rất thú vị và chưa được nghiên cứu (Coors 2006; Lenaerts et al 2018); tuy nhiên, người ta có thể đưa ra giả thuyết rằng việc lựa chọn có sự hỗ trợ của điểm đánh dấu có thể đóng một vai trò nào đó Không nên nhầm lẫn với việc thiếu hiểu biết về các kiểu thừa kế làm cơ sở cho MAS hoặc thiếu kiến thức về QTL, chúng tôi cho rằng sự thiếu hụt tiềm năng này nhiều khả năng xuất phát từ sự thiếu cải thiện kiểu hình rất thực dụng được quan sát khi MAS được

áp dụng trong quần thể sinh sản MAS, như một phương pháp chọn lọc gián tiếp, phụ thuộc vào sự kết hợp của sự biến đổi kiểu hình với sự biến đổi di truyền tại một locus cụ thể như được khảo sát bởi một điểm đánh dấu cụ thể (tức là tương quan đặc điểm)

Nhưng bản thân điều này thực sự bao gồm hai mối tương quan cơ bản Rõ ràng, kiểu hìnhquan tâm cần được liên kết rõ ràng với vùng gen (tức là tương quan đặc điểm QTL), việc xác định vùng đó là trọng tâm của các thuật toán ánh xạ QTL (Miles và Wayne 2008) Tuy nhiên, ngay cả khi QTL giải thích 100% phương sai kiểu hình cho một đặc điểm quan tâm trong vốn gen, thì QTL vẫn cần được liên kết rõ ràng với điểm đánh dấu được

sử dụng để áp đặt chọn lọc cho nó (tức là tương quan QTL↔ marker) Nếu một trong hai mối tương quan này (đặc điểm↔QTL hoặc QTL↔marker) kém,

Thật vậy, phần lớn MAS có thể đã diễn ra đối với các gen chính trong quần thể giống lúa cũng sẽ cần phải xảy ra vào thời điểm được đặc trưng bởi khả năng tiếp cận kém với các

hệ thống đánh dấu thông lượng cao (William et al 2007; Rasheed et al 2017; Steele và cộng sự 2018) Tuy nhiên, trong thập kỷ qua, các hệ thống đánh dấu giá rẻ, tân tiến và có đường ống đã được cung cấp (Steele et al 2018) Các hệ thống đánh dấu tiên tiến này

hợp lý hóa quá trình thu thập dữ liệu, nhưng tất nhiên không giải quyết được thách thức

cơ bản trong việc đảm bảo rằng nội dung thông tin của các dấu hiệu có liên quan và hữu ích cho chương trình nhân giống

Điều này sẽ liên quan đến việc giải quyết cả hai mối tương quan cơ bản MAS như một chiến lược lựa chọn gián tiếp (đặc điểmQTL và QTL↔marker) Công việc này nhằm mục đích phác thảo một khuôn khổ để đảm bảo các mối tương quan này được giải quyết đúng cách trong các chương trình nhân giống phân tử hiện đại và cung cấp một số thông tin chi tiết về cách MAS có thể được tích hợp vào chiến lược nhân giống hiện đại có hỗ trợ bộ gen Để đạt được mục tiêu này, chúng tôi sẽ nêu bật các ý tưởng và phương pháp đang được phát triển tại Viện Nghiên cứu Lúa gạo Quốc tế và các tổ chức đối tác để cải thiện tình trạng này thông qua các công cụ cải tiến cho MAS (tức là các dấu hiệu đáng tincậy và QTL) và các chiến lược cải tiến để tích hợp các công cụ này vào quá trình chăn nuôi một cách hiệu quả Mặc dù chọn lọc bộ gen có thể được coi là một hình thức chọn lọc có sự hỗ trợ của điểm đánh dấu,

Đảm bảo MAS hiệu quả

Người ta thường không đánh giá cao việc lựa chọn có sự hỗ trợ của điểm đánh dấu về cơ bản là một phương pháp lựa chọn gián tiếp Như đã đề cập, nó dựa trên hai mối tương quan để có hiệu quả:

Đặc điểm (kiểu hình) ↔ Gen / QTL

Gene ∕ QTL ↔ Marker

Tầm quan trọng của mối tương quan đầu tiên đã được thừa nhận trước đây (ví dụ như Collard và MacKill 2008), nhưng các chiến lược để cải thiện sự kết hợp trong QTL đối với các tính trạng vẫn cần được phát triển và tiêu chuẩn hóa trong toàn ngành Kỳ lạ thay,mối tương quan thứ hai hầu như bị bỏ qua trong các tài liệu cho đến nay

Làm thế nào chúng ta có thể có hội tụ trong một quỹ tích?

Để xác định những yếu tố nào phải được đánh giá khi xác định độ tin cậy của mối tương quan về tính trạngQTL, điều cần thiết là phải đảm bảo bài tập được định hướng khách quan Nếu QTL được các nhà lai tạo dự định sử dụng để cải thiện mức độ của một số tínhtrạng mục tiêu trong chương trình nhân giống của họ, nó phải có một số đặc điểm nhất định:

1 Nó phải cung cấp sự cải tiến có thể đo lường được trong hiệu suất hàn

2 Nó phải phù hợp với sự đa dạng di truyền có trong (các) chương trình nhân giống

3 Kích thước hoàn hảo của nó (được cân bằng bởi mức độ ưu tiên của đặc điểm trong chương trình nhân giống) phải đủ để chi trả cho việc phân lập, phát triển và triển khai locus

Việc hiểu các tiêu chí này sau đó sẽ hiểu được cách thức tiến hành các hoạt động như lập bản đồ các locus Ví dụ, nhiều nghiên cứu lập bản đồ QTL đã được thực hiện về khả năngchịu mặn ở lúa, gần như tất cả đều tập trung vào hàm lượng ion natri (Na +) trong lá (Lee

et al 2007; Ammar et al 2009; Islam et al 2011; Horie và cộng sự 2012; Rahman và cộng sự 2017) Điều này có ý nghĩa sinh lý vì hàm lượng natri có tương quan đáng kể vớiđiểm tổn thương thị giác, tuy nhiên các QTL đối với hàm lượng Na + không có tác động lớn trong việc cải thiện khả năng chịu mặn Câu hỏi hóc búa rõ ràng này minh họa những cạm bẫy của việc dựa vào các đặc điểm tương quan Hàm lượng natri cho thấy mối tươngquan rõ rệt lên đến 65% với tổn thương thị giác (Platten và cộng sự 2013) Tuy nhiên, ngay cả khi một QTL hoàn hảo tương quan với hàm lượng Na + đã giải thích 20% sự thay đổi trong một quần thể lập bản đồ nhất định, điều này sẽ chỉ tương đương với (0,2 × 0,65) = 13% cải thiện các triệu chứng chấn thương thị giác, quá nhỏ để có thể thấy rõ đối với một người quan sát bình thường, đặc biệt là trong feld Cũng cần lưu ý rằng đây là mức cải thiện 13% so với phạm vi kiểu hình được quan sát trong quần thể lập bản đồ cụ thể đó; nó không hoàn thiện mức độ cải thiện tuyệt đối, có thể nhỏ hơn nhiều khi được tính trung bình trên nhiều nền tảng di truyền Để tránh những trường hợp như vậy, các nhà di truyền học, sinh lý học và các nhà lai tạo cần phải xem xét đầy đủ hơn một số

thành phần của quá trình khám phá gen để đảm bảo sự phù hợp với các chương trình nhân giống hiện đại Cũng cần lưu ý rằng đây là mức cải thiện 13% so với phạm vi kiểu hình được quan sát trong quần thể lập bản đồ cụ thể đó; nó không hoàn thiện mức độ cải thiện tuyệt đối, có thể nhỏ hơn nhiều khi được tính trung bình trên nhiều nền tảng di truyền Để tránh những trường hợp như vậy, các nhà di truyền học, sinh lý học và các nhàlai tạo cần phải xem xét đầy đủ hơn một số thành phần của quá trình khám phá gen để đảm bảo sự phù hợp với các chương trình nhân giống hiện đại Cũng cần lưu ý rằng đây

là mức cải thiện 13% so với phạm vi kiểu hình được quan sát trong quần thể lập bản đồ

cụ thể đó; nó không hoàn thiện mức độ cải thiện tuyệt đối, có thể nhỏ hơn nhiều khi đượctính trung bình trên nhiều nền tảng di truyền Để tránh những trường hợp như vậy, các nhà di truyền học, sinh lý học và các nhà lai tạo cần phải xem xét đầy đủ hơn một số thành phần của quá trình khám phá gen để đảm bảo sự phù hợp với các chương trình nhân giống hiện đại

Cân nhắc kiểu hình

Tầm quan trọng của kiểu hình không gây tranh cãi và tài liệu quan trọng đã được viết về các công nghệ và chiến lược khác nhau để sử dụng nó trong chăn nuôi (ví dụ: Araus và cộng sự 2018) Mục đích của bài viết này không phải là tóm tắt lại tài liệu này, mà là nhấn mạnh một điểm nổi bật cho các bài tập lập bản đồ QTL: các chiến lược định hình kiểu hình phải nhắm vào các đặc điểm thực tế được chọn lọc để hữu ích cho mục đích nhân giống Trong khi môi trường được kiểm soát, proxy kiểu hình thuận tiện và các tính trạng thành phần tạo nên các mục tiêu lập bản đồ thuận tiện vì chúng có hệ số di truyền cao và thường giảm chi phí, chúng thường không chuyển thành mục tiêu chọn lọc có ý nghĩa cho một chương trình nhân giống trừ khi có tương quan cụ thể với đặc điểm quan tâm Ví dụ, đối với khả năng chịu mặn, QTL kiểm soát 20% sự thay đổi của các triệu chứng tổn thương thị giác trong môi trường mục tiêu dưới áp lực của mối quan tâm sẽ thích hợp hơn và đáng tin cậy hơn một QTL kiểm soát 20% sự thay đổi trong hàm lượng natri lá Việc lập bản đồ các QTL cho các đặc điểm trực tiếp này - ngay cả khi các đặc

điểm này khó lập bản đồ - đã rất hiệu quả để xác định các QTL kiểm soát năng suất trong điều kiện căng thẳng hạn hán giai đoạn sinh sản ở lúa (Bernier và cộng sự 2007)

Tất nhiên, việc xác định kiểu hình các mục tiêu chọn lọc trực tiếp trong feld khó và tốn kém hơn nhiều so với trong nhà kính Việc lập bản đồ trực tiếp trong các điều kiện liên quan tạo ra các kịch bản có nhiều biến đổi về không gian và thời gian hơn làm giảm khả năng di truyền và dẫn đến giảm tín hiệu di truyền Tuy nhiên, lợi ích là bất kỳ tín hiệu di truyền có thể phát hiện được quan sát thấy có liên quan trực tiếp đến những cải tiến có thể được mong đợi trong các chương trình nhân giống Sự ảnh hưởng của nhiễu môi trường trong các giao thức định hình kiểu hình feld có thể được giảm thiểu thông qua các thiết kế feld được nhân rộng tốt, lấy mẫu tốt hơn đối tượng mục tiêu của môi trường và sửdụng các quần thể lập bản đồ có cấu trúc di truyền như RIL hoặc CSSL (Doi et al 1997; Kubo et al Năm 2002) Vẫn còn đó, nhiều tình huống trong đó việc xác định kiểu hình toàn bộ quần thể lập bản đồ dựa trên các quan sát feld là không thực tế hoặc không thể thực hiện được Trong những tình huống này, đánh giá quần thể trong điều kiện được kiểm soát trong nhà kính hoặc môi trường nghệ thuật khác có thể tạo ra thành công giả thuyết về các locus di truyền cụ thể Sau khi được phát triển, các giả thuyết này có thể được kiểm tra và xác nhận trong các điều kiện hàn sau khi tạo ra các dòng gần isogenic chẳng hạn như các dòng được tạo ra từ việc triển khai QTL (thảo luận bên dưới)

Trong những điều kiện như vậy, hoàn toàn có khả năng sẽ không có một locus di truyền đơn lẻ nào được xác định có đóng góp lớn vào một đặc điểm phức tạp Trong tình huống này, nhiều khả năng áp dụng mô hình đa gen hoặc đa gen cộng tính (Boyle et al 2017) vàcác nhà lai tạo sẽ đạt được nhiều tiến bộ hơn bằng cách sử dụng chọn lọc kiểu hình hoặc

bộ gen để tích lũy các alen thuận lợi thông qua các chu kỳ nhân giống liên tiếp Xem Cobb và cộng sự (2013) để đánh giá sâu hơn về các cân nhắc kiểu hình để cải thiện cây trồng trong bối cảnh lai tạo

Cân nhắc về bộ gen

Ngay cả chiến lược định hình kiểu hình phù hợp và được thiết kế tốt nhất vẫn sẽ không hiệu quả nếu các QTL kết quả không hoạt động trong nền gen của các chương trình nhân giống mục tiêu

Đây dường như là điểm yếu chính của nhiều nghiên cứu lập bản đồ QTL và nhân bản gen; Tính hiệu quả của QTL thường không được chứng minh (chỉ hiển thị kết quả lập bảnđồ), hoặc chỉ được chứng minh trong một phạm vi hẹp của nguồn gốc gen có mức độ phùhợp hạn chế với các chương trình nhân giống hiện đại Sử dụng khả năng chịu mặn ở lúa làm ví dụ một lần nữa, các nghiên cứu lập bản đồ đã tập trung vào các quần thể sử dụng các giống như IR29 (Rahman và cộng sự 2017; Tiwari và cộng sự 2016; Bimpong và cộng sự 2014), Azucena (Zheng và cộng sự 2003; Gomez et al 2006; Khowaja et al 2009) và Nipponbare (Wissuwa et al 2002; Zhou et al 2016) với tư cách là cha mẹ ngườinhận Chúng được chọn do mức độ chịu mặn cực thấp của chúng - do đó tối đa hóa sự biến đổi kiểu hình có trong các quần thể kết quả và do đó sức mạnh thống kê để phát hiệncác QTL Không may, ba dòng này là các giống rất cũ hoặc thậm chí là các giống

japonica sẽ không thích hợp để sử dụng trong chương trình nhân giống indica ưu tú, đặt

ra câu hỏi liệu các QTL được xác định trong các nguồn gốc này thậm chí có hiệu quả trong các chương trình nhân giống hiện đại hay không Nhận xét rằng phần lớn các dòng indica ưu tú đã sở hữu một trong các alen thuận lợi của Saltol (Hình 2, Platten và cộng sự2013) là một minh họa thuận tiện về một QTL có thể hoạt động hoàn hảo, nhưng chỉ có giá trị ở những nền không liên quan để chăn nuôi eforts

Ngoài ra, vì các giống nhận được chọn thường nhạy cảm hơn hầu hết các dòng lai tạo (để tối đa hóa xác suất kết hợp QTL), có mối nguy hiểm thực sự mà bất kỳ QTL nào được xác định không giải thích tại sao dòng cho có giá trị cụ thể, nhưng thay vì tại sao những người nhận này có hiệu suất kém Sự khác biệt giữa những điểm này có thể là tinh vi, nhưng rất quan trọng Nếu QTL giải thích lý do tại sao người cho thực hiện tốt tính trạng mong muốn, thì kiểu đơn bội QTL mong muốn có thể hiếm hoặc không có trong vật liệu nhân giống ưu tú — nếu không, hầu hết vật liệu nhân giống cũng sẽ có giá trị tính trạng

cao Mặt khác, nếu QTL giải thích lý do tại sao người nhận (ví dụ IR29) có hiệu suất thấp, thì loại haplotype QTL không mong muốn có thể khá đặc biệt với giống đó Vì vậy, kiểu haplotype QTL mong muốn cũng có thể xuất hiện thường xuyên trong nhóm nhân giống (tức là nó cũng có thể được xác định trong một quần thể từ một dòng ưu tú trung bình được lai với người nhận nhạy cảm đó) và do đó có rất ít giá trị trong việc cải thiện đặc điểm cho hầu hết các dòng ưu tú Để tránh tình huống này, người nhận không nên được chọn đặc biệt vì hiệu suất thấp của họ đối với đặc điểm mục tiêu Các kết quả phù hợp hơn sẽ được đảm bảo bằng cách chọn những người nhận ưu tú với hiệu suất trung bình

Ngay cả với năng lực và trình độ kiến thức hiện tại của sinh học phân tử thế kỷ XXI, việc

dự đoán chính xác liệu một QTL có hiệu quả trong các nền tảng di truyền khác vẫn còn rất khó khăn Để giảm thiểu những rủi ro này, cần phải có một phương pháp thực nghiệm trực tiếp hơn trước khi các QTL có thể được triển khai để nhân giống Một cách tiếp cận

là lập bản đồ trực tiếp các QTL trong nhiều nền Các phương pháp lai tạo truyền thống thường sử dụng phép lai diallel, trong đó một (hoặc nhiều) dòng đực được lai với nhiều dòng cái, chính xác là để giải quyết vấn đề ổn định kiểu hình trên một loạt các di truyền liên quan Áp dụng khái niệm này cho các quần thể lập bản đồ QTL, rõ ràng là chiến lượcchéo nửa diallel sử dụng các bậc cha mẹ nhận ưu tú đa dạng sẽ đi một chặng đường dài hướng tới việc làm phong phú thêm kết quả cho QTL được xác nhận trên các nền tảng di truyền (Tsaih và cộng sự 2005; Paulo và cộng sự 2008) Trong trường hợp này, bố mẹ hiến tặng được chọn sẽ được lai với nhiều người nhận ưu tú, với bố mẹ sau này được chọn để đại diện cho một số phần của sự đa dạng di truyền của chương trình nhân giống Mỗi cây F1 kết quả được sử dụng để tạo ra một quần thể lập bản đồ; một trong số này có thể là tập hợp ánh xạ chính gồm 200 dòng + và các nhóm khác có kích thước giảm xuốngmỗi dòng 100 dòng (Hình 3) Sau đó, quần thể sơ cấp cung cấp sức mạnh thống kê để phát hiện các QTL, trong khi các quần thể thứ cấp đưa ra một số dấu hiệu như tính tổng quát của các QTL đó trong sự đa dạng di truyền của chương trình lai tạo Cần lưu ý rằng mỗi tập hợp quần thể cho một nhà tài trợ nhất định sau đó tạo thành một thiết kế NAM

(Yu et al 2007), và do đó, các kết quả có thể được tổng hợp và phân tích như vậy để cungcấp thêm sức mạnh để giảm khoảng QTL Chi phí tạo kiểu gen theo cấu trúc giá hiện tại cũng là danh nghĩa Giả sử việc định kiểu gen hiện tại có giá từ USD $ 15 đến $ 40 cho mỗi mẫu để đạt được độ sâu hoàn hảo cho mục đích lập bản đồ, trải rộng trên một quần thể 100 dòng tương đương với chi phí dự án khoảng USD $ 1500 - $ 4000.

Hình 3 Chiến lược cơ bản để ánh xạ các QTL thông qua giao cắt nửa diallel a Đối với mỗi nhà tài trợ được xác định, một số quần thể được tạo ra bằng cách sử dụng một số giống ưu tú làm người nhận Các quần thể này có thể không có cùng kích thước; một loại

có thể được sử dụng làm quần thể lập bản đồ chính (để cung cấp sức mạnh thống kê cho việc phát hiện và khoảng thời gian bảo tồn tốt), trong khi những con khác đưa ra dấu hiệu

về độ mạnh mẽ của QTL trên các nền tảng di truyền ưu tú Các kết quả từ mỗi nhóm quầnthể có thể được tổng hợp và phân tích như một dân số NAM để đưa ra mức độ phù hợp hơn b Cấu trúc quần thể nửa diếc Tập hợp các quần thể ở (a) tạo thành một cột của ma trận này, với ma trận được điền theo kích thước quần thể được tạo ra, giả sử RIL được sử dụng Một QTL được xác định giữa các nhà tài trợ ở một người nhận (ví dụ Người nhận-

1 NAM) cung cấp thông tin về sự đa dạng của các alen của nhà tài trợ, cho phép kiểm soát tỷ lệ âm tính giả trong thiết kế điểm đánh dấu nhưng ít kiểm soát tỷ lệ dương tính giả; một QTL được xác định giữa những người nhận (ví dụ: Nhà tài trợ-1 NAM) cung cấp thông tin về sự đa dạng của các alen / kiểu đơn bội của người nhận, cho phép kiểm soát tỷ lệ dương tính giả trong thiết kế điểm đánh dấu Điều sau quan trọng hơn nhiều trong hầu hết các trường hợp, vì vậy điều này cần được tuân thủ nếu nguồn lực đang hạn chế

Một phương pháp thay thế khác để xây dựng và định kiểu gen một số phép lai nửa diallel

là tiến hành trực tiếp triển khai các QTL giả định vào một số nền gen ưu tú Trong trường hợp này, các QTL giả định được xác định trong quần thể lập bản đồ sơ cấp (F2: 3, RIL, CSSL, v.v.) được lai tạo thành một số giống ưu tú — lại được chọn để đại diện cho thước

đo đa dạng bộ gen trong (các) chương trình nhân giống mục tiêu —để tạo ra một loạt NIL, sau đó được phân tích để cải thiện đặc điểm quan tâm Về mặt di truyền, điều này vượt trội hơn vì các quần thể lập bản đồ chỉ đại diện cho 50% nền tảng bộ gen ưu tú, trong khi NILs sẽ> 95% và do đó, phản ánh tốt hơn về hiệu suất của QTL ở các nguồn gốc ưu tú Nó cũng có khả năng rẻ hơn - thậm chí việc chọn bốn vùng QTL trong quá trình lai ngược chỉ yêu cầu kích thước quần thể là 145 cây BC-F1 ở mỗi thế hệ (xem bên dưới; cần có một quần thể BC-F1 gồm 145 cây, giả sử cần có 5 thế hệ con cháu dương

tính và 5% rủi ro thất bại là có thể chấp nhận được — con số trung bình được tìm thấy là khoảng 9 vạch dương) Điều này dễ dàng đạt được ở gạo và các loại ngũ cốc khác

Thương vụ chính của việc triển khai các QTL là giữa thời gian và thời gian — việc sản xuất các họ BC4F2: 3 tốn nhiều công sức hơn là sản xuất các RIL bằng cách sử dụng tiến

bộ thế hệ nhanh (RGA; Collard et al 2017) Mặt khác, nếu các QTL được chứng minh là

có hiệu quả, các sản phẩm triển khai kết quả có thể được đưa trực tiếp vào các chương trình nhân giống vì các nhà tài trợ ưu tú cho các QTL mới không có mặt trong các dòng nhân giống hiện tại

Những cân nhắc về nhân giống

Cân nhắc chính thứ ba khi xác định giá trị tương đối của một locus đối với một chương trình nhân giống là kích thước hoàn hảo của nó Rõ ràng, nếu locus tạo ra sự khác biệt tối thiểu cho một đặc điểm, thì lợi tức đầu tư cho một nhà lai tạo để sử dụng MAS là rất thấp QTL nhỏ hoàn hảo như vậy được xử lý tốt hơn nhiều bằng cách sử dụng chọn lọc kiểu hình hoặc bộ gen (Hefner et al 2011; Sorrells 2015) Trong các bài tập ánh xạ QTL truyền thống, phần trăm biến thể được giải thích (PVE, tương đương với r2) thường đượcbáo cáo và các QTL thường được coi là 'chính xác' nếu chúng hiển thị các giá trị r 2 trên một số ngưỡng, thường là 20% Phương pháp này phải được sử dụng một cách thận trọng; r 2 là thước đo sự thay đổi được giải thích trong tổng thể lập bản đồ cụ thể đó Tùy thuộc vào bố mẹ (và do đó phạm vi kiểu hình mà quần thể có thể có), QTL có thể biểu hiện PVE cao, nhưng có thể có ít giá trị sinh học Điều này thường xảy ra với các quần thể có nhiều dòng lai như thế hệ con lai cao cấp (đôi khi được gọi là dòng lai lai xa, BIL)

và CSSL, trong đó locus phân tách duy nhất là locus đích, và do đó PVE được kỳ vọng làgần như 100%, nhưng tỷ lệ kiểu hình có thể khá thấp

Để tránh những sai lệch này, có vẻ tốt hơn là không đánh giá tỷ lệ phần trăm biến thể được giải thích cho quần thể, mà là sự biến đổi tuyệt đối được giải thích liên quan đến bố

mẹ nhận ưu tú Điều này khó khăn hơn khi trích xuất từ phần mềm lập bản đồ QTL, nhưng có thể được ước tính, ví dụ, như sản phẩm của PVE và phương sai của quần thể,

hoặc có thể được ước tính bằng cách lấy các giá trị trung bình của quần thể được chia thành các lớp kiểu gen cho QTL mục tiêu Đối với các quần thể có tính đồng nhất cao (BIL, CSSL, các sản phẩm triển khai QTL), điều này dễ dàng được ước tính như là sự khác biệt trung bình từ cha mẹ người nhận.

Đối với kích thước hoàn hảo nào thúc đẩy việc triển khai QTL trong một chương trình nhân giống, đây là một đánh giá giá trị và đưa ra quyết định kinh doanh của tổ chức phù hợp với giá trị nhận thức của đặc điểm, chi phí liên quan đến việc triển khai QTL và tần suất của alen thuận lợi giữa các dòng nhân giống ưu tú Ví dụ, một QTL đã được xác minh làm tăng 10% tiềm năng năng suất sẽ có giá trị không thể nghi ngờ trong hầu hết các chương trình nhân giống Ngược lại, việc cải thiện 10% một đặc điểm thứ yếu hoặc thứ yếu không có khả năng đáng giá khi đầu tư một MAS efort Vì sự đánh giá giá trị nàyphụ thuộc vào giá trị của đặc điểm, giá trị của QTL và chi phí triển khai QTL, rõ ràng là bất kể kịch bản nào, việc giảm chi phí triển khai sẽ cho phép nhiều QTL được sử dụng hiệu quả hơn trong các chương trình nhân giống Nếu chi phí triển khai đủ thấp, bạn nên tiến hành triển khai trong giai đoạn xác minh như đã nêu ở trên Các sản phẩm triển khai sau đó sẽ được cung cấp cho các chương trình chăn nuôi ngay lập tức mà không cần đầu

tư thêm

Làm thế nào chúng ta có thể có hàng rào trong một điểm đánh dấu?

Việc xác định khả năng phân phối của QTL đối với phương sai kiểu hình tương đối hiểu

rõ bởi các nhà lai tạo và nhà di truyền học Nhưng mối tương quan thứ hai và thường bị

bỏ qua hơn gây rủi ro về uy tín cho MAS như một chiến lược là giữa QTL và điểm đánh dấu được sử dụng để áp đặt lựa chọn cho nó (QTL ↔ marker) Không có khả năng đo lường và giải thích chính xác mối tương quan này là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến kết quả MAS không rõ ràng trong các chương trình nhân giống hiện đại Hiệu suất của các hệ thống đánh dấu được sử dụng để lựa chọn các QTL mục tiêu rõ ràng là rấtquan trọng đối với sự thành công, nhưng kỳ lạ là vẫn thiếu tài liệu về chủ đề này Hiệu suất kỹ thuật của một điểm đánh dấu đôi khi được đánh giá - đặc biệt là tỷ lệ mẫu cho kết

quả (tức là tỷ lệ cuộc gọi), mặc dù tính nhất quán của những kết quả này giữa các lần lặp lại sinh học thường ít được đánh giá hơn Mặc dù quan trọng nhưng đây thường là những trường hợp nhỏ, về cơ bản đánh giá liệu tính đa hình có hoạt động như một điểm đánh dấu ở vị trí đầu tiên hay không.

Trong bối cảnh nhân giống có sự hỗ trợ của marker, việc cân nhắc quan trọng hơn nhiều

là liệu tính đa hình có chọn lọc chính xác QTL mục tiêu qua các quần thể và thế hệ hay không Không giống như những năm 1990 và đầu những năm 2000 khi nhiều QTL chính được biết đến hiện nay đang được nhận dạng, những năm 2010 có một số hệ thống đánh dấu giá rẻ, thông lượng cao và rất dễ nhận biết Trong bối cảnh hiện đại này, rõ ràng tình huống tốt nhất sẽ là xác định và khảo sát bản thân tính đa hình chức năng và sản xuất dấuhiệu đánh dấu đó để sử dụng thường xuyên trong chăn nuôi Tuy nhiên, thời gian và chi phí cần thiết để xác định đa hình chức năng không phải lúc nào cũng có thể biện minh được chỉ bằng các mục tiêu nhân giống, và kiến thức về bản thân gen không thực sự cần thiết để cho phép sử dụng nó trong một chương trình nhân giống Hậu quả là, hầu hết các ứng dụng MAS trong một chương trình lai tạo xác định một điểm đánh dấu được liên kết với QTL (thường là từ chính bài tập lập bản đồ) và đề xuất nó làm proxy để chọn cho chính QTL (ví dụ: Abasht và cộng sự 2009; Kim và cộng sự 2014) Nhưng trong đó có rủi ro danh tiếng chính đối với lựa chọn có sự hỗ trợ của điểm đánh dấu Nhiều dấu hiệu được liên kết vật lý với QTL và tương tự như vậy dự đoán hoàn hảo sự hiện diện hay vắng mặt của QTL trong bối cảnh hai cha con không ở trạng thái cân bằng liên kết tốt (LD) với QTL một khi được áp dụng cho bối cảnh di truyền rộng hơn Các chương trình nhân giống hiện đại tập trung vào các con lai ưu tú đặc biệt nhạy cảm với điều này bởi vì

LD là một tham số ở cấp độ quần thể và hai alen được liên kết nằm trong LD hoàn hảo trong một nhóm gen có thể cho thấy ít mối liên hệ với nhau Vì vậy, các dấu hiệu được thiết kế dựa trên sự thành công trong một chương trình nhân giống hoặc trong một lần thực hiện trước khi nhân giống và sau đó áp dụng cho những người khác không có khả năng hoạt động tốt, và do đó, sự liên kết phải được xác định theo kinh nghiệm cho mỗi quần thể nhân giống hoặc số lượng dấu hiệu được khảo nghiệm phải là rất lớn (Habier và

cộng sự 2009) Ngoài ra, vấn đề này còn được hiểu thêm, sự đa dạng di truyền trong các chương trình nhân giống, trong nhiều trường hợp, ít được biết đến, do đó ngăn cản việc đánh giá chính xác khả năng của một marker mới để dự đoán các cá thể QTL [+] và QTL [-], và việc phân loại theo kiểu hình của tế bào mầm là khả năng chống chịu hoặc nhạy cảm thường thích ứng với bệnh chảy máu cam (nhiều gen có cùng một tính trạng, ví dụ như khả năng kháng bệnh) và sự biến đổi của môi trường hoặc sự liên kết phải được xác định theo kinh nghiệm cho mỗi quần thể lai tạo, hoặc số lượng dấu hiệu được xét nghiệm phải rất lớn (Habier và cộng sự 2009) Ngoài ra, vấn đề này còn được hiểu thêm, sự đa dạng di truyền trong các chương trình nhân giống, trong nhiều trường hợp, ít được biết đến, do đó ngăn cản việc đánh giá chính xác khả năng của một marker mới để dự đoán các cá thể QTL [+] và QTL [-], và việc phân loại theo kiểu hình của tế bào mầm là khả năng chống chịu hoặc nhạy cảm thường thích ứng với bệnh chảy máu cam (nhiều gen có cùng một tính trạng, ví dụ như khả năng kháng bệnh) và sự biến đổi của môi trường hoặc

sự liên kết phải được xác định theo kinh nghiệm cho mỗi quần thể lai tạo, hoặc số lượng dấu hiệu được xét nghiệm phải rất lớn (Habier và cộng sự 2009) Ngoài ra, vấn đề này còn được hiểu thêm, sự đa dạng di truyền trong các chương trình nhân giống, trong nhiều trường hợp, ít được biết đến, do đó ngăn cản việc đánh giá chính xác khả năng của một marker mới để dự đoán các cá thể QTL [+] và QTL [-], và việc phân loại theo kiểu hình của tế bào mầm là khả năng chống chịu hoặc nhạy cảm thường thích ứng với bệnh chảy máu cam (nhiều gen có cùng một tính trạng, ví dụ như khả năng kháng bệnh) và sự biến đổi của môi trường

Những sai sót này có thể được giảm thiểu nếu các điểm đánh dấu có thể được thiết kế để cung cấp sự lựa chọn chính xác cho một QTL mục tiêu trên tất cả các đa dạng di truyền gặp phải trong không chỉ một mà trong tất cả các chương trình nhân giống Nếu có sẵn những điểm đánh dấu như vậy, chúng có thể được sử dụng để xác định nguyên liệu đáng tin cậy qua các thế hệ và các chương trình nhân giống Để đạt được điều này, cần phải có các phép đo về độ chính xác của một điểm đánh dấu trên đa dạng allelic / haplotypic được quan tâm Chìa khóa cho điều này là một đánh giá rõ ràng về tỷ lệ dương tính giả và

âm tính giả đối với bất kỳ điểm đánh dấu mới nào dự định triển khai cho một QTL được ánh xạ bên ngoài chương trình nhân giống Trong một số trường hợp khi haplotype QTL thuận lợi là cực kỳ hiếm hoặc đến từ họ hàng hoang dã, bất kỳ điểm đánh dấu nào được liên kết với QTL cũng có khả năng rất hiếm khi tất cả các dòng lai tạo sẽ có một alen và các dòng cho mới sẽ có alen thay thế Nhưng trong nhiều trường hợp, QTL được xác địnhbằng bài tập lập bản đồ đến từ các tế bào mầm liên quan đến chương trình nhân giống, và

do đó các đa hình trong khoảng QTL cũng có thể xuất hiện trong chương trình nhân giống, ngay cả khi bản thân QTL thì không Do đó, việc đo lường tỷ lệ dương tính giả và

âm tính giả của bất kỳ điểm đánh dấu nào được triển khai làm mục tiêu lựa chọn là điều cần thiết

Lập bản đồ dựa trên các sơ đồ giao nhau nửa diallel được đề xuất ở trên cung cấp một đường cơ sở tuyệt vời để thiết kế các điểm đánh dấu chính xác, đặc biệt là để đánh giá tỷ

lệ dương tính giả Nếu cấu trúc ánh xạ này được tuân theo, bằng cách xác định một số người cho và một số người nhận sẽ được biết, do đó tạo ra một số lớp kiểu gen QTL - [+]

và [-] đã được xác thực / haplotypic Do đó, bất kỳ điểm đánh dấu nào phân loại một số dòng giống QTL [-] là dương tính sẽ cho kết quả dương tính giả, trong khi dấu hiệu phân loại một số dòng QTL [+] là âm tính sẽ cho kết quả âm tính giả (xem Hình 4)

Hình 4 Ví dụ về độ chính xác của điểm đánh dấu Các đa hình thay thế đơn nucleotide trong một gen mục tiêu cụ thể được hiển thị (các đường thẳng đứng có màu) trên một loạtcác đa dạng của người cho và người nhận (theo dõi ngang) dựa trên dữ liệu giải mã lại toàn bộ bộ gen (Các thanh màu xám đại diện cho các lần đọc cá nhân.) Các đa hình khác nhau cho thấy các mức độ liên kết khác nhau với kiểu hình mục tiêu và do đó độ chính xác khác nhau trong việc phân loại đa dạng alen cho và nhận đã biết Rõ ràng là đa hình chính xác nhất nếu được sử dụng làm điểm đánh dấu là hình cuối cùng ở bên phải

FPR đặc biệt quan trọng trong bối cảnh lai tạo, vì một điểm đánh dấu có FPR> 0% sẽ phân loại một số chương trình nhân giống là dương tính với QTL, trong đó thực tế là không có, dẫn đến lãng phí nguồn lực cho việc phát triển các dòng nhân giống không có giá trị dự định, không triển khai được QTL giữa các dòng nhân giống với niềm tin rằng

nó đã có sẵn, hoặc tệ hơn, việc sử dụng dòng nhân giống QTL [-] làm vật hiến tặng với lý

do giả là nó có QTL [+] alen, trong khi thực tế nó chỉ có alen đánh dấu được chỉ định là thuận lợi FNR có nhiều khả năng có vấn đề nếu xem xét độ chính xác của một điểm đánh dấu trong các chương trình lai tạo khác nhau Trong tình huống đó, sự đa dạng về alen được tìm thấy trong các chương trình khác làm tăng cơ hội có mặt của các alen của nhà tài trợ bổ sung,

Tổng quan về hậu quả của việc sử dụng các hệ thống đánh dấu không chính xác được đưa

ra trong Hình 5 Sử dụng những tiến bộ trong bộ gen, hiện nay việc lấy trình tự toàn bộ

bộ gen cho nhiều loài tương đối rẻ, cung cấp nguồn đánh dấu ứng viên phong phú Khi được kết hợp với phương pháp lập bản đồ được thiết kế để mô tả một số mức độ đa dạng alen của người cho và người nhận, các dấu hiệu ứng cử viên này có thể được đánh giá về FPR và FNR của chúng để thiết kế các hệ thống đánh dấu chính xác trên một loạt các đa dạng alen và do đó đáng tin cậy trong nhiều chương trình nhân giống Trong trường hợp không có đặc tính rộng rãi như vậy, các chương trình lai tạo có trách nhiệm xác nhận tính thông tin của các dấu hiệu đang được sử dụng để chọn lọc QTL có giá trị trước khi đầu tưcác nguồn MAS đắt tiền vào việc tăng tần suất của chúng

Hình 5 Hệ quả của việc lựa chọn sử dụng hệ thống đánh dấu chính xác và không chính xác Ba dấu hiệu khác nhau, tất cả đều liên kết chặt chẽ với một gen mục tiêu không xác định, được sử dụng để chọn lọc sự hiện diện của gen đó trong một số quần thể Hai ngườicho thay thế (với các alen của người cho khác nhau) được lai với mỗi người nhận khác nhau trong số những người nhận khác nhau (tất cả đều có các alen khác nhau) Điểm đánh dấu số 1 có FNR là 50%; # 2 có FPR là 50% và # 3 có FPR và FNR là 0% Điểm đánh dấu # 1 phân loại chính xác tất cả người nhận là QTL [-] Nó đa hình với nhà tài trợ

# 1, vì vậy MAS thành công; tuy nhiên, nó không thành công trong tất cả các quần thể từ nhà tài trợ # 2 Điểm đánh dấu # 2 phân loại cả người tặng là QTL [+], nhưng cũng phân loại người nhận # 2, 4 và 5 là [+], vì vậy MAS không thành công trong các quần thể liên quan đến những người nhận đó

Tích hợp MAS vào hệ thống chăn nuôi hiện đại

Một khi nhà lai tạo được chứng minh về cả khả năng của QTL để cung cấp phương sai kiểu hình hoàn hảo trong chương trình lai tạo và khả năng của hệ thống đánh dấu để theo

dõi chính xác QTL trong các quần thể sinh sản, thì việc thực hiện MAS thực sự cần phải diễn ra Nhân giống hiện đại đã dần dần rời xa những ý tưởng bất chợt về nghệ thuật của những quyết định thiếu dữ liệu sang một quy trình dựa trên dữ liệu, dựa trên bằng chứng

và thông tin kiểu gen có thể đóng một vai trò trung tâm trong việc thúc đẩy quá trình này.Các vấn đề chính trong việc áp dụng MAS xoay quanh (các) giai đoạn nào trong chu kỳ chăn nuôi, nên áp dụng MAS ở giai đoạn nào, quy mô quần thể nào để đảm bảo các chiếnlược chăn nuôi khác có thể được thực hiện một cách hiệu quả và cách MAS kết hợp với các phương pháp chọn lọc kiểu hình và bộ gen Đối với mục đích của cuộc thảo luận này, người ta sẽ giả định rằng chương trình nhân giống đang sử dụng quy trình tạo dòng nhanhdựa trên nguồn gốc hạt giống như tiến trình tạo thế hệ nhanh (Collard et al 2017) cho đếnthế hệ F5 và thử nghiệm feld được thực hiện trên các dòng fxed Tuy nhiên, các chiến lược tương tự có thể được áp dụng nếu sử dụng phương pháp tiếp cận theo dòng dõi Với cách tiếp cận này, việc lựa chọn có sự hỗ trợ của điểm đánh dấu có thể được áp dụng ở nhiều điểm bên trong, phía trên và song song với các hoạt động nhân giống phía trước (Hình 6)

Hình 6 Các ứng dụng của chọn lọc có sự hỗ trợ của marker trong quá trình nhân giống Các QTL kiểm soát các đặc điểm quan tâm được xác định trong quá trình lai tạo trước dòng ngược dòng (phát triển tính trạng) và được triển khai thông qua triển khai QTL Cácnhà tài trợ ưu tú từ việc triển khai QTL được sử dụng trực tiếp làm bố mẹ trong quá trình nhân giống thuận hoặc được sử dụng để tăng nhanh tần số gen mới thông qua tăng dòng Các quy trình phát triển đa dạng sử dụng các bản sao QTL có hỗ trợ đánh dấu của vật liệu

ưu tú để cung cấp thông tin về thiết kế lai giống và nhân giống thuận được hỗ trợ đánh dấu để đưa ra giá trị của các gen mới một cách hữu ích cho các dòng mới được phát triển.Được tích hợp với nhau, các quá trình này có thể nhanh chóng và hiệu quả nắm bắt giá trịcủa các locus trong chương trình nhân giống

MAS trong nhân giống chuyển tiếp

Nếu các điểm đánh dấu có độ chính xác cao được thiết kế, chúng có thể được sử dụng để lấy ra một dấu vết hoặc 'hồ sơ QTL', xác định rõ các gen và QTL có giá trị có trong các dòng bố mẹ tương lai Điều này có thể được sử dụng theo hai cách: chọn một cặp bố mẹ đóng góp một gen đặc biệt có giá trị hoặc để tăng giá trị cho các con lai hiện có Trong một chương trình nhân giống hiện đại hóa hoàn toàn, bố mẹ được chọn chủ yếu vì giá trị nhân giống của chúng đối với các tính trạng số lượng, nhưng trong nhiều trường hợp, hai

bố mẹ có giá trị sinh sản tiềm năng cao trong phép lai đều thiếu QTL chính cần quan tâm.Điều này là phổ biến, đặc biệt là khi QTL đến từ các nguồn đa dạng hoặc hoang dã và do

đó không có hoặc hiếm trong chương trình nhân giống Việc lập hồ sơ QTL của tất cả cáccặp bố mẹ tiềm năng cho phép đưa ra quyết định lựa chọn sáng suốt hơn giữa hai dòng cógiá trị nhân giống tương tự nhưng làm ảnh hưởng đến QTL quan tâm Tương tự, biết được hồ sơ QTL đầy đủ của hai bậc cha mẹ cho phép lập kế hoạch dân số chéo và cụ thể cẩn thận hơn (xem bên dưới) Ví dụ: phép lai giữa hai bậc cha mẹ ưu tú không được chọn

để mang lại một QTL cụ thể, nhưng dù sao thì mỗi bậc cha mẹ có thể đóng góp một hoặc nhiều QTL mà cha mẹ còn lại thiếu Kiến thức về các QTL phân ly trong một quần thể có

kế hoạch cho phép nhà lai tạo tăng thêm giá trị cho thế hệ con cháu được chọn ra khỏi quần thể Nếu thành công, điều này cho phép làm phong phú thêm các hoạt động chọn

lọc bộ gen tốn kém hơn và các thử nghiệm năng suất với vật liệu được biết là dương tính với QTL, do đó làm tăng giá trị của các thử nghiệm năng suất biết hồ sơ QTL đầy đủ củahai bậc cha mẹ cho phép lập kế hoạch dân số chéo và cụ thể cẩn thận hơn (xem bên dưới) Ví dụ: phép lai giữa hai bậc cha mẹ ưu tú không được chọn để mang lại một QTL

cụ thể, nhưng dù sao thì mỗi bậc cha mẹ có thể đóng góp một hoặc nhiều QTL mà cha mẹcòn lại thiếu Kiến thức về các QTL phân ly trong một quần thể có kế hoạch cho phép nhàlai tạo tăng thêm giá trị cho thế hệ con cháu được chọn ra khỏi quần thể Nếu thành công,điều này cho phép làm phong phú thêm các hoạt động chọn lọc bộ gen tốn kém hơn và các thử nghiệm năng suất với vật liệu được biết là dương tính với QTL, do đó làm tăng giá trị của các thử nghiệm năng suất biết hồ sơ QTL đầy đủ của hai bậc cha mẹ cho phép lập kế hoạch dân số chéo và cụ thể cẩn thận hơn (xem bên dưới) Ví dụ: phép lai giữa hai bậc cha mẹ ưu tú không được chọn để mang lại một QTL cụ thể, nhưng dù sao thì mỗi bậc cha mẹ có thể đóng góp một hoặc nhiều QTL mà cha mẹ còn lại thiếu Kiến thức về các QTL phân ly trong một quần thể có kế hoạch cho phép nhà lai tạo tăng thêm giá trị cho thế hệ con cháu được chọn ra khỏi quần thể Nếu thành công, điều này cho phép làm phong phú thêm các hoạt động chọn lọc bộ gen tốn kém hơn và các thử nghiệm năng suấtvới vật liệu được biết là dương tính với QTL, do đó làm tăng giá trị của các thử nghiệm năng suất nhưng dù sao thì mỗi phụ huynh có thể đóng góp một hoặc nhiều QTL mà phụhuynh còn lại thiếu Kiến thức về các QTL phân ly trong một quần thể có kế hoạch cho phép nhà lai tạo tăng thêm giá trị cho thế hệ con cháu được chọn ra khỏi quần thể Nếu thành công, điều này cho phép làm phong phú thêm các hoạt động chọn lọc bộ gen tốn kém hơn và các thử nghiệm năng suất với vật liệu được biết là dương tính với QTL, do

đó làm tăng giá trị của các thử nghiệm năng suất nhưng dù sao thì mỗi phụ huynh có thể đóng góp một hoặc nhiều QTL mà phụ huynh còn lại thiếu Kiến thức về các QTL phân

ly trong một quần thể có kế hoạch cho phép nhà lai tạo tăng thêm giá trị cho thế hệ con cháu được chọn ra khỏi quần thể Nếu thành công, điều này cho phép làm phong phú thêm các hoạt động chọn lọc bộ gen tốn kém hơn và các thử nghiệm năng suất với vật liệu được biết là QTL dương tính, do đó làm tăng giá trị của các thử nghiệm năng suất