MARKER-ASSISTED BREEDING-MAS Công cụ mới trong chọn giống

cây trồng

Bert Collard & David MackillPlant Breeding, Genetics and Biotechnology (PBGB) Division, IRRI

bcycollard@hotmail.com & d.mackill@cgiar.org

• Cơ sở của MAS ( chỉ thị phân tử) Molecular Markers

• Tất cả cơ quan sống được hình thành từ các tế bào

• Các tế bào sống được điều khiển bằng vật liệu di truyền gọi là DNA

• Phân tử DNA được tạo thành chuỗi dài chứa các N ( Adenin [A]; Ctosin [C]; Guanine [G] và Thymine [T]

• Chỉ mỗi phần nhỏ của chuỗi DNA tạo thành các gen

• Gen mang mã di truyền cho các protein

• Phân còn lại chủ yếu của DNA không mã hóa

• Các vật liệu di truyền tổ chức bên trong các NST ( ví dụ cây Arabidopsis thaliana có 5 NST)

• Tập hợp bộ nhiễm sắc thể gọi là genome

• Trong 1 cá thể lưỡng bộ ( NST theo các cặp) có 2 allel của một gen, mỗi allel có nguồn từ một bố mẹ

• Chỉ thị phân tử không xem xét như các gen bình thường khi chúng không có ảnh hưởng sinh học mà xem xét như các mốc điểm trong genome.

• Chúng có thể nhận biết trình tự DNA truyền đạt di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác

• Chúng dựa vào kiểm tra DNA phản ảnh được chỉ thị hình thái

• DNA là cơ sở nhanạ biết các tính trạng quan sát được, chỉ thị hóa sinh là cơ sở gen tạo ra protein

• Số marker này có thể dò tìm toàn bộ genome và tìm số lượng biến dị di truyền mỗi marker tìm ra trong một quần thể

• Thông tin cung cấo cho nhà tạo giống phụ thuộc vào marker sử dụng, mỗi marker có ưu và nhược điểm riêng

• Có các lại chỉ thị phân tử khác nhau

– Chiều dài đoạn giới hạn đa hình- Restriction fragment length polymorphisms (RFLPs):

– Hình thái phóng đại ngẫu nhiên-Random amplified polymorphic DNA (RAPDs):

– Hình thái chiều dài đoạn phóng đại- Amplified fragment length polymorphisms (AFLPs):

– Lặp lại chuỗi đơn giản- Simple sequence repeats (SSRs) or microsatellites:

– Đa hình nucleotide đơn (SNPs) Single nucleotide polymorphisms

NỘI DUNG1. CHỌN GIỐNG DỰ TRÊN CHỈ THỊ PHÂN TỬ: LÝ

THUYẾT VÀ THỰC TẾ• MARKER ASSISTED SELECTION: THEORY AND PRACTICE

2. HỆ THỐNG CHỌN GIỐNG MAS• MAS BREEDING SCHEMES

3. MỘT VÍ DỤ NGHIÊN CỨU CỦA IRRI • IRRI CASE STUDY

4. NHỮNG THỰC TẾ SỬ DỤNG MAS• CURRENT STATUS OF MAS

SECTION 1

MARKER ASSISTED SELECTION (MAS):

THEORY AND PRACTICE

Định nghĩa:Chọn lọc dựa trên chỉ thị phân tử

(Marker assisted selection- MAS) là sử dụng chỉ thị DNA liên kết chặt với locus mục tiêu để thay cho chọn lọc đánh giá kiểu hình

Giả định: chỉ thị DNA (DNA markers) có thể dự đoán kiểu hình đáng tin cậy

F2

P2

F1

P1 x

large populations consisting of thousands of plants

PHENOTYPIC SELECTION

Field trialsGlasshouse trials

DonorRecipient

Chọn giống truyền thống CONVENTIONAL PLANT BREEDING

Salinity screening in phytotron Bacterial blight screening Phosphorus deficiency plot

F2

P2

F1

P1 x

large populations consisting of thousands of plants

ResistantSusceptible

MARKER-ASSISTED SELECTION (MAS)

MARKER-ASSISTED BREEDING

Phương pháp chọn lọc kiểu hình trên cơ sở DNA markers

Những tiến bộ của MAS Simpler method compared to phenotypic

screening Đặc biệt với những tính trạng khó đánh giá thanh lọc Có thể tiết kiệm thời gian và nguồn lực

Selection at seedling stage Rất quan trọng với một số tính trạng như chất lượng

hạt Có thể chọn lọc sớm, trước khi gieo trồng, có thể

chọn ngay ở thế hệ phân ly F2 hoặc F3 Increased reliability

Không bị ảnh hưởng của môi trường Có thể phân biệt giữa đồng hợp và dị hợp và chọn lcọ

từng cây

Lợi ích tiềm năng của MAS• Chọn lọc các kiểu

gen chính xác và hiệu quả hơn– Phát triển giống

nhanh hơn• Sử dụng nguồn lực

hiệu quả hơn– Đặc biệt các thí

nghiệm đồng ruộng

Crossing house

Backcross nursery

(1) LEAF TISSUE SAMPLING

(2) DNA EXTRACTION

(3) PCR

(4) GEL ELECTROPHORESIS

(5) MARKER ANALYSIS

Overview of ‘marker

genotyping’

Những vấn đề cần quan tâm khi sử dụng DNA markers in plant breeding

Kỹ thuật đơn giản Độ tin cậy Mức đa hình Yêu cầu số lượng và chất lượng DNA Chi phí Nguồn lực sẵn có

Markers must be tightly-linked to target loci!

• Ideally markers should be <5 cM from a gene or QTL

• Sử dụng cặp marker hai đầu cải thiện mức độ tin cậy nhưng tăng thời gian và chi phí

Marker A

QTL5 cM

RELIABILITY FOR SELECTION

Using marker A only:

1 – rA = ~95%

Marker A

QTL

Marker B

5 cM 5 cM

Using markers A and B:

1 - 2 rArB = ~99.5%

Markers must be polymorphic

1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8RM84 RM296

P1 P2

P1 P2

Not polymorphic Polymorphic!

DNA extractions

DNA EXTRACTIONS

LEAF SAMPLING

Porcelain grinding plates

High throughput DNA extractions “Geno-Grinder”

Mortar and pestles

Wheat seedling tissue sampling in Southern Queensland, Australia.

PCR-based DNA markers• Nhân bằng Polymerase Chain Reaction• Markers thông dụng với kỹ thuật đơn giản và tiết kiệm

GEL ELECTROPHORESISAgarose or Acrylamide gels

PCR

PCR Buffer +

MgCl2 +

dNTPS +

Taq +

Primers +

DNA template

THERMAL CYCLING

Agarose gel electrophoresis

http://arbl.cvmbs.colostate.edu/hbooks/genetics/biotech/gels/agardna.html

UV light

UV transilluminator

UV light

UV transilluminator

Acrylamide gel electrophoresis 1

Acrylamide gel electrophoresis 2

SECTION 2HỆ THỐNG TẠO GIỐNG MAS (MAS

BREEDING SCHEMES)

1. Lai lại dựa trên chỉ thị phân tử (Marker-assisted backcrossing)

2. Quy tụ gen (Pyramiding)3. Chọn lọc những thế hệ đầu (Early

generation selection)

4. Tiếp cận phối hợp ( ‘Combined’ approaches)

2.1 Marker-assisted backcrossing (MAB) ( Lai trở lại dự trên chỉ thị phân tử)

• MAB có một số tiến bộ hơn lại lại truyền thống :– Chọn lọc các locus mục têu rất hiệu quả– Tối thiểu hoá những liên kết kéo theo– Lấy lại nhanh kiểu gen của bố qua chọn lọc chu kỳ

1

2 3 4

Target locus

1

2 3 4

RECOMBINANT SELECTION

1

2 3 4

BACKGROUND SELECTION

TARGET LOCUS SELECTION

Chọn lọc trực tiếp locus mục tiêu Chọn lọc lấy lại nền di truyền ( bao gồm cả

tính trạng khác)

2.2 Pyramiding ( Quy tụ gen)• Được sử dụng rộng rãi nhất là quy tụ

một số gen chống bệnh với các chủng đặc thù

• Các phương pháp truyền thống rất khó quy tụ được một số gen

• Phát triển giống chống bệnh bền vững với một số chủng khác nhau

F2

F1Gene A + B

P1Gene A

x P1Gene B

MAS

Select F2 plants that have Gene A and Gene B

Genotypes

P1: AAbb P2: aaBB

F1: AaBb

F2AB Ab aB ab

AB AABB AABb AaBB AaBb

Ab AABb AAbb AaBb Aabb

aB AaBB AaBb aaBB aaBb

ab AaBb Aabb aaBb aabb

Quá trình tổ hợp một số gen, thường sử dụng nguồn gen từ 2 bố mẹ khác nhau đưa vao 1 kiểu gen

x

Breeding plan

Hittalmani et al. (2000). Fine mapping and DNA marker-assisted pyramiding of the three major genes for blast resistance in riceTheor. Appl. Genet. 100: 1121-1128

Liu et al. (2000). Molecular marker-facilitated pyramiding of different genes for powdery mildew resistance in wheat. Plant Breeding 119: 21-24.

2.3 MAS những thế hệ đầu• MAS thực hiện ở F2 hoặc F3 stage

• Các cây có genes/QTLs mong muốn được chọn và các allel tổ hợp với trạng thái đồng hợp

• Loại bỏ các cây có gen không mong muốn

• Những thế hệ sau chỉ chọn với một số ít các thể cho các tính trạng mong muốn khác

References:

Ribaut & Betran (1999). Single large-scale marker assisted selection (SLS-MAS). Mol Breeding 5: 21-24.

F2

P2

F1

P1 x

large populations (e.g. 2000 plants)

ResistantSusceptible

MAS for 1 QTL – 75% loại bỏ ¾ kiểu gen không mong muốn

MAS for 2 QTLs – 94% loại bỏ 15/16 kiểu gen không mong muốn

P1 x P2

F1

PEDIGREE METHOD

F2

F3

F4

F5

F6

F7

F8 – F12

Phenotypic screening

Plants space-planted in rows for individual plant selection

Families grown in progeny rows for selection.

Preliminary yield trials. Select single plants.

Further yield trials

Multi-location testing, licensing, seed increase and cultivar release

P1 x P2

F1

F2

F3

MAS

SINGLE-LARGE SCALE MARKER-ASSISTED SELECTION (SLS-MAS)

F4Families grown in progeny rows for selection.

Pedigree selection based on local needs

F6

F7

F5

F8 – F12Multi-location testing, licensing, seed increase and cultivar release

Only desirable F3 lines planted in field

Lợi ích: những thế hệ sau chỉ tập trung vào một số dòng

2.4 Tiếp cận phối hợp• Một số trường hợp phổi hợp cả đánh giá

chọn lọc kiểu hình và MAS cho hiệu quả cao hơn

1. Để nhận được tối đa nguồn di truyền (khi một số QTLs không được nhận biết từ mapping)

2. Mức tái tổ hợp giữa marker và QTL (Cách nói khác là marker không tin cậy 100%)

3. Giảm kích thước quần thể với các tính trạng nhận biết bằng marker rẻ hơn đánh giá kiểu hình

‘Marker-directed’ phenotyping

BC1F1 phenotypes: R and S

P1 (S) x P2 (R)

F1 (R) x P1 (S)

RecurrentParent

DonorParent

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 …

SAVE TIME & REDUCE COSTS

*Đặc biệt với tính trạng chất lượng

MARKER-ASSISTED SELECTION (MAS)

PHENOTYPIC SELECTION

(Cũng gọi là “ Chọn lọc nối tiếp”

• Sử dụng khi chỉ thị kiểu hình không chính xác 100% và chi phí đánhgiá kiểu hình cao hơn đánh giá chỉ thị phân tử

References:

Han et al (1997). Molecular marker-assisted selection for malting quality traits in barley. Mol Breeding 6: 427-437.

Any questions

SECTION 3

IRRI MAS CASE STUDY

3. Marker-assisted backcrossing for submergence tolerance

David Mackill, Reycel Mighirang-Rodrigez, Varoy Pamplona, CN Neeraja, Sigrid Heuer, Iftekhar Khandakar, Darlene

Sanchez, Endang Septiningsih & Abdel Ismail

Photo by Abdel Ismail

Abiotic stresses are major constraints to rice production in SE Asia

• Rice is often grown in unfavourable environments in Asia

• Major abiotic constraints include:– Drought– Submergence– Salinity– Phosphorus deficiency

• High priority at IRRI• Sources of tolerance for all traits in germplasm and

major QTLs and tightly-linked DNA markers have been identified for several traits

‘Giống thích nghi rộng-Mega varieties’

• Nhiều giống lúa trồng phổ biến phạm vi rộng, giống thích nghi rộng - “Mega varieties”– Nông dân rất ưa chuộng

• Hiện có nhiều giống địa phương chống chịu bất thuận phi sinh học (abiotic stress tolerance )

• Nhưng nông dân bắt buộc phải sử dụng giống khác vì:

• Năng suất thấp, đặc điểm nông học và chất lượng không phù hợp

BR11 Bangladesh

CR1009 India

IR64 All Asia

KDML105 Thailand

Mahsuri India

MTU1010 India

RD6 Thailand

Samba Mahsuri

India

Swarna India, Bangladesh

Tẻ tép, lốc…

Việt Nam

1-10 Million hectares

Chiến lược lai trở lạiBackcrossing strategy

• Chiến lược lai trở lại để tổ hợp genes/QTLs vào trong một giống thích nghi rộng ‘mega varieties’

• Sử dụng marker DNA cho chương trìnhlai lại hiệu quả hơn – marker assisted backcrossing (MAB)

Conventional backcrossingx P2P1

DonorElite cultivarDesirable trait

e.g. disease resistance

• High yielding

• Susceptible for 1 trait

• Called recurrent parent (RP)

P1 x F1

P1 x BC1

P1 x BC2

P1 x BC3

P1 x BC4

P1 x BC5

P1 x BC6

BC6F2

Chọn lọc con cái BC1 giống RPDiscard ~50% BC1

Lặp lại đến BC6

Lấy lại genome của bố mẹ lai lại

Ngoài lai lại còn yêu cầu một số tính trạng liên quan khác

MAB: mức thứ nhất 1ST của chọn lọc tập trung ở locus mục tiêu

• Chọn lọc gene hoặc QTL mục tiêu

• Lợi ích của các tính trạng đó khó đánh giá

• Cũng có lợi với các gen lặn

1 2 3 4

Target locus

TARGET LOCUS SELECTION

FOREGROUND SELECTION

Donor/F1 BC1

c

BC3 BC10

TARGET LOCUS

RECURRENT PARENT CHROMOSOME

DONOR CHROMOSOME

TARGET LOCUS

LIN

KED

DO

NO

R

GEN

ES

Khái niệm của ‘linkage drag’ liên kết kéo theo

• Một số lớn NST của donor vẫn còn nhiều nhiếu lai lại• Những gen không mong muốn của donor ảnh hưởng đến giống mới

Conventional backcrossing

Marker-assisted backcrossing

F1 BC1

c

BC2

c

BC3 BC10 BC20

F1

c

BC1 BC2

Markers có thể giúp giảm tối thiểu NST của donor

TARGET GENE

TARGET GENE

Ribaut, J.-M. & Hoisington, D. 1998 Marker-assisted selection: new tools and strategies. Trends Plant Sci. 3, 236-239.

MAB: Mức hai 2NDchọn lọc tái tổ hợp LEVEL OF SELECTION - RECOMBINANT SELECTION

• Sử dụng 2 markers để chọn locus mục tiêu và flanking marker

• Liên kết kéo theo (Linkage drag) là tối thiểu

• Yêu cầu quần thể lớn– Phụ thuộc vào khoảng cách flanking

markers và target locus)

• Quan trọng khi donor là một giống địa phương

RECOMBINANT SELECTION

1 2 3 4

OR

Step 1 – select target locus

Step 2 –Chọn lọc bên này hay bên kia của locus mục tiêu

BC1

OR

BC2

Step 4 – Chọn lọc bên này hay bên kia của locus mục tiêu

Step 3 – select target locus again

* *

* Marker locus is fixed for recurrent parent (i.e. homozygous) so does not need to be selected for in BC2

MAB: 3RD LEVEL OF SELECTION - BACKGROUND SELECTIONchọn lọc lấy lại nền di truyền

• Sử dụng markers không liên kết để chọn lọc ngược lai donor

• Lấy lại nhanh genome của bố mẹ sử dụng để lai trở lại

• Rút ngắn được 2, 3 thập chí 4 backcross

1 2 3 4

BACKGROUND SELECTION

Chọn lọc lấy lại nền di truyềnBackground selection

Percentage of RP genome after backcrossing

Lấy lại di truyền nhân khi lai BC qua các thế hệ:

n = số backcrosses, giả sử cỡ quần thể lớn

2n+1 - 1

2n+1

Quan tâm: mặc dù trung bình lấy lại 75% ở BC1, nhưng một số các thể có thể nhiều hoặc ít hơn

P1 x F1

P1 x P2

CONVENTIONAL BACKCROSSING

BC1 Quan sát chọn lcọ các cây BC1 giống bố

mẹ 1 nhất (RECURRENT PARENT)

BC2

MARKER-ASSISTED BACKCROSSING

P1 x F1

P1 x P2

BC1 Sử dụng ‘BACKGROUND’ MARKERS” để chọn

các cây có genome giống DONOR nhỏ nhất

BC2

DonorRecurrent parent

Breeding for submergence tolerance• Large areas of rainfed lowland

rice have short-term submergence (eastern India to SE Asia); > 10 m ha

• Even favorable areas have short-term flooding problems in some years

• Distinguished from other types of flooding tolerance– elongation ability

– anaerobic germination tolerance

Screening for submergence tolerance

A major QTL on chrom. 9 for submergence tolerance – Sub1 QTL

1 2 3 4 5 6 7 8 90

5

10

15

20

Submergence tolerance score

IR40931-26 PI543851

Phân ly ở quần thể F3

0 10 20 30 40LOD score

50cM

100cM

150cM

OPN4

OPAB16C1232

RZ698

OPS14RG553R1016RZ206

RZ422

C985

RG570

RG451

RZ404

Sub-1(t)

1200

850

900

OPH7950

OPQ1600

Xu and Mackill (1996) Mol Breed 2: 219

Make the backcrosses

SwarnaPopular variety

X

IR49830Sub1 donor

F1 X Swarna

BC1F1

Pre-germinate the F1 seeds and seedthem in the seedboxes

Seeding BC1F1s

Collect the leaf samples - 10 days after transplanting for marker analysis

Genotyping to select the BC1F1 plants with a desired character for crosses

Hạt cây BC2F2 đã tăng chịu ngập

Selection for Swarna+Sub1

Swarna/IR49830 F1 Swarna

BC1F1697 plants

Plant #242Swarna

376 had Sub121 recombinantSelect plant with fewest donor alleles

158 had Sub15 recombinant

SwarnaPlant #227

BC3F118 plants

1 plant Sub1 with2 donor segments

BC2F1320 plants

Plants #246 and #81

Plant 237BC2F2

BC2F2937 plants

Khung thời gian để tăng cường chịu ngập cho giống thích nghi rộng

Có thể cần đến BC3F2

• Name of process: “variety enhancement” (by D. Mackill)

• Process also called “line conversion” (Ribaut et al. 2002)

Mackill et al 2006. QTLs in rice breeding: examples for abiotic stresses. Paper presented at the Fifth International Rice Genetics Symposium.

Ribaut et al. 2002. Ribaut, J.-M., C. Jiang & D. Hoisington, 2002. Simulation experiments on efficiencies of gene introgression by backcrossing. Crop Sci 42: 557–565.

Swarna có Sub1

Bản đồ kiểu gen của Swarna-Sub1

Dòng BC3F2 xấp xỉ 2.9 MB của DNA donor

Swarna 246-237

Phần trăm cho điểm chất lượng hạtChalk(0-10%)=84.9Chalk(10-25%)=9.1Chalk(25-50%)=3.5Chalk(>75%)=2.1

Chalk(0-10%)=93.3Chalk(10-25%)=2.3Chalk(25-50%)=3.7Chalk(>75%)=0.8

Average length=0.2mm Average length=0.2mm

Average width=2.3mm Average width=2.2mm

Amylose content (%)=25Gel temperature=HI/IGel consistency=98

Amylose content (%)=25Gel temperature=IGel consistency=92

Locus IBf ở đầu NST số 9 :Ức chế sọc nâu trên hạt

Những vấn đề cần quan tâm khi ứng dụng MAB

• IRRI’s goal: several “enhanced Mega varieties”• Main considerations:

– Cost– Labour– Resources– Efficiency– Timeframe

• Strategies for optimization of MAB process important– Number of BC generations– Reducing marker data points (MDP)– Strategies for 2 or more genes/QTLs

SECTION 4

CURRENT STATUS OF MAS: OBSTACLES AND

CHALLENGES

Current status of molecular breeding

• A literature review indicates thousands of QTL mapping studies but not many actual reports of the application of MAS in breeding

• Why is this the case?

Some possible reasons to explain the low impact of MAS in crop

improvement• Resources (equipment) not available• Markers may not be cost-effective• Accuracy of QTL mapping studies• QTL effects may depend on genetic background

or be influenced by environmental conditions• Lack of marker polymorphism in breeding

material• Poor integration of molecular genetics and

conventional breeding

Cost - a major obstacle• Cost-efficiency has rarely been

calculated but MAS is more expensive for most traits– Exceptions include quality traits

• Determined by:– Trait and method for phenotypic

screening– Cost of glasshouse/field trials– Labour costs– Type of markers used

How much does MAS cost?

Institute Country Crop Cost estimate per sample*

(US$)

Reference

Uni. Guelph Canada Bean 2.74 Yu et al. (2000)

CIMMYT Mexico Maize 1.24–2.26 Dreher et al. (2003)

Uni. Adelaide Australia Wheat 1.46 Kuchel et al. (2005)

Uni. Kentucky, Uni. Minnesota, Uni.

Oregon, Michigan State Uni., USDA-

ARS

United States

Wheat and barley

0.50–5.00 Van Sanford et al. (2001)

*cost includes labour

Yu et al. 2000 Plant Breed. 119, 411-415; Dreher et al. 2003 Mol. Breed. 11, 221-234; Kuchel et al. 2005 Mol. Breed. 16, 67-78; and Van Sanford et al. 2001 Crop Sci. 41, 638-644.

How much does MAS cost at IRRI?Consumables:• Genome mapping lab (GML) ESTIMATE

– USD $0.26 per sample (minimum costs)– Breakdown of costs: DNA extraction: 19.1%; PCR:

61.6%; Gel electrophoresis: 19.2%– Estimate excludes delivery fees, gloves, paper tissue,

electricity, water, waste disposal and no re-runs• GAMMA Lab estimate = USD $0.86 per sampleLabour:

– USD $0.06 per sample (Research Technician)– USD $0.65 per sample (Postdoctoral Research Fellow)

TOTAL: USD $0.32/sample (RT); USD $0.91/sample (PDF)

F2

P2

F1

P1 x

2000 plants

USD $640 to screen 2000 plants with a single marker for one population

Cost of MAS in context: Example 1: Early generation MAS

Cost of MAS in context: Example 2 - Swarna+Sub1

Swarna/IR49830 F1 Swarna

BC1F1697 plants

Plant #242Swarna

376 had Sub121 recombinant

Background selection – 57

markers

158 had Sub15 recombinant23 background markers

BC2F1320 plantsEstimated minimum

costs for CONSUMABLES ONLY.

Foreground, recombinant and background BC1- BC3F2 selection = USD $2201

Plant #246

Swarna

BC3F118 plants

11 plant with Sub110 background markers

Swarna+Sub1

Cost of MAS in contextExample 1: Pedigree selection

(2000 F2 plants) = USD $640– Philippines (Peso) = 35,200– India (Rupee) = 28,800– Bangladesh (Taka) = 44,800– Iran (Tuman) = 576,000

Example 2: Swarna+Sub1 development = USD $2201 (*consumables only)– Philippines (Peso) = 121,055– India (Rupee) = 99,045– Bangladesh (Taka) = 154,070– Iran (Tuman) = 1,980,900

• Costs quickly add up!

A closer look at the examples of MAS indicates one common

factor:• Most DNA markers have been developed

for….

• In other words, not QTLs!! QTLs are much harder to characterize!– An exception is Sub1

Reliability of QTL mapping is critical to the success of MAS

• Reliable phenotypic data critical!– Multiple replications and environments

• Confirmation of QTL results in independent populations

• “Marker validation” must be performed– Testing reliability for markers to predict phenotype– Testing level of polymorphism of markers

• Effects of genetic background need to be determined

Recommended references:

Young (1999). A cautiously optimistic vision for marker-assisted breeding. Mol Breeding 5: 505-510.

**Holland, J. B. 2004 Implementation of molecular markers for quantitative traits in breeding programs - challenges and opportunities. Proceedings of the 4th International Crop Sci. Congress., Brisbane, Australia.

Breeders’ QTL mapping ‘checklist’

1. What is the population size used for QTL mapping?2. How reliable is the phenotypic data?

– Heritability estimates will be useful– Level of replication

3. Any confirmation of QTL results?4. Have effects of genetic background been tested?5. Are markers polymorphic in breeders’ material? 6. How useful are the markers for predicting phenotype?

Has this been evaluated?

• LOD & R2 values will give us a good initial idea but probably more important factors include:

Integration of molecular biology and plant breeding is often lacking

• Large ‘gaps’ remain between marker development and plant breeding– QTL mapping/marker development have been

separated from breeding– Effective transfer of data or information between

research institute and breeding station may not occur

• Essential concepts in may not be understood by molecular biologists and breeders (and other disciplines)

Advanced backcross QTL analysis• Combine QTL mapping

and breeding together • ‘Advanced backcross

QTL analysis’ by Tanksley & Nelson (1996).– Use backcross mapping

populations– QTL analysis in BC2 or

BC3 stage– Further develop promising

lines based on QTL analysis for breeding

References:

Tanksley & Nelson (1996). Advanced backcross QTL analysis: a method for the simultaneous discovery and transfer of valuable QTLs from unadapted germplasm into elite breeding lines. Theor. Appl. Genet. 92: 191-203.

Toojinda et al. (1998) Introgression of quantitative trait loci (QTLs) determining stripe rust resistance in barley: an example of marker-assisted line development. Theor. Appl. Genet. 96: 123-131.

x P2P1

P1 x F1

P1 x BC1

BC2 QTL MAPPING

Breeding program

Future challenges• Improved cost-efficiency

– Optimization, simplification of methods and future innovation

• Design of efficient and effective MAS strategies

• Greater integration between molecular genetics and plant breeding

• Data management

Future of MAS in rice?

• Most important staple for many developing countries

• Model crop species– Enormous amount of research in molecular

genetics and genomics which has provided enormous potential for marker development and MAS

• Costs of MAS are prohibitive so available funding will largely determine the extent to which markers are used in breeding

Food for thought• Do we need to use DNA markers

for plant breeding?

• Which traits are the highest priority for marker development?

• When does molecular breeding give an important advantage over conventional breeding, and how can we exploit this?

• How can we further minimize costs and increase efficiency?