分子设计育种的基础

1）生物信息学遗传信息数据库中的数据迅速增长

在过去的几十年里，由于基因组学和蛋白组学的飞速发展，3大核酸序列数据库，即欧洲生物信息研究所维护的EMBL数据库、美国国家生物技术信息中心的GenBank数据库和日本国立遗传学研究所的DDBJ数据库，截至1990年12月总计收录核酸序列数据只有4万多条，2015年12月，核酸序列已经达到1亿8 000多万条。所有这些序列以及基因和蛋白质结构和功能的数据成为全世界科学界的宝贵资源和财富，这些海量的序列信息给高效、快速的基因发掘和利用提供了新的契机。但是，如何收集和处理这些DNA和蛋白质信息，并在植物改良中加以应用仍是一个巨大的挑战。

2）分子标记技术发展日新月异

自20世纪80年代以来，先后开发出基于Southern杂交的第一代分子标记（RFLP为代表）和基于PCR的第二代分子标记（SSR为代表）。随着植物基因组学研究的发展，全基因组序列、EST及全长cDNA数量迅猛增长，成为开发新型分子标记的新资源。

因此目前全世界正在大力开发基于基因序列的第3代分子标记，即来自cDNA序列的SSR和SNP标记。这类分子标记具有数目多、适于高通量检测的优点；更重要的是，由于EST和cDNA全长序列是表达基因序列，通过对现有的EST或全长cDNA数据进行标记查寻，再进行合适的标记引物设计和多态性检测，就可以找到稳定可靠的基于表达基因的特定分子标记。因为标记来自基因的转录区域，因此这些标记能更好地对基因功能的多样性进行更直接的评估。cSSR标记还具有一个优点，即部分标记可以跨物种应用，因为在不同物种中的表达基因大多数是相似的，针对这些表达基因设计的SSR标记就可以在物种间通用。此外，根据EST序列信息或根据不同种质资源中的基因序列比较分析，还可以开发出针对特定等位基因的SNP标记，这些SNP标记将大大方便对有利基因的分子标记辅助选择。

3）基因和QTL定位研究广泛深入

作物重要农艺性状大多是数量性状，受多基因控制，这些基因间存在复杂的相互作用，基因的表达容易受环境因素的影响。分子标记技术的飞速发展，极大地促进了基因定位特别是数量性状基因定位的研究，定位数量性状的基因位点（quantitative trait locus，QTL），阐明它们的效应、上位性以及与环境的互作，是当代遗传育种研究的一个重要方向。

4）基因电子定位与电子延伸得到应用

利用EST或cDNA全长序列等信息对表达序列直接进行作图已成为发掘新基因和比较基因组学研究的重要途径之一。EST是目前发现新基因的主要信息来源之一，尤其是对尚未进行全基因组测序的作物来讲，EST是了解基因组中基因序列特征、开发基因特异性标记的重要信息基础。例如，通过把与抗病基因或防御反应基因相似的EST在水稻染色体上进行作图，发现部分EST定位在以前就已明确含有抗病基因的染色体区域。

5）转基因技术和标记辅助选择方法已取得一定进展

利用转基因技术进行作物品种改良已取得一定进展。但是，目前转基因技术还仅限于利用主基因改良单一目标性状，对于由多基因控制的大多数重要农艺性状，转基因技术尚无法发挥其优势。另一方面，国内外对分子标记辅助选择育种做了不少有益的尝试，但对主基因控制的性状，分子标记辅助选择并不比传统的选择方法有明显优势；对多基因控制的重要农艺性状，由于QTL在遗传上的复杂性、背景依赖性以及与环境的复杂互作，现有的QTL定位成果很难直接用于指导分子标记辅助选择育种。