分子标记辅助选择的核心是将常规育种中表型的评价、选择转换为分子标记基因型的鉴定、选择，选择效果除了受分子标记与目标性状之间连锁程度的影响外，还与目标性状的性质即质量性状和数量性状有关。尽管质量性状和数量性状分子标记选择的原理是一致的，但是采取的策略有所不同。

一、质量性状选择

传统的表型选择方法对质量性状而言多数是有效的，因为质量性状通常受一个或几个主效基因控制，不易受环境的影响，一般具有显隐性。但对许多重要的农艺性状，如抗病性、抗虫性、条件育性等性状通过表型进行选择往往受到一定的限制，如在以下三种情况，采用标记辅助选择可提高选择效率：①当表型的测量在技术上难度较大或费用太高时；②当表型只能在个体发育后期才能测量，但为了加快育种进程或减少后期工作量，希望在个体发育早期就进行选择时；③除目标基因外，还需要对基因组的其他部分(即遗传背景)进行选择时。另外，有些质量性状不仅受主基因控制，而且还受一些微效基因的修饰作用，易受环境的影响，表现出类似数量性状的连续变异(如植物抗病性)。这类性状的遗传表现介于典型的质量性状和典型的数量性状之间，所以有时又称之为质量一数量性状。而育种习惯上把它们作为质量性状来对待。这类性状的表型往往不能很好地反映其基因型，如果仍按传统育种方法，依据表型对其进行选择，效率很低。因此，分子标记辅助选择对这类性状就特别有用。

质量性状标记辅助选择的基本方法主要有前景选择和背景选择。对目标基因的选择称为前景选择，这是标记辅助选择的主要方面。前景选择的可靠性主要取决于标记与目标基因间连锁的紧密程度。若只用一个标记对目标基因进行选择，则要求标记与目标基因间的连锁必须非常紧密才能够达到较高的正确率。若要求选择正确率达到90％以上，则标记与目标基因间的重组率必须不大于5％。当重组率超过10％时，选择正确率已降到80％以下。如果不要求中选的所有单株都是正确的，而只要求在选中的植株中至少有一株是具有目标基因型的，那么，即使标记与目标基因只是松弛地连锁的，也会对选择有较大帮助。即使重组率高达30％，也只需选择7株具有标记基因型的植株，就有99％的把握能保证其中有1株为目标基因型；而如果不用标记辅助选择(相当于标记与目标基因间无连锁，重组率为0.5),则至少需选择16株。

同时用两侧相邻的两个标记对目标基因进行跟踪选择，可大大提高选择的正确率。需要指出的是，在实际情况中，单交换间一般总是存在相互干扰的，这使得双交换的概率更小，因而双标记选择的正确率要比理论期望值更高。
对基因组中除了目标基因之外的其他部分(即遗传背景)的选择，称为背景选择。与前景选择不同的是，背景选择的对象几乎包括了整个基因组，因此，这就要求有一张完整的分子标记连锁图。使人们对每一个体的基因组成情况一目了然。孟金陵等(1996)认为，通过分子标记辅助选择技术，借助饱和的分子标记连锁图，对各选择单株进行整个基因组的组成分析，进而可以选出带有多个目标性状而且遗传背景良好的理想个体。

由于目标基因是选择的首要对象，因此一般应首先进行前景选择，以保证不丢失目标基因，然后再对中选的个体进一步进行背景选择，以加快育种进程。

二、数量性状选择

作物育种的目标性状(如产量、品质等)多为数量性状，因此，对数量性状的遗传操纵能力决定了作物育种的效率。数量性状的表型与基因型之间往往缺乏明显的对应关系，表型不仅受生物体内部遗传背景的影响，还受外界环境的影响。理论上来说，运用分子标记辅助选择，育种者可以在不同发育阶段、不同环境直接根据个体基因型进行选择，既可以选择到单个主效QTL，也可以选择到所有与性状有关的微效基因位点，从而避开环境因素和基因间互作带来的影响。

原则上讲，对质量性状适用的分子标记辅助选择方法也适用于数量性状的选择，然而数量性状的选择要比质量性状复杂得多，数量性状往往涉及多个QTL，每个QTL对目标性状的贡献率不一样，性质也会有差异。因此，首先要确定最佳的技术路线，将各个QTL分类排列，在充分考虑各个QTL之间互作的基础上，画出图示基因型，然后根据图示基因型决选试材。在比较复杂的情况下，先针对少数主效QTL实施选择更容易在短期内取得较为理想的效果。目前，QTL定位的基础研究还不能完全满足育种的需要，这是因为多数QTL还停留在初级定位，只有少数QTL被精细定位和克隆。另外，上位性效应也可能影响选择的效果，使选育结果不符合预期的目标。不同数量性状间还可能存在着遗传相关，对一个性状选择的同时还要考虑对其他性状的影响。

数量性状的选择通常采用表型值选择、标记值选择、指数选择和基因型选择儿种方法。表型值选择是传统育种的选择方法，标记值选择和指数选择都是依据个体的基因型值中的加性效应分量，而非个体的基因型本身，所以表型值选择、标记值选择及指数选择都不是所期望的标记辅助选择方法，并没有做到对基因型的直接选择。所以更有效的方法应该像质量性状的标记辅助选择一样，利用其两侧相邻的标记或单个紧密连锁标记的基因型进行选择(基因型选择)。

Hospital和Charcosset (1997)建议，对每个目标QTL最好用三个相邻的连锁标记进行跟踪选择。这三个标记的最佳位置应根据目标QTL的位置置信区间来决定。一般而言，中间一个标记最好处于非常靠近或正好位于估计的QTL位置上，而另外的两个标记则近乎对称地位于两侧。研究表明，在回交育种中，若用最佳位置的标记来跟踪目标QTL，则一个包括几百个个体的群体就足以将4个互相独立的QTL的有利等位基因从供体亲本转入到受体亲本。若QTL间存在连锁、QTL定位精确或使用更大的群体，则可同时转移更多的QTL。在选择QTL的同时，同样也可以利用分子标记进行背景选择，使背景更快地回复到轮回亲本的基因组，加快育种进程。

目前，在育种实践中，数量性状的分子标记辅助选择应以针对单个性状遗传改良的回交育种计划为重点，理论和操作上相对比较简单，因为这只涉及将有关有利的QTL基因从供体亲本转移到受体亲本的过程。在选育策略上，针对育种的目标性状，选择拥有多个有利基因的材料作为供体亲本，而以改良的优良品种作为受体亲本，在选育过程中，可以在回交一代对目标性状进行定位，然后以该定位指导各世代中的个体选择，这样QTL定位和分子标记辅助选择就能够有机结合起来。Tanksley和Nelson (1996)提出高代回交QTL分析的策略，通过回交2代或3代，建立一套受体亲本的近等基因系，其遗传背景来自受体亲本，其中某个染色体片段来自供体亲本。通过分子标记分析，借助饱和的分子标记连锁图谱，可以确定各个近等基因系所拥有的供体亲本染色体片段。这样可以对有关的QTL进行精细定位，根据精细定位的结果可以提高标记选择的可靠性。在这些近等基因系中，有些优良的改良品系有可能直接被应用于生产实践。而且，不同近等基因系的进一步杂交选择，聚合有利基因，可能培育出新的优良品系。

数量性状的标记辅助选择技术还可以应用于同时改良多个品种的更为复杂的育种计划。这可以通过三个阶段来完成。第一阶段，针对育种目标，通过双列杂交或DNA指纹等方法，从优良的品种中选出彼此间在目标性状上表现为最大遗传互补的亲本系。第二阶段，将中选的亲本系与测交系杂交，建立一个作图群体和分子标记连锁图，并进行田间试验，定位目标性状的QTL，同时，将中选的亲本互相杂交，建立一个较大的F：代育种群体，然后根据QTL的定位结果，在F2代育种群体中进行大规模的分子标记辅助选择，选出目标染色体上彼此互补的有利基因纯合的个体，目标个体自交建立F3代株系。第三阶段，在标记辅助选择得到的F3代株系的基础上，进一步应用常规育种方法培育出新的品系。
影响数量性状分子标记辅助选择的因素很多，关键是QTL定位的基础研究，包括分子标记与目标性状连锁程度、不同等位基因的遗传效应以及不同QTL之间的互作关系。因此对数量性状的选择难度要比质量性状大得多，尤其是对多个QTL进行选择。

三、基因转移

基因转移(gene transfer)或基因渗入(gene transgression)是指将供体亲本(一般为地方品种、特异种质或育种中间材料等)中的优良基因(即目标基因)渗入到受体亲本遗传背景中，从而达到改良受体亲本个别性状的目的。育种过程中采用分子标记技术与回交育种相结合的方法，可以快速地将与分子标记连锁的基因转移到另一个品种中，在这一过程中可同时进行前景选择和背景选择。

通过与目标基因紧密连锁的标记做前景选择，跟踪供体基因是否转移到后代，同时利用染色体上均匀分布的分子标记做基因组背景选择，使目标等位基因在回交过程中处于杂合状态，而其他位点的基因型与轮回亲本相同。从回交一代中选择出一些染色体纯合而目标基因是杂合的个体，进行再次回交(可以回交多次)。对在以前世代中已检测是纯合的染色体可少用或不用标记进行检测。前景选择的作用是保证从每一个回交世代中选出来作为下一轮回交亲本的个体都包含目标基因，而背景选择则是为了加快遗传背景回复成轮回亲本基因组的速度，以缩短育种年限。理论研究表明，背景选择的这种作用是十分显著的。 Tanksley等(1989)研究表明，在一个个体数目为100的群体中，以100个RFLP标记辅助选择，只要三代就可使后代的基因型回复到轮回亲本的99.2％，而随机选择则需要7代才能达到这个效果。背景选择的另外一个重要作用是，可以避免或减轻连锁累赘(linkage drag)这个长期困扰作物育种的难题。连锁累赘是指由于目标基因与其他不利基因间的连锁，使回交育种在导入有利基因的同时也带入了不利基因，常常造成性状改良后的新品种与预期目标不一致。传统回交育种难以消除连锁累赘的主要原因是无法鉴别目标基因附近所发生的遗传重组，因而只能靠碰巧来选择消除了连锁累赘的个体。利用高密度的分子标记连锁图就能够直接选择到在目标基因附近发生了重组的个体。理论上，若目标基因的片段在2cM的标记区间内，通过连续两个世代，每轮对300个个体进行分子标记分析，即可达到目的基因被转移，其他供体染色体片段被排除的目的。然后对这些回交个体进行自交，就可以得到目标株系。在整个分析过程中还可以用图示基因型方法监测基因组的变化，指导后代株系的自交或与轮回亲本的杂交。另外，由于可进行早期(如苗期)的分子标记分析，可以大量减少每个世代植株的种植数量。当然，应用分子标记消除连锁累赘的一个重要前提是必须对目标性状进行精细定位，找到与目标基因紧密连锁的分子标记。

需要指出的是，尽管利用分子标记对背景选择效率很高，但在育种实践中，应将育种家丰富的选择经验与标记辅助选择相结合，依据个体表型进行背景选择的传统方法仍不应抛弃。此外，基因定位研究与育种应用脱节是限制分子标记辅助选择技术应用到育种中的一个主要原因。大部分研究的最初目的都只是为了定位目的基因，在实验材料选择上只考虑研究的方便，而没有考虑与育种材料的结合，致使大部分研究只停留在基因定位上，未能应用到育种实践中。为了使基因定位研究成果尽快服务于育种，应注意基因定位群体与育种群体相结合。对于质量性状，其标记辅助选择的理论和技术都已比较成熟，今后研究的重点更应是实际应用。例如，在定位一个有用的主基因时，杂交亲本之一最好为一个已推广应用的优良品种，这样，在定位目标主基因的同时，即可应用标记辅助选择，使原优良品种得到改良(图13-7)。

四、基因聚合

作物的有些农艺性状的表达呈基因累加作用，即集中到某一品种中同效基因越多，则性状表达越充分。例如，把抗同一病害的不同基因聚集到同一品种中，可以增加该品种对这一病害的抗谱，获得持续抗性。基因聚合(gene pyramiding)就是利用分子标记技术，通过杂交、回交、复合杂交等手段将分散在不同供体亲本中的有利基因聚合到同一个品种中。为了提高基因聚合育种效率，最好以一个优良品种为共同杂交亲本，以便在基因聚合的同时，也使优良品种在抗性上得到改良，既可直接应用于生产，又可作为多个抗病基因的供体亲本．用于育种(图13-8)。在进行基因聚合时，一般只考虑目标基因，即只进行前景选择而不进行背景选择。

图13-7目标基因的定位与标记辅助回交育种相结合的技术路线，受体亲本应为符合育种目标的优良品种(引自方宣钧等，2001)

图13-8标记辅助基因聚合与品种改良相结合的技术路线，受体亲本应为符合育种目标的优良品种(引自方宣钧等，2001)

基因聚合在作物抗病育种上的应用最为成功，植物抗病性分为垂直抗性和水平抗性两种．其中垂直抗性受主基因控制，抗性强，效应明显，易于利用。但垂直抗性一般具有小种特异性，所以易因致病菌优势小种的变化而丧失抗性。如果能将抵抗不同生理小种的抗病基因聚合到一个品种中，那么该品种就具有抵抗多种生理小种的能力，亦即具有多抗性，不容易丧失抗性。多抗性还可指一个品种具有抵抗多种病害的能力，这同样也涉及聚合不同抗性基因的问题。传统的表型鉴定和分小种接种鉴定对试验条件和技术要求较高，难以准确、快速选择具有两个以上抗性基因的个体。借助分子标记技术，可以首先寻找抗病基因的连锁标记，通过检测与不同基因型连锁的标记来判断个体是否含有某一基因，这样不但可以通过多次杂交或回交将不同抗性基因聚合在一个材料中，而且避免了对不同抗性基因分别做人工接种鉴定的困难，是培育广谱持久抗性的有效途径之一。

五、全基因组选择

MAS在应用中存在的一个问题是，在构成表型性状的所有变异中，分子标记辅助选择只捕获其中很有限的一部分变异，即主效基因所带来的那部分变异，而小效应累加起来所带来的变异却被忽视了。为了捕获构成表型的所有遗传变异，其中的一个途径就是在基因组水平上检测影响目标性状的所有QTL，并对其利用，这就是全基因组选择(genomic selec-tion，GS)。

GS首先利用测试群体“training population”中具有基因型和表现型的个体，基因型结合表型性状以及系谱信息，建立数学模型，再把候选群体里的基因型数据代入数学模型中，产生基因组育种值估计值(genomic estimated breeding value, GEBV)。这些GEBV与控制表型的基因功能无任何关系，但却是理想的选择标准。模拟研究表明，只依赖个体基因型的GEBV十分准确，并且已在奶牛、小鼠、玉米、大麦中得到证实。随着基因型检测成本的下降，GS使个体的选择远远早于育种周期，将会成为动植物育种的一次革命。

全基因组选择的思路最早由Meuwissen等于2001年提出来的。全基因组选择简单来讲就是全基因组范围内的标记辅助选择。具体来说，就是利用覆盖整个基因组的标记(主要指SNP标记)将染色体分成若干个片段，即每相邻的两个标记就是一个染色体片段，然后通过标记基因型结合表型性状以及系谱信息分别估计每个染色体片段的效应，最后利用个体所携带的标记信息对其未知的表型信息进行预测，即将个体携带的各染色体片段的效应累加起来，进而估计基因组育种值并进行选择。

全基因组选择主要利用的是连锁不平衡信息，即假设每个标记与其相邻的QTL处于连锁不平衡状态，因而利用标记估计的染色体片段效应在不同世代中是相同的。由此可见，标记的密度必须足够高，以确保控制目标性状的所有的QTL与标记处于连锁不平衡状态。随着水稻、玉米、大豆等作物基因组测序及SNP图谱的完成，确保了有足够高的标记密度，而且由于大规模高通量的SNP检测技术也相继建立和应用(如SNP芯片技术等)，SNP分型的成本明显降低，因此使全基因组选择方法的应用成为可能。

基因组研究产生了一系列新的工具，如功能分子标记、生物信息学，能为育种提供高效和正确的统计和遗传信息，所有重要农艺性状基因的等位性、遗传机制、调控网络的解析，为全基因组选择提供了巨大的潜力。在全基因组层次建立性状与标记的关联性，进一步通过全基因组选择，以实现功能基因组研究与育种实践的有效结合。分子标记辅助选择育种将逐步进入全基因组选择育种时代，实现全基因组设计育种和选择。

六、分子设计育种

传统育种过程中，育种家潜意识地利用设计的方法组配亲本、估计后代的种植规模、选择优良后代。Peleman等(2003)首先提出了“设计育种”的概念，他认为以作物分子标记技术及生物信息学分析技术为支撑，作物分子育种的发展可分为三步：①大量农艺性状的QTL定位；②数量性状位点的等位性变异评价；③依据计算机模拟及分子标记辅助选择开展设计育种。作物分子设计是以分子设计的理论为指导，通过运用各种生物信息和基因操作技术，从基因到整体的不同层次对目标性状设计与操作，实现优良基因的最佳配置，培育出综合性状优良的新品种。通过分子设计育种策略，育种家可以对育种程序中的各种因素进行模拟筛选和优化，提出最佳的亲本选择和后代选择策略，大大提高育种效率，实现从传统的

“经验育种”到定向的“精确育种”的转变。

在开展作物分子设计育种研究的同时，分子设计育种的内涵进一步明确，分子设计育种技术体系初步建立起来。概括来说，首先，分子设计育种的前提就是发掘控制育种性状的基因，明确不同基因的表型效应、基因与基因及基因与环境之间的相互作用；其次，在QTL定位和各种遗传研究的基础上，利用已经鉴定出的各种重要育种性状基因的信息，包括基因在染色体上的位置、遗传效应、基因间的互作、基因与背景亲本及环境之间的互作等，模拟预测各种可能基因型的表型，从中选择符合特定育种目标的理想基因型；最后，分析达到目标基因型的途径，制定生产品种的育种方案，利用设计育种方案开展育种工作，培育优良品种。

近年来，主要作物的基因组学研究，特别是水稻、玉米、高粱、小麦基因组学研究取得了巨大成就，基因定位和QTL作图研究为分子设计育种奠定了良好基础，计算机技术在作物遗传育种领域的广泛应用为分子设计育种提供了有效的手段。