マーカーアシスト選択

マーカー支援選択またはマーカー支援選択（MAS）は、形質自体ではなく、関心のある形質（生産性、耐病性、非生物的ストレス耐性、品質など）にリンクされたマーカー（形態学的、生化学的、またはDNA / RNA変異）に基づいて関心のある形質を選択する間接的な選択プロセスです。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ ^{4 ] [ 5 ]このプロセスは、}植物や動物の育種のために広く研究され、提案されてきました。^[5]

たとえば、MAS を使用して耐病性を持つ個体を選択するには、耐病性のレベルではなく、耐病性と関連するマーカー対立遺伝子を特定する必要があります。マーカーは、遺伝的連鎖 (マーカー遺伝子座と耐病性を決定する遺伝子座が染色体上で近接していること) により、対象の遺伝子または量的形質遺伝子座(QTL) と高頻度で関連しているという前提があります。MAS は、測定が困難または高価で、遺伝性が低く、発達の遅い段階で発現する形質を選択するのに役立ちます。育種プロセスの特定の時点で、標本が検査され、目的の形質が発現しているかどうかが確認されます。

現代のMAS研究の大半はDNAベースのマーカーを使用しています。^[5]しかし、興味のある形質の間接的な選択を可能にした最初のマーカーは形態学的マーカーでした。1923年、カール・サックスは、豆（ Phaseolus vulgaris L.）の種皮色マーカーの分離と関連した種子サイズの分離を観察し、植物における単純遺伝の遺伝マーカーと量的形質の関連を初めて報告しました。 ^[6] 1935年、J.ラスムッソンは、エンドウ豆の開花時期（量的形質）と単純遺伝の花色遺伝子の連鎖を実証しました。^[7]

マーカーには次のようなものがあります:

• 形態学的— これらは、植物の形態に明らかな影響を与える最初のマーカー座位でした。これらのマーカーは、多くの場合、単純な視覚検査によって目で検出できます。このタイプのマーカーの例には、芒の有無、葉鞘の色、高さ、穀粒の色、米の香りなどがあります。トウモロコシ、トマト、エンドウ豆、大麦、小麦などのよく特徴付けられた作物では、形態学的特徴を決定する数十または数百の遺伝子が特定の染色体の位置にマッピングされています。
• 生化学的— 抽出して観察できるタンパク質。たとえば、アイソザイムや貯蔵タンパク質など。
• 細胞学的マーカー — 細胞学的マーカーは、顕微鏡で識別できる染色体の特徴です。これらは通常、染色体バンドの形をとり、細胞学で使用される特定の染料が染み込んだクロマチン領域です。染色体バンドの有無は特定の形質と相関関係があり、その形質の原因となる遺伝子座がバンド領域内またはその近く（密接に関連）にあることを示しています。形態学的マーカーと細胞学的マーカーは、小麦やトウモロコシなどの作物の初期の遺伝学研究の基盤を形成しました。 ^[8]
• DNAベース— 含むマイクロサテライト（ショートタンデムリピート、STR、またはシンプルシーケンスリピート、SSRとも呼ばれる）、制限酵素断片長多型（RFLP）、多型DNAのランダム増幅（RAPD）、増幅断片長多型（AFLP）、および一塩基多型（SNP）である。^[9]

以下の用語は、一般に植物や動物の育種における MAS の議論にはあまり関係がありませんが、分子生物学の研究では非常に関連性があります。

• ポジティブ選択マーカーは、宿主生物に選択上の優位性を与える選択マーカーである。^[10]一例としては、抗生物質耐性が挙げられ、これにより宿主生物は抗生物質選択を生き延びることができる。
• ネガティブ選択マーカーは、選択時に宿主生物の増殖を排除または阻害する選択マーカーである。^[11]一例としては、宿主をガンシクロビル選択に対して感受性にするチミジンキナーゼが挙げられる。

選択マーカー (集団から特定の遺伝子型を排除する) とスクリーニングマーカー (特定の遺伝子型を容易に識別できるようにし、その時点で実験者は集団を「スコアリング」または評価し、望ましい遺伝子型を保持するように行動する必要がある) を区別できます。ほとんどの MAS では、選択マーカーではなくスクリーニングマーカーが使用されます。

目的の遺伝子は、望ましい形質や表現型を生み出すタンパク質や RNA の生成を直接引き起こしますが、マーカー (DNA 配列、またはその DNA によって生成される形態学的または生化学的マーカー) は、目的の遺伝子に遺伝的にリンクされています。目的の遺伝子とマーカーは、同じ染色体上で近接しており、マーカーと目的の遺伝子間の組み換え(染色体交差イベント) が同時に減少するため、配偶子の分離中に一緒に移動する傾向があります。形質によっては、目的の遺伝子が発見されており、望ましい対立遺伝子の存在を高い信頼度で直接分析できます。ただし、目的の遺伝子が不明な場合でも、目的の遺伝子にリンクされたマーカーを使用して、目的の遺伝子の望ましい対立遺伝子を持つ個体を選択できます。マーカーを使用すると、マーカーのテストが不正確なため、不正確な結果が出る場合があります。マーカーを使用すると、対象マーカーと遺伝子 (または QTL) の組み換えにより、偽陽性の結果が出ることもあります。完全なマーカーであれば、偽陽性の結果は出ません。「完全なマーカー」という用語は、対象遺伝子の SNP またはその他の DNA 多型を検出するためにテストを実行するときに、その SNP またはその他の多型が対象形質の直接の原因である場合に使用されることがあります。遺伝子型のテストは対象形質または表現型の間接的なテストであるため、対象遺伝子を直接分析するときには、「マーカー」という用語を使用するのが適切です。^{[引用が必要]}

理想的なマーカー:

• 表現型を容易に認識できる - 理想的には、すべての可能な対立遺伝子からのすべての可能な表現型（ホモ接合体およびヘテロ接合体）
• 生物の発達初期に、形質タイプまたは関心のある遺伝子の対立遺伝子間の発現における測定可能な差異を示す
• マーカーの検査は、マーカー座位の対立遺伝子またはターゲット座位（対象形質を決定する対象遺伝子）の対立遺伝子に応じて成功率が変わることはありません。
• マーカー間の相互作用が低いかゼロであるため、分離した集団で同時に多くのマーカーを使用できる
• 数が豊富
• 多形性

形態学的マーカーは、その有用性を低下させる次のようないくつかの一般的な欠陥と関連しています。

• 生物の発達の最終段階までマーカー発現が遅れること
• 優位性によって根底にある遺伝子を隠すことができる
• 多面発現性、つまり、一つの遺伝子から一つの形質までを簡単かつ簡潔に推論することができない。
• 対象となる遺伝子や形質とは無関係だが、形態学的マーカーにも影響を与える遺伝子の交絡効果（エピスタシス）
• 生物の形態学的特徴に影響を及ぼす環境要因の頻繁な交絡効果

形態学的マーカーに特有の問題を回避するために、DNA ベースのマーカーが開発されました。これらは高度に多型性があり、遺伝が単純 (多くの場合共優性) で、ゲノム全体に豊富に存在し、検出が簡単かつ迅速で、多面的影響が最小限で、検出が生物の発育段階に依存しません。多数のマーカーが、米、小麦、トウモロコシ、大豆などのいくつかの作物や、牛、豚、鶏などの家畜のさまざまな染色体にマッピングされています。これらのマーカーは、多様性分析、親子関係の検出、DNA フィンガープリンティング、および雑種のパフォーマンスの予測に使用されています。分子マーカーは間接的な選択プロセスに役立ち、個体を手動で選択してさらに繁殖させることができます。

経済的に重要な特性を担う「主要遺伝子」は、植物界に多く存在する。このような特性には、耐病性、雄性不稔性、^[12]自家不和合性、および植物全体の形、色、構造に関連するその他の特性があり、多くの場合、単一遺伝子性または少数遺伝子性である。主要遺伝子に密接にリンクされたマーカー遺伝子座は選択に使用でき、標的遺伝子の直接選択よりも効率的な場合がある。このような効率の利点は、例えば、マーカー自体が遺伝子である場合にマーカー mRNA の発現が高くなることによる可能性がある。あるいは、目的の標的遺伝子が 2 つの対立遺伝子間で検出が困難な一塩基多型によって異なる場合、外部マーカー (別の遺伝子または短いタンデムリピートなどの検出が容易な多型) が最も現実的な選択肢となる可能性がある。

遺伝形質の選択において分子マーカーを使用する適応症はいくつかあります。

次のような状況:

• 選択された特性は、果実や花の特徴、または幼少期のある成体の特性など、植物の発達の遅い段階で表現されます（そのため、繁殖の準備を行う前に生物が完全に成長するのを待つ必要はありません）
• 標的遺伝子の発現は劣性である（劣性対立遺伝子に対してヘテロ接合陽性の個体を交配すると、望ましい形質を持つホモ接合の子孫を生み出すことができる）
• 病害虫耐性の育種の場合のように、標的遺伝子の発現には特別な条件があります（通常は病原菌の接種や害虫への曝露が必要になります）。接種方法が信頼できない場合や、安全上の理由から病原菌の野外接種が許可されない場合もあります。さらに、発現が環境条件に依存する場合もあります。
• 表現型は、2 つ以上の連鎖していない遺伝子 (エピスタシス) によって影響を受けます。たとえば、遺伝子ピラミッド化のために、病気や害虫に対する抵抗性を提供する複数の遺伝子が選択されます。

遺伝子型判定（ここで必要な分子マーカーアッセイなど）のコストは低下しており、技術開発が進むにつれて MAS の魅力が高まっています。（さらに、人間が行う表現型判定のコストは労働負担であり、先進国では高く、発展途上国では増加しています。）

通常、最初のステップは、さまざまな技術を使用して、まず関心のある遺伝子または量的形質遺伝子座(QTL)をマッピングし、次にこの情報をマーカー支援選択に使用することです。通常、選択された個体のごく一部のみが組み換え体となるように、使用するマーカーは関心のある遺伝子に近い (<5組み換え単位または cM) 必要があります。通常、相同組み換えによるエラーの可能性を減らすために、1 つのマーカーだけでなく 2 つのマーカーが使用されます。たとえば、約 20 cM の間隔で 2 つの隣接マーカーを同時に使用すると、ターゲット遺伝子が回復する確率が高くなります (99%)。

植物では、QTL マッピングは一般に、二親交配集団を使用して行われます。つまり、対象形質について対照的な表現型を持つ 2 つの親の間の交配が行われます。一般的に使用される集団は、近似同質遺伝子系統 (NIL)、組み換え近交系 (RIL)、倍加半数体(DH)、戻し交配、および F ₂です。これらの集団では、表現型と既にマッピングされているマーカー間の連鎖がテストされ、QTL の位置が決定されます。このような技術は連鎖に基づいているため、「連鎖マッピング」と呼ばれます。

2段階QTLマッピングやMASとは対照的に、典型的な植物集団を育種するための1段階の方法が開発されました。^{[13] [14]}

このようなアプローチでは、最初の数回の繁殖サイクルで、関心のある形質にリンクされたマーカーが QTL マッピングによって特定され、後で同じ情報が同じ集団で使用されます。このアプローチでは、複数の親を交配して作成された家族から家系構造が作成されます (3 方向または 4 方向の交配)。表現型と遺伝子型の両方の解析は、関心のある QTL の可能性のある場所にマッピングされた分子マーカーを使用して行われます。これにより、マーカーとその好ましい対立遺伝子が特定されます。これらの好ましいマーカー対立遺伝子が特定されると、そのような対立遺伝子の頻度が増加し、マーカー支援選択への応答が推定されます。望ましい効果を持つマーカー対立遺伝子は、次の選択サイクルまたは他の実験でさらに使用されます。

最近、多くの遺伝子型のマーカー支援スクリーニングを可能にするハイスループット遺伝子型判定技術が開発されました。これは、育種家が従来の育種からマーカー支援選択に移行するのに役立つでしょう。このような自動化の一例として、DNA 分離ロボット、キャピラリー電気泳動、ピペッティング ロボットの使用が挙げられます。

キャピラリー システムの最近の例としては、Applied Biosystems 3130 Genetic Analyzer があります。これは、低～中程度のスループットのラボ向けの最新世代の 4 キャピラリー電気泳動装置です。

現在の技術は費用対効果が低いため、作物の育種には高スループットMASが必要です。Masouleh et al 2009はイネ用、Berard et al 2009、Bernardo et al 2015、Rasheed et al 2016は小麦用、Varshney et al 2016はマメ科植物用、その他さまざまな作物用のアレイが開発されていますが、これらすべてにもカスタマイズ、コスト、柔軟性、機器コストの問題がある。^[15]

対象遺伝子をドナー（適応していない場合もある）からレシピエント（反復適応栽培品種）に移すには、少なくとも 5 世代または 6 世代の戻し交配が必要です。反復遺伝子型の回復は、分子マーカーの使用により加速できます。F1がマーカー座位に対してヘテロ接合性である場合、最初の戻し交配世代またはそれ以降の世代でマーカー座位に反復親対立遺伝子を持つ個体も、マーカーによってタグ付けされた染色体を持ちます。

遺伝子ピラミッド化は、一度に 2 つ以上の遺伝子を選択することにより、病気や害虫に対する耐性を高めるために提案され、適用されてきました。たとえば、イネでは、細菌性疫病やいもち病に対するこのようなピラミッドが開発されました。この場合のマーカー使用の利点は、同じ表現型効果を持つ QTL 対立遺伝子関連マーカーを選択できることです。

MASは家畜の改良にも有効であることが証明されている。^[16]

米国では、小麦 (デュラム小麦( Triticum turgidum ) と普通小麦 ( Triticum aestivum )) のマーカー支援選抜を実施するための協調的な取り組みと、マーカー支援選抜のリソースが、小麦 CAP (Coordinated Agricultural Project) Web サイトに存在します。

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• 作物改良におけるMASの応用を検討する^{[永久リンク切れ‍ ]}
• Collard, Bertrand CY; Mackill, David J. (2008 年 2 月12日)。「マーカー支援選択: 21 世紀の精密植物育種へのアプローチ」。Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences。363 ( 1491): 557– 572。doi : 10.1098 /  rstb.2007.2170。ISSN 0962-8436。PMC  2610170。PMID 17715053。 
• Gupta, PK; Langridge, Peter; Mir, RR (2009 年 12 月11日)。「マーカー支援小麦育種: 現状と将来の可能性」。 分子育種。26 (2): 145– 161。doi : 10.1007 /s11032-009-9359-7。ISSN 1380-3743。S2CID 9989382  。
• Moose , Stephen P.; Mumm, Rita H. (2008 年 7 月 1 日)。「21 世紀の作物改良の基盤としての分子植物育種」。植物生理学。147 (3)。オックスフォード大学出版局(OUP): 969– 977。doi : 10.1104  / pp.108.118232。ISSN 1532-2548。PMC 2442525。PMID 18612074。アメリカ 植物生物学会。 
• 植物育種とゲノム科学