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マーカー支援選抜（MAS ）は、目的の形質そのものではなく、目的の形質（生産性、病害抵抗性、非生物的ストレス耐性、品質など）に関連するマーカー（形態学的、生化学的、またはDNA / RNA変異）に基づいて目的の形質を選択する間接的な選抜プロセスです。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]このプロセスは、植物および動物の育種において広く研究され、提案されています。[ 5 ]
例えば、MASを用いて病害抵抗性を持つ個体を選抜する場合、病害抵抗性のレベルではなく、病害抵抗性と連鎖するマーカーアレルを特定する必要があります。このマーカーは、遺伝的連鎖（染色体上でマーカー遺伝子座と病害抵抗性決定遺伝子座が近接していること）により、目的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に基づいています。MASは、測定が困難または高価な形質、遺伝率が低い形質、および／または発生後期に発現する形質を選抜するのに役立ちます。育種過程の特定の段階で、標本が目的の形質を発現していることを確認するために検査が行われます。
現代のMAS研究の大部分はDNAベースのマーカーを使用している。[ 5 ]しかし、関心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あった。1923年、カール・サックスは、インゲンマメ（ Phaseolus vulgaris L.）の種皮の色マーカーの分離に伴う種子サイズの分離を観察し、植物の量的形質と単純遺伝する遺伝子マーカーの関連性を初めて報告した。[ 6 ] 1935年、J.ラスムソンは、エンドウ の開花時期（量的形質）と花の色に関する単純遺伝する遺伝子との連鎖を実証した。[ 7 ]
マーカーは以下のとおりです。
以下の用語は、植物や動物の育種におけるMASの議論にはあまり関係がないが、分子生物学の研究においては非常に重要である。
選択マーカー（特定の遺伝子型を集団から排除するマーカー）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するマーカー。この場合、実験者は集団を「評価」し、望ましい遺伝子型を維持するように行動する必要がある）は区別できる。ほとんどのMAS（マーカー支援選抜）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る。
目的遺伝子は、望ましい形質や表現型を生み出すタンパク質やRNAの産生を直接引き起こすのに対し、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、目的遺伝子と遺伝的に連鎖しています。目的遺伝子とマーカーは、同じ染色体上に近接しているため、配偶子の分離時に一緒に移動する傾向があり、その結果、マーカーと目的遺伝子間の組換え（染色体交差）が減少します。一部の形質については、目的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性で直接検査することができます。しかし、目的遺伝子が不明な場合でも、目的遺伝子に連鎖したマーカーを使用して、目的遺伝子の望ましい対立遺伝子を持つ個体を選抜することができます。マーカーを使用する場合、マーカーの検査が不正確であるために、結果が不正確になることがあります。マーカーを使用する場合、目的のマーカーと遺伝子（またはQTL）との組換えにより、偽陽性結果が生じることもあります。完璧なマーカーであれば、偽陽性結果は一切生じません。「完璧なマーカー」という用語は、目的の遺伝子内のSNPまたはその他のDNA多型を検出するために検査を行う場合、そのSNPまたはその他の多型が目的の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。目的の遺伝子を直接検査する場合、「マーカー」という用語は依然として適切です。なぜなら、遺伝子型の検査は、目的の形質または表現型の間接的な検査だからです。
理想的なマーカー：
形態学的マーカーには、以下のような有用性を低下させるいくつかの一般的な欠陥が伴います。
形態学的マーカー特有の問題を回避するため、DNAベースのマーカーが開発されてきた。これらは多型性が高く、単純な遺伝様式（多くの場合共優性）を示し、ゲノム全体に豊富に存在し、検出が容易かつ迅速であり、多面的効果は最小限であり、検出は生物の発生段階に依存しない。イネ、コムギ、トウモロコシ、ダイズなどの作物や、ウシ、ブタ、ニワトリなどの家畜において、多数のマーカーが異なる染色体にマッピングされている。これらのマーカーは、多様性解析、親子鑑定、DNAフィンガープリンティング、および雑種性能の予測に利用されている。分子マーカーは間接選抜プロセスに有用であり、個体を人手で選抜してさらに増殖させることを可能にする。
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します。そのような特性には、病害抵抗性、雄性不稔性[ 12 ]、自家不和合性、植物全体の形状、色、構造に関連するものなどが含まれ、多くの場合、単一遺伝子または少数遺伝子の性質を持ちます。主要遺伝子に密接に連鎖したマーカー遺伝子座は選抜に利用でき、標的遺伝子を直接選抜するよりも効率的な場合があります。このような効率性の利点は、例えば、マーカー自体が遺伝子である場合、マーカーmRNAの発現量が高いことに起因する可能性があります。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、または短鎖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ります。
遺伝的形質の選抜において、分子マーカーを使用することにはいくつかの利点がある。
次のような状況：
遺伝子型判定（例えば、ここで必要とされる分子マーカーアッセイ）のコストは低下しており、技術開発が進むにつれてMASの魅力は高まっている。（加えて、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傾向にある。）
一般的に、最初のステップは、さまざまな手法を用いて目的の遺伝子または量的形質遺伝子座（QTL）をマッピングし、その情報をマーカー支援選抜に利用することです。一般的に、選抜される個体のうち組換え体となる割合を最小限に抑えるため、使用するマーカーは目的の遺伝子に近い位置（5組換え単位またはcM未満）にある必要があります。また、相同組換えによるエラーの可能性を低減するため、通常は単一のマーカーではなく2つのマーカーを使用します。例えば、約20cMの間隔で2つの隣接マーカーを同時に使用すると、目的遺伝子を回収できる確率が99%と高くなります。
植物におけるQTLマッピングは、一般的に二親交配集団を用いて行われます。すなわち、目的の形質に関して対照的な表現型を持つ2つの親を交配して作出します。よく用いられる集団は、近同質遺伝子系統（NIL）、組換え近交系（RIL）、倍加半数体（DH）、戻し交配、F2です。これらの集団において、表現型と既にマッピングされたマーカーとの連鎖を検証し、QTLの位置を決定します。このような手法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段階のQTLマッピングと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ている。[ 13 ] [ 14 ]
このようなアプローチでは、最初の数回の育種サイクルで、QTLマッピングによって目的の形質に関連するマーカーが特定され、その後、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、複数の親を交配することによって作成された家系（3方向または4方向の交配）から家系図構造が作成されます。表現型と遺伝子型の両方とも、目的のQTLの可能性のある位置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、マーカー支援選抜に対する反応が推定されます。望ましい効果を持つマーカー対立遺伝子は、次の選抜サイクルまたは他の実験でさらに使用されます。
近年、多数の遺伝子型をマーカーを用いてスクリーニングできるハイスループットな遺伝子型判定技術が開発されている。これにより、育種家は従来の育種からマーカー選抜へと移行しやすくなる。こうした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装置、ピペット操作ロボットなどが挙げられる。
キャピラリーシステムの最近の例としては、Applied Biosystems社の3130遺伝子アナライザーが挙げられます。これは、低～中スループットのラボ向けに開発された、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高くないため、作物育種にはハイスループットMASが必要です。アレイは、Masoulehら（2009年）によるイネ、Berardら（2009年）、Bernardoら（2015年）、Rasheedら（2016年）によるコムギ、Varshneyら（2016年）によるマメ科植物、その他さまざまな作物向けに開発されていますが、これらはすべてカスタマイズ、コスト、柔軟性、および機器コストの問題を抱えています。[ 15 ]
目的遺伝子を供与体（適応していない場合もある）から受容体（反復適応品種）へ移すには、最低でも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、分子マーカーを用いることで加速できます。F1世代がマーカー遺伝子座に関してヘテロ接合体である場合、最初の世代またはそれ以降の戻し交配世代において、マーカー遺伝子座に反復親の対立遺伝子を持つ個体も、マーカーで標識された染色体を持つことになります。
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で、病害虫に対する抵抗性を高めるために提案され、応用されてきた。例えば、イネでは、細菌性葉枯病やいもち病に対する耐性を高めるために、このようなピラミッドが開発されている。この場合、マーカーを使用する利点は、同じ表現型効果を持つQTL-アレル連鎖マーカーを選択できることである。
MASは家畜改良にも有用であることが証明されている。[ 16 ]
米国における小麦（デュラム小麦（Triticum turgidum）および普通小麦（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、およびマーカー支援選抜のためのリソースは、小麦CAP（協調農業プロジェクト）のウェブサイトに存在します。
{{cite journal}}: CS1メンテナンス: DOIは2025年7月現在非アクティブです（リンク）