Lambeth C, Lee BC, O’Malley D, Wheeler N (2001) Polymix breeding with parental analysis of progeny: An alternative to full-sib breeding and testing. Theor Appl Genet 103:930–943. doi: 10.1007/s001220100627
大多数传统全同胞交叉和测试设计的实施在后勤上是困难的，昂贵的，并且遗传增益受资源可用性的限制。替代全同胞交叉和测试可以改善所有这些约束。替代解决方案是对每个杂交应用许多雄性亲本的花粉混合物（PMX），而不是单个花粉。 PMX育种容易实施，确保对被授粉的亲本的育种值的良好估计，并且由于测试的有效亲本组合的数目显着增加，提供了增加的遗传获得机会。然而，PMX育种已经发现有限的使用，因为近亲繁殖和谱系控制丢失。相对便宜的分子标记的发展允许子代的亲子分析，从而允许完全谱系控制。我们称这种系统PMX育种与父母分析（PMX / WPA）。 PMX / WPA的可行性在火花松（Pinus taeda）第三代人口的45个选择个人进行评估，其中有相当大的相关性。所有亲本树均在七个叶绿体和三个核微卫星位点进行基因分型。获得所有45个个体的独特指纹，但是对于来自完整花粉组合的后代的明确的父系确定将不可能，这主要是由于育种群体中的相关性。包括更多标记和/或避免相关性的polmixes和育种组的产生将解决这个问题。描述了三种PMX / WPA情景，并与常规全同胞育种和测试系统进行比较：（1）每一代中只有前向（下一代）选择候选物的亲子分析，（2）PMX中所有后代测试个体的父系基因分型交叉并使用这些数据构建用于统计分析的有效全同胞交叉，和（3）类似于＃2，除了混合几个PMX杂交的种子以便于温室饲养和后代测试，然后进行母本和父系分析。
介绍
几十年来，育种者面临着如何与选择的一组个体（亲本）交配以进行下一代遗传改良的困境（第3步，表1）。选择的交配设计通常是妥协，因为没有找到最好地满足所有目标的单一设计（Namkoong 1979）。交配设计的一些共同目标是：
（1）准确估计为了推荐要包括在生产情景中（有时称为反向选择）（步骤7a表1）而培育的父母的育种价值，以及确定高育种价值父母中的哪些杂交为下一代育种的个体选择提供了最佳的潜力。
（2）产生一组杂交，其将允许来自选择用于下一代育种的最佳杂交中的最佳个体的高遗传潜能，通常称为前向选择（步骤8，表1）。
（3）提供完整的系谱，其中男性和女性都知道为新的选择，以控制近亲水平。
（4）产生遗传参数的遗传估计：遗传性，一般和特异性组合能力，性状之间的遗传相关性和基因型 - 环境相互作用。
（5）为了使繁殖和测试成本保持在可控的水平，要有效地完成上述所有工作。
实现所有目标5（上面）的最明显的交配设计将是每个父母与所有其他父母（完全diallel）交叉，但是这种替代品几乎总是被拒绝在操作育种计划，因为它是不切实际的做和测试这么多十字架。总选择的数量可以是几百的数量级和可能的交叉的数量（以千为单位），繁殖和测试可能是非常昂贵的数量。后者对于树种特别如此，由于它们的大的单个树的大小，需要特殊的设备来进行育种，并且大的区域用于测试个体植物。因此，森林遗传学家寻求交配和测试设计，以尽可能有效地实现其主要目标。目前用于树木改良计划的所有设计都是一种妥协，因为迄今为止的设计都没有非常有效地满足上述五个目标。本文的目的是通过使用分子标记技术作为改进计划的一个组成部分，为现有育种和测试设计的一些问题提出一个新的解决方案。
目前使用的配套设计
在文献中通常比较的交配设计是开放授粉与受控授粉，对于后者，全同胞交叉与多混合（来自几个雄性的花粉的混合物）交叉（Bridgwater 1992）。在文献中这些交配设计的最常见的定量比较方法是保持育种的亲本的数目和从它们之间的杂交测试的后代的数目作为每代中的常数，然后确定每个设计估计遗传参数和他们的遗传增益潜力。概要如下。
- 开放授粉
林业中的开放授粉（OP）通常假定在后代测试中发生，其中在几百或几千个其他个体中仅发现少数新选择。 OP育种给出了对亲本育种值和遗传力估计的良好估计（Bridgwater 1992; Burdon and Shelbourne 1971; Cotterill 1986a，b; White 1996）。
使用OP家族进行下一代子代测试的遗传增益潜力很弱，因为所选的亲本与来自上一代的未选择的群体交配（Burdon和Shelbourne 1971; Cotterill 1986a，b）。这种和其他缺点，例如缺乏完全的系谱控制和不能估计特定的组合能力，导致在林业中OP育种的有限使用，除了在有限的资源需要简单和低成本方法的程序中。 - 全同胞穿越
在文献中已经讨论和分析了许多全同胞交配模式，包括fulldiallel，表亲交配，单对，嵌套，因子，断开的半透明和循环系统（Cotterill 1986a，b; Pederson 1972; Burdon和van Buijtenen 1990; van Buijtenen和Burdon 1990; Bridgwater 1992; Huber等人1992）。其中，最后三个已经常用于林木改良，因为它们提供了：（1）相当好的参数估计（一般和特定的组合能力，遗传力，父母的育种价值），（2）合理良好遗传的基础增益，和（3）完全谱系控制。在这些设计中，每个亲本通常与育种群体中的其他亲本中的4至6个交配。全同胞系统弱点包括。 （1）育种和测试中涉及的工作量，（2）对育种价值的次优估计，以及（3）下一代育种选择的弱基础。后两种限制源自每个亲本的相对较少的杂交。对于用于杂交的后代测试的给定种群大小，通常更好的是每个亲本具有许多杂交，用于精确的参数估计和来自正向选择的高遗传增益潜力，而不是每个杂交具有许多个体的少数杂交（Pederson 1972; White 1996）。当选择重点主要是家庭与家庭内的个体，即低遗传率情况时，尤其如此。每个家长的少量杂交可能导致不准确的育种价值估计，特别是如果在育种群体中有显着的特异性组合能力（SCA）（van Buijtenen和Burdon 1990; Burdon和van Buijtenen 1990）。下一代的遗传增益是有限的，由于这样的事实，即在繁殖的那些中最好的亲本可能不会经常与其他最好的父母交配偶然。不管怎样，由于制造和测试十字架的高成本，通常选择少量十字架和每十字架的许多个体。虽然完全的系谱是已知的，但是有限数目的杂交通常意味着存在从几个良好杂交中选择的倾向，这通常意味着这些杂交中的共同亲本和在后代中建立近交的危险。或者，近交关系可能迫使选择更不相关但平庸的家庭，从而限制遗传获益。 - 多混合交叉
Polymix（PMX）杂交通过混合来自几个雄性的花粉并将花粉应用于分离的雌性来进行。最大的优点之一是交叉的简单性和随后的相对少的交叉的测试。多杂交杂交有时仅被考虑用于亲本育种价值估计（Burdon和van Buijtenen 1990; White 1996），在这种情况下，花粉源可以或可以不由育种组中的亲本组成。它有时被认为是育种价值（B.V.）估计的完整育种系统，并作为选择用于先进一代育种的个体的基础（Shelbourne 1969; Burdon and Shelbourne 1971; Cotterill 1986a，b; Kerr 1998）。在后一种情况下，优选使用来自选择组的花粉以保持遗传增益势能高。 PMX杂交提供了良好的育种价值和GCA，但通常不是SCA的估计（Bridgwater 1992; Huber等人1992）。用于正向选择的遗传增益潜力是好的，但没有上述通常使用的全同胞系统所提供的高。根据遗传参数的大小，来自PMX杂交的增益电势为全同胞系统的70％至超过90％的潜力（Cotterill 1986a，b; Kerr 1998; Shelbourne 1969; van Buijtenen和Burdon 1990）增加遗传性和SCA有利于PMX交叉（van Buijtenen和Burdon 1990）。
PMX交配系统导致来自先进世代选择与全同胞系统的遗传获益较少，主要是因为父系亲本的一般组合能力（GCA）是未知的（Burdon和Shelbourne 1971）。当在用于下一代育种的最佳全同胞杂交中进行个体选择时，它们通常基于包括以下信息的指数来选择：Ind。 B.V. = fem。 gca +雄性gca + h2w（在全同胞交叉内的ind。dev。）（1）其中：h2w =跨越遗传力。
对于PMX交叉，个体值估计如下： B.V. = fem。 gca + h2w（在PMX交叉内的ind。开发）。 （2）PMX杂交中的选择不具有知道雄性GCA的益处，但是PMX杂交的遗传性和变异性大于全同胞杂交的遗传性和变异，因为PMX杂交实际上由变异性在许多全同胞交叉中以及那些杂交中的变异。总之，缺乏关于雄性GCA的信息导致PMX育种和测试的获得效率降低。缺乏完全的系谱控制和几个雄性可能代表下一个繁殖世代的选择，导致可能的近亲繁殖抑制的可能性，是有限的使用PMX交叉作为独立系统的另一个缺点（Bridgwater 1992）。 - 组合系统
许多组织使用配合设计的组合来利用每个的优点，并在某种程度上抵消任何一个设计的限制（van Buijtenen和Burdon 1990）。美国东南部松树的主要树木改良合作社使用由PMX杂交组成的互补系统作为亲本育种价值和全同胞杂交，从中选择下一代育种（Lowe和van Buijtenen 1986; McKeand和Bridgwater 1992; White et al.1993）。 Fullsib交叉通常是圆形或断开的半圆形设计。虽然提供许多优点，但是这些系统在时间和资源方面是昂贵的。此外，它们不克服用于正向选择增益和近亲繁殖控制的全同胞交叉系统的上述限制。
一个新的选择：PMX杂交与子代的父母分析（PMX / WPA）
分子遗传学的进展，特别是低成本遗传标记的开发，开辟了一些不可想象的新的育种和测试策略。我们建议使用父母分析克服迄今为止PMX育种和测试的主要限制，缺乏男性家谱控制和缺乏男性GCA信息的先进一代选择。将详细讨论三种情况。对于这些情况中的每一个，选择亲本被假定与来自相同选择组的大多数亲本的花粉混合物交配，并且在典型的田间试验中种植所得的PMX杂交。
情景1 - 部分人口父亲分析
使用雌性GCA和个体表现作为选择标准，鉴定用于高级代育种（表1中的步骤8）的一组临时候选物。来自参与PMX杂交的所有亲本的组织样品以及高级世代候选者被基因分型，并且将父亲分配给临时候选者。然后将临时候选人列表缩小为最终育种表，其父亲具有可接受的GCA和可接受水平的相关性，基于诸如群体价值的标准，其将遗传增益潜力与近亲繁殖抑郁的估计相加（Rosvall和Andersson 1999 ）。该系统的限制是，临时候选人的初始列表可能不包括测试中的最高价值个体，因为男性GCA仅对于临时候选列表是已知的。尽管如此，基于父子分析的最终筛选应该允许遗传增益高于过去的PMX杂交系统可能的遗传增益。这种方法是可行的，如果每个人的父亲分析成本有点昂贵，对于一些树木改善计划，个体的花费可能约为30-50美元。
情景2 - 全人口父亲分析
通过在苗圃（步骤5）或田间试验（步骤6）中收集组织样品来进行所有原始亲本和所有用于现场试验的个体的基因分型。表征样品DNA，并在数据分析（步骤7）之前鉴定每个树的父亲。通过在分析测量数据之前确定所有个体的父亲，关于雄性和雌性亲缘关系的信息可以在任何其它全同胞交配系统中进行的高级世代选择中使用。除了PMX育种的常见优点之外，该系统具有超过其他全系统的若干额外优点，例如通常使用的圆形和分离的半透明。只要受精主要是随机的，许多有效的交叉产生与PMX交配，导致更高的遗传增益潜力的先进代选择和更多的灵活性的关联控制。此外，所有个体的遗传分型有助于减少携带到后代的身份（谱系）错误的数量，这是任何遗传改良计划中的一个严重关注（Adams等人，1988）。这种情况是可能的，当基因指纹是便宜到足以基因类型所有个人，可能在一些树木改善计划中个人3-5美元。
情况3 - 完全人口生育和父亲分析（丢弃ID标签）
处理种子（表1的步骤4）之后，在苗圃中播种之前，将来自PMX杂交的相等（或已知）量的种子完全混合。在没有PMX交叉鉴定标签的情况下建立苗圃作物和田间试验。因此，现场测试是一种完全随机的设计。在测量时从所有现场测试个体获取组织样品，并从原始亲本获取用于遗传分型的组织样品，并且在实验室中对后代测试中的所有个体进行母体和父亲测定。当生育和父子关系的确定是可能的，并且遗传分型是便宜的，对于某些树木改良计划而言，可能在大约3至5美元/树的数量级，以及当在育苗室中维持杂交的身份的成本和/或现场测试困难和/或昂贵。
树改善计划中的谱系分析状态
树木改良和树木育种中的分子标记应用在近年来显着增加，包括如用于鉴定和分类学分析的克隆指纹，遗传图谱的创建，复杂性状的解剖和数量性状基因座检测以及标记辅助选择（Groover等人1994; O'Malley和McKeand 1994; Cervera等人，1996; O'Malley等人1996; Staub等人1996; Dinus和Tuskan 1997）。然而，集中在林业中的谱系问题的标记应用主要限于种子果园研究，包括估计花粉污染，自交，雄性生殖成功和补充大量传粉成功（Wheeler和Jech 1992; Stoehr等人1998; Walter等人。1998）。大多数果园应用程序依靠父亲分析来推断花粉供体。亲子分析也已被应用于自然陈列后代阵列中（Dow和Ashley 1996; Ziegenhagen等人1998; Isagi等人2000）。最近，高信息标记物的发展的快速进展已导致对于亲本分配的谱系分析的使用增加以及对于包括人在内的一些物种的后代阵列中的相关性的估计（Hohoff和Brinkmann 1999），Drosophila（Dewoody et al。 2000），鲑鱼（Norris等2000），灌木（Krauss 1999）和树木（Isagi等2000）。虽然鲑鱼研究具有跟踪家系以保持多样性和减少交配品系中的近交的应用目标，但是据我们所知，在谱系分析的文献中没有关于改善育种和或测试效率或增加遗传增益潜力的报告。
家系分析的歧视要求在之前提到的三种PMX / WPA情景中显着增加。使用分子标记准确分配亲缘关系和估计相关性的能力取决于许多因素：
潜在父池或父级组合的大小。
2.育种群体中父母之间的相关性的量。
3.父母基因型的先验知识（一个父母已知vs没有父母基因型）。
4.所选标记的类型（信息内容，基因座数，重复性，遗传，即孟德尔，父系，母系）。
5.人口基因频率。 6.统计模型（排除vs可能性或父亲或生育分配）。
7.基因型错误和突变率。
此外，基因分型的成本将显着影响如何应用该技术。
在本研究中，我们测试三个高度可变的核微卫星和七个叶绿体微卫星的诊断能力：（1）独特地指纹45个混合系的选择育种群体，（2）分配父亲，其中存在男性亲本/后代关系，和（3）估计已知的相关性水平。叶绿体SSR是非重组的，并且像人类中的Y染色体标记（Hohoff和Brinkmann 1999），在针叶树中是父系遗传的（Neale等人1986; Wagner 1992），使得亲子分配直接。
微卫星（SSR，STR）已被证明对于谱系分析非常有用（Blouin等人1996; Norris等人2000），并且通常被认为是当今最有力的遗传标记（Goldstein和Pollock，1997）。微卫星易于评分，可重复性，高度可变性和共显性。群体中的大多数个体在SSR基因座处是杂合的，并且几个共享相同的基因型，使得它们对于指纹和测定亲本是理想的（O'Malley和Whetten 1997; Elsik等人2000）。
目标本文件的目标是：
（1）介绍PMX / WPA方法进行植物育种和测试。
（2）提出原型遗传标记结果，并讨论在三种PMX / WPA情景中所要求的遗传分型和亲本测定种类的当前和未来遗传标记潜力。 （3）讨论PMX / WPA育种和测试系统的整体适用性及其优缺点。
随后的手稿将介绍计算机模拟的结果，将三种PMX / WPA情景的遗传增益潜力与一些目前使用的育种和测试设计进行比较。讨论和实例通常集中于作者对树种的经验，但PMX / WPA情景可适用于其他生物体，其中可通过用雄性配子的混合物受精来产生多个杂交。
