1.5. Использование молекулярных маркеров в генетике и селекции

Первоначально в качестве генетических маркеров использовались морфологические (фенотипические) признаки, например, с использованием маркеров этого типа в 1913 г. была построена первая генетическая карта (карта генома Drosophilla melanogaster). Однако количество информативных маркеров этого типа ограничено. Кроме того, морфологические признаки могут иметь сложный характер наследования и часто зависят от условий внешней среды (Mohan, Nair, Bhagwat 1997). Развитие молекулярных методов исследований позволило создать новые тест-системы, позволившие анализировать генетический полиморфизм на уровне продуктов генов (белковый или биохимический полиморфизм) и на уровне генетического материала клетки (полиморфизм ДНК).

Молекулярными маркерами называют такие биохимические особенности обмена веществ и, непосредственно, структурные особенности генома организма животного, растения, бактерии или гриба, которые тесно коррелируют с какими либо физиологическими показателями организма (например, активностью ферментов), связанными с хозяйственно полезными признаками этого организма.

Началом эры использования молекулярных маркеров в генетических исследованиях послужили первые работы в области исследований полиморфизма изоферментов (Hunter, and Markert. 1957). Было показано, что аллельные формы ферментов (изоферменты) могут быть разделены на электрофорезном геле, и, таким образом, гены, кодирующие ферменты, могли быть исследованы на предмет аллелизма в естественных популяциях и локализованы на генетических картах, независимо от того насколько явно полиморфизм в их структуре отражался на фенотипе (Lewontin, Hubby 1966). Ранее возможности по картированию генов зависели исключительно от синтетических популяций, насыщенных морфологическими маркерами, которые обычно представляют собой макромутации (например, короткие крылья или красная окраска глаз у дрозофилы) и в естественных популяциях встречаются редко. Использование молекулярных маркеров позволило фиксировать многочисленные генетические различия между индивидуумами, не проявляющиеся фенотипически.

Начиная с 90-ых, генетические карты конструировались главным образом с помощью ДНК-маркеров. К основным преимуществам ДНК-маркеров по сравнению с морфологическими и изоферментными маркерами относятся следующие: фенотипическая нейтральность, так как большинство ДНК-маркеров локализовано в некодирующих участках генома; высокий уровень полиморфизма за счет отсутствия естественного отбора в популяции (в связи с фенотипической нейтральностью) и высокой частоты мутирования; кодоминантный характер наследования, что позволяет с уверенностью распознать не только гомозиготные рецессивные генотипы, но также и гетерозиготные; отсутствие эпистатического эффекта (Tanksley, McCouch 1997). Полиморфизм, обнаруживаемый на уровне ДНК, предоставляет практически неограниченное число ДНК-маркеров, которые могут быть проанализированы в любой картирующей популяции. В этой связи целый ряд ДНК-маркеров из перечисленных выше широко используются для построения генетических карт у различных видов растений.

С использованием ПДРФ-маркеров были получены первые успешные результаты по построению молекулярно-генетических карт многих видов растений и животных, накоплены обширные сведения о генетическом полиморфизме различных организмов, выявлены ассоциации с хозяйственно-полезными признаками (Burr, Evola , Burr 1983). Важным достоинством данного типа маркеров является высокая воспроизводимость результатов, а также кодоминантный тип наследования. ПДРФ-локусы могут обладать множественными аллелями, что повышает их информативность. ПДРФ-анализ митохондриальной ДНК и кластера генов, кодирующих рибосомные РНК (рДНК), широко используется в популяционной генетике, биогеографических и филогенетических исследованиях (Avise 1994). Высокий консерватизм ПДРФ-маркеров позволяет использовать их при сравнительном картировании родственных видов. Например, появление детальных генетических карт многих растений позволило сравнить между собой ряд геномов, благодаря использованию общего набора ПДРФ-зондов (Noli, Salvi, Tuberosa 1997)

Диагностические возможности RAPD-маркеров успешно проиллюстрированы на многочисленных примерах описания генетического разнообразия микроорганизмов, высших растений, беспозвоночных и позвоночных животных (Caetano-Anolles, Bassam 1992, Welsh, McClelland 1990) RAPD применяется также для геномного маркирования в популяционных и эволюционных исследованиях. Например, для разных видов грибов с помощью УП-ПЦР показана видоспецифичность ДНК-паттернов (Scharf; Horn; Erlich 1986). Наиболее подробно с помощью RAPD-PCR изучались культурные растения, cельскохозяйственные и лабораторные животные с целью идентификации и дифференциации пород и отдельных линий, картирования хромосом и маркирования хозяйственно-ценных признаков (Horn, Bugawan, Long 1988). Показаны ассоциации некоторых RAPD-маркеров с генами резистентности к различным болезням у растений. AFLP-маркеры были успешно использованы для геномного картирования, в популяционных и филогенетических исследованиях (Buntjer, Otsen, Nijman 2002). В последние годы эти маркеры получают все более широкое распространение для исследования мало изученных таксономических групп. RAPD-маркеры были с успехом использованы для генетического картирования, анализа процессов гибридизации и интрогрессии в популяциях, видовой и сортовой идентификации и установления филогенетических связей и таксономических отношений. В список исследованных RAPD-методом растений уже в 1995 г. входили представители 87 родов. RAPD анализ, позволил исследовать генетическое разнообразие представителей рода Brassica, разделить виды, подвиды и разновидности капустных культур и установить филогенетические взаимосвязи на видовом, внутривидовом уровне. Метод  ISSR-маркеров обладает хорошей воспроизводимостью и наряду с AFLP может быть с успехом использован для выявления межвидовой и внутривидовой генетической изменчивости, идентификации видов, популяций, линий, а в ряде случаев и для индивидуального генотипирования (Gupta, Chyi , Romero-Severson 1994, Nuve 2000). ISSR-PCR-анализ китайских популяций A. adenophora на уровне индивидуальных растений и популяций выявил внутривидовой полиморфизм ядерной ДНК.  ISSR-маркеры могут быть использованы также для картирования геномов и маркирования хозяйственно-полезных признаков (Fang, Federici 1998).

Наиболее существенный вклад молекулярных маркеров в развитие селекции определяется их способностью контролировать генетическую подлинность материала, вовлеченного в селекционный процесс (Kearsey, Pooni 1996). С развитием ДНК-фингерпринтинга, основанного на выявлении набора аллелей специфичного для определенного генотипа, появилась реальная возможность свести к минимуму риск неконтролируемого переопыления или неправильной идентификации селекционных генотипов. Рутинный анализ селекционного материала с помощью молекулярных маркеров обеспечивает качественный генетический контроль и позволяет избежать дорогостоящих ошибок.

Другой важный аспект маркерной помощи отбору (MAS, marker-assisted selection) заключается в возможности контролируемого переноса ценных генов из генотипов дикорастущих предковых форм или местных популяций в селекционные copтa. До появления молекулярных маркеров этот процесс осуществлялся с помощью отбора по фенотипу в серии возвратных скрещиваний, проводимых после скрещивания селекционного сорта с предполагаемым донором ценных аллелей. Трудности возникали в случае, если внедряемая аллель была рецессивной, или изучаемый признак сильно варьировал в зависимости от экспериментальных условий, то есть обладал низким коэффициентом наследуемости. При наличии молекулярного маркера, сцепленного с интрогрессируемым геном (или QTL), высокоэффективный отбор может проводиться на основе присутствия определенной аллели такого маркера в изучаемых генотипах. Это позволяет анализировать потомство возвратного скрещивания на самых ранних стадиях онтогенеза, в связи с чем, отпадает необходимость в дорогостоящих и трудоемких полевых испытаниях.