作物數(shù)量性狀基因座定位的群體遺傳分析

許多重要的耕作特性都是數(shù)量特性，由許多微效基因控制。這些基因的染色體位置稱為數(shù)量基因座（quantimathold，qtl）。傳統(tǒng)的數(shù)量遺傳學(xué)只是把這些微效多基因作為一個整體,用簡單的統(tǒng)計學(xué)方法,分析其總的遺傳效應(yīng),無法把微效多基因分解為一個個Mendel因子。20世紀(jì)80年代,DNA分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用,使對單個QTL的研究成為可能。自Paterson第一次運用分子標(biāo)記進行番茄的QTL定位以來,已有大量的關(guān)于QTL研究的報道。期間新的QTL分析的方法不斷涌現(xiàn)。筆者擬就前人所涉及到的QTL定位的原理、方法、影響因素、存在的問題等進行概述。1分子標(biāo)記的類型利用分子標(biāo)記定位QTL,實質(zhì)上就是分析分子標(biāo)記與目標(biāo)性狀QTL之間的連鎖關(guān)系。即利用已知座位的分子標(biāo)記來定位未知座位的QTL,通過計算分子標(biāo)記與QTL之間的交換率,來確定QTL的具體位置。常用的分子標(biāo)記有:RFLP(RestrictionFragmentLengthPolymorphism)、RAPD(RandomAmplifiedPolymorphicDNA)、AFILP(AmplifiedFragmentLengthPolymorphism)、SSR(SimpleSequenceRepeat)、SNP(SingleNucleotidePolymorphism)等。其中早期應(yīng)用最多、分子標(biāo)記連鎖圖譜密度最大的是RFLP標(biāo)記,實驗操作簡單、方便、快捷、標(biāo)記多態(tài)性高且適應(yīng)大批量應(yīng)用的是SSR標(biāo)記,最有發(fā)展前景的可能是SNP標(biāo)記。這些分子標(biāo)記在整個基因組任何座位上的廣泛的多態(tài)性,使其標(biāo)記任何QTL成為可能。QTL定位的理論依據(jù)是Morgan的連鎖遺傳規(guī)律;借助的工具是具有高度多態(tài)性的分子標(biāo)記;QTL定位的方法主要是以分子標(biāo)記基因型為依據(jù),對分離群體中的個體進行分組,通過比較不同分子標(biāo)記基因型組間目標(biāo)性狀的表現(xiàn)型及差異顯著性,來推斷影響該性狀的基因(QTL)與分子標(biāo)記座位的連鎖關(guān)系及遺傳距離。2qtl定位條件2.1多態(tài)性分子標(biāo)記的應(yīng)用并非任何一個數(shù)量性狀都能進行QTL定位。可以進行QTL定位的性狀一般要滿足:①目標(biāo)性狀在雙親之間差異較大;②目標(biāo)性狀在后代群體中的分離明顯,表型性狀容易分組;③雙親之間的親緣關(guān)系較遠(yuǎn),有足夠多的多態(tài)性分子標(biāo)記。如水稻的秈×粳雜交,番茄的栽培×野生雜交。2.2高密度分子標(biāo)記連鎖圖譜的構(gòu)建要進行作物的QTL分析,必須具有一定的實驗條件:①有進行分子標(biāo)記分析的相應(yīng)的儀器設(shè)備、化學(xué)藥品等如進行SSR分析時,必須有PCR儀、精量移液器、電泳儀、電泳槽、整套SSR引物、dNTP、PCRbuffer等;②有田間調(diào)查表型性狀的條件與設(shè)備有些農(nóng)藝性狀的表型調(diào)查非常簡單,如株高、生育期等;而有些性狀的表型調(diào)查則需要相應(yīng)的儀器設(shè)備。如蛋白含量、直鏈淀粉含量、油分含量、微量元素含量、光合速率測定等;③有高密度的分子連鎖圖譜在進行QTL定位時,可供利用的分子標(biāo)記連鎖圖譜可以是前人已經(jīng)構(gòu)建好的,也可以是自己利用特定材料的分離群體F2、BC1等重新構(gòu)建的。前者如日本的水稻基因組計劃中,利用NipponbareKasalath的F2群體,已構(gòu)建了含有2275個分子標(biāo)記的水稻RFLP圖譜;IRMI(internationalRiceMicrosatelliteInitiative)已構(gòu)建了一張含有2240個分子標(biāo)記的水稻SSR圖譜。這些高密度分子標(biāo)記連鎖圖譜的構(gòu)建,為水稻全基因組QTL定位奠定了基礎(chǔ);后者是指在進行特定QTL的定位之前,利用選定的親本的分離群體如F2或BC1等,把現(xiàn)有的分子標(biāo)記定位到不同的連鎖群上,構(gòu)建特定材料的分子標(biāo)記連鎖圖譜,然后再利用這張新構(gòu)建的圖譜進行QTL定位分析。相比較而言,前者是利用別人的研究結(jié)果,方法簡單。但同一分子標(biāo)記在不同的材料之間的座位會略有差異,這樣可能會影響到QTL定位的準(zhǔn)確性;后者是自己重新構(gòu)建分子標(biāo)記連鎖圖,工作量大,方法復(fù)雜,但分子標(biāo)記定位與QTL定位利用的是同樣的材料,為QTL的精細(xì)定位奠定了基礎(chǔ)。3開環(huán)體的q-qp定位方法用于QTL定位的群體,概括起來分為:初級群體(F2,BC1,RIL,DH等),次級群體(NILs,ILs,CSSLs等),高級群體(SSSLs等)(表1)。早期用于QTL定位的多是初級群體。初級群體具有構(gòu)群簡單、速度快等特點。但由于遺傳背景的干擾,用初級群體很難檢測出效應(yīng)小的QTL;次級群體是在相似的遺傳背景上進行QTL定位分析,消除了大部分遺傳背景的干擾及QTL之間的互作,提高了QTL定位的準(zhǔn)確性[11,12,13,14,15,16,17];高級作圖群體完全去除了遺傳背景的干擾,使QTL定位的準(zhǔn)確性提到了更高的水平。4數(shù)學(xué)模型及統(tǒng)計分析利用分子標(biāo)記進行QTL定位及其效應(yīng)估計,有賴于QTL作圖的數(shù)學(xué)模型及統(tǒng)計分析方法。自20世紀(jì)80年代以來,已相繼提出了20余種QTL作圖的統(tǒng)計分析方法。其中最常用的有零區(qū)間作圖法、單區(qū)間作圖法、復(fù)合區(qū)間作圖法、混合線性模型等(表2)。4.1顯著差異控制法(TheSingleMarkerMapping,SMM)零區(qū)間作圖法又叫單一標(biāo)記分析法,指利用單一分子標(biāo)記,通過方差分析、回歸分析或似然比檢驗,比較不同標(biāo)記基因型數(shù)量性狀平均值的差異顯著性。如存在顯著差異,則控制該數(shù)量性狀的QTL與標(biāo)記連鎖。可用的數(shù)學(xué)模型及統(tǒng)計方法有單因子方差分析法、線性回歸法、相關(guān)分析法、最大似然法、距估計法等。這種方法簡便、直觀、方法合理、適應(yīng)性強、又不需要完整的分子標(biāo)記連鎖圖譜,是早期QTL定位研究采用最多的方法。該法的分析結(jié)果與后來發(fā)展起來的區(qū)間作圖法(TheIntervalMapping)和復(fù)合區(qū)間作圖法(TheCompositeIntervalMapping)等的分析結(jié)果有較好的一致性。該法存在的主要問題在于檢測到的QTL通常不會正好落在標(biāo)記所在的座位上,從而導(dǎo)致對該QTL位置和效應(yīng)估計的偏差。同時,由于單標(biāo)記的原因,無法確切估計QTL的位置。4.2u3000jd回歸算法單區(qū)間作圖法又叫雙標(biāo)記QTL定位法,指利用QTL兩端的各一個分子標(biāo)記,建立目標(biāo)性狀個體觀察值對雙側(cè)標(biāo)記基因型指示變量的對應(yīng)關(guān)系,通過適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計分析方法,計算重組率、QTL效應(yīng)等參數(shù)。單區(qū)間作圖法是Lander和Botstein于1989年提出的。該法借助完整的分子標(biāo)記連鎖圖譜,用正態(tài)混合分布的最大似然函數(shù)和簡單回歸模型,可以計算全基因組任一對相鄰標(biāo)記之間QTL是否存在的似然函數(shù)比值的對數(shù)(LOD值)。當(dāng)LOD值超過某一給定的臨界值(LOD=2or3)時,即認(rèn)定QTL存在。根據(jù)整個染色體上各座位處的LOD值,可以標(biāo)出某一數(shù)量性狀的所有可能QTL座位。IM法可用的數(shù)學(xué)模型及統(tǒng)計分析方法有回歸法、最大似然法、最小二乘法等。與傳統(tǒng)的零區(qū)間作圖法相比較,IM法有明顯的優(yōu)點:①能推斷QTL的可能位置;②QTL的定位及效應(yīng)估計更準(zhǔn)確:③所需的個體數(shù)減少。許多學(xué)者在利用過程中,對Lander和Botstein的方法作了大量的擴展與改進,并依此法作了大量的研究工作,使該法一度成為國際遺傳學(xué)界的QTL定位的標(biāo)準(zhǔn)方法。IM法存在的主要問題是:①同一連鎖群內(nèi)的QTL會影響檢驗結(jié)果,導(dǎo)致假陽性,或造成QTL定位和效應(yīng)估計出現(xiàn)偏差;②每次檢驗僅用2個標(biāo)記,其它標(biāo)記的信息未加以利用。4.3cim法通過多元線性回歸分析控制環(huán)境的活性(TheCompositeIntervalMapping,CIM)復(fù)合區(qū)間作圖法又叫多標(biāo)記QTL定位法。是一種基于全基因組的所有標(biāo)記進行QTL定位及效應(yīng)分析的作圖方法。CIM法以單區(qū)間作圖法為基礎(chǔ),利用多元線性回歸分析的性質(zhì),在假定不存在上位性效應(yīng)的假設(shè)條件下,把特定標(biāo)記區(qū)間外的其它標(biāo)記擬合到模型中,以控制背景遺傳效應(yīng),提高作圖精度;用類似于單區(qū)間作圖的方法,計算各參數(shù)的LOD值及顯著性,繪制各染色體的似然圖譜,標(biāo)出各QTL的可能位置。CIM法以IM法為基礎(chǔ),仍采用QTL似然圖來顯示QTL的可能位置及顯著程度,保留了IM的優(yōu)點;假如不存在上位性和QTL與環(huán)境的互作,CIM法的QTL的定位及效應(yīng)估計漸近無偏;該法充分利用了整個基因組的標(biāo)記信息,在較大程度上控制了背景的遺傳效應(yīng),提高了作圖的精度和效率。CIM法也存在一些問題和不足,其中之一是它不能分析上位性及QTL與環(huán)境互作等效應(yīng)。4.4職業(yè)效應(yīng)的ssr-qp-qp法(TheMixedLinearModelMLM)為了估計QTL之間的上位性及QTL與環(huán)境的互作效應(yīng),朱軍提出了基于混合線性模型的復(fù)合區(qū)間作圖法。該法用隨機效應(yīng)的預(yù)測方法獲得基因型效應(yīng)及基因型口環(huán)境互作效應(yīng)的預(yù)測值,用單區(qū)間或復(fù)合區(qū)間作圖的方法進行遺傳主效應(yīng)及基因型×環(huán)境互作效應(yīng)的QTL定位分析。在該法中,把群體均值、QTL的各項遺傳主效應(yīng)(包括加性、顯性和上位性效應(yīng))作為固定效應(yīng),把環(huán)境效應(yīng)、QTL與環(huán)境互作效應(yīng)、分子標(biāo)記效應(yīng)及其與環(huán)境的互作效應(yīng),以及殘差作為隨機效應(yīng),將效應(yīng)估計與定位分析結(jié)合起來,進行多環(huán)境下的聯(lián)合QTL定位分析,提高了作圖的精度和效率。與CIM法相比,MLM法可以避免所選的標(biāo)記對QTL效應(yīng)分析的影響,還能無偏地分析QTL與環(huán)境的互作效應(yīng);模型還可以擴展到分析具有加×加、加x顯、顯×顯上位性的各項遺傳主效應(yīng)及其與環(huán)境互作效應(yīng)的QTL,具有很大的靈活性。5影響qtl定位精度的因素5.1低層次性實驗結(jié)果作圖群體的性質(zhì)及特點,直接決定了QTL定位精確度的高低。一般而言,隨著作圖群體層次的提高,作圖精確度提高。理論上,作圖群體越大,等位基因分離越徹底,檢出QTL的能力越強。但在實際研究中發(fā)現(xiàn),F2群體在群體大小為200和300時對QTL的檢出結(jié)果差異不大;DH群體大小100和150對QTL的檢出差異不大。另外,不同群體所用的親本的親緣關(guān)系不同,基因型差異大小不一致,特定性狀潛在的QTL數(shù)目不一樣,因此檢出的QTL數(shù)目也會有差異。5.2tl定位精確性的影響因素進行QTL定位時所用的數(shù)學(xué)模型及統(tǒng)計分析方法是影響QTL定位精確性的另一關(guān)鍵因素。一般而言,隨著所用標(biāo)記數(shù)目的增加、數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜化,QTL定位的精度增加。即混合模型>復(fù)合區(qū)間作圖法>單區(qū)間作圖法>零區(qū)間作圖法。5.3各酸液的相互關(guān)系某一特定性狀的QTL在同一連鎖群的分布及數(shù)量是影響QTL定位精確度的又一主要因素。如果某一性狀在某一連鎖群上只有一個QTL,該QTL剛好處在某一標(biāo)記座位上,且與標(biāo)記表現(xiàn)為完全共分離,那么各種作圖方法做出的結(jié)果差別不大;相反,如果同一連鎖群上有多個QTL,則不同作圖方法的結(jié)果會有很大的差別。QTL之間的互作效應(yīng)也是影響QTL檢測及定位精確性的一個因素。如果QTL之間存在連鎖或上位性,不同作圖群體、不同作圖方法做出的結(jié)果會差別很大。6價格補充6.1環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)下的q最佳定位方法目前,QTL定位研究多數(shù)是用數(shù)量性狀在個體發(fā)育的終點時期的表現(xiàn)型,即該性狀所有的QTL從發(fā)育初始到觀察時期的累積效應(yīng)值來進行QTL定位及效應(yīng)分析,無法衡量不同發(fā)育時期各個QTL的作用及QTL表達的時空順序。這種QTL定位研究的策略和方法稱為QTL靜態(tài)定位(Staticmapping,SD)。另一種QTL定位策略和方法稱為QTL動態(tài)定位(Dynamicmapping,DM),或稱為與時間有關(guān)的QTL定位(Time-relatedQTLmapping)。DM是QTL定位與發(fā)育遺傳學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。以水稻分蘗為模式性狀的研究結(jié)果表明,QTL的動態(tài)定位法可以有效地利用性狀發(fā)育過程中的遺傳信息,可以大幅度提高QTL定位的靈敏度和準(zhǔn)確性,并能揭示QTL的表達動態(tài)。6.2生成qp-qp的細(xì)定位群體,創(chuàng)建新的犯罪圖譜和信影響QTL定位準(zhǔn)確性的因素主要有兩個:作圖群體及分子標(biāo)記連鎖圖譜的飽和度。顯然,用一張標(biāo)記間隔很大的分子標(biāo)記連鎖圖譜很難對QTL進行精細(xì)定位;同理,用初級定位群體所得的QTL難免有“幻影”的存在。因此,增加分子標(biāo)記連鎖圖譜的密度和創(chuàng)建新的作圖群體是進行QTL精細(xì)定位的基礎(chǔ)。QTL定位的目的之一是克隆目的QTL。近年來有關(guān)QTL定位的文章報道很多,但基于QTL定位的圖位克隆(Basedmapclone)成功的卻不多。究其原因主要是因為基于初級作圖群體的QTL定位誤差很大,很難利用染色體步移找到目的基因。少數(shù)圖位克隆成功的例子均基于QTL精細(xì)定位,用的作圖群體為次級作圖群體。6.3定量和精細(xì)定位QTL定位的另一個目的是盡可能多的發(fā)現(xiàn)有利用價值的等位基因,并提供相應(yīng)的標(biāo)記輔助選擇(MarkerAssistantSelection,MAS)技術(shù),以便快速、準(zhǔn)確地培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和多抗的優(yōu)良農(nóng)作物新品種。影響QTLMAS的因素主要有:①已鑒定出的有利用價值的QTL的數(shù)量;②QTL定位的精確程度;③QTL之間是否存在互作;④環(huán)境對QTL的影響。因此,需要利用不同來源的定位群體鑒定出盡可能多的控制同一性狀的有利用價值的QTL;利用次級或高級作圖群體對QTL進行精細(xì)定位;掌握控制同一性狀的QTL的互作關(guān)系,尤其是上位互作及QTL表達與環(huán)境的關(guān)系。6.4高級描述分析的必要性在搞清了控制同一數(shù)量性狀的QTL的數(shù)量及