基于混合線性模型的ril中g1ql定位及遺傳效應分析

棉花是世界上的重要原材料。中國的棉花在生產和消費中占世界第一。隨著近年我國對棉花需求的不斷加大，在纖維品質、產量上也提出了更高要求。纖維品質、產量與供需的矛盾亟待改善(喻樹迅,2007;Wangetal.,2008)。棉花主要農藝性狀均為復雜的數量性狀，研究方法的不斷改進使得大量重要的數量性狀基因深度分析成為可能。目前利用不同的分離群體定位克隆的典型QTL位點有與玉米進化相關的QTLtb1(Wangetal.,1999)；與番茄果重相關的QTLfw2.2(Fraryetal.,2000)，含糖量相關的QTLBrix9-2-5(Fridmanetal.,2000)；與擬南芥開花期有關的QTLED1(MorganteandSalamini,2003)；與水稻開花期相關的QTLhd1、hd6及hd3a(Yanoetal.,2000;Takahashietal.,2001;Monnaetal.,2002)，耐鹽性相關的QTLSKC1(Renetal.,2005)，與產量相關的QTLGnla(Ashikarietal.,2005)等。以上研究主要基于單基因遺傳理論模型，對生物遺傳發育深入研究發現主效基因及基因產物之間存在大量互作。不同研究小組對水稻、玉米、小麥、大豆、綠豆的研究，均證實了控制不同性狀的數量性狀QTL位點間存在顯著互作(Bremetal.,2005)。上位性應當是物種進化和物種形成的基礎，也是數量性狀重要的遺傳基礎(Allard,1996;Riesebergetal.,1996)。本文利用重組近交系對陸地棉(GossypiumhirsutumL.)主要農藝性狀主效和上位性QTL進行了詳細分析，認為上位性QTL位點與主效QTL位點在數量性狀的遺傳中具有同等重要的地位，在分子聚合育種中起著重要作用。1材料和方法1.1ril群體構建本試驗親本材料，母本愛字棉1517(♀)中等偏晚熟，纖維品質優良。父本德州047(♂)早熟，豐產性好。RIL群體構建始于1999年冬季，采用“株對株”雜交，F1自交，獲得146個F2單株。自F2代后，采用“單粒傳”法，結合南繁加代，至2006年夏季F11代127個株系。供試親本材料及重組近交系群體均由中國農業科學院棉花研究所分子應用課題組提供。1.2田間調查和品質檢測RIL群體2005-2006年連續種植于中國農業科學院棉花研究所試驗田，行長4m，行距0.8m，株距0.3m。單行區，順序排列，2005年設1個重復，2006年設2個重復，管理同大田。對現蕾期、開花期、吐絮期等生育期性狀進行連續田間調查；對株行實收鈴數記重考察產量性狀；品質檢測采用株行全棉混合取樣，交由農業部纖維品質監督檢驗中心檢測。本實驗采用SSR標記技術對親本及RIL群體進行標記篩選，運用改良CTAB法提取DNA(宋國立等,1998)，非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳及銀染參照快速檢測法(張軍等,2000)。1.3環境定位及位點設置采用JoinMap3.0軟件對實驗室數據進行作圖分析，LOD值最小為3.0，最大遺傳距離為50cM。應用基于混合線形模型的復合區間作圖法QTLNetwork2.0QTL分析軟件在P=0.005水平進行QTL定位，采用Mapchart2.2繪圖軟件標定QTL所在連鎖圖上的位置及上位性QTL對應關系。QTL位點的命名規則參照水稻的命名法(Mccouchetal.,1997)略有改動，即在“q”后加上性狀英文名稱大寫字母縮寫形式，標明QTL在連鎖群上的絕對位置，盡量體現完整的位點信息。上位性QTL位點即把“q”換成“e”ㄢ2不同結構遺傳位點對生育期性狀的加性效應選用CMD(cottonmicrosatellitedatabase)數據庫中的6197對SSR引物對親本進行多態性篩選，共獲得109對多態性引物。采用JoinMap3.0進行遺傳作圖，共構建了包含15個連鎖群，51個標記的遺傳連鎖圖，總長504.05cM覆蓋棉花基因組總長度的10.08%。利用基于混合線形模型的復合區間作圖法對2005、2006年數據在P=0.005水平進行QTL定位，共獲得主效QTL位點9個，其中生育期性狀相關QTL位點5個，纖維品質相關的QTL位點1個，產量性狀相關的QTL位點3個(表1)。定位的上位性QTL位點共15對，其中生育期性狀相關上位性QTL位點4對，纖維品質相關上位性QTL位點6對，產量性狀相關上位性QTL位點5對(表2)。從農藝性狀來研究定位的主效QTL，可以發現生育期相關QTL位點主要分布于LG01、LG04、LG05、LG08連鎖群；纖維品質相關QTL位點分布于LG13連鎖群；產量相關QTL位點分布于LG13、LG14連鎖群。各主效QTL位點分散分布于連鎖群上，同類農藝性狀的主效QTL位點有交錯重疊現象。對每個連鎖群分布的主效QTL分析結果為：LG01上定位了qFFBN-01-41.3、qDFF-01-38.6兩個主效QTL位點，分別位于NAU1047-MUSS139、BNL1317-NAU1047區間，分別控制著果枝節位和開花期，加性效應分別為0.23、1.29，遺傳貢獻率分別為5.75%、8.43%。加性效應來自相同的親本德州047，遺傳貢獻率大致相當。LG04上定位了qDFS-04-4.0控制現蕾期的主效QTL位點，位于STV097-STV117標記之間，加性效應為0.43，遺傳貢獻率為7.23%。LG05上定位一個控制霜前花率的主效QTL位點qPPSC-05-9.0，位于BNL3806-TMG10區間，加性效應為7.25，遺傳貢獻率為14.00%。控制吐絮期的QTLqBOS-08-26.0定位LG08上，位于CIR062-NAU1156區間，加性效應為-3.07，遺傳貢獻率為8.02，這個位點是定位的生育期性狀加性效應唯一來自愛1517的主效QTL位點。LG14上定位了兩個分屬不同年份的控制子指的主效QTL位點qSI-14-2.0、qSI-14-1.0a，位于BNL2634-BNL1694之間，加性效應分別為0.76、0.78，遺傳貢獻率分別為21.65%、22.13%。LG13上定位了兩個主效QTL位點，分別是qUHML-13-6.0、qLP-13-6.0，分別控制著纖維上半部平均長度和衣分，加性效應分別為0.35、-0.97，遺傳貢獻率分別為5.64%、11.61%。對所得表型數據進行上位性分析，共定位15對上位性QTL位點(圖1)：生育期性狀定位4對上位性QTL位點：果枝始節1對，開花期2對，吐絮期1對。控制果枝節位的eFFBN-02-19.7對應LG15上的分布于BNL3031-BNL1672之間的eFFBN-15-0.0位點，上位效應為0.25，遺傳貢獻率為6.90%。開花期的上位性QTL位點為2對，第1對是分布于LG05的eDFF-05-46.6與分布于LG13上NAU1167-CIR347之間的eDFF-13-3.0，其上位效應為1.36，遺傳貢獻率9.29%。另一對是位于LG07上MUSB413-MUCS531標記之間的eDFF-07-16.3與eDFF-14-4.0，上位效應為1.27，遺傳貢獻率為8.09%，這兩對位點的遺傳貢獻率大致相等。吐絮期相關的上位性QTL位點，分布與LG02、LG07連鎖群上，上位效應為2.85，遺傳貢獻率為6.89%。纖維品質性狀定位6對上位性QTL位點：上半部平均長度1對，馬克隆值3對，斷裂比強度1對，伸長率1對。與上半部平均長度相關QTL位點分布于LG01和LG03上，分別位于BNL3649-BNL1551和MUSS172-NAU769之間，上位效應為-0.52，故其來源于親本德州047，遺傳貢獻率為11.98%。馬克隆值共檢測到3對QTL位點，分別分布于不同的三組連鎖群上，對應的上位效應分別為0.17、-0.30、-0.22，其遺傳貢獻率分別為6.78%、20.27%、10.90%。斷裂比強度對應的QTL位點分布于LG01和LG03上，上位效應為-0.51，其遺傳貢獻率為6.98%，其中位于BNL3649-BNL1551之間的位點與加性效應QTL位點，同在LG01連鎖群上。伸長率相關QTL位點分布于LG05、LG10連鎖群上，上位效應為-0.12，其遺傳貢獻率為11.13%。產量性狀定位5對上位性QTL位點：單株鈴數2對，衣分2對，子指1對。兩對單株鈴數上位性QTL分布在LG02、LG07和LG04、LG15上，上位效應來自同一個親本，上位效應分別為1.03、0.87，遺傳貢獻率分別為14.18%、10.30%，都在10%以上。3個衣分上位性QTL位點主要分布于LG04、LG05、LG10上，3個位點組成兩對QTL位點，上位效應分別為0.63、-1.09，遺傳貢獻率分別為4.90、14.68。這QTL檢測中唯一的一個三點連鎖位點，但上位效應作用方向相反。檢測到子指的1對QTL位點，上位效應為0.61，遺傳貢獻率為14.26%。3結論和討論3.1常用多基因控制變量模型農藝性狀大多是受微效多基因控制的數量性狀，前人關于數量性狀的主基因與多基因混合遺傳模型分析法也是根據數量性狀的特點提出的一種基本假設，主基因與多基因混合模型分析預測結果與分子檢測的QTL具有本質的一致性，存在必然的對應關系(殷劍美等,2003)。本試驗定位的各性狀主效QTL數量為數不多，定位了大量的上位性QTL，符合數量性狀一般特征。根據本試驗QTL定位結果認為生育期性狀中果枝始節、開花期、吐絮期適合“一對主基因+多基因”模型，現蕾期、霜前花率受單個主基因控制的可能性更大。纖維品質性狀中上半部平均長度適合“一對主基因+多基因”模型(殷劍美等,2003)，馬克隆值、斷裂比強度、伸長率主要受微效基因控制。前人關于棉花纖維品質研究很多，大多數認為馬克隆值、斷裂比強度主要受多基因控制不存在主基因與本實驗相一致(馬雪霞等,2008)。但也有人認為伸長率適合“一對主基因+多基因”模型(殷劍美等,2003)與本試驗結果不符，可能是所用材料不同導致的結果偏差。產量性狀中衣分、子指適合“一對主基因+多基因”模型(杜雄明等,1999;袁有祿等,2002)，單株鈴數主要受微效多基因控制。QTL定位結果與主基因與多基因混合模型結果的一致性表明主基因與多基因混合遺傳模型的分析預測有效的。本試驗應用多代自交基因型趨于純合的低篩選效率種內重組近交系進行遺傳作圖、QTL定位，在遺傳背景清晰的前提下，確保了試驗結果的可靠性，這也是遺傳分析必備的充要條件。3.2．同類農藝性狀的位點分布從主效QTL的分布看，主效QTL位點分散分布于主要的幾個連鎖群上，不同連鎖群上同類性狀聚集分布，qFFBN-01-41.3、qDFF-01-38.6位點幾乎完全重合，qUHML-13-6.0、qLP-13-6.0位點相對位置則完全相同。對其表型性狀數據相關分析也清楚地發現果枝始節與開花期，上半部平均長度和衣分均為遺傳極顯著相關(張先亮等,2008)。這充分表明數量性狀基因有成簇分布的趨勢(UlloaandMeredith,2000;張培通等,2006)，同類農藝性狀主效QTL位點成簇分布則肯定了同類農藝性狀遺傳顯著相關的正確性(李衛華等,2000)，同時也給予了遺傳極顯著相關分子本質合理的解釋。上位性QTL位點比主效QTL分布相對集中，多性狀多位點呈嵌套重疊分布狀態，典型的大致分三種情況：其一，位點eUHML-01-93.7、eSS-01-93.7、eSI-01-82.7(分布于LG01)上；位點eFFBN-02-19.7、eBOS-02-19.7、eBPP-02-24.7、eMV-02-6.1(分布于LG02)；位點eFFBN-15-0.0、eBPP-15-0.0(分布于LG15上)發生重合情況，推測可能是一因多效現象，此類現象在前人研究中相當普遍(Wangetal.,2006;張培通等,2006)。其二，LG03上分布的eMV-03-14.0、eSS-03-24.1、eUHML-03-25.8;LG05上分布的eLP-05-15.8、eMV-05-18.8、eEP-05-30.8、eSI-05-39.6、eDFF-05-46.6;LG07上分布的eDFF-07-16.3、eBPP-07-18.3、eBOS-07-19.3、eMV-07-0.0位點部分重疊且向染色體一側(或兩側)延伸，與多基因家族成簇出現的特征相類似。其三是LG04上分布的eMV-04-7.0、eBPP-04-20.1、eLP-04-37.1;LG04上分布的eMV-10-16.0、eLP-10-38.3、eEP-10-41.3多個位點緊密連鎖的情況。從整體的連鎖情況來看，表型性狀之間存在相關也應是普遍的。3.3不同生育期各基因位點的遺傳貢獻率陸地棉是AD異源四倍體棉，其基因組可被細化為A亞基因組和D亞基因組。本試驗所構建的遺傳連鎖圖，依據前人文獻把構建的連鎖群定位到A亞基因組和D亞基因組上(Wangetal.,2006)。生育期性狀共定位了13個QTL位點，其中D亞基因組上定位主效QTL位點5個，上位性QTL位點4個，A亞基因組上定位了4個上位性QTL位點。纖維品質性狀共定位了11個QTL位點，D亞基因組上定位主效QTL位點1個，上位性QTL位點6個，A亞基因組上只定位了4個上位性QTL位點。產量性狀共定位了11個QTL位點，D亞基因組上定位主效QTL位點1個，上位性QTL位點6個，A亞基因組上定位主效QTL位點2個和上位性QTL位點2個。所定位的生育期相關QTL位點，從數目、類型及分布特征來看，D亞基因組定位的主要是能夠穩定遺傳且遺傳效率較高的主效QTL位點，A亞基因組上定位的則只有上位性QTL位點。結合QTL總的遺傳貢獻率，認為D亞基因組對棉花各生育期性狀遺傳的貢獻比A亞基因組要大。纖維品質性狀檢測到的主效QTL位點數量不多，多定位的是上位性QTL位點。所以本試驗認為控制纖維品質性狀變異的主要是上位效應，且定位的上位性QTL位點全部以A、D亞基因組間互作形式存在，這充分說明A、D亞基因間的互作對纖維品質性狀形成十分重要。這與前人認為纖維發育相關的基因在只含D亞基因組的單倍體中被抑止，但在A、D亞基因組復合后去抑止，A亞組的基因表達量因為同源染色體間的互作增強了(Applequistetal.,2001)的觀點相類似。同樣與基因復制及染色體多倍化對與纖維發育相關性狀的新變異有促進作用(Wendel,2000;Osbornetal.,2003)的觀點相吻合。結合總的遺傳貢獻分析仍然認為是D亞基因組比A亞基因組在纖維品質性狀上貢獻更多(Jiangetal.,1998;Patersonetal.,2003)。從纖維品質上位性QTL定位的亞基因分布特征來看，不妨可以推測LG10上定位的2個纖維品質相關上位性QTL位點屬于A亞基因組。定位的產量相關主效QTL位點在A、D亞基因組間都有分布，上位性QTL位點主要分布于D亞基因組上，上位性互作在D亞基因組內及A、D亞基因組間均有分布。但從上位性QTL位點數目分布特征及總的遺傳貢獻率來看，認為對產量聚合育種要A、D亞基因組并重，D亞基因組可能存在更多的基因位點，產生更多的變異。本試驗構建的遺傳連鎖圖，覆蓋A亞基因組156.09cM，覆蓋D亞基因組260.15cM，從圖距數值來看，有偏向D亞基因組趨勢，推斷D亞基因組具有更高的多態性，可能蘊含更多的基因位點。QTL定位的結果則驗證了這一點，在D亞基因組上共定位了23個QTL位點，在A亞基因組上獲得16個QTL位點。從A、D亞基因組定位的各性狀的QTL位點數目與分布特點看，棉花農藝性狀基因定位重點在D亞基因組上，而聚合育種則要A、D亞基因組并重。3.4上位性ssctl位點對所檢測到的QTL分析：其中主效QTL位點的加性效應絕對值在0.23到7.25之間，遺傳貢獻率范圍在5.64%～22.13%之間。上位性QTL的上位效應的絕對值則在0.12～2.85之間，遺傳貢獻率范圍為4.9%～20.27%之間。qFFBN-01-41.3、qUHML-13-6.0、qLP-13-6.0距離最近的標記都在1cM以下，十分有利于在育種實踐對主效QTL跟蹤檢測或對其精細定位進行基因克隆。本試驗定位的qPP-SC-05-9.0位點，具有較高的加性效應和遺傳貢獻率的主效QTL位點，用于聚合育種應該是有效的(沈新蓮等,2001)，對于這種QTL位點應進行QTL精細定位、圖位克隆，使之成為固定的基因資源。試驗中檢測子指相關兩年穩定遺傳QTL位點是十分有價值的。位點效應值高且能穩定遺傳的QTL位點利用分子標記輔助選擇應用到分子育種中，將會對育種工作具有一定的推動意義。除現蕾期、霜前花率未檢測到上位性QTL位點外，其他性狀均檢測到不同數目的上位性QTL位點。馬克隆值、斷裂比強度、伸長率、單株鈴數則只檢測到不同對數的上位性QTL位點。果枝始節定位的1個主效QTL位點和1對上位性QTL位點，總的遺傳貢獻率為12.65%，其中上位性遺傳貢獻率占54.54%，遺傳效應值和貢獻率均略高于主效QTL位點，據此認為控制果枝始節的主效和上位性QTL起著同等重要作用，聚合多個增效上位性QTL位點對生育期改良是有效的。同樣開花期定位的1個主效QTL位點和2對上位性QTL位點總的遺傳貢獻率為25.81%，其中上位性遺傳貢獻率占67.34%，上位性QTL位點遺傳貢獻率大于主效QTL位點，認為在進行子代上位性QTL聚合中開花期選擇效果也應較明顯。吐絮期定位了1個主效QTL位點和1對上位性