遺傳作圖及基因定位(綜述)寫的很好解析課件

第三章遺傳作圖及基因/QTL定位2020年9月28日11、作圖群體的建立

建立完整的、高密度的分子遺傳圖譜是研究數(shù)量性狀基因的前提。構(gòu)建遺傳圖譜的主要環(huán)節(jié)包括：①根據(jù)遺傳材料之間的多態(tài)性確定親本組合,建立作圖群體（作圖成功和高效的關(guān)鍵）;②群體中不同植株或品系的標(biāo)記基因型的分析；③標(biāo)記間連鎖群的確立。2020年9月28日2

第一節(jié)作圖群體的建立要構(gòu)建DNA標(biāo)記連鎖圖譜，必須建立作圖群體。建立作圖群體需要考慮的重要因素包括親本的選配、分離群體類型的選擇及群體大小的確定等。

2020年9月28日3一、親本的選配 親本的選擇直接影響到構(gòu)建連鎖圖譜的難易程度及所建圖譜的適用范圍。一般應(yīng)從四個方面對親本進(jìn)行選擇，首先要考慮親本間的DNA多態(tài)性。親本之間的DNA多態(tài)性與其親緣關(guān)系有著密切關(guān)系，這種親緣關(guān)系可用地理的、形態(tài)的或同工酶多態(tài)性作為選擇標(biāo)準(zhǔn)。第二，選擇親本時應(yīng)盡量選用純度高的材料，并進(jìn)一步通過自交進(jìn)行純化。第三，要考慮雜交后代的可育性。親本間的差異過大，雜種染色體之間的配對和重組會受到抑制，導(dǎo)致連鎖座位間的重組率偏低，并導(dǎo)致嚴(yán)重的偏分離現(xiàn)象，降低所建圖譜的可信度和適用范圍；嚴(yán)重的還會降低雜種后代的結(jié)實率，甚至導(dǎo)致不育，影響分離群體的構(gòu)建。2020年9月28日4二、分離群體類型的選擇根據(jù)其遺傳穩(wěn)定性可將分離群體分成兩大類：一類稱為暫時性分離群體，如F2、F3、F4、BC、三交群體等，這類群體中分離單位是個體，一經(jīng)自交或近交其遺傳組成就會發(fā)生變化，無法永久使用。另一類稱為永久性分離群體，如RI、DH群體等，這類群體中分離單位是株系，不同株系之間存在基因型的差異，而株系內(nèi)個體間的基因型是相同且純合的，是自交不分離的。這類群體可通過自交或近交繁殖后代，而不會改變?nèi)后w的遺傳組成，可以永久使用。構(gòu)建DNA連鎖圖譜可以選用不同類型的分離群體，它們各有其優(yōu)缺點，因此應(yīng)結(jié)合具體情況選用。2020年9月28日5（一）F2代群體 F2群體是常用的作圖群體，迄今大多數(shù)植物的DNA標(biāo)記連鎖圖譜都是用F2群體構(gòu)建的。不論是自花授粉植物，還是異花授粉植物，建立F2群體都是容易的，這是使用F2群體進(jìn)行遺傳作圖的最大優(yōu)點。但F2群體的一個不足之處是存在雜合基因型。對于顯性標(biāo)記，將無法識別顯性純合基因型和雜合基因型。由于這種基因型信息簡并現(xiàn)象的存在，會降低作圖的精度。而為了提高精度，減小誤差，則必須使用較大的群體，從而會增加DNA標(biāo)記分析的費用。 F2群體的另一個缺點是不易長期保存，有性繁殖一代后，群體的遺傳結(jié)構(gòu)就會發(fā)生變化。為了延長F2群體的使用時間，一種方法是對其進(jìn)行無性繁殖，如進(jìn)行組織培養(yǎng)擴繁。但這種方法不是所有的植物都適用，且耗資費工。另一種方法是使用F2單株的衍生系（F3株系或F4家系）。將衍生系內(nèi)多個單株混合提取DNA，則能代表原F2單株的DNA組成。為了保證這種代表性的真實可靠，衍生系中選取的單株必須是隨機的，且數(shù)量要足夠多。這種方法對于那些繁殖系數(shù)較大的自花授粉植物（如水稻、小麥等）特別適用。2020年9月28日6（二）BC1群體 BC1（回交一代）也是一種常用的作圖群體。BC1群體中每一分離的基因座只有兩種基因型，它直接反映了F1代配子的分離比例，因而BC1群體的作圖效率最高，這是它優(yōu)于F2群體的地方。

雖然BC1群體是一種很好的作圖群體，但它也與F2群體一樣，存在不能長期保存的問題?？梢杂肍2中使用的類似方法來延長BC1群體的使用時間。另外，對于一些人工雜交比較困難的植物，BC1群體也不太合適，因為一是難以建立較大的BC1群體，二是容易出現(xiàn)假雜種，造成作圖的誤差。2020年9月28日7（三）RI群體

RI（重組自交系）群體是雜種后代經(jīng)過多代自交而產(chǎn)生的一種作圖群體，通常從F2代開始，采用單粒傳的方法來建立。由于自交的作用是使基因型純合化，因此，RI群體中每個株系都是純合的，因而RI群體是一種可以長期使用的永久性分離群體。理論上，建立一個無限大的RI群體，必須自交無窮多代才能達(dá)到完全純合；建立一個有限大小的RI群體則只需自交有限代。然而，即使是建立一個通常使用的包含100~200個株系的RI群體，要達(dá)到完全純合，所需的自交代數(shù)也是相當(dāng)多的。建立RI群體是非常費時的。在實際研究中，人們往往無法花費那么多時間來建立一個真正的RI群體，所以常常使用自交6~7代的“準(zhǔn)”RI群體。2020年9月28日8

在RI群體中，每一分離座位上只存在兩種基因型，且比例為1:1。 RI群體的優(yōu)點是可以長期使用，可以進(jìn)行重復(fù)試驗。因此它除了可用于構(gòu)建分子標(biāo)記連鎖圖外，特別適合于數(shù)量性狀基因座（QTL）的定位研究。但是，考慮到構(gòu)建RI群體要花費很長時間，如果僅是為了構(gòu)建分子標(biāo)記連鎖圖的話，選用RI群體是不明智的。另外，異花授粉植物由于存在自交衰退和不結(jié)實現(xiàn)象，建立RI群體也比較困難。2020年9月28日9（四）DH群體 高等植物的單倍體（Haploid）是含有配子染色體數(shù)的個體。單倍體經(jīng)過染色體加倍形成的二倍體稱為加倍單倍體或雙單倍體（DH）。DH植株是純合的，自交后即產(chǎn)生純系，因此DH群體可以穩(wěn)定繁殖，長期使用，是一種永久性群體。 DH群體直接從F1花粉經(jīng)培養(yǎng)產(chǎn)生，因而建立DH群體所需時間不多。但是，產(chǎn)生DH植株有賴于花培技術(shù)。有些植物的花藥培養(yǎng)非常困難，就無法通過花培來建立DH群體。另外，植物的花培能力跟基因型關(guān)系較大，因而花培過程會對不同基因型的花粉產(chǎn)生選擇效應(yīng)，從而破壞DH群體的遺傳結(jié)構(gòu)，造成較嚴(yán)重的偏分離現(xiàn)象，這會影響遺傳作圖的準(zhǔn)確性。因此，如果是以構(gòu)建分子標(biāo)記連鎖圖為主要目的的話，DH群體不是一種理想的作圖群體。2020年9月28日10利用重組自交系間互交構(gòu)建的永久性F2群體（ImmortalizedF2），具有以下突出優(yōu)點：①基因型組成類似于F2群體,具有豐富的遺傳信息；②與F2每種基因型僅一個單株相比，永久性F2群體可有大量植株為同一基因型。該群體兼具F2和永久性作圖群體的優(yōu)勢，為遺傳研究提供了新的材料類型。2020年9月28日11

遺傳圖譜的分辨率和精度，很大程度上取決于群體大小。群體越大，則作圖精度越高。但群體太大，不僅增大實驗工作量，而且增加費用。因此確定合適的群體大小是十分必要的。在實際工作中，構(gòu)建分子標(biāo)記骨架連鎖圖可基于大群體中的一個隨機小群體（如150個單株或家系），當(dāng)需要精細(xì)地研究某個連鎖區(qū)域時，再有針對性地在骨架連鎖圖的基礎(chǔ)上擴大群體。這種大小群體相結(jié)合的方法，既可達(dá)到研究的目的，又可減輕工作量?？偟恼f來，在分子標(biāo)記連鎖圖的構(gòu)建方面，為了達(dá)到彼此相當(dāng)?shù)淖鲌D精度，所需的群體大小的順序為F2>RI>BC1和DH。三、群體大小的確定2020年9月28日123、QTL定位的方法

QTL定位就是檢測分子標(biāo)記與QTL間的連鎖關(guān)系，同時還可以估計QTL的效應(yīng)。利用DNA標(biāo)記進(jìn)行QTL定位的遺傳學(xué)基礎(chǔ)是：當(dāng)分子標(biāo)記與某一個性狀的QTL連鎖時，不同標(biāo)記基因型的個體的表型值將存在顯著差異，分析這種差異，就可推斷與分子標(biāo)記相連鎖的QTL的位置和方法。與飽和遺傳圖譜的構(gòu)建相適應(yīng)，QTL定位的統(tǒng)計分析方法也在不斷發(fā)展。2020年9月28日133.1單標(biāo)記分析法單標(biāo)記分析法就是通過t測驗、方差分析、回歸分析、似然比測驗或最大似然估計，比較某一標(biāo)記不同基因型數(shù)量性狀表型值間的差異，如果差異顯著，則說明控制數(shù)量性狀的QTL與該標(biāo)記有連鎖，進(jìn)而估計其效應(yīng)。單標(biāo)記分析法有一個顯著的優(yōu)點，即不需要完整的標(biāo)記連鎖圖，因而早期的QTL定位研究多采用這種方法。2020年9月28日14但傳統(tǒng)的單標(biāo)記分析方法存在許多缺點：①不能確定標(biāo)記是與一個QTL連鎖還是與幾個QTL連鎖；②無法確切估計QTL的可能位置；③遺傳效應(yīng)與重組率混合在一起，導(dǎo)致低估了QTL的遺傳效應(yīng)；④容易出現(xiàn)假陽性；⑤檢測效率不高，所需的個體數(shù)較多,⑥對于某標(biāo)記而言，基因型缺失的個體必須剔除。

2020年9月28日153.2區(qū)間作圖法（Intervalmapping,IM）

鑒于單標(biāo)記方法存在的問題，Lander和Bostein(1989)提出了基于兩個側(cè)鄰標(biāo)記的區(qū)間作圖法。2020年9月28日16該方法借助于完整的分子標(biāo)記連鎖圖譜，計算基因組任意位置上兩個相鄰標(biāo)記之間存在或不存在QTL的似然比的對數(shù)（LOD值）。根據(jù)整個染色體上各點處的LOD值可以檢測出一個QTL在該染色體上存在與否的似然圖譜。當(dāng)LOD值超過某一給定的臨界值時，即表明存在一個QTL，其置信區(qū)間為對應(yīng)于峰兩側(cè)各下降1個LOD值的圖譜區(qū)間。2020年9月28日17與單標(biāo)記分析法相比，區(qū)間作圖法具有以下優(yōu)點：①能從支持區(qū)間推斷QTL的可能位置；②可利用標(biāo)記連鎖圖在全基因組系統(tǒng)地搜索QTL，假如一條染色體上只有一個QTL,QTL的位置和效應(yīng)估計漸近于無偏；③QTL檢測所需的個體數(shù)大大減少。區(qū)間作圖法一度成為QTL作圖的標(biāo)準(zhǔn)方法。2020年9月28日18但區(qū)間作圖法仍存在許多問題：無法檢測上位性效應(yīng)和基因型與環(huán)境的互作；當(dāng)相鄰QTL相距較近時，QTL間相互干擾使QTL的位置和效應(yīng)估計出現(xiàn)偏差；每次檢驗僅用兩個標(biāo)記，其他標(biāo)記的信息未加利用。2020年9月28日193.3復(fù)合區(qū)間作圖法（CompositeIntervalMapping,CIM）

復(fù)合區(qū)間作圖法是Zeng系統(tǒng)研究了多元線性回歸方法(一個因變量和多個自變量間的相關(guān)關(guān)系)進(jìn)行QTL作圖的理論基礎(chǔ)，進(jìn)而提出把多元回歸與區(qū)間作圖結(jié)合起來的QTL定位方法。該方法中擬合了其它遺傳標(biāo)記，即在對某一特定標(biāo)記區(qū)間進(jìn)行檢測時，將其它與QTL連鎖的標(biāo)記也擬合在模型中以檢測背景遺傳效應(yīng)。2020年9月28日20復(fù)合區(qū)間作圖法的主要優(yōu)點是：①仍采用QTL似然圖來顯示QTL的可能位置及顯著程度，從而保持了區(qū)間作圖法的優(yōu)點；②一次只檢驗一個區(qū)間，把對多個QTL的多維搜索降低為一維搜索；③假如不存在上位性和QTL與環(huán)境互作，QTL的位置和效應(yīng)估計是漸近無偏的；④以所選擇的多個標(biāo)記為條件，在較大程度上控制了背景遺傳效應(yīng)，提高了作圖的精度和效率。2020年9月28日21復(fù)合區(qū)間作圖法也存在一些問題，主要有：不能分析上位性及QTL與環(huán)境互作等復(fù)雜的遺傳效應(yīng)；2020年9月28日223.4多重區(qū)間作圖法（MultipleIntervalMapping,MIM）

Kao和Zeng等（1999）提出了多重區(qū)間作圖法進(jìn)行基因定位，這種方法也是以極大似然法估算遺傳參數(shù)，突破了回歸方法的局限性,可同時在多個區(qū)間上檢測多個QTL，使QTL作圖的精確度和有效性得到了改進(jìn)。利用MIM法還能估計和分析QTL之間的上位性、個體的基因型值和數(shù)量性狀的遺傳力。但其計算相當(dāng)復(fù)雜，而且如何確定合適的臨界值目前尚無理論支持。2020年9月28日233.5基于混合線性模型的復(fù)合區(qū)間作圖法（MixedCompositeIntervalMapping）

朱軍提出了用隨機效應(yīng)的預(yù)測方法獲得基因型效應(yīng)及基因型與環(huán)境互作效應(yīng)，然后再用區(qū)間作圖法進(jìn)行遺傳主效應(yīng)及基因型與環(huán)境互作效應(yīng)的QTL分析。2020年9月28日24該模型可以擴展到分析具有加×加、加×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。利用這些效應(yīng)估計值,可預(yù)測基于QTL主效應(yīng)的普通雜種優(yōu)勢和基于QTL與環(huán)境互作效應(yīng)的互作雜種優(yōu)勢。但該模型在檢測上位性效應(yīng)、基因型與環(huán)境互作效應(yīng)的靈敏度有限，不同重復(fù)資料間的吻合性不高。2020年9月28日25NameSourceCompanionprogram①Functions②Designs③Mapmaker/QTLMapmaker/MapmanagerQTSIM/CIMBC,F2,F3QTLCartographerMapmaker/MapmanagerQTSIM/CIM,PTBCx,SFx,RFx,RI,othersMapmanagerQTQTLCartographer/Mapmaker/QgeneSIM/CIM,PTBC,F2,RIQGeneTMMapmanagerQTSIM,PTBCx,F2,F3,DH,othersMapQTLTMJoinmapSIM/CIM,PTBC,F2,Risx,DH,CPPLABQTL-SIM/CIMBC,F2,SFxMQTL-sCIM,PTBC,DH,RIMultimapperQTLCartographer/MapmakerCIMBC,F2TheQTLCaféQTLCartographer/JoinmapSIMBC,F2,DH,RIEpistatspreadsheetprogramPTBC,RIQTLMapper

MCIMBC,F2,DH,RIJoinmapMapmaker

BC,F2,DH,RI2020年9月28日264、作物QTL定位研究進(jìn)展

隨著遺傳圖譜的日益飽和以及QTL定位方法的不斷完善，植物QTL定位研究發(fā)展很快，從模式植物水稻、擬南芥的深入研究逐步擴展到玉米、小麥、大豆、棉花等重要作物的諸多重要性狀（表3）。2020年9月28日27Plant/CropTraitAuthorYearArabodopsisFruitnumber,Boltingdate,FloweringdateWeinigCetal.2003RiceBranching,floretformation,andpre-floweringfloretabortionofricepanicleYamagishiJ.2004

DevelopmentalbehaviorofplantheightCaoG.2001

PasteviscositycharacteristicsBaoJ.S.2000

SeeddormancyandheadingdateLináS.Y.1998BarleyCallusgrowth,subsequentshootdifferentiationratioandgreenshootratioinimmatureembryocultureManoY.etal.2002

Resistanceagainstpowderymildew;resistanceagainstleafrustBackesG.·etal.2003MaizeGrainyield,grainmoisture,plantheightHoJ.C.etal.2002

Graindrymillingproperties,compositionandvitreousnessSéneM.2001

DownymildewresistanceAgramaH.A.1999

ResistancetoSporisoriumreilianaLübberstedtT.1999WheatFusariumheadblightresistanceBuerstmayrH.2003

GrainproteincontentPrasadM.2003TomatoPhysicalandchemicaltraitsSaliba-ColombaniV.2001CottonYieldandfiberqualitytraitsUlloM2005

Fiber-relatedtraitsMeiM2004

FiberstrengthZhangTZ2003

AgronomicandfiberqualitytraitsUlloM20002020年9月28日284.1效應(yīng)相反QTL的分布不同效應(yīng)的QTL在各個親本中的分布較復(fù)雜，許多研究表明，在親本中存在對立效應(yīng)的QTL，即在高值親本中有減效QTL，低值親本中有增效QTL。有的“感”品種竟含有“極抗”的QTL，其效應(yīng)比“抗”品種中的“抗”QTL還大，只是被緊密連鎖的“感”QTL所掩蓋，發(fā)生重組后才可能被檢測出來。這可能是由于不利連鎖所致，它解釋了數(shù)量性狀超親分離的原因。2020年9月28日294.2QTL動態(tài)定位按照發(fā)育遺傳學(xué)的理論，基因在個體發(fā)育的不同階段是有選擇性表達(dá)的。不同發(fā)育階段數(shù)量基因的表達(dá)容易受到與其它基因及與環(huán)境互作的影響。數(shù)量性狀的遺傳表達(dá)與發(fā)育階段密切相關(guān)，存在基因表達(dá)的發(fā)育階段性，不同發(fā)育階段的性狀變化是基因的選擇性有序表達(dá)的結(jié)果。2020年9月28日30吳為人等針對基因在個體發(fā)育不同階段的選擇性時空表達(dá)提出了QTL動態(tài)定位（dynamicmapping）,并利用水稻分蘗模式進(jìn)行了動態(tài)定位研究。其他研究者利用水稻株高、水稻干物質(zhì)和葉挺長、水稻最大根長也進(jìn)行了類似的研究。2020年9月28日31研究數(shù)量性狀在發(fā)育不同時段的基因表達(dá)和效應(yīng)進(jìn)行，有助于揭示數(shù)量性狀發(fā)育的分子遺傳機理。QTL的動態(tài)定位能揭示QTL的動態(tài)表達(dá)，從而可以提高定位的效率。2020年9月28日324.3分離群體分組分析方法的應(yīng)用Michelmore(1991)提出分離群體分組分析方法（BSA法）作為快速鑒別與特定質(zhì)量性狀基因或染色體區(qū)域相連鎖的標(biāo)記已得到廣泛的應(yīng)用；將高值和低值兩組個體的DNA分別混合，形成兩個DNA池，然后檢測兩池間的遺傳多態(tài)性。在兩池間表現(xiàn)出差異的分子標(biāo)記即被認(rèn)為與QTL連鎖。從而可以大幅度減少需要檢測的DNA樣品的數(shù)量。但該法只能用于單個性狀的QTL分析，且靈敏度和精確度都較低，一般只能檢測出效應(yīng)較大的QTL。2020年9月28日334.4QTL比較定位相關(guān)物種的基因組是由共同的原始基因組進(jìn)化而來，因而它們彼此之間存在著一定程度的相似性。相關(guān)物種的基因組在某些區(qū)段上具有共線性，在進(jìn)化過程中基因的排列順序相當(dāng)保守。因而可以采用同樣一套DNA探針，比較不同物種相似性狀的QTL在連鎖圖上的位置，這就是QTL的比較定位。2020年9月28日345、QTL的精細(xì)定位及克隆

對QTL研究的一個重要目標(biāo)就是將QTL上的基因克隆分離出來，用于基因工程操作。目前用于QTL定位的群體一般為初級定位群體，大多數(shù)QTL定位的精度只在10-20cM，這一精度無法區(qū)分是單個基因還是多個QTL位點連鎖的多基因成分。對于克隆來說還太粗糙。而且這一基因組區(qū)域很可能包含控制同一性狀的幾個相反的QTL，這勢必影響改良的性狀在這一區(qū)域的遺傳獲得量和育種值。2020年9月28日35要提高基于QTL的選擇效果，就必須構(gòu)建次級定位群體，消除群體內(nèi)背景遺傳因子的干擾。這些群體包括：近等基因系（nearisogeniclines,NIL）、回交近交系群體(backcrossinbredlines,BIL)單片段代換系群體(singlesegmentsubstitutionlines,SSSL)等。2020年9月28日36這類群體是由供體親本與受體親本經(jīng)過多代回交以后選育形成的，株系間除目的性狀外遺傳背景基本一致?？梢詫⑦z傳背景的干擾效應(yīng)降低至最小，極大地提高QTL定位的精度。在此基礎(chǔ)上，通過染色體登陸和行走，最終可以實現(xiàn)QTL的克隆。2020年9月28日37Martin等（1993）首次報道了以圖譜為基礎(chǔ)的基因克隆在植物上的應(yīng)用：利用抗病、感病的近等基因系雜交獲得F2群體，最終獲得了抗番茄莖腐病的主效基因PTO；其它作物上也有許多重要性狀主效QTL的精細(xì)定位和克隆。

2020年9月28日38目前作物上定位的諸多QTL還很難付諸育種實踐，這是因為連鎖作圖在分析數(shù)量性狀基因方面存在一些問題：（1）QTL檢測主要依賴一個或少數(shù)幾個親本組合，以