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论文独仓j 性芦明 本论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的可f 究成基。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方孙，不包含其他人或其它机构已经发表或捞写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明确的声明 妒表示了谢意。 作者签名： 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学i 立论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：导师签名：臼期 复旦大学博士学位论文 标记三重测交设计的遗传分析及检测上位性的效率 标记三重测交设计的遗传分析及检测上位性的效率 摘要 三重测交设计( t r i p l e t e s t c r o s s ，t r c ) 是k e a r s e y 和j i n k s 在1 9 6 8 年提出用来检测 上位性效应和估计数量性状遗传结构的一种遗传交配设计方法。在随机模型和固定模 型下本文独立地对三重测交设计重新进行了遗传分析。在随机模型假设下推导出和 式、差式以及和差式家系问的方差组分。通过对f 2 群体进行标记，对回交的后代( f 2 x p l 、f 2 x 1 2 和f 2 f 1 ) 观察数量性状表型值，本文将t i c 的遗传分析推广到具有分子 标记的情形在固定模型下，根据最二乘法解出线性模型中各参数的最小二乘估计。利 用方差分析方法，研究了t t c 检测上位性效应的效率以及影响上位性检测效率的因 素。考虑全同胞家系内遗传方差的异质性，在各择假设下f 测验统计量应服从双非中 心的f 分布。根据f 统计量的分布，本文在没有标记、单标记和双标记情形下推导出 检测上位性效应效率的函数表达式。上位性检测的效率依赖于基因位点间的重组率、 数量性状的遗传特性( 各遗传参数) ，基因位点的连锁相以及群体的样本容量等因素。 m t cc a r l o 模拟方法验证了理论上根据数值分析得到的上位性检测效率的可靠性及 理论预测的正确性。结果表明： ( 1 ) 上位性的检测效率关键由上位性效应的大小以及位点问的重组率决定。 t i c 对不同上位性组分的检测具有敏感性。在其他遗传背景相同的条件下，t i c 检测 加性x 加性互作的效率最高，检测加性x 显性( 或显性x 加性) 的效率居次，相对来说，很 难检测到显性x 显性上位性互作两个a r l 间的重组率对上位性的检测效率影响很 大，两个基因位点间的重组率愈大检测上位性的效率越高，两个基因位点相引相连锁 较相斥相连锁显示更高的检测效率。在上位性效应保持恒定的前提下，减低加性效应 ( 狭义遗传率) 或显性效应( 显性比) 都可以提高上位性的检测效率，当基因位点的主效 为o ，上位性的检测效率最高。在群体样本容量一定的情况下，增加全同胞家系内的 个体数与增加家系数相比，显示更高的上位性检测效率。 ( 2 ) 当使用分子标记信息时，可有效地提高上位性的检测效率，并实现对单个 o t l 间上位性互作的测验和上位性效应的估计。研究表明，两个连锁的控制数量性状 基因位点在重组率一定的条件下，两个0 1 7 - , 间的标记愈多检测上位性的效率越高，而 标记和o t l 间的遗传距离愈近，则检测的效率越高。比较没有标记、单标记以及双标 记下上位性检测的效率，数据显示：两个标记位于两个q 1 l 之间时，检测上位性的效率 复旦大学博士学位论文标记三重溯交设计的遗传分析及检测上位性的效率 最高，一个标记位于两个o t l 之间时检测上位性的效率居次，没有标记时检测上位性的 效率最低，b p ：a m l m 2 b a m b a b ( a 和b 为两个数量性状位点，m 、m l 和m 2 为标记位 点1 。标记位于o w l 的同一侧时，上位性的检测效率仅决定于与a i l 最近的标记而与 其他标记无关。 ( 3 ) 标记位点和o w l 在染色体上的相对位置对检测效率影响很大。在单标记情 况下，标记位于两个q 【l 之间检测上位性的效率要高于标记在两个q 1 l 一侧的情形， 即a m b m a b 。存在两个分子标记时，在其他遗传背景相同的条件下4 个连锁群检 测上位性效率的顺序为：a m l m 2 b m 1 a m 2 b m 1 a b m 2 m 1 m 2 a b 。 ( 4 ) 通过m o n t ec a r l o 模拟显示：在单标记情况下，标记问的期望均方等统计量显 示更大的标准误，两个标记时，估计的标记间的期望均方的标准偏差会减低，而没有标记 时，家系间的期望均方的标准误最低 v c + + 6 0 编写了上面统计方法的计算程序。 关键词：三重测交设计上位性分子标记方差分析双非中心f 分布效率 m o n t ec a r l o 模拟 2 复旦大学博士学位论文标记三重铡交设计的遗传分析及检测上位性的效率 g e n e t i c a la n a l y s i sa n dt h ee f f i c i e n c yf o rd e t e c t i n ge p i s t a s i s o f t r i p l et e s tc r o s sd e s i g nw i t hm a r k e r i n f o r m a t i o n a b s t r a c ti na n ya t t e m p tt om a k ef u l lu s co fq u a n t i t a t i v eg e n e sv a r i a t i o ni na n i m a la n d p l a n tb r e e d i n gp r o g r a m s ，o n en e e d st os t a t i s t i c a l l ye v a l u a t et h ep a r a m e t e r st h a td e f i n et h eg e n e t i c a r c h i t e c t u r eo ft h et r a i t sf r o mt ；p c , c i f i cm a t i n gd e s i g n s m o s ts u c hd e s i g n so f f e rs t a t i s t i c a lt e s tf o r s i g n i f i c a n c e o fa n de s t i m a t i o no fa d d i t i v ea n dd o m i n a n tc o m p o n e n t so ft h e p o l y g e n i c v a r i a t i o n t h et r i p l et e s tc r o s s ( o rt r ci ns h o r t ) , w h i c hw a so r i g i n a l l yp r o p o s e db yk e a r s e y a n dj i n k s ( 1 9 6 8 ) , p r o v i d e sn o to n l yad i r e c tt e s tf o re p i s t a t i cv a r i a n c ec o m p o n e n tb u ta l s o u n b i a s e de s t i m a t e so fa d d i t i v ea n dd o m i n a n tc o m p o n o n t sw h e n e v e re p i s t a s i sa m o n gp o l y g e n e si s a b s e n t i nt h i s p a p e r , w e e x t e n dt h e a n a l y s i s t oi n c l u d em o l e c u l a ri n f o r m a t i o n f o r s e l f - c o m p l e t e n e s s ，w ec a r r yo u tg e n e t i c a la n a l y s i sf o rt h et r i p l et e s tc a o s sp o p u l a t i o n su n d e rt h e i n f i n i t e s i m a lm o d e la n dt h ef i n i t el o c im o d e l t h ev a t i a n c o m p o n e n t sb e t w e e nf a m i l i e sw e r e c o m p u t e du n d e r t h ei n v a n i t e s i m a lm o d e l ，a tt h es a l n et i m e ，a l it h ep a r a m e t e r si nt h el i n e a rm o d e l s w e r ee s t i m a t e db yl e a s t s q u a r em e t h o du n d e rt h ef i n i t el o c im o d e l t h es t a t i s t i c a lp o w e rf o r d e t e c t i n ge p i s t a s i sw a si n v e s t i g a t e d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h eh e t e r o z y g o s i t yo fr e s i d u a lv a r i a n c e ， u n d e rt h ef i n i t el o c im o d e lfs t a t i s t i c ss h o u l db et h ed o u b l yn o n c e n t r a lfd i s t r i b u t i o nu n d e rb o t h a l t e r a t i v ea n dn u l lh y p o t h e s i s jw h i c hw a so f t e nn e g t e c t e db yo t h e rr e s e a r c h e r s a c c o r d i n gt ot h e d i s t r i b u t i o no ft h e - fs t a t i s t i c s ，f o r m u l a ef o rt h ep o w e ra n a l y s i sw i t ho rw i t h o u tm a r k e r i n f o r m a t i o n , w h i c hr e l a t e dt ot h er e c o m b i n a t i o nf r a c t i o nb e t w e e nl o c i , t h eg e n e t i c a lp r o p e r t i e so f q u a n t i t a t i v ew a i tc o n t r o l l e db yt h eo t ll i n k a g ep h a s e so ft h ep a r e n t sa n dt h ec o m b i n a t i o n so f p o p u l a t i o ns i z ew e r ed e v e l o p e d m o n t ec a r l os i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u tt oc o n f i r mt h e t h e o 碑t i c a lp r e d i c t i o n so f s t a t i s t i c a lp o w e r sf o re p i s t a t i cd e t e c t i o n a p p l i c a t i o n so ft h e s ef o r m u l a eh a v es h o w e dt h a tt h er e c o m b i n a t i o nf r a c t i o nb e t w e e ng e n e s a n dt h em a g n i t u d ea n dt h et y p e so fe p i s t a s i sh a v ei m p o r t a n ti n t c m c t i o n si nt h e i re f f e c t so np o w e r t i c d e s i g ni n d i c a t e dh i g h e rp o w e rf o rt e s t i n ga d d i t i v eb ya d d i t i v e ( i 1 1 ) v a r i a n c ec o m p o n e n tt h a n t h a tf o rd e t e c t i n ga d d i t i v eb yd o m i n a n c e0 1 2o ri 2 0 ，w h e r e a st h ed e s i g ns h o w e dl o w e s tp o w e rf o r d e t e c t i n gd o m i n a n c eb yd o m i n a n c e ( i 笠) v a r i a n c ec o m p o n e n t , c o n d i t i o n a lo nt h es a m eg u n t i c a l b a c k g r o u n d t h ed e c r e a s eo fh e r i t a b i f i t y ( n a r r o wh e r i t a b i l i t y ) a n dd o m i n a n c er e s u l t e di ni n c r e a s e 3 复旦大学博士学位论文标记三重测交设计的遗传分析及检测上位性的效宰 o fp o w e rf o rd e t e c t i n ge p i s t a s i sa n dt h ep o w e rr e a c h e st h eh i g h e s tv a l u ew h e nt h ea d d i t i v ea n d d o m i n a n c ee f f e c t sa r ed e c l i n e dt oz c r oo nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ee p i s t a t i ce f f e c t sa r ec o n s t a n t t h e l a r g e r r e c o m b i n a t i o nf r e q u e n c yb e t w e e nt w oc r r l ，t h el a r g e rt h ep o w e rf o rd e t e c t i n g e p i s t a s i sw i l lb e c o u p l i n gi nl i n k a g eo fg e n e sg 蛆e r a l l yi n d i c a t e dl a r g e re f f i c i e n c yf o rd e t e c t i n g c p i s t a s i st h a nt h a tu n d e rt h er e p u l s i o ns i t u a t i o n i t cd e s i g nw i t hf e w e rf a m i l i e s b u tl a r g e r i n d i v i d u a l sp e rf a m i l yw a sm o r ep o w e r f u lt h a nt h a tw i t hm o r ef a r r i l i e sl e s si n d i v i d u a l sp e r f a m i l yu n d e rt h es a m ep o p u l a t i o ns i z e t ic m a ye f f e c t i v e l yr a i s et h ep o w e ro fe p i s t a t i cd e t e c t i o nw h e nm a r k e ri n f o r m a t i o n ( s ) e x i s t s c o m p a r i n gt h ep o w e ro fe p i s t a t i cd e t e c t i o nw i t ho n em a r k e r ，t w om a r k e ra n dw i t h o u t m a r k e ri n f o r m a t i o n , t h er a n k i n go fe p i s t a t i cd e t e c t i o ni sa m i m 2 b a m b a b ，w h e r e a st h e p o w e ri sd e t e r m i n e db yt h em a r k e r w h i c hi sc l o s e s tt ot h eq t l w h e nt w om a r k e r sl o c a t ea tt h e s a m es i d e o f q t l s t h eo r d e ro fm a r k e rl o c ia n dq t li nt h ec h r o m o s o m ea f f e c t st h ep o w e ro fe p i s t a t i c d e t e c t i o n w i t h0 1 1 0m a r k e ri n f o r m a t i o n , t h eo r d e r i n go fl i n k a g el o c io fa m bw a sm o r e p o w e r f u lt od e t e c te p i s t a s i st h a nw h a tm a b d i d t h er a n k i n go fe p i s t a t i cd e t e c t i o no ft h e o r d e r i n go fl i n k e dl o c iw i t ht w om a r k e rl o c ia n dt w oq t li s ：a m l m 2 b m 1 a m 2 b m i a b m 2 m t m 2 a bo nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h eg e n e t i c a ld i s t a n c eb e t w e e nt w oq t l si ss m eu n d e r4 l i n k a g eg r o u p s t h es t a n d a r do i t o ro fe s t i m a t e de x p e c t e dm e a ns q u a r ew i t ho n em a r k e ri n f o r m a t i o n i n d i c a t e d h i g h e r v a l u et h a nt h a tw i t ht w o - m a r k e ri n f o r m a t i o n , i nc o n t r a s t , t h e c o r r e s p o n d i n gv a l u ew i t h o u tm a r k e ri n f o r m a t i o ns h o w e dt h el o w e s t v a l u e av c h c o m p u t e rp r o g r a m m ew a sd e s i g n e df o rc o m p u t i n gt h ep o w e ri nb o t ht h e o r e t i c a l p r e d i c t i o na n ds i m u l a t e da n a l y s i s k e yw o r d s ：t r i p l et e s t c r o s sd e s i g n e p i s t a s i sd o u b l yn o n c e n t r a lfd i s t r i b u t i o n s t a t i s t i c a lp o w e rm o n t ec a r l os i m u l a t i o n 4 复旦大学博士学位论文标记三重测交设计的遗传分析及检测上位性的效率 1 引论 数量性状是呈连续性表型分布的性状。这些性状的变异通常受多个分离基因位点 即数量性状位点( q u a n t i t a t i v e t r a i t l o c i ， 儿) 控制，因此数量性状也被称为多基因 性状。数量性状的另一重要特性是受环境的影响较大。作物的粮、棉、油产量，畜禽 的肉、奶、蛋产量，以及人类对于心脏病、高血压、糖尿病等疾病的敏感性等，都是数 量性状多基因的特点以及受环境的修饰使得研究数量性状的遗传研究较单基因性状 的研究要困难得多。传统的数量遗传学所用的方法仅使用表型和家系的信息不能检测 单个的基因和估计数量性状位点的数目，也无法区别不同基因在效应上有何差异，因 而并不着眼于研究个别基因，而在于研究基因的综合效应或平均效应，并在多基因效 应和效应相等的假设下，大致估计基因的数目。 1 1 经典数量遗传学的发展及研究的主要内容 1 1 1 经典数量遗传学的发展 数量性状的遗传研究可追溯到1 9 世纪。1 8 8 5 年g a l t o n ( 1 8 8 5 ) 报道了2 0 5 对父母 与其9 3 0 个后裔的身高关系。其后，p e a r s o n ( 1 8 9 5 ) 陆续提出了1 3 种密度函数用以描述 数量变异的分布。他们可算是数量遗传研究的先行者，但当时并没有遗传学理论作指导， 人们也没有把他们看作是数量遗传学家。1 9 0 0 年，盂德尔遗传定律在尘封3 5 年后被重 新发现，数量遗传研究开始迅速发展。1 9 0 9 年，n i l s s o ne h i c 根据在麦类上的研究，提出 了数量性状遗传的多因子学说，认为数量性状受多个具有累加作用的因子控制，而这些 因子也是按孟德尔方式遗传的。其后，e m e r s o n 等( 1 9 0 9 ) 和e a s t ( 1 9 1 5 ) 在玉米和烟草上 也得到类似的实验验证。而在数量遗传理论上作出杰出贡献的奠基者则有 f i s h e r ( 1 9 1 8 ，1 9 3 2 ) 、w r i g h t ( 1 9 3 1 ，1 9 3 5 ) 和h a l d a n e 等0 9 3 5 ) ：, 。在总结前人研究的基础 上，m a t h e r 在1 9 4 1 年提出多基因( p o l y g e n e ) - - 词，以区别于孟德尔式的寡基因( o u g o g e n e ) ，接着又表述了多基因理论。这一理论的基本点包括：连续性交异的数量性状是 由一个多基因系统控制的，该系统由很多各具相等微效且对环境反应敏感的等位基因 组成：多基因系统中的各个微效基因仍都遵循孟德尔方式遗传，虽然个别微效基因的 遗传效应不能识别或追踪，但作为多基因系统整体，其遗传特征是明显的，可研究的。 复旦大学博士学位论文 标记三重测交设计的遗传分析及检测上位性的效率 多基因理论的提出，有力地促进了生物统计学与遗传学的交叉和结合，造就了2 0 世 纪四五十年代数量遗传研究的一个繁荣鼎盛时期，并延续到六七十年代。它的突出贡献 是，通过一些精妙的遗传设计和统计模型将数量性状表型的总效应、总方差，分解为属 于基因型的、环境的、加性的、显性的、上位性的以及多效性的等分量，并在此基础上 估计了遗传率、显性度、遗传进度( 选择响应) 、遗传相关等参数，使一个数量性状的表 型遗传特征得到较全面的描述。由此建立了传统的数量遗传学。 1 1 2 经典数量遗传研究的主要内容 1 1 2 1 群体的交配类型与遗传组成 经典的数量遗传学在群体水平上研究数量性状的遗传变异。育种是从变异的群体 中分离选择的优良的个体，群体的交配制度决定了群体性状遗传变异的特点，因而，交配 类型及其对群体基因频率，基因型频率的影响是数量遗传中最基本的问题。w r i g h t 将 群体的交配类型分为随机交配、遗传的同型交配、遗传的非同型交配、表型的同型交 配和表型的非同型交配5 类，并通过近交系数将不同的交配类型相联系。 1 1 2 2 群体的遗传模型及世代平均数和方差的遗传组成 群体的遗传模型，指群体内存在的基因效应的总称。早期的理论研究只基于单个基 因座。考虑遗传效应包含有加性和显性，称为加性一显性遗传模型，进一步考虑到以两个 基因座为基础的效应有加性一显性和两个基因座的互作效应( 上位性效应) ，包括加性 x 加性、加性显性或显性x 加性、显性显性等互作效应，称为：加性一显性一上位 性遗传模型。 根据群体内各种基因型的理论频率和遗传模型所确定的基因型值可以推算出各 种群体各种世代平均数的遗传效应组成和方差组成自交群体上代的基因型决定了下 一代的基因型，因而基因效应的尺度以两个纯合基因型为标准a a 为a 一1 2d 钮为 1 2d ，a a 为- - a - - 1 2d ( a 为基因的加性效应，d 为基因的显性效应) ，由此计算各种世代 的基因型值。随机交配群体因为基因型每代均重新形成，故在上述基因型绝对数的基础 上转换为相对于群体平均数的值，而用其组成配子在群体中的平均效应之和表示其加 性效应，用加性效应离基因型值大小测度显性效应，每一种基因型值都可以分解为相对 于群体的加性效应和显性两部分。根据群体内各种基因型的理论频率和由遗传模型规 定的基因型值还可以计算出各种群体、各种世代的遗传方差。随机交配情况下，各种类 6 复旦大学博士学位论文标记三重测交设计的遗传分析及检测上位性的效率 型的衍生群体，如半同胞家系群体，全同胞加系群体等遗传方差的组成均可用随机交配 群体各相应的方差成分的线性函数表示。 群体亲属之间因为遗传来源上的关系具有一定程度的相似性，这种相似性可用亲 属( 亲子、同胞、半同胞等) 间的协方差来测度。亲属间的基因型值都包含有加性、显 性、上位性效应，因而，协方差包含相应的方差成分。 迄今遗传方差组成和亲属间协方差的组成主要考虑了加性一显性遗传模型和加性 一显性上位性遗传模型。更复杂的模型未见有报道。 1 1 2 3 遗传交配设计和群体遗传参数的估计 从遗传研究和育种实际的需要出发，须根据理论群体平均数和方差的遗传组成估计 实验群体的遗传参数，用以指导实验群体的利用和选择策略。估计群体的遗传参数需要 适当的实验群体，构建这种实验群体的方法称为遗传交配设计，主要的遗传交配设计有 以下几种： 1 1 2 3 1 最简单的一种是单因素遗传设计，供试材料为某一群体基因型的随机样本， 如一组地方品种。从基因型间的变异可以估计出表型方差和基因型方差，除非基因型方 差中只有单一的遗传方差成分，否则无法估计供试群体的遗传方差组成成分。 1 i 2 3 2 纯系亲本的双亲杂交类型遗传设计盂德尔试验的交配设计便属于此类型， 包括p l 、p 2 、f 1 、f 2 、肠、b 1 、b 2 等亲本杂交及自交世代。由这类设计可以估计 一阶参数遗传效应及二阶参数遗传方差及遗传率等。 1 1 2 3 3 三重测交设计b i r m i n g h a m 大学的k e a r s e y 等( 1 9 6 8 ) 在双亲本杂交类型遗 传交配设计的基础上提出三重测交设计c r r c ) 。这种设计将一组f 2 与p l 、p 2 和f l 交 配形成三种类型的家系，从中除可以估计双亲本杂交类型遗传设计中的各项一阶、二阶 遗传参数外，还可以进一步测验上位性效应、显性效应及加性效应的显著性。这种设 计也是本文要研究的一种设计。 1 1 2 3 4n c i 、n c i i 和n c r i 交配设计n o r t hc a r o l i n a 州立大学的c o m s t o c k 和 r o b i n s o n ( 1 9 4 8 ，1 9 4 9 ，1 9 5 2 ) 针对随机交配亲本发展了一种两维巢式交配设计，后被称为 n c i 、n c i i 和n c i i i 交配设计。 n c i 设计是一种双因素粜式交配设计，从群体内随即抽取的四个雄性亲本分别单 独与，个随机雌性亲本交配，共有皿，个雌性亲本，盯个交配，对其后代进行试验可以 从雄性因素的变异及雌性因素的变异建立两个遗传方差组成的关系式，解出两个遗传 7 复旦大学博士学位论文标记三重测交设计的遗传分析及检测上位性的效率 方差成分，加性方差和显性方差，并测验其显著性，从而估计出遗传方差组成和遗传模 型及遗传率等衍生的群体遗传参数。 n c i i 设计是一种双因素交叉交配设计，从群体中随机抽取四个雄性亲本与，个 随机雌性亲本杂交，共进行皿，次交配，对其后代进行试验，可以从雄性因素雌性因 素和两者的互作变异中建立两类遗传方差组成的关系式，解出两个遗传方差组分并测 验其显著性，从而估计群体的遗传方差组成和遗传模型及遗传率等衍生的群体遗传参 数。 n c i i i 设计是一种双因素回交系统类型的交配设计，p l 和p 2 两个自交系亲本杂 种的f 2 世代随机抽取历个雄性亲本，每一个均与p 1 和p 2 回交，共2 坍次交配，对2 四 个后代进行试验，可以从雄性因素、雄性因素与雌性因素的交互作用变异中建立两类 遗传方差组成的关系式，解出两个遗传方差组分并测验其显著性，从而估计群体的遗 传方差组成和遗传模型及遗传率等衍生的群体遗传参数。n ci i i 与t t c 相比仅少一类 f 2 f 1 的交配，分析方法与t t c 完全不同，前者侧重在二阶统计数的分析，后者侧重 于一阶统计数的分析。 ， 1 1 2 3 5 双列杂交遗传交配设计最早由h u l l ( 1 9 4 5 ) 提出，c o c k e r h a m 称为a a 式交 配设计。指将p 个亲本进行所有可能正反交组合设计。这种设计因交配组合数的多少 而分成4 种类型，即包括亲本本身在内的p 2 个组合，包括亲本及一组杂交组合( 无反 交组合) 的p ( p + 1 ) 2 ，不包括亲本的p ( p 一1 ) ，个正反交组合，以及不包括亲本的一组杂 交组合( 无反交组合) 的p c p 一1 犯个组合。h u l l 提出双列杂交设计时用之于分析玉米 杂种产量对亲本的回归，后来这一设计受到广泛重视，发展了分别以h a y m a n ，g r i f f i n g 和k e m p t h o r n e 为代表的三类遗传分析方法。h a y m a n ( 1 9 5 4 , 1 9 5 8 , 1 9 6 0 ) 的分析方法着重 这p 个自交系亲本的双列杂交，按m a 也e r 的符号体系进行杂交后代间协方差和方差 0 v r 和v n 分析，以检测这一组亲本的加性一显性遗传模型的显著性，估计这一组亲 本中显性基因及隐性基因的分布以及显隐性基因的相对频率，进一步估计加性和显 性遗传方差以及其他衍生的遗传参数如平均显性度和遗传率等。o r a t i n g ( 1 9 5 6 ) 的分析 方法着重在考虑杂种优势利用中一组特定亲本的配合力分析。估计每一亲本的一般配 合力，每一组合双亲的特殊配合力效应，一般配合力方差和特殊配合力方差，乃至正 反交方差的相对重要性等，是一种和育种实际紧密结合的分析方法。k e m p t h o m e 1 9 5 7 ) 的分析方法则着眼于群体随机抽取一组样本，从其双列杂交试验的后代中估计并测验 8 复旦大学博士学位论文 标记三重测交设计的遗传分析及检测上位性的效率 有关遗传参数。 1 1 2 3 6 其他遗传交配设计和多种遗传交配设计的综合应用。 1 1 2 4 遗传率和选择响应 l a s h ( 1 9 4 0 ) 将遗传方差占表型方差、加性方差占表型方差的比例分别定义为广义遗 传率和狭义遗传率。遗传率从遗传变异和环境变异两个方面描述了性状的遗传特点。 从一个育种群体的遗传方差和遗传率值，可以估计出这个群体预期选择响应，用以表 示该群体的选择潜力。根据性状问的相关，将性状直接选择的预期选择响应，扩展到 相关性状间接选择的预期响应。由此发展了从多个相关性状对基因型进行综合选择的 选择指数，打开了选择理论与育种应用的另一个领域。而在多个性状间遗传相关的研 究中w r i g h t 早年提出的通径分析方法将一个性状与另一个性状的相关分解为直接的 和通过其他多种性状的间接的相关两部分，从而明确各种通径的相对重要性。 1 1 2 5 杂种优势与配合力 ，。 早期关于杂种优势的理解局限在单个基因座的基因效应即杂合体的显性互补或 超显性。数量遗传关于显性效应的研究，拓宽了对杂种优势遗传原因的理解，基因间 上位作用包括显性显性互作等都可以导致杂种优势。由杂种优势而认识到亲本的性 状有两方面的特征，一是其亲本本身的表现，一是其作为亲本时后代潜力的表现，即 亲本配合力。s p r a g u e 和t a t u m ( 1 9 4 2 ) 将配合力分解成一般配合力和特殊配合力。一 个自交系的改良必须改良其自身的表现以利于自交系的繁殖和杂种制种，更重要的是 必须改良其配合力以改良杂种品种的优势。 1 1 2 6 基因型与环境互作 研究基因型在多种环境条件下的反应范围，即基因型与环境互作是数量遗传学 的一个重要方面。 但是，以上研究没有或几乎没有涉及数量性状的遗传基础，即数量性状基因的变 异。如一个数量性状受多少个基因控制，它们位于何处，如何发生作用等。而现代生物 技术的发展使得人们可以很方便构建饱和的分子标记图谱，利用标记信息结合家系和 表型数据，人们可以对单个 l 效应进行估计和定位，进而研究单个q t l 间的相互 作用，即基因的上位性效应。 9 复旦大学博士学位论文 标记三重测交设计的遗传分析及检测上位性的效率 1 2 上位性效应的研究进展 1 2 1 上位性效应的定义和度量 1 2 1 1 孟德尔性状 b a t e s o n ( 1 9 0 9 ) 最早使用了“上位性”( e p i s t a t i c ) 这一术语，并将上位性效应定义为 一个位点的一个等位基因掩盖了另一个非等位基因表型效应的表达。依据b a t c s o n 的 定义，上位性现象出现应该是很正常的，因为许多单个基因的突变都会产生一种表型， 而这个突变等位基因对于下游的基因位点便存在潜在的上位性作用。b a t e s o n 定义的 上位性效应开始在盂德尔性状遗传研究中使用，由于环境对盂德尔性状的影响相对很 小，个体可以根据其表型被归于某一类，因此，人们很容易地对双基因的上位性特征 进行区分。例如，我们有两个影响老鼠毛色的基因位点b 和g ，分别有两个等位基因b 、 b 及g 、g 。不管b 位点是何种基因型，个体只要有g 等位基因的一个拷贝，个体 就表现为灰毛，g 对g 是显性，如果g 位点的基因型为跖，b 位点的基因型为b b ， 则个体表现为自毛。但个体只要有b 基因的拷贝，个体就表现为黑毛，表明b 对b 为显性。如果g 位点的基因型不是g g ，则b 位点的效应观察不到，也就是说，g 等 位基因掩盖了b 位点的效应，换句话讲，等位基因g 对位点b 具有上位性效应。这个 例子中，由于表型的分离比为：1 2 ：3 ：1 ，上面的遗传模式在经典的孟德尔遗传中被 称为：显性上位性( d o m i n a n t 印i s t a s i s ) 。通过对质量性状的遗传研究，几种经典的上位 性效应相继被发现和命名，如重叠作用( 1 5 ：1 ) 、互补作用( 9 ：7 ) 、隐性上位作用( 9 ：3 ： 41 ，抑制作用1 3 ：3 等( s t a n s f i e l d ，1 9 9 1 ) 。 1 2 1 2 数量性状 对于复杂性状或数量性状来说，其表型的连续性变异是位于染色体上许多数量 性状基因和环境共同作用的结果。这类性状的界限不清楚，不易分类。f i s h e r ( 1 9 1 8 ) 首 次从数量遗传学和群体遗传学的角度提出上位性效应这一概念。他认为：上位性效应 是指给定基因型( 两个或两个以上基因位点) 的个体表型值不能通过每个位点效应之和 来预测。这样，上位性效应这一概念不再局限在b a t e s o n 所指的有限模式的基因间的 相互作用。根据最小二乘法原理，f i s h e r 将遗传方差分解为加性、显性和上位性方差。 c o e k e r h a m ( 1 9 5 4 ，1 9 5 6 ) 和k m p n m m e ( 1 9 5 7 ) 利用正交对比的方法进一步将上位性效应 分解为加性加性、加性显性( 显性加性) 及显性显性等统计上可以用线性模型 复旦大学博士学位论文 标记三重测交设计的遗传分析及检测上位性的效率 描述的四个上位性效应组分。h a y m a n 和m a t h e r ( 1 9 5 5 ) 及m a t h e “1 9 6 7 ) 提出了另一种 上位性模型度量方法。h a y m a n & m a t h e r ( 1 9 5 5 ) 8 l lo p s a h l ( 1 9 5 6 ) 结合上面的两个模型提 出混合度量模型。假定有两个基因位点分别位a 和b ，每个位点分别有两个等位基因 a 、a 和b 、b 。v a nd e rv e c n ( 1 9 5 9 ) 对不同的双基因位点甸上位性统计模型度量方法 进行的概括和总结，并将之归为三类： ( a ) f 2 度量测度模型( 或c o e k e r h a m 模型) + 啪+ a 2 毛+ 4 ( o 5 五2 ) + , t 2 ( 0 5 - x 2 2 ) + 钙+ 戒( o 5 飞2 ) + 乞t 吃( o 5 一五2 ) + 如( o 5 一而2 ) ( 0 5 一屯2 ) 彻只度量测度模型( 或纯系模型) p + 口l _ + a 2 x 2 + d t ( 1 _ 。而2 ) + d 2 ( 卜屯2 ) + l 五黾+ 主1 2 而( 1 一屯2 ) + f 2 。毒：( 1 一毛2 ) + 乞( 1 一而2 ) 0 - x e 2 ) f - 来源于f 2 个体自交至t 代( t 一一) ( c ) 混合度量尺度 p + 4 卉+ a 2 x 2 + d l ( 1 一而2 ) + d 2 ( 卜屯2 ) + f i 毛+ 1 2 ( o 5 一x 2 2 ) 。+ 乞1 而( o 5 一而2 ) + f 2 2 ( 0 5 - - x a 2 ) ( o 5 屯2 ) 在上面的模型中x 1 和x 2 为指示变量( i n d i c a t o rv 缸i s b l e ) ，定义如下： f1 如a 位点的基因型为也tf1 如b 位点的基因型为明 黾- 0 如爿位点的基因型为4 4屯一j0 如b 位点的基因型为b b 卜1 如4 位点的基因型为a ai 一1 如b 位点的基因型为b b a l 、d 1 分别为a 位点的加性效应和显性效应，a 2 、d 2 分别为b 位点的加性效应和显 性效应，i 1 1 为a 位点的加性和b 位点加性效应间的互作效应，i 1 2 为a 位点的加性和b 位点显性效应间的互作效应如l 为a 位点的显性和b 位点加性效应间的互作效应，i 2 2 为a 位点的显性和b 位点显性效应间的互作效应。 在后来对基因问的相互作用研究中，c r o w k i m u r a ( 1 9 7 0 ) ，m a t h e r & j i n k s0 9 8 2 ) ， 1 1 复旦大学博士学位论文标记三重测交设计的遗传分析及检测上位性的效率 h a l e y k n o t t ( 1 9 9 2 ) ，f a l c o n e r m a c k e y ( 1 9 9 6 ) 及k e a r s e y p o o n i ( 1 9 9 6 ) 应用只度 量测度模型；c o c k e r h a m z e n g ( 1 9 9 6 ) 和k a o & z e n g ( 1 9 9 9 ) 等使用f 2 度量测度模型； 而g o o d a i g h t ( 2 0 0 0 ) 贝l j 使用了混合度量尺度。 尽管每一度量方法通过加上或减去一个常数可以两两相互转换，但它们在解释基 因效应上有不同的含义，在参数估计上有不同的统计性质( v a nd c rv e e n , 1 9 5 。为此， k a o & 7 _ , e n g ( 2 0 0 2 ) 比较上面三种模型间的优缺点。但事实上，上面的三种基因型的度 量测度并没有涉及世代或基因型的相对频率，三种模型只不过是定义基因型值的度量 方法，因而，没有一种度量方法比其他方法对于基因阃的相互作用能提供更多的信息 1 2 1 3b a t e s o n 的上位性效应和f i s h e r 等定义的上位性效应之间的关系 在数量遗传学中，经典的上位性效应可以在给遗传参数一定限制条件下