遗传作图及基因定位.ppt

第三章遗传作图和基因/QTL作图。1.建立作图群体和建立完整的高密度分子遗传图谱是研究数量性状基因的前提。构建遗传图谱的主要环节包括：(1)根据遗传物质间的多态性确定亲本组合，建立作图群体(作图成功和高效的关键)；群体中不同植物或品系的标记基因型分析；标记间连锁群的建立。为了构建DNA标记连锁图谱，必须建立作图群体。在建立作图群体时需要考虑的重要因素包括亲本的选择、分离群体类型的选择和群体规模的确定。(1)亲本的选择亲本的选择直接影响连锁图谱的构建难易程度和图谱的适用范围。一般来说，父母应该从四个方面进行选择，首先应该考虑父母之间的DNA多态性。父母之间的DNA多态性与他们的遗传关系密切相关，这可以通过地理、形态学或同工酶多态性来选择。其次，在选择亲本时，应尽可能选择纯度高的材料，并通过自花授粉进一步纯化。第三，应该考虑杂交后代的生育能力。如果亲本间的差异过大，杂交染色体间的配对和重组将受到抑制，导致连锁位点间重组率低和严重分离，从而降低构建图谱的可信度和应用范围。严重的还会降低杂交后代的结实率，甚至导致不育，影响隔离种群的构建。(2)分离群体类型的选择分离群体根据其遗传稳定性可分为两类：一类是暂时分离群体，如F2、F3、F4、BC、三交群体等。这类群体中的分离单位是一个个体，它的遗传组成会随着自交或近交而改变，不能永久使用。另一种称为永久隔离种群，如RI和DH种群。这个群体中的隔离单位是植物系。不同株系间存在基因型差异，而株系内个体间的基因型是相同的、纯合的，不是自交分离的。这种种群可以通过近亲繁殖或近亲繁殖来繁殖后代，而不改变种群的遗传组成，并且可以永久使用。可以选择不同类型的分离群体构建DNA连锁图谱，每种图谱都有各自的优缺点，因此应根据具体情况进行选择。(1) F2群体F2群体是一个常见的作图群体，迄今为止大多数植物DNA标记连锁图谱都是用F2群体构建的。无论是自花授粉植物还是异花授粉植物，都很容易建立F2群体，这是利用F2群体进行遗传作图的最大优势。然而，F2群体的一个缺点是杂合基因型的存在。对于显性标记，显性纯合基因型和杂合基因型不能被识别。由于基因型信息的退化，作图的准确性将降低。然而，为了提高准确性和减少误差，必须使用更大的群体，因此增加了DNA标记分析的成本。F2群体的另一个缺点是不容易长期保存。有性生殖后，种群的遗传结构会发生变化。为了延长F2群体的使用时间，一种方法是进行无性繁殖，如组织培养和繁殖。然而，这种方法并不适用于所有的植物，而且既昂贵又费力。另一种方法是使用F2单株衍生系(F3系或F4系)。从衍生系中的多个个体植物中混合提取的DNA可以代表原始F2个体植物的DNA组成。为了确保这种表达的真实性和可靠性，在衍生系中选择的单个植物必须是随机的和足够多的。这种方法特别适用于自花授粉植物(如水稻、小麦等)。)具有大的再现系数。(2) BC1群体BC1(回交世代)也是一个常见的作图群体。BC1群体中每个分离位点只有两种基因型，这直接反映了F1配子的分离率。因此，BC1群体的作图效率最高，优于F2群体另外，BC1群体不适合一些难以人工杂交的植物，因为很难建立一个大的BC1群体，并且容易发生假杂交，导致作图错误。(3)重组自交系群体是由杂种后代的多代自交系产生的作图群体。它通常是从F2代开始通过单粒传输方法建立的。由于自交的作用是使基因型纯合，所以RI群体中的每一个品系都是纯合的，因此RI群体是一个可以长期使用的永久隔离群体。从理论上讲，为了建立一个无限的RI群体，有必要进行无限代的近交以获得完全纯合性。建立一个规模有限的国际扶轮社群体只需要在有限的世代里进行自我繁殖。然而，即使建立了通常使用的100-200菌株的RI群体，所需的自交世代也相当大，以达到完全纯合性。建立国际扶轮团体非常耗时。在实际研究中，人们往往不能花太多的时间来建立一个真正的RI种群，所以他们经常使用67代自交的“准”RI种群。在RI群体中，每个分离位点只有两种基因型，比例为1:1。RI组的优点是可以长时间使用，可以重复测试。因此，除了用于构建分子标记连锁图谱外，它特别适合于数量性状基因座(QTL)作图研究。然而，考虑到构建RI群体需要很长时间，如果仅仅构建分子标记连锁图谱，选择RI群体是不明智的。此外，由于自花授粉衰退和结实，为异花授粉植物建立RI群体也是困难的。(4)DH群体高等植物单倍体是具有配子染色体数目的个体。单倍体染色体加倍形成的二倍体称为加倍单倍体或加倍单倍体。DH植株是纯合的，自交后产生纯系。因此，DH群体可以稳定繁殖并长期使用。这是一个永久的人口。DH群体是由F1花粉通过培养直接产生的，因此建立DH群体所需的时间不多。然而，DH植物的生产依赖于花卉栽培技术。一些植物的花药培养非常困难，因此不可能通过花培养建立DH群体。另外，植物的花培养能力与基因型密切相关，因此花培养过程会对不同基因型的花粉产生选择性影响，从而破坏DH群体的遗传结构，造成严重的分离现象，影响遗传作图的准确性。因此，如果主要目的是构建分子标记连锁图谱，DH群体不是理想的作图群体。通过重组自交系间杂交构建的永久F2群体具有以下突出优点：基因型组成与F2群体相似，遗传信息丰富；(2)与F2中每个基因型只有一个植株相比，永久F2群体中的大量植株可能具有相同的基因型。该群体具有F2和永久作图群体的优点，为遗传研究提供了一种新的材料类型。遗传图谱的分辨率和精确度在很大程度上取决于种群的大小。人口越多，制图精度越高。但是人口太多，不仅增加了实验工作量，而且增加了成本。因此，确定合适的人口规模是非常必要的。在实际工作中，分子标记骨架连锁图谱的构建可以基于大群体中的随机小群体(例如150个个体或家族)。当需要仔细研究某个连锁区域时，可以在骨架连锁图的基础上扩大种群。这种将大群体和小群体相结合的方法不仅可以达到研究目的，而且可以减少工作量。一般来说，在构建分子标记连锁图谱时，为了达到彼此相当的作图精度，所需群体大小的顺序是F2RIBC1和DH。3.人口规模的确定。QTL制图法。QTL作图是为了检测分子标记QTLs之间的联系，也是为了估计QTL效应。使用DNA标记进行QTL作图的遗传基础是，当某个分子标记与某个特定性状的QTL连锁时，具有不同标记基因型的个体的表型值会有显著差异。分析这样的数据与饱和遗传图谱的构建相一致，QTL作图的统计分析方法也在不断发展。3.1、单标记分析，单标记分析是通过t检验、方差分析、回归分析、似然比检验或最大似然估计来比较不同基因型数量性状表型值之间的差异的一种标记。如果差异显著，则意味着控制数量性状的QTL与标记相关联，然后估计其效果。单标记分析有一个显著的优势，即不需要完整的标记连锁图，所以早期的QTL作图研究大多采用这种方法。然而，传统的单标记分析方法有许多缺点：(1)无法确定一个标记是否与一个QTL或几个QTL连锁；(2)不可能准确估计QTL的可能位置；(3)遗传效应和重组率混在一起，导致低估了QTL的遗传效应；易出现假阳性；检测效率不高，需要的人数较多。对于一个标记，基因型缺失的个体必须被剔除。3.2区间映射(IM)。针对单标记方法存在的问题，Lander和Bostein(1989)提出了基于两侧相邻标记的区间映射方法。借助于完整的分子标记连锁图，该方法计算基因组中任何位置的两个相邻标记之间存在或不存在QTL的似然比的对数(LOD值)。根据整个染色体上不同点的LOD值，可以检测出染色体上是否存在QTL的可能性图。当LOD值超过给定的临界值时，表示存在QTL，其置信区间是与峰两侧的LOD值下降相对应的映射区间。与单标记分析相比，区间作图法具有以下优点：可以从支持区间推断QTL的可能位置；(2)标记连锁图可用于在全基因组中系统地搜索QTL。如果一条染色体上只有一个QTL，QTL的位置和效应估计是渐近无偏的。QTL检测所需的个体数量大大减少。区间作图曾是QTL作图的标准方法。然而，在区间作图中仍存在许多问题：不能检测到上位效应和基因型与环境的相互作用；当相邻的QTLs彼此靠近时，QTLs之间的相互干扰导致QTL位置和效果估计的偏差。每次检查仅使用两个标记，其他标记的信息未被利用。3.3复合区间映射(CIM)，这是曾系统通过多元线性回归(因变量与多元自变量之间的相关性)研究QTL映射的理论基础，进而提出了多元回归与区间映射相结合的QTL映射方法。在该方法中，其他遗传标记被拟合，即当检测特定标记间隔时，与QTL相关的其他标记也被拟合到模型中以检测背景遗传效应。复合区间映射法的主要优点是： QTL似然图仍然用于显示QTL的可能位置和意义，从而保持了区间映射法的优点；(2)一次只测试一个区间，将多QTL的多维搜索简化为一维搜索；(3)如果没有上位性和QTL与环境的相互作用，QTL位置和效应的估计是渐近无偏的；(4)基于选择的多个标记，很大程度上控制了背景遗传效应，提高了作图的准确性和效率。复合区间作图法也存在一些问题，主要包括：不能分析QTL与环境之间的上位性和相互作用等复杂的遗传效应；3.4多重区间作图(MIM)，Kao和Zeng等人(1999)提出了用于基因作图的多重区间作图。该方法还采用最大似然法估计遗传参数，突破了回归法的局限性，能够同时检测多个区间的多个QTL，从而提高了QTL作图的准确性和有效性。MIM方法也可用于估计和分析QTL之间的上位性、个体基因型值和数量性状的遗传力。然而，它的计算相当复杂，并且没有关于如何确定合适的临界值的理论支持。3.5基于复合区间映射的混合线性模型，朱军提出用随机效应的预测方法获得基因型效应和基因型-环境互作效应，然后用区间映射方法进行遗传主效应和基因型-环境互作效应的QTL分析。该模型可以扩展到分析QTL加性、加性和显性上位性及其与环境的相互作用。利用这些效应估计，可以预测基于QTL主效应的普通杂种优势和基于QTL和环境互作效应的互作杂种优势。然而，该模型在检测上位效应、基因型和环境互作效应方面的灵敏度有限，不同重复数据之间的一致性不高。4.QTL作物制图研究进展。随着遗传图谱的日益饱和和QTL作图方法的不断改进，植物QTL作图的研究发展迅速，从对水稻和拟南芥等模式植物的深入研究逐渐扩展到玉米、小麦、大豆和棉花等重要作物的许多重要性状(表3)。4.1具有相反效应的数量性状位点的分布每个亲本中具有不同效应的数量性状位点的分布相对复杂。许多研究表明，在亲本中存在相反效应的数量性状位点，即在高值亲本中存在效应减弱的数量性状位点，在低值亲本中存在协同效应的数量性状位点。一些“敏感”品种实际上含有QTL的“极端抗性”，其效果大于“抗性”品种中的“抗性”QTL。它只被紧密相连的“敏感”QTL所掩盖，并且只能在重组后被检测到。这可能是由于不利的联系，这解释了数量性状与亲本分离的原因。动态QTL作图根据发育遗传学理论，基因在个体发育的不同阶段有选择地表达。数量基因在不同发育阶段的表达易受其他基因和环境的影响。数量性状的遗传表达与发育阶段密切相关。基因表达有发育阶段。不同发育阶段性状的变化是基因选择性有序表达的结果。吴伟等提出了QTL动态应用于个体发育不同阶段基因的选择性时空表达，并利用水稻分蘖模式进行了动态作图研究。其他研究人员利用水稻株高、水稻干物质、叶亭长度和水稻最大根长进行了类似的研究。研究数量性状在不同发育阶段的基因表达和效应，有助于揭示数量性状发育的分子遗传机制。QTL的动态映射可以揭示QTL的动态表达，从而提高映射效率。4.3分离群体的分组分析方法的应用米歇尔莫尔(1991)提出分离群体的分组分析方法(BSA方法)，作为快速鉴定与特定品质性状基因或染色体区域的连锁的标记已被广泛使用。将两组高值和低值个体的DNA分别混合形成两个DNA池，然后检测两个池之间的遗传多态性。显示两个池之间差异的分子标记被认为与QTL有关。因此，可以大大减少待检测的DNA样品的数量。然而，这种方法只能用于个体性状的QTL分析，其灵敏度和准确度都很低。一般来说，只能探测到影响较大的QTL。4.4QTL比较作图相关物种的基因组是从一个共同的原始基因组进化而来的，因此它们在一定程度上是相似的。相关物种的基因组在某些片段上具有共线性，基因序列在进化过程中相当保守。因此，同一组DNA探针可用于比较QTL在连锁图上不同物种中相似性状的位置，这是QTL的比较定位。QTL的精细定位和克隆QTL研究的一个重要目标是在QTL分离基因克隆用于基因工程操作。目前，用于QTL制图的人口一般是主要人口，大多数QTL制图的精度只有10-20厘米。这种准确性不能区分由多个QTL位点连接的单基因或多基因成分。克隆太难了。此外，这个基因组区域可能包含几个控制同一性状的相反的QTL，这将不可避免地影