关联分析在QTL定位中的应用

1、山西农业科学2010,38(2:1214Journal of Shanxi Agricultural Sciences关联分析在QTL 定位中的应用苗丽丽,刘秀林,温义昌(山西农业大学研究生院,山西太谷030801摘要:玉米的许多重要农艺和经济性状都是复杂多基因控制的数量性状。随着分子标记技术的发展,利用分子标记可以将数量性状位点(QTL 定位到染色体上。近年来出现的基于连锁不平衡(LD 原理的关联分析被广泛应用于玉米数量性状位点的定位上。介绍了关联分析的基本原理以及影响定位精度的主要因素。关键词:玉米;耐旱性;数量性状位点(QTL ;连锁不平衡(LD 中图分类号:Q348文献标识码:A文章编

2、号:1002-2481(201002-0012-03Application of Association Analysis in QTL MappingMIAO Li-li ,LIU Xiu-lin ,WEN Yi-chang(School of Postgraduates Shanxi Agricultural University ,Taigu 030801,China Abstract :M any important traits of maize are controlled by a series of genes.With the development of the maker

3、,the preci-sion of mapping QTL is greatly improved.Linkage disequilibrium are now used in plant to mapping QTL.In this paper we will in-troduce the principle of LD,and introduce the factors that effect mapping precision of QTL.Key words :M aize (Zea mays L ;Drought tolerance;Quantity trait locus (QT

4、L ;Linkage disequilibrium (LD 收稿日期:2009-11-19作者简介:苗丽丽(1984-,女,河南鹤壁人,在读硕士,研究方向:作物遗传育种。温义昌为通讯作者。doi:10.3969/j.issn.1002-2481.2010.02.03随着分子标记技术的发展,借助分子标记技术可以将控制重要农艺性状的基因/QTL 定位在染色体上。通过找到与耐旱性紧密连锁的分子标记,可实现分子标记辅助选择(M arker-assisted selection ,M AS ,大大加速了育种进程。到目前为止,已经定位了大量的与耐旱相关的QTL ,但置信区间一般为10cM 。研究表明,15

5、cM 的范围内可能包含有400个基因。在如此大的范围内,无法鉴别目标性状的表达是由单个基因还是多个基因共同作用的结果。要实现QTL 的图位克隆,不仅要求目标基因正确定位,而且要精细到目前分子克隆技术可以操作的程度1。因此,探讨精细定位的原理及影响精细定位的因素不仅具有理论意义,而且也是实现定位和克隆的依据和前提。近代分子遗传学研究发现,在某些情况下,通过分析定位群体中的基因序列变异与表型之间的相关性就可以找到与功能相关的遗传位点2。在此基础之上,发展出一种基于连锁不平衡(Linkage disequilibrium ,LD 的关联性分析方法(Association analysis 。这种方法

6、能够有效地提高数量性状定位的精度,成为对传统QTL 定位的有效补充3。目前,基于连锁不平衡(LD 的关联定位的方法已经广泛运用于遗传研究中。随着植物基因组学的迅猛发展,新的基因发掘方法不断涌现。基于连锁不平衡的关联定位已被证明是基因发掘的有效手段。1连锁不平衡的测定方法LD 是生物群体在自然选择过程中出现的一种现象,早在20世纪初期,Jinnings 就提出了连锁不平衡(Linkage Disequilibrium ,LD 这一概念。所谓连锁不平衡,是指某一染色体上相邻的2对等位基因,如果2对等位基因同时存在的概率与预期的概率出现显著差别,则称这2个基因座位存在连锁不平衡4。与传统的QTL 分

7、析方法相比,基于连锁不平衡的关联性分析有以下优点:一是可以发掘出大量的多态性等位基因,而传统的QTL 定位只是针对1个位点的1对等位基因;二是能够检测原始材料在以往世代减数分裂过程中的重组频率。在分析丰富的玉米自交系时,可以精确定位到染色体某一区段,甚至达到2000bp 的精度5。12苗丽丽等:关联分析在QTL 定位中的应用研究表明,利用连锁不平衡来作图,图谱的分辨率提高500倍6。目前,有许多统计学因子被用来测定2个位点之间的LD ,如D ,r 2,R ,D 2,D *,Q *7。常用D 和r 2值表示。D 和r 2值为零时,连锁完全平衡;D 和r 2值为1时,连锁完全不平衡。LD 简单的统

8、计学描述为,在染色体上2个相邻位点E 和F 上分别由1对等位基因A ,a ;B ,b 控制,且各等位基因频率分别为A ,B ,a ,b ,在配子期各基因型频率分别为A B ,aB ,ab ,A b 。则:D ab =(A B -A B D ab 就是实际的基因型频率与理论值之间的差。D 和r 2的简单统计学描述如下。第一个统计因子是r 2,它的计算公式8为:r 2=(D ab 2A B a b 我们可以将r 2看作是2个位点相关系数的平方。除非4种配子的频率完全相等,否则,r 2不可能为1。LD 测定的另一个统计因子是D ,它的计算公式为:D =(D ab 2/min (A b ,a B (D

9、 ab 0r 2和D 反映LD 的不同方面,其中D 与重组率直接相关,反映群体间重组率的不同,能准确地估测重组差异。r 2概括重组率和突变史,更能表明标记如何与目标QTL 相关联,r 2可以提供标记是否能与QTL 相关的信息,因此LD 作图中通常采用r 2来表示群体的LD 水平。在关联性分析中,常常用r 2来测定LD ,因此如何选择D ,r 2要根据研究的目的来决定4。2影响定位精度的因素制约定位精度的因素主要有:QTL 效应大小、染色体上的位置、目标性状的遗传力、标记密度以及定位的群体大小等9。其中,对于特定的性状而言,QTL 效应及其位置以及该性状的遗传力都是相对固定的,因此标记密度、群体

10、大小以及统计方法成为制约定位精度的关键因素。标记密度是影响QTL 定位精度的重要因素,一般来说,标记密度越高,QTL 定位的精度也越高。当标记达到一定密度后,定位精度将很难提高。Xiong 等10认为高密度的连锁图谱对QTL 定位精度是必须的,但如果没有足够的重组事件,高密度的标记图谱只是一种浪费。Darvasi 等11研究也表明,即使有无穷多个标记,如果缺少足够的重组事件,一个中等效应的QTL 仍然只能被定位在一个较大的区间内。随着各种分子标记的大量涌现,图谱的密度会越来越高,因此,图谱的标记密度已不再是影响QTL 定位精度的因素。理论上讲,扩大群体规模可以增加重组事件的次数,有利于QTL

11、定位精度的提高。但在实际工作中,QTL 定位群体大小通常很有限,大大限制了分子标记的使用范围。研究表明,当定位群体超过一定规模后,也不会进一步缩小QTL 定位的置信区间12。Darvasi 等11试验证实,当利用高密度的遗传图谱进行QTL 定位时,QTL 定位的置信区间与资源群体大小之间有如下关系:CI95=3000/(kN 2其中,CI95为QTL 定位95%的置信区间,k 为每一个体可提供信息的亲本数(回交设计,k =1;F 2设计时,k =2,N 为资源群体中有效个体数,为QTL 的基因替代效应。根据这一公式,对于半同胞设计(k =1而言,假设QTL 的基因替代效应=0.5,则当定位群体

12、的有效个体数N =500时,CI95=24cM ,而要使QTL 定位的置信区间进一步缩小到2cM ,则群体的有效个体数必须达到6000,用这么大的群体来进行分子实验是不现实的。近年来,人们逐渐认识到,连锁分析的方法是利用系谱和标记信息,将QTL 定位在一定范围内的连锁图谱上,但是由于缺乏足够的重组事件,定位的精度往往不能令人满意。基于连锁不平衡的关联定位则充分利用了多世代中的重组事件,在一定程度上缓解了重组事件对定位精度的限制,提高了QTL 定位的精度和检测效应。当连锁分析和连锁不平衡的方法独立使用时,都只是利用了部分重组信息,QTL 定位的精度通常不高13。若将2种方法结合起来,即采用连锁分

13、析和连锁不平衡定位的方法,就可以充分发挥两种方法的优势,从而提高QTL 检测的效应和定位精度。研究表明,在相同的标记密度下,利用关联定位方法可以检测到效应更小的QTL ,同时其QTL 定位的精度也明显高于传统的连锁分析方法14。3关联分析在玉米耐旱遗传研究上的应用分子数量遗传学的发展使人们可以将控制数量性状的基因分解为多个QTL 位点15,玉米是13山西农业科学2010年第38卷第2期一种常异花授粉作物,其基因组含有丰富的遗传变异,这些变异为玉米耐旱基因发掘和遗传改良提供了很好的保障。由于玉米连锁不平衡耗散(LD decay较快,因此采用关联性分析研究等位基因变异是一种很好的选择。Tenail

14、lon等16在对第一条染色体上21个位点之间遗传多态性的LD的研究中发现,尽管这些基因的长度很短(1.5kb,但LD之间的衰退率却很高。研究表明,平均在200bp之间r2降低到0.25。Remington等5对6个候选基因的研究发现,基因内的LD值迅速衰退(在1500个bp内r20.1,这种快速衰退的现象在另外的15个基因中也存在。然而,也有特殊的情况,玉米基因sul位点上LD的衰退超过12kb。研究结果表明,玉米在驯化的过程中对特定的目标区域进行了定向选择。Thornsberry等17利用47个SSR标记测定玉米全基因组的LD,该实验表明,进行群体结构分析时SSR(Single Sequen

15、ce Repeat要比SNP标记效果好。Flint-Garcia等6对数量性状位点的关联性分析方法做了系统的分析研究。在耐旱研究上,Sebastiani等用SNP分析地中海白松的9个耐旱候选基因,结果已用于耐旱遗传分析和QTL作图上。利用关联性分析从功能基因组学方面来研究玉米耐旱候选基因的等位基因单体型变异,不仅可以探讨和解析玉米耐旱的遗传机理,而且可以开发耐旱功能型标记,建立耐旱功能候选基因直接关联的功能型分子育种平台。由于功能性标记是从目的基因的功能位点开发,因而可靠性强,前期不需要构建作图群体,遗传重组使得标记与性状之间存在关联,而且功能性标记能够更好地揭示遗传变异。因此非常适合在植物育

16、种中进行标记辅助选择,大大加速育种进程。参考文献:1李秀丽,刘文忠.数量性状基因座(QTL与标记辅助选择(MASJ.山西农业大学学报,2002,22(1:84-87.2M euwissen T H E,Goddard M E.Fine mapping of quantitativetrait loci using linkage disequilibria with closely linked markerlociJ.Genetics,2000,155:421-430.3Palaisa K,M organte M,Tingey S,et al.Long-range patterns ofdi

17、versity and linkage disequilibrium surrounding the maize Y1gene are indicative of an asymmetric selective sweepJ.ProcNatl Acad Sci USA,2004,101:9885-9890.4Pushpendra K,Gupta,Sachin,et al.Linkage disequilibriumand association studies in higher plants:Present status and fu-ture prospectsJ.Plant Molecu

18、lar Biology,2005,57:461-485.5Remington D L,Thornsberry J M,Matsuoka Y,et al.IV.Struc-ture of linkage disequilibrium and phenotypic associations inthe maize genomeJ.Proc Natl.Acad Sci USA,2001,98:11479-11484.6Flint-Garcia S A,Thornsberry J M,Buckler I V E S.Structureof linkage disequilibrium in plant

19、sJ.Annu Rev Plant Biol,2003,54:357-374.7Jorde J B.Linkage disequilibrium and the search for complexdisease geneJ.Genome Res,2000,10:1435-1444.8Sherry A,Flint-Garcia.Structure of linkage disequilibrium inplantsJ.Plant Biol,2003,54:357-374.9鲁绍雄,连林生.畜禽数量性状基因座位的精细定位J.中国牛业科学,2006,32(1:38-42.10Xiong M,Guo S.Fine scale mapping of quantitative trait lociusing historical recombinationsJ.Genetics,1997,145(4:1201-1218.11Darvasi A,Soller M.Selective genotyping for determination oflinkage between a marker locus and a quantitative trait locusJ.Theor App