数量性状基因座(QTL)定位的原理及研究进展.ppt

1、数量性状基因座(QTL)定位原理及研究进展,魏志刚 2006年12月10日,讲 座 内 容,一、绪言 二、QTL定位的群体 三、QTL定位必要条件 四、QTL定位的原理及方法 五、QTL定位的应用 六、QTL定位的展望 七、林木遗传图谱构建及QTL定位研究进展,一、绪 言,1、对遗传物质的研究层次 染色体水平（细胞遗传学） RNA水平（分子遗传学） DNA水平（分子数量遗传学主要研究数量性状）。 2、数量性状 受多基因控制，易受环境影响，而且多基因及环境的共同作用结果使得数量性状表现为连续变异，也使基因型与表现型间的对应关系难以确定； 动植物中大多数重要的性状如产量、品质、抗病、抗逆性等多为数

2、量性状。,3、数量性状的遗传特征,孟德尔性状遗传特征 受单基因或寡基因控制 不存在基因间的互作 基因表现不受环境影响而变异,复杂数量性状的遗传特征 多基因的效应不是累加的，存在基因间的上位性； 基因的表现因环境而异，存在基因型与环境的互作； 存在基因的多效性和异质性； 较低的外显率； 随机机误影响较大，统计功率较低。,4、数量性状（基因）的研究方法 借助数理统计方法，将复杂的多基因系统作为一个整体或灰色系统，用平均值和方差来表示数量性状的整体遗传特征，而对单个基因的效应及位置、基因间的相互作用及基因与环境的互作等无法深入了解，从而限制了育种中数量性状的遗传操作能力； 用形态学和细胞学标记法来研

3、究与标记相连锁的个别数量性状，试图定位数量性状基因座(Quantitative trait locus, QTL)。由于这些标记数量太少以及技术上的局限性，对数量性状基因位点的深入研究进展不大； 分子标记技术与数量遗传学的结合产生了分子数量遗传学，不仅使植物育种中对目标数量性状优良基因型选择的可能性、准确性及预见性得到极大提高，而且在植物QTL定位的研究方法上也取得了巨大的进展。,二、QTL定位的群体,1、分离群体 由于QTL定位的精度在一定程度上取决于分离群体的重组信息量，因此分离群体是目前QTL定位研究的主要群体。 按保存时间的长短，分离群体分为两类。,(1) 临时性群体,包括回交群体、F

4、2及其衍生的F3、F4家系等； 特点是群体内个体间基因型不同，各个体的基因型杂合； 这类群体的优点是不但可提供丰富的遗传信息，而且可以用来估算加性效应及显性效应，这在杂种优势机理研究中是其他群体不可替代的。,由于个体间存在分离，因此，这类群体的缺点是难以进行多年、多点试验和消除环境的干扰; 最早用于QTL定位研究的主要分离群体是F2和回交群体 由于形成F2个体的2个配子都含有重组事件的信息，因此其信息量是回交群体的2倍，而且F2群体包含亲本任意一个位点的所有基因型(如AA，Aa和aa)，因此，与回交群体比较，F2更适合于估算基因效应和检测不同类型的互作。,(2) 永久性分离群体,包括回交近交系

5、、双单倍体群体、近等基因系和重组近交系; 特点是基因型是一致的、染色体大部分区段完全相同，可以重复进行试验和消除其他背景的干扰以增加QTL检测的准确性，因此这类群体QTL定位效率较高; 在植物中，重组近交系和双单倍体群体分别用单粒传和F1花药培养的方法来建立，优点是一般由纯合株系组成的，因而一旦建成便是永久性的，不但能长期保存、反复使用，而且可进行多重复、多年、多点实验。这样不仅能够降低试验误差和提高QTL定位的准确性，而且还能用来研究QTL与环境间的相互作用。,由于群体内基因型的一致性，因而这类群体的具有以下缺点: 不能估算显性效应； 在群体数量有限的情况下，它们提供的信息不如F2等临时群体

6、； 由于在染色体加倍过程中可能存在基因型丢失。 对于异花授粉植物，由于存在严重的自交衰退现象，这类植物构建近等基因系意义不大。,2 自然群体,自然群体指具有很长的世代间隔，很高的遗传杂合性和遗传负荷的群体。主要为林木。 缺点 近交系、高世代材料和纯系等遗传材料很难获得；人工杂交比较困难，难以获得足够大的家系; 自然群体在QTL定位研究上存在较大的困难。,研究的必要性 由于自然群体此在交配设计上会不可避免产生不平衡，从而使其获得的遗传参数准确性往往不高，这反而使自然群体的QTL定位显得格外实用、有效和必要。,三、 QTL定位必要条件,1、要有高密度的连锁图，标记间平均距离小于1520cM 2、相

7、应的统计分析方法 3、选择亲本时尽可能地选择性状表现差异大和亲缘关系较远的材料 4、选择的群体中目标性状分离明显，符合正态分布,四、QTL定位的原理及方法,1、QTL定位的原理 QTL定位是通过分析整个染色体组的DNA标记和数量性状表型值的关系，将QTL逐一定位到连锁群的相应位置，并估计其遗传效应; QTL定位就是采用类似单基因定位的方法将QTL定位在遗传图谱上，确定QTL与遗传标记间的距离(以重组率表示)； QTL定位实质是分析分子标记与QTL之间的连锁关系，是基于一个特定模型的遗传假设，是统计学上的一个概念，与数量性状基因有本质区别。,2、QTL定位的基本步骤,检测、筛选亲本并构建遗传群体

8、； 检测群体的分子标记基因型并构建分子标记连锁图谱； 应用根据相应的统计模型和方法编写的计算机软件处理分析实验数据，确定分子标记与QTL的连锁关系及QTL在染色体上的区域。,3、QTL定位方法,根据采用的统计分析方法的不同分为：方差与均值分析法、回归及相关分析法、最大似然法等； 根据标记区间数分为：零区间作图、单区间作图和多区间作图。 将不同方法结合起来的综合分析方法：QTL复合区间作图、多区间作图、多QTL作图、多性状作图等。,(1) 均值比较(mean comparison，MC),原理 同一标记座位上不同基因型间数量性状的均值存在差异。通过方差分析、回归分析或似然比检验，比较不同标记基因

9、型数量性状均值的差异。如存在显著若差异显著，则表明有QTL与该标记连锁。 优点 简单 缺点 不能确定标记是与一个QTL连锁还是与几个QTL连锁； 无法确切估计QTL的可能位置； 由于遗传效应与重组率混合在一起，导致低估了QTL的遗传效应； 容易出现假阳性； 检测效率不高，所需的个体数较多； 目前MC法仅用于对数据的初步分析。,(2) 联合定位法(joint mapping，JM) 原理 针对MC无法对多个QTL定位的缺点，一种改进方法是将同一条染色体上各标记的t测验或方差分析联合于一个回归分析之中，即JM法。 优点 JM法可同时估计多个QTL的位置和效应，适用范围广(与性状分布无关)，计算简单

10、。 缺点 使用矩量(均值)而非原始观察数据，因而要求有较大的实验群体。,(3) 性状-标记回归(trait-marker regression，TMR),原理 即将个体的数量性状表型值对单个标记或多个标记的基因型进行回归分析，从而根据各标记回归系数的显著性，判断出可能存在QTL的染色体区域。 优点 可根据各标记回归系数的显著性，能够判断出可能存在QTL的染色体区域； 可用于育种中的标记辅助选择(marker-assisted selection，MAS)，即利用连锁标记对目标QTL的跟踪选择。 缺点 能确定标记是与一个QTL连锁还是与几个QTL连锁； 无法确切估计QTL的可能位置； 由于遗传效

11、应与重组率混合在一起，导致低估了QTL的遗传效应等。,(4) 性状-QTL回归 (trait-QTLregression，TQR),原理 即将个体的数量性状表型值对被检QTL的基因型进行回归分析。QTL的基因型需根据其相邻的单侧标记或双侧标记的基因型加以推断。若回归关系显著，则表明该QTL存在，并能估计出该QTL的位置和效应。 根据运用标记的数目，TOR法可分成以下几类：, 区间作图(interval mapping IM),原理 利用染色体上1个QTL两侧的各1对标记，建立个体数量性状观察值对双侧标记基因型指示变量的线性回归关系，以分离检验统计量中重组率和QTL效应; 其统计原理是对基因组上

12、两邻近分子标记间，按一定遗传距离的片段逐一分析。,优点 能从支撑区间推断QTL的可能位置； 可利用标记连锁图在全染色体组系统地搜索QTL，如果一条染色体上只有一个QTL，则QTL的位置和效应估计趋于渐进无偏； QTL检测所需的个体数大大减少。 缺点 回归效应为固定效应； 无法估算基因型与环境间的互作()，无法检测复杂的遗传效应(如上位效应等)； 当相邻QTL相距较近时，由于其作图精度不高，QTL间相互干扰导致出现Ghost QTL； 一次只应用两个标记进行检查，效率很低； 定位的QTL区间往往太宽，而一个性状在同一染色体上有多个QTL时常常会标错QTL的位置，致使QTL定位不准确甚至出错误。,

13、复合区间作图法(CIM),原理 它是结合了区间作图和多元回归特点的一种QTL复合区间定位法，即“复合区间作图法” ，实现了同时利用多个遗传标记的信息对基因组的多个区间进行多个QTL的同步检验，以提高多个连锁QTL的辨别能力及其相应位置和效应估计的准确性; 其实质是将IM与多标记TMR相结合，用被检区间以外的部分或所有剩余标记来消除其它QTL对被检区间的影响。,优点 将多维检测问题简化为一维检测问题，单个QTL的效应和位置的估计是渐进无偏的； 以连锁标记为检验条件，极大地提高了QTL作图的精度； 利用了所有信息，比其它QTL作图方法更为有效； 可利用QTL似然图谱来表示整个基因组上每一点上QTL

14、的证据强度，从而保留了区间作图的特征。 因此，它是目前普遍认为同时标定多个QTL更有效、更精确的方法。 缺点 由于将两侧标记用作区间作图，对相邻标记区间的QTL估计会引起偏离； 同IM一样，将回归效应视为固定效应，不能分析基因型与环境的互作及复杂的遗传效应(如上位效应等)； 当标记密度过大时，很难选择标记的条件因子。, 基于混合线性模型的复合区间作图法(MCIM),原理 将群体均值、QTL的各项遗传主效应(包括加性效应、显性效应和上位性效应)作为固定效应，而把环境效应、QTL与环境互作效应、分子标记效应及其与环境的互作效应以及残差作为随机效应，将效应估计和定位分析结合起来，进行多环境下的联合Q

15、TL定位分析。此方法是包括加性效应、显性效应及其与环境互作效应的混合线性模型复合区间作图方法，即多性状复合区间定位法(MCIM)。它能克服以上的几种QTL定位法均无法对基因型与环境的互作及各种遗传效应做出正确分析。,优点 该方法与基于多元回归分析的复合区间作图方法相比，用混合线性模型方法进行QTL定位，能无偏地分析QTL与环境的互作效应； 具有很大的灵活性，可以扩展到分析具有加加、加显、显显上位性的各项遗传主效应及其与环境互作效应的QTL； 利用MCIM法得到以上各种效应估计值，可用于预测基于QTL主效应的普通杂种优势和基于QTL与环境互作效应的互作杂种优势，并可直接估算个体的育种值，从而选择

16、出优良个体，能提高遗传改良效率； 可以用来鉴别QTL的紧密连锁和多效性，也可用来分析多年多点试验数据，由此可以检测QTL与环境间的相互作用。,4、QTL定位策略（1） 选择基因型分析,原理 如果某个标记与某个(些)QTL连锁，那么在杂交后代中，该标记与QTL间就会发生一定程度的共分离，于是该标记的不同基因型在数量性状的分布、均值和方差上将存在差异，检验这些差异，就能推知该标记是否与QTL连锁。这种方法也称为基于标记的分析法(marker-based analysis，MBA)。 优点 据估计，对群体中50%的个体(群体中两尾个体各占25%)作基因型分析，可获得分析全部群体的90%的信息量； 可

17、以节省分析分子标记基因型的时间和费用。,缺点 如由于只有极端性状值的个体参与分析，因而只能检测主 效QTL，而且QTL的效应被偏高估计。因此，这种分析策略早期只是对QTL进行初步的分析； 一个性状极端表型的往往不能代表另一性状的极端表型，这种方法不适合于对多个性状的定位分析； 早期的MBA法主要是针对单标记分析(每次只分析一个标记)的，但随着高密度分子标记图谱的出现，为了充分地利用饱和分子标记图谱所提供的遗传信息，选择基因型分析的QTL定位策略也向多标记分析(同时用多个标记进行分析)的方向发展。,（2）分离群体分组分析,原理 在一个分离群体中，选择高低两种极端表型的个体分成两组，若某个标记与Q

18、TL有连锁，则它的基因型分离比例在两组中都会偏离孟德尔规律。检验这种偏离，就能推知该标记是否与QTL连锁。这种以数量性状表型为依据进行分组的QTL定位分析策略，称为基于性状的分析法(trait-based analysis，TBA) 。 混合分离群体分析法 TBA中还有一种更简单的做法，称为混合分离群体分析法(bulked segregant analysis，BSA)，它是将高低两组极端表型的个体的DNA分别混合，形成两个DNA池，然后分析两池间的遗传多态性，在两池间表现出差异的标记即被认为与QTL连锁。 缺点 只对主效QTL的定位是有效的； 只能用于单个性状的QTL定位； 灵敏度和准确度都

19、较低。因此，目前的QTL定位研究中，主要还是采用MBA法 。,（3）比较定位,原理 QTL的比较定位是采用同样一套DNA探针，比较不同物种相似性状的QTL在连锁图上的位置。通过QTL的比较定位，育种家就可以从已知物种的QTL研究结果去预期另一物种的重要QTL的位置，从而提高育种效率。 对于杂交不亲和的物种如水稻、小麦、大麦、玉米和高粱等，进行过种子大小、脱粒性、开花时间和株高等性状的比较定位研究。目前，QTL的比较定位研究尚处于起步阶段。,5、QTL定位的统计软件和阈值,目前QTL定位应用较广泛的统计分析软件是SAS，而作图软件主要有MAP MAKE /QTL1.1、QTL Mapper1.0

20、、Joint map、Q gene 2.29、PLABQTL、MQTL和QTL cartographer。,QTL定位的统计软件,QTL定位的统计阈值,一般认为，阈值(LOD值)高难以检出效应较小的QTL，而过低则一些不是QTL的位点也被认为是QTL，QTL定位中所用阈值多在2.03.0之间； 值还与群体大小有关，小群体用大的阈值会大大减少QTL的检出数； 因此，有必要运用较小的阈值进行检测，以发现所有的QTL位点，但由于所用群体及统计方法和阈值的限制，对一些遗传率较低，贡献率较小的QTL的检测结果是很不可靠的。,6、QTL的数目及效应,鉴定的QTL数目受群体大小、统计阀值、标记饱和度及给定性

21、状的遗传力等多种因素的影响； 在目前实际的QTL定位群体(300株)和标记密度情况下，图距在20cM以下相互连锁的多个QTL通常被看作为单个QTL。因此，QTL数目是偏低估计的，而且偏向表型效应较大的QTL，使得主效QTL的表型贡献率被过高估计； 不同性状的QTL数目不等， 多数单一性状检测到的QTL数目均一般为45个到78个，最多的是22个。,QTL的数目,QTL存在“一因多效”； QTL与环境之间存在明显互作； 在多数植物数量性状中1个或2个主效QTL能单独解释表型总变异的30%50%以上，其余QTL则效应较小； 不同QTL间效应差别明显，QTL基因效应通常表现为加性、显性、超显性、上位性

22、等多种形式。,QTL的效应,7、QTL定位精度的主要影响因子,QTL定位精度一般包括QTL的发现能力、位置和效应估计的准确程度等。由于QTL定位要经过分离世代建立、标记检测、数量性状值测定和统计分析等多个环节，因而QTL定位精度受到许多因素的影响。 QTL的发现效率随着遗传力提高和样本容量变大而降低。因此，在合适标记密度和样本容量下，即可以确保QTL的发现效率，也可以以减少实验成本； 如果QTL的遗传力为10%，标记间距15cM，则样本容量300就可 保证QTL的发现能力达80%以上； 在QTL发现能力上，标记间距为15cM有利于QTL的检测，过大或过小都不利； 只要标记间距不过大，一般来说，

23、一旦QTL能被检测到，则其位置和效应的估计也较准确，其位置估计值的95%置信区间绝大多数在20cM之内。,五、QTL定位的应用,QTL定位的应用几乎已涉及植物育种的所有领域，包括亲本选配、后裔选择、有利基因转移和进化追溯等。 提高育种效率一直是育种学家关注的问题，因此，如何利用QTL定位来提高育种效率便是QTL定位研究的主要内容之一。,（1）标记辅助回交,标记辅助回交又称标记辅助导入，即将供体亲本中少数目标基因(或QTL)导入到轮回亲本； 标记既可鉴别目标基因(或QTL)即前景选择，又可加速轮回亲本基因组的恢复即背景选择，即依靠标记对后代个体进行全基因组选择，加速育种进程，提高选择效率； 在表

24、型选择有效的情况下，标记辅助回交与常规表型选择并没有显著差异，标记辅助回交适用于隐性性状、测定困难或费用昂贵的性状及未成熟期鉴定等回交程序。,QTL定位在提高育种效率应用研究的重点之一是利用目标性状与标记间的关联性进行标记辅助选择。MAS主要运用在植物育种的以下两个方面。,1、 标记辅助选择(MAS),（2）标记辅助指数选择,原理 以多元回归方法为基础，首先是检测QTL与标记基因的关联，估算与QTL紧密连锁的标记对其遗传值的贡献；综合标记和表型信息构建选择指数，根据选择指数筛选个体，发展优良的品系群体。 应用范围 标记指数选择方法非常适合于苗期鉴定或难以测定的性状等情况。 局限性 在较低遗传率

25、下，标记回归分析方法推断与标记连锁的QTL，需要较大的群体，且易出现假阳性QTL； 标记效应估计值偏高，因而赋予标记值的相对权重过大。,2、提高MAS效率的途径,在MAS应用过程中，要想比表型选择获得较高的效率，必须首先考虑应用在以下方面： 选择性状的遗传力的大小。若性状遗传力较低，则MAS较高，反之则表型选择的效率较高； 用于辅助选择的标记与目标QTL连锁紧密(5cM)； 早期世代进行选择必须在标记与QTL的连锁关系没被打破之前进行。 当QTL受环境影响不同时，首先应考虑对在不同环境下表现一致的主效QTL进行选择，而对环境敏感的QTL的选择必须在其鉴定的环境中进行。,3、MAS应用中存在的问

26、题,首先分子标记不是基因，不能完全解释性状的遗传变异； 分子标记与QTL的关联性因群体大小、世代和环境而异； QTL定位和效应估算的精度不高，而且上位性效应可能是一个重要的遗传分量； 植物大多经济性状为复杂的数量性状，其最终表现决定于生物发育过程中众多基因的表达、调控及其相互作用。,六、 QTL定位的展望,1、目前用于QTL定位大多为初级定位，对典型的数量性状定位的精确性、稳定性较差。因此，进一步提高QTL定位的精度是将来QTL研究的重点之一。 2、由于现在用于分析QTL上位性效应及QTL与环境互作分析方法和软件不完善，而QTL能否在不同环境里稳定表达，可否作为靶基因进行标记辅助选择是育种工作

27、的关键，因此，有必要尽可能多地鉴别与环境不发生互作的增效主基因或QTL，实现优良基因型聚合育种。,目前常用的随机标记位于非编码区，同源性无从而知，在种间及种内不同群体间保守性较差。采用随机标记构建的图谱上发现的标记间和标记与基因间的关联，是一种随机关联,无法延伸到群体水平，在不同物种、群体或杂交组合之间缺乏同线性和共线性，无法进行比较图谱分析。因此，在林木改良中应用存在很大局限性。 利用随机标记构建的图谱上建立的标记 QTL随机关联在不同的组合和遗传背景下发生不同的重组过程，因此定位的QTL具有杂交组合特异性，并且随着世代和遗传背景的改变可能会丧失。,3、目前的标记技术具有较大局限性,直接来自

28、于基因表达序列； 不同遗传背景(如杂交组合)下可进行信息传输； 共显性标记； 可检测复等位； 技术简单，高重复性等特点； SSR标记和EST标记是近年来研究的热点 。,理想的DNA分子标记,4、发展新的作图群体、构建高饱和的分子遗传连锁图谱和发展更灵敏的统计方法将数量性状基因分解成单个的孟德尔因子，以便为分析主要经济植物的重要经济性状的遗传规律、产量和品质有关的主要性状之间及其与环境相互关系的研究提供理论依据。 5、目前所用的作图方法是基于对线性模型模拟分析，这对于数量性状基因表达能力的分析有一定的局限性。由于某一数量性状实质上是有多个性状的综合表现，现有的作图方法及其所取得的结果还需要大量的实践来验证其准确性。,生长周期长 个体高大 遗传背景高度杂合 遗传负荷大,七、林木遗传图谱构建及QTL定位研究进展,1、林木的特点,2、林木遗传图谱构建的现状,林木的作图