不同统计遗传模型QTL定位方法应用效果的模拟比较

分子遗传和数量遗传的结合,发展了QTL定位研究。随着定位方法与软件的建立和完善,QTL定位的研究越来越多。准确定位的QTL可用于分子标记辅助选择和图位克隆,而假阳性QTL将误导定位信息的应用。本文分析了迄今主要定位方法(软件)对于各种遗传模型数据的适用性。应用计算机模拟4类遗传模型不同的重组自交系群体(RIL),第一类只包含加性QTL;第二类包含加性和上位性互作QTL;第三类包含加性QTL和QTL与环境互作效应;第四类包含加性、上位性互作QTL和QTL与环境互作效应。每类按模拟QTL个数不同设两种情况,共分为8种数据模型(下称M-1～M-8)。选用WinQTLCart 2.5的复合区间作图(下称CIM)、多区间作图前进搜索(MIMF)、多区间作图回归前进选择(MIMR)、IciMapping 2.0的完备复合区间作图(ICIM)、MapQTL 5.0的多QTL模型(MQM)以及QTLnetwork 2.0的区间作图(MCIM)6种程序对8种不同遗传模型的RIL进行QTL检测。结果表明,不同程序适用的遗传模型范围不同。CIM和MQM只适于检测第一类模型;MIMR、MIMF和ICIM只适于检测第一类和第二类模型;只有MCIM适于检测所有4类遗传模型;因而不同遗传模型数据的最适合检测程序不同。由于未知实际数据的遗传模型,应采用在复杂模型程序,如QTLnetwork 2.0,扫描基础上的多模型QTL定位策略,对所获模型用相应模型软件进行验证。     

8种水旱环境下2个玉米群体穗部性状QTL间的上位性及环境互作效应分析

深入剖析干旱胁迫条件下玉米穗部性状的遗传机制可为玉米抗旱高产分子育种提供参考依据。以大穗型旱敏感自交系TS141为共同亲本,分别与小穗型强抗旱自交系廊黄和昌7-2杂交,构建了含有202个(LTPOP)和218个(CTPOP)家系的F2:3群体,在8种水旱环境下进行单穗重、穗轴重、穗粒重、百粒重、出籽率及穗长等6个穗部性状的表型鉴定,并采用复合区间作图法(CIM)和基于混合线性模型的复合区间作图法(MCIM)对其进行单环境和多环境联合数量性状位点(QTL)分析。结果表明,采用CIM法,单环境下在2套F2:3群体间检测到62个穗部性状QTL,其中干旱胁迫环境下检测到38个QTL,进一步在2套F2:3群体多个干旱胁迫环境下检测到10个稳定表达的QTL (sQTL),分别位于Bin 1.01–1.03、Bin 1.03–1.04、Bin 1.05、Bin 1.07、Bin 1.07–1.08、Bin 2.04、Bin 4.08、Bin 5.06–5.07、Bin6.05和Bin 9.04–9.06。采用MCIM法,联合分析定位到54个穗部性状联合QTL,其中24个表现显著的QTL与环境互作(QTL×E), 17对参与了显著的加性与加性/显性(AA/AD)上位性互作,其表型贡献率较低。这些研究结果可为系统地剖析玉米穗部性状的分子遗传机制提供理论依据;且这2套F2:3群体多个环境下检测到的sQTL可作为穗部性状改良的重要候选染色体区段,用于图位克隆或抗旱高产分子育种,但要注重环境及上位性互作效应的影响。     

四种不同QTL作图方法的比较研究

应用区间作图法(IM)、复合区间作图法(CIM)、基于混合线性模型的复合区间作图法(MCIM)和多重区间作图法(MIM)对水稻杂交组合（培矮64S×日本晴）F₂群体株高性状进行了QTL作图分析。结果表明，（1）在同一显著水平下(α=0.0023)，4种方法共发现10个QTLs，其中IM法7个，CIM法10个，MCIM法3个，MIM法1个。CIM法的发现能力最强。（2）CIM法发现了IM法发现的全部QTLs，和左端标记的距离也基本一致。（3）4种方法检测到了同一QTL，且共同检测到QTL的贡献率最大。（4）4种方法估计的QTL的平均加性效应ā和显性效应 无显著性差异，同一QTL在显性效应的方向上表现一致。（5）建议使用多种作图方法共同作图，并优先标定共同发现的QTL。     

甜玉米果皮厚度QTL的定位及上位性互作

果皮厚度是影响甜玉米口感的一个重要因素。发掘果皮厚度的基因资源、了解玉米果皮厚度的遗传机制,是指导其育种的基础。本研究以日超-1(薄果皮,56.57μm)×1021(厚果皮,100.23μm)的190个BC1F2家系为作图群体,分别采用2种遗传模型检测QTL。基于复合区间作图(CIM)共检测到3个影响果皮厚度的QTL,位于3.01、6.01、8.05区段,分别解释8.6%、16.0%和7.2%的表型变异,其中3.01和8.05处QTL以加性效应为主;基于混合线性CIM模型(MCIM)共检测到5个影响果皮厚度的QTL,其中除8.05处QTL为加性QTL外,另有2对加×加上位性互作QTL,1对是2.01和6.05处QTL之间的互作,另1对则是5.06和6.01处QTL间的互作。这2对互作QTL分别解释了6.63%和12.48%的表型变异率。本结果表明,加性效应和上位性互作效应等都在果皮厚度的形成和遗传中起重要作用。能够检测QTL上位互作的MCIM模型更适用于果皮厚度QTL定位。本研究还在其中4个QTL的区域内分别检索到胚乳中色素合成以及细胞转变的相关候选基因,这些基因的表达是否与果皮厚度的变异有关值得进一步研究。     

爆裂玉米3个膨爆特性的非条件和条件QTL分析

膨化倍数(PF)、膨化体积(PV)和爆花率(PR)是爆裂玉米的主要品质指标。本研究以普通玉米自交系丹232和爆裂玉米自交系N04杂交构建的259个F2:3家系为定位群体,采用完全随机区组设计在郑州夏播条件下测定了3个膨爆特性指标。利用覆盖玉米10条染色体的183对多态性分子标记构建连锁图,采用复合区间作图(CIM)方法对各性状进行非条件QTL定位分析,采用条件遗传统计软件对PF进行条件QTL分析。3个膨爆特性指标非条件QTL定位共检测出31个QTL,单个QTL的贡献率为3.09%￣12.46%,累计贡献率为51.90%、77.37%和61.45%。在8个标记区间(占42.11%)同时检测到控制2￣3个性状的QTL。加性和部分显性在膨爆特性的遗传中起主要作用,同时存在显性和超显性基因效应。条件QTL定位结果表明,PV和PR以不同方式显著影响PF的QTL表达,PV比PR更重要。     

大豆籽粒硬实加性和上位性QTL定位

硬实是植物种子的普遍特性, 是影响大豆种子发芽率、生存能力及储存期的重要数量性状, 同时影响着大豆的加工品质。本实验通过对大豆籽粒硬实性状的加性和上位性互作QTL (quantitative trait locus)分析, 明确控制大豆籽粒硬实的重要位点及效应, 旨在为进一步解析硬实性状复杂的遗传机制提供理论依据。以冀豆12和地方品种黑豆(ZDD03651)杂交构建的包含186个家系的F_6:8和F_6:9重组自交系群体为材料, 采用WinQTL Cartographer V. 2.5的复合区间作图法(composite interval mapping, CIM)定位不同年份的籽粒硬实性状相关的加性QTL, 同时采用IciMapping 4.1软件中的完备区间作图法(inclusive composite interval mapping, ICIM)检测籽粒硬实性状的加性及上位性QTL。共检测到3个籽粒硬实性状相关的加性QTL, 分别位于第2、第6和第14染色体, 遗传贡献率范围为5.54%~12.94%。同时检测到4对上位性互作QTL, 分别位于第2、第6、第9、第12和第14染色体, 可解释的表型变异率为2.53%~3.47%。同时检测到籽粒硬实性状加性及上位性互作QTL, 且上位性互作多发生在主效QTL间或主效QTL与非主效QTL间, 表明上位性互作效应在大豆籽粒硬实性状的遗传基础中具有重要的作用。     

盐、碱胁迫下水稻苗期根数和根长的QTL分析

在盐、碱胁迫条件下,分析水稻苗期的根数和根长并定位其QTL位点,为水稻的耐盐性和耐碱性的遗传机制及分子标记辅助育种提供理论基础。以盐碱敏感水稻品种东农425与强耐盐碱水稻品种长白10为亲本构建的重组自交系(RIL)为作图群体,在盐胁迫140 mmol/L的NaCl和碱胁迫0. 15%Na_2CO_3的处理条件下,以正常浇灌为对照,进行水稻苗期时根数和根长的测定,利用QTL IciMapping v3. 3软件的完备区间作图法(ICIM)分别对盐、碱胁迫和对照条件下水稻的根数和根长进行QTL分析。检测到18个加性效应QTL,在第1,2,3,4,5,7,8,9和10染色体上,LOD值为2. 01～3. 35,表型变异的贡献率为6. 02%～20. 06%。自然条件下,检测到4个与根数相关的QTL,qNRN7-2贡献率最大,为12. 46%,未检测到根长相关的QTL。在盐胁迫下,共检测到5个与根长、根数相关的QTL,qSRN3的贡献率最大,为20. 06%。在碱胁迫下,共检测到与根数和根长相关的3个QTL,qARN2的贡献率为12. 99%; qARL3和qARL5的贡献率分别为7. 04%和8. 88%。共检测到4个自然条件与盐胁迫差值的根数和根长相关的QTL,其中,qNSRN8-2和qN-SRL1贡献率较大,分别为14. 01%和14. 12%。在自然条件与碱胁迫的差值条件下,共检测到2个与根长、根数相关的QTL,分布在3,10号染色体上;检测到1个与根数相关的QTL,位于3号染色体上的qN-ARN3,贡献率为6. 02%;检测到1个与根长相关的QTL,位于10号染色体上的qN-ARL10,贡献率为7. 45%。在盐胁迫和碱胁迫条件下,水稻苗期的根数和根长都受到明显影响,相对于盐胁迫,水稻对碱胁迫更为敏感。     

数量性状基因的完备区间作图方法

结合分子标记和表型数据的QTL作图已成为数量性状遗传分析的常规方法。复合区间作图是近10多年来广泛应用的一种QTL定位方法,但它在算法上有一些缺陷,致使QTL效应可能会被侧连标记区间之外的标记变量吸收,同时不同的背景标记选择方法对作图结果的影响较大,并且难以推广到上位型互作QTL的定位。针对这些问题,笔者提出完备区间作图方法。本文介绍了该方法的遗传和统计原理,并通过一个大麦加倍单倍体群体说明其在定位加性QTL和加性×加性互作QTL中的应用。完备区间作图包含两个步骤：首先利用所有标记的信息,通过逐步回归选择重要的标记变量并估计其效应;然后利用逐步回归得到的线性模型校正表型数据,通过一维扫描定位加(显)性效应QTL,通过二维扫描定位上位型互作QTL。这种作图策略简化了复合区间作图中控制背景遗传变异的过程,提高了对QTL的检测功效。     

小麦燕大1817×北农6号重组自交系群体在正常和盐胁迫水培条件下苗期性状的QTL定位

小麦苗期性状能够指示品种的耐盐性。本研究以小麦骨干亲本燕大1817与品系北农6号衍生的230个重组自交系为材料,利用2013年3个不同时间的水培试验数据和已经构建的SSR和SNP高密度遗传连锁图谱分别对正常和盐胁迫条件下根数和最长根长等7个苗期性状进行QTL定位。利用完备复合区间作图法(ICIM)共检测到69个加性效应QTL(LOD≥2.5),分布于除1A染色体外的所有20条染色体上,单个QTL解释的表型变异率为2.70%~19.00%。有46个QTL的增效效应来自于燕大1817,有23个QTL的增效效应来自于北农6号。有12个QTL能够在3个或3个以上的环境中被检测到,在燕大1817中定位到稳定的多分蘖主效QTL QTn.cau-7BS.1和盐胁迫条件下特异表达的根数QTL QRn.cau-2A,解析了小麦骨干亲本燕大1817的繁茂性和抗逆性遗传基础,为解析小麦品种耐盐遗传机制和耐盐性的分子标记辅助选择提供了重要信息。     

一个新的水稻苗期耐碱主效QTL的定位

苗高是水稻生长发育的重要指标,碱胁迫会使水稻苗高明显降低。本研究以碱敏感的粳稻品种彩稻为母本与强耐碱的籼稻品种WD20342为父本杂交衍生的F2:3群体为初定位作图群体,构建了包含151个SSR标记的遗传连锁图谱;在0.15%Na2CO3胁迫条件下,对水稻苗期的苗高进行QTL初步定位。共检测到3个与碱胁迫下苗高相关的QTL,分布在第5、7和11染色体上,其中q ASH-7的贡献率最大,为20.09%,是一个主效QTL。以彩稻为轮回亲本进行分子标记辅助选择回交,构建了BC2F2:3次级定位群体,在初定位区间进行SSR标记加密,将q ASH-7定位在第7染色体RM336~RM5495遗传距离0.9 c M、物理距离180.67 kb的区域内,共预测出23个编码基因。本研究结果为水稻苗期苗高QTL更加精细的定位以及图位克隆提供了研究基础。     

利用回交导入系群体发掘水稻种质资源中的有利耐盐QTL

以中等感盐籼稻IR64与粳稻Tarom molaii培育的85个BC₂F₈回交导入系为材料，定位苗期在140 mmol L^-1 NaCl胁迫下影响叶片盐害级别、幼苗存活天数、地上部和根部的K⁺、Na⁺浓度等6个耐盐相关性状的QTL。幼苗存活天数与地上部Na⁺浓度呈极显著负相关，与地上部K⁺浓度呈显著正相关，与根部K⁺、Na⁺浓度无关，表明叶片盐害是由于地上部Na⁺积累过多造成的。根部K⁺浓度与Na⁺浓度高度正相关，但与地上部的K⁺、Na⁺浓度均无关，表明根对K⁺、Na⁺的离子吸收与向地上部运输存在不同的机制。检测到影响6个耐盐相关性状的23个QTL，包括影响叶片盐害级别的5个、幼苗存活天数的6个、地上部K⁺浓度的4个、地上部Na+浓度的4个、根部K+浓度的1个和根部Na+浓度的3个。影响地上部K⁺、Na⁺浓度与影响根部K⁺、Na⁺浓度的QTL分布在不同基因组区域，进一步表明根和茎对K⁺、Na⁺的吸收存在不同的遗传机制。通过比较图谱，发现影响耐盐相关性状的23个QTL中有12个（占52.2%）与以往不同群体中影响耐盐相关性状的QTL定位在同一或相邻的染色体区域。其中在第2染色体RM240~RM112区间检测到1个影响地上部所有4个耐盐相关性状的主效QTL，其增加耐盐性的有利基因来自供体Tarom molaii，适宜用作标记辅助选择耐盐性的遗传改良。对从种质资源中发掘“隐蔽”耐盐QTL进行了讨论。     

增加穗粒数的水稻染色体代换系Z747鉴定及相关性状QTL定位

增加穗粒数对水稻高产品种培育至关重要。其遗传基础复杂,由多基因控制。水稻染色体片段代换系可以将多基因控制的复杂性状分解,因而是理想的遗传研究材料。本研究通过高代回交和自交结合分子标记辅助选择方法,鉴定了一个以日本晴为受体、西恢18为供体亲本的、含有15个代换片段的增加穗粒数的水稻染色体片段代换系Z747,平均代换长度为4.49 Mb。与受体日本晴相比, Z747的每穗总粒数、一次枝梗数、二次枝梗数、穗长和粒长显著增加,粒宽显著变窄、结实率显著降低,但结实率仍为81%。进一步以日本晴和Z747杂交构建的次级F2群体鉴定出46个相关性状的QTL,分布于水稻1号、2号、3号、5号、6号、9号、11号和12号染色体上。其中qGPP12、qPH-3-1、qPH-3-2等12个QTL可能与已克隆的基因等位, qSPP9等34个可能是新鉴定的QTL。Z747的每穗总粒数由2个具有增加粒数效应的QTL (qSPP3和qSPP5)和1个具有减少粒数效应的QTL (qSPP9)控制。研究结果对主效QTL的精细定位和克隆、以及有利基因的单片段代换系培育有重要意义。     

玉米雄穗分枝数主效QTL定位及qTBN5近等基因系构建

立足于发掘玉米雄穗分枝数优异基因资源, 利用郑单958骨干亲本郑58和昌7-2构建的188个重组自交系(recombinant inbred line, RIL)家系群体, 结合288个多态性分子标记构建的连锁图谱和2年玉米雄穗分枝数表型数据, 运用完备复合区间作图法进行QTL定位, 共检测到5个控制玉米雄穗分枝数的一致性主效QTL, 分别位于玉米5条染色体上。通过连续回交及分子标记辅助选择构建了位于bin 5.05的控制雄穗分枝数主效QTL-qTBN5近等基因系(near isogenic line, NIL), 对基因遗传效应进行了验证, 并将qTBN5进一步定位在13.2 Mb区间之内, 为玉米雄穗分枝数主效基因的精细定位及分子育种奠定基础。     

Identification and multiple comparisons of QTL and epistatic interaction conferring high yield under boron and phosphorus deprivation in Brassica napus

Boron (B) and phosphorus (P) are two essential nutrients for plants. To unravel the genetic basis of B and P efficiency in Brassica napus, quantitative trait locus (QTL) and epistatic interaction analysis for yield and yield-related traits under contrast B and P conditions were performed using two mapping populations across various environments. Main effect QTLs were detected by QTLNetwork and QTL Icimapping (ICIM), and were compared with our previously reported main effect QTLs identified by QTLCartographer. Epistatic QTLs were identified by QTLNetwork, ICIM and Genotype matrix mapping (GMM), and multiple comparisons of main effect QTLs and epistatic QTLs were conducted. For the two mapping populations, 51 main effect QTLs were identified by QTLNetwork, 106 by ICIM. Among them, 35 main effect QTLs were simultaneously identified by three programs. Moreover, 578, 18 and 62 epistatic QTLs were identified by GMM, QTLNetwork and ICIM, respectively. Interestingly, a total of 235 epistatic QTLs identified by GMM were associated with 50 main effect QTLs identified by three programs. However, only nine epistatic QTLs identified by QTLNetwork and ICIM were involved in main effect QTLs. Twenty-two main effect QTLs in the BERIL population overlapped with 20 main effect QTLs for the same traits in the BQDH population, but no main effect QTLs were detected both under P and B stress environments, indicating the genetic differences in B and P homeostasis in B. napus. By in silico mapping, 29 candidate genes were located in the consensus QTL intervals. This study suggested the availability of dissecting genetic basis for complex traits under B/P deficiency by analyzing main effect QTLs and epistatic QTLs using multiple programs across different environments. The robust main effect QTLs and epistatic QTLs associated could be useful in breeding B and P efficient cultivars of B. napus.     

毛棉苗期抗旱性状的QTL定位

【目的】通过分析毛棉苗期抗旱相关性状的数量性状位点(Quantitative trait locus,QTL),以期检测稳定的主效QTL,促进栽培品种抗旱性状遗传改良及提高抗旱育种效率。【方法】以四倍体野生种毛棉(Gossypium tomentosum)和陆地棉品种中棉所12(CCRI 12)的种间杂种F2及其F2:3家系为研究材料,用于基因型分型的F2有188个系,用于表型分型的F2:3家系有149个株系。分别在干旱胁迫和正常灌水2个环境下调查表型数据。采用复合区间作图法对F2:3家系苗期相关性状抗旱系数进行QTL定位。【结果】对苗期相关性状抗旱系数的QTL定位分析,共得到16个QTL,其中与株高、叶片数、叶绿素含量、脯氨酸含量、丙二醛含量抗旱系数相关的QTL分别有5个、1个、3个、3个、4个,分布在13条染色体上。来自毛棉的5个加性QTL分别为qSHDC-19-1、qSHDC-19-2、qSLNDC-5-1、qMDADC-24-1、qMDADC-24-2,其加性效应值为0.10~0.22,解释变异9.4%~25.8%。【结论】这些与抗旱相关的QTL有助于棉花抗旱分子标记辅助选择。     

甘薯苗期耐盐性鉴定及其指标筛选

以18个甘薯品种(系)为试验材料, 设置对照和200 mmol L ^-1 NaCl浓度处理, 通过苗期盐土栽培胁迫方式, 对各处理下各品种(系)的茎叶鲜重、根系鲜重、茎叶干重、根系干重、叶片相对电导率、F_v/F_m、SPAD值、SOD酶活性、MDA含量、脯氨酸含量、根系活力、根系Na ⁺和K ⁺含量、Na ⁺/K ⁺比值等14个生理指标进行测定, 通过对各单项指标的耐盐系数进行相关分析、主成分分析、聚类分析和逐步回归等方法对品种(系)耐盐性进行综合评价。通过主成分分析, 将盐胁迫处理下甘薯苗期的14个单项指标转换成5个彼此独立的综合指标; 通过隶属函数分析, 得到不同品种(系)苗期耐盐性综合评价值(D值), 并通过聚类分析, 将18个甘薯品种(系)划分为4种耐盐类型, 其中盐敏感型4个、弱耐盐型3个、中度耐盐型7个和高度耐盐型4个。在此基础上, 利用逐步回归方法建立了可用于甘薯苗期耐盐性评价的回归方程, 同时筛选出茎叶鲜重、根系鲜重、茎叶干重、叶片SPAD值、SOD酶活性、MDA含量、脯氨酸含量、根系Na ⁺/K ⁺比值等8个可用于甘薯苗期耐盐性评价的生理指标。本研究可为甘薯耐盐新品种选育提供种质并为甘薯苗期耐盐性评价及耐盐机制研究提供理论依据。