應(yīng)用遺傳交配設(shè)計檢測數(shù)量性狀上位性QTL方法的研究.pdf

1、動植物大多經(jīng)濟重要性狀都是數(shù)量性狀。上位性效應(yīng)是數(shù)量性狀遺傳結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對雜種優(yōu)勢有重要作用，同時也是進化的遺傳基礎(chǔ)和進化群體的動力。因此數(shù)量性狀上位性的檢測十分重要。經(jīng)典數(shù)量遺傳學(xué)在多基因假說基礎(chǔ)上利用世代平均數(shù)分析或方差分析方法推斷基因間整體的相互作用，但由于只利用表型數(shù)據(jù)，不能提供互作QTL的數(shù)目、基因組位置、各別互作效應(yīng)的大小和特定基因間互作類型等詳細遺傳特性。借助遍布全基因組的分子標(biāo)記，上位性QTL可以被逐一解剖，從而

2、推斷出數(shù)量性狀詳細遺傳特性。目前已發(fā)展了較為完善的上位性QTL作圖方法，但是這些方法大多是在雙親本雜交衍生群體（如BC、F2、F2∶3、DH、RIL等）中發(fā)展的，這些簡單雜交在育種中很少單獨使用，從而可能造成QTL作圖的結(jié)果不能直接應(yīng)用到育種實踐中的情形。經(jīng)典數(shù)量遺傳學(xué)發(fā)展了豐富的遺傳交配設(shè)計，這些設(shè)計都與育種實踐緊密結(jié)合。為此我們探索了應(yīng)用遺傳交配設(shè)計產(chǎn)生的群體進行上位性QTL作圖的統(tǒng)計方法，所涉及的遺傳設(shè)計包括三重測交設(shè)計(TTC)

3、、四向雜交(4WC)設(shè)計和F2植株隨機交配設(shè)計（胚乳性狀）。
　　 目前已發(fā)展了一些利用上述三種設(shè)計進行QTL作圖的統(tǒng)計方法，但有兩個問題需要解決:一是上位性未被考慮或沒有完全解析。TTC設(shè)計中僅估計了aa和dd雙基因上位性效應(yīng)，ad和da上位性效應(yīng)沒有估計;4WC設(shè)計中所有方法全都是基于單QTL遺傳模型的，上位性效應(yīng)沒有考慮;F2植株隨機交配設(shè)計檢測胚乳性狀QTL也是基于單QTL模型的。二是效應(yīng)估計有偏。TTC設(shè)計中估計的QT

4、L主效與QTL×遺傳背景上位性相混淆（F2計量模型下ai與[dai]相混，di與[aai]相混）;基于F2∶3或BC自交群體進行胚乳性狀QTL作圖方法對ETL兩種顯性效應(yīng)和上位性效應(yīng)估計有偏。我們的研究就是圍繞上述問題開展的，結(jié)果如下:
　　 1.基于F2群體的TTC設(shè)計進行上位性QTL作圖方法來自F2群體的隨機樣本分別與3個測驗種P1、P2和F1雜交，產(chǎn)生L1i、L2i和L3i家系。應(yīng)用兩步驟方法對數(shù)據(jù)集Zt（Z1i=(L)1

5、i+(L)2i、Z2i=(L)1i-(L)2i和Z3i=(L)1i+(L)2i-2(L)3i）和F2植株標(biāo)記基因型進行關(guān)聯(lián)分析，無偏地估計QTL主效和所有4種類型上位性效應(yīng)。第一步，對Z1和Z2數(shù)據(jù)集，利用經(jīng)驗貝葉斯方法同時對全基因組上所有標(biāo)記進行分析，檢測擴張的QTL加性效應(yīng)[a*k=ak+1/2∑ql=1,l≠k（iakdl-idkal）或 a*k=ak-1/2∑ql=1,l≠kidkal]、顯性效應(yīng)[d*k=dk-1/2∑ql=1

6、，l≠k（iakal-idkdl）或d*k=dk-1/2∑ql=1,l≠kiakal]和復(fù)合上位性效應(yīng)（(i)kl=iakal+idkdl和(i)kl=iakdl+idkal）;對Z3數(shù)據(jù)集，通過二維掃描和最大似然法檢測純上位性效應(yīng)iakdl、idkal和idkdl。第二步，根據(jù)第一步分析得到的純上位性效應(yīng)（iakdl、idkal和idkdl）對復(fù)合上位性效應(yīng)（(i)kl和(i)kl）進行剖分，得所有4種類型的純上位性效應(yīng)（iakal、

7、iakdl、idkal和idkdl）;根據(jù)這些純上位性效應(yīng)進一步對擴張的QTL主效（a*k和d*k）進行剖分，得純QTL主效（ak和dk）。通過兩套模擬研究驗證所提出方法。模擬試驗結(jié)果表明:(1)所定義的遺傳參數(shù)（擴張QTL主效和復(fù)合上位性效應(yīng)）能夠被正確地鑒別，QTL檢測的統(tǒng)計功效令人滿意，所估計的QTL效應(yīng)和位置具有較高的精確度和準(zhǔn)確度。兩步驟方法能無偏地估計QTL主效和所有4種類型上位性效應(yīng)。(2)對于QTL作圖來說，TTC設(shè)計在

8、許多方面優(yōu)于F2和F2∶3設(shè)計。(3)利用Z1和Z2數(shù)據(jù)集檢測復(fù)合上位性效應(yīng)（(i)kl和(i)kl）的統(tǒng)計功效極大地受純上位性效應(yīng)（iakal與idkdl，iakdl與idkal）符號的影響;而利用Z3數(shù)據(jù)集檢測純上位性效應(yīng)（iakdl、idkal和idkdl）的統(tǒng)計功效則表現(xiàn)穩(wěn)定。(4)主效和上位性效應(yīng)的完全剖分要求大的樣本容量和許多重復(fù)。這一QTL作圖方法可以很容易地擴展到基于其他群體（如RIL，BC和DH等）的TTC設(shè)計。

9、>　　 2.四向雜交中上位性QTL作圖四向雜交涉及4個不同自交系，常見于動植物商業(yè)化育種程序中，直接在這類群體中進行QTL作圖既經(jīng)濟又實用。但是，現(xiàn)有針對4WC群體的QTL作圖統(tǒng)計方法都是建立在單QTL遺傳模型基礎(chǔ)之上。這種簡單遺傳模型不能考慮在復(fù)雜性狀遺傳特性中起重要作用的QTL間互作。因此，我們發(fā)展了4WC群體中檢測上位性QTL的統(tǒng)計方法。首先，利用多點方法計算QTL基因型條件概率，并根據(jù)這些條件概率抽取整個基因組中所有假定QTL

10、的基因型。接著，根據(jù)這些抽取的基因型構(gòu)建QTL效應(yīng)的設(shè)計矩陣。最后，利用懲罰最大似然方法同時估計所有的QTL效應(yīng)，包括所有主效和上位性效應(yīng)。通過蒙特卡羅模擬試驗研究了QTL遺傳率、樣本容量、不完全標(biāo)記信息和QTL位置等因素對所提方法的影響，結(jié)果表明所提方法能提供滿意的準(zhǔn)確度、精確度、統(tǒng)計功效，并且基因組范圍假陽性率通常小于0.3％。對棉花4WC群體(Simian3/Sumian12)//(Zhong4133/8891)的2.5％纖維跨距

11、長度進行了分析，共檢測到13個主效QTL和5對上位性QTL，單個QTL遺傳率變化在0.88～6.81％，所檢測到的主效和上位性QTL總遺傳率為47.74％。原先由Qin等(2008)用MapQTL5.0鑒定的4個主效QTL全被新方法檢測到。而每對互作QTL中，其中一個有主效，另一個沒有主效。這說明所提方法不僅能夠檢測上位性QTL，上位性的檢測不依賴于主效是否存在，而且對于主效QTL的檢測比區(qū)間作圖更有效力。
　　 3.隨機雜交設(shè)

12、計中胚乳數(shù)量性狀上位性QTL全基因組作圖三倍體胚乳是谷類作物種子的主要成份，直接關(guān)系著人類食糧和動物飼料的營養(yǎng)品質(zhì)，因此經(jīng)濟上十分重要。胚乳數(shù)量性狀QTL(ETL)作圖能為谷物品質(zhì)的遺傳改良提供有效的途徑。但是，目前大多數(shù)三倍體ETL作圖方法不能提供ETL的兩種顯性效應(yīng)的無偏估計，Wen和Wu(2006)的隨機雜交設(shè)計可以用于解決這一問題。上位性在數(shù)量性狀遺傳特性解剖中起重要作用，但目前多數(shù)ETL作圖方法并不考慮上位性效應(yīng)。應(yīng)此，我們發(fā)

13、展了應(yīng)用隨機雜交設(shè)計在三倍體胚乳性狀遺傳模型下定位上位性胚乳數(shù)量性狀QTL(eETL)的方法。利用懲罰最大似然法對隨機雜交系的胚乳性狀平均數(shù)和它們相應(yīng)的雙親F2植株標(biāo)記信息一起進行分析，高效地、無偏地估計eETL的位置和所有效應(yīng)。通過蒙特卡羅模擬試驗研究了不同ETL遺傳率、樣本容量、每株母本植株上測定的種子胚乳數(shù)目和抽樣方案下所提方法的性能。模擬研究結(jié)果表明，所提方法能準(zhǔn)確地估計eETL參數(shù)，并且假陽性率低、計算時間短。此外，通過對長度