数量性状的分子标记（QTL定位的原理和方法讲义）

数量性状的分子标记(QTL定位的原理和方法讲义)

作物中大多数重要的农艺性状和经济性状如产量、品质、生育期、抗逆性等都是数量性状。与质量性状不同，数量性状受多基因控制，遗传基础复杂，且易受环境影响，表现为连续变异，表现型与基因型之间没有明确的对应关系。因此，对数量性状的遗传研究十分困难。长期以来，只能借助于数理统计的手段，将控制数量性状的多基因系统作为一个整体来研究，用平均值和方差来反映数量性状的遗传特征，无法了解单个基因的位置和效应。这种状况制约了人们在育种中对数量性状的遗传操纵能力。分子标记技术的出现，为深入研究数量性状的遗传基础提供了可能。控制数量性状的基因在基因组中的位置称为数量性状基因座（QTL）。利用分子标记进行遗传连锁分析，可以检测出QTL，即QTL定位（QTL mapping）。借助与QTL连锁的分子标记，就能够在育种中对有关的QTL的遗传动态进行跟踪，从而大大增强人们对数量性状的遗传操纵能力，提高育种中对数量性状优良基因型选择的准确性和预见性。因此，QTL定位是一项十分重要的基础研究工作。1988年，Paterson等发表了第一篇应用RFLP连锁图在番茄中定位QTL的论文。之后，随着分子标记技术的不断发展以及许多物种中分子连锁图谱的相继建成，全世界出现了研究QTL的热潮，每年发表有关QTL研究的论文数量几乎呈指数增长（图5.1），显示了该研究领域的勃勃生机。目前， QTL定位研究已在许多重要作物中展开，并且进展迅速。本章主要介绍QTL定位的原理和方法。

图5.1 1986~1998年期间国际上每年发表有关QTL研究的论文的数量. 数据从英国BIDS信息系统检索得到

第一节 数量性状基因的初级定位

QTL定位就是检测分子标记（下面将简称为标记）与QTL间的连锁关系，同时还可估计QTL的效应。QTL定位研究常用的群体有F2、BC、RI和DH。这些群体可称为初级群体（primary population）。用初级群体进行的QTL定位的精度通常不会很高，因此只是初级定位。由于数量性状是连续变异的，无法明确分组，因此QTL定位不能完全套用孟德尔遗传学的连锁分析方法，而必须发展特殊的统计分析方法。80年代末以来，这方面的研究十分活跃，已经发展了不少QTL定位方法。

数量性状的分子标记（QTL定位的原理和方法讲义）

数量性状的分子标记(qtl定位的原理和方法讲义)

作物中最重要的农艺和经济性状，如产量、品质、生育期、抗逆性等，都是数量性状。与品质性状不同，数量性状受多基因控制，遗传基础复杂，易受环境影响。它们表现出持续的变异，表型和基因型之间没有明确的对应关系。因此，数量性状的遗传研究非常困难。长期以来，我们只能用数理统计的方法从整体上研究控制数量性状的多基因系统，用平均值和方差来反映数量性状的遗传特征，因此无法理解单个基因的位置和作用。这种情况限制了人们在育种中对数量性状的遗传操作能力。分子标记技术的出现使进一步研究数量性状的遗传基础成为可能。控制数量性状的基因在基因组中的位置称为数量性状位点（QTL）。QTL定位可以通过分子标记进行遗传连锁分析来检测。借助与QTL连锁的分子标记，我们可以在育种中跟踪相关QTL的遗传动态，从而大大提高人们对数量性状的遗传操作能力，提高育种中数量性状良好基因型选择的准确性和可预测性。因此，QTL定位是一项非常重要的基础研究工作。1988年，Paterson等人发表了第一篇关于利用RFLP连锁图谱定位番茄QTL的论文。此后，随着分子标记技术的不断发展和许多物种分子连锁图谱的完成，世界各地掀起了QTL研究的热潮。QTL研究发表的论文数量几乎每年都呈指数增长（图5.1），这表明了该研究领域的活力。目前，QTL定位研究已在许多重要作物上开展，并取得了快速进展。本章主要介绍QTL定位的原理和方法。

图5.11986~1998年期间国际上每年发表有关qtl研究的论文的数量.数据从英国bids信息系统检索得到

第一节数量性状基因的初步定位

qtl定位就是检测分子标记（下面将简称为标记）与qtl间的连锁关系，同时还可估计qtl的效应。qtl定位研究常用的群体有f2、bc、ri和dh。这些群体可称为初级群体（primarypopulation）。用初级群体进行的qtl定位的精度通常不会很高，因此只是初级定位。由于数量性状是连续变异的，无法明确分组，因此qtl定位不能完全套用孟德尔遗传学的连锁分析方法，而必须发展特殊的统计分析方法。80年代末以来，这方面的研究十分活跃，已经发展了不少qtl定位方法。

数量性状(xìngzhuàng)的分子标记(QTL定位的原理和方法讲义)

作物中大多数重要的农艺性状和经济性状如产量、品质、生育期、抗逆性等都是数量性状。与质量性状不同，数量性状受多基因控制，遗传基础复杂，且易受环境影响，表现为连续变异，表现型与基因型之间没有明确的对应关系。因此，对数量性状的遗传研究十分困难。长期以来，只能借助于数理统计的手段，将控制数量性状的多基因系统作为(zuòwéi)一个整体来研究，用平均值和方差来反映数量性状的遗传特征，无法了解单个基因的位置和效应。这种状况制约了人们在育种中对数量性状的遗传操纵能力。分子标记技术的出现，为深入研究数量性状的遗传基础提供了可能。控制数量性状的基因在基因组中的位置称为数量性状基因座（QTL）。利用分子标记进行遗传连锁分析，可以检测出QTL，即QTL定位（QTL mapping）。借助与QTL连锁的分子标记，就能够在育种中对有关的QTL的遗传动态进行跟踪，从而大大增强人们对数量性状的遗传操纵能力(nénglì)，提高育种中对数量性状优良基因型选择的准确性和预见性。因此，QTL定位是一项十分重要的基础研究(yánjiū)工作。1988年，Paterson等发表了第一篇应用RFLP连锁图在番茄中定位QTL的论文。之后，随着分子标记技术的不断发展以及许多物种中分子连锁图谱(túpǔ)的相继建成，全世界出现了研究QTL的热潮，每年发表有关QTL研究的论文数量几乎呈指数增长（图5.1），显示了该研究领域的勃勃生机。目前， QTL定位研究已在许多重要作物中展开，并且进展迅速。本章主要介绍QTL定位的原理和方法。

图5.1 1986~1998年期间国际上每年发表有关(yǒuguān)QTL研究的论文的数量. 数据从英国(yīnɡ ɡuó)BIDS信息系统检索得到

第一节 数量性状基因的初级(chūjí)定位

QTL定位就是(jiùshì)检测分子标记（下面将简称为标记）与QTL间的连锁关系，同时(tóngshí)还可估计QTL的效应。QTL定位研究常用的群体有F2、BC、RI和DH。这些群体可称为初级群体（primary population）。用初级群体进行的QTL定位的精度通常不会很高，因此只是初级定位。由于数量性状是连续变异的，无法明确分组，因此QTL定位不能完全套用孟德尔遗传学的连锁分析方法，而必须发展特殊的统计分析方法。80年代末以来，这方面的研究十分活跃，已经发展了不少QTL定位方法。

安徽农业科学。Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　ａｇ６．Ｓｅｉ．２００９。３７（１３）：５８７９—５８８２　责任编辑罗芸责任校对傅真治　二倍体数量性状ＱＴＬ定位方法　王伟，贺杰，崔秀珍，李哲　（河南科技学院生命科技学院．河南新乡４５３ｏｏ３）　摘要论述了数量性状基因（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｔｒａｉｔ　ｌｏｃｕｓ，　丌｜）定位方法的产生与发展，并总结了每种方法的优缺点，特别是对区间作图方法和　复合区问作图方法进行了较详细的介绍。　关键词数量性状基因座；区间作图；复合区间作图　中图分类号Ｓ１８８　文献标识码Ａ　文章编号０５１７—６６１１（２０ｏ９）ｌ３—０５８７９—０４　Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ＂ｌｌ－ａｉｔｓ　Ｌｏｃｉ　Ｍａｐｐｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　Ｄｉｐｌｏｉｄ＂ｌｉ－ａｉｔｓ　ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ　ｅｔ　ａｌ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｌｉｆｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｅｉｅｎ￣ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉｎｘｉｔｍｇ，Ｈｅｎａｎ　４５３００３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｔｒａｉｔ　ｌｏｃｉ（ＱＴＩ　）ｍａｐｐｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｅｒｅ　ｓｕ￣ｎａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｏｆｅａｃｈ　ｍａｐ—　ｐｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｍａｐｐｉｎｇ（ＩＭ）ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｅｏｍｐｏｓｉｌｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｍａｐｐｉｎｇ（ＣＩＭ）ｍｅｔｈｏｄ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｔｒａｉｔ　ｌｏｃｕｓ；Ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｍａｐｐｉｎｇ；Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｍａｐｐｉｎｇ　作物的许多重要经济性状是呈现连续性变异的一类数　量性状，如作物的产量、品质和抗性等。数量性状的遗传研　究是作物资源保护和遗传改良必要的前提条件。１９０９年．　Ｎｉｌｓｓｏｎ—Ｅｈｌｅ对小麦种皮颜色进行了研究，总结出数量性状　遗传的多因子学说　Ｊ。同年Ｊｏｈａｎｎｓｅｎ提出了“基因”一词，他　在对菜豆种子粒重遗传研究中提出纯系学说。接着Ｆｉｓｈ．　ｅｒ【　Ｉ３　Ｊ、　ｔｌ　』和Ｍａｔｈｅｄ　等利用统计方法研究数量性　状，创立了传统的数量遗传学。然而，上述传统数量遗传分　析是依据“黑箱”理论。因此，所估计的遗传参数反映的是数　量性状多基因系统的整体特征，其理论方法不能用于追踪研　究以及描述单个数量性状基因的作用。　１９２３年，Ｓａ　ｃ研究了菜豆种子的大小与种皮色素之间的　遗传关系。他认为，有色与大粒、白色与小粒的相互关联，是　由于控制种子大小的多基因与控制种皮色素的单基因之间　的连锁造成的，进而提出用较易观察到的形态标记鉴别微效　基因，并确立了这一分析的基本思想　Ｊ。Ｔｈｏｄａｙ首次提出利　用２个单基因标记，对控制数量性状的微效多基因进行定位　的设想ｌ８　Ｊ。此后，许多学者借助当时可供利用的遗传标记，　进行了ＱＴＬ定位的理论研究。但是，由于缺乏单基因标记，　而且已有的标记不适于分析数量性状，从而系统地、精确地　进行ＱＴＬ定位一直比较困难。幸好，随着分子标记技术的发　展，在许多作物上已获得了完整的、高密度的分子标记连锁　图谱。因此，越来越丰富的、稳定的分子标记为数量性状的　剖分创造了条件。对分子标记数据和数量性状表型值进行　关联分析可以明确控制某一数量性状的ＱＴＬ特性。ＤＮＡ分　子标记在基因组上的位置和基因型是已知的，数量性状表型　是可观察或测量的，而ＱＴＬ的位置和效应则为未知。构建　呷　图谱，就是根据标记基因型和数量性状表型，应用一定　的统计方法，在遗传连锁图上标定有关ＱＴＬ的位置，并估计　其效应。这简称为ＱＴＬ作图　Ｊ。目前已发展了多种构建　ＱＴＬ图谱的方法。　１单标记分析　单标记分析（ｓｉ嘲ｅ　ｍａｒｋｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ），一般是利用单向分　基金项目　作者简介　收稿日期　河南科技学院高层次人才科研启动项目（５０５１）。　王伟（１９７９一），女，山东泰安人，硕士，讲师，从事棉花数量　遗传学研究工作。　２００９４）２．１９　组资料方差分析方法，测验某一标记各基因型分组数量性状　表型值平均数的差异显著性，或对某数量性状表型值依某一　标记编码值的回归系数进行显著性测验。　这一方法揭示了ＱＴＬ作图的基本思想。但是，也存在明　显的缺点一ｍ　：①不能区分标记是与一个还是多个ＱＴＬ相联；　②没有确定ＱＴＬ可能位置，尤其不能区分小效应ＱｒＩ１ＩＪ的紧密　连锁和具有大效应ＱＴＬ的稀疏连锁；③ＷＥ的效应估计可能　很低，因为它们与重组率相混；④由于效应混淆，统计功效不　高，而且需要测验许多个体；⑤在检测多个遗传标记时忽略　了犯ａ错误概率增加的可能性，即容易发生假阳性；⑥若存　在不与标记连锁的其他ｑｒｃ可能会加大对于所测定的一个　可能连锁的ＱＴＬ作用的剩余误差，从而降低了检测出ＱＴＬ的　概率。　Ｗｅｌｌｅｒ对单标记分析方法进行了改进，在数量性状呈正　态分布的假定下，结合极大似然法与矩估计法估计重组率以　及各种ＱＴＬ基因型的平均数和方差。其最大贡献是首次对　ＱＴＬ基因型缺失数据用混合模型进行处理。缺点是：①所得　参数估计值并非真正的极大似然解；②无法估计参数的置信　区间；③随着标记与ＱＴＬ之间距离的增大，检测到ＷＥ的能　力有所下降一”ｊ。　值得一提的是，单标记分析法的结果与后来发展的区间　作图法（Ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｍａｐｐｉｎｇ，ＩＭ）和复合区间作图法（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎ—　ｔｅｒｖａｌ　ｍａｐｐｉｎｇ，ｃｉＭ）等的分析结果具有较好的一致性，表明这　种分析方法的合理性和实用性。　１９９４年，Ｋｅａｒｓｅｙ等提出一种用标记基因型均值之间的差　异与标记一ＱＩＩ　重组率进行回归分析的方法　ｌ　。Ｗｕ等提出　一种叭联合作图方法，思路与Ｋｅａｒｓｅｙ等的标记回归方法　非常接近０　。两方法都是利用了一条染色体上的所有标记　进行回归分析，算法简便直观，而且可以处理标记基因型数　据不完整的作图群体。但是，由于事先不知道一条染色体上　ＱＴＬ的数目，所以，在进行ＱＴＣ定位时难于确定适合的回归　模型。　２区间作图法　区间作图法（Ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｍａｐｐｉｎｇ，ＩＭ）是由Ｌａｎｄｅｒ等¨引、　Ｊｅｎｓｅｎ　］以及Ｋｎａｐｐ等［　］提出的。它建立在双侧标记混合　模型的基础上，利用极大似然法对染色体上相邻标记构成的　区间内任意一点是否存在ＱＴＬ进行似然比测验，