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1、QTLQTL定位定位研究与作图研究与作图小组成员：龙博文、张涛、陈天旭、何维斌、何六涛什么是什么是QTLQTL？QTL是quantitativetraitlocus的缩写，中文可以翻译成数量性状座位或者数量性状基因座，它指的是控制数量性状的基因在基因组中的位置。 对QTL的定位必须使用遗传标记，遗传标记是指生物体的某些性状或物质,它们能够稳定遗传且遗传方式简单,可以反映生物个体或群体的特征。现有的遗传标记有形态标记、同工酶标记、RFLP标记、RAPD标记、AFLP标记等。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 人
2、们通过寻找遗传标记和感兴趣的数量性状之间的联系，将一个或多个QTL定位到位于同一染色体的遗传标记旁，换句话说，标记和QTL是连锁的。根据统计分析方法的不同,可分为方差与均值分析法、回归及相关分析法、矩估计及最大似然法等。根据标记区间数可分为零区间作图、单区间作图和多区间作图。此外,还有将不同方法结合起来的综合分析方法,如QTL复合区间作图(CIM)多区间作图(MIM)、多QTL作图、多性状作图(MTM)等。1区间作图法(intervalmapping,IM)Lander和Botstein(1989)等提出,建立在个体数量性状观测值与双侧标记基因型变量的线性模型的基础上,利用最大似然法对相邻标记
3、构成的区间内任意一点可能存在的QTL进行似然比检测,进而获得其效应的极大似然估计。其遗传假设是,数量性状遗传变异只受一对基因控制,表型变异受遗传效应(固定效应)和剩余误差(随机效应)控制,不存在基因型与环境的互作。区间作图法可以估算QTL加性和显性效应值。与单标记分析法相比,区间作图法具有以下特点: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。但IM也存在不足:QTL回归效应为固定效应;无法估算基因型与环境间的互作(QE),无法检测复杂的遗传效应(如上位效应等
4、);当相邻QTLs相距较近时,由于其作图精度不高,QTLs间相互干扰导致出现GhostQTL;一次只应用两个标记进行检查,效率很低。2复合区间作图法(compositeintervalmapping,CIM)CIM是Zeng(1994)提出的结合了区间作图和多元回归特点的一种QTL作图方法。其遗传假定是,数量性状受多基因控制。该方法中拟合了其他遗传标记,即在对某一特定标记区间进行检测时,将与其他QTL连锁的标记也拟合在模型中以控制背景遗传效应。CIM主要优点是:由于仍采用QTL似然图来显示QTL的可能位置及显著程度,从而保证了IM作图法的优点;假如不存在上位性和QTL与环境互作,QTL的位置和
5、效应的估计是渐进无偏的;以所选择的多个标记为条件(即进行的是区间检测),在较大程度上控制了背景遗传效应,从而提高了作图的精度和效率。存在的不足是: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。3基于混合线性模型的复合区间作图法 朱军(1998)提出了用随机效应的预测方法获得基因型效应及基因型与环境互作效应,然后再用区间作图法或复合区间作图法进行遗传主效应及基因型与环境互作效应的QTL定位分析。该方法的遗传假定是数量性状受多基因控制,它将群
6、体均值及QTL的各项遗传效应看作为固定效应,而将环境、QTL与环境、分子标记等效应看作为随机效应。由于MCIM将效应值估计和定位分析相结合,既可无偏地分析QTL与环境的互作效应,又提高了作图的精度和效率。此外该模型可以扩展到分析具有加加、加显、显显上位的各种遗传主效应及其与环境互作效应的QTL。利用这些效应值的估计,可预测基于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,因而其具有广阔的应用前景。几种作物的QTL 定位 利用不同的实验设计、作图群体和作图方法,人们已对许多植物如棉花(Sarangaetl,2001)、大豆(Venancioetal,2001)、油菜(Pil
7、etetal,1998)、小麦(Messmeretal,2000)、玉米(Tuberosaetal,2002)、苹果(Conneretal,1998)、松树(Paivietal,2000)等植物的重要数量性状进行了QTL定位研究,相比之下,模式植物水稻、拟南芥等研究得较多、较深(Leonie,2000;Yamamotoetal,2000;邢永忠等,2001;FukuokaandOkuno,2001;滕胜等,2002)。进行QTL定位的主要农艺性状有:谷物产量、生育期、株高、根的形态、谷粒外观品质和食味品质、稻瘟病部分抗性、纹枯病抗性,以及抗非生物逆境等复杂性状。如番茄的抗病性、抗虫性(Yenc
8、hoetal,2000;DavidandSara,2001;Danieltal,2002)、可溶性固形物含量、水分利用率、耐盐性等性状,玉米的株高和耐热性,大豆品质性状,油菜硼高效(Xuetal,2001)等性状,拟南芥光周期、种子可溶性寡糖及种子储藏能力(Leonieetal,2000),水稻耐(Koyamaetal,2001)、耐低磷(Wissuwaetal,1998)、耐铝毒害(Wuetal,2000)、N素营养(Yamayaetal,2002)、抽穗期、抗病性、粒形、根的形态、耐冷性、杂种优势、雄性不育、产量及其构成因素、耐淹性、稻头再生能力、种子休眠性等。QTL精细定位 数量性状基因
9、的精确定位存在很大的难度,因为利用一般群体进行QTL定位,QTL的置信区间通常在10cm以上,很难确定检测到的一个主效QTL到底是一个还是多个微效QTL。要系统地开展QTL的精细定位,就应该建立一套覆盖全基因组的相互重叠的染色体片段替代系或近等基因系,也就是在一个受体亲本的遗传背景中建立另一个供体亲本的“基因文库”。构建近等基因系,首先需要对QTL有初步定位,再结合回交和分子标记辅助选择,对QTL靶区间进行正选择,对背景进行负选择,从而快速构建靶区间的近等基因系。如果创建一套覆盖全基因组的染色体片段的替代系,将对QTL精细定位提供非常便利的条件。目前,番茄和十字花科物种中已建立起这样的替代系。
10、应用染色体片段替代系,已成功地对水稻抽穗期QTL进行了精细定位,分辨率超过0.5cm。QTL 的基因克隆 对QTL研究的最终目标应是将QTL上的基因克隆分离出来,亦即对数量性状进行分子剖析。以基因定位为基础的基因克隆技术,称为基于图谱的克隆(mapbasedcloning)或图位克隆(positionalcloning)图位克隆特别适合于分离产物未知的基因(如QTL),主要采用染色体步行法。迄今,图位克隆技术已成功地应用于分离一些主基因,如番茄中的抗病基因和拟南芥菜中的光周期敏感基因和对番茄果重QTL(fw2.2)的克隆分离,并业已获得了包含fw2.2的DNA大片段。QTL的应用与抗病基因紧密连锁的分子标记,已分离出水稻抗白叶枯病的基因Xa221,这是禾谷类作物中第一个根据图谱成功分离的基因。许勇等应用与枯萎病生理小种1抗性基因连锁的RAPD标记OPP01/700,初步建立了西瓜抗枯萎病育种分子标记辅助选择系统,为高效利用西瓜野生种质的优良抗病性提供了可能,也为最终定位与克隆西瓜野生种质的抗病基因打下了良好的基础。Tanksley利用分子标记在一小果番茄品种中定位了2个果重QTLs,并通过杂交渐渗到一个大果栽培品种,使后者果重提高了10%。Stuber等利用分子标记将玉米高产基因进行转移,育成新品种较对照增产15%。QTL的应用
