现代数量遗传学研究
遗传学数量性状的遗传分析
遗传学数量性状的遗传分析
目录
• 引言 • 数量性状遗传基础 • 数量性状遗传分析方法 • 数量性状基因定位 • 数量性状基因组关联分析 • 数量性状基因组编辑与优化
01
引言
研究背景
01
遗传学数量性状是生物体表型特 征中受多个基因和环境因素共同 影响的性状，如身高、体重等。
02
随着分子生物学和基因组学的发 展，遗传学数量性状的遗传分析 已成为遗传学研究的重要领域。
关联分析的软件工具
01
Plink
一款常用的关联分析软件，提供 多种统计分析和可视化工具，用 于处理和分析大规模遗传数据。
02
03
GAPIT
Tassel
基于R语言的关联分析工具包， 提供了丰富的统计方法和可视化 功能，适用于复杂数据分析。
主要用于基因组关联分析的软件， 支持多种数据格式和多种统计模 型，可进行大规模数据分析。
QTL定位的软件工具
QTL Cartographer
基于区间作图法的QTL定位软件，适用于大样本数据 集。
Tassel
综合关联分析和区间作图法的QTL定位软件，具有强 大的数据处理和分析能力。
R/qtl
基于R语言的QTL定位软件，提供了多种统计模型和 可视化工具。
05
数量性状基因组关联分析
关联分析的基本原理
广义遗传力
广义遗传力用于描述数量性状在遗传和环境变异中的贡献，计算公式为加性方差和显性方差占表型方差的比值。
狭义遗传力
狭义遗传力仅考虑基因型对表型变异的贡献，计算公式为加性方差占表型方差的比值。
遗传相关分析
遗传相关系数
用于描述两个数量性状之间的遗传关系，计算公式为两个数量性状的加性方差和显性方差之间的比值 。
数量遗传学与作物育种
3 遗传率
• 遗传率 也称为遗传力，是遗传方差占总方差的比率，遗传 学上解释为性状变异的遗传传递能力，它是遗传方差占总方 差的比例，故又称为遗传率。遗传率分为狭义遗传率和广义 遗传率。广义遗传率为群体遗传方差VA+VD占表型方差的比 率。狭义遗传率定义为加性遗传方差VA占总方差VP的比率。 • 狭义遗传率： VA 2
• Hardy和Weiberg(1908)研究群体的基因型频率发 现了随机交配群体的遗传平衡定律，为群体遗传 学的发展提供了基础，依此人们进一步研究群体 的遗传演变、进化和适应。 • Fisher（1918）提出了表型方差可以分解为遗传 方差（包括加性方差、显性方差、上位性方差） 和环境方差的经典数量遗传学思路，为变异的遗 传学解析提供了基础。 • 二十世纪七十年代以前，还出现了许多遗传试验 设计及其分析方法，例如NC设计、三重测交设计、 基因型与环境互作的设计与分析、双列杂交与配 合力分析等。
• 对动物、植物和人类的许多数量性状遗传研究表明，生物 群体所处的宏观环境对群体表现也具有环境效应E，基因 在不同环境中的表达也可能不尽相同，会存在基因型与环 境互作效应GE。因此．生物体在不同环境下的表现型值 可以细分为P=E＋G＋GE＋e，群体表现型变异也可作相 应的分解，VP=VE+VG+VGE+Ve。 • 对于加性—显性遗传体系，如果基因型效应可以分解为加 性效应和显性效应，GE互作效应也可相应地分解为加性 与环境互作效应AE和显性与环境互作效应DE，个体的表 现型值为P=E+A+D+AE+DE+e，表现型方差可分解为 VP=VE+VA+VD+VAE+VDE+Ve。 • 对于加性—显性—上位性遗传体系，个体表现型值为 P=E+A+D+I+AE+DE+IE+e，表现型方 差的分解为 VP=VE+VA+VD+VI+VAE+VDE+VIE+Ve，其中IE是上位性与 环境互作效应 ，VIE是上位性与环境互作方差。
统计遗传学和数量遗传学
统计遗传学和数量遗传学统计遗传学（Statistical Genetics）是研究基因在群体中的分布和遗传变异的学科。
它利用统计学方法来分析基因与表型之间的关系，探索遗传和环境对个体表型变异的贡献。
统计遗传学主要关注以下内容：1.基因频率和基因型分布：通过对群体中基因频率和基因型分布进行统计分析，研究基因在群体中的分布规律和遗传动力学。
2.遗传连锁和基因关联：研究基因间的连锁关系和基因关联，了解遗传效应和基因相互作用对表型变异的影响。
3.遗传参数的估计：通过统计方法来估计遗传参数，如遗传方差、遗传相关性等，从而量化基因与表型之间的关系。
4.基因组关联分析：以全基因组信息为基础，通过对大规模基因型和表型数据的分析，寻找基因与复杂性状之间的关联，并揭示与疾病风险相关的基因位点。
数量遗传学（Quantitative Genetics）是研究连续性性状遗传规律的学科。
它通过量化表型变异，并将其归因于遗传和环境因素的相互作用，研究性状的遗传机制和遗传参数的估计。
数量遗传学主要关注以下内容：1.基因型与表型之间的关系：对连续性性状进行测量，并通过统计分析研究基因型和表型之间的关系。
2.遗传方差分析：利用统计模型和遗传方差分析方法，估计遗传和环境因素对性状变异的贡献。
3.遗传相关性和遗传进化：研究性状之间的遗传相关性和遗传进化，探讨性状演化和群体遗传结构的影响。
4.遗传参数的估计：通过统计方法和家族研究，估计遗传参数，如遗传方差、遗传相关性和遗传可塑性等。
统计遗传学和数量遗传学都是遗传学的分支领域，它们通过统计和数学方法来揭示基因与性状之间的关系，拓展了对遗传变异和遗传机制的理解。
这些研究对于人类和动植物的遗传性状研究、疾病遗传学以及选择育种等领域具有重要的意义。
数量遗传学
质量性状：指由一对或对基因控制，在个体间能够明显区分，呈不连续性变异的性状。
数量性状：由微效多基因控制，在群体中不能明显区分，呈连续性变异的性状。
门阈性状：由微效多基因控制的，在群体中呈不连续分布的性状，一般能够明显地区分其表现形式。
数量遗传学：指用数理统计方法和数学分析方法研究数量性状遗传和变异规律的科学。
选择：在人类和自然干预下，某一群体的基因在世代传递的过程中，某种基因型个体的比例所发生的变化现象，称作选择。
适应度：比较群体中各种基因型（以个体平均留种子女数为标准）生存适应力的相对指标。
适应度就是特定基因型的留种率和群体最佳基因型留种率之比值。
选择系数：1减去适应度就是该基因型的选择系数。
留种率+淘汰率＝1遗传漂变：如果群体规模较小，下一代的实际基因频率都可能由于抽样误差而偏离理论上应有的频率。
始祖效应：当来自大群体的一个小样本在特定环境中成为一个新的封闭群体，其基因库仅包括亲本群体中遗传变异的一小部分，并在新环境中承受新进化压力的作用，因而最终可能与亲本群分体。
这种过程在体现的般规律，称为始祖效应。
瓶颈效应：当大群体经历一个规模缩小阶段之后，以及在漂变中改变了基因库（通常是变异性减少）又重新扩大时，基因频率发生的变化。
同型交配：如果把同型交配严格地定义为同基因型交配，那么近交和同质选配都只有部分的同型交配，只有极端的近交方式——自交才是完全同型交配。
群体遗传学：专门研究群体的遗传结构及其变化规律的遗传学分支学科。
群体：是指一个种、一个变种、一个品种或一个其它类群所有成员的总和。
孟德尔群体：在个体间有相系交配的可能性，并随着世代进行基因交流的有性繁殖群体。
基因库：以各种基因型携带着各种基因的许多个体所组成的群体。
亚群：由于各种原因的交配限制，可能导致基因频率分布不均匀的现象，形成若干遗传特性有一定差异的群落通常称为亚群。
随机资本：在一个有性系列的生物群体中，任何一个雌性式雄性的个体与其任何一个相反性别的个体交配的机率是相同的。
遗传学研究的历史和现状
遗传学研究的历史和现状遗传学是生命科学中的一个重要分支，它研究的是遗传物质的传递、变异、表达和继承规律等。
遗传学研究的历史可以追溯到古希腊时期，但是直到19世纪末才得到了明确的定义和系统的研究。
随着科学技术的不断进步，遗传学研究的范围和深度也不断扩展和加深。
一、遗传学研究的历史1. 古希腊的遗传观念在古希腊时期，人们就已经开始对生物形态和性状的遗传现象进行探讨。
例如，亚里士多德就提出了“种子论”，认为生物的形态和性状由父亲和母亲的遗传物质共同决定。
2. 孟德尔的遗传实验19世纪末，奥地利的孟德尔通过对豌豆的杂交实验，发现了遗传物质的基本规律。
他提出了遗传物质的分离定律和自由组合定律，奠定了遗传学的基础。
3. 遗传学的发展随着科学技术的不断进步，遗传学研究的范围和深度也不断扩展和加深。
例如，20世纪初发现了染色体和基因，提出了等位基因和基因型等概念；后来又出现了分子生物学和生物信息学等新技术和新领域，更加深入地研究了遗传物质的结构、功能和调控等问题。
二、遗传学研究的现状现代遗传学研究的内容非常广泛，涉及生物形态、生理、行为、繁殖等各个方面。
下面我们就从几个方面简要介绍一下遗传学研究的现状。
1. 分子遗传学分子遗传学是研究遗传物质分子结构、功能和调控等问题的学科。
分子遗传学的核心在于研究基因结构和表达，例如基因组学、转录组学和蛋白质组学等。
分子遗传学的研究成果不仅可以解答许多生物学问题，也为临床医学和农业生产等领域提供了重要的科学依据。
2. 人类遗传学人类遗传学是研究人类基因组、遗传性状和人类疾病遗传机制等问题的学科。
人类遗传学的研究成果对医学、生物学等领域都起着至关重要的作用。
例如，人类遗传学的研究成果对诊断和治疗某些遗传性疾病有着重要的指导作用。
3. 动植物遗传学动植物遗传学是研究动植物遗传物质的传递、变异和表达等问题的学科。
动植物遗传学的研究成果不仅可以深入理解动植物的遗传机制，也可以为养殖、种植等领域提供重要的科学依据。
实验十六数量性状的遗传学分析：人类指纹分析
分析全班同学总指嵴数的分布情况。
实验步骤
1. 洗干净双手，擦干。用铅笔在白纸商涂黑3～4cm 见方的一小块。将要取指纹的手指在涂黑的区域 中涂抹，将整个指尖涂黑。揭一条宽度与手指第 一指节长度相当的透明胶代，从指尖的一侧裹至 另一侧，轻压，再揭下来，上面即附着你的指纹。 将这条透明胶代贴在表1－1“我的指纹”一栏中相 应的位置上。
常见染色体病患者的皮肤纹理特征
皮肤特征
指纹中弓形 纹数多余7个 指纹中斗形 纹数多余6个
正常 人群 1%
8%
TRC数值
先天愚型 18三 21三体 体
80%
低
13三体 5P- 45,X 多见
32%
低
≥200
第五指只有 一条指嵴纹
通贯掌
0. 5% 17% 2% 31%
40% 25% 62% 35%
实验目的
点（tritadius）。用铅笔从指纹中心点到距中心点 最远的一个三叉点指尖划一条连线，连线所经过的 纹嵴数目（连线起止点处的嵴线数不计算在内）称 纹嵴数（ridge count）。弓形纹没有圆心和三叉点， 纹嵴数为零。斗形纹有两个甚至更多的三差点，则 取数值较大的一个作为其纹嵴数。双箕斗嵴线计数 时，分别将两圆心与各自的轴作连线。将10个手指 的嵴纹数相加，总和称为总指嵴数（total ridge count,TRC）。
1. 将本人皮纹的各项调查结果填入表中。 2. 统计全班同学的皮纹调查结果填入表中，分
析个人总指嵴数与总统计结果的关系。 3. 手掌指纹与遗传病的关系如何？有何实际意
义？ 4. 先天愚型皮纹的主要特征是什么？ 5. 染色体异常患者有何特异皮纹？
群体与数量遗传学
群体与数量遗传学群体与数量遗传学是现代生物学中的重要分支之一。
它研究的是群体遗传变异和数量遗传变异对物种进化和遗传多样性的影响。
群体与数量遗传学涉及的内容非常广泛，包括基因频率、基因型频率、遗传变异、选择、迁移、隔离、突变等方面的知识。
群体遗传变异是指在群体中存在的基因频率和基因型频率的变化。
这种变化是由于自然选择、基因漂变、隔离、突变和迁移等因素引起的。
自然选择是指环境中对某些基因型的选择，使其更适应环境；基因漂变是指由于繁殖过程中的随机性而导致的基因频率的变化；隔离是指由于地理环境等因素而导致的基因型的隔离；突变是指由于基因发生变异而导致的基因型的变化；迁移是指由于个体的移动而导致的基因型的变化。
数量遗传变异是指在个体水平上存在的遗传变异。
这种变异是由于基因型和环境的相互作用而产生的。
数量遗传变异研究的是个体间的遗传变异和遗传相关性，以及这些遗传变异和环境因素之间的相互作用。
数量遗传变异对于解释人口遗传学、自然选择、人类进化和遗传疾病等方面的问题都具有重要的意义。
群体与数量遗传学的研究方法主要包括实验室实验和野外实验。
实验室实验主要是通过人工控制环境因素，以及选择、交配、突变等手段来研究群体和个体的遗传变异。
野外实验则是通过采集自然种群的样本，进行基因分析和群体遗传学研究。
群体与数量遗传学的研究方法不仅包括实验室实验和野外实验，还包括数学模型和计算机模拟等方法。
群体与数量遗传学的研究对于生态学、进化生物学、人口遗传学等领域都具有重要的意义。
在生态学中，群体与数量遗传学的研究可以帮助我们了解种群的遗传多样性，以及环境变化对种群遗传结构的影响。
在进化生物学中，群体与数量遗传学的研究可以帮助我们了解物种分化和进化的机制。
在人口遗传学中，群体与数量遗传学的研究可以帮助我们了解人类遗传多样性和人类进化的历程。
群体与数量遗传学是现代生物学中的重要分支之一。
它研究的是群体遗传变异和数量遗传变异对物种进化和遗传多样性的影响。
数量遗传学方法在优质育种中的应用
数量遗传学方法在优质育种中的应用随着人类生存环境的变化，粮食安全问题日趋严峻。
因此，如何高效地进行作物育种已成为全球粮食安全的重要问题之一。
数量遗传学是一种统计学及数学方法，被广泛应用于作物育种领域，并展现出强大的优势。
本文将介绍数量遗传学方法在优质育种中的应用以及其中的一些具体案例。
1. 数量遗传学方法简介数量遗传学研究的是影响数量特征（如身高、产量等）的基因遗传以及受到环境因素的影响程度。
具体来说，数量遗传学方法用于描述多基因遗传和基因与环境之间的复杂互动，为进一步研究繁殖系统和选择良种提供了理论支持。
2. 数量遗传学方法在作物育种中的应用数量遗传学方法已成为现代作物育种中不可或缺的一部分。
其中，最常用的方法是平衡选择法和群体遗传学方法。
平衡选择法用于确定对产量或其它作物特征的选择所需的理论增益，而群体遗传学方法则用于研究基因变异和群体遗传流动。
3. 优质育种是指以产品品质为重点的作物育种方法。
在作物育种中，产品品质可以包括味道和营养价值等要素。
由于产品品质的评估通常比较主观，因此需要一些特殊的方法支持。
3.1. 品质分析与品质评价品质分析可以根据不同的物理、化学和生物学属性来分析作物质量特征。
品质评价则是对品质分析结果进行评价和分级。
数量遗传学方法可以在品质分析中对相关性和差异进行建模，同时还可以帮助确定影响特定品质特征的基因。
3.2. 品质皮尔逊相关分析品质皮尔逊相关分析是一种基于相关性的分析。
它可以用于评估不同基因间以及基因与环境之间的关联关系。
这种方法可以帮助育种家们更好地理解和细化品质特征的关联关系，并针对不同品质进行更加精准的选择。
4. 数量遗传学方法在稻米育种中的应用稻米因其高度的食用价值而广受欢迎，也成为了许多地区的主食。
稻米品质对于消费者的健康至关重要，也因此被广泛研究。
下面将介绍数量遗传学方法在稻米育种中的应用。
4.1. 大孔率大孔率是影响稻米品质的一个非常重要的指标。
大孔率表示了米粒内部的空洞数量，这些空洞可能会影响稻米的口感和质量。
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PCR标记（特异扩增） RAPD标记（随机扩增） 微卫星标记（简单重复序列扩增）
□ SNP标记
单核苷酸多态性 Simple Nucleotide Polymorphism 个体DNA序列之间单个核苷酸的差异，例如
3. 统计方法的发展
单标记分析法 区间作图法 复合区间作图法
基于混合线性模型的QTL基因定位方法
y j b0 b* X * j b f X fj j
f
区间作图法和复合区间作图法的共同缺点：
⑴回归效应为固定效应 ⑵不能分析基因型与环境的互作 ⑶不能分析复杂的遗传效应
4。
基于混合线性模型的QTL基因定位方法(Zhu, 1998,1999; Wang & Zhu, 1999)
y j b0 b
* * Xj
j
区间作图法优点: 能推断相邻分子标记(Mi-和Mi+) 之间QTL的位置及遗传效应
+ −
+ −
+
区间作图法缺点：其它QTL的存在会干扰定位的准确性
−
3。
复合区间作图法(Composite Interval Mapping) (Zeng, 1994)
遗传假定：数量性状受多基因控制
A 检测各单株或品系某一位点分子标记的多态性
Code 1
1
3
2
2
1
2
3
3
B 测定各单株有关数量性状值 Data for QTL mapping
分子标记信息 性状表现型值
Group Marker No. 个体 1 个体 2 个体 3 个体 4 个体 5 个体 6 个体 7 个体 8 个体 9 个体 10 个体 11 个体 12 个体 13
mq mQ r 2
mq mq 1 r 2
MQ MQ (1r )2 4
MQ Mq r (1 r ) 2
/ mQ
Mq
mQ mq r (1r ) 2
r 2 (1 r )2 r (1r ) 2 2 连续自交
(1r )2 4
mq mq
MQ MQ 1 1 2 r
2
AAE1 1.459
AAE2 4.228 -4.372 -5.649 1.087
AAE3 -5.687 1.126 -1.537
H
2
1.52% 0.90% 1.50% 0.12% 0.03% 5.30% 0.84%
1.27% 3.246 4.195 1.373
-3.432 4.379 8.23 -4.079 -4.153 2.357 2.753
Ch-M 1_6 1_15 2_12 3_1 4_10 5_7 6_3 7_1 7_14 7_6 8_1 8_12 9_5 10_8 12_2 A -20.476 7.153 -4.876 H2 0.1734 0.0296 0.0138 AE1 -8.19 -0.99 -4.68 3.54 -1.99 -0.74 4.95 -3.702 0.0079 3.94 4.345 -3.711 2.743 AE2 AE3 7.058 1.082 H2 0.0339 0.0006 0.0118 0.0076 0.0035 0.0002 0.0361 0.0332 0.032 0.0004
第2讲 现代数量性状的遗传研究
I. 现代数量性状遗传研究方法
II. QTL定位研究的发展
III. QTL在分子育种中的应用
IV. 常用的数量遗传学分析软件
I. 现代数量性状遗传研究方法
1、数量性状的QTL定位原理
◆比较染色体区段与性状表现型是否呈一致性变化
◆检测各个位点标记基因型间数量性状表型值的差异显
采用MCIM作图法可分析 (t1t) 时刻的QTL条件遗传主 效应和QTLE条件互作效应：
y ( t|t 1) X Q bQ ( t|t 1) U E e E ( t|t 1) UQE eQE ( t|t 1) U M e M ( t|t 1) U ME e ME ( t|t 1) e ( t|t 1) ~ N ( X Q bQ ( t|t 1) , V( t|t 1) )
f l p q
yhj a1 x A1 j a2 x A2 j aaxAA j
Ai
二维搜索 ＋ BGV控制
测验点 i 移动方向
AAij Aj
测验点 j 移动方向
区间作图法 IM
复合区间作图法 CIM
基于混合模型的
复合区间作图法
MCIM
Table 1. Mapping QTL with A & AE effects for plant height of rice
A
红花
a
白花
镜 检 染 色 体
3.生化标记
□ RFLP标记
限制性片段长度多态性 Restriction Fragment Length Polymorphism 是指限制性内切酶酶切DNA双链，在亲本间产生 片段长度的差异。例如：
□ PCR标记
聚合酶链式反应 Polymerase Chain Reaction 扩增某一DNA序列，再分析片段长度
MQ 1 r 2
Mq mQ
mq 1 r 2
Haploid P2×F1
mq MQ 1 r 2
Mq mq mQ mQ r2 2
DH
MQ mq 1 r 2
Mq Mq r2 2 MQ mQ r (1 r ) 2
F2
MQ mq
BC2
mq Mq r 2
Mq Mq
RIL
mQ mQ
2r 1 2 r
2r 1 2 r
1 1 2 r
mq mq
永久F2群体
由RIL随机交配而成
高世代回交群体
由两亲本经杂交后再回交２代或２代以上
• 受体与供体杂交得到F1 • F1与供体回交，得到BC1群体 • 根据表型选择，继续与供体系回交，得到 BC2群体
◆
构建图谱
A 分子标记连锁图谱—mapmaker 3.1
B QTL图谱– mapmaker/QTL 1.1
◆
结果分析
II. QTL定位研究的发展
1. 作图群体的发展
2. 分子标记的发展
3. 统计方法的发展
1. 作图群体的发展
• 常规作图群体 F2群体、回交群体、RIL群体、DH群体 • 非常规作图群体 永久F2群体、高世代回交群体、单片段 替换系群体、次级作图群体
单片段替换系群体
供体 受体
单片段替换系
次级作图群体
由单片段替换系与受体, 或单片段替换系 之间交配所产生的作图群体
2. 分子标记的发展
遗传标记genetic marker 基因组某一位点所标 上的记号。可识别性 可遗传性
1.形态标记 2.细胞学标记
4.DNA标记 电 泳 同 功 酶 检 测 片 段 长 度
M
m
r
Q q
? P1×F1
MQ ( ) MQ
P1 ×
MQ ) mq
mq ( ) P2 mq
(
F1
r 2 r 2
MQ MQ 1 r 2
Mq Mq r 2
mQ mQ r 2
mq mq 1 r 2
MQ MQ 1 r 2
MQ Mq r 2
BC1
MQ mQ r 2
Single Marker Analysis (F2)
T测验法缺点： •无法确定QTL与标记的关联程度及QTL的位置 •无法准确估算QTL的效应值
2。
区间作图法(Interval Mapping) (Lander和Botstein,1989)
遗传假设: 遗传变异只受一对基因控制
y G
3 2 0 2 0 0 2 1 1 0 2 2 1 1 2
性状 1性状 2性状 3 9.1 10.4 38.7 10 10.4 38.7 10.7 10 38.6 11 12.5 39.9 10.5 10.7 38.1 10.1 10.8 38.8 9.6 11.6 39.7 9.7 11 37.7 9.7 11.6 39.5 9.4 11.3 38.7 8.5 10.6 38.3 10 11.7 36.8 9.5 9.4 36.6
著性
L1 LOD =Log10 [ ] L0
无 连 锁
MM
MM
Mm
mm
Mm
mm
有 连 锁
性状平均值
分别表示QQ, Qq 和 qq 的频率
2、数量性状的QTL定位步骤
◆
构建群体
P×F1
BC×F1
BCn
P1 × P2
BC
Doubled
F1
连续自交
Haploid
DH
F2
RIL
◆分子标记实验与田间试验
5
RG556 RZ390 RG313 RZ556 RG403 RG229 4 RG13 CDO105 RZ649 RZ67 RZ70 RZ225
2
2
2
4 5 4
3 5
2
3
RG256 RZ213 RZ123 RG520
2
CDO87 RG910 RG418A
6
RZ398 RG213 Amp -3 Est -2 RZ144 RZ667 Pgi -2 pRD10B RG648 RG424 RG162 RG172 CDO544 2 RG653 Amy2A RG433 Cat -1
1 1 1 0 2 0 0 1 0 1 2 1 2 1 0
1 2 1 0 2 0 0 1 0 1 2 1 2 1 0
2 1 1 1 0 0 0 2 0 1 1 1 1 0 2