数量性状基因定位的原理及方法
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(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（）。
利用分子标记进行遗传连锁分析，可以检测出，即定位（）。
借助与连锁的分子标记，就能够在育种中对有关的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，定位是一项十分重要的基础研究工作。
年，等发表了第一篇应用连锁图在番茄中定位的论文。
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，全世界出现了研究的热潮，每年发表有关研究的论文数量几乎呈指数增长（图），显示了该研究领域的勃勃生机。
目前，定位研究已在许多重要作物中展开，并且进展迅速。
本章主要介绍定位的原理和方法。
图年期间国际上每年发表有关研究的论文的数量. 数据从英国信息系统检索得到第一节数量性状基因的初级定位定位就是检测分子标记（下面将简称为标记）与间的连锁关系，同时还可估计的效应。
定位研究常用的群体有、、和。
这些群体可称为初级群体（）。
用初级群体进行的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。
年代末以来，这方面的研究十分活跃，已经发展了不少定位方法。
一、定位的基本原理和方法孟德尔遗传学分析非等位基因间连锁关系的基本方法是，首先根据个体表现型进行分组，然后根据各组间的比例，检验非等位基因间是否存在连锁，并估计重组率。
数量性状的分子标记
数量性状的遗传
X
P1
P2
F1
F2
不遵循孟德尔定律，F2连续分布。 多基因控制。
第二节 QTL的精细定位
❖ 影响QTL初级定位灵敏度和精确度的最重要因素是 群体的大小。但在实际研究中，限于费用和工作量， 所用的初级群体不可能很大。
❖ 初 级 定 位 估 计 出 的 QTL 位 置 的 置 信 区 间 一 般 都 在 10cM以上，不能确定检测到的一个QTL中到底是只 包含一个效应较大的基因还是包含数个效应较小的 基因。也就是说初级定位的精度还不足以将数量性 状确切地分解成一个个孟德尔因子。
（一）基于标记的分析法
❖ 原理: 如果某个标记与某个QTL连锁，则在杂交后代 中，该标记与QTL之间就会发生—定程度的共分离， 那么在该标记的不同基因型中，QTL的基因型频率分 布(分离比例)将不同,因而在该标记的不同基因型之间， 在数量性状的分布、均值和方差上都存在差异。 通过检验标记的不同基因型之间的差异来推知标记是 否与QTL连锁。
应用代换系重叠群系统地对某数量性状进行QTL的 精细定位:
1)必须进行代换系鉴定试验
即将所有代换系进行多年、多点重复试验， 以受体亲本为对照，鉴定出目标性状均值与受 体亲本差异显著，因而代换片段上应带有目标 性状QTL的代换系，简称为目标代换系。
❖ 2)目标代换系QTL分析 ❖ 与单QTL精细分析方法相同。 ❖ 除了将各个目标代换系分别与受体亲本进行
数量性状的分子标记
数量性状的分子标记QTL定位是一种用于研究数量性状的分子标记方法，通过对群体中的基因组的变异性进行检测，确定与数量性状相关的区域。
本文将介绍QTL定位的原理和方法，包括遗传连锁、测量数量性状和构建遗传图谱等。
QTL定位的原理和方法主要基于两个关键概念：连锁和重组。
连锁是指两个位于同一染色体上的基因间的紧密关联性。
重组是指两个位于同一染色体上的基因之间的基因重组事件。
在基因座重组时，基因座之间可能发生重组，导致基因座的位置发生改变。
通过对基因座的重组情况进行检测，可以推断基因座之间的连锁关系。
QTL定位的第一步是测量数量性状。
数量性状是指受多个基因和环境因素影响的连续变量性状，如体重、身高等。
在进行QTL定位之前，需要通过测量数量性状的表型值来确定样本的表型差异。
对于数量性状的测量，可以使用传统的测量方法，如体重测量、尺寸测量等，也可以利用高通量测序技术，如RNA测序、蛋白质质谱等。
QTL定位的第二步是构建遗传图谱。
遗传图谱是指基因座之间的相对位置，用于描述基因座之间的连锁关系。
构建遗传图谱的主要方法是通过对群体中的基因型进行分析，确定基因座之间的连锁关系。
常用的构建遗传图谱的方法包括连锁分析、复合杂交分析等。
连锁分析是通过对多个基因座的基因型进行测定，确定基因座之间的连锁关系。
复合杂交分析是通过将多个群体之间的交配与测量数量性状的表型值，来推断基因座之间的连锁关系。
QTL定位的第三步是确定与数量性状相关的区域。
通过对基因座的重组情况进行分析，可以确定与数量性状相关的区域。
具体的方法包括相关分析、关联分析等。
相关分析是通过计算基因座之间的相关系数，来确定与数量性状相关的区域。
关联分析是通过对基因座的基因频率进行比较，来确定与数量性状相关的区域。
QTL定位的最后一步是验证与数量性状相关的区域。
通过对已定位的区域进行验证，可以确定与数量性状相关的基因。
验证方法包括驱动基因分析、功能鉴定等。
驱动基因分析是通过对数量性状的变异性进行分析，来确定与数量性状相关的基因。
数量性状基因定位的原理及方法
数量性状基因定位的原理及方法随着现代分子生物学的发展和分子标记技术的成熟，已经可以构建各种作物的分子标记连锁图谱。
基于作物的分子的标记连锁图谱,采用近年来发展的数量性状基因位点（QTL)的定位分析方法,可以估算数量性状的基因位点树目、位置和遗传效应。
本文介绍了数量性状基因定位的原理以及分析方法.每一种方法都有自己的优点，但也存在相应的缺陷。
1 数量性状基因定位的原理孟德尔遗传学分析非等位基因间连锁关系的基本方法是，首先根据个体表现型进行分组，然后根据各组间的比例，检验非等位基因间是否存在连锁，并估计重组率。
QTL定位实质上就是分析分子标记与QTL之间的连锁关系，其基本原理仍然是对个体进行分组,但这种分组是不完全的。
2 数量性状基因定位的方法自然界存在生物个体的性状、品质等多为数量性状，它们受多基因的控制,也易受环境影响。
.多基因及环境的共同作用结果使得数量性状表现为连续变异，基因型与表现型间的对应关系也难以确定.因此,长期以来，科学工作者只是借助数理统计方法，将复杂的多基因系统作为一个整体，用平均值和方差来表示数量性状的遗传特征,而对单个基因的效应及位置、基因间的相互作用等无法深入了解，从而限制了育种中数量性状的遗传操作能力。
20 世纪80 年代以来发展的分子标记技术为深入研究数量性状的遗传规律及其操作创造了条件, 提高了植物育种中目标数量性状优良基因型选择的可能性、准确性及预见性。
下面主要介绍了几种定位方法。
2。
1 QTL 定位方法连锁是QTL定位的遗传基础.QTL 定位是通过数量性状观察值与标记间的关联分析,即当标记与特定性状连锁时,不同标记基因型个体的表型值存在显著差异，来确定各个数量性状位点在染色体上的位置、效应，甚至各个QTL 间的相关作用。
因此，QTL 定位实质上也就是基于一个特定模型的遗传假设，是统计学上的一个概念，有可信度(如99％，95％等）,与数量性状基因有本质区别（图1）。
数量遗传学7-QTL分析
第七章数量性状基因座数量性状基因座•英文全名：Quantitative Trait Locus•英文缩写：QTL•概念：指控制数量性状的基因在染色体（或基因组）中所在的座位。
通过检测染色体上某个座位表现出对数量性状表现型的作用的大小，可以探知QTL的存在。
检测到的一个QTL既可能只包含一个数量性状基因，也可能包含若干个数量性状基因，与人们的检测能力有关。
数量性状的研究方法•经典数量遗传学方法原理：交配设计+遗传模型+统计分析⇒遗传规律 特点：将多基因系统作为一个整体进行分析局限：不能分析单个基因的位置和效应•分子数量遗传学方法原理：利用分子标记定位和分析单个QTL特点：将多基因系统分解成一个个孟德尔因子意义：使数量遗传研究深入到单个QTL水平常见的作图群体P 1AA ×aa P 2F 1Aa ×aa P 2F 21AA : 2Aa : 1aa BC 11Aa : 1aa单粒传⊗RI 1AA : 1aaDH 1AA : 1aa 花培（永久性）（永久性）•由一对等位基因差异造成的，能够明确区分，遗传传递过程可以明确跟踪的相对性状或生物特征。
如形态上的许多质量性状：花瓣颜色、种子颜色、叶片颜色、叶片性状、种子性状等。
孟德尔豌豆杂交试验所研究的七对性状就是典型的形态标记•PCR（polymerase chain reaction）是一种DNA体外扩增技术。
利用一种能够耐高温的特殊的DNA聚合酶（Teq 酶），以特定序列（或任意序列）的寡核苷酸链（通常长度为10 ~ 20b）为引物，通过30 ~ 40个“变性→复性→合成”的循环，特异地或随机地从模板DNA上大量（约230~ 240倍）扩增出成对引物结合位点之间的某一（些）片段（通常长度在1.5 kb以内）。
SSR标记的检测分子标记的优点•数量丰富：DNA中存在的任何遗传多态性原则上都可以做为遗传标记，因此分子标记的数量可以说是无限的。
作物QTL分析的原理与方法
作物QTL定位方法与技术作物QTL定位的方法主要有传统连锁分析、基因芯片 技术和深度学习等。连锁分析通过群体遗传学手段，鉴定两个或多个基因位点 间的连锁关系，进而确定控制性状的QTL。基因芯片技术利用基因组wide的标 记分布，对大量基因位点进行同时检测，高效地定位QTL。深度学习则利用神 经网络等算法，自动化学习和识别数据中的特征，实现对QTL的精准定位。
四、自然群体
自然群体是指在没有人为干预下自然形成的群体，如野生种、地方品种、自然 变异群体等。这些群体通常具有丰富的遗传变异和复杂的遗传结构，对于研究 作物的适应性、抗逆性和产量等性状的遗传基础非常有用。此外，自然群体还 可以用于发现和克隆稀有或特殊的QTL。
五、基于基因组的作图群体
随着基因组学技术的发展，基于基因组的作图群体越来越受到重视。这种群体 可以通过重测序技术获得大量的SNP（单核苷酸多态性）标记，并利用这些标 记构建高密度的遗传图谱。这种图谱可以用于精细定位和克隆QTL，以及研究 基因组中的结构变异和非编码区基因组。
2、QTL分析的具体步骤
（1）数据采集：收集作物的基因型和表型数据。基因型数据可以通过高通量 测序技术获得，而表型数据则可以通过田间试验和室内分析等方法获得。
（2）作图：利用作图软件将基因型和表型数据组装成图，以展示它们之间的 关系。常用的作图软件包括QTL Cartographer、QTL IciMapping等。
原理
1、QTL的概念及定义
QTL是指作物基因组中控制数量性状的基因座位，它们可以通过影响表型变异 来影响作物的农艺性状。QTL通常分为两类：主效QTL和微效QTL。主效QTL是 指对表型变异起主要作用的QTL，而微效QTL则是指对表型变异起较小作用的 QTL。
数量性状基因座(QTL)定位的原理及研究进展
利用染色体上1个QTL两侧的各1对标记，建立个体数量性 状观察值对双侧标记基因型指示变量的线性回归关系，以 分离检验统计量中重组率和QTL效应;
其统计原理是对基因组上两邻近分子标记间，按一定遗 传距离的片段逐一分析。
优点
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；
3、QTL定位方法
根据采用的统计分析方法的不同分为：方差与 均值分析法、回归及相关分析法、最大似然法 等； 根据标记区间数分为：零区间作图、单区间作 图和多区间作图。
将不同方法结合起来的综合分析方法：QTL复合区间作图、多 区间作图、多QTL作图、多性状作图等。
(1) 均值比较(mean comparison，MC)
容易出现假阳性； 检测效率不高，所需的个体数较多；
目前MC法仅用于对数据的初步分析。
(2) 联合定位法(joint mapping，JM)
原理
针对MC无法对多个QTL定位的缺点，一种改进方法是将同 一条染色体上各标记的t测验或方差分析联合于一个回归分 析之中，即JM法。
优点
JM法可同时估计多个QTL的位置和效应，适用范围广(与 性状分布无关)，计算简单。
优点
将多维检测问题简化为一维检测问题，单个QTL的效应和位置的估计是渐进无偏的；
以连锁标记为检验条件，极大地提高了QTL作图的精度；
利用了所有信息，比其它QTL作图方法更为有效； 可利用QTL似然图谱来表示整个基因组上每一点上QTL的证据强度，从而保留 了区间作图的特征。 因此，它是目前普遍认为同时标定多个QTL更有效、更精确的方法。
异大和亲缘关系较远的材料
第十章 数量性状基因( QTL )的定位
重组率
不同物种的遗传图距和物理图距 间的关系
物种 酵母（Yeast） Neurospora Arabidopsis Drosophila 西红柿（Tomato） 人类（Human） 小麦（Wheat） 水稻（Rice） 玉米（Corn） 单倍体基因组大小（kb） 遗传图谱的长度（cM） 碱基对（kb）/cM 2.2×10 4 4.2×10 4 7.0×10 5 2.0×10 5 7.2×10 6 3.0×10 7 1.6×10 5 4.4×10 6 3.0×10
= C + n1 ln(2 + k) + (n3 + n7 ) ln( 1− k) + n9 lnk
重组率的估计值
k = (1 − r ) 2 = − (2n − 3n1 − n9 ) ± (2n − 3n1 − n9 ) 2 + n × n9 2n
重组率估计值的方差
(1− k )(2 − k ) (2r − r 2 )(3 − 2r + r 2 ) Vrˆ = = 2n(1+ 2k ) 2n(3 − 4r + 2r 2 )
基因型
次 数
理论频率
n1
n2
n3
1 4
1 2
(1-r)2
r(1-r)
1 4
M 1M 1M 2_
1 4
(1-r2)
M1_M2_
n1
1 4
(3-2r+r2)
r2
M1M1m2m2
m1m1M2M2
n3
1 4
1 2
r2
M1_m2m2
n3
1 4
r(2-r)
M1m1M2M2
n4
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数量性状基因定位的原理及方法
随着现代分子生物学的发展和分子标记技术的成熟,已经可以构建各种作物的分子标记连锁图谱.基于作物的分子的标记连锁图谱,采用近年来发展的数量性状基因位点(QTL)的定位分析方法，可以估算数量性状的基因位点树目、位置和遗传效应。
本文介绍了数量性状基因定位的原理以及分析方法。
每一种方法都有自己的优点，但也存在相应的缺陷。
1 数量性状基因定位的原理
孟德尔遗传学分析非等位基因间连锁关系的基本方法是，首先根据个体表现型进行分组，然后根据各组间的比例，检验非等位基因间是否存在连锁，并估计重组率。
QTL定位实质上就是分析分子标记与QTL之间的连锁关系，其基本原理仍然是对个体进行分组，但这种分组是不完全的。
2 数量性状基因定位的方法
自然界存在生物个体的性状、品质等多为数量性状，它们受多基因的控制，也易受环境影响。
多基因及环境的共同作用结果使得数量性状表现为连续变异,基因型与表现型间的对应关系也难以确定。
因此,长期以来,科学工作者只是借助数理统计方法,将复杂的多基因系统作为一个整体,用平均值和方差来表示数量性状的遗传特征,而对单个基因的效应及位置、基因间的相互作用等无法深入了解, 从而限制了育种中数量性状的遗传操作能力。
20 世纪80 年代以来发展的分子标记技术为深入研究数量性状的遗传规律及其操作创造了条件, 提高了植物育种中目标数量性状优良基因型选择的可能性、准确性及预见性。
下面主要介绍了几种定位方法。
2.1 QTL 定位方法
连锁是QTL定位的遗传基础。
QTL 定位是通过数量性状观察值与标记间的关联分析,即当标记与特定性状连锁时,不同标记基因型个体的表型值存在显著差异,来确定各个数量性状位点在染色体上的位置、效应, 甚至各个QTL 间的相关作用。
因此, QTL 定位实质上也就是基于一个特定模型的遗传假设, 是统计学上的一个概念, 有可信度(如99% , 95%等) ,与数量性状基因有本质区别( 图1)。
本文就目前主要应用的QTL 定位方法的特点进行分述。
数量性状基因环境表型特定模型数量性状位点
图1 QTL与数量性状基因的关系
2. 2 区间作图法( interval mapping, 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:回归效应为固定效应;无法估算基因型与环境间的互作(Q E) ,无法检测复杂的遗传效应( 如上位效应等) ;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. 3 复合区间作图法( composite interval mapping, 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。
2.4 基于混合线性模型的复合区间作图法(mixed composite interval
mapping,MCIM)
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,因其具有广阔的应用前景。
2. 5 其他QTL定位方法
主要有Bayesian 作图法、双侧标记回归法( flanking marker regression analysis, FMRA) 、轮回选择回交定位法( recurrent selection and backcrossing, RSB)、多亲本作图法等。
Bayesian作图法( Satagopan et al , 1996)亦是基于线性模型作图方法,其过程是先推测QTL 个数,再依据Bayes因子决定最可能的QTL 个数。
它不仅可以用于普通数量性状的QTL 定位,亦可定位复杂的二元性状( binary trai t) (Yi and Xu, 2000)。
FMRA( Haley and Knott, 1992)是应用回归方法,搜索在全染色体组上任何两个标记间是否存在QTL 并确定其最可能的位置和效应。
这一方法最大的优点是计算简单,所得结果与IM 法的结果基本相同。
轮回选择在植物遗传改良中具有十分重要的作用。
RSB 定位法就是利用轮回选择构建群体,充分发挥高密度分子标记连锁图及QTL 与其附近标记不断重组的优势, 分解复的数量性状遗传结构,将QTL定位在1 cM 之内。
因此, 其QTL 定位效率及精度比IM 及其衍生方法更高( Luo et al , 2002) 。
多亲本作图法( Xu, 1998)是IM 法在多亲本杂交群体中QTL 定位分析的推广, 它克服了其他作图方法中仅限于利用在一个或几个性状上存在较大遗传差异的两个亲本的缺点, 充分利用了自然基因资源,并且对其他性状亦可进行有效检测。
但利用这一模型必须解决以下两个问题:不同杂交组合的多态性位点的可能不一致性及同样的两个标记在不同的组合间遗传距离可能也不相同。