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1、植物数量性状位点植物数量性状位点（QTL）图位克隆）图位克隆第五章第四节第五章第四节数量性状变异的遗传基础数量性状变异的遗传基础生物自然群体在形态、生理、行为和抗性生物自然群体在形态、生理、行为和抗性等性状上存在极大的变异，表现为数量性等性状上存在极大的变异，表现为数量性状遗传。状遗传。数量性状涉及多个位点，每一位点的效应数量性状涉及多个位点，每一位点的效应微小，存在等位基因的变异，等位基因的微小，存在等位基因的变异，等位基因的效应通过每个个体所处的环境表现出来。效应通过每个个体所处的环境表现出来。P=G+E+GE当前生物学的一个重大挑战是明确数量性当前生物学的一个重大挑战是明确数量性状变异的
2、遗传基础状变异的遗传基础数量性状位点数量性状位点(QTL)(QTL)Quantitative Trait Locus(QTL)是生是生物基因组上的某个区段，它含有一个物基因组上的某个区段，它含有一个或多个基因，影响数量性状的变异。或多个基因，影响数量性状的变异。QTL可以通过多态性分子标记与性状可以通过多态性分子标记与性状的连锁关系而确定下来，即的连锁关系而确定下来，即QTL定位。定位。QTL初定位初定位 -查找查找QTL在基因组上的大概位置在基因组上的大概位置 初初定位定位的群体：连锁群体和关联群体：的群体：连锁群体和关联群体：连锁连锁群体：群体：人工群体，利用杂交过程中产生的重人工群体，利
3、用杂交过程中产生的重组，通过分子标记多态性与性状变异的连锁关系组，通过分子标记多态性与性状变异的连锁关系定位定位QTL。关联关联群体：群体：自然群体，利用进化或育种过程中所自然群体，利用进化或育种过程中所积累的重组和变异，通过基因组中的连锁不平衡积累的重组和变异，通过基因组中的连锁不平衡（LD）来确定遗传多态性与性状变异的关系。缺）来确定遗传多态性与性状变异的关系。缺点：定位结果很大程度上依赖于群体结构和等位点：定位结果很大程度上依赖于群体结构和等位基因频率。基因频率。连锁群体的基因组结构和连锁群体的基因组结构和QTL初定位初定位 连锁群体：连锁群体：临时性临时性分离分离群体：自交群体（如群体
4、：自交群体（如F2、F3）和）和回交群体（回交群体（BC1、BC2）等。）等。永久性分离群体：重组永久性分离群体：重组自交系群体自交系群体(RIL)和和加倍单倍体加倍单倍体群体群体(DH)等。等。在分离群体基础上筛选的极端个体群体。在分离群体基础上筛选的极端个体群体。1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 121 2 3 4 5 67 8 9 10 11 121 2 3 4 5 67 8 9 10 11 12F2RIL表型鉴定以单株或其后代家系为基础，准确性不高，不能重复试验。简单，遗传变异丰富，可以同时估计加性和显性效应。后代稳定，不发生分离，鉴定性状以纯合株系为基础，准确性高。群体准
5、备周期长，只能估计加性效应。早代多次互交，增加重组。F2群体群体QTL初定位初定位0/2:homozygous genotypes 1:heterozygous genotype关联群体的基因组结构关联群体的基因组结构和和QTL初定位初定位关联群体关联群体QTL初定位初定位Diagram of genome reshuffling between 25 diverse founders and the common parent and the resulting 5000 immortal genotypes.Yu J et al.Genetics 2008;178:539-551连锁连锁-
6、关联群体的基因组结构关联群体的基因组结构和和QTL初定位初定位Poland J A et al.PNAS 2011;108:6893-6898用NAM群体鉴定出了29个QTL，抗性等位基因用红色，感病等位基因用绿色。公共亲本B73自交系和25个核心自交系的小斑病抗性QTL精细定位精细定位 -确定确定QTL在基因组上的准确位置在基因组上的准确位置 在禾谷类作物中，许多影响重要农艺性状的在禾谷类作物中，许多影响重要农艺性状的QTL已被定位，相比较而言，克隆到基因却非常少。已被定位，相比较而言，克隆到基因却非常少。一般来讲，初定位的一般来讲，初定位的QTL置信区间在置信区间在10-30cM，包含几百
7、个基因。不清楚包含几百个基因。不清楚QTL是对应一个基因？是对应一个基因？还是多个紧密连锁的基因还是多个紧密连锁的基因?如果对应有多个基因，如果对应有多个基因，基因的效应相同基因的效应相同?还是相反？是否累加还是相反？是否累加?等等等等必需精细定位必需精细定位QTL，克隆对应的基因。，克隆对应的基因。QTL是通过统计分析得到的，定位在染色体某是通过统计分析得到的，定位在染色体某一置信区间内。增加分子标记和完善统计分析一置信区间内。增加分子标记和完善统计分析软件，对置信区间的缩小并不是很有效。软件，对置信区间的缩小并不是很有效。精细定位，即在精细定位，即在QTL初定位基础上，针对目标初定位基础上
8、，针对目标区间构建遗传背景一致的次级遗传分离群体，区间构建遗传背景一致的次级遗传分离群体，把复杂性状把复杂性状QTL界定于更小的基因组区域内。界定于更小的基因组区域内。将将QTL作为一个主作为一个主Mendelian因子来进行精细因子来进行精细定位。定位。QTL精细定位的可行性精细定位的可行性QTL精细定位决定于三个基本要素：精细定位决定于三个基本要素：1)高密度高密度标记标记；2)关键重组个体；关键重组个体；3)重组个体重组个体性状性状的准确鉴定。的准确鉴定。目标：目标：QTL-QTG-QTN Locus-Gene-NucleotideQTL精细定位三要素精细定位三要素QTL精细定位精细定位
9、标记密度标记密度基因组大规模重测序、基因组大规模重测序、SNP芯片、比较基因组学芯片、比较基因组学等保证在目标基因区域获得高密度的分子标记。等保证在目标基因区域获得高密度的分子标记。禾谷类作物的基因组重测序产生了海量的禾谷类作物的基因组重测序产生了海量的SNP信信息，用于开发目标基因区域的高密度分子标记。息，用于开发目标基因区域的高密度分子标记。玉米的玉米的 HapMap 计划计划(Gore et al.2009)有有160万万SNP。水稻中，。水稻中，Huang et al.(2010)检测到检测到360万非冗余的万非冗余的SNP位点，平均位点，平均 9.32 SNPs/kb。QTL精细定位
10、精细定位关键重组个体关键重组个体成功的成功的QTL精细定位依赖于关键重组个体，也即精细定位依赖于关键重组个体，也即在目标在目标QTL区域有高频率的染色体交换发生。区域有高频率的染色体交换发生。重组频率在染色体的不同区域变异很大，产生所重组频率在染色体的不同区域变异很大，产生所谓的重组热点和重组冷点区域。如谓的重组热点和重组冷点区域。如QTL位于重组位于重组热点，就易获得关键重组个体；不然就需要很大热点，就易获得关键重组个体；不然就需要很大的分离群体，或连续多代，或组配多个组合等方的分离群体，或连续多代，或组配多个组合等方法筛选。法筛选。染色体不同区域重组频率的高低与着丝粒位置、染色体不同区域重
11、组频率的高低与着丝粒位置、染色体结构、亲本在染色体结构、亲本在QTL区域的序列差异等均相区域的序列差异等均相关。关。玉米染色体的重组频率和基因密度分布玉米染色体的重组频率和基因密度分布K.Fengler et al.,in press,Plant Genome通过控制群体结构和后代测定等手段来消除遗通过控制群体结构和后代测定等手段来消除遗传背景的影响，同时增加重组机会。在传背景的影响，同时增加重组机会。在目标目标QTL区间区间建立高分辨率建立高分辨率的分子标记图谱的分子标记图谱，分析，分析目标目标QTL与标记的连锁与标记的连锁关系。关系。主要采用近等基因系主要采用近等基因系(Near-isog
12、enic lines,NILs),染色体染色体片段代换系片段代换系(chromosome segment substitution lines，CSSLs)或导或导入系入系(introgression line,ILs),及及基于重组自基于重组自交系衍生的杂合自交家系交系衍生的杂合自交家系(heterogeneous inbred family,HIF)或剩余杂合体或剩余杂合体(residual heterozygous line,RHL)。QTL精细定位精细定位性状的准确鉴定性状的准确鉴定利用利用单单QTL-NIL群体的精细定位。群体的精细定位。筛选筛选在目标在目标QTL区间区间具有差异具有
13、差异、遗传背景完全、遗传背景完全一一致的致的QTL近近等基因等基因系系(near isogenic line，NIL)，配组构建群体，或者，配组构建群体，或者筛选筛选在目标区间呈杂合型在目标区间呈杂合型、遗传背景呈遗传背景呈纯合型纯合型的单的单株，自交建立分离群体，株，自交建立分离群体，通过对分离群体单株或单株自交后代测定，分析通过对分离群体单株或单株自交后代测定，分析表型差异，精细定位目标表型差异，精细定位目标QTL区间区间。Advantage:Identical background Disadvantage：Laborious&Long time consumed QTL精细定位策略精细
14、定位策略单单QTL-NILQTL1 from P1 is obtained by MAS using P2 as a recurrent parent.The resulting NIL1 has a chromosome segment that includes QTL1,but is otherwise identical to the P2 genetic background.染色体染色体片段代换系片段代换系CSSLs，即在受体，即在受体(供供体体)亲本的亲本的遗传背景中建立供体遗传背景中建立供体(受体受体)亲本的亲本的“基因文库基因文库”，代换系代换系覆盖全基因组且相互覆盖全基因组
15、且相互重叠重叠。由代换系组配的分离群体消除了。由代换系组配的分离群体消除了大部大部分遗传背景的干扰及分遗传背景的干扰及QTL之间的互作，可之间的互作，可提提高高QTL定位的效率和定位的效率和精度，从而可进一步缩精度，从而可进一步缩小小QTL区间。区间。QTL精细定位策略精细定位策略CSSLsCSSL(Chromosome Segment Substitution Line)基于重组自交系（基于重组自交系（RIL）衍生的杂合自交家系）衍生的杂合自交家系(heterogeneous inbred family，HIF)或剩余杂或剩余杂合体合体(residual heterozygous line,
16、RHL)的的QTL精细定位。精细定位。RIL群体是连续自交产生群体是连续自交产生的，随着代数的的，随着代数的增加，染增加，染色体上的大多数位点逐步纯合，一般色体上的大多数位点逐步纯合，一般到到F5代代就只就只有有6.25的位点处于杂合的位点处于杂合状态。状态。在在QTL初初定位定位基础上，利用分子标记基础上，利用分子标记从从RIL群体中群体中筛选目标筛选目标QTL杂合杂合而背景纯合的而背景纯合的RHL自交，构建自交，构建类似类似单单QTL-NIL群体。从群体。从RIL群体中筛选，时间短，群体中筛选，时间短，花费少，现在较多地用于花费少，现在较多地用于QTL精细定位。精细定位。QTL精细定位策略
17、精细定位策略HIF或或RHLRHL(Residual Heterozygous Line)玉米抗病玉米抗病QTLQTL精细定位中遇到的问题精细定位中遇到的问题玉米的抗病大多数属数量性状遗传，优良玉米的抗病大多数属数量性状遗传，优良抗病基因多为稀有基因。因此，分离不同抗病基因多为稀有基因。因此，分离不同的抗病基因需要组配不同的群体。的抗病基因需要组配不同的群体。由于由于玉米玉米染色体结构复杂性，染色体结构复杂性，抗病抗病QTL位位点的点的关键重组个体不易获得。关键重组个体不易获得。抗病性状在年份、地点间的变异很大，关抗病性状在年份、地点间的变异很大，关键重组个体的性状鉴定困难。键重组个体的性状鉴
18、定困难。现有的现有的QTL精细定位方法不适用精细定位方法不适用1)Variability in symptom development 2)Difficulty in phenotypic evaluationGenotypeEnvironmentsGenotypeEnvironmentsPathogenMorphological TraitsDisease resistance基于重组个体后代测定的连续精细定位方法基于重组个体后代测定的连续精细定位方法Recurrent parentF1Recurrent parentMASBC2F1Recurrent parent BC3F1 Progen
19、yRecurrent parent BC3F1 RecombinantsMASBCn+1F1 ProgenyBCnF1 RecombinantsDonor parentProgeny testing and MASF2 QTL analysis BC1Recurrent parentRecurrent parent Progeny testing and MASCompletion of fine mappingThe sequential QTL fine-mapping procedure MAS:Marker-assisted selectionProgeny testing:Inves
20、tigation of both genotype and phenotype for each progenyR:118S:132R:235S:74ResistantR:166S:139R:177S:133P-value0.001P-value:0.675SusceptibleProgeny evaluation to detect a QTL in the donor segment qHSR1ProgenyGenotypeprogeny GenotypeWithout donor regionWithout donor regionWith donor regionWith donor
21、region47.2%76.1%57.1%54.4%Numbers of progeny required to detect the QTLs at various R2 valuesBackcross generation suitable to start the QTL fine mapping The advantages of the sequential QTL fine-mapping strategynTo reduce experimental errors caused by both environmental factors and genetic background noise nTo increase progeny size to reveal the authentic genetic effect of a QTLnTo screen new recombinants in each generation to narrow down a QTL