数量遗传学和作物育种.ppt
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1、关于数量遗传学与作物育种第一张,PPT共三十三页,创作于2022年6月一、数量遗传学的概念狭义地看,数量遗传学是研究数量性状遗传变异规律的一门学问;广义地看,数量遗传学的概念应该是指从量的角度研究遗传变异规律的一门学问。过去认为,数量性状是由微效多基因控制的、分离世代呈连续性正态分布的性状,例如产量、品质等。随着遗传学的发展,对于数量性状的认识有所变化,现在认为数量性状不一定是由多基因控制、其分离世代也不一定是正态分布,因此数量性状的概念也应该有所变化,目前认为,数量性状应该是指以定量指标进行观察和记录的生物体表现(性状),由此形成了现代数量遗传学。第二张,PPT共三十三页,创作于2022年6
2、月二、数量性状遗传的发展 数量性状的遗传学研究始于1900年孟德尔遗传的再发现之前,例如发明了生物的杂交技术、发现了花粉等。达尔文的进化论强调了物种的变异性,提出了自然选择和进化等概念。F.Galton(1889)的自然遗传一书研究了亲子间身高的相似性,本身就是与数量遗传学中的遗传率相近的概念。1909年H.Johannsen提出了纯系学说,由此提出变异可分为遗传的变异和非遗传的变异,纯系间的变异是遗传的,而纯系内的变异是不遗传的,为环境误差。小麦粒色(Nilson-ehle,1909)、烟草花冠长度(East,1915)等遗传试验证明数量性状受多基因控制,多基因间在效应上是相似的、彼此独立遗
3、传,后来有证实多基因也是存在于染色体上,它为经典数量遗传学的发展奠定了理论基础。第三张,PPT共三十三页,创作于2022年6月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。第四张,
4、PPT共三十三页,创作于2022年6月二十世纪七十年代,人们对数量性状基因的认识已有所深化,研究表明数量性状不仅是一种多基因遗传模式,还存在主基因模式和主基因加多基因模式。研究的重点不再仅是多基因,而是开始深化主基因+多基因模式研究。Elston(1971)等首先提出“一个主基因+多基因”的遗传模式。Morton等(1974)进一步发展了主基因多基因混合遗传模型。此后还有许多学者在动物遗传育种中研究了主基因+多基因问题。在植物的主基因和多基因问题上,莫惠栋、盖钧镒等作了有益的探索,发展了一套比较适合植物遗传研究的主基因+多基因遗传分析方法,盖钧镒等将QTL模型混合模型扩展至2对主基因加多基因进
5、行多世代联合分析。第五张,PPT共三十三页,创作于2022年6月1989年,以分子标记为手段的标记区间的QTL区间作图方法的问世和应用,极大地推进了数量性状的研究。进入二十世纪九十年代,数量性状的复合区间作图、全区间作图、以及标记辅助选择的理论和方法进一步得到了扩展和完善。以分子标记为手段的数量遗传学方法被称为分子数量遗传学,其研究目标是为QTL克隆和选择提供有效的方法学基础。第六张,PPT共三十三页,创作于2022年6月三、数量遗传学的意义数量性状往往是重要的农艺性状,例如农作物产量、品质,人类的身高、体重,动物的生产速率,等等。研究数量性状的遗传变异规律,对于品种改良与利用具有十分重要的意
6、义。数量性状的遗传规律向来不如质量性状那样容易搞清楚。根源是数量性状的表现型易受环境的干扰,试验误差造成了研究QTL的困难。纵观过去遗传学在应用上的贡献,还是以数量性状的遗传研究成果的贡献最大,这无论从绿色革命、还是动物的改良,都可以找到有力佐证。因此,数量遗传性状的研究与应用的意义极大。第七张,PPT共三十三页,创作于2022年6月四、数量性状遗传研究的基本统计方法数量性状在自然群体或杂种后代群体,很难对不同个体的性状进行明确的分组,求出不同级之间的比例,所以不能采用质量性状的分析方法,一般要用度量单位进行测量,通过对表现型变异的分析推断群体的遗传变异。借助于数理统计的分析方法,估算遗传群体
7、的统计参数,如均值、方差V、协方差C和相关系数r。可以有效地分析数量性状的遗传规律,对于任何一个群体,人们往往无法观测、分析所有可能的个体产量表现。只能对一些样本个体进行观测,用样本参数对总体进行估计。样本均值 1、基本统计参数第八张,PPT共三十三页,创作于2022年6月样本方差由于存在基因的连锁或基因的一因多效,同一遗传群体的不同数量性状之间常会存在不同程度的相互关联,可用协方差度量这种共同变异的程度。如果某遗传群体有两个相互关联的数量性状,即性状x和性状y,这两个性状的协方差可用样本协方差来估算:为了克服协方差值受成对性状度量单位的影响,相关性遗传分析常采用不受度量单位影响的相关系数 r
8、第九张,PPT共三十三页,创作于2022年6月2、遗传方差和环境方差生物群体的变异包括表现型变异和遗传变异。遗传变异由群体内各个体间遗传组成的差异所产生的。如果基因的表达不因环境的不同而异,个体的表现型值P是基因型值G和非遗传的随机误差e的总和,P=G+e。在数理统计分析中通常采用方差度量某个性状的变异程度。因此遗传群体的表现型方差VP是基因型方差VG和机误方差Ve的总和,V=VG+Ve。控制数量性状的基因,具有各种效应主要包括加性效应A和显性效应D。对于加性-显性模型GA+D。表现型值也可相应分解为P=A+D+e。群体的表现型方差可进一步分解为加性方差、显性方差和机误方差VP=VAVD+Ve
9、。对于某些性状,不同基因位点的非等位基因之间还可能存在相互作用,即上位性效应I。此时,基型值和表现型可以分别分解为G=ADI和P=A+D+I+e,群体表型变异也可作进一步的分解VP=VA+VD+VI+Ve 第十张,PPT共三十三页,创作于2022年6月对动物、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=EGGEe,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
10、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。第十一张,PPT共三十三页,创作于2022年6月遗传率 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
11、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:广义遗传率:遗传率h2是测定表型值与遗传型值(或育种值)的相符程度的数值。h2值大表示从表型值估计或预测遗传型值把握性大;h2值小表示环境因素对这一性状的表现有较重要的影响。所以h2值是一个测度遗传与环境因素对于表型变异的相对重要性的数值。从遗传率值可以预测在一定的选择率下,选择后的子代比之亲代可能获得的增量。3 遗传率第十二张,PPT共三十三页,创作于2022年6月也叫预期遗传进度或遗传获得量,是在一定的选择率下,选择后的子代比之亲代可能获得的增
12、量,用GS(G)表示。若亲代个体的表现型值为x,其设子代家系平均数为y,对中亲值与其子代的平均数进行回归分析,模型为:y=a+bx+e (e为误差效应)回归系数本身就是遗传率(或遗传率的几分之一)。按回归方程,如果被选择的中亲值平均数为 ,而获得的子代总平均数为 ,二者之间的关系为 。如果将未被选择的亲代与子代总平均数分别为表示为 和 ,同样有回归关系 ,因此通过选择可以获得的遗传进度为:4 选择响应(genetic response)第十三张,PPT共三十三页,创作于2022年6月从此公式可以看出,遗传率越大,则遗传进度也越大;选择差越大,则遗传进度也越大;遗传进度是遗传率和选择差二者共同决
13、定的。如果遗传率为0,也就是说群体的变异中没有遗传变异成分,那么遗传进度为0,换一句话如果被选择群体是纯系(同一种基因型),则遗传变异不存在,群体的变异为环境变异,则选择无效;如果群体的遗传率为1,那么选择响应为选择差,也就是说在没有环境变异的基础上实现了对基因型的直接选择,选择得到了完全实现。但是在多数情况下,群体的数量性状遗传率不是0或1,而是界于二者之间。第十四张,PPT共三十三页,创作于2022年6月相关选择 通过一个性状x的选择使另一个性状y得到选择或改良,这种思路称为相关选择 遗传相关系数(rg)就是两个性状的基因型值间的协方差除以两个性状基因型值标准差的乘积:选择强度k,为选择差
14、与表型标准差的商:性状x的遗传进度为:,性状y的遗传进度(相关遗传进度)为:5 遗传相关和相关选择第十五张,PPT共三十三页,创作于2022年6月已知 所以:从此式可以看出,只要知道了两个性状的遗传率,两个性状间的遗传相关系数,以及y性状的遗传方差,就可以知道通过x性状的选择而使y性状得到的遗传改进量CGSy,这便是间接选择的原理。间接选择相对于直接选择法的价值为下式:假定两个性状的选择强度kx和ky相等,则 即当rghx大于hy时,相关遗传进度就大于直接选择进度。第十六张,PPT共三十三页,创作于2022年6月对育种后代进行选择时,一般不是只用一个性状作为选择标准,需要同时考虑几个性状,根据
15、这几个性状来评定株系,这可以称为综合选择方法,主要有:逐项选择法、独立淘汰水平法、指数选择法指数选择法(index selection):将一个品系的各个性状综合称为一个指数,根据指数大小进行选择。三种方法中指数选择法最有效。如果个体的聚合遗传型值H为该个体各个性状的基因型值(gi)的加权和,为:H=a1g1+a2g2+.+aigi+.+angn其中,ai为第i个性状的相对经济权益,可根据性状对于选择结果的重要程度确定,gi为第i个性状产生的遗传型值;选择指数I=b1x1+b2x2+bnxn,其中bi为第i个性状指数系数,其数值待估计,xi为第i个性状的表现型值。指数选择是综合选择,选择的效果
16、决定于权重向量a,如果我们利用指数选择的最终目的只是某一性状得到改善,那么可以将该性状的权重确定为1,其它性状的权重为0,选择的结果将集中反映在该性状上。6、选择指数第十七张,PPT共三十三页,创作于2022年6月7 配合力配合力是指一个品种或自交系与其它任一品种或自交系杂交后所得杂种的生配合力是指一个品种或自交系与其它任一品种或自交系杂交后所得杂种的生产力或产量,分为一般配合力和特殊配合力。产力或产量,分为一般配合力和特殊配合力。一般配合力是对基因加性效应的度量,能遗传和固定一般配合力是对基因加性效应的度量,能遗传和固定而特殊配合力是由非加性效应产生的,它只能在两品系杂交后代中表现,而世代而
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