(1.12.5)--植物数量性状遗传体系的分离分析方法研究.pdf
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1、收稿日期:2 0 0 3 1 0 0 8;修回日期:2 0 0 4 0 6 0 3基金项目:国家自然科学基金重大项目(9 3 9 0 0 1 3和3 0 4 9 0 2 5 0)Supported by NSFC Key Project(No 9 3 9 0 0 1 3and3 0 4 9 0 2 5 0)作者简介:盖钧镒(1 9 3 6)男 江苏无锡人 教授 院士 研究方向:数量遗传和大豆遗传育种研究。Tel Fax:0 2 5-8 4 3 9 5 4 0 5 E-mail:srinjau edu cn植物数量性状遗传体系的分离分析方法研究摘要:在传统的数量性状多基因遗传模型基础上提出主基因
2、-多基因遗传模型具普遍性 纯主基因或纯多基因遗传模型只是其特例。由此初步建立了植物数量性状遗传体系分离分析方法。目前该方法可以检验2 3个主基因的个别遗传效应、多基因整体的遗传效应和两者的遗传率。介绍这种分离分析方法的研究经过、主要进展及应用效果 并以实例说明其分析步骤、方法和效果。关键词:植物数量性状;主基因-多基因遗传模型;分离分析中图分类号:Q 7 5 文献标识码:A文章编号:0 2 5 3 9 7 7 2(2 0 0 5)0 1 0 1 3 0 0 7Segregation Analysis of Genetic System of QuantitativeTraits in Plan
3、tsGAI Jun-Yi(National Center for soybeanImprovementNanjing Agricultural University Nanjing2 1 0 0 9 5 China)Abstract:Based on the traditional polygene inheritance model of quantitative traitsthe mixed major gene and poly-gene inheritance model was raised and considered as the general modelwhile pure
4、 major gene or pure polygene in-heritance model being only the specific case of the general model From the proposed theory the segregation analysisprocedure was establishedfor studying the genetic system of quantitative traits of plants At present this procedure canbe used to evaluate the genetic ef
5、fects of individual major genes(up to2 3major genes)and the collective geneticeffects of polygenes as well as their heritability values The present paper introduces the process of the establishmentof the proceduremain achievements and application resultsAn example was given to illustrate the stepsme
6、thodsand effectiveness of the procedureKey words:quantitative traits of plants;mixed major gene and polygene inheritance model;segregation analysis1 研究经过植物育种目标性状包括产量、品质、生育期、抗病虫性、耐逆性等大部分是数量性状。数量性状的遗传研究对植物育种的理论、方法和策略至关重要。2 0世纪7 0年代是数量遗传学发展的盛期。1 9 7 6年在美国衣阿华州立大学、1 9 7 8年在英国剑桥大学分别召开第一届国际数量遗传学大会和生统遗传学大会。
7、数量遗传学与植物育种相结合在全世界范围影响最大的是玉米育种的发展特别是杂种优势和亲本配合力的理论、遗传率和选择进度的理论、群体改良与轮回选择的理论对亲本的改良、选择效率的提高以及育种策略的取舍都起了重要的指导作用。1 9 8 7年第二届国际数量遗传学大会在美国北卡罗来纳州立大学举行这次大会交流数量遗传在动、植物各方面的理论和应用的研究进展。9 0年代两个方面的研究进展吸引了作者的注意一是 Elkind Cahaner 于1 9 8 6年提出了一个单基因与多基因的遗传模型另一是数量性状基因可以用分子标记得到检测。这启发作者对数量性状遗传体系的认识从单纯微效多基因改变为主基因-多基因遗传体系。1
8、9 9 3年国内莫惠栋开始报道了“质量-数量性状”的遗传分析 显然这是指性状的遗传基础为主基因和多基因共同控制的一类数量性状 因为性状本身不可能同时用属性描述和数量描述。这类研究结果推动了作者在他们的基础上组织研究生从推演和应用两方面探索。1 9 9 6年初步完成了这项探索。王建康在图形分析基础上建立了单个分离世代分析方法的原则和步骤1 2 提出了由确定成分分布数再确定遗传模型的二步分析法 所研究的群体包括F2、F2 3、B1B2 进一步还提出了 P1、P2、F1、F2、F2 35世代和 P1、P2、F1、F2、B1、B26世代的联合分析法3 世代联合分析法为直接确定遗传模型的一步法。所考虑的
9、遗传模型包括有一对主基因、二对主基因、多基因和一对主基因加多基因4类。根据算法程序还编制了计算软件 以供选用。多位研究生将这套方法应用于学位论文 增添了许多有意义的遗传信息。进一步便发现一对主基因加多基因的遗传模型不敷应用 亟须在主基因数方面扩展。章元明作了多方面的发展 包括将 EM 算法改进为IECM算法3 将单个分离世代分析的两步法改为一步法 增加了 DH群体和 RIL 群体 将遗传模型扩展到两对主基因加多基因 在 RIL 群体还扩展到3对主基因加多基因 为克服数量性状误差大精确性低而发展了 P1、P2、F1、F2 3、B1 2和 B2 26家系多世代有重复实验的分析方法 进一步重新按新旧
10、遗传模型编写了计算程序和软件1 4 8。模型扩展以后 适用范围更加广泛 进一步得到国内学者和研究生们的应用。鉴于论文受版面限制 不可能将公式推导详细列出 为将此研究作一完整介绍 把全部研究成果写成 植物数量性状遗传体系 专门著作由科学出版社于2 0 0 3年1月出版1。在作者致力于以分离分析遗传实验为手段的数量基因研究时 QTL 分子标记的研究迅速发展。以往因为实验数据误差控制不力而使许多遗传育种工作者对 QTL 标记疑虑重重的情况已根本改变。广大遗传育种工作者透过那些过眼烟云的工作看到了分子标记的真正潜力。1 9 9 9年作者应芝加哥大学龙漫远教授邀请在该校 SWright 实验室报告数量性
11、状遗传体系分离分析后 Bergerson教授提出拟将她的拟南芥试实数据用分离分析法分析以与其 QTL标记结果相对照。这一提议启示我们进一步研究分离分析与标记方法间的关系及结果的可比性。目前 在大豆、棉花、玉米的一些工作中体现了所获结果的相对一致性 条件是必须控制好群体的代表性和试验的偏差与误差。2 主要研究结果2 1 在前人关于数量性状存在单基因与多基因遗传模型的基础上 归纳、提出植物数量性状的泛主基因-多基因遗传理论 即数量性状可以由效应大小不等的多对基因控制 大者表现为可个别检测的主基因 小者表现为难以在实验条件下个别检测的微效基因 主基因与多基因的区分是相对的 依试实条件和实验精确性而转
12、移 在一种环境下表现为主基因在另一种条件下可表现为微效基因 在精确实验条件下表现为主基因 在误差干扰下表现不出主基因特点而归为微效多基因 因而数量性状由主基因与多基因共同控制是数量性状遗传的基本模型或普遍模型 而纯主基因或纯多基因的遗传模型只是其特例。以此理论为依据 在导出的分离分析方法中穷举出所有可能模型与试验数据作配合 从中挑选出最佳最适模型并估计其相应的遗传参数。2 2 在汲取前人知识积累的基础上建立了数量性状主基因-多基因遗传分离分析的基本体系 包括以下5个主要环节:(1)分离世代的分布由若干个主基因型分布混合组成 每个主基因型的分布为受多基因和环境修饰的正态分布 因而分离世代的分布为
13、若干个正态分布的混合分布。(2)建立一个或多个分离世代联合的各种可能遗传模型条件下的似然函数似然函数中包含有各个成分分布的频率、平均数和方差这些是有待根据试验数据作出估计的分布参数。已推导得解出这些待估分布参数的遗传模型有7类即一对主基因(A)、2对主基因(B)、多基因(C)、一对主基因加多基因(D)、2对主基因加多基因(E)、3对主基因(F)、3对主基因加多基因(G)每类模型中又按分离世代类型和主基因及多基因的加、显、上位性效应的有无、相对大小而进一步分为若干个模型(表1、表2)。1 3 1 1期盖钧镒等:植物数量性状遗传体系的分离分析方法研究表1 数量性状主基因多基因混合遗传分离分析的遗传
14、模型Table1 Genetic models in segregation analysis of inheritance of quantitative traits主基因数目Nomajor genes主基因一阶遗传参数1storder genetic parameter ofmajor gene多基因一阶遗传参数1storder geneticparameter of polygene模型代号 Code of model多基因不存在Without polygene多基因存在With polygene0m d h i j l-Cm d h-C-11m d h d h i j lA-1Dm
15、d h d hA-1D-1m d(h 0)d hA-2D-2m d(hd)d hA-3D-3m d(hd)d hA-4D-42m da db ha hb i jab jba l d h i j lB-1Em da db ha hb i jab jba l d hB-1E-1m da db ha hb d hB-2E-2m da db(hahb 0)d hB-3E-3m d(da db)d hB-4E-4m da(ha)db(hb)d hB-5E-5m d(dahadbhb)d hB-6E-6表2 DH 或 RIL 群体的数量性状主基因多基因混合遗传分离分析的遗传模型Table2 Genetic
16、 models in segregation analysis of inheritance of quantitative traits for DH or RIL population主基因数目Nomajor genes一阶遗传参数1storder genetic parameter模型代号 Code of model多基因不存在Without polygene多基因存在With polygene1m dA-1D-12加性-上位性 Additive-epistasism da db iB-1-1E-1-1加性 Additivem da dbB-1-2E-1-2等加性 Equal addit
17、ivem d(dadb)B-1-3E-1-3显性上位 Dominant epistasism da dbB-1-4E-1-4隐性上位 Recessive epistasism da dbB-1-5E-1-5累加作用 Cumulativem d(dadb)iB-1-6E-1-6互补作用 Complementarym iB-1-7E-1-7重叠作用 Duplicatem iB-1-8E-1-8抑制作用 Inhibitorym iB-1-9E-1-93加性-上位性 Additive epistasismdadbdciabiacibciabcF-1G-1加性 AdditivemdadbdcF-2G-2
18、等加性(1)Equal additive(1)m d da db dcF-3G-3等加性(2)Equal additive(2)m d1 da dbd2dcF-4G-4注:两对主基因间无连锁时模型用 B-1-X 或 E-1-X 表示;否则用 B-2-X 或 E-2-X 表示。i包括加性和加性加性。Note:B-1-X or E-1-X denotes model without linkagewhile B-2-X or E-2-X denotes model with linkage iincludes additive and additivead-ditive effects1 3 2遗
19、传 HEREDITAS(Beijing)2 0 0 5 2 7卷(3)采用 EM 算法估计混合分布中各成分分布的分布数。为解决计算中有效收敛的问题 提出采用迭代的 E(期望)步骤和 CM(条件极大化)步骤的计算方法(IECM 法)。其中 E 步骤与 EM 算法的 E步骤相同 CM步骤由2 3个CM步骤组成 CM1是在固定多基因方差组分和环境方差的条件下用迭代方法求分布平均数的条件极大似然估计 CM2是在固定环境方差和 CM1估计结果条件下用迭代方法求多基因方差组分的条件极大似然估计 CM3是在固定 CM1和 CM2估计结果条件下用迭代方法求环境方差的极大似然估计。经反复迭代 直到收敛到相对稳定
20、一致的计算结果。(4)对实得的一组实验数据进行各种可能遗传模型的极大似然分析 采用 AIC准则(Akaike sInfor-mationCriterion)似然比检验以及一组适合性测验(均匀性检验、Smirnov 检验和 Kolmogorov 检验的5个统计量 U21、U22、U23、nW2和 Dn)从各种可能模型中选出最佳最适模型及其相应的一组成分分布参数。(5)按入选的遗传模型及其相应的遗传参数与成分分布参数间的关系式 由入选模型的成分分布参数通过最小二乘法估计相应的遗传参数 包括各个主基因的加、显、上位性效应、多基因集体的加、显、上位性效应、主基因遗传率、多基因遗传率等。除以上5个主要环
21、节外 在1对主基因多基因遗传模型时可以通过贝叶斯后验概率估计 对个体作主基因型归类。对单个分离世代还做了分布图形分析 可从实验数据的表型分布对遗传模型作出大致估计。2 3 建立了以下单个分离世代及其亲本的分离分析整套公式和计算方法 包括:1)F2世代 2)回交 B1B2世代 3)F2 3世代 4)回交衍生家系 B1 2B2 2世代 5)DH或 RIL 群体(表3)。2 4 建立了P1、P2、F1、F2、F2:35世代联合分析的整套公式和计算方法;建立了 P1、P2、F1、F2、B1和B26世代联合分析的整套公式和计算方法;建立了 P1、P2、F1、F2 3、B1 2和B2 26家系世代联合分析
22、(包括有重复实验)的整套公式和计算方法(表3)。2 5 应用 Turbo C语言编制了以上所有单个分离世代、多个分离世代联合分析方法的软件系统。本方法将孟德尔关于质量性状分离分析方法延伸到数量性状的分离分析体系。表3 植物数量性状主基因多基因混合遗传分离分析的试验世代类型Table3 Types and combinations of hybridgenerations used in segregation analysis分离分析方法Method实验世代类型Generation加入不分离世代后With non-segregatinggeneration确定最适成分分布数的个别世代分离分析法
23、No of component distributionsfor single segregationgenerationF2B1B2F2 3-确定最优遗传模型的个别世代分离分析法Optimum model for single seg-regating generationF2B1B2F2 3B1 2B2 2DH 或 R ILP1 P2 F1 F2-P1 P2 F1 F2 3-P1 P2 DH 或 R IL多个分离世代联合的分离分析法Segregation analysisfor multiplegenerationsP1 F1 P2 B1 B2 F2(易杂交的作物)P1 F1 P2 F2
24、F2 3(杂交困难的作物)P1 F1 P2 B1 2 B2 2 F2 3(控制实验误差)3 应用效果3 1 综合情况本方法自1 9 9 6年起迄今共有1 9位本组的博、硕士生用于他们学位论文研究工作 依次获得了如下结果1:杂交水稻抗白叶枯病的遗传、栽培稻广亲和性的遗传、大豆对食叶性害虫抗性的遗传、大豆茎生长习性的遗传、大豆对 SMV 数量抗性的遗传、大豆豆腐产量的遗传等均表明受1对主基因加多基因共同控制;大豆对斜纹夜蛾抗性植株反应的遗传、大豆对斜纹夜蛾抗性虫体反应(抗生性)的遗传、油菜芥酸含量的遗传等受2对独立主基因加多基因的共同控制;大豆株高、百粒重、每节荚数、油脂含量的遗传分别由2对连锁的
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