如何利用遺傳圖譜研究雜種優勢?

1. 研究背景

雜種優勢,是雜合體在一種或多種性狀上優于兩個親本的現象。雜交種的優良表現體現在多個重要農藝性狀中,如抗逆、育性、生物量和產量等。同一個基因型,或不同基因型組合的多種性狀,雜種優勢程度不同。雜種優勢被廣泛利用于商業植物育種計劃中,但其遺傳機理并未得到徹底和統一的解釋,仍然存在爭議。一百多年來,遺傳和育種學家們不遺余力的研究雜種優勢的形成機理,并嘗試構建各種遺傳模型用于解釋雜種優勢現象?;趩蝹€遺傳位點不考慮上位性理論,并結合隱性產生不利影響的假定,產生了兩個重要的雜種優勢機理假說,包括顯性假說和超顯性假說。顯性假說認為來自于一個親本的不利等位基因被來自另一個親本的有利等位基因掩蓋而產生雜種優勢現象,超顯性假說認為雜合位點本身比純合位點表現優良,因此,基因型的雜合程度與雜種優勢表現成正比。另外,還有一個假說,即上位性假說,它認為非等位基因間正向的互作效應也會引起雜種優勢現象。

分子標記的發展和飽和連鎖圖譜的構建為解析雜種優勢遺傳基礎提供了新的工具。兩個主要的新方法應運而生:1.利用分子標記的信息,探索雜種優勢與親本遺傳多樣性的關系;2.對雜種優勢QTL進行定位,以此挖掘出控制雜種優勢的基因。利用分子標記信息進行QTL作圖,挖掘控制雜種優勢的數量性狀位點,是研究雜種優勢機理的常用方法。但是,以往的低密度分子標記并不足以檢測控制復雜性狀的多個連鎖基因。因此,需要將標記的密度提高到覆蓋全基因組,且涉及到群體內所有可能出現的重組事件,比如利用高通量測序的策略,這樣,才有可能在一個雜交種中將其表現的雜種優勢現象解釋清楚。

永久F2群體可以提供可用于重復試驗的基因型相同的種子,構建過程中也含有豐富的重組信息,適合對雜種優勢的遺傳機理進行剖析。

2.研究方法和預期結果:

2.1表型數據的處理

利用方差分析計算各性狀的環境方差、重復方差(有試驗重復)、遺傳方法、基因型與環境互作方差、誤差方差和遺傳力,并估計哥哥變量的遺傳效應。方差分析的線性模型為:

μ,e,r,g,ge,ε?分別為群體均值,環境效應,重復效應,基因型效應,基因型與環境互作效應,誤差效應。環境和重復設為固定效應,基因型以及基因型與環境互作設為隨機效應。上述模型得到的基因型估計值作為矯正表型值,在以后的分析中代替表型值,以期望得到更加準確的預測結果。

2.2遺傳圖譜的構建

2.2.1 高密度圖譜的構建

依據測序(最好是重測序)開發的SNP及InDel標記,由于重測序上圖的SNP個數大于重組事件數,因此將沒有發生重組的SNP位點聚成一個單元,每個單元稱為一個Bin。以Bin為標記進行遺傳圖譜構建。如下圖所示:


2.2.2永久F2群體圖譜構建:

永久F2群體的標記基因型由RIL群體的標記基因型根據組配方式推知,構建永久F2群體的高密度遺傳圖譜。

2.3 RIL群體和永久F2群體自身表型QTL定位

在RIL群體和永久F2群體中進行性狀的QTL定位以及效應估計。利用IciMapping V4.0檢測加性(顯性)QTL,同時檢測二維互作位點的上位性。QTL加性效應有基因型顯性純合位點和隱性純合位點間的平均表型值間的差異決定,顯性效應是由基因型純合位點和雜合位點間平均表型值間的差異決定的。QTL作圖所用方法是表型對標記變量的逐步回歸法,表型數據為上述線性模型計算得到的矯正表型值。

2.3.1 RIL群體的QTL定位

利用完備區間作圖法,以RIL群體的性狀為表型數據進行QTL定位和效應估計,得到的結果如下表:

Traits Chromosome Distance(cM) Marker LOD PVE(%) ADD
yield 1 10 bin1 4 11 -0.11
height 2 20 bin2 5 15 0.11

 

2.3.2 永久F2群體的QTL定位

永久F2群體可以檢測到顯性QTL,同時也能對QTL的加性效應和顯性效應進行估計。同樣利用完備區間作圖法,進行永久F2群體的QTL定位,結果如下表所示:

Traits Chromosome Distance(cM) Marker LOD PVE(%) ADD DOM
yield 3 20 bin3 3 10 0.12 0.03
height 4 30 bin4 4 11 -0.11 -0.05

 

2.3.3 永久F2群體的上位性QTL定位

由于上位性對性狀的雜種優勢具有重要的作用。同樣利用遺傳圖譜和完備區間作圖中的上位性作圖法,對相關性狀進行上位性QTL定位。定位到加性與加性互作(AA),加性與顯性互作(AD),顯性與加性互作(DA)以及顯性與顯性互作效應(DD)的QTL如下表所示:

 

Traits Parameter AA AD DA DD
yield Average LOD 3.3 4.5 5 6.4
Average PVE 5.1 6.2 3.3 4.8
height Average LOD 30 4 3.9 5.6
Average PVE 6.1 6 5.5 5.9

 

2.4雜種優勢QTL定位

2.4.1 中親值以及QTL定位方法

永久F2群體中,F1個體的中親值是根據F1個體本身的表現與雙親性狀值計算出來的。中親值=F1表型值-親本中親值。計算每個F1對應的中親值,以中親值為表型進行QTL定位,其QTL的效應是雜合子與雙親表現均值的差異。由于雜種優勢QTL的特殊性,分別利用F2群體類型和RIL群體類型分別定位顯性QTL。所用軟件同上,在檢測顯性效應時同樣也檢測顯性和顯性互作QTL。

2.4.2 雜種優勢QTL定位結果

雜種優勢QTL是利用超中親優勢值作為表型值進行性狀遺傳位點檢測得到的,其遺傳效應不包括加性效應,全部由顯性效應決定。雜種優勢QTL定位結果如下表所示:

Traits Chromosome Distance(cM) Marker LOD PVE(%) DOM
yield 1 10 bin1 4 11 -0.11
height 2 20 bin2 5 15 0.11

 

2.5性狀QTL和雜種優勢QTL定位結果比較

將RIL,永久F2群體和中親值數據QTL定位結果進行比較,解析特定性狀的遺傳基礎與雜種優勢遺傳基礎,并揭示二者的關系。理論上,RIL群體中定位到的QTL完全是有加性效應決定的,而中親值數據組定位到的QTL完全是有顯性效應決定的,而永久F2群體既有加性效應,又有顯性效應,因此,永久F2群體,RIL群體和中親值存在共定位的QTL。具體性狀的結果如下圖所示:

注:黑色折線表示檢測位點的LOD值,紅色和藍色折線代表檢測位點加性和顯性效應值。

最后利用上述的比較結果綜合評價不同性狀的雜種優勢機理和遺傳基礎。



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