植物性状_标记关联分析研究进展_金亮

分子植物育种，2009年，第7卷，第6期，第1048－1063页Molecular Plant Breeding,2009,Vol.7,No.6,1048－1063专题评述Invited Review植物性状－标记关联分析研究进展金亮包劲松*浙江大学原子核农业科学研究所,杭州,310029*通讯作者,jsbao@摘要要对植物改良和复杂性状进行解析，首先需要对种质多样性及其性状遗传基础进行了解。

随着基因组学的发展和生物统计软件的完善，特别是分子标记技术在植物遗传育种领域的广泛应用，以连锁不平衡(LD)为基础的关联分析方法的出现为植物数量性状遗传的研究提供了新途径，也为植物的分子设计育种提供了新的思路。

本文在介绍关联分析方法的基础上，综述了关联分析在植物方面的研究进展，并讨论了关联分析在植物中应用的前景。

关键词关联分析,连锁不平衡(LD),数量性状,种质资源Progress on the Trait-Marker Association Analysis in PlantsJin Liang Bao Jingsong *Institute of Nuclear-Agricultural Sciences,Zhejiang University,Hangzhou,310029*Corresponding author,jsbao@ DOI:10.3969/mpb.007.001048Abstract Plant improvement and resolving complex traits of plant need to understand the germplasm diversity and hereditary basis of traits.With the development of genomics and biostatistics software,especially the extensive application of molecular markers in plant genetics and breeding,association analysis based on the linkage disequi-librium (LD)offers a new method for genetic study of plants quantitative characters and a new idea for molecular design breeding.In this paper,the basic statistic principles,strategies,characteristics and current successful appli-cations of association analysis in plants were reviewed.The potential application of association mapping to molec-ular dissection of plant traits and molecular breeding were also discussed.KeywordsAssociation analysis,Linkage disequilibrium (LD),Quantitative trait,Germplasm/doi/10.3969/mpb.007.001048基金项目：本研究由教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET －08－0484)、国家863项目(2006AA10Z193)和浙江省自然科学基金(R3080016)共同资助植物中大多数重要的农艺、经济性状如产量、品质、生育期、抗逆性、抗病性等都是数量性状。

与质量性状不同，数量性状受多基因的数量性状位点(quan-titative trait locus,QTL)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，对其遗传基础的研究比较困难。

了解数量性状的遗传规律是育种工作的基础，对植物的遗传改良具有重要意义。

现代作物品种的狭窄遗传基础是维持和提高作物产量、品质的障碍，而有效地利用植物种质资源遗传多样性是克服品种遗传基础狭窄问题的关键(Ab-durakhmonov and Abdukarimov,2008)。

现代育种有必要利用植物遗传多样性平台，并利用最新的基因组技术来发现新基因或等位基因用于性状的改良。

目前，利用覆盖全基因组的分子标记连锁图(linkage mapping)和合适的分离群体进行连锁分析以及QTL 定位是解析植物数量性状遗传基础的主要方法(方宣钧等,2002;Price,2006)。

关联分析(asso-ciation analysis)已广泛用于人类遗传学研究(Corder et al.,1994;Templeton,1995)。

由于缺少对植物群体结构(population structure)和连锁不平衡(linkage dise-quilibrium,LD)信息的了解(Flint-Garcia et al.,2003),分子植物育种Molecular Plant Breeding直到2001年才首次报道用于植物遗传的研究(Thorns-berry et al.,2001)。

近年来的研究显示，关联分析也是将植物基因型与表型联系起来的有效工具(Thornsber-ry et al.,2001;Kraakman et al.,2004;Flint-Garcia et al., 2005;Zhu et al.,2008)。

本文对利用关联分析解析植物数量性状的相关研究进展进行了综述。

1关联分析的原理关联分析，又称连锁不平衡作图或关联作图，是一种以连锁不平衡(LD)为基础，鉴定某一群体内目标性状与遗传标记或候选基因关系的分析方法(Flint-Garcia et al.,2003;2005)。

与连锁分析相比，关联分析用于植物数量性状的解析主要有3个优势：(1)花费的时间较少：一般以现有的自然群体为材料(如具有遗传多样性丰富的种质资源材料)，无需构建专门的作图群体并有较多的材料可供利用，而QTL 作图至少需要花费2年以上的时间来完成群体的构建(方宣钧等,2002)。

(2)广度大，可以同时检测同一座位的多个等位基因：关联分析可实现对其作图群体(自然群体)一个基因座上所有等位基因的考察，而绝大部分QTL作图所利用的群体是两亲杂交、重组自交后代，每一基因座一般只能涉及两个等位基因。

(3)精度高，可达到单基因的水平：关联分析利用的是自然群体在长期进化中所积累的重组信息，解析精度较高，可实现数量性状基因座的精细定位，甚至可能直接定位到基因本身(杨小红等,2007;Flint-Garcia et al.,2003;Yu and Buckler,2006)。

LD又称配子相不平衡(gametic phase disequilib-rium)、配子不平衡(gametic disequilibrium)或等位基因关联(allelic association)，是指一个群体内不同座位等位基因之间的非随机关联，包括两个标记间或两个基因/QTL间或一个基因/QTL与一个标记座位间的非随机关联(王荣焕等,2007a;2007b;Flint-Garcia et al.,2003;2005;Gupta et al.,2005)。

LD统计的是实际观测到的位点间的单倍型频率与期望单倍型频率之间的差异(D)。

假设有两个连锁的位点A(其等位基因分别为A、a)和B(其等位基因分别为B、b)，4个等位基因的频率分别为PA、P a、P B、P b,4种单倍型AB、aB、Ab和ab的频率分别为P AB、P aB、P Ab和P ab，那么，实际观测到的单倍型频率与期望单倍型频率之间的差异D的计算公式为：D=(PAB－PAPB)。

当D=0时，两基因座位处于连锁平衡状态；当D≠0时，两基因座位处于连锁不平衡状态(王荣焕等,2007a;Flint-Garcia et al.,2003;Gaut and Long,2003;Zhu et al.,2008)。

通常用使用D′(standardized disequilibrium coefficients,标准不平衡系数)和r2(squared allele-frequency correla-tions)来表示LD程度。

r2和D′取值范围都是从0(连锁平衡)和1(连锁不平衡)之间，但它们表示的意义不同。

r2包括了重组史和突变史，而D′仅包括重组史。

D′能更准确地估测重组差异，但样本较小时发现低频率4种等位基因组合的可能性大大减小，因此D′不适宜小样本研究。

r2可以提供标记是否能与QTL相关的信息，因此LD作图或关联分析时中通常采用r2来表示群体的LD水平(王荣焕等,2007a)。

一般以D′或r2半长度(LD最大值与最小值的中点)r2=0.2(或r2= 0.1)时在染色体上的遗传距离来描述LD在染色体上的衰减距离(Rafalski and Morgante,2004)。

2影响LD的因素和LD的衰减与人类和动物相比，植物LD的研究起步相对较晚，但已经在多种植物中展开(表1)。

不同物种的LD 衰减距离不同，同一物种不同群体、同一群体不同座位的LD衰减距离也不同。

群体的LD水平是许多遗传因素和非遗传因素综合作用的结果。

突变和重组是影响LD的重要因素。

此外，交配系统、群体遗传隔离、群体亚结构、选择作用、群体大小、基因组重排、染色体位置、基因或染色体片段所受的选择强度以及其他随机因素也影响LD的程度和分布(Rafalski and Morgante,2004)。

在所有因素中，由于连锁引起的LD对于关联分析最为重要(Stich et al.,2005)。

物种的交配系统对LD程度具有决定性的影响，通常来说，自交物种的LD水平较高，而异交物种的LD水平相对较低。

但是也有例外，如野生大麦(Hordeum vulgare ssp.spontaneum)属于自交物种，然而它的LD水平极低，LD的衰减距离仅为300bp(Morrell et al.,2005)，远小于栽培大麦中的LD的衰减距离(Kraakman et al.,2004;Malyshe-va-Otto et al.,2006)。

玉米是异花授粉植物，其LD衰减较快(Tenail-lon et al.,2001;Remington et al.,2001)。

但不同玉米种质资源的LD衰减距离相差较大，例如玉米农家品种为1kb(Tenaillon et al.,2001)，具有广泛变异的玉米自交系大约为1.5kb(Remington et al.,2001)，而优良玉米自交系则高达100kb(Jung et al.,2004)。