第五章第四节：植物数量性状QTL图位克隆方法分析

QTL精细定位的可行性



QTL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 软件，对置信区间的缩小并不是很有效。 精细定位，即在QTL初定位基础上，针对目标 区间构建遗传背景一致的次级遗传分离群体， 把复杂性状QTL界定于更小的基因组区域内。 将QTL作为一个主Mendelian因子来进行精细 定位。
公共亲本B73自交系 和25个核心自交系 的小斑病抗性
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。
Poland J A et al. PNAS 2011;108:6893-6898
QTL精细定位
-确定QTL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QTL 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QTL置信区间在10-30cM， 包含几百个基因。不清楚QTL是对应一个基因？ 还是多个紧密连锁的基因? 如果对应有多个基因 ，基因的效应相同? 还是相反？是否累加? 等等 必需精细定位QTL，克隆对应的基因。
300
Genetic Distance (cM)
250 200 150 100 50 0
MZA Count
QTL精细定位—Leabharlann Baidu状的准确鉴定


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。在目标 QTL区间建立高分辨率的分子标记图谱，分析 目标QTL与标记的连锁关系。 主要采用近等基因系(Near-isogenic lines, NILs) , 染色体片段代换系(chromosome segment substitution lines，CSSLs)或导 入系(introgression line, ILs), 及基于重组自 交系衍生的杂合自交家系(heterogeneous inbred family, HIF)或剩余杂合体(residual heterozygous line, RHL) 。
QTL精细定位—关键重组个体



成功的QTL精细定位依赖于关键重组个体，也即 在目标QTL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 谓的重组热点和重组冷点区域。如QTL位于重组 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 法筛选。 染色体不同区域重组频率的高低与着丝粒位置、 染色体结构、亲本在QTL区域的序列差异等均相 关。
第五章第四节
植物数量性状位点 （QTL）图位克隆
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 等性状上存在极大的变异，表现为数量性 状遗传。 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 效应通过每个个体所处的环境表现出来。 P=G+E+G×E 当前生物学的一个重大挑战是明确数量性 状变异的遗传基础
QTL精细定位三要素
QTL精细定位决定于三个基本要素： 1) 高密度标记； 2) 关键重组个体； 3) 重组个体性状的准确鉴定。 目标：QTL--QTG--QTN Locus-Gene-Nucleotide
QTL精细定位—标记密度

基因组大规模重测序、SNP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。 禾谷类作物的基因组重测序产生了海量的SNP信 息，用于开发目标基因区域的高密度分子标记。 玉米的 HapMap 计划 (Gore et al. 2009)有160万 SNP。水稻中，Huang et al. (2010) 检测到360 万非冗余的SNP位点，平均 9.32 SNPs/kb。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 F2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
RIL
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 体准备周期长，只能估计加性效应。 早代多次互交，增加重组。
0/2:homozygous genotypes 1: heterozygous genotype

数量性状位点 (QTL)
Trait Locus (QTL)是生 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。 QTL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QTL定位 。
Quantitative
QTL初定位
-查找QTL在基因组上的大概位置
初定位的群体：连锁群体和关联群体： 连锁群体：人工群体，利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 定位QTL。 关联群体：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 （LD）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 基因频率。
玉米染色体的重组频率和基因密度分布
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 Physical Distance (bands)
K.Fengler et al., in press, Plant Genome
F2群体QTL初定位
关联群体的基因组结构和QTL初定位
关联群体QTL初定位
连锁-关联群体的基因组结构和QTL初定位
Yu J et al. Genetics 2008;178:539-551
Diagram of genome reshuffling between 25 diverse founders and the common parent and the resulting 5000 immortal genotypes.
连锁群体的基因组结构和QTL初定位
连锁群体： 临时性分离群体：自交群体（如F2、F3） 和回交群体（BC1、BC2）等。 永久性分离群体：重组自交系群体(RIL)和 加倍单倍体群体(DH)等。 在分离群体基础上筛选的极端个体群体。
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。