从QTL到QTG的路还有多远

遗 传HEREDITAS (Beijing ) 28(9): 1191~1198, 2006

专论与综述

收稿日期: 2005-08-24; 修回日期: 2005-11-28

基金项目: 国家自然科学基金项目(编号: 30471041)[Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 30471041)] 作者简介: 曾长英(1979—), 女, 在读博士生, 专业方向: 植物营养遗传。E-mail: flyer97@ 从QTL 到QTG 的路还有多远?

曾长英1,2, 徐芳森1,2, 孟金陵1, 王运华2, 胡承孝2

(1. 华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室, 武汉 4300700; 2. 华中农业大学资源与环境学院微量元素研究中心,

武汉 430070)

摘 要: 植物大多数重要的经济性状都是数量性状, 人们对许多植物进行了数量性状基因座(QTL)的研究, 并取得了长足的发展。文章详尽地分析了数量性状表型与基因型的复杂关系, 介绍了当前QTL 研究领域里的几种精细作图策略。讨论了当前挖掘控制目标性状QTL 基因的研究过程中存在的困难和问题, 提出几个有待发展的研究方向, 并展望了该领域的发展前景。因目前的QTL 仍然是一个相当大的染色体区段, 往往含有多个候选基因。文章就怎样从QTL 粗放位点研究进一步发展到数量性状基因(quantitative trait gene, QTG)水平上的变异, 再从QTG 到相应于基因内多态性的数量性状核苷酸(quantitative trait nucleotides, QTN), 提出了一些见解。来迎接后基因组时代数量遗传领域的挑战。 关键词: 复杂表型; 数量性状基因(QTG); 分子机理; 精细定位; 分离策略; 候选基因 中图分类号: Q348 文献标识码: A

文章编号: 0253-9772(2006)09-1191-08

How Long the Way from QTL to QTGs?

ZENG Chang-Ying 1,2, XU Fang-Sen 1,2, MEMG Jin-Ling 1, WAMG Yun-Hua 2, HU Cheng-Xiao 2

(1. National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement , Huazhong Agricultural University , Wuhan 430070, China ;

2. Microelement Research Center , Huazhong Agricultural University , Wuhan 430070,China )

Abstract: Most of the important economic traits in higher plants are quantitative traits. Genetic basic researches for quantitative traits were strongly promoted. This article fully elaborated the complicated relationship between quantitative phenotype and its genotype, introduced the recently developed strategy of fine mapping. discussed the current difficulty and hardness among the process of dissect the genetic basis of target traits, then brought forward several research direction that remained to be improved , and finally gave a view of such prospect. Generally speaking,, however, a QTL is still a considerable DNA fragment frequently containing multiplex genes. We also provided some ways and means from QTL coarse locus research to the variation at quantitative trait gene (QTG) level and from QTG to quantitative trait nucleotides (QTN) corresponding to alleles resulted from the intragenetic polymorphism. This is a major challenge for quantitative genetics in the post-genome era.

Key words: complex phenotypes; quantitative trait genes (QTG); molecular basis; accurate mapping; isolation strategy; candidate gene

植物的性状分为质量性状和数量性状, 当质量性状的遗传研究, 从个体水平, 到细胞水平、染色体水平、基因水平、核苷酸水平, 步步深入时, 数量性状的遗传研究却处于“迷茫”之中。从19世纪末数

量性状变异的描述性分布到40年代Mather 提出的多基因理论, 到生物统计学为主要特征的经典遗传学, 再到由分子标记为主要推动力的分子数量遗传学, 使得人们对数量性状的遗传有了一个逐步深入的新

1192 遗传HEREDITAS(Beijing) 2006 28卷

认识, 但仍然不能与质量性状同步发展。根本原因在于: 以前数量性状的遗传研究很少或几乎没有涉及数量性状的遗传基础, 即数量性状基因的变异。一个数量性状受多少个基因控制, 它们位于何处, 如何发生作用, 如何参与植物目标性状的建成等等, 我们不清楚,也无法弄清楚, 其内部的分子机理完全是个“黑匣子”! 数量基因的效应小到难以度量, 当然更不可能精细地分析它对表型变异的贡献。所以, 人们只能用基于统计学的较粗放的输入与输出这样的“两头”法来间接推测出某某处可能存在着控制某一性状的基因及其效应值。然而, 随着分子标记技术的发展及基因组计划的实施对遗传学的各个领域产生了重大而深远的影响, 数量性状的研究及其基因克隆都取得了长足的发展。本文详尽地叙述了当前数量性状研究领域取得的成果和存在的问题及挑战, 与同行者共勉。

1 表型的复杂性

遗传学中把生物个体所表现出的形态特征和生理生化特性统称为性状, 生物性状的变异有连续和不连续两种类型。植物营养性状大多表现为不连续的数量性状, 控制的基因数目众多, 单个基因对表型的影响小。通常, 一个性状可能受多个基因的控制, 一个基因也可能对多个性状的表型有影响。目前有两种原理来解释这种“性状”与其控制基因的这种“一对多”和“多对一”的关系: 一是所谓的“一因多效”, 即一个基因同时影响着多个基因的表达; 二是性状的遗传的“多因一效”, 即多个基因共同控制同一性状的表现变异。性状与控制该形状相关基因的复杂性主要体现在以下几个方面:

1.1互作影响表型的表达方向和表达程度

在特定的环境下, 一些遗传因子直接产生特定的表型效应, 另外一些则通过与其他基因的相互作用(上位性)来影响个体的外在表型[1], 基因间的这种相互作用在任何时间都是存在的, 每一个遗传因子与每一个环境因子的叠加效应就导致了丰富多样的表型变异, 所有的这些基因与基因及基因与环境间的相互作用都会通过各种各样的途径使得表型与基因型之间的对应关系发生偏移, 使得外在表型发生数量上和质量上不同程度的变化! 从而使发现与定位这些基因变得更加的困难。对每一特定的单株来说, 它所表现出来的具体表型是它所有内在基因与其所处的外部环境因子共同作用的总和[2]。由于不同的外部环境, 不同的基因间的互作组合方式造成了基因表达方向和表达程度的不可预知性和不确定性, 这自然就增加了基因型与表型之间对应关系的复杂性。

基因的互作还会影响对单个QTL效应的估算, 增加后续分析的难度, 降低实验的可重复性。基于不同的遗传背景, 一个等位基因它可以是显性、加性、隐性, 也可以是超显性, 或者中性! 也就是说, 不同的遗传背景对同一对等位基因的作用方向可能是不同的。基因间的这种互作会严重影响和降低目标性状基因定位的精确性[3]。另外, 尽管我们知道环境因素的重要性, 但它们的具体影响方式仍然是个“黑匣子”。鉴定和验证以及定位相关QTL依然困难重重!

1.2 控制因素的层次性

植物性状的调控具有多层次性, 在各个层次上又受到多种因素的影响。在分子水平上, 受到转录和翻译两个水平的调控: 胁迫压力下, 植物的mRNA 的种类和丰度都会发生变化; 转录后水平的翻译调节又增加了产生不同蛋白质的变数。在细胞水平上, 性状的表达也同样受到多种因素的影响, 如: 信号传导分子, 渗透调节物质的转运, 各种离子在亚细胞水平的分隔和交换等。在植株个体水平上, 主要是根、茎、叶、花、果等多种器官及不同组织之间的协调关系。最后还有外部环境中生态水平的调节, 土壤养分、气候及时空特异性等。植物性状表达的多层次性是性状研究的难点之一。仅仅在一个水平上研究往往不能从本质上了解这些性状的特点, 只有从生态环境、植株个体、组织、细胞直到分子水平上的基因结构特点、DNA转录、RNA翻译及蛋白质互作等等不同层面上的深入研究才能全面、系统地认识性状的形成机制[4,5]。

1.3 表型的可变异范围

表型可塑性是一种单个基因型依赖于环境背景下产生的一系列表型的变异范围[6], Jasienski M[7]指出: 利用系统进化树方法, 研究了27种共同起源的abutilon theophrasti生态型, 分别在温度、湿度、光线及氮营养四种环境梯度下的遗传相似度与表型相似度的相关性, 结果表明: 表型极显著地受到环境的影响, 在他所得到的400条RAPD条带中有近5%