作物QTL分析的理论研究进展

作物QTL分析的理论研究进展1．前言：1.1什么是数量性状遗传数量遗传的多因子假说在20世纪初提出的重要的遗传学理论之一.在育种实践中作物许多重要的可遗传的农艺性状和经济性状都是数量性状,是受多个基因共同控制的,如产量、籽粒、蛋白质含量、脂肪含量等等.它区别于质量性状在于是受多基因控制而非受1～2个基因控制,每个基因对它所控制的性状的作用大小不同;(2)后代的表型是界于两亲本表型之间的连续变异,子代的基因型和表型不能由亲本基因型推出.(3)易受环境的影响,无法用孟德尔遗传因子理论解释.数量性状的遗传对农作物育种具有十分重要的意义,控制数量性状的基因称为多基因或微效基因,它们在染色体上的位置称为数量性状位点(quantitativetraitlocus,QTL).由于控制一种数量性状发育的QTL数目很多,单个QTL的效应很小,且易受环境条件的影响,因此研究难度很大.传统的数量遗传学只能将控制一种数量性状发育的所有QTL作为一个整体,用生物统计的方法加以分析.这种研究方法对数量遗传学的发展曾经发挥了重要作用,但无法区别单个QTL对数量性状的贡献大小及其与其它基因间的关系,更无法将QTL定位在相应的染色体上,这极大地限制了数量遗传学的进一步发展.采用单基因分析的方法来研究数量性状的遗传,可找到一些形态标记和QTL之间的遗传关系,且定位一些QTL在染色体上的位置.最早在研究菜豆不同种皮颜色的基因型时发现了种皮的颜色与种子的平均大小有密切的关系.随后在许多作物中发现了不同的QTL与遗传标记的连锁关系.但是形态标记数目有限,在染色体上的分布稀少而不均匀,对数量性状有表型效应,影响了遗传分析的准确性,因而应用形态标记进行QTL定位很不理想.近20多年来,借助于现代分子生物学技术在番茄、玉米、大豆及水稻等作物中发现了许多的同工酶标记和分子标记,尤其是分子标记的应用促进了QTL定位的发展.开展全面系统的QTL定位,必须具备高密度的遗传连锁图和相应的统计分析方法.近些年,分子标记已广泛地应用于作物遗传图谱构建、基因定位(QTL定位)、种质资源鉴定以及标记辅助选择育种等各个方面.根据分子图谱和分离群体中各株(系)的性状表现,可以确定分子标记对数量性状与影响该性状的基因之间的连锁关系.利用分子标记可以将控制某一数量性状的多个基因剖分开来,将它们一一定位于染色体上,并进行各基因的单个效应及互作效应的估计.这为利用遗传标记对数量性状进行选择和最终对其遗传操纵提供了可能.1.2QTL的研究历史和发展进程Weller(1986年),Luo和Kearsey(1989年)所采用的单个标记与QTL作图方法是最早的QTL定位方法;接着1989年Lander和Bostein发明了区间定位法(intervalmapping).后者同时利用连锁图谱上两个相互侧连的分子标记的分离信息,可获得这两个标记之间某个染色体片段上有关QTL的最大连锁信息,从而倍受重视.Whitehead据此开发了MapmakeröQTL软件可借助较为致密的分子连锁图谱迅速地估计QTL的位置及其对表现型贡献的大小.为了与饱和遗传图谱的构建相适应,近年来又提出不少新的QTL定位的统计分析方法,如:多QTL模型(multipleQTLmodel)、复合区间定位法(compositeintervalmappping)以及联合定位法(jointmapping)等.这些新方法的提出大大提高了QTL定位的效率和精确度,促进了作物QTL研究的发展,使作物QTL研究的发展成为近年来遗传学研究的热点之一.周元昌(2000年)指出迄今QTL定位研究大多数都只局限于分析数量性状在个体发育中某个时期(多数为发育的终点)的表现,即静态定位(staticmapping,SM)的策略和方法.而吴为人等(1997年)提出的一种QTL定位策略和方法,称为动态定位(dynamicmapping,DM)或称为与时间有关的QTL定位(time2relatedQTLmapping),符合了任何性状的发育都是一组有关基因在时空上有序表达的结果的发育遗传学观点.周元昌认为这种从静态分析转向动态分析是QTL定位研究的最新进展.1.3QTL在遗传分析中的应用作物育种有赖于作物的遗传变异及利用恰当的选择方式改良作物的性状,以适应消费者的需要(Asins,2002)。在这一过程中,选择是最重要的环节之一。传统的育种方法主要是依据作物在田间的表现进行评价和选择,即通过表型间接对基因型进行选择(方宣钧等,2001)要求有丰富的育种经验及长达数年的时间。另外,对一些数量性状(如产量、品质性状)的直接选择还受到许多条件的限制,因此,如何提高选择效率,减少育种过程中的盲目性成为进一步拓展品种生产力的关键(陆朝福和朱立煌,1995)。随着遗传学的发展,人们在作物育种中开始应用与育种目标性状连锁的遗传标记,来对目标性状进行跟踪选择。从早期的基于外部形态性状的形态学标记到基于染色体数目和结构的细胞学标记;再到后来的生化标记,即同工酶标记或称蛋白质标记均在作物育种中发挥了重要的作用,但它们存在着标记数目有限,无法建立饱和遗传图谱等缺点(贾继增,1996),从而影响选择效果,特别是对数量性状的选择。基于DNA分子水平上遗传多样性的分子标记技术一出现,就以其适应性广、多态性丰富、数量多、对表型无影响、共显性等特点,引起了遗传育种学家的广泛兴趣,为实现对作物基因型的选择提供了技术支撑。分子标记在作物育种中的直接应用是对性状进行辅助选择,即分子标记辅助选择(MolecularMarker2AssistedSelection1MAS),它是利用与目标性状基因紧密连锁的分子标记进行间接选择,是对目标性状在分子水平的选择,不受环境影响,不受等位基因显隐性关系干扰,选择结果可靠;同时MAS一般可在育种早代进行选择,从而大大缩短了育种周期(李梅芳和周开达,2001)。目前MAS已成为分子育种的一个重要部分。早在1923年及1961年,Sax、Thoday就提出了利用遗传标记来对复杂性状实施准确选择的想法。1986年Bematzky和Tanksley发表的仅有57个标记座位的番茄的RFLP分子图谱,标志着基于数量性状位点(QTL)MAS的真正开端,而1988年Paterson等发表的应用RFLP连锁图谱在番茄中定位QTL,则把作物QTL的研究引向高潮。此后许多物种的分子连锁图谱相继建成,QTL定位及分析研究在全世界展开。虽然目前QTL定位工作尚不能完全满足育种的需求,没有哪个数量性状的全部QTL被精确定位出来,对QTL间的互作、上位性效应及环境影响等尚缺乏充分的了解,但是基于主效QTL的MAS及其克隆还是取得了一些令人鼓舞的进展。1.3.1基于作物产量QTL的选择作物产量是一个复杂的、人们非常关注的经济性状。有关产量及产量因子的QTL定位已经在水稻、小麦、玉米、番茄、大麦、高梁等20余种作物中广泛展开,基于产量、产量因子的QTL的MAS也逐渐开展起来。Stuber和Sisco(1991)Stuber(1995)通过QTL的回交转移,利用分子标记辅助选择对玉米组合B73×M017的两个亲本进行改良,结果表明,改良的B73×改良的M017组合较原始组合B73×M017和一个高产推广组合Pioneerhybrid3165均增产10%以上。庄杰云等(2001)应用两种定位方法,比较了不同世代水稻产量性状的QTL检测结果,结果显示对产量这一性状而言,重要的加性效应的QTL,能够在不同世代得到稳定检测。Romagosa等(1999)利用Steptoe/Morex这一大麦组合产生的DH系在不同环境下定位到四个与产量有关的主效QTLs(QTL1-4),并对定位群体后代实施MAS。比较了三种选择方式,即表型选择、基因型选择(MAS)、基因型表型交替选择,结果表明,QTL-1对产量的贡献最大,QTL-3次之,QTL-2、QTL-4受环境影响最大;基因型选择(MAS)与基因型表型交替选择的选择效果相近,但基因型、表型交替选择最有潜力,因为它可以在育种早代群体进行选择,又结合了田间表型选择。同时指出,基于主效QTL的MAS,QTL与环境的互作应最小化,即对产量的选择而言,基于QTL-1,QTL-3的选择更有效。然而基于主效QTL的选择并不都有效果,Stromberg等(1994)在玉米产量上、VanBerloo和Stam(1999)在拟南芥的抽穗期上基于QTL的MAS的选择效果与表型选择差异不显著。1.3.2基于作物品质的QTL的选择由于作物品质性状测试的复杂性,相关性状的QTL定位及分子育种进展较缓。Fulton等(2000)利用回交高代QTL分析法(AB2QTL),对番茄野生种质的杂交后代进行筛选,利用MAS,成功育成了系列含有野生种的不同QTL的近等基因系,有些系的产量、品质等性状较亲本提高很多,如在控制产量的5个QTL中,yld611可以提高总产量27%;在控制果重的8个QTL中,fw1211提高果重30%;控制可溶性固体含量的5个QTL中,brx411可以提高28%等等,这些为实施分子育种奠定了基础。Zhang等(2003)利用同一群体不同环境(海南岛、南京、美国Texas试验站)定位检测到两个纤维强力的QTL,其中一主效QTL(QTLFS1)定位于10号染色体,能解释表型变异的30%,利用与QTLFS1紧密连锁的8个分子标记(SSR和RAPD标记)对7235×Tm-1这一组合的回交后代个体进行了MAS(7235已证实含有QTLFS1),结果显示,有标记的个体与无标记个体纤维强力的差异达显著水平。1.3.3作物抗旱相关性状QTL的选择水资源短缺已成为世界性问题,作物的抗旱、耐盐等抗逆性生理研究及抗逆育种也愈来愈受到人们的重识。虽然目前尚缺乏适当的作物抗旱性标准的评价体系(罗利军和张启发,2001),但与抗旱相关的性状如根系性状,包括根长、根数、根粗、根干重、最大根长、根穿透力、根茎鲜重、干重比等;生理性状包括气孔阻力、叶片水势、渗透势、渗透调节、叶片卷叶度等,所有这些性状的定位工作进展很快(Champouxetal1,1995;Rayetal1,1996;Kamoshitaetal1,2002a;2002bPriceandTomos,1997;穆平等,2003;),分子育种也取得一定进展。Schneider等(1997)利用5个RAPD标记在干旱胁迫和非胁迫两种条件下对大豆组合Sierra/Ler-2RB杂交后代实施MAS,结果表明,旱胁迫条件用MAS可以提高产量11%,非胁迫条件下提高产量8%,而基于常规的表型选择未能提高产量。在对另一个组合Sierra/AC1028群体选择中,分子标记辅助选择效应是传统选择方法的3倍。Agrama和Moussa等(1996)利用SD34(抗旱)×SD35(不抗旱)的F3家系干旱条件下,用RFLP标记定位了5个抗旱相关的QTL,这5个抗旱的QTL能解释抗旱条件下产量这一性状表型变异的50%。Shen等(2001)利用IR64/Azucenza这一组合的DH系所定位的根系性状的QTL实施了分子标记辅助回交选择。选取分别位于1、2、7、9号染色体上控制最长根长、深根重、总根重的4个QTL,利用与其紧密连锁的分子标记对BC3F1,BC3F2的个体实施目标性状的前景选择及受体基因组的背景选择,经过3代回交和2代自交,筛选到29个具有Azucenza根部性状IR64遗传背景的近等基因系。温室及大田检测表明,这些近等基因系在深根重、总根重等性状上明显优于对照IR64,说明基于根系QTL的MAS是有效的。上述进展表明:MAS对于作物数量性状的选择是有效果的。所采用技术路线一般是先利用定位群体(DH,RIL,BIL等)对目标性状进行QTL定位,最好是多年、多点、多生育阶段的定位结果,然后再筛选其中主效QTL或对表型变异解释率高的QTL,利用与这些QTL紧密连锁的分子标记对杂交、回交育种群体后代进行选择,从而选育出带有目标性状的个体。但由于QTL定位存在一定的组合特异性