数量遗传学基础

第一节群体遗传结构数量遗传学的形成过程孟德尔规律重新发现细胞遗传学……(1865)(1900)GaltonNilsson-Ehle,Johannsen,Fisher(1889)(1908)(1909)(1918)数量遗传学Pearson生物统计学(1897、1905）1918年费希尔（FisherR.A.）发表“根据孟德尔遗传假设对亲子间相关性的研究”论文→统计方法与遗传分析方法结合→创立数量遗传学。1925年著《研究工作者统计方法》一书（StatisticalMethodsforResearchWorkers），为数量遗传学的研究提供了有效的分析方法。首次提出方差分析（ANOVA）方法，为数量遗传学发展奠定了基础。遗传学理论的发展孟德尔遗传学群体遗传学数学数量遗传学统计学分子数量遗传学分子生物学在家庭水平上研究质量性状的遗传规律在群体水平上研究质量性状的遗传规律在群体水平上研究数量性状的遗传规律从DNA分子角度，在群体水平上研究数量性状的遗传规律动物选种方法的发展表型或表型值选择育种值选择遗传参数标记辅助选择DNA标记选种的准确性和育种效率逐渐提高群体的遗传结构群体遗传结构——基因频率、基因型频率群体遗传平衡定理群体遗传平衡定理的推广——显隐性-性连锁-复等位多基因座群体遗传结构影响因素及其动态平衡选择、突变、迁移、交配方式遗传漂变基本概念—群体孟德尔群体（Mendelianpopulation）：个体间有交配的可能性、在连续世代间有基因交换的有性繁殖群体，其中的所有基因可看作是一个基因库，各个体共享这一基因库资源，相互间可自由地进行基因交流。一个个体在群体中存在的时间是有限的，除非发生突变，其遗传基础是终生不变的。一个群体则是可以长期存在的，群体可大可小、分布可广可窄，其遗传结构由所有个体的遗传基础决定，并受到各种各样的因素影响，可以随时发生变化。基本概念—基因频率基因频率（genefrequency）：在一个群体中某一种基因的数量与占据同一基因座的全部等位基因总数的比例的一个度量指标。用百分率表示的，取值范围在0到1之间，通常写成小数的形式，它是群体遗传特性的基本标志。基本概念—基因型频率基因型频率（genotypefrequency）：在二倍体的生物群体中，某一基因座的特定基因型在其全部基因型中所占的比例的一个度量指标。用百分率表示，取值范围在0到1之间，通常也写成小数的形式，同一位点的所有基因型的频率总和为1，一般用大写字母表示。在只有一对等位基因（A和a）时，可形成三种基因型，即AA、Aa和aa，可用D、H和R分别表示各自的频率，这时D+H+R=1。基因频率与基因型频率的关系在一对基因时：AA基因型频率为D，有2D的A基因Aa基因型频率为H，有H的A和a基因aa基因型频率为R，有2R的a基因因此，A基因频率为：HDRHHDHDp21)2()2(2基本概念—随机交配随机交配（randommating），其基本含义是指在一个有性繁殖的群体中，任何个体与所有异性个体都有相同的交配机会，即任何一对异性个体的结合都是随机的。群体遗传平衡定理Hardy-Weinberg定律：在随机交配的大群体中，若没有选择、突变、迁移等因素的作用，基因频率和基因型频率在世代间保持不变。在任何大群体中，不论初始基因频率如何，只要经过一个世代的随机交配，一对常染色体上的基因就可达到平衡状态，没有其它因素影响时，其基因频率和基因型频率在以后的连续世代随机交配情况下保持平衡状态。在平衡状态下，一对等位基因的基因频率与基因型频率的关系为：22,2,qRpqHpD群体遗传结构影响因素—突变偶发突变：不能以一定频率重复发生的偶然的一次突变；频发突变：（recurrentmutation）是指能以一定频率重复发生的突变；反向突变：将a基因突变为A基因称为反向突变（reversemutation），研究表明反向突变率一般仅相当于正向突变率的十分之一左右。迁移（migration）：不同群体间由于个体转移引起的基因流动过程在家畜育种实践中，迁移主要体现为引种，即引入优良基因加快群体的遗传改良，是提高育种效率的有效途径。群体遗传结构影响因素——迁移群体遗传结构影响因素—选择选择（selection）：群体内个体参与繁殖的机会不均等，从而导致不同个体对后代的贡献不一致。造成这种繁殖机会不均等的原因主要有个体适应性和生活力的差异、个体繁殖力不同及人为的选择，前两者是自然选择的主要因素，而人工选择是动物育种改良最重要的手段。对显性基因的选择对隐性基因的选择对杂合子的选择群体遗传结构影响因素—遗传漂变随机遗传漂变：在小群体内，由于配子的随机抽样而导致的基因频率在世代间的随机变化。群体越小，遗传漂变的作用越大。这种小群对保种是不利的，它会导致有的等位基因丢失，难以维持群体遗传结构的稳定。家畜遗传资源保存中，维持足够的群体有效含量是非常必要的。第二节数量性状及其遗传基础一、数量性状的概念及分类生物的性状基本上可分为三大类：1、质量性状（qualitativetrait）:变异可以截然区分为几种明显不同的类型，一般用语言来描述；2、数量性状（quantitativetrait）:个体间性状表现的差异只能用数量来区别，变异是连续的。3、阈性状(thresholdtrait)：表现型呈非连续变异，与质量性状类似，但不是由单基因决定，性状具有一个潜在的连续型变量分布，遗传基础是多基因控制的，与数量性状类似。二、数量性状的特征区分性状的依据:1、性状是描述性的，还是可以度量的；2、性状是呈间断性分布，还是连续性分布；3、性状的表现是否容易受到环境的影响；4、控制性状的遗传基础是单基因还是多基因。数量性状的特征：1、数量性状在个体间的差异体现在量上或程度上，一般很难描述，需要度量；2、在一个群体中，数量性状变异呈连续性；3、数量性状受多基因控制；4、数量性状对环境影响敏感。质量性状、数量性状与阈性状的比较质量性状数量性状阈性状性状主要类型品种特征、外貌特征生产、生长性状生产、生长性状遗传基础单个或少数主基因微效多基因系统微效多基因系统变异表现方式间断型连续型间断型考察方式描述度量描述环境影响不敏感敏感敏感研究水平家系群体群体研究方法系谱分析、概率论生物统计生物统计三、数量性状遗传基础——微效多基因假说瑞典遗传学家Nilsson-Ehle（尼尔逊●埃尔）于1909年研究小麦籽粒颜色的遗传后提出多基因假说，经后人试验论证而得到公认。微效多基因假说要点1、数量性状是由大量的、效应微小而类似的、并且可加的基因控制；2、这些基因在世代相传中服从孟德尔原理，即分离规律和自由组合规律，以及连锁互换规律；3、这些基因间一般没有显隐性区别；4、数量性状同时受到基因型和环境的作用，而且数量性状的表现对环境影响相当敏感。这一假说的实质是数量性状由大量微效基因控制，因而称之为微效多基因假说。数量性状可由少数效应较大的主基因控制、也可由数目较多、效应较小的微效多基因控制。主基因：控制某个性状表现的效应较大的少数基因；微效基因：数目较多，但每个基因对表现型的影响较小；修饰基因：基因作用微小，但能够增强或削弱主基因对基因型的作用。如小家鼠有一种引起白斑的显性基因，白斑大小则由一组修饰基因所控制。需要分析杂交后代的大量个体→应用数理统计等方法→分析平均效应（effect）、方差（variance）、协方差（covariance）等遗传参数→发现数量性状遗传规律。借助于分子标记和数量性状基因位点（quantitativetraitloci，QTL）作图技术→可在分子标记连锁图上标出单个基因位点的位置、确定其基因效应。研究方法基本概念-数量性状基因座（QTL)对数量性状有较大影响的基因座称为数量性状基因座（quantitativetraitlocus，QTL)，它是影响数量性状的一个染色体片段，而不一定是一个单基因座。有限的基因如何控制众多的数量性状？一般可以归结为下列三个原因：1、基因仅仅是性状表现的遗传基础，它与性状的关系并非是“一一对应”的，基因作用往往是多效性的，而控制一个性状的基因数目也很多。因此，基因与性状的关系是“多因一效”和“一因多效”的；2、基因作用实际上除了加性效应外，等位基因间还存在有显性效应，非等位基因间还存在有上位效应。这些非加性互作效应的存在，使得基因型间的差异更加难以区分；3、数量性状的表现不仅仅取决于基因型，而且不同程度地受到环境效应的影响。确定单个QTL基因主要有几个方面的作用：1、可以利用分子遗传标记对数量性状基因型进行标记辅助选择（marker-assistedselection，MAS）来提高家畜育种的效率，特别是对低遗传力性状和限性性状而言；2、将转基因技术用于数量性状的遗传操作；3、能够鉴别由多因素引起的遗传疾病，为基因治疗和改进预防措施提供依据；4、对这些QTL基因的数目和特性有所了解后，可以使数量遗传学理论建立在更加完善的基础上，对动物育种实践的指导更为科学合理。四、数量性状数学模型数量性状表型值剖分GEIEGP数量性状表型值基因型值环境效应值基因型与环境互作效应对于大多数的数量性状而言，基因型效应与环境效应之间无互作，或互作很小，一般都假设IGE=0数量性状数学模型数量性状表型值剖分EGP基因实际上存在有三种不同的效应，即基因加性效应（additiveeffect）、等位基因间的显性效应（dominanceeffect）和非等位基因间的上位效应（epistaticeffect)。影响数量性状表型值的环境效应，又可分为系统性环境效应（或称固定环境效应）和随机环境效应两类。随机环境效应又可分为持久性环境效应和暂时性环境效应EIDA可以将基因型值剖分为育种值（A）、显性效应偏差值（D）和上位效应偏差值（I）三个部分。从育种学角度出发，重要的是能够真实遗传的育种值这一部分，而D和I和带有一定的随机性，一般均将它们归并到环境效应偏差值中，统称为剩余值，记为R。RA控制数量性状基因具有各种效应，主要有：加性效应（additiveeffect，A）：等位基因（allele）的累加效应；显性效应（dominanceeffect，D）：等位基因之间的互作效应。上位效应（epitasiseffect，I）：非等位基因之间的相互作用。基因型值是各种基因效应的总和。G=A+D+I，表现型值􀃎P=A+D+I+E基因效应和育种值考察一个具有等位基因A1和A2的基因座，假设纯合子A1A1的基因型值为+a，A2A2的基因型值为-a，杂合子A1A2的基因型值为d，它取决于基因的显性程度大小，无显性时d=0，完全显性时d=+a或-a，不完全显性时介于这两者之间，超显性时在这一范围之外，如下图所示。基因型A2A2A1A2A1A1基因型值-a0d+a一对等位基因的基因型和基因型值示意图基因型与基因型值d=0，完全加性（additive），无显性d=±a，完全显性（dominance）da，超显性（overdominance）ad０不完全显性（incompletedominance）GenotypeFrequencyValueA1A1p2+aA1A22pqdA2A2q2-a如果是在一个随机交配的大群体中，A1和A2的频率分别为p和q，那么群体的平均基因型值μ和基因型值方差VG为：DAGVVpqdpqdpqqdpqpVpqdqpqdpqp2222222222)2()]([2)()(2)(2)()()(2)(均值与方差这里，VA和VD分别表示加性效应和显性效应方差，可见，在一对等位基因时，群体平均基因型值及方差可以剖分为加性效应和显性效应两部分。一个等位基因的效应可用其平均效应（averageeffect）来度量：是指该基因随机地与群体内的配子结合，所形成的全部基因型均值与全群均值的离差。若定义