01月12 如何利用遺傳圖譜研究雜種優(yōu)勢？

1. 研究背景

雜種優(yōu)勢，是雜合體在一種或多種性狀上優(yōu)于兩個(gè)親本的現象。雜交種的優(yōu)良表現體現在多個(gè)重要農藝性狀中，如抗逆、育性、生物量和產(chǎn)量等。同一個(gè)基因型，或不同基因型組合的多種性狀，雜種優(yōu)勢程度不同。雜種優(yōu)勢被廣泛利用于商業(yè)植物育種計劃中，但其遺傳機理并未得到徹底和統一的解釋?zhuān)匀淮嬖跔幾h。一百多年來(lái)，遺傳和育種學(xué)家們不遺余力的研究雜種優(yōu)勢的形成機理，并嘗試構建各種遺傳模型用于解釋雜種優(yōu)勢現象?；趩蝹€(gè)遺傳位點(diǎn)不考慮上位性理論，并結合隱性產(chǎn)生不利影響的假定，產(chǎn)生了兩個(gè)重要的雜種優(yōu)勢機理假說(shuō)，包括顯性假說(shuō)和超顯性假說(shuō)。顯性假說(shuō)認為來(lái)自于一個(gè)親本的不利等位基因被來(lái)自另一個(gè)親本的有利等位基因掩蓋而產(chǎn)生雜種優(yōu)勢現象，超顯性假說(shuō)認為雜合位點(diǎn)本身比純合位點(diǎn)表現優(yōu)良，因此，基因型的雜合程度與雜種優(yōu)勢表現成正比。另外，還有一個(gè)假說(shuō)，即上位性假說(shuō)，它認為非等位基因間正向的互作效應也會(huì )引起雜種優(yōu)勢現象。

分子標記的發(fā)展和飽和連鎖圖譜的構建為解析雜種優(yōu)勢遺傳基礎提供了新的工具。兩個(gè)主要的新方法應運而生：1.利用分子標記的信息，探索雜種優(yōu)勢與親本遺傳多樣性的關(guān)系；2.對雜種優(yōu)勢QTL進(jìn)行定位，以此挖掘出控制雜種優(yōu)勢的基因。利用分子標記信息進(jìn)行QTL作圖，挖掘控制雜種優(yōu)勢的數量性狀位點(diǎn)，是研究雜種優(yōu)勢機理的常用方法。但是，以往的低密度分子標記并不足以檢測控制復雜性狀的多個(gè)連鎖基因。因此，需要將標記的密度提高到覆蓋全基因組，且涉及到群體內所有可能出現的重組事件，比如利用高通量測序的策略，這樣，才有可能在一個(gè)雜交種中將其表現的雜種優(yōu)勢現象解釋清楚。

永久F2群體可以提供可用于重復試驗的基因型相同的種子，構建過(guò)程中也含有豐富的重組信息，適合對雜種優(yōu)勢的遺傳機理進(jìn)行剖析。

2.研究方法和預期結果：

2.1表型數據的處理

利用方差分析計算各性狀的環(huán)境方差、重復方差（有試驗重復）、遺傳方法、基因型與環(huán)境互作方差、誤差方差和遺傳力，并估計哥哥變量的遺傳效應。方差分析的線(xiàn)性模型為：

μ，e，r，g，ge，ε?分別為群體均值，環(huán)境效應，重復效應，基因型效應，基因型與環(huán)境互作效應，誤差效應。環(huán)境和重復設為固定效應，基因型以及基因型與環(huán)境互作設為隨機效應。上述模型得到的基因型估計值作為矯正表型值，在以后的分析中代替表型值，以期望得到更加準確的預測結果。

2.2遺傳圖譜的構建

2.2.1 高密度圖譜的構建

依據測序（最好是重測序）開(kāi)發(fā)的SNP及InDel標記，由于重測序上圖的SNP個(gè)數大于重組事件數，因此將沒(méi)有發(fā)生重組的SNP位點(diǎn)聚成一個(gè)單元，每個(gè)單元稱(chēng)為一個(gè)Bin。以Bin為標記進(jìn)行遺傳圖譜構建。如下圖所示：

2.2.2永久F2群體圖譜構建：

永久F2群體的標記基因型由RIL群體的標記基因型根據組配方式推知，構建永久F2群體的高密度遺傳圖譜。

2.3 RIL群體和永久F2群體自身表型QTL定位

在RIL群體和永久F2群體中進(jìn)行性狀的QTL定位以及效應估計。利用IciMapping V4.0檢測加性（顯性）QTL，同時(shí)檢測二維互作位點(diǎn)的上位性。QTL加性效應有基因型顯性純合位點(diǎn)和隱性純合位點(diǎn)間的平均表型值間的差異決定，顯性效應是由基因型純合位點(diǎn)和雜合位點(diǎn)間平均表型值間的差異決定的。QTL作圖所用方法是表型對標記變量的逐步回歸法，表型數據為上述線(xiàn)性模型計算得到的矯正表型值。

2.3.1 RIL群體的QTL定位

利用完備區間作圖法，以RIL群體的性狀為表型數據進(jìn)行QTL定位和效應估計，得到的結果如下表：

Traits	Chromosome	Distance（cM）	Marker	LOD	PVE（%）	ADD
yield	1	10	bin1	4	11	-0.11
height	2	20	bin2	5	15	0.11

 

2.3.2 永久F2群體的QTL定位

永久F2群體可以檢測到顯性QTL，同時(shí)也能對QTL的加性效應和顯性效應進(jìn)行估計。同樣利用完備區間作圖法，進(jìn)行永久F2群體的QTL定位，結果如下表所示：

Traits	Chromosome	Distance（cM）	Marker	LOD	PVE（%）	ADD	DOM
yield	3	20	bin3	3	10	0.12	0.03
height	4	30	bin4	4	11	-0.11	-0.05

 

2.3.3 永久F2群體的上位性QTL定位

由于上位性對性狀的雜種優(yōu)勢具有重要的作用。同樣利用遺傳圖譜和完備區間作圖中的上位性作圖法，對相關(guān)性狀進(jìn)行上位性QTL定位。定位到加性與加性互作（AA），加性與顯性互作（AD），顯性與加性互作（DA）以及顯性與顯性互作效應（DD）的QTL如下表所示：

 

Traits	Parameter	AA	AD	DA	DD
yield	Average LOD	3.3	4.5	5	6.4
	Average PVE	5.1	6.2	3.3	4.8
height	Average LOD	30	4	3.9	5.6
	Average PVE	6.1	6	5.5	5.9

 

2.4雜種優(yōu)勢QTL定位

2.4.1 中親值以及QTL定位方法

永久F2群體中，F1個(gè)體的中親值是根據F1個(gè)體本身的表現與雙親性狀值計算出來(lái)的。中親值=F1表型值-親本中親值。計算每個(gè)F1對應的中親值，以中親值為表型進(jìn)行QTL定位，其QTL的效應是雜合子與雙親表現均值的差異。由于雜種優(yōu)勢QTL的特殊性，分別利用F2群體類(lèi)型和RIL群體類(lèi)型分別定位顯性QTL。所用軟件同上，在檢測顯性效應時(shí)同樣也檢測顯性和顯性互作QTL。

2.4.2 雜種優(yōu)勢QTL定位結果

雜種優(yōu)勢QTL是利用超中親優(yōu)勢值作為表型值進(jìn)行性狀遺傳位點(diǎn)檢測得到的，其遺傳效應不包括加性效應，全部由顯性效應決定。雜種優(yōu)勢QTL定位結果如下表所示：

Traits	Chromosome	Distance（cM）	Marker	LOD	PVE（%）	DOM
yield	1	10	bin1	4	11	-0.11
height	2	20	bin2	5	15	0.11

 

2.5性狀QTL和雜種優(yōu)勢QTL定位結果比較

將RIL，永久F2群體和中親值數據QTL定位結果進(jìn)行比較，解析特定性狀的遺傳基礎與雜種優(yōu)勢遺傳基礎，并揭示二者的關(guān)系。理論上，RIL群體中定位到的QTL完全是有加性效應決定的，而中親值數據組定位到的QTL完全是有顯性效應決定的，而永久F2群體既有加性效應，又有顯性效應，因此，永久F2群體，RIL群體和中親值存在共定位的QTL。具體性狀的結果如下圖所示：

注：黑色折線(xiàn)表示檢測位點(diǎn)的LOD值，紅色和藍色折線(xiàn)代表檢測位點(diǎn)加性和顯性效應值。

最后利用上述的比較結果綜合評價(jià)不同性狀的雜種優(yōu)勢機理和遺傳基礎。