基于混合線性模型的ril中g(shù)1ql定位及遺傳效應(yīng)分析

基于混合線性模型的ril中g(shù)1ql定位及遺傳效應(yīng)分析

棉花是世界上的重要原材料。中國的棉花在生產(chǎn)和消費中占世界第一。隨著近年我國對棉花需求的不斷加大，在纖維品質(zhì)、產(chǎn)量上也提出了更高要求。纖維品質(zhì)、產(chǎn)量與供需的矛盾亟待改善(喻樹迅,2007;Wangetal.,2008)。棉花主要農(nóng)藝性狀均為復(fù)雜的數(shù)量性狀，研究方法的不斷改進使得大量重要的數(shù)量性狀基因深度分析成為可能。目前利用不同的分離群體定位克隆的典型QTL位點有與玉米進化相關(guān)的QTLtb1(Wangetal.,1999)；與番茄果重相關(guān)的QTLfw2.2(Fraryetal.,2000)，含糖量相關(guān)的QTLBrix9-2-5(Fridmanetal.,2000)；與擬南芥開花期有關(guān)的QTLED1(MorganteandSalamini,2003)；與水稻開花期相關(guān)的QTLhd1、hd6及hd3a(Yanoetal.,2000;Takahashietal.,2001;Monnaetal.,2002)，耐鹽性相關(guān)的QTLSKC1(Renetal.,2005)，與產(chǎn)量相關(guān)的QTLGnla(Ashikarietal.,2005)等。以上研究主要基于單基因遺傳理論模型，對生物遺傳發(fā)育深入研究發(fā)現(xiàn)主效基因及基因產(chǎn)物之間存在大量互作。不同研究小組對水稻、玉米、小麥、大豆、綠豆的研究，均證實了控制不同性狀的數(shù)量性狀QTL位點間存在顯著互作(Bremetal.,2005)。上位性應(yīng)當是物種進化和物種形成的基礎(chǔ)，也是數(shù)量性狀重要的遺傳基礎(chǔ)(Allard,1996;Riesebergetal.,1996)。本文利用重組近交系對陸地棉(GossypiumhirsutumL.)主要農(nóng)藝性狀主效和上位性QTL進行了詳細分析，認為上位性QTL位點與主效QTL位點在數(shù)量性狀的遺傳中具有同等重要的地位，在分子聚合育種中起著重要作用。1材料和方法1.1ril群體構(gòu)建本試驗親本材料，母本愛字棉1517(♀)中等偏晚熟，纖維品質(zhì)優(yōu)良。父本德州047(♂)早熟，豐產(chǎn)性好。RIL群體構(gòu)建始于1999年冬季，采用“株對株”雜交，F(xiàn)1自交，獲得146個F2單株。自F2代后，采用“單粒傳”法，結(jié)合南繁加代，至2006年夏季F11代127個株系。供試親本材料及重組近交系群體均由中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所分子應(yīng)用課題組提供。1.2田間調(diào)查和品質(zhì)檢測RIL群體2005-2006年連續(xù)種植于中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所試驗田，行長4m，行距0.8m，株距0.3m。單行區(qū)，順序排列，2005年設(shè)1個重復(fù)，2006年設(shè)2個重復(fù)，管理同大田。對現(xiàn)蕾期、開花期、吐絮期等生育期性狀進行連續(xù)田間調(diào)查；對株行實收鈴數(shù)記重考察產(chǎn)量性狀；品質(zhì)檢測采用株行全棉混合取樣，交由農(nóng)業(yè)部纖維品質(zhì)監(jiān)督檢驗中心檢測。本實驗采用SSR標記技術(shù)對親本及RIL群體進行標記篩選，運用改良CTAB法提取DNA(宋國立等,1998)，非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳及銀染參照快速檢測法(張軍等,2000)。1.3環(huán)境定位及位點設(shè)置采用JoinMap3.0軟件對實驗室數(shù)據(jù)進行作圖分析，LOD值最小為3.0，最大遺傳距離為50cM。應(yīng)用基于混合線形模型的復(fù)合區(qū)間作圖法QTLNetwork2.0QTL分析軟件在P=0.005水平進行QTL定位，采用Mapchart2.2繪圖軟件標定QTL所在連鎖圖上的位置及上位性QTL對應(yīng)關(guān)系。QTL位點的命名規(guī)則參照水稻的命名法(Mccouchetal.,1997)略有改動，即在“q”后加上性狀英文名稱大寫字母縮寫形式，標明QTL在連鎖群上的絕對位置，盡量體現(xiàn)完整的位點信息。上位性QTL位點即把“q”換成“e”ㄢ2不同結(jié)構(gòu)遺傳位點對生育期性狀的加性效應(yīng)選用CMD(cottonmicrosatellitedatabase)數(shù)據(jù)庫中的6197對SSR引物對親本進行多態(tài)性篩選，共獲得109對多態(tài)性引物。采用JoinMap3.0進行遺傳作圖，共構(gòu)建了包含15個連鎖群，51個標記的遺傳連鎖圖，總長504.05cM覆蓋棉花基因組總長度的10.08%。利用基于混合線形模型的復(fù)合區(qū)間作圖法對2005、2006年數(shù)據(jù)在P=0.005水平進行QTL定位，共獲得主效QTL位點9個，其中生育期性狀相關(guān)QTL位點5個，纖維品質(zhì)相關(guān)的QTL位點1個，產(chǎn)量性狀相關(guān)的QTL位點3個(表1)。定位的上位性QTL位點共15對，其中生育期性狀相關(guān)上位性QTL位點4對，纖維品質(zhì)相關(guān)上位性QTL位點6對，產(chǎn)量性狀相關(guān)上位性QTL位點5對(表2)。從農(nóng)藝性狀來研究定位的主效QTL，可以發(fā)現(xiàn)生育期相關(guān)QTL位點主要分布于LG01、LG04、LG05、LG08連鎖群；纖維品質(zhì)相關(guān)QTL位點分布于LG13連鎖群；產(chǎn)量相關(guān)QTL位點分布于LG13、LG14連鎖群。各主效QTL位點分散分布于連鎖群上，同類農(nóng)藝性狀的主效QTL位點有交錯重疊現(xiàn)象。對每個連鎖群分布的主效QTL分析結(jié)果為：LG01上定位了qFFBN-01-41.3、qDFF-01-38.6兩個主效QTL位點，分別位于NAU1047-MUSS139、BNL1317-NAU1047區(qū)間，分別控制著果枝節(jié)位和開花期，加性效應(yīng)分別為0.23、1.29，遺傳貢獻率分別為5.75%、8.43%。加性效應(yīng)來自相同的親本德州047，遺傳貢獻率大致相當。LG04上定位了qDFS-04-4.0控制現(xiàn)蕾期的主效QTL位點，位于STV097-STV117標記之間，加性效應(yīng)為0.43，遺傳貢獻率為7.23%。LG05上定位一個控制霜前花率的主效QTL位點qPPSC-05-9.0，位于BNL3806-TMG10區(qū)間，加性效應(yīng)為7.25，遺傳貢獻率為14.00%?？刂仆滦跗诘腝TLqBOS-08-26.0定位LG08上，位于CIR062-NAU1156區(qū)間，加性效應(yīng)為-3.07，遺傳貢獻率為8.02，這個位點是定位的生育期性狀加性效應(yīng)唯一來自愛1517的主效QTL位點。LG14上定位了兩個分屬不同年份的控制子指的主效QTL位點qSI-14-2.0、qSI-14-1.0a，位于BNL2634-BNL1694之間，加性效應(yīng)分別為0.76、0.78，遺傳貢獻率分別為21.65%、22.13%。LG13上定位了兩個主效QTL位點，分別是qUHML-13-6.0、qLP-13-6.0，分別控制著纖維上半部平均長度和衣分，加性效應(yīng)分別為0.35、-0.97，遺傳貢獻率分別為5.64%、11.61%。對所得表型數(shù)據(jù)進行上位性分析，共定位15對上位性QTL位點(圖1)：生育期性狀定位4對上位性QTL位點：果枝始節(jié)1對，開花期2對，吐絮期1對。控制果枝節(jié)位的eFFBN-02-19.7對應(yīng)LG15上的分布于BNL3031-BNL1672之間的eFFBN-15-0.0位點，上位效應(yīng)為0.25，遺傳貢獻率為6.90%。開花期的上位性QTL位點為2對，第1對是分布于LG05的eDFF-05-46.6與分布于LG13上NAU1167-CIR347之間的eDFF-13-3.0，其上位效應(yīng)為1.36，遺傳貢獻率9.29%。另一對是位于LG07上MUSB413-MUCS531標記之間的eDFF-07-16.3與eDFF-14-4.0，上位效應(yīng)為1.27，遺傳貢獻率為8.09%，這兩對位點的遺傳貢獻率大致相等。吐絮期相關(guān)的上位性QTL位點，分布與LG02、LG07連鎖群上，上位效應(yīng)為2.85，遺傳貢獻率為6.89%。纖維品質(zhì)性狀定位6對上位性QTL位點：上半部平均長度1對，馬克隆值3對，斷裂比強度1對，伸長率1對。與上半部平均長度相關(guān)QTL位點分布于LG01和LG03上，分別位于BNL3649-BNL1551和MUSS172-NAU769之間，上位效應(yīng)為-0.52，故其來源于親本德州047，遺傳貢獻率為11.98%。馬克隆值共檢測到3對QTL位點，分別分布于不同的三組連鎖群上，對應(yīng)的上位效應(yīng)分別為0.17、-0.30、-0.22，其遺傳貢獻率分別為6.78%、20.27%、10.90%。斷裂比強度對應(yīng)的QTL位點分布于LG01和LG03上，上位效應(yīng)為-0.51，其遺傳貢獻率為6.98%，其中位于BNL3649-BNL1551之間的位點與加性效應(yīng)QTL位點，同在LG01連鎖群上。伸長率相關(guān)QTL位點分布于LG05、LG10連鎖群上，上位效應(yīng)為-0.12，其遺傳貢獻率為11.13%。產(chǎn)量性狀定位5對上位性QTL位點：單株鈴數(shù)2對，衣分2對，子指1對。兩對單株鈴數(shù)上位性QTL分布在LG02、LG07和LG04、LG15上，上位效應(yīng)來自同一個親本，上位效應(yīng)分別為1.03、0.87，遺傳貢獻率分別為14.18%、10.30%，都在10%以上。3個衣分上位性QTL位點主要分布于LG04、LG05、LG10上，3個位點組成兩對QTL位點，上位效應(yīng)分別為0.63、-1.09，遺傳貢獻率分別為4.90、14.68。這QTL檢測中唯一的一個三點連鎖位點，但上位效應(yīng)作用方向相反。檢測到子指的1對QTL位點，上位效應(yīng)為0.61，遺傳貢獻率為14.26%。3結(jié)論和討論3.1常用多基因控制變量模型農(nóng)藝性狀大多是受微效多基因控制的數(shù)量性狀，前人關(guān)于數(shù)量性狀的主基因與多基因混合遺傳模型分析法也是根據(jù)數(shù)量性狀的特點提出的一種基本假設(shè)，主基因與多基因混合模型分析預(yù)測結(jié)果與分子檢測的QTL具有本質(zhì)的一致性，存在必然的對應(yīng)關(guān)系(殷劍美等,2003)。本試驗定位的各性狀主效QTL數(shù)量為數(shù)不多，定位了大量的上位性QTL，符合數(shù)量性狀一般特征。根據(jù)本試驗QTL定位結(jié)果認為生育期性狀中果枝始節(jié)、開花期、吐絮期適合“一對主基因+多基因”模型，現(xiàn)蕾期、霜前花率受單個主基因控制的可能性更大。纖維品質(zhì)性狀中上半部平均長度適合“一對主基因+多基因”模型(殷劍美等,2003)，馬克隆值、斷裂比強度、伸長率主要受微效基因控制。前人關(guān)于棉花纖維品質(zhì)研究很多，大多數(shù)認為馬克隆值、斷裂比強度主要受多基因控制不存在主基因與本實驗相一致(馬雪霞等,2008)。但也有人認為伸長率適合“一對主基因+多基因”模型(殷劍美等,2003)與本試驗結(jié)果不符，可能是所用材料不同導致的結(jié)果偏差。產(chǎn)量性狀中衣分、子指適合“一對主基因+多基因”模型(杜雄明等,1999;袁有祿等,2002)，單株鈴數(shù)主要受微效多基因控制。QTL定位結(jié)果與主基因與多基因混合模型結(jié)果的一致性表明主基因與多基因混合遺傳模型的分析預(yù)測有效的。本試驗應(yīng)用多代自交基因型趨于純合的低篩選效率種內(nèi)重組近交系進行遺傳作圖、QTL定位，在遺傳背景清晰的前提下，確保了試驗結(jié)果的可靠性，這也是遺傳分析必備的充要條件。3.2．同類農(nóng)藝性狀的位點分布從主效QTL的分布看，主效QTL位點分散分布于主要的幾個連鎖群上，不同連鎖群上同類性狀聚集分布，qFFBN-01-41.3、qDFF-01-38.6位點幾乎完全重合，qUHML-13-6.0、qLP-13-6.0位點相對位置則完全相同。對其表型性狀數(shù)據(jù)相關(guān)分析也清楚地發(fā)現(xiàn)果枝始節(jié)與開花期，上半部平均長度和衣分均為遺傳極顯著相關(guān)(張先亮等,2008)。這充分表明數(shù)量性狀基因有成簇分布的趨勢(UlloaandMeredith,2000;張培通等,2006)，同類農(nóng)藝性狀主效QTL位點成簇分布則肯定了同類農(nóng)藝性狀遺傳顯著相關(guān)的正確性(李衛(wèi)華等,2000)，同時也給予了遺傳極顯著相關(guān)分子本質(zhì)合理的解釋。上位性QTL位點比主效QTL分布相對集中，多性狀多位點呈嵌套重疊分布狀態(tài)，典型的大致分三種情況：其一，位點eUHML-01-93.7、eSS-01-93.7、eSI-01-82.7(分布于LG01)上；位點eFFBN-02-19.7、eBOS-02-19.7、eBPP-02-24.7、eMV-02-6.1(分布于LG02)；位點eFFBN-15-0.0、eBPP-15-0.0(分布于LG15上)發(fā)生重合情況，推測可能是一因多效現(xiàn)象，此類現(xiàn)象在前人研究中相當普遍(Wangetal.,2006;張培通等,2006)。其二，LG03上分布的eMV-03-14.0、eSS-03-24.1、eUHML-03-25.8;LG05上分布的eLP-05-15.8、eMV-05-18.8、eEP-05-30.8、eSI-05-39.6、eDFF-05-46.6;LG07上分布的eDFF-07-16.3、eBPP-07-18.3、eBOS-07-19.3、eMV-07-0.0位點部分重疊且向染色體一側(cè)(或兩側(cè))延伸，與多基因家族成簇出現(xiàn)的特征相類似。其三是LG04上分布的eMV-04-7.0、eBPP-04-20.1、eLP-04-37.1;LG04上分布的eMV-10-16.0、eLP-10-38.3、eEP-10-41.3多個位點緊密連鎖的情況。從整體的連鎖情況來看，表型性狀之間存在相關(guān)也應(yīng)是普遍的。3.3不同生育期各基因位點的遺傳貢獻率陸地棉是AD異源四倍體棉，其基因組可被細化為A亞基因組和D亞基因組。本試驗所構(gòu)建的遺傳連鎖圖，依據(jù)前人文獻把構(gòu)建的連鎖群定位到A亞基因組和D亞基因組上(Wangetal.,2006)。生育期性狀共定位了13個QTL位點，其中D亞基因組上定位主效QTL位點5個，上位性QTL位點4個，A亞基因組上定位了4個上位性QTL位點。纖維品質(zhì)性狀共定位了11個QTL位點，D亞基因組上定位主效QTL位點1個，上位性QTL位點6個，A亞基因組上只定位了4個上位性QTL位點。產(chǎn)量性狀共定位了11個QTL位點，D亞基因組上定位主效QTL位點1個，上位性QTL位點6個，A亞基因組上定位主效QTL位點2個和上位性QTL位點2個。所定位的生育期相關(guān)QTL位點，從數(shù)目、類型及分布特征來看，D亞基因組定位的主要是能夠穩(wěn)定遺傳且遺傳效率較高的主效QTL位點，A亞基因組上定位的則只有上位性QTL位點。結(jié)合QTL總的遺傳貢獻率，認為D亞基因組對棉花各生育期性狀遺傳的貢獻比A亞基因組要大。纖維品質(zhì)性狀檢測到的主效QTL位點數(shù)量不多，多定位的是上位性QTL位點。所以本試驗認為控制纖維品質(zhì)性狀變異的主要是上位效應(yīng)，且定位的上位性QTL位點全部以A、D亞基因組間互作形式存在，這充分說明A、D亞基因間的互作對纖維品質(zhì)性狀形成十分重要。這與前人認為纖維發(fā)育相關(guān)的基因在只含D亞基因組的單倍體中被抑止，但在A、D亞基因組復(fù)合后去抑止，A亞組的基因表達量因為同源染色體間的互作增強了(Applequistetal.,2001)的觀點相類似。同樣與基因復(fù)制及染色體多倍化對與纖維發(fā)育相關(guān)性狀的新變異有促進作用(Wendel,2000;Osbornetal.,2003)的觀點相吻合。結(jié)合總的遺傳貢獻分析仍然認為是D亞基因組比A亞基因組在纖維品質(zhì)性狀上貢獻更多(Jiangetal.,1998;Patersonetal.,2003)。從纖維品質(zhì)上位性QTL定位的亞基因分布特征來看，不妨可以推測LG10上定位的2個纖維品質(zhì)相關(guān)上位性QTL位點屬于A亞基因組。定位的產(chǎn)量相關(guān)主效QTL位點在A、D亞基因組間都有分布，上位性QTL位點主要分布于D亞基因組上，上位性互作在D亞基因組內(nèi)及A、D亞基因組間均有分布。但從上位性QTL位點數(shù)目分布特征及總的遺傳貢獻率來看，認為對產(chǎn)量聚合育種要A、D亞基因組并重，D亞基因組可能存在更多的基因位點，產(chǎn)生更多的變異。本試驗構(gòu)建的遺傳連鎖圖，覆蓋A亞基因組156.09cM，覆蓋D亞基因組260.15cM，從圖距數(shù)值來看，有偏向D亞基因組趨勢，推斷D亞基因組具有更高的多態(tài)性，可能蘊含更多的基因位點。QTL定位的結(jié)果則驗證了這一點，在D亞基因組上共定位了23個QTL位點，在A亞基因組上獲得16個QTL位點。從A、D亞基因組定位的各性狀的QTL位點數(shù)目與分布特點看，棉花農(nóng)藝性狀基因定位重點在D亞基因組上，而聚合育種則要A、D亞基因組并重。3.4上位性ssctl位點對所檢測到的QTL分析：其中主效QTL位點的加性效應(yīng)絕對值在0.23到7.25之間，遺傳貢獻率范圍在5.64%～22.13%之間。上位性QTL的上位效應(yīng)的絕對值則在0.12～2.85之間，遺傳貢獻率范圍為4.9%～20.27%之間。qFFBN-01-41.3、qUHML-13-6.0、qLP-13-6.0距離最近的標記都在1cM以下，十分有利于在育種實踐對主效QTL跟蹤檢測或?qū)ζ渚毝ㄎ贿M行基因克隆。本試驗定位的qPP-SC-05-9.0位點，具有較高的加性效應(yīng)和遺傳貢獻率的主效QTL位點，用于聚合育種應(yīng)該是有效的(沈新蓮等,2001)，對于這種QTL位點應(yīng)進行QTL精細定位、圖位克隆，使之成為固定的基因資源。試驗中檢測子指相關(guān)兩年穩(wěn)定遺傳QTL位點是十分有價值的。位點效應(yīng)值高且能穩(wěn)定遺傳的QTL位點利用分子標記輔助選擇應(yīng)用到分子育種中，將會對育種工作具有一定的推動意義。除現(xiàn)蕾期、霜前花率未檢測到上位性QTL位點外，其他性狀均檢測到不同數(shù)目的上位性QTL位點。馬克隆值、斷裂比強度、伸長率、單株鈴數(shù)則只檢測到不同對數(shù)的上位性QTL位點。果枝始節(jié)定位的1個主效QTL位點和1對上位性QTL位點，總的遺傳貢獻率為12.65%，其中上位性遺傳貢獻率占54.54%，遺傳效應(yīng)值和貢獻率均略高于主效QTL位點，據(jù)此認為控制果枝始節(jié)的主效和上位性QTL起著同等重要作用，聚合多個增效上位性QTL位點對生育期改良是有效的。同樣開花期定位的1個主效QTL位點和2對上位性QTL位點總的遺傳貢獻率為25.81%，其中上位性遺傳貢獻率占67.34%，上位性QTL位點遺傳貢獻率大于主效QTL位點，認為在進行子代上位性QTL聚合中開花期選擇效果也應(yīng)較明顯。吐絮期定位了1個主效QTL位點和1對上位性