大豆QTL作圖群體與定位方法研究進展*

李燦東

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154007）

隨著分子標記的出現(xiàn)以及模式植物全基因組測序的完成，推動了高密度分子標記連鎖遺傳圖的構(gòu)建，使得數(shù)量性狀的研究不再沿用基于多基因假說的統(tǒng)計方法，使經(jīng)典數(shù)量遺傳學發(fā)展到一個嶄新的階段—分子數(shù)量遺傳學階段。近年來，分子數(shù)量遺傳學研究逐漸深入，不同作物上已經(jīng)構(gòu)建了大量的遺傳圖譜，并對目標性狀進行了QTL定位。而遺傳作圖群體是構(gòu)建遺傳圖譜和進行QTL定位的前提[1]。

1 遺傳作圖群體

1.1 初級作圖群體

初級作圖群體主要包括F2，BC1，DH，RIL和IF2群體等，這些群體個體間背景差異極大，但極適合QTL初步定位。根據(jù)能否永久保存可分兩類，一類是暫時性分離群體，如F2、BC1和三交群體等，這類群體以個體為單位組成，在繁殖時經(jīng)過自交或近交會再次發(fā)生重組和分離，因此后代無法保持原來的種性。另一類是永久性分離群體，如DH、RIL和IF2等群體，這類群體以株系為分離單位，每一株系在遺傳上是純合的，可以不斷繁殖，反復使用，主要用于高精度和高密度作圖[2-3]。

1.1.1 暫時性分離群體

（1）F2群體 獲得F2群體十分容易，兩個純合的自交系雜交再自交一次就得到F2群體。在F2群體中兩親本的純合基因型和雜合子基因都得以表現(xiàn)，因此F2群體提供的遺傳信息最豐富。但對于顯性標記，F(xiàn)2群體不能區(qū)分純合顯性基因型與雜合基因型，會降低作圖的精度。

（2）BC1群體 F1與親本之一回交一次就得到BC1群體。BC1群體的每一對等位基因只有兩種基因型，直接反映F1代配子的分離比例，因而他的作圖效率最高。通過正反交BC1群體中基因重組率的異同，可以檢驗雌雄配子在基因間的重組率上是否有差異。

1.1.2 永久性分離群體

（1）DH群體 F1植株花粉離體培養(yǎng)得單倍體植株，再經(jīng)染色體加倍繁殖一代便成為雙單倍體。DH植株是純合體，自交后代是純系。DH群體的遺傳結(jié)構(gòu)直接反映F1配子中基因的分離和重組，其作圖效率與BC1群體一樣。使用DH群體困難在于有些植物很難花培，無法得到DH群體。

（2）RIL群體 F2單株種子采用一粒傳方法經(jīng)8～12代自交獲得。多代自交后，絕大多數(shù)基因已純合，RIL群體可穩(wěn)定保存，分發(fā)給不同的研究者共嘗作圖和基因定位的結(jié)果。在不斷自交的過程中，染色體重組的機會增加，位點間的重組率增大，可以加大標記的密度，提高了作圖的精度。

（3）IF2群體 IF2群體的構(gòu)建有兩種方法，第一種就是將F3家系各取40粒種子種成兩行，每行20個單株。開花期每行取5株花粉混合授到另一行的5株上，兩行進行相互授粉，每一家系收獲不少于20個果穗的種子混合構(gòu)成永久F2。第二種方法是將重組自交系隨機分成兩組，彼此一對一隨機交配得F1種子，分組和交配重復進行3次所構(gòu)成群體的遺傳結(jié)構(gòu)類似于F2，故也稱為永久F2。IF2群體既有F2遺傳變異豐富，又能長期保存，是較理想的定位群體。

1.2 高級作圖群體

高級作圖群體主要是指近等基因系類群體，其特征是群體個體間遺傳背景相似，僅帶有少數(shù)供體片斷，如導入系（ILs）和替換系（SLs），它們都是通過連續(xù)重復回交和MAS來完成的。這些群體能使整個基因組間的多個QTL分解為只存在一個或幾個QTL分離，從而消除背景的干擾和主效QTL對微效QTL的掩蓋作用，非常適合QTL鑒定，精細定位，品種改良[4-5]。

高級作圖群體的一個杰出代表是染色體單片斷代換系（CSSLs）。該群體是近年發(fā)展起來的理想材料，指在受體的遺傳背景中只有一個染色體片斷被供體相應的染色體片斷所代換的品系。單片斷代換系與受體親本只存在一個代換片斷的差異，故可以完全消除遺傳背景的干擾，更適合進行QTL效應評價，精細定位。由于CSSL與受體親本遺傳組成上的唯一差異僅局限于目標片斷內(nèi)，因此CSSL與受體之間的任何遺傳差異都與代換片斷有關(guān)。

2 大豆QTL定位方法

2.1 單標記分析

單標記分析方法是通過方差分析、回歸分析或似然比檢驗，比較不同標記基因型數(shù)量性狀均值的差異。如果存在顯著差異，則說明該數(shù)量性狀的QTL與標記有連鎖。單標記法不需要完整的分子標記連鎖圖譜，因而早期的QTL定位多采用這種方法[6]。但是，方差分析和回歸分析只能檢測標記和QTL的連鎖，不能估計他們之間的重組率。

2.2 區(qū)間作圖法

Lander和Botstein發(fā)展了以連鎖圖譜上兩個相互側(cè)鄰的遺傳標記為基礎(chǔ)的QTL作圖方法。該方法是將正態(tài)混合分布的最大似然函數(shù)和簡單回歸模型相結(jié)合，借助于完整的分子標記連鎖圖譜，計算基因組相鄰標記之間任一位置上存在QTL和不存在QTL的似然函數(shù)比值的對數(shù)（LOD值），以一定的步長（如1cM），沿整條染色體逐步改變假設存在的QTL的位置，就能得到LOD（或LR）值沿染色體變化的曲線，大于顯著臨界值的LOD曲線高峰所對應的染色體位置就是存在QTL可能性最大的位置[7]。

2.3 復合區(qū)間作圖法

針對區(qū)間作圖法存在的問題，學者們提出了不少改進方法。最有效的方法是根據(jù)回歸模型中每個QTL的效應只被其兩側(cè)相鄰標記所吸收的統(tǒng)計特性，用被檢區(qū)間之外的部分或全部標記作為回歸模型中的余因子來消除其他QTLs或遺傳背景對被檢區(qū)間的影響。Zeng提出了多元線性回歸與區(qū)間作圖法相結(jié)合的復合區(qū)間作圖法（Composition Interval Map?ping，簡稱CIM）[8]。

2.4 QTL定位的混合線性模型方法

基于混合線性模型的復合區(qū)間作圖方法的提出，為分析各種復雜的遺傳模型提供了有力的工具。該方法的特點是，把群體均值、QTL各項遺傳效應（包括加性效應、顯性效應和上位性效應）作為固定效應，而把環(huán)境效應、QTL×環(huán)境互作效應、分子標記效應及其與環(huán)境的互作效應以及殘差效應作為隨機效應，將效應估計和定位分析結(jié)合起來，進行多環(huán)境下的聯(lián)合QTL定位分析，提高了作圖的精度和效率。

3 大豆QTL的精細定位的策略

目前大多數(shù)QTL定位的精度只在10～20cM，這一精度無法區(qū)分是單個基因還是多個QTL位點連鎖的多基因成分。在一般情況下，10～20cM的基因組區(qū)域很可能包含控制同一性狀的幾個效應相反的QTL，這在一定程度上勢必影響改良的性狀在這一區(qū)域的遺傳獲得量和育種值[9-13]。為進一步理解QTL的遺傳結(jié)構(gòu)進而克隆QTL，影響同一性狀的多個QTL必須分別定位在染色體的不同位點上。從這個角度出發(fā)，QTL的精細定位是十分重要的。近年來，國內(nèi)外關(guān)于QTL精細定位的研究主要從以下幾個方面開展。

3.1 減少背景噪音

在構(gòu)建作圖群體時，由于雜交的原因使得后代群體的遺傳背景較為復雜，這在一定程度上限制了QTL分析的準確性，QTL的效應通常是比較不同個體基因型之間的某一性狀的均值差異顯著性來估算的。因此，理論上任何減少同一組內(nèi)性狀變異的措施都將有利于減少遺傳背景干擾，并提高QTL的定位精度。

3.2 提高定位群體中重組個體的頻率

QTL定位的基本策略是基于比較QTL位點附近分子標記發(fā)生重組的個體與非重組個體之間的均值差異進行的，因此，重組個體的數(shù)量直接影響QTL定位的精度。為提高重組個體的比例，可以在比較早的世代進行重組體鑒定，隨后進行多個世代的跟蹤選擇，進而提高重組體在定位群體中占的比例，通過這樣的途徑，能夠有效地提高QTL定位的精度。

4 大豆QTL定位存在的問題及解決方法

4.1 作圖群體的限制

在大豆QTL定位研究方面，常用的作圖群體主要是F2、RIL，BC1等初級作圖群體，利用這些群體進行QTL定位精確度及穩(wěn)定性都不高，往往存在一些問題，如F2群體不能區(qū)分純合顯性基因型與雜合基因型，會降低作圖的精度；BC1群體由于回交后每對同源染色體發(fā)生重組的機會比F1自交低二分之一，提供的遺傳信息只有F2群體的一半。要想提高定位的精確度及穩(wěn)定性，首先要選擇目標性狀差異較大的親本組合進行QTL定位研究，并適當群體量以提高準確性；其次要控制環(huán)境條件的影響，減少遺傳背景對定位的干擾，主要采用大豆導入系材料進行QTL定位。

4.2 環(huán)境條件的干擾

數(shù)量性狀易受環(huán)境條件變化的影響，尤其是F2群體，在田間試驗設計是無法實現(xiàn)重復的，因此利用暫時性分離群體進行QTL定位的準確性不高。解決的方法是發(fā)展永久性分離群體并經(jīng)過多年多點的QTL檢測進行定位分析，以提高檢測的真實性和穩(wěn)定性。另外，由于某些數(shù)量性狀的變化是動態(tài)的，而QTL定位研究主要是針對某個時期靜態(tài)的性狀表現(xiàn)，因此QTL定位研究應該向動態(tài)分析轉(zhuǎn)化。

4.3 遺傳圖譜的飽和度

遺傳圖譜的飽和度直接影響到QTL定位的精確性，構(gòu)建高密度的大豆遺傳連鎖圖對于QTL定位研究是十分必要的，應該不斷發(fā)展新的作圖群體，增加遺傳圖譜的飽和度，為QTL定位的精確性奠定基礎(chǔ)。

4.4 大豆導入系的發(fā)展

國內(nèi)自2006年由中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所組織全國各主要科研單位開始導入系材料的構(gòu)建。2007年鄂文娣以Harosoy及其111份回交滲入系為材料，用分布于20個連鎖群的234個SSR位點對其進行全基因組掃描。在這234個位點中，有179個位點具有多態(tài)性，共檢測到402個等位變異，631個滲入片段，并定位了一批控制農(nóng)藝性狀基因的標記，同時鑒定出一批較為重要的分子標記。這些工作為大豆導入系的構(gòu)建和利用起到了先導作用，標志著新的QTL定位群體產(chǎn)生了。

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