基于混合线性模型的ril中g1ql定位及遗传效应分析

基于混合线性模型的ril中g1ql定位及遗传效应分析

棉花是世界上的重要原材料。中国的棉花在生产和消费中占世界第一。随着近年我国对棉花需求的不断加大，在纤维品质、产量上也提出了更高要求。纤维品质、产量与供需的矛盾亟待改善(喻树迅,2007;Wangetal.,2008)。棉花主要农艺性状均为复杂的数量性状，研究方法的不断改进使得大量重要的数量性状基因深度分析成为可能。目前利用不同的分离群体定位克隆的典型QTL位点有与玉米进化相关的QTLtb1(Wangetal.,1999)；与番茄果重相关的QTLfw2.2(Fraryetal.,2000)，含糖量相关的QTLBrix9-2-5(Fridmanetal.,2000)；与拟南芥开花期有关的QTLED1(MorganteandSalamini,2003)；与水稻开花期相关的QTLhd1、hd6及hd3a(Yanoetal.,2000;Takahashietal.,2001;Monnaetal.,2002)，耐盐性相关的QTLSKC1(Renetal.,2005)，与产量相关的QTLGnla(Ashikarietal.,2005)等。以上研究主要基于单基因遗传理论模型，对生物遗传发育深入研究发现主效基因及基因产物之间存在大量互作。不同研究小组对水稻、玉米、小麦、大豆、绿豆的研究，均证实了控制不同性状的数量性状QTL位点间存在显著互作(Bremetal.,2005)。上位性应当是物种进化和物种形成的基础，也是数量性状重要的遗传基础(Allard,1996;Riesebergetal.,1996)。本文利用重组近交系对陆地棉(GossypiumhirsutumL.)主要农艺性状主效和上位性QTL进行了详细分析，认为上位性QTL位点与主效QTL位点在数量性状的遗传中具有同等重要的地位，在分子聚合育种中起着重要作用。1材料和方法1.1ril群体构建本试验亲本材料，母本爱字棉1517(♀)中等偏晚熟，纤维品质优良。父本德州047(♂)早熟，丰产性好。RIL群体构建始于1999年冬季，采用“株对株”杂交，F1自交，获得146个F2单株。自F2代后，采用“单粒传”法，结合南繁加代，至2006年夏季F11代127个株系。供试亲本材料及重组近交系群体均由中国农业科学院棉花研究所分子应用课题组提供。1.2田间调查和品质检测RIL群体2005-2006年连续种植于中国农业科学院棉花研究所试验田，行长4m，行距0.8m，株距0.3m。单行区，顺序排列，2005年设1个重复，2006年设2个重复，管理同大田。对现蕾期、开花期、吐絮期等生育期性状进行连续田间调查；对株行实收铃数记重考察产量性状；品质检测采用株行全棉混合取样，交由农业部纤维品质监督检验中心检测。本实验采用SSR标记技术对亲本及RIL群体进行标记筛选，运用改良CTAB法提取DNA(宋国立等,1998)，非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳及银染参照快速检测法(张军等,2000)。1.3环境定位及位点设置采用JoinMap3.0软件对实验室数据进行作图分析，LOD值最小为3.0，最大遗传距离为50cM。应用基于混合线形模型的复合区间作图法QTLNetwork2.0QTL分析软件在P=0.005水平进行QTL定位，采用Mapchart2.2绘图软件标定QTL所在连锁图上的位置及上位性QTL对应关系。QTL位点的命名规则参照水稻的命名法(Mccouchetal.,1997)略有改动，即在“q”后加上性状英文名称大写字母缩写形式，标明QTL在连锁群上的绝对位置，尽量体现完整的位点信息。上位性QTL位点即把“q”换成“e”ㄢ2不同结构遗传位点对生育期性状的加性效应选用CMD(cottonmicrosatellitedatabase)数据库中的6197对SSR引物对亲本进行多态性筛选，共获得109对多态性引物。采用JoinMap3.0进行遗传作图，共构建了包含15个连锁群，51个标记的遗传连锁图，总长504.05cM覆盖棉花基因组总长度的10.08%。利用基于混合线形模型的复合区间作图法对2005、2006年数据在P=0.005水平进行QTL定位，共获得主效QTL位点9个，其中生育期性状相关QTL位点5个，纤维品质相关的QTL位点1个，产量性状相关的QTL位点3个(表1)。定位的上位性QTL位点共15对，其中生育期性状相关上位性QTL位点4对，纤维品质相关上位性QTL位点6对，产量性状相关上位性QTL位点5对(表2)。从农艺性状来研究定位的主效QTL，可以发现生育期相关QTL位点主要分布于LG01、LG04、LG05、LG08连锁群；纤维品质相关QTL位点分布于LG13连锁群；产量相关QTL位点分布于LG13、LG14连锁群。各主效QTL位点分散分布于连锁群上，同类农艺性状的主效QTL位点有交错重叠现象。对每个连锁群分布的主效QTL分析结果为：LG01上定位了qFFBN-01-41.3、qDFF-01-38.6两个主效QTL位点，分别位于NAU1047-MUSS139、BNL1317-NAU1047区间，分别控制着果枝节位和开花期，加性效应分别为0.23、1.29，遗传贡献率分别为5.75%、8.43%。加性效应来自相同的亲本德州047，遗传贡献率大致相当。LG04上定位了qDFS-04-4.0控制现蕾期的主效QTL位点，位于STV097-STV117标记之间，加性效应为0.43，遗传贡献率为7.23%。LG05上定位一个控制霜前花率的主效QTL位点qPPSC-05-9.0，位于BNL3806-TMG10区间，加性效应为7.25，遗传贡献率为14.00%。控制吐絮期的QTLqBOS-08-26.0定位LG08上，位于CIR062-NAU1156区间，加性效应为-3.07，遗传贡献率为8.02，这个位点是定位的生育期性状加性效应唯一来自爱1517的主效QTL位点。LG14上定位了两个分属不同年份的控制子指的主效QTL位点qSI-14-2.0、qSI-14-1.0a，位于BNL2634-BNL1694之间，加性效应分别为0.76、0.78，遗传贡献率分别为21.65%、22.13%。LG13上定位了两个主效QTL位点，分别是qUHML-13-6.0、qLP-13-6.0，分别控制着纤维上半部平均长度和衣分，加性效应分别为0.35、-0.97，遗传贡献率分别为5.64%、11.61%。对所得表型数据进行上位性分析，共定位15对上位性QTL位点(图1)：生育期性状定位4对上位性QTL位点：果枝始节1对，开花期2对，吐絮期1对。控制果枝节位的eFFBN-02-19.7对应LG15上的分布于BNL3031-BNL1672之间的eFFBN-15-0.0位点，上位效应为0.25，遗传贡献率为6.90%。开花期的上位性QTL位点为2对，第1对是分布于LG05的eDFF-05-46.6与分布于LG13上NAU1167-CIR347之间的eDFF-13-3.0，其上位效应为1.36，遗传贡献率9.29%。另一对是位于LG07上MUSB413-MUCS531标记之间的eDFF-07-16.3与eDFF-14-4.0，上位效应为1.27，遗传贡献率为8.09%，这两对位点的遗传贡献率大致相等。吐絮期相关的上位性QTL位点，分布与LG02、LG07连锁群上，上位效应为2.85，遗传贡献率为6.89%。纤维品质性状定位6对上位性QTL位点：上半部平均长度1对，马克隆值3对，断裂比强度1对，伸长率1对。与上半部平均长度相关QTL位点分布于LG01和LG03上，分别位于BNL3649-BNL1551和MUSS172-NAU769之间，上位效应为-0.52，故其来源于亲本德州047，遗传贡献率为11.98%。马克隆值共检测到3对QTL位点，分别分布于不同的三组连锁群上，对应的上位效应分别为0.17、-0.30、-0.22，其遗传贡献率分别为6.78%、20.27%、10.90%。断裂比强度对应的QTL位点分布于LG01和LG03上，上位效应为-0.51，其遗传贡献率为6.98%，其中位于BNL3649-BNL1551之间的位点与加性效应QTL位点，同在LG01连锁群上。伸长率相关QTL位点分布于LG05、LG10连锁群上，上位效应为-0.12，其遗传贡献率为11.13%。产量性状定位5对上位性QTL位点：单株铃数2对，衣分2对，子指1对。两对单株铃数上位性QTL分布在LG02、LG07和LG04、LG15上，上位效应来自同一个亲本，上位效应分别为1.03、0.87，遗传贡献率分别为14.18%、10.30%，都在10%以上。3个衣分上位性QTL位点主要分布于LG04、LG05、LG10上，3个位点组成两对QTL位点，上位效应分别为0.63、-1.09，遗传贡献率分别为4.90、14.68。这QTL检测中唯一的一个三点连锁位点，但上位效应作用方向相反。检测到子指的1对QTL位点，上位效应为0.61，遗传贡献率为14.26%。3结论和讨论3.1常用多基因控制变量模型农艺性状大多是受微效多基因控制的数量性状，前人关于数量性状的主基因与多基因混合遗传模型分析法也是根据数量性状的特点提出的一种基本假设，主基因与多基因混合模型分析预测结果与分子检测的QTL具有本质的一致性，存在必然的对应关系(殷剑美等,2003)。本试验定位的各性状主效QTL数量为数不多，定位了大量的上位性QTL，符合数量性状一般特征。根据本试验QTL定位结果认为生育期性状中果枝始节、开花期、吐絮期适合“一对主基因+多基因”模型，现蕾期、霜前花率受单个主基因控制的可能性更大。纤维品质性状中上半部平均长度适合“一对主基因+多基因”模型(殷剑美等,2003)，马克隆值、断裂比强度、伸长率主要受微效基因控制。前人关于棉花纤维品质研究很多，大多数认为马克隆值、断裂比强度主要受多基因控制不存在主基因与本实验相一致(马雪霞等,2008)。但也有人认为伸长率适合“一对主基因+多基因”模型(殷剑美等,2003)与本试验结果不符，可能是所用材料不同导致的结果偏差。产量性状中衣分、子指适合“一对主基因+多基因”模型(杜雄明等,1999;袁有禄等,2002)，单株铃数主要受微效多基因控制。QTL定位结果与主基因与多基因混合模型结果的一致性表明主基因与多基因混合遗传模型的分析预测有效的。本试验应用多代自交基因型趋于纯合的低筛选效率种内重组近交系进行遗传作图、QTL定位，在遗传背景清晰的前提下，确保了试验结果的可靠性，这也是遗传分析必备的充要条件。3.2．同类农艺性状的位点分布从主效QTL的分布看，主效QTL位点分散分布于主要的几个连锁群上，不同连锁群上同类性状聚集分布，qFFBN-01-41.3、qDFF-01-38.6位点几乎完全重合，qUHML-13-6.0、qLP-13-6.0位点相对位置则完全相同。对其表型性状数据相关分析也清楚地发现果枝始节与开花期，上半部平均长度和衣分均为遗传极显著相关(张先亮等,2008)。这充分表明数量性状基因有成簇分布的趋势(UlloaandMeredith,2000;张培通等,2006)，同类农艺性状主效QTL位点成簇分布则肯定了同类农艺性状遗传显著相关的正确性(李卫华等,2000)，同时也给予了遗传极显著相关分子本质合理的解释。上位性QTL位点比主效QTL分布相对集中，多性状多位点呈嵌套重叠分布状态，典型的大致分三种情况：其一，位点eUHML-01-93.7、eSS-01-93.7、eSI-01-82.7(分布于LG01)上；位点eFFBN-02-19.7、eBOS-02-19.7、eBPP-02-24.7、eMV-02-6.1(分布于LG02)；位点eFFBN-15-0.0、eBPP-15-0.0(分布于LG15上)发生重合情况，推测可能是一因多效现象，此类现象在前人研究中相当普遍(Wangetal.,2006;张培通等,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位点部分重叠且向染色体一侧(或两侧)延伸，与多基因家族成簇出现的特征相类似。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多个位点紧密连锁的情况。从整体的连锁情况来看，表型性状之间存在相关也应是普遍的。3.3不同生育期各基因位点的遗传贡献率陆地棉是AD异源四倍体棉，其基因组可被细化为A亚基因组和D亚基因组。本试验所构建的遗传连锁图，依据前人文献把构建的连锁群定位到A亚基因组和D亚基因组上(Wangetal.,2006)。生育期性状共定位了13个QTL位点，其中D亚基因组上定位主效QTL位点5个，上位性QTL位点4个，A亚基因组上定位了4个上位性QTL位点。纤维品质性状共定位了11个QTL位点，D亚基因组上定位主效QTL位点1个，上位性QTL位点6个，A亚基因组上只定位了4个上位性QTL位点。产量性状共定位了11个QTL位点，D亚基因组上定位主效QTL位点1个，上位性QTL位点6个，A亚基因组上定位主效QTL位点2个和上位性QTL位点2个。所定位的生育期相关QTL位点，从数目、类型及分布特征来看，D亚基因组定位的主要是能够稳定遗传且遗传效率较高的主效QTL位点，A亚基因组上定位的则只有上位性QTL位点。结合QTL总的遗传贡献率，认为D亚基因组对棉花各生育期性状遗传的贡献比A亚基因组要大。纤维品质性状检测到的主效QTL位点数量不多，多定位的是上位性QTL位点。所以本试验认为控制纤维品质性状变异的主要是上位效应，且定位的上位性QTL位点全部以A、D亚基因组间互作形式存在，这充分说明A、D亚基因间的互作对纤维品质性状形成十分重要。这与前人认为纤维发育相关的基因在只含D亚基因组的单倍体中被抑止，但在A、D亚基因组复合后去抑止，A亚组的基因表达量因为同源染色体间的互作增强了(Applequistetal.,2001)的观点相类似。同样与基因复制及染色体多倍化对与纤维发育相关性状的新变异有促进作用(Wendel,2000;Osbornetal.,2003)的观点相吻合。结合总的遗传贡献分析仍然认为是D亚基因组比A亚基因组在纤维品质性状上贡献更多(Jiangetal.,1998;Patersonetal.,2003)。从纤维品质上位性QTL定位的亚基因分布特征来看，不妨可以推测LG10上定位的2个纤维品质相关上位性QTL位点属于A亚基因组。定位的产量相关主效QTL位点在A、D亚基因组间都有分布，上位性QTL位点主要分布于D亚基因组上，上位性互作在D亚基因组内及A、D亚基因组间均有分布。但从上位性QTL位点数目分布特征及总的遗传贡献率来看，认为对产量聚合育种要A、D亚基因组并重，D亚基因组可能存在更多的基因位点，产生更多的变异。本试验构建的遗传连锁图，覆盖A亚基因组156.09cM，覆盖D亚基因组260.15cM，从图距数值来看，有偏向D亚基因组趋势，推断D亚基因组具有更高的多态性，可能蕴含更多的基因位点。QTL定位的结果则验证了这一点，在D亚基因组上共定位了23个QTL位点，在A亚基因组上获得16个QTL位点。从A、D亚基因组定位的各性状的QTL位点数目与分布特点看，棉花农艺性状基因定位重点在D亚基因组上，而聚合育种则要A、D亚基因组并重。3.4上位性ssctl位点对所检测到的QTL分析：其中主效QTL位点的加性效应绝对值在0.23到7.25之间，遗传贡献率范围在5.64%～22.13%之间。上位性QTL的上位效应的绝对值则在0.12～2.85之间，遗传贡献率范围为4.9%～20.27%之间。qFFBN-01-41.3、qUHML-13-6.0、qLP-13-6.0距离最近的标记都在1cM以下，十分有利于在育种实践对主效QTL跟踪检测或对其精细定位进行基因克隆。本试验定位的qPP-SC-05-9.0位点，具有较高的加性效应和遗传贡献率的主效QTL位点，用于聚合育种应该是有效的(沈新莲等,2001)，对于这种QTL位点应进行QTL精细定位、图位克隆，使之成为固定的基因资源。试验中检测子指相关两年稳定遗传QTL位点是十分有价值的。位点效应值高且能稳定遗传的QTL位点利用分子标记辅助选择应用到分子育种中，将会对育种工作具有一定的推动意义。除现蕾期、霜前花率未检测到上位性QTL位点外，其他性状均检测到不同数目的上位性QTL位点。马克隆值、断裂比强度、伸长率、单株铃数则只检测到不同对数的上位性QTL位点。果枝始节定位的1个主效QTL位点和1对上位性QTL位点，总的遗传贡献率为12.65%，其中上位性遗传贡献率占54.54%，遗传效应值和贡献率均略高于主效QTL位点，据此认为控制果枝始节的主效和上位性QTL起着同等重要作用，聚合多个增效上位性QTL位点对生育期改良是有效的。同样开花期定位的1个主效QTL位点和2对上位性QTL位点总的遗传贡献率为25.81%，其中上位性遗传贡献率占67.34%，上位性QTL位点遗传贡献率大于主效QTL位点，认为在进行子代上位性QTL聚合中开花期选择效果也应较明显。吐絮期定位了1个主效QTL位点和1对上位性