大豆QTL作图群体与定位方法研究进展*

李灿东

（黑龙江省农业科学院佳木斯分院，黑龙江 佳木斯 154007）

随着分子标记的出现以及模式植物全基因组测序的完成，推动了高密度分子标记连锁遗传图的构建，使得数量性状的研究不再沿用基于多基因假说的统计方法，使经典数量遗传学发展到一个崭新的阶段—分子数量遗传学阶段。近年来，分子数量遗传学研究逐渐深入，不同作物上已经构建了大量的遗传图谱，并对目标性状进行了QTL定位。而遗传作图群体是构建遗传图谱和进行QTL定位的前提[1]。

1 遗传作图群体

1.1 初级作图群体

初级作图群体主要包括F2，BC1，DH，RIL和IF2群体等，这些群体个体间背景差异极大，但极适合QTL初步定位。根据能否永久保存可分两类，一类是暂时性分离群体，如F2、BC1和三交群体等，这类群体以个体为单位组成，在繁殖时经过自交或近交会再次发生重组和分离，因此后代无法保持原来的种性。另一类是永久性分离群体，如DH、RIL和IF2等群体，这类群体以株系为分离单位，每一株系在遗传上是纯合的，可以不断繁殖，反复使用，主要用于高精度和高密度作图[2-3]。

1.1.1 暂时性分离群体

（1）F2群体 获得F2群体十分容易，两个纯合的自交系杂交再自交一次就得到F2群体。在F2群体中两亲本的纯合基因型和杂合子基因都得以表现，因此F2群体提供的遗传信息最丰富。但对于显性标记，F2群体不能区分纯合显性基因型与杂合基因型，会降低作图的精度。

（2）BC1群体 F1与亲本之一回交一次就得到BC1群体。BC1群体的每一对等位基因只有两种基因型，直接反映F1代配子的分离比例，因而他的作图效率最高。通过正反交BC1群体中基因重组率的异同，可以检验雌雄配子在基因间的重组率上是否有差异。

1.1.2 永久性分离群体

（1）DH群体 F1植株花粉离体培养得单倍体植株，再经染色体加倍繁殖一代便成为双单倍体。DH植株是纯合体，自交后代是纯系。DH群体的遗传结构直接反映F1配子中基因的分离和重组，其作图效率与BC1群体一样。使用DH群体困难在于有些植物很难花培，无法得到DH群体。

（2）RIL群体 F2单株种子采用一粒传方法经8～12代自交获得。多代自交后，绝大多数基因已纯合，RIL群体可稳定保存，分发给不同的研究者共尝作图和基因定位的结果。在不断自交的过程中，染色体重组的机会增加，位点间的重组率增大，可以加大标记的密度，提高了作图的精度。

（3）IF2群体 IF2群体的构建有两种方法，第一种就是将F3家系各取40粒种子种成两行，每行20个单株。开花期每行取5株花粉混合授到另一行的5株上，两行进行相互授粉，每一家系收获不少于20个果穗的种子混合构成永久F2。第二种方法是将重组自交系随机分成两组，彼此一对一随机交配得F1种子，分组和交配重复进行3次所构成群体的遗传结构类似于F2，故也称为永久F2。IF2群体既有F2遗传变异丰富，又能长期保存，是较理想的定位群体。

1.2 高级作图群体

高级作图群体主要是指近等基因系类群体，其特征是群体个体间遗传背景相似，仅带有少数供体片断，如导入系（ILs）和替换系（SLs），它们都是通过连续重复回交和MAS来完成的。这些群体能使整个基因组间的多个QTL分解为只存在一个或几个QTL分离，从而消除背景的干扰和主效QTL对微效QTL的掩盖作用，非常适合QTL鉴定，精细定位，品种改良[4-5]。

高级作图群体的一个杰出代表是染色体单片断代换系（CSSLs）。该群体是近年发展起来的理想材料，指在受体的遗传背景中只有一个染色体片断被供体相应的染色体片断所代换的品系。单片断代换系与受体亲本只存在一个代换片断的差异，故可以完全消除遗传背景的干扰，更适合进行QTL效应评价，精细定位。由于CSSL与受体亲本遗传组成上的唯一差异仅局限于目标片断内，因此CSSL与受体之间的任何遗传差异都与代换片断有关。

2 大豆QTL定位方法

2.1 单标记分析

单标记分析方法是通过方差分析、回归分析或似然比检验，比较不同标记基因型数量性状均值的差异。如果存在显著差异，则说明该数量性状的QTL与标记有连锁。单标记法不需要完整的分子标记连锁图谱，因而早期的QTL定位多采用这种方法[6]。但是，方差分析和回归分析只能检测标记和QTL的连锁，不能估计他们之间的重组率。

2.2 区间作图法

Lander和Botstein发展了以连锁图谱上两个相互侧邻的遗传标记为基础的QTL作图方法。该方法是将正态混合分布的最大似然函数和简单回归模型相结合，借助于完整的分子标记连锁图谱，计算基因组相邻标记之间任一位置上存在QTL和不存在QTL的似然函数比值的对数（LOD值），以一定的步长（如1cM），沿整条染色体逐步改变假设存在的QTL的位置，就能得到LOD（或LR）值沿染色体变化的曲线，大于显著临界值的LOD曲线高峰所对应的染色体位置就是存在QTL可能性最大的位置[7]。

2.3 复合区间作图法

针对区间作图法存在的问题，学者们提出了不少改进方法。最有效的方法是根据回归模型中每个QTL的效应只被其两侧相邻标记所吸收的统计特性，用被检区间之外的部分或全部标记作为回归模型中的余因子来消除其他QTLs或遗传背景对被检区间的影响。Zeng提出了多元线性回归与区间作图法相结合的复合区间作图法（Composition Interval Map⁃ping，简称CIM）[8]。

2.4 QTL定位的混合线性模型方法

基于混合线性模型的复合区间作图方法的提出，为分析各种复杂的遗传模型提供了有力的工具。该方法的特点是，把群体均值、QTL各项遗传效应（包括加性效应、显性效应和上位性效应）作为固定效应，而把环境效应、QTL×环境互作效应、分子标记效应及其与环境的互作效应以及残差效应作为随机效应，将效应估计和定位分析结合起来，进行多环境下的联合QTL定位分析，提高了作图的精度和效率。

3 大豆QTL的精细定位的策略

目前大多数QTL定位的精度只在10～20cM，这一精度无法区分是单个基因还是多个QTL位点连锁的多基因成分。在一般情况下，10～20cM的基因组区域很可能包含控制同一性状的几个效应相反的QTL，这在一定程度上势必影响改良的性状在这一区域的遗传获得量和育种值[9-13]。为进一步理解QTL的遗传结构进而克隆QTL，影响同一性状的多个QTL必须分别定位在染色体的不同位点上。从这个角度出发，QTL的精细定位是十分重要的。近年来，国内外关于QTL精细定位的研究主要从以下几个方面开展。

3.1 减少背景噪音

在构建作图群体时，由于杂交的原因使得后代群体的遗传背景较为复杂，这在一定程度上限制了QTL分析的准确性，QTL的效应通常是比较不同个体基因型之间的某一性状的均值差异显著性来估算的。因此，理论上任何减少同一组内性状变异的措施都将有利于减少遗传背景干扰，并提高QTL的定位精度。

3.2 提高定位群体中重组个体的频率

QTL定位的基本策略是基于比较QTL位点附近分子标记发生重组的个体与非重组个体之间的均值差异进行的，因此，重组个体的数量直接影响QTL定位的精度。为提高重组个体的比例，可以在比较早的世代进行重组体鉴定，随后进行多个世代的跟踪选择，进而提高重组体在定位群体中占的比例，通过这样的途径，能够有效地提高QTL定位的精度。

4 大豆QTL定位存在的问题及解决方法

4.1 作图群体的限制

在大豆QTL定位研究方面，常用的作图群体主要是F2、RIL，BC1等初级作图群体，利用这些群体进行QTL定位精确度及稳定性都不高，往往存在一些问题，如F2群体不能区分纯合显性基因型与杂合基因型，会降低作图的精度；BC1群体由于回交后每对同源染色体发生重组的机会比F1自交低二分之一，提供的遗传信息只有F2群体的一半。要想提高定位的精确度及稳定性，首先要选择目标性状差异较大的亲本组合进行QTL定位研究，并适当群体量以提高准确性；其次要控制环境条件的影响，减少遗传背景对定位的干扰，主要采用大豆导入系材料进行QTL定位。

4.2 环境条件的干扰

数量性状易受环境条件变化的影响，尤其是F2群体，在田间试验设计是无法实现重复的，因此利用暂时性分离群体进行QTL定位的准确性不高。解决的方法是发展永久性分离群体并经过多年多点的QTL检测进行定位分析，以提高检测的真实性和稳定性。另外，由于某些数量性状的变化是动态的，而QTL定位研究主要是针对某个时期静态的性状表现，因此QTL定位研究应该向动态分析转化。

4.3 遗传图谱的饱和度

遗传图谱的饱和度直接影响到QTL定位的精确性，构建高密度的大豆遗传连锁图对于QTL定位研究是十分必要的，应该不断发展新的作图群体，增加遗传图谱的饱和度，为QTL定位的精确性奠定基础。

4.4 大豆导入系的发展

国内自2006年由中国农业科学院作物科学研究所组织全国各主要科研单位开始导入系材料的构建。2007年鄂文娣以Harosoy及其111份回交渗入系为材料，用分布于20个连锁群的234个SSR位点对其进行全基因组扫描。在这234个位点中，有179个位点具有多态性，共检测到402个等位变异，631个渗入片段，并定位了一批控制农艺性状基因的标记，同时鉴定出一批较为重要的分子标记。这些工作为大豆导入系的构建和利用起到了先导作用，标志着新的QTL定位群体产生了。

［1］刘峰,吴晓雷,陈受宜.大豆分子标记在RIL群体中的偏分离分析[J].遗传学报,2000,27(10):883-887.

［2］阮成江,何祯祥,钦佩.我国农作物QTL定位研究的现状和进展[J].植物学通报,2003,20(1):10-22.

［3］吴新儒,刘树兵,刘爱峰,等.小麦重要农艺性状QTL近等基因导入系的选育[J].麦类作物学报,2007(4):583-588.

［4］贾继增,黎裕.植物基因组学与种质资源新基因发掘[J].中国农业科学,2004(11):1585-1592.

［5］刘立峰,李自超,穆平.基于作物QTL的分子育种研究进展[J].分子植物育种,2004,2(1):76-82.

［6］林谦,毛孝强,杨德,等.QTL作图主要统计方法及主要作图群体[J].云南农业大学学报,2004,19(2):121-127.

［7］席章营.作物次级作图群体的研究进展.全国玉米种质扩增、改良、创新于分子育种学术会议论文集[C].2004:260-269.

［8］孙勇,藏金萍,王韵,等.利用回交导入系群体发掘水稻种质资源中的有利耐盐QTL[J].作物学报,2007,33(10):1611-1617.

［9］廖长见,王颖姮,潘光堂.作物染色体导入系的构建及其应用[J].分子植物育种,2007(S1):139-144.

［10］王玉民,席章营,尚爱兰,等.作物单片段代换系的构建及应用[J].中国农学通报,2008,24(3):67-71.

［11］徐建龙,薛庆中,罗利军,等.近等基因导入系定位水稻抗稻曲病数量性状位点的研究初报[J].浙江农业学报,2002,14(1):16-21.

［12］郑天清,徐建龙,傅彬英,等.回交高代选择导入系的纹枯病抗性与抗旱性的遗传重叠研究[J].作物学报,2007,33(8):1380-1384.

［13］万建民.作物分子设计育种[J].作物学报,2006,32(3):455-462.