关联分析在植物遗传学中的应用

王云云（黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163319）

关联分析在植物遗传学中的应用

王云云
（黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163319）

近年来，关联分析作为一种分析方法，在植物数量性状关联作图、功能基因鉴定和植物育种中得到广泛应用。本文介绍了关联分析的原理、特点、基本策略及在植物遗传学中的应用。

关联分析；连锁不平衡；数量性状

关联分析，亦称连锁不平衡作图或关联作图，是研究复杂数量性状的遗传学方法，以连锁不平衡（LD）为基础，鉴定某一群体内目标性状与遗传标记或候选基因关系的分析方法，与QTL定位不同，不需要构建作图群体，就可实现同时对多个性状的分析。

1　关联分析的原理和特点

关联分析的基础是连锁不平衡（linkage disequilibrium，LD），亦称为配子相不平衡（gametic phasedisequilibrium）、 配 子 不 平 衡（gametic disequilibrium）或等位基因关联（allelic association），是指群体内不同座位等位基因 （可以是标记亦可是基因/QTL间与标记）间的非随机关联［1］。特点和优势：第一，以自然群体为材料，无须构建作图群体，极大减少了基因定位周期。第二，通过统计群体的多个性状信息和基因组信息，可实现多个基因定位，而连锁作图只能定位一对相对性状。第三，关联分析作图群体的群体结构具备丰富的遗传多样性、有代表性，这样定位精度和有效性才能得到保障，避免假阳性，同时可以采用去除假阳性的方法，提高作图的准确性［2］。

2　关联分析的应用

2.1关联分析与植物QTL定位的研究

关联分析在植物QTL定位研究中应用最多，先后有20余种植物进行了产量和质量性状与QTL的关联分析研究，主要有玉米、甜菜、拟南芥、高粱、小麦［3-6］、冬小麦、大麦、马铃薯、大豆［7-8］、小豆［8］、芝麻［9］、香菇、水稻［10］、火炬松、甘蔗、桉树、燕麦草、珍珠栗、亚麻、西瓜［11］、菊花和绣线菊等［12-14］。2011年，郝德荣等对大豆基因组中控制大豆产量相关性状的功能基因/QTL进行了研究，将连锁作图同关联分析相结合，成功检测到40个标记位点与产量相关性状显著关联，进一步增加了大豆基因图谱的精度［15］；赖勇［16］利用SSR标记分析了113份大麦亲本材料的遗传多样性及群体遗传结构，共找到了15个分别与株高、穗长、芒长、穗粒数和小穗着生密度相关联的分子标记，同时将这些标记定位于相应的染色体上。关联分析在花卉等观赏性植物中研究应用较少，2012年，李仁伟等在菊花品种表型性状与SRAP分子标记的关联分析中，利用筛选出的19对SRAP引物对58个典型大菊品种进行多位点扫描分析，获得了18个菊花重要表型性状进行关联分析结果，发现有6个标记位点与5个性状关联［17］。在野生香菇数量性状与SSR分子标记的关联分析的研究中，选择全国14个省份的香菇93个野生菌株和1个栽培菌株为研究群体，利用34对SSR分子标记，对香菇13个数量性状与SSR分子标记进行关联分析研究，得到了主要数量性状相关的标记，同时对野生香菇的遗传多样性及群体结构进行了分析［18］。在水稻关联定位群体的构建及若干品质性状的管理分析研究中，以粕粳交窄叶青8号/京系17的加倍单倍体 （DH）群体及其分子图谱，对稻米颜色参数、多酚、类黄酮含量及抗氧化能力性状进行了QTL定位分析，总共检测出12个主效QTL并定位到具体的染色体［19］。在水稻苗期稻瘟病抗性的全基因组关联分析研究中，共检测到126个关联位点。在籼稻群体内共检测到51个与稻瘟病抗性相关联的SNP位点；在粳稻群体内共检测到5个与稻瘟病抗性相关联的SNP位点；在总样本中共检测到72个与稻瘟病抗性相关联的SNP位点，同时证实了全基因组关联分析（GWAS）能够作为一种高效率挖掘抗性候选基因的方法［20］。

2.2关联分析与基因功能的开发和验证

关联分析中候选基因法相对全基因组分析所需的工作量小、标记数量较少、成本低，可对目的基因进行功能鉴定，是植物遗传学中基因功能鉴定的常用方法。2004年，Wilson［21］等应用关联分析方法对玉米籽粒淀粉代谢途径中6个关键酶基因和代谢产物的关联进行研究，发现了4个基因和籽粒成分及淀粉糊化特性显著相关。2008年，Harjes［22］等研究了玉米微生物A的代谢相关功能基因的开发，发现了4个影响胡萝卜素含量的多态性位点，丰富了关联分析在植物领域的应用。我国关联分析在功能基因的开发方面，现已在小麦［23］、大豆［24］、玉米［25］、水稻［26］中均有研究。在大豆产量性状的关联分析中，证明了赤霉素代谢途径和相关代谢的变化能够引起大豆百粒重和产量的变化，并研究了相关分子机制［15］。在水稻关联定位群体构建和水稻品质性状的关联分析研究中，金亮等人将稻米颜色参数、营养品质性状与控制种皮颜色的Rc、Ra基因，香味基因、淀粉主效基因位点及100个SSR标记位点进行了关联分析研究，结果证明，Ra、Rc基因是颜色性状的主效基因［19］。在玉米再生候选基因ZmLEC1与胚性愈伤组织形成能力关联分析研究中，对ZmLEC1基因的多态性位点与表型性状进行关联分析，发现4个多态性位点与胚性愈伤形成能力存在显著关联［27］。在西瓜核心种质枯萎病抗性与SRAP分子标记的关联分析研究中，发现有1个标记位点与枯萎病抗性显著关联（P＜0.01），该位点对表型性状的解释率为0.2035，同时研究表明：SRAP标记可以实现西瓜种质资源进行群体结构的有效划分，并且可以应用作为关联分析的分子标记。

2.3关联分析与功能性标记的开发

功能标记是指根据引起性状变异基因的功能区的基因序列多态性，开发出来的多态性标记。功能标记的开发策略主要有：功能基因的确定、获取等位基因序列信息、多态性功能区域的确定，从而开发多态性分子标记［28-29］。而关联分析方法则是应用于分析功能基因的多态性标记和基因功能高效的方法。应用关联分析开发功能标记的开发需要满足2个条件：首先，确定功能标记开发的群体，克隆已知候选基因或功能基因，获得等位基因序列信息。其次，通过统计基因相符应的表型性状数据，获得准确的群体表型数据，将二者结合，进行关联分析［30-31］。最近，在水稻抗稻瘟病基因Pi35功能性分子标记的开发及应用中［32］，通过比对抗、感品种中Pi35等位基因序列，发现一个能检测抗、感病性差异的特异SNP（3780 T），并据此开发了Pi35基因的功能性分子标记Pi35-dCAPS，为高效利用Pi35基因进行过水稻品种的改良和稻瘟病抗性研究奠定了基础。在小麦转录因子基因W16的功能标记作图和关联分析研究中，开发小麦DREB转录因子基因W16的功能标记，确定了W16所在的染色体位置，鉴定出HapⅡ为增加单株穗数和籽粒饱满度的优良单倍型，HapⅢ为提高穗粒数的优良单倍型，该基因的功能标记和关联分析结果为小麦分子育种提供了重要信息［33］。在水稻品质性状功能标记开发研究中，开发出6个分别同表观直链淀粉含量（AAC）、淀粉黏滞性（HPv、CPv、BD和SB）、凝胶硬度（HD）、成糊温度（PT）显著相关的重要位点，对于改良稻米淀粉品质、缩短育种年限具有十分重要的意义［19］。宿振起在小麦粒重基因TaGW2的克隆、标记的开发及功能验证研究中，根据TaGW2-6A等位基因在启动子区的序列差异，开发了1个CAPS标记，该标记是以SNP-593为差异为位点、以TaqI内切酶为工具［34］。在小麦TaSnRK2.10基因的克隆、标记开发和功能分析研究中，发现在TaSnRK2.10-4A中存在3个SNP和1个InDel变异位点，根据TaSnRK2.10-4A序列的SNP开发了1个CAPS功能标记［35］。利用功能性分子标记可以进行分子标记辅助选择和植物品种鉴定，对加快育种世代选择、缩短育种年限、保护植物知识产权具有重要意义。

［1］ Gaut BS，Long AD.The lowdown on linkage disequilibrium［J］.Plant Cell，2003，（15）：1502-1506.

［2］ 谭贤杰，吴子恺，程伟东，等.关联分析及其在植物遗传学研究中的应用［J］.植物学报，2011，（01）：108-118.

［3］ 雷梦林，李昂，昌小平，等.小麦转录因子基因W16的功能标记作图和关联分析［J］.中国农业科学，2012，（09）：1667-1675.

［4］ 王智兰.小麦蛋白磷酸酶TaPP2Aa/c的功能标记开发、作图和关联分析［D］.太原：山西大学，2011.

［5］ 武玉国，吴承来，秦保平，等.黄淮冬麦区175个小麦品种的遗传多样性及SSR标记与株高和产量相关性状的关联分析［J］.作物学报，2012，（06）：1018-1028.

［6］ 张国华，高明刚，张桂芝，等.黄淮麦区小麦品种（系）产量性状与分子标记的关联分析［J］.作物学报，2013，（07）：1187-1199.

［7］ 文自翔，赵团结，郑永战，等.中国栽培和野生大豆农艺品质性状与SSR标记的关联分析 I.群体结构及关联标记［J］.作物学报，2008，（07）：1169-1178.

［8］ 赵波，叶剑，金文林，等.不同类型小豆种质SSR标记遗传多样性及性状关联分析［J］.中国农业科学，2011，（04）：673-682.

［9］ 危文亮，张艳欣，吕海霞，等.芝麻资源群体结构及含油量关联分析［J］.中国农业科学，2012，（10）：1895-1903.

［10］ 金亮.水稻关联定位群体的构建及若干品质性状的关联分析［D］.杭州：浙江大学，2009.

［11］羊杏平，刘广，侯喜林，等.西瓜核心种质枯萎病抗性与SRAP分子标记的关联分析［J］.园艺学报，2013，（07）：1298-1308.

［12］ 王荣焕，王天宇，黎裕.关联分析在作物种质资源分子评价中的应用［J］.植物遗传资源学报，2007，（03）：366-372.

［13］ 于海霞，肖静，田纪春，等.关联分析及其在植物中的应用［J］.基因组学与应用生物学，2009，（01）：187-194.

［14］ 杨小红，严建兵，郑艳萍，等.植物数量性状关联分析研究进展［J］.作物学报，2007，（04）：523-530.

［15］ 郝德荣.大豆产量相关性状QTL的关联分析及候选基因GmGA3ox单倍型鉴定［D］.南京：南京农业大学，2011.

［16］赖勇，王鹏喜，范贵强，等.大麦SSR标记遗传多样性及其与农艺性状关联分析［J］.中国农业科学，2013，（02）：233-242.

［17］李仁伟，王晨，戴思兰，等.菊花品种表型性状与SRAP分子标记的关联分析［J］.中国农业科学，2012，（07）：1355-1364.

［18］ 徐锐.野生香菇数量性状与SSR分子标记的关联分析［D］.武汉：华中农业大学，2013.

［19］ 金亮，包劲松.植物性状-标记关联分析研究进展［J］.分子植物育种，2009，（06）：1048-1063.

［20］ 王彩红.水稻苗期稻瘟病抗性的全基因组关联分析［D］.北京：中国农业科学院，2014.

［21］ Wilson LM，Whitt SR，Ibanez AM，Rocheford TR，Goodman MM，Buckler IV ES.Dissection of maize kernel composition and starch production by candidate gene as-sociation［J］.Plant Cell，2004，（16）：2719-2733.

［22］ Harjes CE，Rocheford TR，Bai L，Brutnell TP，Kandianis CB，Sowinski SG，Stapleton AE，Vallabhaneni R，Wil-liams M，Wurtzel ET，Yan J，Buckler ES. Natural genetic variation in lycopene epsilon cyclase tapped for maize biofortification［J］.Science，2008，（319）：330-333.

［23］ 李玮瑜，张斌，张嘉楠，等.利用关联分析发掘小麦自然群体旗叶叶绿素含量的优异等位变异［J］.作物学报，2012，（06）：962-970.

［24］ 杨胜先，牛远，李梦，等.栽培大豆农艺性状的关联分析及优异等位变异挖掘［J］.中国农业科学，2014，（20）：3941-3952.

［25］ 张恩盈.玉米LEAFY、RTCS和dbf1基因序列变异及其产量相关性状关联分析［D］.扬州：扬州大学，2014.

［26］ 孙晓棠，卢冬冬，欧阳林娟，等.水稻纹枯病抗性关联分析及抗性等位变异发掘［J］.作物学报，2014，（05）：779-787.

［27］ 李钊.玉米再生候选基因ZmLEC1的序列变异及其与胚性愈伤形成能力的关联分析［D］.哈尔滨：东北农业大学，2013.

［28］ Andersen JR，Schrag T，Melchinger AE，Zein I，Lübberstedt T.Validation of Dwarf8 polymor-phisms associated with flowering time in elite European inbred lines of maize（Zea mays L）［J］.Theor Appl Genet，2005，（111）：206-217.

［29］ Flint-Garcia SA，Thuillet A，Yu J，Pressoir G，Romero SM，Mitchell SE，Doebley J，Kresovich S，Goodman MM ，Buckler ES.Maize association population:a high resolution platform for quantitative trait locus dissection［J］. Plant J，2005，（44）：1054-1064.

［30］ Remington D.L.，Thornsberry J.M.，Matsuoka Y.，Wilson L.M.，Whitt S.R.，Doebley J.，Kresovich S.，Goodman M.M.，and BucklerⅣ E.S.Structure of linkage disequilibrium and phenotypic associations in the maize genome，Proc ［J］.Natl.Acad.Sci.，USA，2011，98（20）：1479-1484.

［31］ Thornsberry J.M.，Goodman M.M.，Doebley J.，Kresovich S.，Nielsen D.and Buckler E.S.Dwarf8 polymorphismsassociate with variation in flowering time ［J］.Nat.Genet.，2001，（28）：286-289.

［32］ 马建，马小定，赵志超，等.水稻抗稻瘟病基因Pi35功能性分子标记的开发及其应用［J］.作物学报，2015，（12）：1779-1790.

［33］ 雷梦林.小麦转录因子基因的关联分析及其在非生物胁迫下的表达特性［D］.太原：山西大学，2012.

［34］ 宿振起.小麦粒重基因TaGW2的克隆、标记的开发及功能验证［D］.北京：中国农业科学院，2010.

［35］ 张照贵.小麦TaSnRK2.10基因的克隆、标记开发和功能分析［D］.泰安：山东农业大学，2014.

Application of correlation analysis in plant genetics

WANGYun-yun
（DaqingBranch ofHeilongjiangAcademyofSciences，Daqing163319，China）

In recent years，correlation analysis as an analytical method has been widely used in the context of plant quantitative trait correlation mapping，functional gene identification and plant breeding.This paper introduced the principle，characteristics，basic strategy and application of correlation analysisin plant genetics.

Correlation analysis；Linkage disequilibrium；Quantitative trait

Q943

A

1674-8646（2016）11-0001-03

2016-04-10