多亲纯系遗传群体的连锁分析与数量性状基因定位方法研究

Genetic studies on populations derived from multiple parents have become more and more important. Compared with bi-parental populations, multi-parental populations contain more abundant genetic variation, and can be used to detect QTL with higher breeding values. However, genetic analysis methods for multi-parental populations are particularly lacking. Based on our previous studies on clonal F1 and four-way crosses, this project will focus on genetic analysis methods and software development for populations of pure lines derived from four-way and eight-way crosses. Our objectives are (1) to derive the theoretical genotypic frequencies between two linked loci, and then propose algorithms for estimating pairwise recombination frequencies and constructing high density linkage maps; (2) to derive the expected frequencies of QTL genotypes conditional on each marker class, build the linear model of phenotype on marker type, and then develop the efficient method for QTL detection; (3) to develop the software for genetic analysis, validate the proposed methods using simulated populations, and finally apply these methods to two or three actual multi-parental pure line populations. Outcomes from this project will contribute useful methods and tools for genetic analysis in pure line populations derived from four-way and eight-way crosses. In addition, methodology used in this project will also provide guidance for populations derived from other multi-parental mating designs, which will contribute to population development, gene discovery and future breeding application using multiple parents.

利用多个亲本进行交配设计、开展遗传研究的重要性日益突出。与双亲衍生群体相比，多亲群体具有更丰富的遗传变异，能挖掘出具有更高育种价值的基因。然而，多亲群体的遗传分析方法研究还很少。本项目在前期克隆F1和四交群体的研究基础上，拟开展四向和八向杂交衍生纯系群体的遗传分析方法和分析软件研究，具体内容包括（1）推导两个连锁座位的理论基因型频率，研究重组率估计方法和高密度连锁图谱构建算法；（2）利用已构建图谱，推导区间标记基因型下QTL基因型的期望频率，建立表型与基因型间的线性关系模型，提出该类群体定位QTL的有效方法；（3）研制遗传分析软件，利用大量模拟群体验证遗传分析方法的有效性，并将这些方法应用于二至三个真实的多亲纯系群体。本项目研究结果将为四交和八交衍生纯系群体的遗传分析提供有效方法和工具，为其他多亲交配设计的遗传分析方法提供借鉴，促进多亲本群体创建、基因挖掘和育种利用等多方面的研究工作。

连锁分析和基因定位是遗传学研究的两个重要环节，是有效开展分子育种的基础。随着遗传研究的深入，传统的双亲群体已经不能完全满足复杂性状遗传解析的需要。多亲纯系群体具有更多的重组事件，更丰富的遗传多样性，可以进行多环境重复试验来提高QTL定位准确性并开展QTL与环境互作分析，近年来越来越受到广泛关注。本项目对四交、八交衍生纯系群体开展了系统的遗传分析方法研究，主要内容包括重组率估计、连锁图谱构建、基因定位方法研究及软件开发。重组率估计方面，我们首先根据纯合亲本中可区分的等位基因个数，对多态性标记进行分类。能够区分所有亲本等位基因的标记称为完全信息标记。推导了两个完全标记的期望基因型频率，并提出了标记间重组率的极大似然算法。对含有不完全信息的两个标记，使用EM迭代估计重组率。使用最近邻居法构建初始连锁图谱，并用2-Opt改进图谱。基因定位方面，推导出了各种标记基因型下QTL基因型的条件概率，对四交、八交纯系群体分别构建一组正交变量，建立QTL作图的表型与基因型间线性回归模型，用于完全吸收遗传变异。基于完备区间作图（ICIM）思想，利用逐步回归选择显著的标记变量，对表型值进行校正，从而进行有背景控制的区间作图。大量模拟研究表明：本研究中提出的重组率估计和连锁图谱构建方法能在更短的运行时间内构建出更准确的图谱；综合考虑较高的作图功效，较低的假阳率、更准确的QTL位置和效应估计等因素，本研究中提出的QTL定位方法是一种较为有效的作图方法。开发出多亲纯系群体遗传分析集成软件GAPL，包含SNP数据转换（SNP）、去冗余标记（BIN）、图谱构建（PLM）和QTL定位（PLQ）四个功能。软件最新版本1.2版可从课题组网页www.isbreeding.net免费下载，界面友好，输入格式灵活，操作简单，文本和图形结果满足各种需求。本项目为多亲纯系群体提供了高效、准确的遗传分析方法和计算机软件，对多亲群体的创建、基因挖掘和育种利用起到了促进作用。