林木复杂性状系统作图计算平台构建

Systems mapping of quantitative trait loci(QTL)has incorporated the systems of trait formation and development into a statistical framework for QTL mapping, which can improve the resolution of complex traits in forest trees. Systems mapping have important practical significance for molecular marker assisted breeding of forest trees. In the forestry field, it has not well been developed for statistical model and software platform of systems mapping because of complicated biological features and fewer researchers. In this study, we expanded and improved the systems mapping statistical model. We try to formulate the model selection strategy for different phenotypes through the expansion and detection of differential equations of biological system. To improve the computational accuracy and achieve the optimal estimate of unknown parameters, we will evaluate the method of differential equation solution and parameter estimation. On this basis, all statistical models and algorithms will be integrated into the computing platform of systems mapping, which can be free to use for forestry researchers. The study also tests model and software through the actual data of Populus euphratica hybrid population. We also try to map several key QTLs with Populus euphratica seedling growth and explain the genetic mechanisms by genome-wide systems mapping.

QTL系统作图将表型发育的系统性融入到QTL作图框架中，能够提高林木复杂性状解析的精度，对林木的分子标记辅助育种具有重要的实际意义。但由于林木具有复杂的生物学特性，研究基础薄弱，目前尚未开发出适用于林木的系统作图统计模型和软件平台。本研究针对林木全同胞和自然群体，拟扩展和改进系统作图统计模型；对描述生物系统变化的微分方程进行扩充和检测，制定适用于不同表型的模型选择策略；对微分方程的求解和参数估计方法进行评估，实现参数的最优估计，提高分析的精度。在此基础上，利用发展的模型和算法建立符合林木自身特性的系统作图计算平台，供林业科研工作者自由使用。最后，对胡杨杂交群体进行全基因组系统作图，以实际数据验证模型和软件平台，同时定位影响胡杨幼苗生长相关性状的关键QTLs位点，解析其相关的遗传机制。

林木生物量积累涉及多器官动态相互作用，这些相互关系最终反映到林木表型的改变，是林木适应环境进化选择的结果。为深入解析林木表型互作生长的遗传机制，本研究构建和扩展了适用于林木复杂表型的系统作图技术，并将其用于胡杨全同胞作图群体根部系统模块的定位，同时开展了计算机模拟评估，最后基于其它群体数据对扩展的系统作图模型进行了深入验证，该研究促进了林木复杂性状基因定位技术的发展。在本项目中，我们首先基于修饰的Lotka-Volterra方程发展了用于两个表型的林木复杂性状的系统作图模型框架并开发了相关算法，在胡杨根，根茎和侧根模块实际数据分析中，获得的显著标记数量分别是52，51和18，计算机模拟研究评估发现新的作图框架具有较好的统计功效和适用性，当作图群体样本量提高到200以上时能保证新模型基因定位的精度，为考虑更多表型的互作，我们继续发展了基于非参的系统微分方程用于表型系统的描述。在系统作图基础上，我们进一步将生物-生物合作、竞争新理论融入基因定位框架中，并发展了一套计算机模型与算法，为生态学家研究生物共生、共进化机理提供重要分析工具。本项目发展的林木系统作图框架为深入解析林木复杂性状提供了新的工具，而提出的生物互作基因定位理论将生物互作引入到数量遗传学，打破传统数量遗传学生物是孤立的这一假设，扩展了数量遗传学的范畴。